變頻調(diào)速對(duì)離心泵振動(dòng)的影響研究

張德滿，俞　健，邱浩然，尚　進(jìn)（. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北　武漢 430064；. 武漢理工大學(xué)，湖北　武漢 430063）

變頻調(diào)速對(duì)離心泵振動(dòng)的影響研究

張德滿1，俞健1，邱浩然2，尚進(jìn)1
（1. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北武漢 430064；2. 武漢理工大學(xué)，湖北武漢 430063）

作為動(dòng)力源機(jī)械，離心泵廣泛應(yīng)用于流體管路系統(tǒng)中。為了滿足不同工況下系統(tǒng)對(duì)離心泵流量的需求，可以采用節(jié)流閥或變頻器對(duì)離心泵流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。試驗(yàn)測(cè)試了節(jié)流調(diào)速和變頻調(diào)速時(shí)離心泵出口振動(dòng)，分析了離心泵出口振動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)離心泵出口振動(dòng)具有比較明顯的低頻線譜，且線譜頻率與電機(jī)和泵的轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)。對(duì) 2種流量調(diào)節(jié)方法下離心泵出口振動(dòng)振級(jí)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)變頻調(diào)速時(shí)離心泵出口振動(dòng)更小，因此通過變頻調(diào)速，可以降低離心泵出口振動(dòng)。

離心泵；振動(dòng)；變頻

0　引　言

離心泵作為一種動(dòng)力源，廣泛應(yīng)用于液態(tài)介質(zhì)傳輸管路系統(tǒng)中。作為一種轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械，其工作時(shí)不可避免的產(chǎn)生振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響泵本身以及管路系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性［1 - 3］。

在復(fù)雜的管路系統(tǒng)中，不同工況時(shí)，系統(tǒng)對(duì)離心泵的流量需求可能有較大的變化，為解決此問題，傳統(tǒng)的方法是給管路系統(tǒng)配置能夠滿足系統(tǒng)最大流量和揚(yáng)程的泵，當(dāng)系統(tǒng)的流量需求降低時(shí)，通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)離心泵的輸出流量，以滿足管路系統(tǒng)的流量需求。該方法的缺點(diǎn)是，離心泵功率冗余會(huì)隨系統(tǒng)流量需求降低而升高，容易導(dǎo)致離心泵和管路系統(tǒng)的振動(dòng)大幅增加。

變頻技術(shù)是一種通過交流轉(zhuǎn)直流再轉(zhuǎn)交流的方法，改變電源頻率的技術(shù)，該技術(shù)可以通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率來改變離心泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到改變其輸出流量的目的。本文將通過試驗(yàn)的方法，詳細(xì)研究離心泵振動(dòng)的特點(diǎn)，并通過對(duì)比的方法，分析節(jié)流調(diào)速與變頻調(diào)速對(duì)離心泵性能和振動(dòng)的影響。

1　試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用離心泵的額定功率為 60 kW，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，額定流量為 180 m3/h。圖 1 為離心泵試驗(yàn)臺(tái)架示意圖，為降低流量調(diào)節(jié)閥節(jié)流噪聲對(duì)離心泵測(cè)試的影響，流量調(diào)節(jié)閥與離心泵之間的管路長(zhǎng)度大于10 m，且由減振接管隔開。

如圖 1 所示，因離心泵出口振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)管路影響較大，將加速度傳感器布置于離心泵的出口處上方，以該點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)表示離心泵的振動(dòng)情況［4 - 5］。采用節(jié)流閥對(duì)離心泵進(jìn)行調(diào)速時(shí)，變頻器給電機(jī)供 50 Hz 的交流電；采用變頻器對(duì)離心泵進(jìn)行調(diào)速時(shí)，流量調(diào)節(jié)閥處于全開狀態(tài)。離心泵前后的減振接管可以有效隔離試驗(yàn)管路與離心泵之間的振動(dòng)傳遞，減小管路中水激振動(dòng)對(duì)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的影響。

圖 1　離心泵試驗(yàn)臺(tái)架示意圖Fig. 1　Schematic diagram of centrifugal pump test bench

2　不同調(diào)速方法對(duì)離心泵性能的影響

2.1基本特性

對(duì)于同一臺(tái)離心泵，采用節(jié)流閥調(diào)節(jié)其輸出流量時(shí)，隨著調(diào)節(jié)閥開度不同，泵的功率基本不變。采用變頻調(diào)速時(shí)，離心泵的流量 Q、揚(yáng)程 H、功率 P 與泵轉(zhuǎn)速 n 之間存在以下關(guān)系：

