變頻調速對離心泵振動的影響研究

張德滿，俞　健，邱浩然，尚　進（. 武漢第二船舶設計研究所，湖北　武漢 430064；. 武漢理工大學，湖北　武漢 430063）

變頻調速對離心泵振動的影響研究

張德滿1，俞健1，邱浩然2，尚進1
（1. 武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢 430064；2. 武漢理工大學，湖北武漢 430063）

作為動力源機械，離心泵廣泛應用于流體管路系統中。為了滿足不同工況下系統對離心泵流量的需求，可以采用節流閥或變頻器對離心泵流量進行調節。試驗測試了節流調速和變頻調速時離心泵出口振動，分析了離心泵出口振動特性，發現離心泵出口振動具有比較明顯的低頻線譜，且線譜頻率與電機和泵的轉速相對應。對 2種流量調節方法下離心泵出口振動振級進行比較，發現變頻調速時離心泵出口振動更小，因此通過變頻調速，可以降低離心泵出口振動。

離心泵；振動；變頻

0　引　言

離心泵作為一種動力源，廣泛應用于液態介質傳輸管路系統中。作為一種轉動機械，其工作時不可避免的產生振動，嚴重時會影響泵本身以及管路系統的工作穩定性［1 - 3］。

在復雜的管路系統中，不同工況時，系統對離心泵的流量需求可能有較大的變化，為解決此問題，傳統的方法是給管路系統配置能夠滿足系統最大流量和揚程的泵，當系統的流量需求降低時，通過節流閥調節離心泵的輸出流量，以滿足管路系統的流量需求。該方法的缺點是，離心泵功率冗余會隨系統流量需求降低而升高，容易導致離心泵和管路系統的振動大幅增加。

變頻技術是一種通過交流轉直流再轉交流的方法，改變電源頻率的技術，該技術可以通過改變電機的轉動頻率來改變離心泵的轉速，達到改變其輸出流量的目的。本文將通過試驗的方法，詳細研究離心泵振動的特點，并通過對比的方法，分析節流調速與變頻調速對離心泵性能和振動的影響。

1　試驗設備及試驗方法

試驗用離心泵的額定功率為 60 kW，額定轉速為3 000 r/min，額定流量為 180 m3/h。圖 1 為離心泵試驗臺架示意圖，為降低流量調節閥節流噪聲對離心泵測試的影響，流量調節閥與離心泵之間的管路長度大于10 m，且由減振接管隔開。

如圖 1 所示，因離心泵出口振動對系統管路影響較大，將加速度傳感器布置于離心泵的出口處上方，以該點的振動信號表示離心泵的振動情況［4 - 5］。采用節流閥對離心泵進行調速時，變頻器給電機供 50 Hz 的交流電；采用變頻器對離心泵進行調速時，流量調節閥處于全開狀態。離心泵前后的減振接管可以有效隔離試驗管路與離心泵之間的振動傳遞，減小管路中水激振動對試驗測試結果的影響。

圖 1　離心泵試驗臺架示意圖Fig. 1　Schematic diagram of centrifugal pump test bench

2　不同調速方法對離心泵性能的影響

2.1基本特性

對于同一臺離心泵，采用節流閥調節其輸出流量時，隨著調節閥開度不同，泵的功率基本不變。采用變頻調速時，離心泵的流量 Q、揚程 H、功率 P 與泵轉速 n 之間存在以下關系：

由式（1）可知，在不考慮離心泵運轉效率變化的情況下，離心泵的流量與轉速呈線性關系。由式（2）可知，同樣在不考慮運轉效率變化的情況下，離心泵的揚程與轉速的平方呈線性關系。

2.2不同調速方法對離心泵揚程的影響分析

圖 2 為采用流量調節閥調速時，試驗測得離心泵流量與揚程之間的變化曲線。流量調節閥全開時離心泵出口流量為 180 m3/h，揚程為 66 m。隨著流量調節閥開度變小，離心泵流量逐漸減小，泵的揚程隨之增大。當離心泵出口流量減小到 90 m3/h 時，其揚程升高到了 86 m。

圖 3 為采用變頻調速時，試驗測得離心泵流量與揚程之間的變化曲線。變頻器給電機供 50 Hz 的交流電時，離心泵出口流量為 180 m3/h，揚程為 66 m。隨著電流頻率降低，離心泵流量逐漸減小，其揚程隨之變低，變化規律基本與公式（2）相符。當電流頻率降低到 25 Hz 時，離心泵流量減小為 78 m3/h，揚程降為22 m。

圖 2　節流調速時揚程隨流量變化曲線Fig. 2　The change of head with the flow rate when the throttle is adjustable

圖 3　變頻調速時揚程隨流量變化曲線Fig. 3　The change of head with the flow rate when the frequency is adjustable

