变转速工况下离心泵蜗舌处压力波动的试验研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)浙江师范大学 作者:蔡建程

  对某一单吸离心泵在变转速工况下蜗舌处的压力波动进行了测量与分析。该离心泵的叶轮为半开式叶轮并具有背叶片,它由原叶轮车削后得到,从而使得叶轮出口离蜗舌距离较大。结果显示:随着转速的提高,离心泵的流量及效率线性增大,而扬程以二次曲线形式增加。该离心泵蜗舌附近的压力波动频谱以叶轮转动频率整数倍的离散分量为主,特别是叶片通过频率及其二次谐波。最大波动分量的幅度占参考动压ρv22/2(v2为叶轮出口周向速度) 的0.5% 左右。随着转速的增大,压力波动的增加速度比转速提高速度快,且宽频波动幅度的提高比离散分量显著。另外,频谱分量中存在叶轮转动频率非整数倍的离散分量,以及与转速无关而取决于流体系统固有振动特性的离散分量。

  1、引言

  离心泵在运行的过程中,其内部的流动为复杂的三维非定常流动。旋转叶片和静止部件互相干扰所产生的压力脉动,是影响泵运行特性的重要因素,它引起系统及设备的振动及噪声,严重时甚至造成系统设备的破坏。对于单个叶轮的离心泵,因为蜗壳型线中蜗舌离叶轮出口最近,所以两者之间的动静干涉在蜗舌区最为严重。因此,蜗舌部位通常是离心泵内诱发振动噪声的主要激励源,是泵噪声的研究热点。离心泵内部的压力波动一方面为机壳及管道振动的水动力激励:它们激励起结构振动并引发声辐射,即流动诱发振动。相关研究可参考文献。另一方面,内部压力波动是引发水动噪声的偶极子源。随着计算流体动力学( CFD) 技术的迅速发展,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为用数值模拟的方法来预测偶极子声源的强度成为了可能,如文献的研究。

  要研究离心泵的振动噪声问题,首先需要对泵内的压力波动有比较清楚的认识。作为离心泵振动噪声及水动噪声研究的第一步,本文试图用试验方法研究某一离心泵在变转速工况下蜗舌附近压力波动的特点。

  2、试验离心泵

  试验离心泵型号为Goulds MTX 3196,由美国ITT 公司生产,其叶轮为半开式叶轮如图1 所示,有5 个主叶和5 个背叶。背叶的主要功用是通过把叶轮背部的流体泵出以降低盘侧的压力,从而减少盖侧和盘侧之间的压差以达到减少叶轮的轴向推力的目的。叶轮的外径d2 = 0. 195m,它由原始叶轮( 外径0.254m) 切削后而得到,使得蜗舌间隙与叶轮外径之比为0.347,大于文献[8]中的推荐值0.10 ~ 0.15。图2 为该离心泵的螺旋式蜗壳( 又称压水室) ,图中数字1,2,3代表测量蜗舌附近压力波动的传感器所在位置。

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图1 叶轮正面及背面

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图2 蜗壳( 压水室)

  离心泵的性能及内部压力波动测量试验台如图3 所示。

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图3 离心泵试验台示意

  试验时以水为工质,离心泵通过管道吸入来自水箱中的水,又通过排水管送回水箱中。离心泵的转速通过变频器调节,转速由手持式转速测量仪测得。离心泵的流量Q由流量计测得,出口静压由压力表测得,进口静压由U型管测得,动压由流量以及进出口管直径换算成流速而得到。泵的扬程H由进出口总压之差得到,离心泵的输入功率P由电机的输入电压、电流以及电机效率相乘得到。泵效率的计算式为:

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  微型压力传感器由蜗壳外部伸入并与蜗壳内壁平齐,以探测蜗舌附近壁面的压力波动。传感器产生的模拟电信号通过电缆输送到采集卡并转换成数字信号,再输送到计算机中存储。试验时,采样频率设为20kHz,采样时间为10s。

  4、结论

  (1) 离心泵的流量及效率随着转速的提高而线性增大,而压头则以二次曲线的形式增加;

  (2) 该离心泵蜗舌附近的压力波动以离散分量为主,且主要频率分量分布在低于4 倍叶片通过频率之内。压力波动的最大幅度约为参考动压头ρv22/2(v2为叶轮出口周向速度) 的0.5%左右;

  (3) 随着转速的提高,宽频分量的提高幅度大于离散分量。定量分析表明,压力波动幅度的增强速度大于转速提高速度;

  (4) 压力波动频谱图中存在非旋转频率整数倍的分量,这可能归因于主叶与背叶的相互干涉。测量系统内的流体作为一个振动系统,会产生与转速无关的响应频谱分量。

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