多级离心泵叶轮口环磨损监测方法研究

马 波 朱 俊 张 明

北京化工大学，北京，100029



多级离心泵叶轮口环磨损监测方法研究

马 波 朱 俊 张 明

北京化工大学，北京，100029

采用计算流体动力学理论对多级离心泵整机流场进行了建模,分析了多级离心泵口环间隙对整机流场的影响,得到了多级离心泵效率随口环磨损变化的曲线,引入了轴向振动指标,将效率与轴向振动相结合,提出一种口环磨损量实时监测评估方法。建立了多级离心泵实验台,将实验结果与模拟结果相对比,验证了所提出方法的可行性。通过实验分析了口环磨损故障与叶轮腐蚀以及堵塞故障的特点,排除了叶轮腐蚀及堵塞对口环磨损实时监测的影响,完善了所提出方法。

多级离心泵；口环；磨损；计算流体动力学；可监测性

0 引言

口环作为多级离心泵密封的重要组件，在运行过程中的磨损是不可避免的。工程应用中，对离心泵口环密封的维修采用定期更换的模式。不同离心泵口环的劣化速率不一样，采用定期更换的办法会导致维修过剩或降低生产效率，所以实时监测口环的磨损状况尤其重要[1]。

目前对离心泵口环的研究多集中在对密封结构与性能的优化、口环间隙对转子及口环动力学特性的影响、口环间隙对离心泵整机流场性能的影响等方面[2-4]。对离心泵监测分析的研究多集中于滚动轴承、汽蚀故障等方面[5-7]。对口环磨损量实时监测的研究则十分鲜见。

随着数值计算方法的日趋成熟以及基于计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)商业软件的出现，利用CFD对离心泵进行模拟与研究具有可行性。文献[8]采用CFD分析离心泵压力分布与速度分布，对离心泵结构进行了优化。文献[9]对离心泵关键结构如叶顶间隙、侧壁间隙进行计算，分析其对离心泵性能的影响等。这些研究中，口环间隙比较小且该处流动比较复杂，因此CFD模拟常常忽略口环间隙，导致研究无法考虑口环对离心泵的影响。随着硬件技术的发展，计算机的计算能力大大提升，针对离心泵整机性能的研究开始考虑口环间隙的存在，使分析口环间隙对离心泵整机流场的影响成为可能。赵伟国等[10]利用CFD模拟不同口环间隙对离心泵流场分布的影响，分析了口环间隙对离心泵各性能参数的影响。

本文利用CFD对离心泵进行流场建模，研究分析不同口环间隙下的效率、轴向力等参数的变化规律，建立多级离心泵效率以及轴向力随口环磨损的变化曲线，提出一种基于多参数融合的口环磨损量实时监测评价方法。深入分析了受力不平衡、叶轮流道腐蚀、堵塞故障等对口环磨损量监测的影响，使得对口环磨损量的监测更加准确，解决了实际工程中叶轮口环磨损情况无法实时监测的问题。

1 基于CFD的口环可监测性分析

1.1 CFD理论

构成CFD理论的基础为质量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律，使用三大定律从数学角度描述流体系统的运动，构成了包含连续性方程、动量方程、能量方程的流体动力学基本方程组——Navier-Stokes方程组(N-S方程组)。对机泵流场进行分析时可以不考虑流场能量变化[10]，因此忽略能量方程，N-S方程组可表现为以下形式：

连续性方程

(1)

福克纳是一位思想复杂的作家，他在作品中揭露了美国南方深刻的社会矛盾，谴责奴隶制度的残余势力，同情下层劳动人民的苦难境遇；但也往往充满着对生活失望后的变态心理和精神恐怖症的描写。他还以奥地利心理学家弗洛依德的精神分析学说为依据，采用“意识流”的创作手法，企图通过时序的颠倒、叙述角度的变动和对人物潜在意识活动的推测等来加强作品的艺术效果。这些非现实主义的创作方法对后来的美国文学的发展和演变带来了极大的影响。

(2)

式中，ρ为流体的密度；u为流体流速；μe为湍流黏性系数；下标i，j=x,y，表示x方向和y方向。

动量方程

对多级离心泵流场的湍流运动分析采用标准k-ε双方程湍流模型。标准k-ε模型引入了湍流耗散率ε，能更加真实地描述流动的物理过程。

1.2 多级离心泵流场建模

多级离心泵主要过流部件由入口、吸水室、口环间隙、叶轮、压水室和出口组成。为了分析离心泵整机性能与口环不同间隙之间的规律，需建立多级离心泵整机流场的模型，图1所示为整体建模步骤。本文以7级剖分式离心泵为对象建立模型，该离心泵的1～3级与4～7级的入口方向相反，每个叶轮包含5个叶片。入口直径为150 mm，出口直径为80 mm，口环原始间隙为0.25 mm，如图2所示。

