離心泵空化現象的模擬試驗研究*

夏遠志，明廷鋒，蘇永生，曹玉良

(海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢430033)

0 引言

離心泵與其他類型的泵相比較具有體積小、揚程高、性能平穩等特點，廣泛應用于工業和城市給排水、煉化、遠距離送水、采油等配套設備中。

在離心泵運行過程中，較易發生空化現象，空化現象對離心泵的危害巨大，影響機械的運行效率，嚴重時會使泵產生汽蝕故障［1-2］。因此，對空化現象進行監測研究，為離心泵的科學合理使用提供重要保障，不僅能夠有效防止離心泵因長時在空化區工作而產生空化汽蝕故障，提高裝備使用壽命，還可以節省大量維修經費，具有較高的應用價值［3］。

國內外學者對空化監測方法主要有噪聲法、壓力法、振動法、高速攝影法以及超聲監測法等［4］。本研究開展離心泵空化現象模擬試驗研究，設計并搭建一個離心泵綜合試驗平臺，使用美國NI 公司的Lab-VIEW 軟件來編制離心泵空化監測系統，模擬離心泵空化現象，通過記錄離心泵進、出口瞬態壓力值，判斷空化狀態，并對離心泵空化狀態前后的振動信號和水聲信號的變化進行特征提取，為空化狀態的識別提供判斷依據。

1 綜合試驗平臺及試驗方案

1.1 離心泵綜合試驗平臺設計及組成

試驗臺主要由離心泵機組、水箱、管道、流量計、傳感器、閥門等組成。離心泵機組選用順達公司型號為CIS-125-100-200 的臥式離心泵機組，采集系統為北京阿爾泰科技發展有限公司生產的USB2815 數據采集卡，最高采樣頻率為250 kHz，16 通道A/D 輸出，并附帶4 通道D/A 輸入，可實現利用軟件對離心泵進、出口電動閥、電動機轉速進行調整控制。離心泵測試平臺結構圖如圖1(a)所示，離心泵測試平臺實物圖如圖1(b)所示。

圖1 試驗臺的結構圖及實物圖

1.2 空化模擬試驗方案

1.2.1 空化模擬的基本原理

汽蝕余量NPSHA，又稱為有效汽蝕余量，其值越大越不易汽蝕［5］。裝置汽蝕余量是由泵提供的，隨流量和進水口處壓力改變而改變，單位為m，其數學表達式為［6-7］:

式中:P絕—泵入口處絕對壓力，Pa;P汽—常溫下，液體的汽化壓力，Pa;V1—泵進口截面處液體的速度，m/s;ρ—液體的密度，kg/m3;g—重力加速度，取9.8 N/kg;Hg—泵安裝高度(泵進口中心線距離水箱液面高度差)，m。

離心泵在電機的驅動下以一定的轉速運行，水箱中的水不停地從低處吸到高處，分別利用安裝在離心泵進、出口處的壓力傳感器、轉速傳感器、電磁流量計便能測出其進口壓力P1、出口壓力P2、轉速n、流量Q，進而計算出揚程H，離心泵的揚程H 數學表達式可寫為:

式中:P1，P2—泵進口、出口截面處液體的壓強，Pa;Z1，Z2—泵進口、出口截面中心到基準面的距離，m;D1，D2—泵進口和出口的截面內徑，m;Q—水泵流量，m3/s。

