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        離心泵口環(huán)間隙對外特性和激勵特性的影響

        2021-06-08 07:05:08魏云毅趙存生崔哲
        中國艦船研究 2021年3期
        關(guān)鍵詞:振動

        魏云毅,趙存生,崔哲

        海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)院,湖北 武漢 430033

        0 引 言

        與螺桿泵和齒輪泵相比,離心泵具有體積小、空間設(shè)計簡單、輸出流量高等特點,故其在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛。在離心泵長期運轉(zhuǎn)過程中,葉輪進口處密封環(huán)的磨損是其外特性和振動性能發(fā)生改變的原因之一。

        國內(nèi)外的研究成果表明,口環(huán)間隙的變化將引起容積損失的增減,從而使離心泵的內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,并進一步導(dǎo)致離心泵的外特性和激勵特性發(fā)生改變。在外特性研究方面,趙萬勇等[1]發(fā)現(xiàn)口環(huán)間隙變化之后,離心泵內(nèi)部出現(xiàn)了液體壓力與速度分布不對稱的情況,并在出口處發(fā)現(xiàn)了流場變化的極值。在激勵特性研究方面,Lomakin[2]發(fā)現(xiàn)間隙流動變化帶來的不僅僅是容積損失,更重要的是間隙力和轉(zhuǎn)子受力平衡發(fā)生了改變。在振動研究方面,Black[3]提出了間隙流動的流固耦合理論,認為間隙變化所帶來的流體力對結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的影響不容忽視。

        1 研究對象

        本文以某船用立式安裝的離心泵作為研究對象。由20~1 000 Hz條件下的結(jié)構(gòu)噪聲測試結(jié)果可知,經(jīng)過數(shù)年使用之后,該離心泵的結(jié)構(gòu)噪聲升高了10 dB。故障診斷結(jié)果表明,相較于標準離心泵的技術(shù)參數(shù)(表1),其口環(huán)磨損非常嚴重,因此,本文將從理論和試驗的角度,分析不同的口環(huán)間隙對離心泵外特性和振動性能的影響,用以系統(tǒng)地掌握典型泵的振動特征。

        表 1 標準離心泵的技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of standard centrifugal pump

        比 轉(zhuǎn) 速ns為

        根據(jù)表1,經(jīng)計算,ns=104.25,屬于中比轉(zhuǎn)速。

        本文設(shè)計了7組口環(huán),其中4號為標準口環(huán),其他組依次增加或減少(0.12±0.02) mm,如表2所示。在本試驗中,每次試驗前后除了更換口環(huán)之外,其他參數(shù)均保持不變。

        表 2 口環(huán)間隙參數(shù)Table 2 Parameters of wear ring clearance

        2 試驗系統(tǒng)

        圖1所示為立式安裝離心泵的閉式試驗臺。通過3只YT-580圓筒形橡膠隔振器將離心泵彈性安裝在泵組支架上,每個隔振器包括2個КPM-250橡膠環(huán)和4個CU-100橡膠塊,其中彈性元件的性能參數(shù)如表3(表中,KPM-250橡膠環(huán)的R,Z方向分別表示徑向和軸向,CU-100橡膠塊的Z方向表示垂向)所示,隔振器的性能參數(shù)如表4(表中,YT-580圓筒形橡膠隔振器的X,Y方向分別表示橫向和縱向,Z方向表示垂向)所示,隔振元件的結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示(圖中數(shù)值單位:mm)。泵體采用三面懸掛式安裝,在進口端以及出口端設(shè)置橡膠撓性接管以減弱管路振動的傳遞。選用清水為流體介質(zhì),在一個標準大氣壓下進行試驗。除口環(huán)間隙參數(shù)改變外,在保證其他運行工況不變的前提下,同時對泵揚程、轉(zhuǎn)速、軸功率和機腳、基座振動進行測量[6]。試驗臺架現(xiàn)有的流量及壓力傳感器、振動傳感器分別安裝于隔振器的上、下端。

        圖 1 離心泵的閉式試驗臺Fig.1 Closed circuit test platform of centrifugal pump

        表 3 彈性元件的性能參數(shù)Table 3 Parameters for elastic component

        表 4 隔振器的性能參數(shù)Table 4 Parameters for vibration isolator

        3 不同口環(huán)間隙下的外特性試驗結(jié)果

        3.1 離心泵的揚程性能對比分析

        每次更換密封口環(huán)之后,均在穩(wěn)定工況下進行離心泵的性能測試試驗,其揚程特征數(shù)據(jù)如表5所示,不同口環(huán)間隙下的揚程曲線如圖4所示。根據(jù)離心泵的流量-揚程流量公式[7],其揚程為

