離心泵內空泡演化與其對振動的影響

葉陽輝 朱相源 孫光普 李國君

(西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室， 西安 710049)

離心泵內空泡演化與其對振動的影響

葉陽輝 朱相源 孫光普 李國君

(西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室， 西安 710049)

對不同流量下離心泵內穩(wěn)態(tài)及旋轉空化進行了可視化研究，獲得了不同汽蝕余量下空泡團形態(tài)，同時對泵體振動進行了測量，分析了泵體振動與空泡團形態(tài)之間的關系。試驗結果表明：壓力面上發(fā)生空化將加劇振動，尤其是發(fā)生超空化后更加顯著。多數情況下吸力面上空泡團較薄，且吸力面發(fā)生空化對振動影響相對壓力面較小。旋轉空化發(fā)生后振動減弱，處于正對位置的流道內空泡團形態(tài)基本相同，空泡團脫落頻率約為27 Hz，壓力面出現穩(wěn)定空化后振動開始回升。

離心泵； 振動； 旋轉空化； 可視化

引言

空化會導致離心泵水力性能下降、過流部件損壞、振動和噪聲等一系列問題[1]。此外，空化還會使離心泵在小流量下更容易出現不穩(wěn)定性，包括旋轉空化和空化喘振等，導致壓力和流量的周期性振蕩?？张輬F形態(tài)對離心泵水力性能、汽蝕、振動噪聲及小流量下不穩(wěn)定現象起著決定性的作用。雖然數值模擬被大量應用于水力機械內空化流動的預測，但由于汽液兩相密度差較大、空泡潰滅異常劇烈且湍流-空化相互作用極為復雜，適用于空化流動的高精度數值方法仍有待開發(fā)?？梢暬茄芯靠栈鲃有螒B(tài)變化和驗證數值方法最直接和有效的手段。

在小流量下誘導輪和離心泵內都容易出現旋轉空化現象，該現象是各流道內空化流動相互作用的結果。起初隨著空化數的降低各流道內空泡團尺度同步增大，當空泡團尺度增大到一定程度時個別流道內空泡團發(fā)生分離脫落從而堵塞該流道，使得下個流道的流量增大、攻角減小從而使空泡團尺度減小，在各流道空化流動相互作用下，最終每個流道內空泡團都不斷經歷增大、脫落和消失的周期性變化過程，且相鄰流道相位不同，該現象即為旋轉空化。不少學者對此進行了研究[2-7]。

對離心泵振動信號進行分析是判斷空化發(fā)展程度的有效手段[8-10]。王勇等[11]測試了不同流量下離心泵內空化誘導振動，高波等[12]對離心泵內空化誘導低頻振動進行了試驗研究，而蒲道林[13]的試驗研究結果表明4～8 kHz為離心泵內空化誘導振動的敏感頻段。FRIEDRICHS等[5]并未就空化尤其是旋轉空化對泵體振動的影響進行研究，本文在其工作的基礎上對離心泵內空化流動進行可視化研究，同時對泵體振動進行測量，分析泵體振動與空泡團形態(tài)之間的關系，為通過振動判斷離心泵內空化發(fā)展程度及減小空化誘導振動提供基礎。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置和試驗泵

試驗在離心泵閉式試驗臺上完成，水從汽蝕罐流入試驗泵，經穩(wěn)壓罐流回汽蝕罐，通過與汽蝕罐相連的真空泵降低泵進口壓力。流量通過電動調節(jié)閥控制、使用電磁流量計測量，轉矩和轉速使用扭矩傳感器測量，振動使用壓電式單向加速度傳感器測量，可用頻率范圍為0.5～5 000 Hz。泵出口壓力使用絕對壓力傳感器測量，量程為0～0.5 MPa，精度等級為0.5級，泵進口壓力使用動態(tài)壓力傳感器測量，量程為0～0.12 MPa，精度等級為0.5級。溫度使用熱電阻數顯溫度傳感器測量，量程為0～100℃。高速攝像機使用德國Mikrotron公司的Eosens mini-2，在30萬像素下能達到4 500幀/s的拍攝速率，最大分辨率為1 696像素×1 710像素。

