李建宏，溫鴻浦，王志遠(yuǎn)

（1.寧夏鹽環(huán)定揚(yáng)水管理處，寧夏吳忠751100；2.寧夏灌排服務(wù)中心，銀川750004；3.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430072）

0 引 言

寧夏回族自治區(qū)地處我國(guó)西北部黃河中上游地區(qū)，全區(qū)跨暖溫帶半濕潤(rùn)區(qū)至溫帶干旱區(qū)3 個(gè)氣候區(qū)，其中3/4 屬干旱、半干旱區(qū)域，總體特征是干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，綜合水資源僅9.49億m3，是全國(guó)水資源最少的省區(qū)。寧夏是全國(guó)4大灌區(qū)和12個(gè)重點(diǎn)商品糧基地之一，因此，修建泵站工程，提水上山，扶貧解困成為歷史的必然選擇。自1975年，國(guó)家投入巨資在寧夏修建了一大批高揚(yáng)程提灌泵站，為促進(jìn)寧夏貧困地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，解決邊遠(yuǎn)山區(qū)人畜飲水，改善生態(tài)環(huán)境，維護(hù)民族團(tuán)結(jié)、社會(huì)穩(wěn)定等方面做出了歷史性貢獻(xiàn)。目前，寧夏的主要的引黃泵站工程有：鹽環(huán)定揚(yáng)水工程、固海揚(yáng)水工程、南山臺(tái)揚(yáng)水工程、扁擔(dān)溝揚(yáng)水工程、甘城子揚(yáng)水工程、月牙湖揚(yáng)水工程、寧夏扶貧揚(yáng)黃灌溉工程等。雙吸式離心泵由于其流量大、揚(yáng)程高的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于引黃泵站中［1］。水泵在運(yùn)行過程中，經(jīng)常遇到被水中的雜草、塑料袋等柔性污物纏堵［2］，影響水泵的穩(wěn)定性，引起振動(dòng)加劇，嚴(yán)重時(shí)將危及水泵機(jī)組安全。

柔性污物由于其具有柔軟性，很容易通過進(jìn)水管進(jìn)入泵室內(nèi)，隨水泵的旋轉(zhuǎn)而纏繞在泵軸或葉片上，從而阻礙水泵的過流能力，同時(shí)造成泵內(nèi)水流流態(tài)的不均勻分布，使水泵的壓力脈動(dòng)發(fā)生變化。近年來，相關(guān)學(xué)者對(duì)離心泵的水力激振源進(jìn)行了研究，得到動(dòng)靜干涉效應(yīng)產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)頻率通常為葉頻及其倍頻［3-6］。劉陽(yáng)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)。JORGE PARRONDO 等［8］研究表明離心泵壓水室壓力脈動(dòng)以葉頻為主，當(dāng)偏離額定工況時(shí)，脈動(dòng)幅值顯著增大。AE Khalifa等［9］對(duì)雙蝸殼離心泵進(jìn)行了研究，結(jié)果表明壓力脈動(dòng)的強(qiáng)度取決于泵的轉(zhuǎn)速、流量以及測(cè)點(diǎn)的位置。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)離心泵壓力脈動(dòng)進(jìn)行了豐富的研究，但水泵故障運(yùn)行狀態(tài)下壓力脈動(dòng)特性表現(xiàn)相關(guān)研究不多。本文以模型試驗(yàn)為手段，研究柔性污物對(duì)雙吸式離心泵吸水室和壓水室壓力脈動(dòng)的影響，可為灌溉泵站運(yùn)行的故障診斷提供科學(xué)依據(jù)，具有一定的參考價(jià)值和工程實(shí)用意義。

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Qd=485 m3/h，額定轉(zhuǎn)速為n=1 450 r/min，葉片數(shù)為Z=6 片。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(cè)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(cè)量，壓力脈動(dòng)由布置在雙吸式離心泵吸水室和壓水室上的壓力變送器測(cè)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。

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(cè)點(diǎn)布置

本實(shí)驗(yàn)的測(cè)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，選取吸水室布置測(cè)點(diǎn)1 至測(cè)點(diǎn)4，壓水室布置測(cè)點(diǎn)5至測(cè)點(diǎn)8，總共選取8個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果的分析。

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

為分析柔性物纏繞前后雙吸式離心泵壓力脈動(dòng)特性的變化，需對(duì)水泵進(jìn)行柔性物纏繞，如圖3為雙吸式離心泵單側(cè)進(jìn)口有無柔性物纏繞圖（柔性物為塑料軟管）。為安全起見，本次實(shí)驗(yàn)降速運(yùn)行，通過變頻器來改變水泵運(yùn)行的轉(zhuǎn)速，實(shí)驗(yàn)中，水泵轉(zhuǎn)速降速至1 250 r/min。實(shí)驗(yàn)選擇的不同流量運(yùn)行工況如表1所示。

