离心泵水力诱导激振试验研究

谭林伟 施卫东,2 张德胜 周 岭 王 川

(1.江苏大学流体机械工程技术研究中心， 镇江 212013； 2.南通大学机械工程学院， 南通 226019)

0 引言

离心泵是一种应用最为广泛的流体输送设备，在多种领域发挥了重要作用[1]。随着科技的进步，离心泵不断向大型化、高速化发展，水力诱导激振力随之也呈几何级数增长[2]。BRENNEN等[3-6]系统测试了高速液氧涡轮泵叶轮的水力径向力，建立了离心泵水力诱导激振力的数学模型。JONKEK等[7]采用有限元法数值计算了离心泵的水力激振力，表明水力激振力是叶轮和蜗壳的几何形状、流量以及涡动频率比的函数。窦唯等[8]、刘占生等[9]采用数值模拟的方法分析了隔舌及不同流量工况对高速离心泵流体激振力的影响，激振力随隔舌厚度以及流量的增加而增大，并且其主频是叶片通过隔舌的频率。

周期性波动的水力诱导激振力导致离心泵振动加剧，该振动即为水力诱导激振，严重时甚至导致叶轮口环碰撞或者机组共振，对离心泵的运行稳定性及可靠性造成极大影响。采用数值模拟分析离心泵的振动，其精度还有待进一步提高，目前主要以试验测试为主，如在泵体或者轴承箱处安装加速度位移传感器测量振动信号[10-11]，或者通过电涡流位移传感器测量轴心轨迹[12-15]，但测量的振动数据包含多种成分，其值并非水力诱导激振。为了准确测试离心泵的水力激振，本文以一台单叶片离心泵为试验对象，在泵体靠近口环处安装两个垂直分布的电涡流位移传感器，通过对比叶轮口环在空转及抽水时的瞬态位移，近似获得水力诱导叶轮口环的瞬态位移即水力诱导激振。通过分析不同流量工况离心泵水力诱导激振特性，以期为离心泵的稳定运行及在线故障诊断提供参考。

1 测试仪器及系统

1.1 试验对象

本文以一台2.2 kW单叶片离心泵为试验对象，主要设计参数为流量Qd=20 m3/h，扬程H=11 m，转速n=2 940 r/min。泵的主要几何参数为：叶轮进口直径Dj=45 mm，出口直径D2=125 mm，出口宽度b2=30 mm，叶片包角φ=360°，蜗壳基圆直径D3=135mm。单叶片离心泵具有极佳的无堵塞性能，广泛应用于具有长纤维和大颗粒介质的输送，但其水力诱导激振明显[16-17]。

1.2 试验装置

试验包括两部分，即外特性试验和水力诱导激振试验，水力诱导激振试验在外特性试验基础上进行。试验在江苏大学机械工业排灌机械产品质量监督检测中心(镇江)开式试验台上进行，测试台精度为2级,试验台如图1所示。泵扬程的测量是通过测试泵进出口压力求得，本试验采用上海威尔泰工业自动化股份有限公司生产的WT2000型智能压力变送器，在测试泵进、出口2倍管径处各开一个测压孔并与压力变送器相连。流量的测量采用上海自动化仪表九厂生产的涡轮流量计，信号经过放大器输入到数据采集系统。通过变频器控制输入电流频率来调整泵的转速。外特性数据采集采用江苏大学自行设计的泵类产品测试系统。

图1 试验台Fig.1 Experiment setup1.出口阀 2.流量计 3.进口阀 4.出口测压管 5.进口测压管 6.单叶片离心泵

水力诱导激振试验采用非接触式本特利3300型电涡流位移传感器测量叶轮口环的瞬态位移，传感器系统主要由探头、前置器、延伸电缆、输出电缆等组成，传感器系统如图2所示。前置器是整个传感器系统的信号处理中心，通过特殊电路感应出探头的头部体与头部体前金属导体的间隙变化，产生随间隙线性变化而变化的电压输出信号。叶轮转动相位测试采用霍尔感应器，在叶轮前盖板嵌入一枚永磁铁，并在蜗壳壁面加工一个螺纹通孔，测试时将霍尔感应器拧入。霍尔感应器如图3所示。泵运转时当永磁铁扫过霍尔感应器时产生一个脉冲电压信号。采用华科水力机械综合测试仪采集水力诱导激振试验信号，并由配套的软件进行数据分析。

