王志遠(yuǎn)，李鵬輝，黃漢生

(武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，武漢 430072)

0 引 言

雙吸式離心泵廣泛應(yīng)用在跨流域調(diào)水、農(nóng)業(yè)灌溉和城市供水等領(lǐng)域。壓力脈動(dòng)是影響水泵機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素之一，引起機(jī)組部件的振動(dòng)、甚至是損壞[1]?，F(xiàn)階段，實(shí)驗(yàn)測試是研究離心泵壓力脈動(dòng)特性的主要手段。Iino等[2]分析了離心泵葉輪和導(dǎo)葉相互作用的產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)，認(rèn)為流量和葉片以及導(dǎo)葉角度是引起脈動(dòng)的主要原因。AE Khalifa等[3]對(duì)雙蝸殼離心泵進(jìn)行了研究，結(jié)果表明葉輪與蝸殼隔舌之間的徑向間隙設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)在蝸殼隔舌附近引起強(qiáng)烈的壓力脈動(dòng)。Kaupert等[4,5]通過實(shí)驗(yàn)研究了不同蝸殼幾何參數(shù)下高比轉(zhuǎn)速離心泵內(nèi)部的壓力脈動(dòng)特征，結(jié)果表明葉輪與蝸殼隔舌的動(dòng)靜干涉產(chǎn)生了較強(qiáng)的壓力脈動(dòng)。何秀華[6]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水泵內(nèi)獨(dú)立存在三種壓力脈動(dòng)類型：白噪聲脈動(dòng)、葉頻脈動(dòng)和軸頻脈動(dòng)，且隨工況的不同其表現(xiàn)形式有所不同。劉陽等[7]對(duì)離心泵壓力脈動(dòng)進(jìn)行了較為全面的闡述，總結(jié)為離心泵內(nèi)壓力脈動(dòng)隨工況的不同，表現(xiàn)為三類不同的壓力脈動(dòng)：隨機(jī)脈動(dòng)、葉頻倍頻脈動(dòng)、軸頻倍頻脈動(dòng)。姚志峰等[8,9]對(duì)雙吸式離心泵壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明低于轉(zhuǎn)頻的低頻脈動(dòng)和轉(zhuǎn)頻脈動(dòng)在吸水室區(qū)域占主導(dǎo)地位。袁壽其等[10]研究了離心泵壓力脈動(dòng)對(duì)流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲的影響，結(jié)果表明，葉片通過頻率是壓力脈動(dòng)和流動(dòng)噪聲的主頻，是由于葉輪與隔舌之間的動(dòng)靜干涉引起的。施衛(wèi)東等[11]研究了軸流泵內(nèi)的壓力脈動(dòng)性能，結(jié)果表明，軸流泵內(nèi)最大壓力脈動(dòng)發(fā)生在葉輪進(jìn)口處，在偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)較大時(shí)，壓力脈動(dòng)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(jìn)行教學(xué)，但目前對(duì)離心泵壓力脈動(dòng)的相關(guān)研究多為單吸式離心泵或其他泵型，對(duì)雙吸式離心泵壓力脈動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究較少。為此，本文以250S-14雙吸式離心泵為研究對(duì)象，通過在水泵上布置壓力變送器并進(jìn)行信號(hào)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(dòng)特征。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

實(shí)驗(yàn)所用雙吸式離心泵的型號(hào)為250S-14，設(shè)計(jì)流量為Qn=485 m3/h，額定轉(zhuǎn)速為n=1 450 r/min，葉片數(shù)為Z=6片，葉片頻率為fBEF=145.0 Hz，轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為fn=24.2 Hz。如圖1所示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)由雙吸式離心泵、電動(dòng)機(jī)、進(jìn)出水管路、閘閥、循環(huán)水箱以及測試設(shè)備等組成。實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)出水閘閥來改變流量；流量由電磁流量計(jì)測量，壓力脈動(dòng)由布置在水泵上的壓力變送器測量，電磁流量計(jì)和壓力變送器均連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行信號(hào)采集。

1-實(shí)驗(yàn)泵；2-電動(dòng)機(jī)；3-循環(huán)水箱；4-進(jìn)水閘閥；5-進(jìn)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(jì)；10-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of the experimental setup

1.2 測點(diǎn)布置

本實(shí)驗(yàn)的測點(diǎn)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(diǎn)1～測點(diǎn)5，壓水室布置測點(diǎn)6～測點(diǎn)9，總共布置9臺(tái)壓力變送器。

圖2 實(shí)驗(yàn)泵及壓力變送器布置圖Fig.2 Test pump and mounted pressure transmitters

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

為分析不同運(yùn)行工況下雙吸式離心泵壓力脈動(dòng)特性，選擇如表1所示的6個(gè)流量工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

表1 水泵壓力脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)工況Tab.1 Experimental operating conditions for pump pressure pulsation

1.4 數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)信號(hào)采集時(shí)，采樣頻率設(shè)為2 000 Hz，采集時(shí)間設(shè)為10.0 s[12]；對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，分析頻域內(nèi)主要頻率f組成及其幅值A(chǔ)的大小及變化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 吸水室壓力脈動(dòng)分析

