馬 波 朱 俊 張 明

北京化工大學(xué)，北京，100029

?

多級離心泵葉輪口環(huán)磨損監(jiān)測方法研究

馬 波 朱 俊 張 明

北京化工大學(xué)，北京，100029

采用計算流體動力學(xué)理論對多級離心泵整機(jī)流場進(jìn)行了建模,分析了多級離心泵口環(huán)間隙對整機(jī)流場的影響,得到了多級離心泵效率隨口環(huán)磨損變化的曲線,引入了軸向振動指標(biāo),將效率與軸向振動相結(jié)合,提出一種口環(huán)磨損量實(shí)時監(jiān)測評估方法。建立了多級離心泵實(shí)驗(yàn)臺,將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果相對比,驗(yàn)證了所提出方法的可行性。通過實(shí)驗(yàn)分析了口環(huán)磨損故障與葉輪腐蝕以及堵塞故障的特點(diǎn),排除了葉輪腐蝕及堵塞對口環(huán)磨損實(shí)時監(jiān)測的影響,完善了所提出方法。

多級離心泵；口環(huán)；磨損；計算流體動力學(xué)；可監(jiān)測性

0 引言

口環(huán)作為多級離心泵密封的重要組件，在運(yùn)行過程中的磨損是不可避免的。工程應(yīng)用中，對離心泵口環(huán)密封的維修采用定期更換的模式。不同離心泵口環(huán)的劣化速率不一樣，采用定期更換的辦法會導(dǎo)致維修過?；蚪档蜕a(chǎn)效率，所以實(shí)時監(jiān)測口環(huán)的磨損狀況尤其重要[1]。

目前對離心泵口環(huán)的研究多集中在對密封結(jié)構(gòu)與性能的優(yōu)化、口環(huán)間隙對轉(zhuǎn)子及口環(huán)動力學(xué)特性的影響、口環(huán)間隙對離心泵整機(jī)流場性能的影響等方面[2-4]。對離心泵監(jiān)測分析的研究多集中于滾動軸承、汽蝕故障等方面[5-7]。對口環(huán)磨損量實(shí)時監(jiān)測的研究則十分鮮見。

隨著數(shù)值計算方法的日趨成熟以及基于計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)商業(yè)軟件的出現(xiàn)，利用CFD對離心泵進(jìn)行模擬與研究具有可行性。文獻(xiàn)[8]采用CFD分析離心泵壓力分布與速度分布，對離心泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)[9]對離心泵關(guān)鍵結(jié)構(gòu)如葉頂間隙、側(cè)壁間隙進(jìn)行計算，分析其對離心泵性能的影響等。這些研究中，口環(huán)間隙比較小且該處流動比較復(fù)雜，因此CFD模擬常常忽略口環(huán)間隙，導(dǎo)致研究無法考慮口環(huán)對離心泵的影響。隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)的計算能力大大提升，針對離心泵整機(jī)性能的研究開始考慮口環(huán)間隙的存在，使分析口環(huán)間隙對離心泵整機(jī)流場的影響成為可能。趙偉國等[10]利用CFD模擬不同口環(huán)間隙對離心泵流場分布的影響，分析了口環(huán)間隙對離心泵各性能參數(shù)的影響。

本文利用CFD對離心泵進(jìn)行流場建模，研究分析不同口環(huán)間隙下的效率、軸向力等參數(shù)的變化規(guī)律，建立多級離心泵效率以及軸向力隨口環(huán)磨損的變化曲線，提出一種基于多參數(shù)融合的口環(huán)磨損量實(shí)時監(jiān)測評價方法。深入分析了受力不平衡、葉輪流道腐蝕、堵塞故障等對口環(huán)磨損量監(jiān)測的影響，使得對口環(huán)磨損量的監(jiān)測更加準(zhǔn)確，解決了實(shí)際工程中葉輪口環(huán)磨損情況無法實(shí)時監(jiān)測的問題。

1 基于CFD的口環(huán)可監(jiān)測性分析

1.1 CFD理論

構(gòu)成CFD理論的基礎(chǔ)為質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒三大定律，使用三大定律從數(shù)學(xué)角度描述流體系統(tǒng)的運(yùn)動，構(gòu)成了包含連續(xù)性方程、動量方程、能量方程的流體動力學(xué)基本方程組——Navier-Stokes方程組(N-S方程組)。對機(jī)泵流場進(jìn)行分析時可以不考慮流場能量變化[10]，因此忽略能量方程，N-S方程組可表現(xiàn)為以下形式：