由式（1）可知，在不考慮離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)效率變化的情況下，離心泵的流量與轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系。由式（2）可知，同樣在不考慮運(yùn)轉(zhuǎn)效率變化的情況下，離心泵的揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方呈線性關(guān)系。

2.2不同調(diào)速方法對(duì)離心泵揚(yáng)程的影響分析

圖 2 為采用流量調(diào)節(jié)閥調(diào)速時(shí)，試驗(yàn)測(cè)得離心泵流量與揚(yáng)程之間的變化曲線。流量調(diào)節(jié)閥全開時(shí)離心泵出口流量為 180 m3/h，揚(yáng)程為 66 m。隨著流量調(diào)節(jié)閥開度變小，離心泵流量逐漸減小，泵的揚(yáng)程隨之增大。當(dāng)離心泵出口流量減小到 90 m3/h 時(shí)，其揚(yáng)程升高到了 86 m。

圖 3 為采用變頻調(diào)速時(shí)，試驗(yàn)測(cè)得離心泵流量與揚(yáng)程之間的變化曲線。變頻器給電機(jī)供 50 Hz 的交流電時(shí)，離心泵出口流量為 180 m3/h，揚(yáng)程為 66 m。隨著電流頻率降低，離心泵流量逐漸減小，其揚(yáng)程隨之變低，變化規(guī)律基本與公式（2）相符。當(dāng)電流頻率降低到 25 Hz 時(shí)，離心泵流量減小為 78 m3/h，揚(yáng)程降為22 m。

圖 2　節(jié)流調(diào)速時(shí)揚(yáng)程隨流量變化曲線Fig. 2　The change of head with the flow rate when the throttle is adjustable

圖 3　變頻調(diào)速時(shí)揚(yáng)程隨流量變化曲線Fig. 3　The change of head with the flow rate when the frequency is adjustable

對(duì)于特定的管路系統(tǒng)，當(dāng)其輸送的液體流量增加后，管路內(nèi)液體流速也隨之提高，液體在管路內(nèi)受到的沿程阻力與局部阻力之和△P 由式（3）表示。

由式（3）可知，管路系統(tǒng)中其他阻力不變時(shí)，隨著流速的增加，液體在管路系統(tǒng)中所受到的阻力因呈升高趨勢(shì)，此規(guī)律與圖 3 所示的曲線規(guī)律相符合，因此采用變頻調(diào)速時(shí)離心泵的揚(yáng)程與流量之間的變化規(guī)律更符合特定管路系統(tǒng)的實(shí)際需求。

3　不同調(diào)速方法對(duì)離心泵振動(dòng)的影響

3.1變頻調(diào)速對(duì)振動(dòng)頻率的影響分析

由于低頻振動(dòng)相對(duì)難以控制，因此在對(duì)離心泵進(jìn)行減振設(shè)計(jì)時(shí)，更多關(guān)心其低頻振動(dòng)。電機(jī)用電頻率為 50 Hz 時(shí)，電機(jī)和泵的轉(zhuǎn)速都為 50 r/s，測(cè)得離心泵出口振動(dòng)的低頻頻譜如圖 4 所示，低頻線譜非常明顯，這些線譜的基頻為 50 Hz，與電機(jī)和泵的轉(zhuǎn)速相同，其余都為 50 Hz 的倍頻，因此離心泵振動(dòng)的低頻線譜主要由電機(jī)和泵轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生。離心泵采用變頻調(diào)速時(shí)，是通過降低電機(jī)和泵轉(zhuǎn)速的方法來降低離心泵的流量，這必然會(huì)導(dǎo)致離心泵振動(dòng)的低頻線譜向更低頻移動(dòng)。因此，在針對(duì)采用變頻調(diào)速的離心泵進(jìn)行減振設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮上述現(xiàn)象。

圖 4　離心泵出口振動(dòng)頻譜Fig. 4　Vibration spectrum of the outlet of centrifugal pump

3.2變頻調(diào)速與節(jié)流調(diào)速對(duì)振動(dòng)分析

圖 5 為試驗(yàn)測(cè)得采用流量調(diào)節(jié)閥調(diào)速時(shí)，定頻離心泵出口振動(dòng)隨流速的變化曲線。隨著泵的流量的增加，泵出口振動(dòng)幅度介于 146～149 dB 之間，變化幅度較小。在此過程中，泵的功率基本無變化，因此使用節(jié)流調(diào)速時(shí)，離心泵的出口振動(dòng)與泵的功率相關(guān)，變化幅度很小。