在定轉速N 和定流量Q 條件下，通過改變電動蝶閥的開度，實現空化現象。通過測量離心泵進、出口壓力和流量，就能計算出裝置汽蝕余量NPSHA 和揚程H的值。

1.2.2 空化試驗方案

離心泵的空化模擬試驗選取3 個工況點［8］:全部以額定流量QG為參考點，具體分點如下:0.6 QG，0.8 QG，QG。

試驗時，可通過對各閥門的開關狀態調節，實現雙泵串聯、并聯等各項綜合試驗。本研究中的空化模擬試驗只對離心泵Ⅱ機組進行操作，進行泵的空化試驗時，利用相應閥門的開、閉和調節，形成離心泵Ⅱ的單泵工作回路，水泵抽水時，為了使流量保持不變，需要在改變泵入口處電動蝶閥的開度的同時，及時改變泵出口處電動蝶閥的開度，通過測量離心泵進、出口壓力和流量，計算出揚程H 和裝置汽蝕余量NPSHA 值，繪制出規定轉速下，流量為定值時的H ～NPSHA 曲線。當揚程下降值ΔH =H0－H'≥3%H 時，本研究認為發生了空化現象，得出此時的汽蝕余量NPSHA 值，即為臨界汽蝕余量NPSH3［9-11］。最后，本研究記錄空化前、后離心泵進、出口瞬態壓力值、振動信號和水聲信號，進行頻譜分析，通過空化前、后各參數的特征對比，提取出反應空化現象的有效特征參數，為離心泵的監測提供實時數據，及時發現并防止空化現象的發生和發展。

2 狀態監測系統設計

運用虛擬儀器技術開發監測系統的方式較多，如VB、VC、各類組態軟件等。其中LabVIEW 是一種語言功能強大，程序開發效率高、形象直觀，便于修改和移植的編程工具。此外LabVIEW 程序易與各種數據采集硬件集成，在通訊與互連接口方面有一定的優勢，故本研究選用該工具作為監測系統的開發軟件。

該系統包括數據采集部分，數據處理與顯示部分以及空化判斷部分。數據采集部分將流量、壓力轉換成計算機能監測的電流信號，通過數據處理與顯示，最后判斷是否發生空化現象。離心泵空化監測系統流程圖如圖2所示。

圖2 離心泵空化監測系統流程圖

系統可采集的數據有:水泵進口壓力、出口壓力、流量、轉速、泵外殼振動信號、泵入口水聲信號等。軟件對采樣模式和采樣通道、采樣頻率等參數進行設置，并設置了單通道最低采樣率判斷模塊，通過比較單通道采樣率與單通道允許能對采樣率過低及時提出反饋，需要用戶修改設置。

軟件設置了空化前后數據對比模塊，通過比較試驗過程中，離心泵揚程ΔH/H 是否大于等于3%，如果條件成立，系統能及時對空化現象進行報警，并終止程序和保存數據，并畫出其H ～NPSHA 曲線，記錄此時的臨界汽蝕余量NPSH3值。監測系統主界面如圖3所示。軟件利用阿爾泰公司的USB2815 數據采集卡的D/A 模擬量輸出功能，使用DAC7625U 轉換器，輸出4 通道(0 ～5)V 電壓，分別控制電動蝶形閥1 和2，調節離心泵Ⅰ進、出口的開度。調節過程可使用Lab-VIEW 軟件面板完成，具有響應速度快、操作安全、方便等優點。

為了對程序進行頻域分析，本研究使用“FFT Power Spectrum.vi”來進行信號的頻譜分析，利用“提取單頻信息”控件，提取轉速信號，通過數字濾波器控件來實現轉速信號的濾波功能。監測系統主界面如圖3所示。其主要由參數設置模塊、波形和數值顯示模塊以及數據保存模塊等組成。

圖3 監測系統主界面

3 試驗結果分析

本研究通過對比空化前、后壓力信號、振動信號、水聲信號，進行頻譜分析，提取空化發生后泵的特征參數，為空化及時判斷提供科學依據。

3.1 性能試驗結果

各工況狀態下的H ～NPSHA 曲線如圖4所示。由各工況狀態下的H ～NPSHA 曲線圖可知，各流量下臨界汽蝕點基本集中分別在揚程為14.5 m、13.7 m、12.8 m 附近，由各工況狀態下臨界汽蝕余量值為:1.35 m，1.95 m，2.10 m。

