離心泵口環(huán)間隙對(duì)外特性和激勵(lì)特性的影響

魏云毅，趙存生，崔哲

海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)院，湖北 武漢 430033

0 引 言

與螺桿泵和齒輪泵相比，離心泵具有體積小、空間設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、輸出流量高等特點(diǎn)，故其在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛。在離心泵長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，葉輪進(jìn)口處密封環(huán)的磨損是其外特性和振動(dòng)性能發(fā)生改變的原因之一。

國(guó)內(nèi)外的研究成果表明，口環(huán)間隙的變化將引起容積損失的增減，從而使離心泵的內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并進(jìn)一步導(dǎo)致離心泵的外特性和激勵(lì)特性發(fā)生改變。在外特性研究方面，趙萬(wàn)勇等[1]發(fā)現(xiàn)口環(huán)間隙變化之后，離心泵內(nèi)部出現(xiàn)了液體壓力與速度分布不對(duì)稱的情況，并在出口處發(fā)現(xiàn)了流場(chǎng)變化的極值。在激勵(lì)特性研究方面，Lomakin[2]發(fā)現(xiàn)間隙流動(dòng)變化帶來(lái)的不僅僅是容積損失，更重要的是間隙力和轉(zhuǎn)子受力平衡發(fā)生了改變。在振動(dòng)研究方面，Black[3]提出了間隙流動(dòng)的流固耦合理論，認(rèn)為間隙變化所帶來(lái)的流體力對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的影響不容忽視。

1 研究對(duì)象

本文以某船用立式安裝的離心泵作為研究對(duì)象。由20～1 000 Hz條件下的結(jié)構(gòu)噪聲測(cè)試結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)數(shù)年使用之后，該離心泵的結(jié)構(gòu)噪聲升高了10 dB。故障診斷結(jié)果表明，相較于標(biāo)準(zhǔn)離心泵的技術(shù)參數(shù)（表1），其口環(huán)磨損非常嚴(yán)重，因此，本文將從理論和試驗(yàn)的角度，分析不同的口環(huán)間隙對(duì)離心泵外特性和振動(dòng)性能的影響，用以系統(tǒng)地掌握典型泵的振動(dòng)特征。

表 1 標(biāo)準(zhǔn)離心泵的技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of standard centrifugal pump

比 轉(zhuǎn) 速ns為

根據(jù)表1，經(jīng)計(jì)算，ns=104.25，屬于中比轉(zhuǎn)速。

本文設(shè)計(jì)了7組口環(huán)，其中4號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)口環(huán)，其他組依次增加或減少(0.12±0.02) mm，如表2所示。在本試驗(yàn)中，每次試驗(yàn)前后除了更換口環(huán)之外，其他參數(shù)均保持不變。

表 2 口環(huán)間隙參數(shù)Table 2 Parameters of wear ring clearance

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖1所示為立式安裝離心泵的閉式試驗(yàn)臺(tái)。通過(guò)3只YT-580圓筒形橡膠隔振器將離心泵彈性安裝在泵組支架上，每個(gè)隔振器包括2個(gè)КPM-250橡膠環(huán)和4個(gè)CU-100橡膠塊，其中彈性元件的性能參數(shù)如表3（表中，KPM-250橡膠環(huán)的R，Z方向分別表示徑向和軸向，CU-100橡膠塊的Z方向表示垂向）所示，隔振器的性能參數(shù)如表4（表中，YT-580圓筒形橡膠隔振器的X，Y方向分別表示橫向和縱向，Z方向表示垂向）所示，隔振元件的結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示（圖中數(shù)值單位：mm）。泵體采用三面懸掛式安裝，在進(jìn)口端以及出口端設(shè)置橡膠撓性接管以減弱管路振動(dòng)的傳遞。選用清水為流體介質(zhì)，在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行試驗(yàn)。除口環(huán)間隙參數(shù)改變外，在保證其他運(yùn)行工況不變的前提下，同時(shí)對(duì)泵揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、軸功率和機(jī)腳、基座振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量[6]。試驗(yàn)臺(tái)架現(xiàn)有的流量及壓力傳感器、振動(dòng)傳感器分別安裝于隔振器的上、下端。

圖 1 離心泵的閉式試驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Closed circuit test platform of centrifugal pump

表 3 彈性元件的性能參數(shù)Table 3 Parameters for elastic component

表 4 隔振器的性能參數(shù)Table 4 Parameters for vibration isolator

3 不同口環(huán)間隙下的外特性試驗(yàn)結(jié)果

3.1 離心泵的揚(yáng)程性能對(duì)比分析

每次更換密封口環(huán)之后，均在穩(wěn)定工況下進(jìn)行離心泵的性能測(cè)試試驗(yàn)，其揚(yáng)程特征數(shù)據(jù)如表5所示，不同口環(huán)間隙下的揚(yáng)程曲線如圖4所示。根據(jù)離心泵的流量-揚(yáng)程流量公式[7]，其揚(yáng)程為