        式中,ai,m為擬合參數(shù),其中i=0, 1, ···,m。

        為了促進土木工程行業(yè)的發(fā)展,保證各項施工工作的順利進行,需要健全的施工管理機制為各項工作的順利進行提供堅實的基礎(chǔ),并使工作人員按規(guī)范執(zhí)行工作,推動施工各項工作的順利進行。相較于國外的管理情況,我國在土木工程管理機制方面存在很大的不同,并且我國實際落實度有待提高。因此,還需要結(jié)合工程的實際情況吸取國外先進的管理理念,對當前的機制進行優(yōu)化和完善。此外,還可以建立合作管理機制,將管理工作的職責落實到個人,形成有效的群眾監(jiān)督機制,保證工程的施工質(zhì)量。

        表 5 不同口環(huán)間隙下的揚程特征數(shù)據(jù)Table 5 Head characteristic datas of different wear ring clearances

        圖 4 不同口環(huán)間隙下的揚程曲線Fig.4 Head curves of different wear ring clearances

        隨著口環(huán)間隙的增加,1~7號口環(huán)揚程曲線的頂點逐漸向縱坐標零點移動,且揚程-流量曲線的拋物線開口程度隨之變小,離心泵的揚程-流量性能也逐級下降。當口環(huán)間隙增加時,葉輪進口處回流的增加將引起容積損失增加,進而導(dǎo)致?lián)P程減少,同時揚程-流量曲線的峰值點流量也逐漸遞減。

        在本次試驗中,選取m=2,經(jīng)計算,回歸直線對觀測值的擬合優(yōu)度R2均不小于95%。隨著口環(huán)間隙的增加,容積泄漏將引起間隙回流有所增加,而回流與主流混合將改變?nèi)~輪內(nèi)部的流體狀態(tài),從而使葉輪出口處的流場速度有所下降,導(dǎo)致離心泵的揚程峰值和揚程性能也隨之降低。在相同的工況點條件下,口環(huán)間隙越大,揚程越低;當間隙最小時,揚程最高。

        3.2 離心泵的功率對比分析

        不同口環(huán)間隙下的軸功率數(shù)據(jù)如表6和圖5所示。隨著離心泵的流量增加,軸功率也近似線性增加??诃h(huán)間隙將對功率曲線的截距和斜率造成影響,隨著口環(huán)間隙的增加,0流量所需的軸功率逐漸升高,而40 m3流量所需的軸功率則逐漸降低,其中0流量條件下所消耗的軸功率主要用于補償因口環(huán)間隙回流帶來的容積損失。當口環(huán)間隙增加時,在小流量范圍內(nèi),由于間隙回流有所增加,所以需要更多的軸功率才能輸出液體,口環(huán)間隙越大,其所需要的軸功率越高;在30~40 m3/h流量范圍內(nèi)(標準工況),回流能量在低壓區(qū)與主流的混合作用將降低葉輪因旋轉(zhuǎn)帶動而產(chǎn)生的內(nèi)阻,所以高流量范圍內(nèi)的軸功率將趨于一致,隨著流量增加且口環(huán)間隙增加時,其所需要的軸功率越低。

        表 6 不同口環(huán)間隙下的功率數(shù)據(jù)Table 6 Power data of different wear ring clearances

        圖 5 不同口環(huán)間隙下的功率曲線Fig.5 Power curves of different wear ring clearances

        3.3 離心泵效率對比分析

        離心泵的效率計算公式為:

        式中:η為泵的效率;ρ為泵輸送液體的密度;g為重力加速度;P為軸功率。

        根據(jù)測試結(jié)果,離心泵的效率性能曲線如圖6所示。隨著離心泵流量的增加,其效率先升高后降低;隨著口環(huán)間隙的增加,離心泵的效率隨之降低,即效率-流量曲線逐級向下移動。

