零流量工况下立式离心泵振动特性试验研究

乐育生, 李力, 刘功亮, 王志远, 朱劲木

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节水灌溉
节水灌溉 ›› 2024 ›› (12) : 80-86. DOI: 10.12396/jsgg.2024225
灌溉工程与装备

零流量工况下立式离心泵振动特性试验研究

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Experimental Study on Vibration Characteristics of a Vertical Centrifugal Pump Under Zero Flow Condition

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摘要

离心泵在启动时一般为关阀启动，即为零流量工况。立式离心泵在长距离调水和大型灌溉工程中应用日益广泛。为探究立式离心泵零流量工况下振动特性，在水泵底座布置了1个三向振动传感器，在水泵进、出口法兰盘顶部各布置1个轴向振动传感器以及在水泵出口管道顶部布置1个压力脉动传感器，测试了零流量工况下额定转速（1.0 nr）以及1.2 nr、0.8 nr、0.6 nr、0.4 nr等5个不同转速下的水泵振动和压力脉动。结果表明：零流量工况下立式离心泵进口轴向、出口轴向和底座轴向上的振动均较大；升速至1.2倍额定转速，底座轴向上的振动强度增至额定转速振动强度的1.6倍，降速至0.8倍额定转速，振动强度降至额定转速振动强度的1/4倍，降低转速启动，能大幅度降低水泵的振动强度；叶片频率是水泵进口、出口和底座轴向方向振动的主要频率，压力脉动是零流量工况下立式离心泵振动的一个重要激励源。研究结果可为同类大型立式离心泵的设计以及泵站建成后的运行管理提供参考。

Abstract

The centrifugal pump is generally started with the valve closed when starting, that is, zero flow condition. Vertical centrifugal pumps are widely used in long-distance water transfer and large-scale irrigation projects. In order to investigate the vibration characteristics of a vertical centrifugal pump under zero flow condition, a three-direction vibration sensor is arranged on the base of the pump; an axial vibration sensor is arranged on the top of the inlet and outlet flanges of the pump; a pressure fluctuation sensor is arranged on the top of the outlet pipe of the pump. The vibration and pressure fluctuation of the pump at rated speed (1.0 nr), 1.2 nr, 0.8 nr, 0.6 nr and 0.4 nr were tested. The results show that: the inlet axial, outlet axial and base axial vibration of the vertical centrifugal pump are larger under zero flow condition. When the speed is increased to 1.2 times of the rated speed, the vibration strength of the base axis is increased to 1.6 times of that at the rated speed, and when the speed is reduced to 0.8 times of the rated speed, the vibration strength is reduced to 1/4 times of that at the rated speed. When the speed is reduced, the vibration strength of the pump can be greatly reduced. Blade frequency is the main frequency of pump inlet, outlet and base axial vibration, and pressure fluctuation is an important excitation source for vibration of vertical centrifugal pump under zero flow condition. This paper can provide reference for the design of similar large vertical centrifugal pump and the operation management of the pump station after completion.

关键词

立式离心泵 / 零流量工况 / 大范围变速 / 振动特性 / 压力脉动

Key words

vertical centrifugal pump / zero flow condition / wide range of speed regulation / vibration / pressure fluctuation

基金

湖北省自然科学基金项目（面上）(2022CFB305)
珠江三角洲水资源配置工程课题研究(ZSJ-XMKT-2022-0006)
武汉大学实验技术项目(WHU-2023-SYJS-0021)

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乐育生 , 李力 , 刘功亮 , 王志远 , 朱劲木. 零流量工况下立式离心泵振动特性试验研究[J].节水灌溉, 2024(12): 80-86 https://doi.org/10.12396/jsgg.2024225
LE Yu-sheng , LI Li , LIU Gong-liang , WANG Zhi-yuan , ZHU Jin-mu. Experimental Study on Vibration Characteristics of a Vertical Centrifugal Pump Under Zero Flow Condition[J].Water Saving Irrigation, 2024(12): 80-86 https://doi.org/10.12396/jsgg.2024225

