離心泵水力誘導(dǎo)激振試驗(yàn)研究

譚林偉 施衛(wèi)東,2 張德勝 周 嶺 王 川

(1.江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心， 鎮(zhèn)江 212013； 2.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 南通 226019)

0 引言

離心泵是一種應(yīng)用最為廣泛的流體輸送設(shè)備，在多種領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用[1]。隨著科技的進(jìn)步，離心泵不斷向大型化、高速化發(fā)展，水力誘導(dǎo)激振力隨之也呈幾何級(jí)數(shù)增長[2]。BRENNEN等[3-6]系統(tǒng)測試了高速液氧渦輪泵葉輪的水力徑向力，建立了離心泵水力誘導(dǎo)激振力的數(shù)學(xué)模型。JONKEK等[7]采用有限元法數(shù)值計(jì)算了離心泵的水力激振力，表明水力激振力是葉輪和蝸殼的幾何形狀、流量以及渦動(dòng)頻率比的函數(shù)。竇唯等[8]、劉占生等[9]采用數(shù)值模擬的方法分析了隔舌及不同流量工況對(duì)高速離心泵流體激振力的影響，激振力隨隔舌厚度以及流量的增加而增大，并且其主頻是葉片通過隔舌的頻率。

周期性波動(dòng)的水力誘導(dǎo)激振力導(dǎo)致離心泵振動(dòng)加劇，該振動(dòng)即為水力誘導(dǎo)激振，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致葉輪口環(huán)碰撞或者機(jī)組共振，對(duì)離心泵的運(yùn)行穩(wěn)定性及可靠性造成極大影響。采用數(shù)值模擬分析離心泵的振動(dòng)，其精度還有待進(jìn)一步提高，目前主要以試驗(yàn)測試為主，如在泵體或者軸承箱處安裝加速度位移傳感器測量振動(dòng)信號(hào)[10-11]，或者通過電渦流位移傳感器測量軸心軌跡[12-15]，但測量的振動(dòng)數(shù)據(jù)包含多種成分，其值并非水力誘導(dǎo)激振。為了準(zhǔn)確測試離心泵的水力激振，本文以一臺(tái)單葉片離心泵為試驗(yàn)對(duì)象，在泵體靠近口環(huán)處安裝兩個(gè)垂直分布的電渦流位移傳感器，通過對(duì)比葉輪口環(huán)在空轉(zhuǎn)及抽水時(shí)的瞬態(tài)位移，近似獲得水力誘導(dǎo)葉輪口環(huán)的瞬態(tài)位移即水力誘導(dǎo)激振。通過分析不同流量工況離心泵水力誘導(dǎo)激振特性，以期為離心泵的穩(wěn)定運(yùn)行及在線故障診斷提供參考。

1 測試儀器及系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

本文以一臺(tái)2.2 kW單葉片離心泵為試驗(yàn)對(duì)象，主要設(shè)計(jì)參數(shù)為流量Qd=20 m3/h，揚(yáng)程H=11 m，轉(zhuǎn)速n=2 940 r/min。泵的主要幾何參數(shù)為：葉輪進(jìn)口直徑Dj=45 mm，出口直徑D2=125 mm，出口寬度b2=30 mm，葉片包角φ=360°，蝸殼基圓直徑D3=135mm。單葉片離心泵具有極佳的無堵塞性能，廣泛應(yīng)用于具有長纖維和大顆粒介質(zhì)的輸送，但其水力誘導(dǎo)激振明顯[16-17]。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)包括兩部分，即外特性試驗(yàn)和水力誘導(dǎo)激振試驗(yàn)，水力誘導(dǎo)激振試驗(yàn)在外特性試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行。試驗(yàn)在江蘇大學(xué)機(jī)械工業(yè)排灌機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心(鎮(zhèn)江)開式試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，測試臺(tái)精度為2級(jí),試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。泵揚(yáng)程的測量是通過測試泵進(jìn)出口壓力求得，本試驗(yàn)采用上海威爾泰工業(yè)自動(dòng)化股份有限公司生產(chǎn)的WT2000型智能壓力變送器，在測試泵進(jìn)、出口2倍管徑處各開一個(gè)測壓孔并與壓力變送器相連。流量的測量采用上海自動(dòng)化儀表九廠生產(chǎn)的渦輪流量計(jì)，信號(hào)經(jīng)過放大器輸入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過變頻器控制輸入電流頻率來調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速。外特性數(shù)據(jù)采集采用江蘇大學(xué)自行設(shè)計(jì)的泵類產(chǎn)品測試系統(tǒng)。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Experiment setup1.出口閥 2.流量計(jì) 3.進(jìn)口閥 4.出口測壓管 5.進(jìn)口測壓管 6.單葉片離心泵