表1 不同流量實(shí)驗(yàn)工況Tab.1 Different flow rate experimental conditions

圖3 雙吸式離心泵單側(cè)進(jìn)口有無柔性物纏繞Fig.3 Double-suction centrifugal pump unilateral inlet with or without flexible winding

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)定為2 000 Hz，采樣時(shí)間設(shè)定為10 s［10］。數(shù)據(jù)采集完成后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，時(shí)域分析采用95%置信的峰-峰分析方法［11］。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 雙吸式離心泵柔性物纏繞前后吸水室壓力脈動(dòng)分析

雙吸式離心泵被柔性物纏繞后，其性能發(fā)生明顯變化，主要表現(xiàn)為水泵揚(yáng)程變小，機(jī)組效率降低，且二者降低程度均隨流量的增大而增大［2］。本文針對(duì)柔性物纏繞前后水泵穩(wěn)定性的變化進(jìn)行研究，雙吸式離心泵吸水室和壓水室分別布置了多個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行柔性物纏繞前后的壓力脈動(dòng)測(cè)試，試驗(yàn)的工況為設(shè)計(jì)流量工況（Q/Qd=1.0）、小流量工況（Q/Qd=0.5）和大流量工況（Q/Qd=1.3），選取設(shè)計(jì)流量工況作為代表工況，觀察柔性物纏繞前后壓力脈動(dòng)信號(hào)的變化情況。圖4為設(shè)計(jì)工況雙吸式離心泵纏繞前后壓水室各測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)時(shí)域圖，由圖4可以看出，吸水室測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2壓力脈動(dòng)纏繞前后變化不明顯，而測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4 處壓力脈動(dòng)明顯增大，這主要是由于雙吸式離心泵具有兩個(gè)吸入口，柔性物纏繞側(cè)與布設(shè)測(cè)點(diǎn)側(cè)不同，傳遞的影響不明顯，但吸水室的半螺旋結(jié)構(gòu)，隨著水流方向，空間變小，使得對(duì)水流的影響更加明顯，壓力脈動(dòng)變大。

圖4 設(shè)計(jì)流量工況下雙吸式離心泵纏繞前后吸水室壓力脈動(dòng)時(shí)域圖Fig.4 Time domain diagram of pressure fluctuation in suction chamber of the double-suction centrifugal pump with and without flexible material winding under design flow rate condition

為了更全面地反映不同運(yùn)行工況下雙吸式離心泵柔性物纏繞前后的壓力脈動(dòng)情況，對(duì)吸水室各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了峰峰值分析。圖5為不同流量運(yùn)行工況下雙吸式離心泵纏繞前后吸水室各測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)峰峰值。由圖5可以看出，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2在小流量和設(shè)計(jì)流量工況下，柔性物纏繞后壓力脈動(dòng)峰峰值減小，可能是由于單側(cè)的柔性物纏繞，對(duì)水流通過形成了阻礙，使得更多的水流從測(cè)點(diǎn)側(cè)通過，該側(cè)的流量更接近于設(shè)計(jì)流量，流態(tài)變好，壓力脈動(dòng)減小。順?biāo)鞣较?，空間逐漸減小，測(cè)點(diǎn)側(cè)流量增大和空間逐漸減小，使得測(cè)點(diǎn)3在小流量下繼續(xù)降低，而到了測(cè)點(diǎn)4，空間最小處，壓力脈動(dòng)升高；同時(shí)，可以看出，在大流量下，柔性物纏繞后各測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)均增大，這是因?yàn)榇罅髁肯铝鲬B(tài)紊亂，單側(cè)的纏繞使得被測(cè)側(cè)的流量進(jìn)一步增大，增加了擾動(dòng)，使得壓力脈動(dòng)均增大，測(cè)點(diǎn)1 和測(cè)點(diǎn)4 處纏繞后的壓力脈動(dòng)峰峰值約為纏繞前的200%；各測(cè)點(diǎn)在大流量下壓力脈動(dòng)峰峰值均增大，可以作為柔性物纏繞判斷的依據(jù)之一。整體看，纏繞后，對(duì)吸水室測(cè)點(diǎn)4的影響更加明顯。

圖5 不同流量運(yùn)行工況下雙吸式離心泵纏繞前后吸水室壓力脈動(dòng)峰峰值Fig.5 Peak-peak value of pressure fluctuation in suction chamber of the double-suction centrifugal pump with and without flexible material winding under different flow rate conditions