圖4 各工況狀態下的H ～NPSHA 曲線

3.2 空化模擬試驗數據分析

在汽蝕發生前、后，離心泵進、出口壓力，振動以及水聲信號有明顯的變化。本研究將采集到的數據進行分析后發現，頻域信號特性比時域信號特性更容易區分［12］。

3.2.1 空化前、后進、出口壓力信號分析

流量66.5 m3/h 工況條件下，進、出口壓力頻域信號在空化前后的比較圖如圖5(a)、5(b)所示。流量80 m3/h 工況條件下，進、出口壓力頻域信號在空化前后的比較圖如圖5(c)、5(d)所示。流量100 m3/h 工況條件下，進、出口壓力頻域信號在空化前后的比較圖5(e)、5(f)所示。從該頻譜圖可以看出空化前、后壓力信號變化主要集中在低頻，出口處壓力信號對空化較敏感，在400 Hz ～500 Hz 頻段上，壓力信號在空化后都有明顯的增強。而在80 Hz ～100 Hz 頻段上，進口壓力信號在空化發生后都有明顯的減弱，其主要由空化狀態下離心泵進出口壓力的能量交換受到影響導致。

圖5 各工況狀態下空化前后進、出口壓力頻譜圖

3.2.2 空化前、后進、出口振動信號分析

流量66.5 m3/h 工況條件下，進、出口振動頻域信號在空化前、后的比較圖如圖6(a)、6(b)所示。流量80 m3/h 工況條件下，進、出口振動頻域信號在空化前后的比較圖如圖6(c)、6(d)所示。流量100 m3/h 工況條件下，進、出口振動頻域信號在空化前后的比較圖如圖6(e)、6(f)所示。從該頻譜圖可以看出，振動信號主要集中在高頻［13］。空化后，進口振動信號在0.9 kHz ～1.3 kHz 頻帶上以及出口振動信號在0.8 kHz ～1.1 kHz頻帶上有明顯增加，其主要原因是空化狀態下，空泡潰滅，就會形成壓力脈動，撞擊流道表面，形成振動。當頻率與其他零件相近時，會產生共振現象。

圖6 各工況狀態下空化前后進、出口振動信號頻譜圖

3.2.3 空化前、后水聲信號分析

流量66.5 m3/h 工況條件下，水聲頻域信號在空化前、后的比較圖如圖7(a)、7(b)所示。流量80 m3/h工況條件下，水聲頻域信號在空化前、后的比較圖如圖7(c)、7(d)所示。流量100 m3/h 工況條件下，水聲頻域信號在空化前后的比較如圖7(e)、7(f)所示。從該圖可以看出空化前后水聲信號在整個頻域上都有能量分布，且頻域比時域更易區分。空化后，水聲信號在12 kHz附近出現明顯的峰值，由圖可知，水聲信號主要體現寬頻特性，各頻段幅值均有變化，但變化程度有所不同，這與不同空化程度下的空泡數量與大小有關系［14］。

圖7 各工況狀態下空化前、后水聲信號頻譜圖

4 結束語

本研究通過對離心泵空化前后進、出口壓力信號、振動信號以及水聲信號的測量與分析，得出空化前、后的特征參數，對離心泵的運行維護有較高的應用價值。其結論如下:

(1)空化前后進、出口壓力信號、振動信號以及水聲信號變化都較明顯，可以作為空化監測的特征量。

(2)空化時壓力信號特性主要集中在低頻，出口處400 Hz ～500 Hz 時，壓力信號在空化后都有明顯的增強。而進口處80 Hz ～100 Hz 在空化發生后都有明顯的減弱。

(3)空化時振動信號特性主要集中在高頻，進口振動信號在0.9 kHz ～1.3 kHz 頻帶上以及出口振動信號在0.8 kHz ～1.1 kHz 頻帶上有明顯增加。

(4)水聲信號在整個頻域上都有能量分布，空化后，頻率在12 kHz 附近出現明顯的峰值。

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