叶轮口环间隙对离心泵性能和振动影响的 试验研究

崔 哲，赵存生，魏云毅

（海军工程大学 舰船与海洋学院，武汉 430033）

0 引言

离心泵具有体积小、扬程大、流量大、性能平稳的优点，在船舶上得到广泛的应用，例如压载泵、消防泵、日用水泵等［1］。而舰船在行驶过程中，离心泵工作环境恶劣，长期处于高负载的运行状态，导致离心泵的性能和振动特性发生不同程度的改变。当前对离心泵的性能和振动的研究方向，往往集中在叶轮的几何设计、叶轮与隔舌的几何间隙以及离心泵内部的流场特征等方面；而离心泵在长时间运转过程中，口环（也称密封环或者叫耐磨环，安装于叶轮入口的外缘及泵体内壁与叶轮入口相对应的位置）作为易损部件，由于磨损导致的口环与叶轮之间的间隙增大，大部分对口环间隙的研究集中在计算机仿真方面。在船舶航行时间需求不断被延长前提下，研究易损件对泵组性能和振动影响成为当下的重点课题。

国内外学者对于离心泵内部间隙流动对离心泵性能与振动的影响进行不同程度的研究，而大家得出的统一结论是，外部环境变化引起间隙流动的改变，进而导致内部流场结构变化来直接影响性能和振动变化［2］。Lomakin［3］从理论与试验的角度分析了口环间隙流动产生的间隙力的改变，表明泵的转子的稳定性受到间隙流动的重要影响。赵万勇等［4］注意到间隙值变大后平衡孔内的液体压力和速度分布不均匀的现象，且在间隙的出口处流场变化更大。而在振动研究方面，Black［5］通过理论分析和试验的方法，对离心泵环形间隙密封处的流体力进行了研究，他认为口环间隙带来的振动变化是极为重要的；赵伟国等［6］采用基于CFD 的数值计算方法，对不同密封口环间隙的离心泵进行性能分析，注意到前后口环间隙同时变化对离心泵性能影响最大，并且指出间隙改变影响最大的位置前后腔体与间隙出口处。高波等［7］采用离心泵的定常和非定常的模型利用FLUENT 软件进行仿真，并结合压力传感试验的方法对离心泵的口环间隙进行研究，随着工况的改变压力脉动特性会由于口环间隙的不同而发生明显的变化。从国内外研究现状可以发现，口环间隙对离心泵的性能与振动特性影响不可忽略，但目前很少有文献对口环间隙对离心泵振动特性的影响开展试验性探究工作。

本次试验为了测试离心泵振动与性能，搭建离心泵闭路性能与振动实验台，提前制备7 组具备不同内径的口环备件来改变口环间隙，在某立式离心泵布置振动传感器研究口环间隙的变化对离心泵性能和振动的影响。

1 研究对象

本次试验所研究的离心泵技术参数见表1。比转速ns计算式：

结合技术参数得出ns=83.40，属于中比转速。

表1 标准离心泵技术参数

为了更有效看到口环间隙的影响，经过前期对离心泵的仿真研究，结果发现同时改变前后口环性能和振动改变最为明显，故设计了除4#标准口环外，每次增加、减少0.12 mm 共计7 组口环，以4#为参考口环，具体数据如表2 所示。

表2 试验口环数据

2 试验装置和测试系统

在某公司的智能一体化研究中心，进行本次研究的试验台的改造搭建，图1 给出了试验台架的设置与试验振动信号测点的布置。泵体采用3面悬挂式安装，选用2 面铁制基座，减少环境振动对测量带来的干扰。在进口以及出口设置橡胶材质的挠性接头以减弱管路的振动对测量的影响。

泵的外特性的采集采用一体化测试仪，同时对泵的扬程、转速、轴功率进行测量，经过数据导出与处理，进而对泵的性能进行分析。振动信号的测量利用PCB 振动信号传感器，采用LMS 系统，将信息输入至计算机。振动信号的采集和分析使用的数据为离心泵出、进口泵体上安放的2个传感器，分别检测泵的出、进口振动变化信号，试验利用LMS 的信号采集卡采集，针对不同口环间隙，待每个工况稳定后，采用Lab16A 采集系统上以采样时间30 s，重复采样3 次取平均值。