2.2 雙吸式離心泵柔性物纏繞前后壓水室壓力脈動(dòng)分析

圖6為設(shè)計(jì)流量工況雙吸式離心泵纏繞前后壓水室各測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)時(shí)域圖，由圖6 可以看出，測(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)6 和測(cè)點(diǎn)8 在柔性物纏繞后，壓力脈動(dòng)稍稍增大，而測(cè)點(diǎn)7 在柔性物纏繞后，壓力脈動(dòng)減小明顯，為了分析其原因，對(duì)測(cè)點(diǎn)7 進(jìn)行頻域分析，如圖7 所示，測(cè)點(diǎn)7 處在纏繞前壓力脈動(dòng)測(cè)試過程中，有一明顯高頻（500 Hz 附近），當(dāng)纏繞后測(cè)試時(shí)，高頻消失，使得兩者比較，纏繞后的壓力脈動(dòng)較纏繞前小很多，高頻產(chǎn)生的原因需要進(jìn)一步研究。

圖6 設(shè)計(jì)流量工況下雙吸式離心泵纏繞前后壓水室壓力脈動(dòng)時(shí)域圖Fig.6 Time domain diagram of pressure fluctuation in volute chamber of the double-suction centrifugal pump with and without flexible material winding under design flow rate condition

圖7 測(cè)點(diǎn)7設(shè)計(jì)流量工況下雙吸式離心泵纏繞前后壓水室壓力脈動(dòng)頻域圖Fig.7 Frequency domain diagram of pressure fluctuation in P7 of the double-suction centrifugal pump with and without flexible material winding under design flow rate condition

圖8為不同流量運(yùn)行工況下雙吸式離心泵纏繞前后壓水室各測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)峰峰值。由圖8可以看出，測(cè)點(diǎn)5和測(cè)點(diǎn)6在小流量、設(shè)計(jì)流量和大流量下，柔性物纏繞后壓力脈動(dòng)峰峰值均增大，這是由于單側(cè)纏繞后，兩側(cè)進(jìn)水不均勻，經(jīng)葉輪混合后進(jìn)入壓水室，進(jìn)水不均勻?qū)е聣核椅闪鞒潭仍黾樱蕢毫γ}動(dòng)增大；測(cè)點(diǎn)7在設(shè)計(jì)流量下纏繞前壓力脈動(dòng)較大，原因?yàn)橐陨戏治龅母哳l產(chǎn)生，但在大流量下，纏繞后的壓力脈動(dòng)峰峰值增加明顯；測(cè)點(diǎn)8處在小流量和設(shè)計(jì)流量下纏繞后壓力脈動(dòng)增加，在大流量下壓力脈動(dòng)減小，整體變化不明顯，這是因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)8在水泵近出口漸擴(kuò)管上，漸擴(kuò)作用進(jìn)一步弱化了壓水室不穩(wěn)定流態(tài) 的影響，故影響較小。整體看，柔性物纏繞后，對(duì)壓水室頂部的測(cè)點(diǎn)6影響更加明顯，在大流量下比未纏繞增大至200%。

圖8 不同流量運(yùn)行工況下雙吸式離心泵纏繞前后吸水室壓力脈動(dòng)峰峰值Fig.8 Peak-peak value of pressure fluctuation in volute chamber of the double-suction centrifugal pump with and without flexible material winding under different flow rate conditions

3 結(jié) 論

采用實(shí)驗(yàn)方法研究了不同流量運(yùn)行工況下雙吸式離心泵柔性物纏繞前后壓力脈動(dòng)特性，結(jié)果表明：由于雙吸式離心泵吸水室半螺旋結(jié)構(gòu)，單側(cè)柔性物繞后，在小流量和設(shè)計(jì)流量下，另一側(cè)的壓力脈動(dòng)的變化與位置有關(guān)，靠近吸水室隔舌位置處壓力脈動(dòng)增大，遠(yuǎn)離吸水室隔舌位置處壓力脈動(dòng)減?。辉诖罅髁肯?，柔性物纏繞后吸水室壓力脈動(dòng)增大；柔性物纏繞對(duì)壓水室頂部影響明顯，對(duì)壓水室擴(kuò)散管影響不明顯，在大小和設(shè)計(jì)流量運(yùn)行工況下，壓水室頂部壓力脈動(dòng)均增大，在大流量下比未纏繞增大至200%。本文可為灌溉泵站運(yùn)行的故障診斷提供提供參考和啟示，具有一定的理論和工程實(shí)用意義。 □