連續(xù)性方程

(1)

?？思{是一位思想復(fù)雜的作家，他在作品中揭露了美國南方深刻的社會矛盾，譴責(zé)奴隸制度的殘余勢力，同情下層勞動人民的苦難境遇；但也往往充滿著對生活失望后的變態(tài)心理和精神恐怖癥的描寫。他還以奧地利心理學(xué)家弗洛依德的精神分析學(xué)說為依據(jù)，采用“意識流”的創(chuàng)作手法，企圖通過時序的顛倒、敘述角度的變動和對人物潛在意識活動的推測等來加強(qiáng)作品的藝術(shù)效果。這些非現(xiàn)實(shí)主義的創(chuàng)作方法對后來的美國文學(xué)的發(fā)展和演變帶來了極大的影響。

(2)

式中，ρ為流體的密度；u為流體流速；μe為湍流黏性系數(shù)；下標(biāo)i，j=x,y，表示x方向和y方向。

動量方程

對多級離心泵流場的湍流運(yùn)動分析采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型引入了湍流耗散率ε，能更加真實(shí)地描述流動的物理過程。

1.2 多級離心泵流場建模

多級離心泵主要過流部件由入口、吸水室、口環(huán)間隙、葉輪、壓水室和出口組成。為了分析離心泵整機(jī)性能與口環(huán)不同間隙之間的規(guī)律，需建立多級離心泵整機(jī)流場的模型，圖1所示為整體建模步驟。本文以7級剖分式離心泵為對象建立模型，該離心泵的1～3級與4～7級的入口方向相反，每個葉輪包含5個葉片。入口直徑為150 mm，出口直徑為80 mm，口環(huán)原始間隙為0.25 mm，如圖2所示。

圖2 多級離心泵整機(jī)流道模型

圖3 口環(huán)間隙流場模型

口環(huán)間隙流場模型如圖3所示。為了提高分析精度，對不同的部件采用不同的網(wǎng)格尺寸，以便得到更高的網(wǎng)格質(zhì)量。采用2 mm網(wǎng)格對尺寸較大的吸水室、壓水室、葉輪等部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用0.5 mm網(wǎng)格對口環(huán)間隙流場進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

1.3 口環(huán)間隙對性能參數(shù)和軸向力影響的建模分析

通過建立不同口環(huán)間隙尺寸的多級離心泵流場模型，計算不同模型的性能參數(shù)與軸向力大小，得到口環(huán)間隙對性能參數(shù)與軸向力大小的影響曲線。根據(jù)分析需要，設(shè)計了3種不同口環(huán)間隙尺寸進(jìn)行建模，口環(huán)間隙及分析后的性能參數(shù)如表1所示。

表1 性能參數(shù)

根據(jù)多級離心泵揚(yáng)程H、功率PN、有效功率PNe、效率η：

(3)

PN=πnTy/30

(4)

PNe=qmHg

(5)

η=PNe/PN

(6)

式中，vo、vi分別為離心泵的出口速度和進(jìn)口速度；po、pi分別為離心泵的出口壓力和進(jìn)口壓力；n為泵的轉(zhuǎn)速；Ty為作用在葉輪上繞y軸的扭矩；qm為質(zhì)量流量。

3.4.2 直流電源自身具有完善的蓄電池管理功能，可對蓄電池進(jìn)行充放電管理，能有效延長蓄電池使用壽命，減少站點(diǎn)蓄電池投資和維護(hù)費(fèi)用。

利用折線將各工況點(diǎn)連接，所得曲線如圖5所示，隨著口環(huán)間隙的增大，口環(huán)密封泄漏量的增加，導(dǎo)致葉輪前蓋板流場分布變化，使得多級離心泵軸向力隨之下降?？诃h(huán)磨損為0.9 mm時，軸向力下降率達(dá)10.7%，口環(huán)磨損對軸向力影響較明顯。

