雙吸式離心泵葉頻壓力脈動及誘導振動實驗研究

王志遠，溫鴻浦，錢忠東

(1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；2.寧夏固海揚水管理處，寧夏 中寧 755100)

0　引　言

雙吸式離心泵流量大、揚程高，廣泛應用在跨流域調水、農業灌溉以及城市供水等領域[1]。離心泵的壓力脈動是影響水泵機組穩定運行的主要因素之一，引起機組部件振動，甚至是損壞停機[2]。就水泵壓力脈動而言，存在著三種形式：即白噪聲脈動、葉頻脈動和軸頻脈動[3,4]。目前，對壓力脈動的研究可采用模型實驗和數值模擬方法。在實驗研究方面，AE Khalifa等[5]研究發現雙蝸殼離心泵葉輪-隔舌的相互干涉會引起強烈的葉頻脈動，水泵的振動與葉頻脈動相關；Jorge等[6]研究得到單吸離心泵壓水室某點的壓力脈動是由擾動的疊加引起的，擾動包括每個葉片通過該點的擾動以及每個葉片通過隔舌的擾動；姚志峰等[7,8]研究表明雙吸式離心泵中葉頻脈動成分在壓水室中占主導地位；劉厚林等[9]研究得出單吸離心泵流動誘導的振動對泵體的影響較大。在數值模擬研究方面，Fu等[10]研究發現，在低比轉速離心泵中，設計流量條件下蝸殼中的壓力脈動相對較低；朱榮生等[11]對離心泵內部流場進行多工況定常與非定常三維數值模擬，結果表明設計工況和大流量工況下，葉頻是主要影響頻率。

本文以250S-14雙吸式離心泵為研究對象，通過實驗的方法研究了水泵系統不同位置在不同運行工況下的葉頻脈動及誘導振動特征。本文研究可以拓展實驗技術思路，同時可以為雙吸式離心泵的設計、運行提供依據，具有一定理論意義和工程價值。

1　實驗裝置

1.1　實驗臺

本實驗在武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室水泵綜合實驗臺上進行。如圖1所示，實驗臺由水泵、電動機、進出水管路、閘閥、循環水箱以及測試設備等組成，壓力脈動由布置在水泵及管路上的壓力變送器測量，振動由布置在水泵傳動端軸承座上的振動加速度傳感器測量，流量由出水管上的電磁流量計測量，壓力變送器及振動加速度傳感器分別連接到各自的采集系統，進行信號采集。實驗所用雙吸式離心泵型號為250S-14，設計流量為Qn=485 m3/h，葉片數為Z=6片，額定轉速為1 450 r/min，葉片頻率為145.0 Hz，轉動頻率為24.2 Hz。

1-實驗泵；2-電動機；3-循環水箱；4-進水閘閥；5-進水管道；6-出水管道；7-出水閘閥；8-電磁流量計；9-壓力變送器；10-壓力脈動采集系統；11-振動采集系統圖1　實驗臺結構示意圖

1.2　測點布置

如圖2所示，葉頻脈動采集的壓力變送器布置在水泵壓水室測點1處，為研究葉頻脈動在進、出水管中的傳遞規律，分別在水泵進、出水管頂端的測點2和測點3位置布置壓力變送器。振動則由布置在水泵傳動端軸承座上的徑向垂直振動加速度傳感器(測點a)和徑向水平振動加速度傳感器(測點b)獲取數據。

圖2　實驗泵壓力變送器和振動加速度傳感器布置圖

1.3　實驗過程及數據采集

實驗中，通過調節出水閘閥來改變運行工況，在零流量到1.3 倍的設計流量范圍內選取10個實驗工況，同步采集各測點位置的壓力脈動信號和振動信號。壓力脈動采樣頻率為2 000 Hz，采樣時間為10 s[12]。振動實驗采樣頻率為2 560 Hz，采樣時間為12.8 s。

對壓力脈動和振動采集信號進行頻域分析，即對采集信號進行快速傅里葉變換(FFT)，得到了各個測點的頻譜圖，以此分析雙吸式離心泵葉頻壓力脈動及誘導振動特征。

2　實驗結果與分析

2.1　葉頻壓力脈動結果分析

圖3為水泵壓水室測點1、進水管測點2和出水管測點3在不同運行工況下的葉頻壓力脈動實驗結果，可以看出，測點1隨著流量的增大，葉頻幅值呈現出先減小后增大再減小再增大的變化趨勢，在零流量，葉頻脈動幅值最大，為3.59 kPa，在設計工況1.0Qn附近，葉頻幅值變化較小，且具有最小值，為1.05 kPa；在Q<0.28Qn時和Q>1.14Qn時，測點1的葉頻幅值隨著流量變化呈現出較大的變化幅度，這是因為在小流量下，水泵汽蝕嚴重，在實驗中，可聽到明顯的汽蝕聲，因此，壓力脈動不僅受葉輪與隔舌動靜干涉的影響，而且也受汽蝕的影響[4]，在大流量下，壓水室水流流態變差，在隔舌附近極易形成漩渦，造成了壓力脈動的快速升高。

進水管測點2的葉頻脈動隨著流量的增加，其變化趨勢與測點1基本相同，且各流量工況下的葉頻幅值均比測點1小；出水管測點3在Q<0.58Qn時，與測點1的葉頻脈動變化趨勢基本相同，其幅值差較測點2相差較大，在0.58Qn