0 引 言

立式离心泵由于其流量大、扬程高的特点，近年来广泛应用于长距离调水和大型灌溉工程中，有效缓解了水资源分布不均和农业灌溉用水问题[1]。随着水泵单机功率不断攀升，其面临的运行稳定性更加突出[2]。振动是衡量泵站运行稳定性的重要指标之一，一直备受关注，国内外学者通过大量的实验对水泵振动特性进行了研究。张宁等[3, 4]对侧壁式离心泵不同运行工况振动特性进行了实验研究，结果表明，非设计工况下，泵内容易出现非稳态流动结构，造成泵的振动能量不断上升。庞熙等[5]分析了不同叶片角度和流量下立式轴流泵在马鞍区的振动特性。胡芳芳等[6]釆用实验测试技术对泵在各个工况下的压力脉动、振动和噪声进行了测试分析，结果表明叶片通过频率是低频压力脉动和振动的主频。唐晓晨等[7]研究表明轴系平行不对中会引起转子系统较大的径向振动，其频率主要表现为2倍的转频特征。杨佳钦等[8]研究了轴流泵在叶轮和泵壳间隙不足情况下运行的振动特性。KHALIFA A E等[9, 10]通过实验研究了双蜗壳离心泵叶频脉动及诱导振动，结果表明振动在不同的运行工况下能很好地反应泵内的压力脉动特征。RODRIGUEZ等[11]通过实验研究了水泵水轮机内动静干涉作用引起的振动激励频率，分析了同一叶轮在不同导叶下的振动特性。
虽然国内的专家学者对水力机械振动问题做了很多的研究工作，由于其物理机理复杂，目前对该问题的研究还不够完善。研究多集中在设计工况以及非设计工况的小流量工况或大流量工况，对零流量工况研究较少，而对于关阀启动的离心泵，零流量工况为启动所经历的工况，因此，有必要对零流量工况下离心泵的振动特性进行研究。本文针对立式离心泵开展零流量工况下的振动和压力脉动试验，并对试验结果进行分析。

1 试验材料与方法

1.1 试验装置

试验装置如图1所示，由立式单级单吸离心泵机组、进水有机玻璃管、出水不锈钢管、稳压罐、水池以及测量仪器设备等组成，装置中安装有2台同型号立式离心泵机组，为并联结构，2台水泵的出水管并联至一根管道。本试验中，选择2号水泵机组进行试验，在2号水泵机组的出水不锈钢管上，安装有出水阀，通过关闭出水阀，使水泵处于零流量工况。水泵的振动和压力脉动分别由布设在水泵上的振动加速度传感器和压力变动器测量，振动加速度传感器、压力变送器均通过信号线接入水泵机组数据采集与分析系统进行数据采集。试验所用的立式单级单吸离心泵主要参数如表1所示。
图1 试验台结构示意图
注：1-离心泵机组；2-水池；3-进水管；4-进水阀；5-出水管；6-出水阀；7-稳压罐；8-传感器。

Fig.1 Schematic of the experimental setup

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表1 试验泵主要参数

Tab.1 Test pump main parameter

型号 额定流量/(m3•h-1) 额定扬程/m 额定转速/(r•min-1) 比转速 叶片数/个
KQH100-125A 89 16 2 960 212 6

1.2 试验设计

为测得零流量工况下的振动和压力脉动，如图2所示，在水泵底座布设1个三向传感器，水泵进、出口连线方向为X向，水平垂直于水泵进、出口连线的方向为Y向，垂直方向（轴向方向）为Z向，在水泵进口和出口法兰顶端均安装1个单向传感器，方向为垂直方向（轴向方向）。水泵的压力脉动由布设在靠近水泵出口的不锈钢管上的压力变送器测量，压力变送器安装于管道断面顶部。试验中通过调节变频器的供电频率来控制电动机的转速，从而调节水泵运行转速。本试验以额定转速nr为基础，设置1.2 nr、1.0 nr、0.8 nr、0.6 nr、0.4 nr的5个试验转速。试验时，关闭出水阀，使水泵处于零流量工况，调节变频器频率，使水泵转速至额定转速，即nr=2 960 r/min，测量额定转速零流量工况下的水泵振动和压力脉动。分别改变转速至1.2 nr、0.8 nr、0.6 nr、0.4 nr，重复前面的测量步骤。
图2 试验泵及传感器布置
注：1-底座振动传感器；2-进口振动传感器；3-出口振动传感器；4-压力变送器。

