变频调速对离心泵振动的影响研究

张德满，俞　健，邱浩然，尚　进（. 武汉第二船舶设计研究所，湖北　武汉 430064；. 武汉理工大学，湖北　武汉 430063）

变频调速对离心泵振动的影响研究

张德满1，俞健1，邱浩然2，尚进1
（1. 武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉 430064；2. 武汉理工大学，湖北武汉 430063）

作为动力源机械，离心泵广泛应用于流体管路系统中。为了满足不同工况下系统对离心泵流量的需求，可以采用节流阀或变频器对离心泵流量进行调节。试验测试了节流调速和变频调速时离心泵出口振动，分析了离心泵出口振动特性，发现离心泵出口振动具有比较明显的低频线谱，且线谱频率与电机和泵的转速相对应。对 2种流量调节方法下离心泵出口振动振级进行比较，发现变频调速时离心泵出口振动更小，因此通过变频调速，可以降低离心泵出口振动。

离心泵；振动；变频

0　引　言

离心泵作为一种动力源，广泛应用于液态介质传输管路系统中。作为一种转动机械，其工作时不可避免的产生振动，严重时会影响泵本身以及管路系统的工作稳定性［1 - 3］。

在复杂的管路系统中，不同工况时，系统对离心泵的流量需求可能有较大的变化，为解决此问题，传统的方法是给管路系统配置能够满足系统最大流量和扬程的泵，当系统的流量需求降低时，通过节流阀调节离心泵的输出流量，以满足管路系统的流量需求。该方法的缺点是，离心泵功率冗余会随系统流量需求降低而升高，容易导致离心泵和管路系统的振动大幅增加。

变频技术是一种通过交流转直流再转交流的方法，改变电源频率的技术，该技术可以通过改变电机的转动频率来改变离心泵的转速，达到改变其输出流量的目的。本文将通过试验的方法，详细研究离心泵振动的特点，并通过对比的方法，分析节流调速与变频调速对离心泵性能和振动的影响。

1　试验设备及试验方法

试验用离心泵的额定功率为 60 kW，额定转速为3 000 r/min，额定流量为 180 m3/h。图 1 为离心泵试验台架示意图，为降低流量调节阀节流噪声对离心泵测试的影响，流量调节阀与离心泵之间的管路长度大于10 m，且由减振接管隔开。

如图 1 所示，因离心泵出口振动对系统管路影响较大，将加速度传感器布置于离心泵的出口处上方，以该点的振动信号表示离心泵的振动情况［4 - 5］。采用节流阀对离心泵进行调速时，变频器给电机供 50 Hz 的交流电；采用变频器对离心泵进行调速时，流量调节阀处于全开状态。离心泵前后的减振接管可以有效隔离试验管路与离心泵之间的振动传递，减小管路中水激振动对试验测试结果的影响。

图 1　离心泵试验台架示意图Fig. 1　Schematic diagram of centrifugal pump test bench

2　不同调速方法对离心泵性能的影响

2.1基本特性

对于同一台离心泵，采用节流阀调节其输出流量时，随着调节阀开度不同，泵的功率基本不变。采用变频调速时，离心泵的流量 Q、扬程 H、功率 P 与泵转速 n 之间存在以下关系：

由式（1）可知，在不考虑离心泵运转效率变化的情况下，离心泵的流量与转速呈线性关系。由式（2）可知，同样在不考虑运转效率变化的情况下，离心泵的扬程与转速的平方呈线性关系。

2.2不同调速方法对离心泵扬程的影响分析

图 2 为采用流量调节阀调速时，试验测得离心泵流量与扬程之间的变化曲线。流量调节阀全开时离心泵出口流量为 180 m3/h，扬程为 66 m。随着流量调节阀开度变小，离心泵流量逐渐减小，泵的扬程随之增大。当离心泵出口流量减小到 90 m3/h 时，其扬程升高到了 86 m。

图 3 为采用变频调速时，试验测得离心泵流量与扬程之间的变化曲线。变频器给电机供 50 Hz 的交流电时，离心泵出口流量为 180 m3/h，扬程为 66 m。随着电流频率降低，离心泵流量逐渐减小，其扬程随之变低，变化规律基本与公式（2）相符。当电流频率降低到 25 Hz 时，离心泵流量减小为 78 m3/h，扬程降为22 m。

图 2　节流调速时扬程随流量变化曲线Fig. 2　The change of head with the flow rate when the throttle is adjustable

图 3　变频调速时扬程随流量变化曲线Fig. 3　The change of head with the flow rate when the frequency is adjustable