將0.25 mm、0.40 mm、0.55 mm、0.95 mm口環(huán)間隙下模擬的效率變化值采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合：

y=0.1431x2-0.2609x+0.7768

決定系數(shù)R2計算公式如下：

高血壓腦出血是高血壓的一種嚴(yán)重并發(fā)癥，具有發(fā)病急、病情進(jìn)展快、病情嚴(yán)重的特點(diǎn)，其致殘、致死率均十分高。高血壓腦出血患者顱內(nèi)出現(xiàn)血腫之后，可能導(dǎo)致周圍組織出現(xiàn)微循環(huán)障礙，引發(fā)缺血現(xiàn)象，同時血腫部位產(chǎn)生的凝血酶、炎癥因子等物質(zhì)會引起繼發(fā)性腦水腫，機(jī)體產(chǎn)生的其他神經(jīng)毒素也會使病情進(jìn)一步加重[5-6]。因此臨床治療高血壓腦出血時，將顱內(nèi)壓有效降低，切除血腫，預(yù)防腦疝，促進(jìn)腦組織恢復(fù)，是改善患者病情、提高預(yù)后效果的關(guān)鍵。

(7)

1.3.1 口環(huán)磨損與效率變化之間的規(guī)律分析

2.1.2 口環(huán)磨損實(shí)驗(yàn)

圖4 效率隨口環(huán)磨損變化曲線

1.3.2 口環(huán)磨損與軸向力變化的規(guī)律分析

1.2.3 Sanger驗(yàn)證 利用Primer軟件對目標(biāo)位點(diǎn)進(jìn)行特異引物設(shè)計（正向引物序列5，-GAGACTCCCA CTTCTCATACTCATAAAGGGGTGT-3’反向引物序列 5’ -GTCTTTGTCCTCTTTTTCGGCTTTTTC-3’）（引物由華大基因股份有限公司合成），對該患兒基因組DNA進(jìn)行目標(biāo)位點(diǎn)及上下游區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)增；擴(kuò)增產(chǎn)物采用天根通用DNA純化試劑盒進(jìn)行純化；純化產(chǎn)物用Beckman 8000型DNA測序儀進(jìn)行測序；測序結(jié)果與基因庫的ERCC6基因參考序列 (NC-000010.10)進(jìn)行比對，進(jìn)一步確認(rèn)核苷酸變異信息。

建立了如圖7所示的多級離心泵故障模擬試驗(yàn)臺。 多級離心泵為7級剖分式離心泵，由電機(jī)驅(qū)動，轉(zhuǎn)速為2980 r/min，介質(zhì)為水。驅(qū)動端軸承為深溝球軸承，軸承箱上安裝水平、垂直、軸向加速度傳感器。采用的加速度傳感器靈敏度為100 mV/g，采樣頻率為25.6 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)為16 384。非驅(qū)動端軸承為角接觸球軸承，用以平衡軸向力。軸承箱上同樣安裝水平、垂直、軸向加速度傳感器。在各軸承箱的軸承端蓋上安裝電渦流傳感器測量轉(zhuǎn)子位移振動，采用的電渦流傳感器靈敏度為4 V/mm，采樣頻率為5120 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為2048。在多級離心泵入口和出口安裝壓力變送器和流量變送器測量進(jìn)出口的壓力與流量，計算得到多級離心泵的實(shí)時有效功率。由于直接測量多級離心泵葉輪扭矩較復(fù)雜，因此引入電機(jī)電流、電壓來計算軸功率：

F=∑F1+∑F2+∑F′

(8)

式中，F(xiàn)為軸向力；∑F1為前蓋板受力矢量和；∑F2為后蓋板受力矢量和；∑F′為葉輪入口沖擊力矢量和。

觀察兩組患者術(shù)后6h、術(shù)后12h、術(shù)后24h、術(shù)后72h認(rèn)知功能障礙發(fā)生率,通過MMES(簡易精神狀況檢測量表)評估患者術(shù)后認(rèn)知情況,滿分為30分,若患者低于23分,則為認(rèn)知功能出現(xiàn)障礙。

上臺說題的學(xué)生一開始的時候往往很緊張，他們的眼睛總是會不自覺地盯著看老師的反應(yīng)，卻忽視其他學(xué)生，所謂的說題往往會演變成說給教師一個人聽。這個時候，需要教師從旁邊及時給予指導(dǎo)，最好一方面采用幽默的語言緩解“小先生”緊張的心態(tài)，另一方面要告訴其他學(xué)生，每一個人上臺都會緊張，要懂得尊重別人，認(rèn)真傾聽，只有這樣，下一次輪到你上臺時，才有可能得到別人的尊重。