Fig.2 Test pump and mounted sensors

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1.3 数据采集与处理

数据信号采集时，振动采样频率设定为2 560 Hz，压力脉动采样频率设定为2 000 Hz，采样时间设定为10 s[12, 13]。数据采集完成后，对数据进行处理和分析。对振动信号进行时域分析和频域分析，对压力脉动进行频域分析，时域分析采用95%置信的峰-峰分析方法[14]；频域分析对数据点加矩形窗进行快速傅里叶变换（FFT），分析频域内主要频率组成及其幅值大小及变化。

2 试验结果与分析

2.1 额定转速振动特性分析

水泵启动通常为“一步法”，水泵充满水后，关闭出水闸阀，启动水泵，待水泵到达额定转速后，再开启出水闸阀，完成水泵启动。因此，水泵在启动过程中，机组在运行至额定转速待出水闸阀打开前，这段时间的流量为零流量。图3为额定转速下零流量工况不同测点振动时域图，可以看出，水泵底座Z方向（轴向方向）、水泵进口轴向方向、水泵出口轴向方向振动均较大，水泵底座X方向（水泵进、出口连线方向，径向方向）较上述3个方向的振动强度稍有降低，而水泵底座Y方向（水平垂直于水泵进、出口连线的方向，径向方向）振动降低明显。由于立式离心泵泵轴垂直，轴向方向振动较大，主要受到水力激振和机械振动的影响，而水泵底座X方向和Y方向的振动主要为水力激振产生，水泵底座X方向为水泵进出口方向，受水泵进口来流冲击和出流紊流影响较大，故其振动较水泵底座Y方向偏大。轴向方向振动加速度大于径向方向加速度，与文献[15]的研究结果一致。图4为置信度为95%的振动峰峰值对振动加速度进行表征，可以看出，3个轴向方向中，水泵进口轴向振动加速度最大，达到5.769 m/s2，水泵出口轴向振动加速强度稍小，当振动传递到基座后，进一步减小，为5.276 m/s2，3者均较水泵底座X和底座Y的振动偏大，水泵X方向的振动值为3.739 m/s2，为水泵Z方向的1/1.4，水泵底座Y的振动仅为1.335 m/s2，仅为水泵底座Z方向的1/4。因此，对于立式离心泵，应重点关注轴向振动，其次需关注水泵进、出口连线方向上的振动。为了进一步分析振动的影响因素，对采集信号进行了快速傅里叶变换（FFT）。图5为额定转速下零流量工况不同测点振动频域图，对于水泵底座X和Y方向，主频振幅较小，均在0.2 m/s2以下，转频（49.50 Hz）相对明显，水泵底座X方向转频达到0.14 m/s2。水泵底座Z方向未见明显转频，但叶频（296.8 Hz）明显，达到0.23 m/s2，叶频主要由水力激振引起。同时，发现主频为304.20 Hz，频率较叶频稍大，主频幅值达到了0.79 m/s2，在水泵进口和出口轴向方向，主频同样为304.20 Hz，认为可能为机械振动产生，其产生原因有待进一步深入研究。在水泵进口和出口轴向方向上，叶频和转频较明显，在水泵进口轴向方向上叶频为次主频，达到0.33 m/s2。水力激振主要来自于汽蚀、旋涡、非均相来流、动静干涉等。
图3 额定转速不同测点振动时域图

Fig.3 Time domain of vibration at different measuring points at rated speed

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图4 额定转速不同测点振动峰峰值

Fig.4 Peak-to-peak value of vibration at different measuring points at rated speed