图2 本特利3300型电涡流位移传感器Fig.2 Bentley 3300 eddy current displacement sensor1.前置器 2.延伸电缆 3.探头 4.输出电缆

图3 霍尔感应器和叶轮实物图Fig.3 Hall sensor and impeller1.叶轮 2.永磁铁 3.霍尔感应器

2 试验方法与步骤

外特性试验测试时保持进口阀全开，通过调节出口阀来改变流量，从关死点到大流量工况共测试不少于13个工况点。通过采集进出口压力信号、流量、转速、电动机输入电流电压等信号，得到泵的外特性曲线。单叶片离心泵往往采用单级单吸悬臂式结构，在叶轮口环处挠度最大，并且口环表面加工水平较高，形状误差小。因此本文采用双向动态法测量水力诱导激振[18]，两个垂直布置于泵体同一横截面上的传感器分别测量口环表面与探头端面的相对位置。安装探头时应将探头的安装间隙设在传感器的线性中点，本文所使用传感器测试范围为距被测靶面0.25～2.3 mm，对应的电压为-17～-1 V，灵敏度为7.87 V/mm。通过万用表测量输出电压确保图4中d0为1.2 mm左右。水力诱导激振传感器安装实物图如图5所示。离心泵运行时引起口环振动原因较为复杂，如转子质量不平衡、联轴器不对中、水力诱导激振力等[19-20]。为了准确测量水力诱导口环位移，测试时先测量泵空转时口环瞬态位移，再测量泵正常抽水时口环的瞬态位移，由于离心泵叶轮为后弯叶片，并且叶片数较少，空转时抽送空气做功极小，两者之差即可近似认为是水力诱导激振。为确保后处理求差时叶轮空转和抽水时位于同一相位，采用霍尔感应器对叶轮的转动相位进行测量，并且通过微调变频器来确保泵在各工况下的转速一致。

图4 本特利3300型传感器安装示意图Fig.4 Bentley 3300 sensor installation diagram

图5 水力诱导激振传感器安装实物图Fig.5 Hydrodynamic induced vibration sensor installation diagram1、2.位移传感器 3.霍尔感应器

水力诱导激振试验主要步骤如下：

(1)在外特性试验完成后拆除进口管路，将位移传感器和霍尔感应器安装在泵体上，调整传感器位置，确保位移传感器与口环端面的距离位于线限中点附近(1.2 mm)，霍尔感应器与前盖板永磁铁距离在2 mm以内。

(2)在华科水力机械综合测试仪配套软件上对各传感器进行率定，设定采样频率为3 072 Hz。

(3)开启电源，调节变频器使转速达到额定转速2 940 r/min，待泵稳定运行后开始录波，记录泵空转30 s传感器信号。

(4)连接进口管路，将进口阀全开，出口阀关闭。开启电源，调整出口阀开度，共测量0.2Qd、0.6Qd、Qd和1.4Qd4个工况点，调整阀门的同时观察转速的变化微调变频器，使转速保持在2 940 r/min左右，待稳定后开始录波，记录每个流量工况下30 s传感器信号。

(5)将上述测试重复3遍，将试验数据导入后由处理软件进行分析。

3 试验结果与分析

3.1 外特性试验结果

图6为单叶片离心泵外特性曲线，从图中可看出单叶片离心泵H-Q曲线为陡降直线，扬程随流量的减小迅速增加；功率随流量的增大而显著增大，但流量达到24 m3/h后功率变得平稳；效率随流量减小迅速降低，最高效率偏大流量工况运行。