圖 5　節(jié)流調(diào)速時(shí)流速與振動(dòng)變化曲線Fig. 5　Curve of velocity and vibration when the throttle is adjustable

圖 6 為試驗(yàn)測(cè)得變頻調(diào)速時(shí)離心泵出口振動(dòng)隨流速的變化曲線。電機(jī)用電頻率為 50 Hz 時(shí)，離心泵出口流量為 180 m3/h，離心泵出口處振動(dòng)為 149 dB。離心泵出口振動(dòng)隨流速降低先迅速降低后緩慢降低，振動(dòng)開始基本以線性降低，隨流速進(jìn)一步降低，振動(dòng)下降緩慢的原因是，離心泵轉(zhuǎn)速偏離額定轉(zhuǎn)速太大時(shí)，離心泵運(yùn)行效率降低，有部分能量轉(zhuǎn)換成了振動(dòng)［6 - 8］。因此用于變頻調(diào)速的離心泵在其設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分兼顧其低轉(zhuǎn)速時(shí)的運(yùn)行效率。

圖 6　變頻調(diào)速時(shí)流速與振動(dòng)變化曲線Fig. 6　Curve of velocity and vibration when the frequency is adjustable

比較圖 6 與圖 5 可以發(fā)現(xiàn)，在高流速時(shí)，離心泵出口振級(jí)相差不大。隨著離心泵出口流量降低，采用變頻調(diào)速的離心泵出口振級(jí)明顯比采用流量調(diào)節(jié)閥調(diào)速時(shí)小很多，離心泵流速降到額定流速的 45% 時(shí)（約80 m3/h），兩者振級(jí)相差 13 dB。

4　結(jié)　語(yǔ)

通過對(duì)不同調(diào)速方法下離心泵出口振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量和對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：

1）相對(duì)于節(jié)流調(diào)速，采用變頻調(diào)速時(shí)，離心泵流量升高，其揚(yáng)程隨之提高，該變化趨勢(shì)更符合特定管路系統(tǒng)的實(shí)際需求。

2）離心泵振動(dòng)信號(hào)的低頻部分具有明顯的與轉(zhuǎn)速呈倍數(shù)關(guān)系的線譜。采用變頻調(diào)速時(shí)，離心泵的低頻線譜會(huì)向更低頻移動(dòng)。

3）用于變頻調(diào)速的離心泵在其設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分兼顧其低轉(zhuǎn)速時(shí)的運(yùn)行效率，以進(jìn)一步降低離心泵低速運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)幅度。

4）相對(duì)于節(jié)流調(diào)速，變頻調(diào)速時(shí)離心泵出口振動(dòng)有較大幅度的降低，流量調(diào)低幅度越大，振動(dòng)降低幅度越大，試驗(yàn)測(cè)量的離心泵流量降到額定流量的 45%時(shí)，使用變頻調(diào)速的振動(dòng)比使用節(jié)流調(diào)速的振動(dòng)低13 dB。

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Research on the influence of centrifugal pump vibration under different speed-adjustable method

ZHANG De-man1，YU Jian1，QIU Hao-ran2，SHANG Jin1
（1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China；2. Wuhan University of Technoligy，Wuhan 430063，China）

Centrifugal pump is widely used in fluid pipeline system as a power source machinery，in order to meet the flow needs of system for centrifugal pump in different conditions，throttle valve or electric converter can be used to adjust the flow of centrifugal pump. The characteristics of the vibration of the centrifugal pump were analyzed，which indicates that obvious low frequency spectrum of the vibration of the centrifugal pump can be detected，and the frequency of the spectrum was closely related with the speed of the pump and motor. The vibration level about outlet of the centrifugal pump in two kinds of flow control methods was compared，The results shows that the vibration on the centrifugal pump under electric converter control is smaller. Therefore，the frequency control can reduce the vibration of centrifugal pump.

centrifugal pump；vibration；frequency conversion

U270；TB53

A

1672 - 7619（2016）08 - 0072 - 04

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2016.08.015

2015 - 12 - 31；

2016 - 04 - 28

張德滿（1983 - ），男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榇跋到y(tǒng)設(shè)計(jì)。