計算出不同口環(huán)間隙下多級離心泵的效率。

圖5 軸向力隨口環(huán)磨損變化圖

1.4 口環(huán)磨損監(jiān)測分析方法

由圖4、圖5可知：當(dāng)口環(huán)磨損導(dǎo)致口環(huán)間隙尺寸增大時，多級離心泵效率與軸向力均隨之減小，因此采用多級離心泵效率與軸向力參數(shù)評估口環(huán)磨損量。工程應(yīng)用中，軸向力無法直接測量，但軸向力的變化可反映在多級離心泵軸向振動上，所以采用多級離心泵效率與軸向振動變化指標(biāo)來對口環(huán)磨損量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測評估，監(jiān)測方法如圖6所示。

圖6 口環(huán)監(jiān)測方法示意圖

從圖6可以看出，可通過CFD分析計算效率隨口環(huán)磨損的變化曲線，利用可監(jiān)測參數(shù)(進(jìn)出口壓力、速度、電機(jī)電壓、電流)計算多級離心泵效率，結(jié)合軸向振動和徑向振動趨勢計算口環(huán)磨損量。

2 口環(huán)磨損監(jiān)測方法的驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提出方法的可行性，設(shè)計建立了多級離心泵故障模擬試驗(yàn)臺。該試驗(yàn)臺可以模擬口環(huán)磨損、葉輪腐蝕、斷裂、堵塞、滾動軸承不對中、基座松動等故障。

茶是我國重要的葉用經(jīng)濟(jì)作物，茶中類胡蘿卜素同其它高等植物一樣具有多種生理功能，在其正常生命活動中扮演著極其重要的角色。葉片中類胡蘿卜素對茶葉的色澤、香氣等方面有著重要作用，與制茶品質(zhì)息息相關(guān)，同時類胡蘿卜素也是茶葉中一類重要的生物活性成分，具有眾多的生理藥理功能。因此，對茶中類胡蘿卜素的研究具有重要的理論意義和應(yīng)用前景。同時，隨著茶基因組測序完成，生物工程技術(shù)在茶樹上應(yīng)用逐漸成熟，茶類胡蘿卜素的研究應(yīng)用將邁上一個嶄新的臺階。

2.1 試驗(yàn)臺裝置及口環(huán)磨損實(shí)驗(yàn)

一般來說，我會把日常生活安排得很愜意：早上6點(diǎn)在我最喜歡的咖啡館喝一杯拿鐵，和助手見面，回復(fù)郵件。上午10點(diǎn)左右去游泳，吃一頓早午飯，小睡一會兒，然后就去拍照。晚上和朋友在河邊抽著雪茄結(jié)束一天的生活。

2.1.1 試驗(yàn)臺介紹及軸功率測量方法

口環(huán)密封流場所連接的流場為葉輪前蓋板側(cè)隙流場?？诃h(huán)磨損導(dǎo)致口環(huán)間隙增大，使得葉輪前蓋板側(cè)隙流場泄漏增加，壓力分布改變，導(dǎo)致前后蓋板壓差改變，影響多級離心泵軸向力。軸向力的計算公式為

(9)

式中， U為線電壓；I為線電流；cosα為功率因數(shù)；Δ為電機(jī)效率。

圖7 多級離心泵試驗(yàn)臺概貌圖

由式(7)可計算出擬合曲線決定系數(shù)R2=0.9989，非常接近于1，故效率隨口環(huán)磨損變化曲線符合所擬合的二次多項(xiàng)式，擬合結(jié)果如圖4所示。隨著口環(huán)間隙的增大，多級離心泵效率下降且下降趨勢逐漸變緩。

實(shí)驗(yàn)所用離心泵間隙密封正常間隙為0.25 mm，同時，通過加工去除殼靜密封環(huán)內(nèi)表面0.3 mm、0.7 mm來模擬口環(huán)間隙為0.55 mm和0.95 mm的工況。安裝不同間隙的口環(huán)部件，分別測量多級離心泵各監(jiān)測參數(shù)值，計算得到不同口環(huán)間隙下的效率與軸向振動，如圖8、圖9所示。

圖8 不同口環(huán)間隙效率趨勢圖

圖9 不同口環(huán)間隙軸向振動趨勢圖

2.2 口環(huán)磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

不同口環(huán)間隙尺寸下的效率與軸向振動加速度如表2所示。根據(jù)不同口環(huán)間隙實(shí)驗(yàn)的效率，繪制出效率隨口環(huán)間隙變化的曲線。由于效率隨口環(huán)磨損變化曲線比較符合二次多項(xiàng)式，故對實(shí)驗(yàn)值采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖10所示。