試驗泵主要設計參數為：流量Qd=25 m3/h，揚程Hd=15 m，轉速n=2 500 r/min，比轉數ns=135。蝸殼使用透明有機玻璃加工，試驗過程中由蝸殼右側垂直于蝸殼進行拍攝(圖 1)，可拍攝到葉片進口到出口的完整流道區(qū)域。為便于觀測離心泵內空化流動，設計了具有較大汽蝕余量的葉輪，其結構與FRIEDRICHS等[5]使用的葉輪結構類似(圖 2)，同樣采用頭部為半圓形的圓柱形葉片。葉輪幾何參數：葉片入口直徑D1=100 mm、葉輪出口直徑D2=170 mm、葉輪出口寬度b2=6 mm、葉片數Z=6、葉片入口角β1=22°、葉片出口角β2=18°、葉片包角φ=90°。為了保證小流量下葉輪出口周向均勻性[14]，使發(fā)生旋轉空化時葉輪內流場基本不受隔舌的影響，葉輪出口直徑較蝸殼基圓直徑小115 mm，即等效于FRIEDRICHS等[5]使用的無葉擴壓器。葉輪后蓋板和葉片的材料為6065鋁合金，數控加工完成后噴上黑色漆以便對空泡進行拍攝。前蓋板為聚碳酸酯(PC)塑料，具有高透明度和強度，使用高強度膠將前蓋板與葉片粘合，此外，前蓋板上開設6個直徑5 mm的小凹槽與葉片上相應的凸臺契合。為減小間隙泄漏的影響，未設置平衡孔及后口環(huán)，前口環(huán)使用迷宮型密封結構，口環(huán)間隙為0.3 mm。

圖1 試驗泵及可視化拍攝角度Fig.1 Test pump and shooting angle

圖2 葉輪實物圖Fig.2 Photograph of impeller

1.2 試驗方法

試驗開始前向試驗系統灌注水后靜置3 d，使水中大氣核充分溢出。試驗泵通過變頻柜變頻啟動，逐漸增加至額定轉速，選擇0.6Qd、0.7Qd、0.8Qd、0.9Qd、Qd、1.1Qd和1.2Qd7個流量工況進行性能試驗，然后選擇0.6Qd、0.8Qd、Qd和1.2Qd4個流量工況進行空化試驗?？栈囼灂r通過真空泵抽氣降低泵進口壓力，每個工況點都待運行穩(wěn)定后采集記錄泵的進口靜壓、揚程、效率和振動等信號，采樣頻率為15 kHz，記錄時間為1 min(后處理時外特性數據取該1 min內的平均值)，與此同時拍攝記錄空泡團形態(tài)。試驗初隨著進口壓力降低揚程略微上升，該階段泵進口壓力每下降10 kPa測量一個工況點，當揚程開始下降或發(fā)生旋轉空化后減小壓降值，并通過調節(jié)電動閥開度使流量保持不變，在臨界汽蝕余量附近盡量多測幾個工況點，直到電動調節(jié)閥完全打開為止。對每個流量重復以上步驟，整個試驗過程中水溫上升約1℃，滿足汽蝕試驗要求。對以上4個流量下試驗測量過程再重復進行2次，確保試驗結論的可重復性。

通過試驗可視化觀察可見，發(fā)生旋轉空化時每個流道內空泡團形態(tài)與正對面流道基本相同，通過對泵進口壓力進行快速傅里葉變換可以獲得空泡團脫落頻率。采集安裝于蝸殼和軸承側面的2個加速度傳感器信號來測量水平方向的振動(圖 3)，取測量結果的均方根T來表征振動的強度[11]，公式為