水力誘導(dǎo)激振試驗(yàn)采用非接觸式本特利3300型電渦流位移傳感器測量葉輪口環(huán)的瞬態(tài)位移，傳感器系統(tǒng)主要由探頭、前置器、延伸電纜、輸出電纜等組成，傳感器系統(tǒng)如圖2所示。前置器是整個(gè)傳感器系統(tǒng)的信號(hào)處理中心，通過特殊電路感應(yīng)出探頭的頭部體與頭部體前金屬導(dǎo)體的間隙變化，產(chǎn)生隨間隙線性變化而變化的電壓輸出信號(hào)。葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)相位測試采用霍爾感應(yīng)器，在葉輪前蓋板嵌入一枚永磁鐵，并在蝸殼壁面加工一個(gè)螺紋通孔，測試時(shí)將霍爾感應(yīng)器擰入。霍爾感應(yīng)器如圖3所示。泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)當(dāng)永磁鐵掃過霍爾感應(yīng)器時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖電壓信號(hào)。采用華科水力機(jī)械綜合測試儀采集水力誘導(dǎo)激振試驗(yàn)信號(hào)，并由配套的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖2 本特利3300型電渦流位移傳感器Fig.2 Bentley 3300 eddy current displacement sensor1.前置器 2.延伸電纜 3.探頭 4.輸出電纜

圖3 霍爾感應(yīng)器和葉輪實(shí)物圖Fig.3 Hall sensor and impeller1.葉輪 2.永磁鐵 3.霍爾感應(yīng)器

2 試驗(yàn)方法與步驟

外特性試驗(yàn)測試時(shí)保持進(jìn)口閥全開，通過調(diào)節(jié)出口閥來改變流量，從關(guān)死點(diǎn)到大流量工況共測試不少于13個(gè)工況點(diǎn)。通過采集進(jìn)出口壓力信號(hào)、流量、轉(zhuǎn)速、電動(dòng)機(jī)輸入電流電壓等信號(hào)，得到泵的外特性曲線。單葉片離心泵往往采用單級(jí)單吸懸臂式結(jié)構(gòu)，在葉輪口環(huán)處撓度最大，并且口環(huán)表面加工水平較高，形狀誤差小。因此本文采用雙向動(dòng)態(tài)法測量水力誘導(dǎo)激振[18]，兩個(gè)垂直布置于泵體同一橫截面上的傳感器分別測量口環(huán)表面與探頭端面的相對(duì)位置。安裝探頭時(shí)應(yīng)將探頭的安裝間隙設(shè)在傳感器的線性中點(diǎn)，本文所使用傳感器測試范圍為距被測靶面0.25～2.3 mm，對(duì)應(yīng)的電壓為-17～-1 V，靈敏度為7.87 V/mm。通過萬用表測量輸出電壓確保圖4中d0為1.2 mm左右。水力誘導(dǎo)激振傳感器安裝實(shí)物圖如圖5所示。離心泵運(yùn)行時(shí)引起口環(huán)振動(dòng)原因較為復(fù)雜，如轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、聯(lián)軸器不對(duì)中、水力誘導(dǎo)激振力等[19-20]。為了準(zhǔn)確測量水力誘導(dǎo)口環(huán)位移，測試時(shí)先測量泵空轉(zhuǎn)時(shí)口環(huán)瞬態(tài)位移，再測量泵正常抽水時(shí)口環(huán)的瞬態(tài)位移，由于離心泵葉輪為后彎葉片，并且葉片數(shù)較少，空轉(zhuǎn)時(shí)抽送空氣做功極小，兩者之差即可近似認(rèn)為是水力誘導(dǎo)激振。為確保后處理求差時(shí)葉輪空轉(zhuǎn)和抽水時(shí)位于同一相位，采用霍爾感應(yīng)器對(duì)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)相位進(jìn)行測量，并且通過微調(diào)變頻器來確保泵在各工況下的轉(zhuǎn)速一致。

圖4 本特利3300型傳感器安裝示意圖Fig.4 Bentley 3300 sensor installation diagram

圖5 水力誘導(dǎo)激振傳感器安裝實(shí)物圖Fig.5 Hydrodynamic induced vibration sensor installation diagram1、2.位移傳感器 3.霍爾感應(yīng)器