對于特定的管路系統，當其輸送的液體流量增加后，管路內液體流速也隨之提高，液體在管路內受到的沿程阻力與局部阻力之和△P 由式（3）表示。

由式（3）可知，管路系統中其他阻力不變時，隨著流速的增加，液體在管路系統中所受到的阻力因呈升高趨勢，此規律與圖 3 所示的曲線規律相符合，因此采用變頻調速時離心泵的揚程與流量之間的變化規律更符合特定管路系統的實際需求。

3　不同調速方法對離心泵振動的影響

3.1變頻調速對振動頻率的影響分析

由于低頻振動相對難以控制，因此在對離心泵進行減振設計時，更多關心其低頻振動。電機用電頻率為 50 Hz 時，電機和泵的轉速都為 50 r/s，測得離心泵出口振動的低頻頻譜如圖 4 所示，低頻線譜非常明顯，這些線譜的基頻為 50 Hz，與電機和泵的轉速相同，其余都為 50 Hz 的倍頻，因此離心泵振動的低頻線譜主要由電機和泵轉動產生。離心泵采用變頻調速時，是通過降低電機和泵轉速的方法來降低離心泵的流量，這必然會導致離心泵振動的低頻線譜向更低頻移動。因此，在針對采用變頻調速的離心泵進行減振設計時，必須考慮上述現象。

圖 4　離心泵出口振動頻譜Fig. 4　Vibration spectrum of the outlet of centrifugal pump

3.2變頻調速與節流調速對振動分析

圖 5 為試驗測得采用流量調節閥調速時，定頻離心泵出口振動隨流速的變化曲線。隨著泵的流量的增加，泵出口振動幅度介于 146～149 dB 之間，變化幅度較小。在此過程中，泵的功率基本無變化，因此使用節流調速時，離心泵的出口振動與泵的功率相關，變化幅度很小。

圖 5　節流調速時流速與振動變化曲線Fig. 5　Curve of velocity and vibration when the throttle is adjustable

圖 6 為試驗測得變頻調速時離心泵出口振動隨流速的變化曲線。電機用電頻率為 50 Hz 時，離心泵出口流量為 180 m3/h，離心泵出口處振動為 149 dB。離心泵出口振動隨流速降低先迅速降低后緩慢降低，振動開始基本以線性降低，隨流速進一步降低，振動下降緩慢的原因是，離心泵轉速偏離額定轉速太大時，離心泵運行效率降低，有部分能量轉換成了振動［6 - 8］。因此用于變頻調速的離心泵在其設計時應充分兼顧其低轉速時的運行效率。

圖 6　變頻調速時流速與振動變化曲線Fig. 6　Curve of velocity and vibration when the frequency is adjustable

比較圖 6 與圖 5 可以發現，在高流速時，離心泵出口振級相差不大。隨著離心泵出口流量降低，采用變頻調速的離心泵出口振級明顯比采用流量調節閥調速時小很多，離心泵流速降到額定流速的 45% 時（約80 m3/h），兩者振級相差 13 dB。

4　結　語

通過對不同調速方法下離心泵出口振動信號的測量和對比分析，得到如下結論：

1）相對于節流調速，采用變頻調速時，離心泵流量升高，其揚程隨之提高，該變化趨勢更符合特定管路系統的實際需求。

2）離心泵振動信號的低頻部分具有明顯的與轉速呈倍數關系的線譜。采用變頻調速時，離心泵的低頻線譜會向更低頻移動。

3）用于變頻調速的離心泵在其設計時，應充分兼顧其低轉速時的運行效率，以進一步降低離心泵低速運行時的振動幅度。

4）相對于節流調速，變頻調速時離心泵出口振動有較大幅度的降低，流量調低幅度越大，振動降低幅度越大，試驗測量的離心泵流量降到額定流量的 45%時，使用變頻調速的振動比使用節流調速的振動低13 dB。

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Research on the influence of centrifugal pump vibration under different speed-adjustable method

ZHANG De-man1，YU Jian1，QIU Hao-ran2，SHANG Jin1
（1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China；2. Wuhan University of Technoligy，Wuhan 430063，China）

Centrifugal pump is widely used in fluid pipeline system as a power source machinery，in order to meet the flow needs of system for centrifugal pump in different conditions，throttle valve or electric converter can be used to adjust the flow of centrifugal pump. The characteristics of the vibration of the centrifugal pump were analyzed，which indicates that obvious low frequency spectrum of the vibration of the centrifugal pump can be detected，and the frequency of the spectrum was closely related with the speed of the pump and motor. The vibration level about outlet of the centrifugal pump in two kinds of flow control methods was compared，The results shows that the vibration on the centrifugal pump under electric converter control is smaller. Therefore，the frequency control can reduce the vibration of centrifugal pump.

centrifugal pump；vibration；frequency conversion

U270；TB53

A

1672 - 7619（2016）08 - 0072 - 04

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2016.08.015

2015 - 12 - 31；

2016 - 04 - 28

張德滿（1983 - ），男，博士，高級工程師，研究方向為船舶系統設計。