式中Xi——信號的測量值N——采樣數

圖3 加速度傳感器安裝位置Fig.3 Mounting for acceleration sensors

2 試驗結果與分析

2.1 水力及空化性能試驗

首先對離心泵進行了水力性能試驗，所得的揚程H和效率η隨流量Q變化曲線如圖4所示。由圖4可見最高效率點在0.9Qd附近，大流量下效率下降較快，主要原因是大流量下隔舌后部流動分離顯著、流動損失較大。

圖4 試驗泵水力性能曲線Fig.4 Performance curves of test pump

圖5 不同流量下空化性能曲線Fig.5 Cavitation performance curves at different flow rates

圖5為試驗泵在不同流量下空化性能曲線，橫坐標為對數坐標，實心三角形為小流量下旋轉空化發(fā)生區(qū)間。各流量下起初隨著汽蝕余量降低都出現小范圍的附著空化而改善了過流條件[15-16]，揚程隨之略微增大。在1.2Qd下由于空化主要集中在壓力面上，揚程很快開始下降，并在汽蝕余量為6.7 m時達到臨界汽蝕余量點(揚程下降3%)，其余3個流量在到達臨界汽蝕余量點之前空化主要集中在吸力面上，臨界汽蝕余量相對1.2Qd下顯著減小。在0.8Qd和0.6Qd下發(fā)生旋轉空化，旋轉空化發(fā)生后揚程開始緩慢下降，在旋轉空化結束階段揚程略微回升，該揚程變化過程與HOFMANN等[17]的試驗結果一致。試驗過程中平均溫度約為19℃，下面分別詳細介紹穩(wěn)態(tài)空化和旋轉空化下空泡團長度和泵體振動隨汽蝕余量的變化情況。

2.2 穩(wěn)態(tài)空化下空泡演化及振動特性

圖6為1.2Qd下不同汽蝕余量時空泡團形態(tài)，本文中空泡團長度為空泡團起止點間的直線距離，如圖 6d所示。圖 7為空泡團長度Lcav和振動隨汽蝕余量變化的情況，頂部橫坐標為相應的空化數σ。由圖9可見，隨著汽蝕余量的降低，壓力面空泡團長度起初緩慢增長，超空泡出現后其增長加快，且壓力面空泡團長度與超空泡長度之差幾乎不變，而吸力面空泡團長度始終緩慢增長且較薄。空化較嚴重時(圖6c、6d)由于流道變窄流速升高，在吸力面末端會出現少量空泡。在葉片頭部成核區(qū)附近距離葉片約1.5 mm處不時有空泡產生，隨著空泡向下游流動與葉片的距離逐漸增大，形成斷斷續(xù)續(xù)的空泡層。該空泡層是由空泡篩選效應[18]導致的：大氣核在垂直于流線方向的壓力梯度作用下向遠離葉片方向運動。由于空泡團始終集中在壓力面，振動變化較為簡單，隨著汽蝕余量降低振動單調增大，出現超空泡后振動增幅提升。起初軸承處振動比蝸殼處大，而蝸殼處振動上升得更快，在最后2個工況點蝸殼處振動更大。

圖6 1.2Qd下不同汽蝕余量時空泡團形態(tài)Fig.6 Cavity structures under different NPSH at 1.2Qd

圖7 1.2Qd下振動和Lcav隨汽蝕余量的變化Fig.7 Variations of vibration and cavity lengths with NPSH at 1.2Qd

圖 8為額定流量下不同汽蝕余量時空泡團形態(tài)，圖 9為空泡團長度和振動隨汽蝕余量變化情況，空心三角形表示空泡團時有時無。由圖9可見,隨著汽蝕余量的降低，吸力面空泡團長度穩(wěn)定增長且仍然較薄，壓力面剛出現空化時并不穩(wěn)定存在，其后壓力面空泡團長度和超空泡長度的增速逐漸增大。振動起初緩慢增大，汽蝕余量降到約9 m后振動減小并幾乎保持不變，當壓力面上出現空化后振動開始增大，尤其是發(fā)生超空化后振動顯著增大，蝸殼處振動的增幅同樣較軸承處大。