式中，ai，m為擬合參數(shù)，其中i=0, 1, ···,m。

為了促進(jìn)土木工程行業(yè)的發(fā)展，保證各項(xiàng)施工工作的順利進(jìn)行，需要健全的施工管理機(jī)制為各項(xiàng)工作的順利進(jìn)行提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并使工作人員按規(guī)范執(zhí)行工作，推動(dòng)施工各項(xiàng)工作的順利進(jìn)行。相較于國(guó)外的管理情況，我國(guó)在土木工程管理機(jī)制方面存在很大的不同，并且我國(guó)實(shí)際落實(shí)度有待提高。因此，還需要結(jié)合工程的實(shí)際情況吸取國(guó)外先進(jìn)的管理理念，對(duì)當(dāng)前的機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化和完善。此外，還可以建立合作管理機(jī)制，將管理工作的職責(zé)落實(shí)到個(gè)人，形成有效的群眾監(jiān)督機(jī)制，保證工程的施工質(zhì)量。

表 5 不同口環(huán)間隙下的揚(yáng)程特征數(shù)據(jù)Table 5 Head characteristic datas of different wear ring clearances

圖 4 不同口環(huán)間隙下的揚(yáng)程曲線Fig.4 Head curves of different wear ring clearances

隨著口環(huán)間隙的增加，1～7號(hào)口環(huán)揚(yáng)程曲線的頂點(diǎn)逐漸向縱坐標(biāo)零點(diǎn)移動(dòng)，且揚(yáng)程-流量曲線的拋物線開口程度隨之變小，離心泵的揚(yáng)程-流量性能也逐級(jí)下降。當(dāng)口環(huán)間隙增加時(shí)，葉輪進(jìn)口處回流的增加將引起容積損失增加，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)P程減少，同時(shí)揚(yáng)程-流量曲線的峰值點(diǎn)流量也逐漸遞減。

在本次試驗(yàn)中，選取m=2，經(jīng)計(jì)算，回歸直線對(duì)觀測(cè)值的擬合優(yōu)度R2均不小于95%。隨著口環(huán)間隙的增加，容積泄漏將引起間隙回流有所增加，而回流與主流混合將改變?nèi)~輪內(nèi)部的流體狀態(tài)，從而使葉輪出口處的流場(chǎng)速度有所下降，導(dǎo)致離心泵的揚(yáng)程峰值和揚(yáng)程性能也隨之降低。在相同的工況點(diǎn)條件下，口環(huán)間隙越大，揚(yáng)程越低；當(dāng)間隙最小時(shí)，揚(yáng)程最高。

3.2 離心泵的功率對(duì)比分析

不同口環(huán)間隙下的軸功率數(shù)據(jù)如表6和圖5所示。隨著離心泵的流量增加，軸功率也近似線性增加。口環(huán)間隙將對(duì)功率曲線的截距和斜率造成影響，隨著口環(huán)間隙的增加，0流量所需的軸功率逐漸升高，而40 m3流量所需的軸功率則逐漸降低，其中0流量條件下所消耗的軸功率主要用于補(bǔ)償因口環(huán)間隙回流帶來(lái)的容積損失。當(dāng)口環(huán)間隙增加時(shí)，在小流量范圍內(nèi)，由于間隙回流有所增加，所以需要更多的軸功率才能輸出液體，口環(huán)間隙越大，其所需要的軸功率越高；在30～40 m3/h流量范圍內(nèi)（標(biāo)準(zhǔn)工況），回流能量在低壓區(qū)與主流的混合作用將降低葉輪因旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)而產(chǎn)生的內(nèi)阻，所以高流量范圍內(nèi)的軸功率將趨于一致，隨著流量增加且口環(huán)間隙增加時(shí)，其所需要的軸功率越低。

表 6 不同口環(huán)間隙下的功率數(shù)據(jù)Table 6 Power data of different wear ring clearances

圖 5 不同口環(huán)間隙下的功率曲線Fig.5 Power curves of different wear ring clearances

3.3 離心泵效率對(duì)比分析

離心泵的效率計(jì)算公式為：

式中：η為泵的效率；ρ為泵輸送液體的密度；g為重力加速度；P為軸功率。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，離心泵的效率性能曲線如圖6所示。隨著離心泵流量的增加，其效率先升高后降低；隨著口環(huán)間隙的增加，離心泵的效率隨之降低，即效率-流量曲線逐級(jí)向下移動(dòng)。

4 不同口環(huán)間隙下的振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果

4.1 小波包分析

圖 6 不同口環(huán)間隙下的效率曲線Fig.6 Efficiency curves of different wear ring clearances

將所采集的振動(dòng)信號(hào)輸入LMS采集儀，然后導(dǎo)入計(jì)算機(jī)并利用Matlab對(duì)時(shí)域信號(hào)加漢寧窗進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用以分析離心泵功率隨頻率的變化關(guān)系（下文簡(jiǎn)稱“功率譜”）。本文的試驗(yàn)采樣頻率fs=25 600 Hz，對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波包分析時(shí)[8]，選擇db6（Matlab中小波分解重構(gòu)的一種代碼）小波基進(jìn)行N=4層小波包分解。根據(jù)小波包的計(jì)算公式[9]：