水力誘導(dǎo)激振試驗(yàn)主要步驟如下：

(1)在外特性試驗(yàn)完成后拆除進(jìn)口管路，將位移傳感器和霍爾感應(yīng)器安裝在泵體上，調(diào)整傳感器位置，確保位移傳感器與口環(huán)端面的距離位于線限中點(diǎn)附近(1.2 mm)，霍爾感應(yīng)器與前蓋板永磁鐵距離在2 mm以內(nèi)。

(2)在華科水力機(jī)械綜合測試儀配套軟件上對(duì)各傳感器進(jìn)行率定，設(shè)定采樣頻率為3 072 Hz。

(3)開啟電源，調(diào)節(jié)變頻器使轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速2 940 r/min，待泵穩(wěn)定運(yùn)行后開始錄波，記錄泵空轉(zhuǎn)30 s傳感器信號(hào)。

(4)連接進(jìn)口管路，將進(jìn)口閥全開，出口閥關(guān)閉。開啟電源，調(diào)整出口閥開度，共測量0.2Qd、0.6Qd、Qd和1.4Qd4個(gè)工況點(diǎn)，調(diào)整閥門的同時(shí)觀察轉(zhuǎn)速的變化微調(diào)變頻器，使轉(zhuǎn)速保持在2 940 r/min左右，待穩(wěn)定后開始錄波，記錄每個(gè)流量工況下30 s傳感器信號(hào)。

(5)將上述測試重復(fù)3遍，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入后由處理軟件進(jìn)行分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 外特性試驗(yàn)結(jié)果

圖6為單葉片離心泵外特性曲線，從圖中可看出單葉片離心泵H-Q曲線為陡降直線，揚(yáng)程隨流量的減小迅速增加；功率隨流量的增大而顯著增大，但流量達(dá)到24 m3/h后功率變得平穩(wěn)；效率隨流量減小迅速降低，最高效率偏大流量工況運(yùn)行。

圖6 單葉片離心泵外特性曲線Fig.6 Performance curve of single blade pump

圖7 葉輪空轉(zhuǎn)時(shí)口環(huán)位移時(shí)域圖、頻域圖Fig.7 Time history and frequency spectrum of displacement of wear ring when pumping air

3.2 泵空轉(zhuǎn)時(shí)葉輪口環(huán)瞬態(tài)位移

單葉片離心泵由于加工及安裝的原因不可避免存在一定不平衡量，因此首先測量泵空轉(zhuǎn)的口環(huán)振動(dòng)。圖7為額定轉(zhuǎn)速下泵空轉(zhuǎn)時(shí)葉輪口環(huán)瞬態(tài)位移時(shí)域圖及頻譜圖 (x、y方向分別對(duì)應(yīng)圖5中傳感器1和傳感器2)。從圖中可看出，泵空轉(zhuǎn)時(shí)x、y方向的波形圖均為周期性的畸變正弦曲線，并且周期重復(fù)性極高，表明泵空轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)。從頻域圖可看出x、y方向口環(huán)位移幅值均在轉(zhuǎn)頻出現(xiàn)最大值，即口環(huán)位移的主頻為葉輪轉(zhuǎn)頻，這表明泵空轉(zhuǎn)時(shí)口環(huán)振動(dòng)位移的主要原因是質(zhì)量不平衡、偏心等引起的離心力。

將x、y方向的位移合成一個(gè)平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，即可得到葉輪口環(huán)位移軌跡圖。為剔除測試結(jié)果包含的噪聲、電磁干擾等高頻信號(hào)，采用巴特沃斯低通數(shù)字濾波器對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波。由頻譜圖可知葉輪口環(huán)瞬態(tài)位移幅值主要集中在5fn(fn是轉(zhuǎn)速n對(duì)應(yīng)的頻率)以內(nèi)，另一方面由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、偏心、彎曲主要對(duì)應(yīng)工作頻率，不對(duì)中易產(chǎn)生2倍頻率振動(dòng)[19]，因此將截止頻率分別設(shè)置為fn、2fn和5fn。圖8為額定轉(zhuǎn)速葉輪口環(huán)位移軌跡圖，從圖中可看出，采用5fn濾波濾掉了毛刺及細(xì)微波動(dòng)，濾波后的口環(huán)位移軌跡圖與原始數(shù)據(jù)基本一致。2fn濾波后的口環(huán)位移軌跡圖變得光順，形狀為橢圓形，大小與初始數(shù)據(jù)差別不大，fn濾波后的口環(huán)位移軌跡圖輪廓顯著減小，形狀為標(biāo)準(zhǔn)的橢圓形，表明2倍轉(zhuǎn)頻對(duì)口環(huán)位移軌跡影響顯著，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)存在一定量不對(duì)中。