对于特定的管路系统，当其输送的液体流量增加后，管路内液体流速也随之提高，液体在管路内受到的沿程阻力与局部阻力之和△P 由式（3）表示。

由式（3）可知，管路系统中其他阻力不变时，随着流速的增加，液体在管路系统中所受到的阻力因呈升高趋势，此规律与图 3 所示的曲线规律相符合，因此采用变频调速时离心泵的扬程与流量之间的变化规律更符合特定管路系统的实际需求。

3　不同调速方法对离心泵振动的影响

3.1变频调速对振动频率的影响分析

由于低频振动相对难以控制，因此在对离心泵进行减振设计时，更多关心其低频振动。电机用电频率为 50 Hz 时，电机和泵的转速都为 50 r/s，测得离心泵出口振动的低频频谱如图 4 所示，低频线谱非常明显，这些线谱的基频为 50 Hz，与电机和泵的转速相同，其余都为 50 Hz 的倍频，因此离心泵振动的低频线谱主要由电机和泵转动产生。离心泵采用变频调速时，是通过降低电机和泵转速的方法来降低离心泵的流量，这必然会导致离心泵振动的低频线谱向更低频移动。因此，在针对采用变频调速的离心泵进行减振设计时，必须考虑上述现象。

图 4　离心泵出口振动频谱Fig. 4　Vibration spectrum of the outlet of centrifugal pump

3.2变频调速与节流调速对振动分析

图 5 为试验测得采用流量调节阀调速时，定频离心泵出口振动随流速的变化曲线。随着泵的流量的增加，泵出口振动幅度介于 146～149 dB 之间，变化幅度较小。在此过程中，泵的功率基本无变化，因此使用节流调速时，离心泵的出口振动与泵的功率相关，变化幅度很小。

图 5　节流调速时流速与振动变化曲线Fig. 5　Curve of velocity and vibration when the throttle is adjustable

图 6 为试验测得变频调速时离心泵出口振动随流速的变化曲线。电机用电频率为 50 Hz 时，离心泵出口流量为 180 m3/h，离心泵出口处振动为 149 dB。离心泵出口振动随流速降低先迅速降低后缓慢降低，振动开始基本以线性降低，随流速进一步降低，振动下降缓慢的原因是，离心泵转速偏离额定转速太大时，离心泵运行效率降低，有部分能量转换成了振动［6 - 8］。因此用于变频调速的离心泵在其设计时应充分兼顾其低转速时的运行效率。

图 6　变频调速时流速与振动变化曲线Fig. 6　Curve of velocity and vibration when the frequency is adjustable

比较图 6 与图 5 可以发现，在高流速时，离心泵出口振级相差不大。随着离心泵出口流量降低，采用变频调速的离心泵出口振级明显比采用流量调节阀调速时小很多，离心泵流速降到额定流速的 45% 时（约80 m3/h），两者振级相差 13 dB。

4　结　语

通过对不同调速方法下离心泵出口振动信号的测量和对比分析，得到如下结论：

1）相对于节流调速，采用变频调速时，离心泵流量升高，其扬程随之提高，该变化趋势更符合特定管路系统的实际需求。

2）离心泵振动信号的低频部分具有明显的与转速呈倍数关系的线谱。采用变频调速时，离心泵的低频线谱会向更低频移动。

3）用于变频调速的离心泵在其设计时，应充分兼顾其低转速时的运行效率，以进一步降低离心泵低速运行时的振动幅度。

4）相对于节流调速，变频调速时离心泵出口振动有较大幅度的降低，流量调低幅度越大，振动降低幅度越大，试验测量的离心泵流量降到额定流量的 45%时，使用变频调速的振动比使用节流调速的振动低13 dB。

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Research on the influence of centrifugal pump vibration under different speed-adjustable method

ZHANG De-man1，YU Jian1，QIU Hao-ran2，SHANG Jin1
（1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China；2. Wuhan University of Technoligy，Wuhan 430063，China）

Centrifugal pump is widely used in fluid pipeline system as a power source machinery，in order to meet the flow needs of system for centrifugal pump in different conditions，throttle valve or electric converter can be used to adjust the flow of centrifugal pump. The characteristics of the vibration of the centrifugal pump were analyzed，which indicates that obvious low frequency spectrum of the vibration of the centrifugal pump can be detected，and the frequency of the spectrum was closely related with the speed of the pump and motor. The vibration level about outlet of the centrifugal pump in two kinds of flow control methods was compared，The results shows that the vibration on the centrifugal pump under electric converter control is smaller. Therefore，the frequency control can reduce the vibration of centrifugal pump.

centrifugal pump；vibration；frequency conversion

U270；TB53

A

1672 - 7619（2016）08 - 0072 - 04

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2016.08.015

2015 - 12 - 31；

2016 - 04 - 28

张德满（1983 - ），男，博士，高级工程师，研究方向为船舶系统设计。