图2 多级离心泵整机流道模型

图3 口环间隙流场模型

口环间隙流场模型如图3所示。为了提高分析精度，对不同的部件采用不同的网格尺寸，以便得到更高的网格质量。采用2 mm网格对尺寸较大的吸水室、压水室、叶轮等部件进行网格划分，采用0.5 mm网格对口环间隙流场进行网格划分。

1.3 口环间隙对性能参数和轴向力影响的建模分析

通过建立不同口环间隙尺寸的多级离心泵流场模型，计算不同模型的性能参数与轴向力大小，得到口环间隙对性能参数与轴向力大小的影响曲线。根据分析需要，设计了3种不同口环间隙尺寸进行建模，口环间隙及分析后的性能参数如表1所示。

表1 性能参数

根据多级离心泵扬程H、功率PN、有效功率PNe、效率η：

(3)

PN=πnTy/30

(4)

PNe=qmHg

(5)

η=PNe/PN

(6)

式中，vo、vi分别为离心泵的出口速度和进口速度；po、pi分别为离心泵的出口压力和进口压力；n为泵的转速；Ty为作用在叶轮上绕y轴的扭矩；qm为质量流量。

3.4.2 直流电源自身具有完善的蓄电池管理功能，可对蓄电池进行充放电管理，能有效延长蓄电池使用寿命，减少站点蓄电池投资和维护费用。

利用折线将各工况点连接，所得曲线如图5所示，随着口环间隙的增大，口环密封泄漏量的增加，导致叶轮前盖板流场分布变化，使得多级离心泵轴向力随之下降。口环磨损为0.9 mm时，轴向力下降率达10.7%，口环磨损对轴向力影响较明显。

将0.25 mm、0.40 mm、0.55 mm、0.95 mm口环间隙下模拟的效率变化值采用二次多项式进行拟合：

y=0.1431x2-0.2609x+0.7768

决定系数R2计算公式如下：

高血压脑出血是高血压的一种严重并发症，具有发病急、病情进展快、病情严重的特点，其致残、致死率均十分高。高血压脑出血患者颅内出现血肿之后，可能导致周围组织出现微循环障碍，引发缺血现象，同时血肿部位产生的凝血酶、炎症因子等物质会引起继发性脑水肿，机体产生的其他神经毒素也会使病情进一步加重[5-6]。因此临床治疗高血压脑出血时，将颅内压有效降低，切除血肿，预防脑疝，促进脑组织恢复，是改善患者病情、提高预后效果的关键。

(7)

1.3.1 口环磨损与效率变化之间的规律分析

2.1.2 口环磨损实验

图4 效率随口环磨损变化曲线

1.3.2 口环磨损与轴向力变化的规律分析

1.2.3 Sanger验证 利用Primer软件对目标位点进行特异引物设计（正向引物序列5，-GAGACTCCCA CTTCTCATACTCATAAAGGGGTGT-3’反向引物序列 5’ -GTCTTTGTCCTCTTTTTCGGCTTTTTC-3’）（引物由华大基因股份有限公司合成），对该患儿基因组DNA进行目标位点及上下游区域进行扩增；扩增产物采用天根通用DNA纯化试剂盒进行纯化；纯化产物用Beckman 8000型DNA测序仪进行测序；测序结果与基因库的ERCC6基因参考序列 (NC-000010.10)进行比对，进一步确认核苷酸变异信息。

建立了如图7所示的多级离心泵故障模拟试验台。 多级离心泵为7级剖分式离心泵，由电机驱动，转速为2980 r/min，介质为水。驱动端轴承为深沟球轴承，轴承箱上安装水平、垂直、轴向加速度传感器。采用的加速度传感器灵敏度为100 mV/g，采样频率为25.6 kHz，采样点数为16 384。非驱动端轴承为角接触球轴承，用以平衡轴向力。轴承箱上同样安装水平、垂直、轴向加速度传感器。在各轴承箱的轴承端盖上安装电涡流传感器测量转子位移振动，采用的电涡流传感器灵敏度为4 V/mm，采样频率为5120 Hz，采样点数为2048。在多级离心泵入口和出口安装压力变送器和流量变送器测量进出口的压力与流量，计算得到多级离心泵的实时有效功率。由于直接测量多级离心泵叶轮扭矩较复杂，因此引入电机电流、电压来计算轴功率：

F=∑F1+∑F2+∑F′

(8)

式中，F为轴向力；∑F1为前盖板受力矢量和；∑F2为后盖板受力矢量和；∑F′为叶轮入口冲击力矢量和。

观察两组患者术后6h、术后12h、术后24h、术后72h认知功能障碍发生率,通过MMES(简易精神状况检测量表)评估患者术后认知情况,满分为30分,若患者低于23分,则为认知功能出现障碍。