图6 单叶片离心泵外特性曲线Fig.6 Performance curve of single blade pump

图7 叶轮空转时口环位移时域图、频域图Fig.7 Time history and frequency spectrum of displacement of wear ring when pumping air

3.2 泵空转时叶轮口环瞬态位移

单叶片离心泵由于加工及安装的原因不可避免存在一定不平衡量，因此首先测量泵空转的口环振动。图7为额定转速下泵空转时叶轮口环瞬态位移时域图及频谱图 (x、y方向分别对应图5中传感器1和传感器2)。从图中可看出，泵空转时x、y方向的波形图均为周期性的畸变正弦曲线，并且周期重复性极高，表明泵空转时运行平稳。从频域图可看出x、y方向口环位移幅值均在转频出现最大值，即口环位移的主频为叶轮转频，这表明泵空转时口环振动位移的主要原因是质量不平衡、偏心等引起的离心力。

将x、y方向的位移合成一个平面内的运动，即可得到叶轮口环位移轨迹图。为剔除测试结果包含的噪声、电磁干扰等高频信号，采用巴特沃斯低通数字滤波器对原始数据进行低通滤波。由频谱图可知叶轮口环瞬态位移幅值主要集中在5fn(fn是转速n对应的频率)以内，另一方面由于转子质量不平衡、偏心、弯曲主要对应工作频率，不对中易产生2倍频率振动[19]，因此将截止频率分别设置为fn、2fn和5fn。图8为额定转速叶轮口环位移轨迹图，从图中可看出，采用5fn滤波滤掉了毛刺及细微波动，滤波后的口环位移轨迹图与原始数据基本一致。2fn滤波后的口环位移轨迹图变得光顺，形状为椭圆形，大小与初始数据差别不大，fn滤波后的口环位移轨迹图轮廓显著减小，形状为标准的椭圆形，表明2倍转频对口环位移轨迹影响显著，转子系统存在一定量不对中。

图8 叶轮空转时口环位移轨迹图Fig.8 Displacement of impeller wear ring when pumping air

3.3 泵抽水时叶轮口环瞬态位移

图9 叶轮抽水时口环位移时域图、频域图Fig.9 Time history and frequency spectrum of displacement of wear ring when pumping water

通过泵空转叶轮口环位移轨迹图可看出泵安装良好，适合试验，接通进口管路，测量泵抽水时叶轮口环的瞬态位移。图9为泵抽水时额定工况Qd叶轮口环瞬态位移时域图及频谱图。从图中可看出，泵抽水时口环位移与空转时相似，x、y方向的波形图均为周期波动的正弦曲线，由于单叶片离心泵叶轮转频与叶片通过频率(fb)一致，因此抽水时主频也为叶轮转频。单叶片离心泵空转时转子不平衡诱导的离心力与流场结构不对称导致的水力诱导激振力周期一致，均随叶轮旋转一圈而波动一个周期，因此抽水时水力诱导激振力将会与转子不平衡的离心力矢量叠加从而影响口环位移幅值，从图中可看出抽水时口环位移幅值有所减小，表明水力诱导激振力与转子不平衡的离心力方向不一致，抵消了部分值。图10为抽水时叶轮口环位移轨迹图，从图中可看出，抽水时口环位移轨迹图与泵空转时相似，其形状也为畸变的椭圆形，重复性良好。但在5fn滤波后口环位移轨迹图出现了一个明显突变区域，其可能原因是叶轮与蜗壳隔舌的动静干涉作用导致了流场结构的突变，诱导了较强的振动。