圖8 額定流量下不同汽蝕余量時空泡團形態(tài)Fig.8 Cavity structures under different NPSH at Qd

圖9 額定流量下振動和Lcav隨汽蝕余量變化Fig.9 Variations of vibration and cavity lengths with NPSH at Qd

2.3 旋轉空化下空泡演化及振動特性

圖10 0.8Qd下振動和Lcav隨汽蝕余量的變化Fig.10 Variations of vibration and cavity lengths with NPSH at 0.8Qd

圖12 0.8Qd下汽蝕余量為3.34 m時一個周期內空泡團形態(tài)變化Fig.12 Evolution of cavity structure during one period when NPSH was 3.34 m at 0.8Qd

圖10為0.8Qd下空泡團長度和振動隨汽蝕余量變化情況，在旋轉空化區(qū)間內吸力面空泡團長度包括最大和最小長度。旋轉空化發(fā)生后吸力面空泡團的最大長度先快速增大后基本不變，而最小長度則先基本不變后快速增大，空泡團仍然較薄，脫落的空泡團尺度較小。在旋轉空化末期當吸力面空泡團延伸至流道喉部時將阻塞部分流道，使得該流道的壓力面附近流速較大而發(fā)生空化，故該階段壓力面上空泡團時有時無?？栈^為嚴重時壓力面附近由空泡篩選效應導致的空泡層較為顯著，不過該空泡層仍然時有時無。汽蝕余量為3.34 m時泵進口壓力脈動頻譜見圖11，該工況點位于旋轉空化區(qū)間內，其中在軸頻(41.7 Hz)及2倍軸頻處存在峰值[19-20]，該頻率是由葉輪偏心導致的，另一峰值為27.6 Hz，旋轉空化區(qū)間內其余工況的頻譜圖也在27 Hz附近存在峰值，該頻率即為空泡團脫落頻率，由此可見空泡團脫落周期約為葉輪旋轉周期的1.5倍。汽蝕余量為3.34 m時某時刻及葉輪旋轉180°、360°和540°后的空泡團形態(tài)見圖12，由于處于正對位置的流道內空泡團形態(tài)基本相同，該圖可視為某流道一個周期內空泡團形態(tài)變化。葉輪旋轉540°后與初始時刻空泡團形態(tài)基本相同，從可視化角度驗證了空泡團脫落周期約為葉輪旋轉周期1.5倍的結論。起初隨著汽蝕余量的降低振動緩慢增大，直到發(fā)生旋轉空化后開始減小，當壓力面發(fā)生空化后振動回升，且出現超空化后增速加快，在最后一個工 況點又快速減小，主要原因是在該工況點泵的進口壓力及揚程都很低，空泡潰滅處壓力較低使得空泡潰滅過程較緩和。前述1.2Qd和額定流量下若汽蝕余量進一步減小也應會出現振動減弱的情況。

圖11 0.8Qd下汽蝕余量為3.34 m時泵進口壓力脈動頻譜Fig.11 FFT of inlet pressure when NPSH was 3.34 m at 0.8Qd

圖13為0.6Qd下空泡團長度和振動隨汽蝕余量變化的情況，汽蝕余量為4.37 m時某時刻及葉輪旋轉180°、360°和540°后的空泡團形態(tài)見圖 14，由該圖可較明顯地看出空泡團生長和脫落的過程。旋轉空化發(fā)生后吸力面空泡團的最大與最小長度之差逐漸增大，脫落的空泡團尺度不斷增大，隨著旋轉空化加劇，該差值逐漸減小，脫落的空泡團尺度也減小。與0.8Qd相比壓力面上空泡團時有時無的情況出現得較早且持續(xù)時間較長。最后一個工況點(汽蝕余量為1.76 m)空化極為嚴重，葉輪前蓋板前方充滿空泡使得該工況點難以看清葉輪內空泡團形態(tài)。在旋轉空化區(qū)間對進口壓力進行快速傅里葉變

圖13 0.6Qd下振動和Lcav隨汽蝕余量的變化Fig.13 Variations of vibration and cavity lengths with NPSH at 0.6Qd