上台说题的学生一开始的时候往往很紧张，他们的眼睛总是会不自觉地盯着看老师的反应，却忽视其他学生，所谓的说题往往会演变成说给教师一个人听。这个时候，需要教师从旁边及时给予指导，最好一方面采用幽默的语言缓解“小先生”紧张的心态，另一方面要告诉其他学生，每一个人上台都会紧张，要懂得尊重别人，认真倾听，只有这样，下一次轮到你上台时，才有可能得到别人的尊重。

计算出不同口环间隙下多级离心泵的效率。

图5 轴向力随口环磨损变化图

1.4 口环磨损监测分析方法

由图4、图5可知：当口环磨损导致口环间隙尺寸增大时，多级离心泵效率与轴向力均随之减小，因此采用多级离心泵效率与轴向力参数评估口环磨损量。工程应用中，轴向力无法直接测量，但轴向力的变化可反映在多级离心泵轴向振动上，所以采用多级离心泵效率与轴向振动变化指标来对口环磨损量进行实时监测评估，监测方法如图6所示。

图6 口环监测方法示意图

从图6可以看出，可通过CFD分析计算效率随口环磨损的变化曲线，利用可监测参数(进出口压力、速度、电机电压、电流)计算多级离心泵效率，结合轴向振动和径向振动趋势计算口环磨损量。

2 口环磨损监测方法的验证

为验证所提出方法的可行性，设计建立了多级离心泵故障模拟试验台。该试验台可以模拟口环磨损、叶轮腐蚀、断裂、堵塞、滚动轴承不对中、基座松动等故障。

茶是我国重要的叶用经济作物，茶中类胡萝卜素同其它高等植物一样具有多种生理功能，在其正常生命活动中扮演着极其重要的角色。叶片中类胡萝卜素对茶叶的色泽、香气等方面有着重要作用，与制茶品质息息相关，同时类胡萝卜素也是茶叶中一类重要的生物活性成分，具有众多的生理药理功能。因此，对茶中类胡萝卜素的研究具有重要的理论意义和应用前景。同时，随着茶基因组测序完成，生物工程技术在茶树上应用逐渐成熟，茶类胡萝卜素的研究应用将迈上一个崭新的台阶。

2.1 试验台装置及口环磨损实验

一般来说，我会把日常生活安排得很惬意：早上6点在我最喜欢的咖啡馆喝一杯拿铁，和助手见面，回复邮件。上午10点左右去游泳，吃一顿早午饭，小睡一会儿，然后就去拍照。晚上和朋友在河边抽着雪茄结束一天的生活。

2.1.1 试验台介绍及轴功率测量方法

口环密封流场所连接的流场为叶轮前盖板侧隙流场。口环磨损导致口环间隙增大，使得叶轮前盖板侧隙流场泄漏增加，压力分布改变，导致前后盖板压差改变，影响多级离心泵轴向力。轴向力的计算公式为

(9)

式中， U为线电压；I为线电流；cosα为功率因数；Δ为电机效率。

图7 多级离心泵试验台概貌图

由式(7)可计算出拟合曲线决定系数R2=0.9989，非常接近于1，故效率随口环磨损变化曲线符合所拟合的二次多项式，拟合结果如图4所示。随着口环间隙的增大，多级离心泵效率下降且下降趋势逐渐变缓。

实验所用离心泵间隙密封正常间隙为0.25 mm，同时，通过加工去除壳静密封环内表面0.3 mm、0.7 mm来模拟口环间隙为0.55 mm和0.95 mm的工况。安装不同间隙的口环部件，分别测量多级离心泵各监测参数值，计算得到不同口环间隙下的效率与轴向振动，如图8、图9所示。

图8 不同口环间隙效率趋势图

图9 不同口环间隙轴向振动趋势图

2.2 口环磨损实验结果及分析

不同口环间隙尺寸下的效率与轴向振动加速度如表2所示。根据不同口环间隙实验的效率，绘制出效率随口环间隙变化的曲线。由于效率随口环磨损变化曲线比较符合二次多项式，故对实验值采用二次多项式进行拟合，拟合曲线如图10所示。

表2 不同口环间隙尺寸效率与轴向振动加速度

图10 实验与模拟效率曲线对比图

轴向力通过非驱动端的角接触球轴承平衡，故轴向力的变化会反映在非驱动端轴承轴向测点振动加速度的峰值上。由不同口环间隙下的非驱动端轴承轴向测点加速度的峰值可知，随着口环间隙的增大，轴向加速度的峰值随之减小。