表2 不同口環(huán)間隙尺寸效率與軸向振動加速度

圖10 實(shí)驗(yàn)與模擬效率曲線對比圖

軸向力通過非驅(qū)動端的角接觸球軸承平衡，故軸向力的變化會反映在非驅(qū)動端軸承軸向測點(diǎn)振動加速度的峰值上。由不同口環(huán)間隙下的非驅(qū)動端軸承軸向測點(diǎn)加速度的峰值可知，隨著口環(huán)間隙的增大，軸向加速度的峰值隨之減小。

由口環(huán)磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近，基于CFD分析的效率及軸向力隨口環(huán)磨損變化模擬結(jié)果符合要求。利用效率與軸向力診斷口環(huán)磨損故障，利用效率隨口環(huán)磨損曲線以及實(shí)時監(jiān)測到的多級離心泵效率參數(shù)反推口環(huán)磨損量，從而得到口環(huán)的磨損情況，實(shí)現(xiàn)口環(huán)磨損實(shí)時監(jiān)測。

(1)企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)誠信建設(shè)，勇?lián)髽I(yè)社會責(zé)任，樹立良好的企業(yè)形象。通過增強(qiáng)企業(yè)實(shí)力，為獲得良好的融資提供堅實(shí)的基礎(chǔ)，拓寬融資途徑，吸引直接融資，如利用企業(yè)債券、基金等，實(shí)現(xiàn)多渠道的融資，特別要善于利用好民間資本，既減少社會上的閑置資金，又支持了旅游業(yè)的發(fā)展。

2.3 故障區(qū)分試驗(yàn)及方法研究

效率是診斷口環(huán)磨損故障的重要指標(biāo)，實(shí)際工程應(yīng)用中，影響多級離心泵效率的因素除了口環(huán)磨損，還包括葉輪腐蝕、葉輪堵塞。為排除葉輪腐蝕與葉輪堵塞的影響，本文進(jìn)行了葉輪腐蝕與堵塞故障模擬試驗(yàn)。

2.3.1 葉輪腐蝕試驗(yàn)

如圖11所示，在葉輪葉片上制造腐蝕坑，模擬葉輪流道腐蝕故障。將葉輪腐蝕故障下的多級離心泵效率和徑向振動位移與正常工況下的值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖12所示，發(fā)現(xiàn)葉輪輕微腐蝕對多級離心泵效率影響有限，試驗(yàn)中的腐蝕程度還不能對效率造成影響。但在這種腐蝕程度下，腐蝕造成的不平衡使得徑向振動位移有所增大。

會計電算化課程現(xiàn)有的評價方式，以總結(jié)性評價為主。這種評價方式，雖能夠在一定程度上反映學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況[4]，但卻無法反映學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，以及日常知識掌握水平。形成性評價，屬于教學(xué)評價方式中較為新穎的一種。由教師借助互聯(lián)網(wǎng)，為學(xué)生的日常學(xué)習(xí)態(tài)度、作業(yè)完成情況進(jìn)行評分，能夠使學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量更加全面的體現(xiàn)在教學(xué)評價結(jié)果之中。將形成性評價與總結(jié)性評價相結(jié)合，將會為學(xué)生日常學(xué)習(xí)積極性的提高，起到一定的推動作用。

圖12 葉輪腐蝕與正常工況徑向振動趨勢對比圖

2.3.2 葉片斷裂試驗(yàn)

葉片腐蝕發(fā)展到嚴(yán)重的時候就會產(chǎn)生葉片斷裂，如圖13所示，在葉片入口處割掉一塊葉片，模擬葉片斷裂故障。將葉片斷裂故障下的效率、振動位移與正常工況以及葉片腐蝕故障下的效率、振動位移進(jìn)行對比。從圖14可以看出，葉輪葉片斷裂時，較正常工況效率下降較小，但徑向振動位移比葉片輕微腐蝕時的還大。