圖8 葉輪空轉(zhuǎn)時(shí)口環(huán)位移軌跡圖Fig.8 Displacement of impeller wear ring when pumping air

3.3 泵抽水時(shí)葉輪口環(huán)瞬態(tài)位移

圖9 葉輪抽水時(shí)口環(huán)位移時(shí)域圖、頻域圖Fig.9 Time history and frequency spectrum of displacement of wear ring when pumping water

通過泵空轉(zhuǎn)葉輪口環(huán)位移軌跡圖可看出泵安裝良好，適合試驗(yàn)，接通進(jìn)口管路，測量泵抽水時(shí)葉輪口環(huán)的瞬態(tài)位移。圖9為泵抽水時(shí)額定工況Qd葉輪口環(huán)瞬態(tài)位移時(shí)域圖及頻譜圖。從圖中可看出，泵抽水時(shí)口環(huán)位移與空轉(zhuǎn)時(shí)相似，x、y方向的波形圖均為周期波動(dòng)的正弦曲線，由于單葉片離心泵葉輪轉(zhuǎn)頻與葉片通過頻率(fb)一致，因此抽水時(shí)主頻也為葉輪轉(zhuǎn)頻。單葉片離心泵空轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子不平衡誘導(dǎo)的離心力與流場結(jié)構(gòu)不對(duì)稱導(dǎo)致的水力誘導(dǎo)激振力周期一致，均隨葉輪旋轉(zhuǎn)一圈而波動(dòng)一個(gè)周期，因此抽水時(shí)水力誘導(dǎo)激振力將會(huì)與轉(zhuǎn)子不平衡的離心力矢量疊加從而影響口環(huán)位移幅值，從圖中可看出抽水時(shí)口環(huán)位移幅值有所減小，表明水力誘導(dǎo)激振力與轉(zhuǎn)子不平衡的離心力方向不一致，抵消了部分值。圖10為抽水時(shí)葉輪口環(huán)位移軌跡圖，從圖中可看出，抽水時(shí)口環(huán)位移軌跡圖與泵空轉(zhuǎn)時(shí)相似，其形狀也為畸變的橢圓形，重復(fù)性良好。但在5fn濾波后口環(huán)位移軌跡圖出現(xiàn)了一個(gè)明顯突變區(qū)域，其可能原因是葉輪與蝸殼隔舌的動(dòng)靜干涉作用導(dǎo)致了流場結(jié)構(gòu)的突變，誘導(dǎo)了較強(qiáng)的振動(dòng)。

圖10 葉輪抽水時(shí)口環(huán)位移軌跡圖Fig.10 Displacement of impeller wear ring when pumping water

3.4 水力誘導(dǎo)激振

圖11 霍爾感應(yīng)器脈沖信號(hào)Fig.11 Pulse signal of Hall sensor

當(dāng)安裝在葉輪上的永磁鐵掃過霍爾感應(yīng)器探頭時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖電壓信號(hào)，兩個(gè)脈沖信號(hào)即為葉輪旋轉(zhuǎn)一個(gè)周期。圖11為霍爾感應(yīng)器脈沖信號(hào)圖，脈沖波段表明葉輪出口掃過霍爾感應(yīng)器探頭。通過霍爾感應(yīng)器即可獲得葉輪的鍵相位置，同時(shí)還可以監(jiān)測葉輪的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速。定義脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)的第1個(gè)數(shù)據(jù)為葉輪旋轉(zhuǎn)周期的起始時(shí)刻，將電渦流位移傳感器在泵抽水與空轉(zhuǎn)同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)求差值即獲得水力誘導(dǎo)葉輪瞬態(tài)口環(huán)位移。

圖12 水力誘導(dǎo)葉輪口環(huán)位移軌跡圖Fig.12 Hydrodynamic radial force induced displacement of impeller wear ring