图10 叶轮抽水时口环位移轨迹图Fig.10 Displacement of impeller wear ring when pumping water

3.4 水力诱导激振

图11 霍尔感应器脉冲信号Fig.11 Pulse signal of Hall sensor

当安装在叶轮上的永磁铁扫过霍尔感应器探头时产生一个脉冲电压信号，两个脉冲信号即为叶轮旋转一个周期。图11为霍尔感应器脉冲信号图，脉冲波段表明叶轮出口扫过霍尔感应器探头。通过霍尔感应器即可获得叶轮的键相位置，同时还可以监测叶轮的动态转速。定义脉冲信号对应的第1个数据为叶轮旋转周期的起始时刻，将电涡流位移传感器在泵抽水与空转同一时刻的数据求差值即获得水力诱导叶轮瞬态口环位移。

图12 水力诱导叶轮口环位移轨迹图Fig.12 Hydrodynamic radial force induced displacement of impeller wear ring

离心泵由于叶轮、蜗壳的动静干涉作用以及叶片出口处的射流- 尾迹结构使得流场结构呈非对称分布并且随着叶轮的旋转而周期性改变，从而导致了随叶轮旋转而周期变化的水力诱导径向力。周期变化的水力诱导径向力作用于叶轮转子必然导致叶轮产生水力激振。图12为叶轮在转速2 940 r/min时不同流量工况的水力诱导叶轮口环位移轨迹图。从图中可看出，各流量工况下位移轨迹图相似，均为畸变的椭圆形，在130°附近位移最大，而在210°～300°之间出现了一个突变区域。对比不同流量可发现，在小流量时最大位移大于其他流量，在0.2Qd即4 m3/h时最大位移达到了1.6 mm，在额定流量及大流量工况最大位移变小。对比泵外特性曲线可发现，小流量工况泵效率明显降低，此时离心泵内流动恶化，叶轮内流动分离、回流严重[21]，并且叶轮出口液流与蜗壳内流体冲击加剧，流场圆周非对称性进一步加剧，水力诱导径向力明显增大，因此对应的口环位移也最大，而在额定流量及大流量工况，泵内流动情况显著改善，泵的效率较高，水力诱导径向力较小，水力诱导激振也明显减弱。图13、14分别为叶轮在不同流量工况下的时域图及频域图。从图中可看出，水力诱导叶轮口环瞬态位移x、y分量均为周期重复的畸变正弦曲线，x方向位移在每个周期内均出现一个副波峰，与压力脉动的测试波形相似，因此推断流体的粘性尾迹流导致了该副波峰的出现[22-23]，并且导致了口环位移轨迹图在210°～300°之间出现了突变。从频域图中可看出，水力诱导口环瞬态位移主频特征明显，各流量工况下均为49 Hz，与叶频fb一致，并且倍频处均出现较大的幅值，x方向位移在98 Hz处出现仅次于主频的幅值，这与时域图中的2倍频副波峰一致。

图13 水力诱导叶轮口环位移时域图Fig.13 Time history of hydrodynamic radial force induced displacement of impeller wear ring

图14 水力诱导叶轮口环位移频域图Fig.14 Frequency spectrum of hydrodynamic radial force induced displacement of impeller wear ring

4 结论

(1)单叶片离心泵空转时叶轮口环瞬态位移波形图为重复的畸变正弦曲线，主频为叶轮转频，引起振动的主要原因是转子不平衡引起的离心力，空转时口环瞬态位移信号基本在5fn以内，2倍转频对口环位移轨迹影响明显。

(2)单叶片离心泵抽水时叶轮口环瞬态位移与空转时相似，但振幅有所减小，水力激振力平衡了部分离心力。

(3)单叶片离心泵水力诱导激振随叶轮的旋转而周期性波动，水力诱导叶轮口环位移轨迹图为畸变椭圆形，在叶轮旋转到130°附近振幅最大，由于粘性尾流的影响，在210°～300°之间出现了一个振幅突变区域。

(4)在不同流量工况下，离心泵水力诱导激振主频均为叶频(fb)，水力激振随流量的减小而显著增强，在额定流量到大流量工况水力诱导激振基本稳定。

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