式中：f為每層小波包的頻帶寬度；N為小波分解層數(shù)。經(jīng)計(jì)算，f=800 Hz，所以下文將對(duì)0～800 Hz頻帶段的功率譜進(jìn)行詳細(xì)分析。

4.2 中、低頻結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能

圖7所示為不同口環(huán)間隙下的測(cè)點(diǎn)功率譜對(duì)比結(jié)果。由圖7可知，隨著間隙回流的增加，測(cè)點(diǎn)在20，30，50，210 Hz頻率處出現(xiàn)了特征振動(dòng)峰。根據(jù)固有頻率公式以及離心泵的質(zhì)量和剛度系數(shù)，得出20 Hz為固有頻率對(duì)應(yīng)的振動(dòng)譜峰，50 Hz為轉(zhuǎn)頻和電流頻率對(duì)應(yīng)的混合峰，50 Hz為軸頻振動(dòng)峰。隨著口環(huán)間隙的增加，20，30，210 Hz處的線譜強(qiáng)度變化較小，而50 Hz軸頻的波動(dòng)較大。在300～500 Hz的流體振動(dòng)頻率段，振動(dòng)能量強(qiáng)度是先增加后減小，且高頻區(qū)的能量幅值整體較高[10]。

圖 7 測(cè)點(diǎn)功率譜Fig.7 The power spectrum of sensor point

圖8所示為測(cè)點(diǎn)的特征譜峰信息?？梢钥闯?，隨著口環(huán)間隙的增加，50 Hz對(duì)應(yīng)的線譜在1～3號(hào)口環(huán)間隙下的振動(dòng)能量強(qiáng)度逐級(jí)下降，并在4～5號(hào)口環(huán)處達(dá)到最小值，在6～7號(hào)口環(huán)處則逐漸升高。

本文試驗(yàn)所采用的離心泵為雙吸泵，具有揚(yáng)程高、流量大等特點(diǎn)，所以其工程應(yīng)用較為廣泛。這種泵型的特點(diǎn)如下：其葉輪實(shí)際上由2個(gè)背靠背的葉輪組合而成，從葉輪流出的水流最終匯入一個(gè)蝸殼中；它相當(dāng)于2個(gè)相同直徑的單吸葉輪同時(shí)工作，所以在同樣的葉輪外徑下，其流量可以增加一倍；其葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)稱，沒(méi)有軸向力，運(yùn)行較為平穩(wěn)。

在本文試驗(yàn)中，1～7號(hào)口環(huán)均為上/下口環(huán)間隙同增同減，其軸向力的影響可以忽略不計(jì)。然而，當(dāng)離心泵過(guò)負(fù)荷或負(fù)荷不足時(shí)，蝸殼式泵腔內(nèi)產(chǎn)生的作用于葉輪上的橫向力將與葉輪出口處揚(yáng)程成一定比例，所以橫向力對(duì)高揚(yáng)程的單級(jí)葉輪泵的影響很大[11]。

4.3 高頻結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能

根據(jù)理論研究結(jié)果，葉輪口環(huán)間隙對(duì)泵腔內(nèi)流體的流動(dòng)影響較大，隨著間隙值的增加，流體低壓區(qū)將逐漸向蝸室反向擴(kuò)散，且流體速度也隨之增加。由圖7可知，在300～500 Hz處出現(xiàn)了350 Hz葉頻譜峰，由于1號(hào)口環(huán)條件下的摩擦力成分突出，所以從1號(hào)到2號(hào)口環(huán)的葉頻處峰值呈下降趨勢(shì)；4號(hào)標(biāo)準(zhǔn)口環(huán)條件下的功率譜峰值最大。在500 Hz以上的更高頻段，隨著口環(huán)間隙的增加，回流能量逐漸提高，線譜隨之變寬，而能量強(qiáng)度則相應(yīng)降低[12]。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)搭建離心泵的外特性和激勵(lì)特性一體化試驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)量了泵體測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)功率譜，經(jīng)分析，口環(huán)間隙對(duì)離心泵性能的影響具體如下：

1） 離心泵揚(yáng)程和效率受口環(huán)間隙變化的影響較大，當(dāng)間隙增加時(shí)，離心泵的揚(yáng)程和效率隨之下降；間隙變化對(duì)額定流量下的軸功率影響較小。

2） 對(duì)于單級(jí)雙吸式離心泵，口環(huán)間隙對(duì)離心泵橫向力的影響較大，并將進(jìn)一步影響離心泵的軸頻振動(dòng)強(qiáng)度。

3） 離心泵的高頻結(jié)構(gòu)振動(dòng)也受口環(huán)間隙變化的影響，當(dāng)口環(huán)間隙增加時(shí)，回流將使離心泵的流體脈動(dòng)有所增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致振動(dòng)能量向高頻處逐漸集中。