雙吸式離心泵壓力脈動實驗研究

王志遠，李鵬輝，黃漢生

(武漢大學水利水電學院，武漢 430072)

0 引 言

雙吸式離心泵廣泛應用在跨流域調水、農業灌溉和城市供水等領域。壓力脈動是影響水泵機組穩定運行的主要因素之一，引起機組部件的振動、甚至是損壞[1]。現階段，實驗測試是研究離心泵壓力脈動特性的主要手段。Iino等[2]分析了離心泵葉輪和導葉相互作用的產生的壓力脈動，認為流量和葉片以及導葉角度是引起脈動的主要原因。AE Khalifa等[3]對雙蝸殼離心泵進行了研究，結果表明葉輪與蝸殼隔舌之間的徑向間隙設計不當會在蝸殼隔舌附近引起強烈的壓力脈動。Kaupert等[4,5]通過實驗研究了不同蝸殼幾何參數下高比轉速離心泵內部的壓力脈動特征，結果表明葉輪與蝸殼隔舌的動靜干涉產生了較強的壓力脈動。何秀華[6]通過實驗發現水泵內獨立存在三種壓力脈動類型：白噪聲脈動、葉頻脈動和軸頻脈動，且隨工況的不同其表現形式有所不同。劉陽等[7]對離心泵壓力脈動進行了較為全面的闡述，總結為離心泵內壓力脈動隨工況的不同，表現為三類不同的壓力脈動：隨機脈動、葉頻倍頻脈動、軸頻倍頻脈動。姚志峰等[8,9]對雙吸式離心泵壓力脈動特性進行研究，結果表明低于轉頻的低頻脈動和轉頻脈動在吸水室區域占主導地位。袁壽其等[10]研究了離心泵壓力脈動對流動誘導噪聲的影響，結果表明，葉片通過頻率是壓力脈動和流動噪聲的主頻，是由于葉輪與隔舌之間的動靜干涉引起的。施衛東等[11]研究了軸流泵內的壓力脈動性能，結果表明，軸流泵內最大壓力脈動發生在葉輪進口處，在偏離設計工況點較大時，壓力脈動幅值明顯增大。

在《水泵及水泵站》課程中，雙吸式離心泵作為一種主要的泵型進行教學，但目前對離心泵壓力脈動的相關研究多為單吸式離心泵或其他泵型，對雙吸式離心泵壓力脈動特性的實驗研究較少。為此，本文以250S-14雙吸式離心泵為研究對象，通過在水泵上布置壓力變送器并進行信號采集和頻譜分析，研究了水泵不同位置在不同流量下的壓力脈動特征。

1 實驗裝置

1.1 實驗臺

實驗所用雙吸式離心泵的型號為250S-14，設計流量為Qn=485 m3/h，額定轉速為n=1 450 r/min，葉片數為Z=6片，葉片頻率為fBEF=145.0 Hz，轉動頻率為fn=24.2 Hz。如圖1所示，實驗臺由雙吸式離心泵、電動機、進出水管路、閘閥、循環水箱以及測試設備等組成。實驗中，通過調節出水閘閥來改變流量；流量由電磁流量計測量，壓力脈動由布置在水泵上的壓力變送器測量，電磁流量計和壓力變送器均連接到數據采集系統，進行信號采集。

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-壓力變送器；9-電磁流量計；10-數據采集系統圖1 實驗臺結構示意圖Fig.1 Schematic of the experimental setup

1.2 測點布置

本實驗的測點分布如圖2所示，分別在水泵吸水室和壓水室布置壓力變送器，其中，吸水室布置測點1～測點5，壓水室布置測點6～測點9，總共布置9臺壓力變送器。

圖2 實驗泵及壓力變送器布置圖Fig.2 Test pump and mounted pressure transmitters

1.3 實驗工況

為分析不同運行工況下雙吸式離心泵壓力脈動特性，選擇如表1所示的6個流量工況進行實驗。

表1 水泵壓力脈動實驗工況Tab.1 Experimental operating conditions for pump pressure pulsation

1.4 數據采集與處理

數據信號采集時，采樣頻率設為2 000 Hz，采集時間設為10.0 s[12]；對采集的數據進行快速傅里葉變換(FFT)，分析頻域內主要頻率f組成及其幅值A的大小及變化。