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图5 额定转速不同测点振动频域

Fig.5 Frequency domain of vibration at different measuring points at rated speed

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2.2 不同转速振动特性分析

为了减小关阀启动带来了机组振动或对出水闸阀的冲击，在大型立式离心泵机组启动过程中有的采用了“二步法”，即当1台或2台泵组正在运行，需要启动第2台或第3台泵组投入运行时，压力钢管总出水管中存在压力P 1，泵组需经过闭阀造压过程，将出水闸阀靠水泵侧的压力升至P 2，当P 2大于P 1时，方可开启阀门过水，防止发生水流倒流而造成事故[16]。因此，水泵除在额定转速下关阀运行外，还会在其他转速下关阀运行。图6为不同转速下零流量工况水泵底座Z方向振动时域图，可以看出，由额定转速升至1.2倍额定转速，振动强度有所增加，而由额定转速降至0.8倍额定转速，水泵底座Z方向振动强度降低明显，再降至0.6倍额定转速、0.4倍额定转速，振动强度均有所下降。图7为置信度为95%的振动峰峰值对振动加速度进行表征，可以看出，由额定转速升至1.2倍额定转速，峰峰值增加至额定转速峰峰值的1.6倍，增加明显，故关阀启动零流量工况下的转速不宜超过额定转速。由额定转速降至0.8倍额定转速，峰峰值降至额定转速峰峰值的1/4，降低明显，再降低至0.6倍额定转速时约为1/6，降低至0.4倍额定转速时为1/9，故降低转速启动，能大幅度降低水泵的振动强度，同时可以看出，振动随转速的变化，并不满足比例律换算，这是因为水泵振动的激励源不仅有水力激振，还有机械激励。图8为不同转速下零流量工况水泵底座Z方向振动频域图，可以看出，由额定转速升至1.2倍额定转速时，叶频由0.23 m/s2升至0.80 m/s2，增加3.5倍，因此水力激振是由额定转速增加转速后振动增强的一个主要原因。在0.8倍额定转速下，主频为叶频（238.5 Hz）的2倍频（477.0 Hz）,主频幅值已经降低至0.15 m/s2，叶频幅值仅为0.09 m/s2。因此，水力激振大幅度降低为振动强度降低的原因之一。此外，可以看到，由额定转速降低至0.8倍、0.6倍和0.4倍额定转速后，类似于额定转速主频（304.20 Hz）的频率已不明显或消失，因此，机械振动的大幅度降低是振动强度降低的另一个主要原因。
图6 不同转速水泵底座Z方向振动时域图

Fig.6 Time domain of Z direction vibration at pump base at different speed

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图7 不同转速水泵底座Z方向振动峰峰值

Fig.7 Peak-to-peak value of Z direction vibration at pump base at different speed

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图8 不同转速水泵底座Z方向振动频域

Fig.8 Frequency domain of Z direction vibration at pump base at different speed

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2.3 振动与压力脉动关联分析

泵内水力激振诱发泵系统振动，包括旋转失速、动静干涉、回流、脱流、二次流和涡流等，其中动静干涉效应是最常见的水力机械水力激振源之一，动静干涉会引起特定的压力脉动，是叶轮出口流动不均匀（“射流-尾迹”）和压水室结构不对称共同作用的结果，其产生的压力脉动频率通常为叶频以及其倍频[17]。图9为水泵底座Z方向振动与水泵出口压力脉动的比较，可以看出，水泵出口压力脉动主频为转频，次主频为叶频，叶频压力脉动主要产生于压水室的隔舌区域，具有向上游衰减快，向下游衰减慢的特点[2]。由于试验条件限制，本试验并未开展水泵压水室压力脉动的测试，待后续深入研究。但从水泵出口压力脉动结果可以看出，有明显的叶片频率，因此，水泵底座Z方向次主频为叶片频率，主要是由于压力脉动产生，图10和图11为水泵进口和出口振动与水泵出口压力脉动的比较，同样可以看到叶片频率为振动频率的主要频率，主要源自于压力脉动。因此，压力脉动是零工况立式离心泵轴向方向振动的一个重要激励源。
图9 水泵底座Z方向振动与水泵出口压力脉动比较

Fig.9 Comparison between Z direction vibration at pump base and pressure fluctuation at pump outlet

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图10 水泵进口振动与水泵出口压力脉动比较

Fig.10 Comparison between vibration at pump inlet and pressure fluctuation at pump outlet

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图11 水泵出口振动与水泵出口压力脉动比较

Fig.11 Comparison between vibration at pump outlet and pressure fluctuation at pump outlet

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3 结 论

（1）零流量工况下立式离心泵进口轴向、出口轴向和底座轴向上的振动均较大；底座X方向（水泵进、出口连线的方向）上的振动强度为底座轴向上振动强度的1/1.4；底座Y方向（水平垂直于水泵进、出口连线的方向）上的振动较小，仅为底座轴向上振动强度的1/4。
（2）零流量工况不同转速下，立式离心泵振动强度变化
明显，升速至1.2倍额定转速，振动强度增至额定转速振动强度的1.6倍；降速至0.8倍额定转速，振动强度降至额定转速振动强度的1/4倍，降低明显，因此，降低转速启动，能大幅度降低水泵的振动强度。
（3）零流量工况下立式离心泵叶片频率压力脉动与轴向方向振动的主要频率（叶片频率）相对应，因此，压力脉动是零流量工况立式离心泵轴向方向振动的一个重要激励源。

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