圖3　壓水室測點1、進水管測點2、出水管測點3葉頻脈動幅值圖

2.2　振動結果分析

為了研究葉頻壓力脈動對水泵振動的影響，選取葉頻脈動較大的1.3Qn作為典型工況進行分析，圖4為水泵傳動端軸承座徑向垂直方向測點a的實驗結果頻譜圖，可以看出，測點a主頻為轉頻，主頻幅值為0.233 1 m/s2，次主頻為葉頻，次主頻幅值為0.222 6 m/s2，說明徑向垂直方向振動受轉子系統質量不平衡引起的振動影響較大，受葉頻壓力脈動的影響次之；圖5為水泵傳動端軸承座徑向水平方向測點b的實驗結果頻譜圖，可以看出，測點b主頻為葉頻，主頻幅值達0.541 8 m/s2，而轉頻幅值僅為0.129 8 m/s2，說明徑向水平方向振動受葉頻壓力脈動影響較大，受轉子系統質量不平衡影響較小。由以上分析可知，葉頻脈動對水泵傳動端軸承座徑向垂直和徑向水平方向振動都有影響，且徑向水平方向振動受葉頻脈動影響的程度大于徑向垂直方向振動。

圖4　水泵傳動端測點a振動頻譜圖(Q/Qn=1.3)

圖5　水泵傳動端測點b振動頻譜圖(Q/Qn=1.3)

2.3　葉頻壓力脈動與振動結果比較分析

圖6為不同運行工況下水泵壓水室測點1葉頻脈動與傳動端軸承座測點a、b葉頻振動實驗對比結果，其中，主坐標軸表示壓力脈動葉頻幅值，次坐標軸表示振動加速度葉頻幅值，可以看出，測點a和測點b的振動加速度在小流量和大流量情況下葉頻幅值均較大，在設計流量附近葉頻幅值較小，測點b的葉頻振動幅值在全流量范圍內整體大于測點a，且測點b隨流量增大的變化趨勢比測點a更接近于測點1的變化趨勢，由以上分析可知，與徑向垂直方向相比，徑向水平方向葉頻振動隨流量的變化趨勢同葉頻脈動的變化趨勢更接近，因此，可以用水泵軸承座徑向水平方向葉頻振動來監測水泵葉頻脈動的變化趨勢。

圖6　水泵傳動端軸承座測點a、b葉頻振動與壓水室測點1葉頻脈動幅值圖

3　結　論

通過在實驗泵壓水室及進出水管布置壓力變送器，在水泵傳動端軸承座布置振動加速度傳感器，測試了雙吸式離心泵不同流量下的壓力脈動信號和振動信號，并進行了FFT變換和頻譜分析。主要結論如下：

(1)葉頻壓力脈動受流量的影響明顯，在Q<0.28Qn和Q>1.14Qn時，葉頻脈動較大，主要是受小流量下發生汽蝕，大流量下流態變差，極易形成漩渦的影響；

(2)葉頻脈動可向上下游傳播，向上傳播至進水管，葉頻脈動隨流量增大的變化趨勢基本不變，葉頻幅值均減小，且減小幅度基本均勻；向下傳播至出水管，葉頻脈動變化復雜；

(3)葉頻脈動對水泵傳動端軸承座徑向垂直和徑向水平方向振動都有影響，且徑向水平方向振動受葉頻脈動影響的程度大于徑向垂直方向振動，徑向水平方向葉頻振動隨流量的變化趨勢與葉頻脈動更接近。

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參考文獻：

[1]劉竹溪, 劉景植.水泵及水泵站[M].4版.北京: 中國水利水電出版社, 2011.

[2]Yulin Wu, Shengcai Li, Shuhong Liu, et al.Vibration of Hydraulic Machinery[M].Springer, 2013.

[3]何秀華.水泵壓力脈動的類型研究[J].排灌機械, 1996,(4):47-50.

[4]劉陽, 袁壽其, 袁建平.離心泵的壓力脈動研究進展[J].流體機械, 2008,36(9):33-37.

[5]AE Khalifa, AM Al-Qutub, R Ben-Mansour.Study of Pressure Fluctuations and Induced Vibration at Blade-Passing Frequencies of a Double Volute Pump[J].Arabian Journal for Science and Engineering, 2011,36(7):1 333-1 345.

[6]Jorge L, Parrondo-Gayo, Jose Gonzalez-Perez，et al.The effect of the operating point on the pressure fluctuations at the blade passage frequency in the volute of a centrifugal pump[J].Journal of Fluids Engineering, 2002,124(3):784-790.

[7]姚志峰, 王福軍, 肖若富, 等.雙吸離心泵吸水室和壓水室壓力脈動特性試驗研究[J].水利學報， 2012,43(4):473-479.

[8]Zhifeng Yao, Fujun Wang, Lixia Qu, et al.Experimental Investigation of Time-Frequency Characteristics of Pressure Fluctuations in a Double-Suction Centrifugal Pump[J].Journal of Fluids Engineering, 2011,133(10):101303-1-101303-10.

[9]劉厚林, 王勇, 袁壽其, 等.葉輪出口寬度對離心泵流動誘導振動噪聲的影響[J].華中科技大學學報: 2012,40(1):123-127.

[10]Fu Qiang, Yuan Shouqi, Zhu Rongsheng.Pressure Fluctuation of the Low Specific Speed Centrifugal Pump[J].Applied Mechanics and Materials, 2012:935-939.

[11]朱榮生, 蘇保穩, 楊愛玲, 等.離心泵壓力脈動特性分析[J].農業機械學報, 2010,41(11):43-47.

[12]潘羅平.水輪機壓力脈動試驗方法的研究[J].水力發電學報, 2003,82(3):107-113.