2 實驗結果與分析

2.1 吸水室壓力脈動分析

圖3為不同運行工況下吸水室各測點壓力脈動主頻頻率柱狀圖，圖4為設計流量1.0Qn下吸水室各測點壓力脈動頻域圖，可以看出，吸水室各測點在多數運行工況下的壓力脈動主頻為轉頻，設計流量1.0Qn下壓力脈動主頻均為轉頻；測點1和測點2位于吸水室下半部分，在0≤Q≤0.25Qn和Q=1.25Qn時，測點1和測點2壓力脈動的主頻為葉片頻率；測點3、測點4和測點5位于吸水室上半部分，隨流量變化具有相似的規律，零流量及小流量下，壓力脈動主頻為3倍轉頻，是由于水泵汽蝕和失速引起的[13,14]，當流量增大到設計流量，汽蝕和失速消失，轉頻成為了吸水室壓力脈動的主頻。

圖3 不同流量下吸水室各測點壓力脈動主頻頻率柱狀圖Fig.3 Pressure fluctuation basic frequency of measuring points in pump suction chamber

圖4 設計流量1.0Qn下吸水室各測點壓力脈動頻域圖Fig.4 Pressure fluctuation frequency domain of measuring points in pump suction chamber for the design flow rate 1.0Qn

圖5為不同運行工況下吸水室各測點壓力脈動主頻幅值，可以看出，吸水室各測點壓力脈動主頻幅值隨流量的增大呈先減小后增大的變化趨勢。在零流量下，各測點壓力脈動主頻幅值均較大；在0.25Qn≤Q≤0.75Qn，除測點4和測點5在0.5Qn時主頻幅值增大外，其他各測點壓力脈動主頻幅值均減小，在0.75Qn時各測點主頻幅值最小，說明在0.75Qn，特殊的半螺旋吸水室結構周向不均勻流引起的不平衡以及其他因素綜合作用對水泵的壓力脈動影響最小；水泵流量增大至1.25Qn時，各測點主頻幅值再次增大到除零流量外的最大值。

圖5 不同流量下吸水室各測點壓力脈動主頻幅值Fig.5 Basic frequency amplitude of measuring points in pump suction chamber

2.2 壓水室壓力脈動分析

圖6為不同運行工況下壓水室各測點壓力脈動主頻頻率柱狀圖，圖7為設計流量1.0Qn下壓水室各測點壓力脈動頻域圖，可以看出，壓水室各測點壓力脈動頻率主頻以葉頻為主，設計流量1.0Qn下壓力脈動主頻均為葉頻；在Q=1.25Qn時，測點7的壓力脈動主頻為轉頻，這是因為在大流量下，葉輪與隔舌動靜干涉傳播至測點7的葉頻脈動，以及蝸殼與葉輪之間的間隙寬度使得葉輪與蝸殼的動靜干涉等均較小，葉頻主頻較低，甚至低于了轉動頻率，使得轉頻成為了主頻。

圖6 不同流量下壓水室各測點壓力脈動主頻頻率柱狀圖Fig.6 Pressure fluctuation basic frequency at measuring points in the pump discharge chamber

圖7 設計流量1.0Qn下壓水室各測點壓力脈動頻域圖Fig.7 Pressure fluctuation frequency domain of measuring points in pump discharge chamber for the design flow rate 1.0Qn

圖8為不同運行工況下壓水室各測點壓力脈動主頻幅值，可以看出，測點6位于隔舌附近蝸殼段上，測點9位于隔舌附近擴散管段上，且距離隔舌均較近，測點6和測點9的主頻幅值變化規律相似，測點7和測點8距離隔舌較遠，測點7和測點8的主頻幅值變化規律相似，由于壓水室各測點壓力脈動主頻基本為葉片頻率，由此說明葉片頻率與隔舌位置具有很強的相關性。

圖8 不同流量下壓水室各測點壓力脈動主頻幅值Fig.8 Basic frequency amplitude of measuring points in pump discharge chamber

3 結 語

采用實驗方法研究了不同運行工況下雙吸式離心泵的壓力脈動特性，結果表明：轉頻脈動在吸水室中占主導地位，葉頻脈動在壓水室中占主導地位；在小流量工況下吸水室上部主頻為3倍的轉頻，主要受葉輪內汽蝕、失速渦的影響；壓水室壓力脈動受葉輪與隔舌動靜干涉的影響較大，且葉頻幅值大小與壓水室隔舌位置具有很強的相關性；本文可為農業灌溉泵站雙吸式離心泵的設計、運行提供理論依據，同時可為大學水利類及能源動力類專業的本科實驗教學提供參考和啟示。

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