图1 离心泵振动测试闭路试验台

3 口环间隙对离心泵性能的影响

在2 400 r/min 转速下，测量不同口环的离心泵的扬程与轴功率随着流量变化的数据进行分析。扬程特征数据如表3 所示，扬程-流量曲线如图2 所示。

表3 扬程特征数据表

图2 不同口环的扬程-流量曲线

从图可见，随着口环间隙的增加，扬程曲线顶点往坐标零点移动，开口程度逐渐变小，泵的扬程-流量性能逐级下降。口环间隙的扩大，使得叶轮在出口处产生容积泄露现象，导致扬程的减少。扬程-流量曲线的峰值点的流量和扬程都在随着口环间隙的增加而递减。离心泵流量-扬程流量为［8］：

式中 ai，m——拟合参数。

在本次试验中，选取m=2，此时拟合优度R2均＞95%。容积泄露引起的间隙回流增加，回流与主流的混合改变叶轮内部流体状态，流场速度的出口处下降，使得离心的扬程性能峰值在随口环间隙增加而递减，同时也造成标准工况下扬程性能的下降。

轴功率-流量曲线如图3 所示，轴功率随着流量变化近似线性增加，并且不同口环的离心泵在低工况流量下，口环间隙越大的泵所需要功率越多，但随着输出流量的增加口环间隙对功率的影响越来越弱，最后趋于一致。

图3 轴功率-流量曲线

读取流量为0，40 m3/h 所对应的功率数据，并绘制特征点曲线如图4 所示。从图可见流量为0 时的所需要的功率在随着间隙递增而递减，在 40 m3/h 附近趋于一致。流量为0 时消耗的轴功率是补偿因为口环间隙的回流带来的容积损失。口环间隙的增大导致间隙处流回入口增多，需要更多的轴功率才能输出液体。而在40 m3/h，口环间隙带来回流能量较高，在低压区与主流混合，降低了叶轮因为旋转带动而产生的内阻，使得在高流量处轴功率逐渐趋于一致。

图4 轴功率特征点曲线

4 口环间隙对离心泵振动性能的影响

为了研究间隙流动的影响，在转速2 400 r/min 下进行试验，选择测点1（出口泵体）、测点2（进口泵体）研究间隙流动对振动性能的影响。通过测得测点振动幅值与时间的时域信号，并对时域信号利用MATLAB 软件添加汉宁窗，研究振动的功率随频率的变化关系（以下简称功率谱）。试验的采样频率fs=25 600 Hz，并对信号进行小波包分析，选择db6 的小波基，进行n=4 层小波包分解，根据小波包公式［9］：

得到每层小波包频带宽长度f=800 Hz，在频谱图上选择0～800 Hz 的振动频率带进行功率谱分析。

4.1 出、进口泵体机械振动性能

测点1 和测点2 的功率谱随口环间隙变化如图5 所示，2 个测点均出现了25，0，50 Hz 的低频振动峰。随着口环变化这些特征谱峰不随间隙的增加而消失。根据泵体运转时质量M 和劲度系数k 公式，由固有频率公式：

得出f0=25 Hz 是设备的共振频率。而40 Hz是转速2 400 r/min 对应的转频，50 Hz 则是输入的电流频率。

图5 低转速低频段不同口环功率谱信号对比

出口泵体与进口泵体在0.5 Hz 处与叶频的210 Hz 处的谱峰如图6 所示，0.5 Hz 对应间隙处液体在回流过程中，与口环发生长周期冲击的振动频率。210 Hz 对应转轴的轴频，从图6 可以看出大致变化趋势，随间隙的增加，1#～3#口环的功率谱在0.5 Hz 与210 Hz 的谱峰逐级下降，在3#～5#号口环上升，5#～7#重新下降。0.5 Hz 处的谱峰出现起伏的原因是前、后口环间隙的空腔导致振动响应不同步造成的。210 Hz 处的谱峰是由轴向力引起的。

图6 不同口环间隙机械特征谱峰对比

离心泵回流区域如图7 所示，叶轮的轴向力F 计算式为：

式中 F1——对应叶轮后盖板处所受合力；

F2——前盖板处；

F3——叶轮出口斜切处（动反力）；

F4——叶轮流道内压力；

W ——泵转子重力。

图7 前后口环示意

轴向力的改变主要是由F1与F2不平衡造成的［10］。研究发现口环间隙影响叶轮内部静压出现非对称分布，引起对前、后盖板处的受力改变，引起轴向力变化。

由式（5）给出试验的7 组口环离心泵设备的轴向力随间隙增加而发生改变，引起功率谱轴频变化。随着间隙增大，轴间间隙的静压分布产生非对称性变化［11～16］，带来了轴向力非单调变化，引起谱峰起伏。