        4 不同口環(huán)間隙下的振動響應(yīng)結(jié)果

        4.1 小波包分析

        圖 6 不同口環(huán)間隙下的效率曲線Fig.6 Efficiency curves of different wear ring clearances

        將所采集的振動信號輸入LMS采集儀,然后導(dǎo)入計算機并利用Matlab對時域信號加漢寧窗進行數(shù)據(jù)處理,用以分析離心泵功率隨頻率的變化關(guān)系(下文簡稱“功率譜”)。本文的試驗采樣頻率fs=25 600 Hz,對信號進行小波包分析時[8],選擇db6(Matlab中小波分解重構(gòu)的一種代碼)小波基進行N=4層小波包分解。根據(jù)小波包的計算公式[9]:

        式中:f為每層小波包的頻帶寬度;N為小波分解層數(shù)。經(jīng)計算,f=800 Hz,所以下文將對0~800 Hz頻帶段的功率譜進行詳細分析。

        4.2 中、低頻結(jié)構(gòu)振動性能

        圖7所示為不同口環(huán)間隙下的測點功率譜對比結(jié)果。由圖7可知,隨著間隙回流的增加,測點在20,30,50,210 Hz頻率處出現(xiàn)了特征振動峰。根據(jù)固有頻率公式以及離心泵的質(zhì)量和剛度系數(shù),得出20 Hz為固有頻率對應(yīng)的振動譜峰,50 Hz為轉(zhuǎn)頻和電流頻率對應(yīng)的混合峰,50 Hz為軸頻振動峰。隨著口環(huán)間隙的增加,20,30,210 Hz處的線譜強度變化較小,而50 Hz軸頻的波動較大。在300~500 Hz的流體振動頻率段,振動能量強度是先增加后減小,且高頻區(qū)的能量幅值整體較高[10]。

        圖 7 測點功率譜Fig.7 The power spectrum of sensor point

        圖8所示為測點的特征譜峰信息??梢钥闯?,隨著口環(huán)間隙的增加,50 Hz對應(yīng)的線譜在1~3號口環(huán)間隙下的振動能量強度逐級下降,并在4~5號口環(huán)處達到最小值,在6~7號口環(huán)處則逐漸升高。

        本文試驗所采用的離心泵為雙吸泵,具有揚程高、流量大等特點,所以其工程應(yīng)用較為廣泛。這種泵型的特點如下:其葉輪實際上由2個背靠背的葉輪組合而成,從葉輪流出的水流最終匯入一個蝸殼中;它相當于2個相同直徑的單吸葉輪同時工作,所以在同樣的葉輪外徑下,其流量可以增加一倍;其葉輪結(jié)構(gòu)對稱,沒有軸向力,運行較為平穩(wěn)。

        在本文試驗中,1~7號口環(huán)均為上/下口環(huán)間隙同增同減,其軸向力的影響可以忽略不計。然而,當離心泵過負荷或負荷不足時,蝸殼式泵腔內(nèi)產(chǎn)生的作用于葉輪上的橫向力將與葉輪出口處揚程成一定比例,所以橫向力對高揚程的單級葉輪泵的影響很大[11]。

        4.3 高頻結(jié)構(gòu)振動性能

        根據(jù)理論研究結(jié)果,葉輪口環(huán)間隙對泵腔內(nèi)流體的流動影響較大,隨著間隙值的增加,流體低壓區(qū)將逐漸向蝸室反向擴散,且流體速度也隨之增加。由圖7可知,在300~500 Hz處出現(xiàn)了350 Hz葉頻譜峰,由于1號口環(huán)條件下的摩擦力成分突出,所以從1號到2號口環(huán)的葉頻處峰值呈下降趨勢;4號標準口環(huán)條件下的功率譜峰值最大。在500 Hz以上的更高頻段,隨著口環(huán)間隙的增加,回流能量逐漸提高,線譜隨之變寬,而能量強度則相應(yīng)降低[12]。

        5 結(jié) 論

        本文通過搭建離心泵的外特性和激勵特性一體化試驗平臺,測量了泵體測點的振動信號功率譜,經(jīng)分析,口環(huán)間隙對離心泵性能的影響具體如下:

        1) 離心泵揚程和效率受口環(huán)間隙變化的影響較大,當間隙增加時,離心泵的揚程和效率隨之下降;間隙變化對額定流量下的軸功率影響較小。

        2) 對于單級雙吸式離心泵,口環(huán)間隙對離心泵橫向力的影響較大,并將進一步影響離心泵的軸頻振動強度。

        3) 離心泵的高頻結(jié)構(gòu)振動也受口環(huán)間隙變化的影響,當口環(huán)間隙增加時,回流將使離心泵的流體脈動有所增強,進而導(dǎo)致振動能量向高頻處逐漸集中。

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