圖3為不同運(yùn)行工況下吸水室各測點(diǎn)壓力脈動(dòng)主頻頻率柱狀圖，圖4為設(shè)計(jì)流量1.0Qn下吸水室各測點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域圖，可以看出，吸水室各測點(diǎn)在多數(shù)運(yùn)行工況下的壓力脈動(dòng)主頻為轉(zhuǎn)頻，設(shè)計(jì)流量1.0Qn下壓力脈動(dòng)主頻均為轉(zhuǎn)頻；測點(diǎn)1和測點(diǎn)2位于吸水室下半部分，在0≤Q≤0.25Qn和Q=1.25Qn時(shí)，測點(diǎn)1和測點(diǎn)2壓力脈動(dòng)的主頻為葉片頻率；測點(diǎn)3、測點(diǎn)4和測點(diǎn)5位于吸水室上半部分，隨流量變化具有相似的規(guī)律，零流量及小流量下，壓力脈動(dòng)主頻為3倍轉(zhuǎn)頻，是由于水泵汽蝕和失速引起的[13,14]，當(dāng)流量增大到設(shè)計(jì)流量，汽蝕和失速消失，轉(zhuǎn)頻成為了吸水室壓力脈動(dòng)的主頻。

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

圖4 設(shè)計(jì)流量1.0Qn下吸水室各測點(diǎn)壓力脈動(dòng)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(yùn)行工況下吸水室各測點(diǎn)壓力脈動(dòng)主頻幅值，可以看出，吸水室各測點(diǎn)壓力脈動(dòng)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(diǎn)壓力脈動(dòng)主頻幅值均較大；在0.25Qn≤Q≤0.75Qn，除測點(diǎn)4和測點(diǎn)5在0.5Qn時(shí)主頻幅值增大外，其他各測點(diǎn)壓力脈動(dòng)主頻幅值均減小，在0.75Qn時(shí)各測點(diǎn)主頻幅值最小，說明在0.75Qn，特殊的半螺旋吸水室結(jié)構(gòu)周向不均勻流引起的不平衡以及其他因素綜合作用對(duì)水泵的壓力脈動(dòng)影響最??；水泵流量增大至1.25Qn時(shí)，各測點(diǎn)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(diǎn)壓力脈動(dòng)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(dòng)分析

圖6為不同運(yùn)行工況下壓水室各測點(diǎn)壓力脈動(dòng)主頻頻率柱狀圖，圖7為設(shè)計(jì)流量1.0Qn下壓水室各測點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域圖，可以看出，壓水室各測點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻率主頻以葉頻為主，設(shè)計(jì)流量1.0Qn下壓力脈動(dòng)主頻均為葉頻；在Q=1.25Qn時(shí)，測點(diǎn)7的壓力脈動(dòng)主頻為轉(zhuǎn)頻，這是因?yàn)樵诖罅髁肯?，葉輪與隔舌動(dòng)靜干涉?zhèn)鞑ブ翜y點(diǎn)7的葉頻脈動(dòng)，以及蝸殼與葉輪之間的間隙寬度使得葉輪與蝸殼的動(dòng)靜干涉等均較小，葉頻主頻較低，甚至低于了轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，使得轉(zhuǎn)頻成為了主頻。

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

圖7 設(shè)計(jì)流量1.0Qn下壓水室各測點(diǎn)壓力脈動(dòng)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(yùn)行工況下壓水室各測點(diǎn)壓力脈動(dòng)主頻幅值，可以看出，測點(diǎn)6位于隔舌附近蝸殼段上，測點(diǎn)9位于隔舌附近擴(kuò)散管段上，且距離隔舌均較近，測點(diǎn)6和測點(diǎn)9的主頻幅值變化規(guī)律相似，測點(diǎn)7和測點(diǎn)8距離隔舌較遠(yuǎn)，測點(diǎn)7和測點(diǎn)8的主頻幅值變化規(guī)律相似，由于壓水室各測點(diǎn)壓力脈動(dòng)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(qiáng)的相關(guān)性。

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

3 結(jié) 語

采用實(shí)驗(yàn)方法研究了不同運(yùn)行工況下雙吸式離心泵的壓力脈動(dòng)特性，結(jié)果表明：轉(zhuǎn)頻脈動(dòng)在吸水室中占主導(dǎo)地位，葉頻脈動(dòng)在壓水室中占主導(dǎo)地位；在小流量工況下吸水室上部主頻為3倍的轉(zhuǎn)頻，主要受葉輪內(nèi)汽蝕、失速渦的影響；壓水室壓力脈動(dòng)受葉輪與隔舌動(dòng)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(qiáng)的相關(guān)性；本文可為農(nóng)業(yè)灌溉泵站雙吸式離心泵的設(shè)計(jì)、運(yùn)行提供理論依據(jù)，同時(shí)可為大學(xué)水利類及能源動(dòng)力類專業(yè)的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供參考和啟示。

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