離心泵由于葉輪、蝸殼的動(dòng)靜干涉作用以及葉片出口處的射流- 尾跡結(jié)構(gòu)使得流場結(jié)構(gòu)呈非對(duì)稱分布并且隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)而周期性改變，從而導(dǎo)致了隨葉輪旋轉(zhuǎn)而周期變化的水力誘導(dǎo)徑向力。周期變化的水力誘導(dǎo)徑向力作用于葉輪轉(zhuǎn)子必然導(dǎo)致葉輪產(chǎn)生水力激振。圖12為葉輪在轉(zhuǎn)速2 940 r/min時(shí)不同流量工況的水力誘導(dǎo)葉輪口環(huán)位移軌跡圖。從圖中可看出，各流量工況下位移軌跡圖相似，均為畸變的橢圓形，在130°附近位移最大，而在210°～300°之間出現(xiàn)了一個(gè)突變區(qū)域。對(duì)比不同流量可發(fā)現(xiàn)，在小流量時(shí)最大位移大于其他流量，在0.2Qd即4 m3/h時(shí)最大位移達(dá)到了1.6 mm，在額定流量及大流量工況最大位移變小。對(duì)比泵外特性曲線可發(fā)現(xiàn)，小流量工況泵效率明顯降低，此時(shí)離心泵內(nèi)流動(dòng)惡化，葉輪內(nèi)流動(dòng)分離、回流嚴(yán)重[21]，并且葉輪出口液流與蝸殼內(nèi)流體沖擊加劇，流場圓周非對(duì)稱性進(jìn)一步加劇，水力誘導(dǎo)徑向力明顯增大，因此對(duì)應(yīng)的口環(huán)位移也最大，而在額定流量及大流量工況，泵內(nèi)流動(dòng)情況顯著改善，泵的效率較高，水力誘導(dǎo)徑向力較小，水力誘導(dǎo)激振也明顯減弱。圖13、14分別為葉輪在不同流量工況下的時(shí)域圖及頻域圖。從圖中可看出，水力誘導(dǎo)葉輪口環(huán)瞬態(tài)位移x、y分量均為周期重復(fù)的畸變正弦曲線，x方向位移在每個(gè)周期內(nèi)均出現(xiàn)一個(gè)副波峰，與壓力脈動(dòng)的測試波形相似，因此推斷流體的粘性尾跡流導(dǎo)致了該副波峰的出現(xiàn)[22-23]，并且導(dǎo)致了口環(huán)位移軌跡圖在210°～300°之間出現(xiàn)了突變。從頻域圖中可看出，水力誘導(dǎo)口環(huán)瞬態(tài)位移主頻特征明顯，各流量工況下均為49 Hz，與葉頻fb一致，并且倍頻處均出現(xiàn)較大的幅值，x方向位移在98 Hz處出現(xiàn)僅次于主頻的幅值，這與時(shí)域圖中的2倍頻副波峰一致。

圖13 水力誘導(dǎo)葉輪口環(huán)位移時(shí)域圖Fig.13 Time history of hydrodynamic radial force induced displacement of impeller wear ring

圖14 水力誘導(dǎo)葉輪口環(huán)位移頻域圖Fig.14 Frequency spectrum of hydrodynamic radial force induced displacement of impeller wear ring

4 結(jié)論

(1)單葉片離心泵空轉(zhuǎn)時(shí)葉輪口環(huán)瞬態(tài)位移波形圖為重復(fù)的畸變正弦曲線，主頻為葉輪轉(zhuǎn)頻，引起振動(dòng)的主要原因是轉(zhuǎn)子不平衡引起的離心力，空轉(zhuǎn)時(shí)口環(huán)瞬態(tài)位移信號(hào)基本在5fn以內(nèi)，2倍轉(zhuǎn)頻對(duì)口環(huán)位移軌跡影響明顯。

(2)單葉片離心泵抽水時(shí)葉輪口環(huán)瞬態(tài)位移與空轉(zhuǎn)時(shí)相似，但振幅有所減小，水力激振力平衡了部分離心力。

(3)單葉片離心泵水力誘導(dǎo)激振隨葉輪的旋轉(zhuǎn)而周期性波動(dòng)，水力誘導(dǎo)葉輪口環(huán)位移軌跡圖為畸變橢圓形，在葉輪旋轉(zhuǎn)到130°附近振幅最大，由于粘性尾流的影響，在210°～300°之間出現(xiàn)了一個(gè)振幅突變區(qū)域。

(4)在不同流量工況下，離心泵水力誘導(dǎo)激振主頻均為葉頻(fb)，水力激振隨流量的減小而顯著增強(qiáng)，在額定流量到大流量工況水力誘導(dǎo)激振基本穩(wěn)定。

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