（1）1#～3#口环随间隙增加，口环流阻系数计算式：

式中 ξ ——流阻系数；

ρ ——流体密度；

ΔP ——口环间隙两侧的压力差；

S ——口环间隙的截面积；

Q ——泄漏通道流量。

流阻系数减少，对回流的阻碍作用减弱，回流冲击减弱，0.5 Hz 谱峰下降，同时回流造成轴向力减少，210 Hz 谱峰下降。

（2）3#～5#谱峰大致呈上升趋势；回流增多，前后口环之间腔室压力增加，空腔处对后口环的振动冲击增强，轴向力增加，0.5 Hz 处谱峰上升，由于测点2-进口泵体在210 Hz 处受到叶轮的影响较大，随着回流增加，叶轮振动能量往高频率移动，引起谱峰强度下降；

（3）5#～6#口环，随着间隙的增大，过流面积增加，前、后回流冲击减弱，静压减少，轴向力减少，0.5 Hz 和210 Hz 谱峰下降；

（4）7#口环对应的间隙最大，过流面积最大，前后口环的回流冲击最弱，0.5 Hz 的谱峰最低；回流引起叶轮内部湍动能紊乱［17］，引起流体速度改变，叶轮处受到的轴向力增加，210 Hz 的谱峰 升高。

4.2 出、进口泵体流体振动性能

在280 Hz 对应叶轮与流体之间的碰撞产生振动的叶频，不同口环的叶频的谱峰如图8 所示，1#～2#口环的对应的功率谱叶频处峰值下降，2#～4#上升，4#～7#下降。回流的增加改变流体振动剧烈程度，造成湍流紊乱，引起叶频谱峰变化。

图8 出、进口不同口环叶频谱峰

在2#口环处，回流增加，叶轮与流体产生的振动的能量往高频率移动，280 Hz对应谱峰下降。而在3#口环处由于空腔压力增加，后口环回流增加，叶轮内部流体能量增加，叶轮与流体之间振动增强，谱峰上升。结合图5 可以看出3#～7#口环，随着回流增加，叶轮内湍流发生变化，湍流紊乱，叶轮与流体单次振动的周期更长，叶频附近振动的谱峰变宽，谱峰增多，叶频处峰值降低。

在300～500 Hz 处的多个谱峰是流体振动引起的，在图5 可以发现随着口环间隙的增加，谱峰宽度增加，坡度变得平缓，形成一个低强度的宽频带域。图9 所示是在300～500 Hz 不同口环间隙的出、进口泵体的功率谱特征峰对比图，可以看出随着口环间隙增加，谱峰强度降低，曲线趋坡度逐渐减低。造成该处谱峰变化的原因是回流的增加改变流体湍动能，引起流体振动的加剧。1#口环对应回流较少，流体的振动产生的谱峰集中360～460 Hz；2#口环，间隙增大引起回流的增加，回流和主流发生混合，流体能量增加，振动加剧，谱峰往470.5 Hz 集中；3#～4#口环，间隙增加，叶轮内流体湍动能紊乱，湍流增加，谱峰集中在400～470 Hz，高频谱峰强度增加。5#～7#口环，间隙继续增加，造成湍流能量增加，振动能量继续往300～500 Hz 外移动，谱峰强度降低。

对比图9 的（a）和（b），测点2 靠近主流和回流的混合区域，对能量移动变化更为敏感，谱峰往高频域变化趋势更为明显。从1#～4#口环可明显看出，随着口环间隙增大高频谱峰在逐渐增加，高频率振动谱峰增加，5#～7#口环，振动往高频移动，谱峰降低。

图9 低转速300～500 Hz 不同口环谱峰强度

5 结论

（1）随着口环间隙的增加，口环扬程性能逐级降低，扬程随流量变化逐级增加，在研究设计离心泵扬程时，口环间隙导致扬程变化不可忽略。

（2）口环间隙增大，间隙过流量增加，在低流量工况下需要更高的轴功率，在流量较高时间隙对轴功率的影响不是很明显，离心泵的轴功率在低工况下运行时对口环间隙较为敏感。

（3）轴频280 Hz 与0.5 Hz 的振动谱峰与口环间隙有关，主要受到回流产生的轴向力的改变与回流对前口环与后口环冲击的变化。1#～6#口环，回流冲击与回流轴向力变化趋势大致相同，但7#口环处，由于回流与主流混合造成湍动能紊乱，轴频强度升高。

（4）280 Hz 叶频处，由于口环间隙增加，湍流改变，振动加剧，能量往高频集中，叶频谱峰下降。

（5）在300～500 Hz处的谱峰是流体振动引起。口环间隙增加，回流的增加不仅提高叶轮内流体的能量，同时造成与主流混合时形成的涡旋的改变，引起流体的湍动能紊乱，振动能量往高频域移动，低频谱峰的强度降低。