雙吸式離心泵壓力脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究

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(cè)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(guò)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(guò)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(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)。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(guò)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(guò)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(cè)試設(shè)備等組成。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)出水閘閥來(lái)改變流量；流量由電磁流量計(jì)測(cè)量，壓力脈動(dòng)由布置在水泵上的壓力變送器測(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。

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(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，其中，吸水室布置測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)5，壓水室布置測(cè)點(diǎn)6～測(cè)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(cè)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(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域圖，可以看出，吸水室各測(cè)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(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2位于吸水室下半部分，在0≤Q≤0.25Qn和Q=1.25Qn時(shí)，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2壓力脈動(dòng)的主頻為葉片頻率；測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4和測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)主頻幅值，可以看出，吸水室各測(cè)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(shì)。在零流量下，各測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)主頻幅值均較大；在0.25Qn≤Q≤0.75Qn，除測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5在0.5Qn時(shí)主頻幅值增大外，其他各測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)主頻幅值均減小，在0.75Qn時(shí)各測(cè)點(diǎn)主頻幅值最小，說(shuō)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)影響最小；水泵流量增大至1.25Qn時(shí)，各測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域圖，可以看出，壓水室各測(cè)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(cè)點(diǎn)7的壓力脈動(dòng)主頻為轉(zhuǎn)頻，這是因?yàn)樵诖罅髁肯拢~輪與隔舌動(dòng)靜干涉?zhèn)鞑ブ翜y(cè)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(cè)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(cè)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(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)主頻幅值，可以看出，測(cè)點(diǎn)6位于隔舌附近蝸殼段上，測(cè)點(diǎn)9位于隔舌附近擴(kuò)散管段上，且距離隔舌均較近，測(cè)點(diǎn)6和測(cè)點(diǎn)9的主頻幅值變化規(guī)律相似，測(cè)點(diǎn)7和測(cè)點(diǎn)8距離隔舌較遠(yuǎn)，測(cè)點(diǎn)7和測(cè)點(diǎn)8的主頻幅值變化規(guī)律相似，由于壓水室各測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)主頻基本為葉片頻率，由此說(shuō)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(cè)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(yǔ)

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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