吸引一批文化工作者、黃河文化演藝人員、手工藝者扎根黃河景區(qū)，提升景區(qū)文化活力；吸引旅游經(jīng)營和管理類人才、創(chuàng)新型人才進(jìn)行旅游創(chuàng)業(yè)，完善本地居民參與黃河全域旅游的發(fā)展機(jī)制；培養(yǎng)一批景區(qū)專業(yè)講解人員；目的地建設(shè)還要本著全域生態(tài)優(yōu)先的原則，保護(hù)旅游生態(tài)環(huán)境，推動全域旅游可持續(xù)發(fā)展。

圖13 葉片斷裂故障模擬

圖14 葉片斷裂、腐蝕與正常工況徑向振動趨勢對比圖

圖15 葉輪堵塞故障模擬

圖16 葉輪堵塞與正常工況徑向振動趨勢對比圖

2.3.3 葉輪堵塞試驗(yàn)

如圖15所示，利用布條堵塞模擬葉輪堵塞故障，測量多級離心泵在堵塞故障下的效率與徑向振動位移。從圖16可以看出，葉輪在堵塞故障時，徑向振動位移大幅度上升。

一春詩社苦拘束，恨不快挹西山鬟。 偶從勝寺歷圖卷，青松紅杏田盤間。 適來陳侯選春話，院有古木青孱顏。 丁香一樹紀(jì)遺跡，寸碣未立枝空攀。 海棠方盛插檐隙，花茵坐擬神仙班。 ……相思三五隔城闕，玉珂聽罷鳴銅鐶。 天風(fēng)吹墮衍波紙，故人常望明河灣。[9]

2.3.4 結(jié)果分析與區(qū)分方法

（二）新課改下的小學(xué)科學(xué)課程有更強(qiáng)的趣味性，實(shí)用性與靈活性。為能更好激起學(xué)生愛科學(xué)、學(xué)科學(xué)的學(xué)習(xí)自動性，使他們在運(yùn)用所學(xué)技能解決實(shí)際問題的學(xué)習(xí)過程中，鍛煉探索創(chuàng)新的思維能力。新的小學(xué)科學(xué)課程內(nèi)容更貼近日常生活，符合小學(xué)生需要和興趣的科學(xué)內(nèi)容。另外引導(dǎo)并提倡教師采用利于發(fā)展小學(xué)生研究能力的靈活多變的教學(xué)模式，使學(xué)生能在情感，知識，能力三方面全方位發(fā)展。

各工況效率如表3所示，可以看出，葉輪腐蝕與葉輪堵塞除了影響多級離心泵效率，還使得多級離心泵轉(zhuǎn)子不平衡量增大，導(dǎo)致徑向振動位移的幅值上升。葉輪腐蝕較輕微時，對效率影響較小，但對徑向振動的影響很大，因此葉輪腐蝕程度在不平衡指標(biāo)上的反映要強(qiáng)于在效率指標(biāo)上的反映。故在診斷多級離心泵口環(huán)磨損故障時，可引入徑向振動位移，排除葉輪腐蝕與葉輪堵塞故障的影響，使口環(huán)磨損故障診斷及實(shí)時監(jiān)測口環(huán)磨損量的準(zhǔn)確性更高，監(jiān)測方法流程如圖17所示。

表3 各工況效率對比

圖17 口環(huán)磨損監(jiān)測方法流程圖

3 結(jié)論

(1)本文利用CFD理論對多級離心泵進(jìn)行了整機(jī)建模，計算不同口環(huán)間隙下多級離心泵的效率和軸向力，建立效率及軸向力隨口環(huán)磨損變化的曲線。建立了多級離心泵故障模擬試驗(yàn)臺，驗(yàn)證了效率隨口環(huán)磨損變化曲線的可靠性。軸向力變化體現(xiàn)在軸向振動，通過測量不同口環(huán)間隙下軸向振動的大小，驗(yàn)證了通過軸向振動診斷口環(huán)磨損的可行性，提出了一種基于效率與軸向振動的監(jiān)測方法。根據(jù)口環(huán)磨損變化曲線反推口環(huán)磨損狀況，實(shí)現(xiàn)口環(huán)磨損量的實(shí)時監(jiān)測。

(2)葉輪腐蝕與堵塞都會引起性能效率下降，本文通過試驗(yàn)驗(yàn)證了葉輪腐蝕與葉輪堵塞對效率和轉(zhuǎn)子徑向振動位移的影響，通過徑向振動位移可區(qū)分葉輪腐蝕、堵塞與口環(huán)磨損故障，提高了口環(huán)磨損故障診斷及磨損量實(shí)時監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

