變轉速工況下離心泵蝸舌處壓力波動(dòng)的試驗研究

　　對某一單吸離心泵在變轉速工況下蝸舌處的壓力波動(dòng)進(jìn)行了測量與分析。該離心泵的葉輪為半開(kāi)式葉輪并具有背葉片，它由原葉輪車(chē)削后得到，從而使得葉輪出口離蝸舌距離較大。結果顯示：隨著(zhù)轉速的提高，離心泵的流量及效率線(xiàn)性增大，而揚程以二次曲線(xiàn)形式增加。該離心泵蝸舌附近的壓力波動(dòng)頻譜以葉輪轉動(dòng)頻率整數倍的離散分量為主，特別是葉片通過(guò)頻率及其二次諧波。最大波動(dòng)分量的幅度占參考動(dòng)壓ρv22/2(v2為葉輪出口周向速度) 的0.5% 左右。隨著(zhù)轉速的增大，壓力波動(dòng)的增加速度比轉速提高速度快，且寬頻波動(dòng)幅度的提高比離散分量顯著(zhù)。另外，頻譜分量中存在葉輪轉動(dòng)頻率非整數倍的離散分量，以及與轉速無(wú)關(guān)而取決于流體系統固有振動(dòng)特性的離散分量。

　　1、引言

　　離心泵在運行的過(guò)程中，其內部的流動(dòng)為復雜的三維非定常流動(dòng)。旋轉葉片和靜止部件互相干擾所產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)，是影響泵運行特性的重要因素，它引起系統及設備的振動(dòng)及噪聲，嚴重時(shí)甚至造成系統設備的破壞。對于單個(gè)葉輪的離心泵，因為蝸殼型線(xiàn)中蝸舌離葉輪出口最近，所以?xún)烧咧�間的動(dòng)靜干涉在蝸舌區最為嚴重。因此，蝸舌部位通常是離心泵內誘發(fā)振動(dòng)噪聲的主要激勵源，是泵噪聲的研究熱點(diǎn)。離心泵內部的壓力波動(dòng)一方面為機殼及管道振動(dòng)的水動(dòng)力激勵：它們激勵起結構振動(dòng)并引發(fā)聲輻射，即流動(dòng)誘發(fā)振動(dòng)。相關(guān)研究可參考文獻。另一方面，內部壓力波動(dòng)是引發(fā)水動(dòng)噪聲的偶極子源。隨著(zhù)計算流體動(dòng)力學(xué)( CFD) 技術(shù)的迅速發(fā)展，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為用數值模擬的方法來(lái)預測偶極子聲源的強度成為了可能，如文獻的研究。

　　要研究離心泵的振動(dòng)噪聲問(wèn)題，首先需要對泵內的壓力波動(dòng)有比較清楚的認識。作為離心泵振動(dòng)噪聲及水動(dòng)噪聲研究的第一步，本文試圖用試驗方法研究某一離心泵在變轉速工況下蝸舌附近壓力波動(dòng)的特點(diǎn)。

　　2、試驗離心泵

　　試驗離心泵型號為Goulds MTX 3196，由美國ITT 公司生產(chǎn)，其葉輪為半開(kāi)式葉輪如圖1 所示，有5 個(gè)主葉和5 個(gè)背葉。背葉的主要功用是通過(guò)把葉輪背部的流體泵出以降低盤(pán)側的壓力，從而減少蓋側和盤(pán)側之間的壓差以達到減少葉輪的軸向推力的目的。葉輪的外徑d2 = 0. 195m，它由原始葉輪( 外徑0.254m) 切削后而得到，使得蝸舌間隙與葉輪外徑之比為0.347，大于文獻[8]中的推薦值0.10 ～ 0.15。圖2 為該離心泵的螺旋式蝸殼( 又稱(chēng)壓水室) ，圖中數字1，2，3代表測量蝸舌附近壓力波動(dòng)的傳感器所在位置。

圖1 葉輪正面及背面

圖2 蝸殼( 壓水室)

　　離心泵的性能及內部壓力波動(dòng)測量試驗臺如圖3 所示。

圖3 離心泵試驗臺示意

　　試驗時(shí)以水為工質(zhì)，離心泵通過(guò)管道吸入來(lái)自水箱中的水，又通過(guò)排水管送回水箱中。離心泵的轉速通過(guò)變頻器調節，轉速由手持式轉速測量?jì)x測得。離心泵的流量Q由流量計測得，出口靜壓由壓力表測得，進(jìn)口靜壓由U型管測得，動(dòng)壓由流量以及進(jìn)出口管直徑換算成流速而得到。泵的揚程H由進(jìn)出口總壓之差得到，離心泵的輸入功率P由電機的輸入電壓、電流以及電機效率相乘得到。泵效率的計算式為：

　　微型壓力傳感器由蝸殼外部伸入并與蝸殼內壁平齊，以探測蝸舌附近壁面的壓力波動(dòng)。傳感器產(chǎn)生的模擬電信號通過(guò)電纜輸送到采集卡并轉換成數字信號，再輸送到計算機中存儲。試驗時(shí)，采樣頻率設為20kHz，采樣時(shí)間為10s。

　　4、結論

　　(1) 離心泵的流量及效率隨著(zhù)轉速的提高而線(xiàn)性增大，而壓頭則以二次曲線(xiàn)的形式增加；

　　(2) 該離心泵蝸舌附近的壓力波動(dòng)以離散分量為主，且主要頻率分量分布在低于4 倍葉片通過(guò)頻率之內。壓力波動(dòng)的最大幅度約為參考動(dòng)壓頭ρv22/2(v2為葉輪出口周向速度) 的0.5%左右；

　　(3) 隨著(zhù)轉速的提高，寬頻分量的提高幅度大于離散分量。定量分析表明，壓力波動(dòng)幅度的增強速度大于轉速提高速度；

　　(4) 壓力波動(dòng)頻譜圖中存在非旋轉頻率整數倍的分量，這可能歸因于主葉與背葉的相互干涉。測量系統內的流體作為一個(gè)振動(dòng)系統，會(huì )產(chǎn)生與轉速無(wú)關(guān)的響應頻譜分量。