圖14 0.6Qd下汽蝕余量為4.37 m時一個周期內空泡團形態(tài)變化Fig.14 Evolution of cavity structure during one period when NPSH was 4.37 m at 0.6Qd

換得到旋轉空化周期同樣約為27 Hz。振動變化的趨勢與0.8Qd下大體相同，起初隨著汽蝕余量的降低振動緩慢增大，發(fā)生旋轉空化后開始減小，而壓力面出現空化后振動開始增大，在最后一個工況點又突然減小。不同的是0.6Qd下的振動在汽蝕余量為3 m附近時存在一個極大值點，重復測量得到相同結論，這是脫落的大尺度空泡團移動至喉部時阻塞流道導致的。

FRIEDRICHS等[5]的試驗結果表明不同流量下旋轉空化初生點的空化數σI,Rot與進口攻角αA之比非常接近。表1列出了旋轉空化初生空化數及其后 振動極大值點空化數σT,vib與進口攻角之比。由表可見0.6Qd和0.8Qd下σI,Rot/(2αA)所在區(qū)間部分重合，其值較為接近，σT,vib/(2αA)所在區(qū)間基本重合，其值在8附近。

表1 旋轉空化初生及振動強度轉折區(qū)間

3 結論

(1) 壓力面上發(fā)生空化后振動加劇，尤其是發(fā)生超空化后更加顯著。而吸力面發(fā)生空化對振動影響較為復雜，總體而言其影響相對壓力面較小。

(2) 旋轉空化發(fā)生后揚程下降、振動減弱，處于正對位置的流道內空泡團形態(tài)基本相同，壓力面出現穩(wěn)定空化即旋轉空化結束后振動開始回升，當揚程極小時振動驟降。在0.6Qd下若有大空泡團脫落阻塞喉部會使振動增強。

(3) 在0.6Qd和0.8Qd下，旋轉空化初生點的空化數與進口攻角之比相近，且振動轉折點的空化數與進口攻角之比也相近，發(fā)生旋轉空化時空泡團脫落頻率均約為27 Hz。

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Evolution of Cavitation Bubbles and Its Influence on Vibration in Centrifugal Pump

YE Yanghui ZHU Xiangyuan SUN Guangpu LI Guojun

(KeyLaboratoryofThermo-FluidScienceandEngineering,MinistryofEducation,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China)

Visual analysis illustrated the steady and rotating cavitation in a centrifugal pump at different flow rates. The cavity structures under different NPSH were captured and the cavity lengths, including the supercavity length were obtained. The corresponding vibrations of the volute and bearing were measured by using acceleration sensors. The influences of the cavity structures on the vibrations were analyzed. Experimental results showed that the vibration was increased when the cavitation occurred at the pressure side, especially when the supercavitation occurred. The cavitation at the suction side was usually thin and its influence on the vibration was relatively small. The growth rate of the cavity length at the pressure side was increased after the appearance of supercavitation. At the flow rates of 0.6Qdand 0.8Qd, the vibration turned from increase to decrease soon after the rotating cavitation appeared, and the ratios of the cavitation number to attack angle at the turning point were close to each other. And then the vibration was increased again when the stable cavitation occurred at the pressure side, and finally it was decreased sharply when the pump head was extremely small. Besides, the vibration was increased when large shedding cavities blocked the flow channel. During the rotating cavitation, the cavity structures in the opposite channels were similar to each other, and the cloud shedding frequency was around 27 Hz according to visual observations and the fast Fourier transform of inlet pressure fluctuations.

centrifugal pump; vibration; rotating cavitation; visualization

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.011

2016-09-06

2016-11-16

國家自然科學基金項目(51076126)

葉陽輝(1987—)，男，博士生，主要從事空化試驗與數值模擬研究，E-mail: steven.stef@stu.xjtu.edu.cn

李國君(1963—)，男，教授，博士生導師，主要從事流體機械優(yōu)化設計研究，E-mail: liguojun@mail.xjtu.edu.cn

TH311

A

1000-1298(2017)06-0088-06