[1] Karassik I J，McGuire T．Special Designs：Vertical Pumps[M]．Centrifugal Pumps：Springer，1997．

[2] 陳魚，費(fèi)振桃，蔡永雄，等．輸送清水時口環(huán)間隙對離心油泵性能的影響[J]．流體機(jī)械，2006，34(1)：1-5． Chen Yu，F(xiàn)ei Zhentao，Cai Yongxiong，et al. Effect of the Clearance of Wear-rings on the Performance of Centrifugal Oil Pump while Handling Water[J]. Fluid Machinery，2006，34(1)：1-5．

[3] Denecke J，Schramm V，Kim S，et al. Influence of Rub-grooves on Labyrinth Seal Leakage[J]. Journal of Turbomachinery，2002，125(2)：771-779．

[4] Kurokawa J，Matsumoto K，Matsui J，et al．Performance Improvement and Peculiar Behavior of Disk Friction and Leakage in Very Low Specific-speed Pumps[J]. Transactions of the Japan Seciety of Mechanical Engincers, Part B， 2000，65(640)：4027-4032.

[5] Kiral Z，Karagülle H．Simulation and Analysis of Vibration Signals Generated by Rolling Element Bearing with Defects[J]. Tribology International，2003，36(9)： 667-678.

[6] Medvitz R B，Kunz R F，Boger D A，et al．Perfor-mance Analysis of Cavitating Flow in Centrifugal Pumps Using Multiphase CFD[J]. Journal of Fluids Engineering，2002，124(2)：377-383.

[7] 王秀禮，袁壽其，朱榮生，等. 長短葉片離心泵汽蝕性能數(shù)值模擬分析及實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國機(jī)械工程，2012，23(10)：1154-1157． Wang Xiuli，Yuan Shouqi，Zhu Rongsheng，et al. Numerical Simulation and Experimental Study for Cavitations in Centrifugal Pump Impeller with Splitters[J]. China Mechanical Engineering，2012，23(10)：1154-1157．

[8] Spence R， Amaral-Teixeira J．A CFD Parametric Study of Geometrical Variations on the Pressure Pulsations and Performance Characteristics of a Centrifugal Pump[J]. Computers & Fluids，2009，38(6)：1243-1257．

[9] 祝磊，袁壽其，袁建平，等. 不同徑向間隙對離心泵動靜干涉作用影響的數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2011，42(5)：49-55． Zhu Lei，Yuan Shouqi，Yuan Jianping，et al. Numerical Simulation on Rotor-stator Interaction in a Centrifugal Pump with Different Gaps between Impeller and Tongue[J]. Transactions of the Chin-ese Society for Agricultural Machinery，2011，42(5)：49-55.

[10] 趙偉國，鄔國秀，黎義斌. 口環(huán)間隙變化對離心泵性能的影響研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報，2014，33(5)： 211-215． Zhao Weiguo，Wu Guoxiu，Li Yibing，et al. Study on Effects of Wear-rings Clearance Modifications on Performance of Centrifugal Pump[J]. Journal of Hydroelectric Engineering，2014，33(5)：211-215．

(編輯 張 洋)

Monitoring Method Analysis of Multistage Centrifugal Pump Seal Ring Wear

Ma Bo Zhu Jun Zhang Ming

Beijing University of Chemical Technology, Beijing, 100029

A flow field model of multi-stage centrifugal pump was created to analyes the effects of multi-stage centrifugal pump seal ring gap on the flow field based on CFD theory, and a curve of centrifugal pump efficiency with the wear of the seal ring was established. A method of monitoring and assessing seal ring wear was proposed based on the centrifugal pump efficiency and the axial vibration. A multi-stage centrifugal pump test bench was established, the feasibility of the proposed method was verified with the comparison of experiments and simulations. Characteristics of ring wear, corrosion, and impeller blockage were analyzed by experiments. The method was improved by excluding the effects of impeller corrosion and blockage on seal ring wear monitor.

multistage centrifugal pump；seal ring；wear；computational fluid dynamics (CFD)；monitoring

2015-09-11

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項(xiàng)目(2014AA041806)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305020)

TH165.3；O241

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.21.012

馬 波，男，1977年生。北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副研究員。主要研究方向?yàn)樵O(shè)備故障診斷機(jī)理與診斷方法智能化。發(fā)表論文27篇。朱 俊，男，1991年生。北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。張 明，男，1988年生。北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院博士研究生。