由口环磨损实验结果可以看出，模拟结果与实验结果相近，基于CFD分析的效率及轴向力随口环磨损变化模拟结果符合要求。利用效率与轴向力诊断口环磨损故障，利用效率随口环磨损曲线以及实时监测到的多级离心泵效率参数反推口环磨损量，从而得到口环的磨损情况，实现口环磨损实时监测。

(1)企业应加强诚信建设，勇担企业社会责任，树立良好的企业形象。通过增强企业实力，为获得良好的融资提供坚实的基础，拓宽融资途径，吸引直接融资，如利用企业债券、基金等，实现多渠道的融资，特别要善于利用好民间资本，既减少社会上的闲置资金，又支持了旅游业的发展。

2.3 故障区分试验及方法研究

效率是诊断口环磨损故障的重要指标，实际工程应用中，影响多级离心泵效率的因素除了口环磨损，还包括叶轮腐蚀、叶轮堵塞。为排除叶轮腐蚀与叶轮堵塞的影响，本文进行了叶轮腐蚀与堵塞故障模拟试验。

2.3.1 叶轮腐蚀试验

如图11所示，在叶轮叶片上制造腐蚀坑，模拟叶轮流道腐蚀故障。将叶轮腐蚀故障下的多级离心泵效率和径向振动位移与正常工况下的值进行比较，结果如图12所示，发现叶轮轻微腐蚀对多级离心泵效率影响有限，试验中的腐蚀程度还不能对效率造成影响。但在这种腐蚀程度下，腐蚀造成的不平衡使得径向振动位移有所增大。

会计电算化课程现有的评价方式，以总结性评价为主。这种评价方式，虽能够在一定程度上反映学生的学习状况[4]，但却无法反映学生的学习态度，以及日常知识掌握水平。形成性评价，属于教学评价方式中较为新颖的一种。由教师借助互联网，为学生的日常学习态度、作业完成情况进行评分，能够使学生的学习质量更加全面的体现在教学评价结果之中。将形成性评价与总结性评价相结合，将会为学生日常学习积极性的提高，起到一定的推动作用。

图12 叶轮腐蚀与正常工况径向振动趋势对比图

2.3.2 叶片断裂试验

叶片腐蚀发展到严重的时候就会产生叶片断裂，如图13所示，在叶片入口处割掉一块叶片，模拟叶片断裂故障。将叶片断裂故障下的效率、振动位移与正常工况以及叶片腐蚀故障下的效率、振动位移进行对比。从图14可以看出，叶轮叶片断裂时，较正常工况效率下降较小，但径向振动位移比叶片轻微腐蚀时的还大。

吸引一批文化工作者、黄河文化演艺人员、手工艺者扎根黄河景区，提升景区文化活力；吸引旅游经营和管理类人才、创新型人才进行旅游创业，完善本地居民参与黄河全域旅游的发展机制；培养一批景区专业讲解人员；目的地建设还要本着全域生态优先的原则，保护旅游生态环境，推动全域旅游可持续发展。

图13 叶片断裂故障模拟

图14 叶片断裂、腐蚀与正常工况径向振动趋势对比图

图15 叶轮堵塞故障模拟

图16 叶轮堵塞与正常工况径向振动趋势对比图

2.3.3 叶轮堵塞试验

如图15所示，利用布条堵塞模拟叶轮堵塞故障，测量多级离心泵在堵塞故障下的效率与径向振动位移。从图16可以看出，叶轮在堵塞故障时，径向振动位移大幅度上升。

一春诗社苦拘束，恨不快挹西山鬟。 偶从胜寺历图卷，青松红杏田盘间。 适来陈侯选春话，院有古木青孱颜。 丁香一树纪遗迹，寸碣未立枝空攀。 海棠方盛插檐隙，花茵坐拟神仙班。 ……相思三五隔城阙，玉珂听罢鸣铜鐶。 天风吹堕衍波纸，故人常望明河湾。[9]

2.3.4 结果分析与区分方法

（二）新课改下的小学科学课程有更强的趣味性，实用性与灵活性。为能更好激起学生爱科学、学科学的学习自动性，使他们在运用所学技能解决实际问题的学习过程中，锻炼探索创新的思维能力。新的小学科学课程内容更贴近日常生活，符合小学生需要和兴趣的科学内容。另外引导并提倡教师采用利于发展小学生研究能力的灵活多变的教学模式，使学生能在情感，知识，能力三方面全方位发展。

各工况效率如表3所示，可以看出，叶轮腐蚀与叶轮堵塞除了影响多级离心泵效率，还使得多级离心泵转子不平衡量增大，导致径向振动位移的幅值上升。叶轮腐蚀较轻微时，对效率影响较小，但对径向振动的影响很大，因此叶轮腐蚀程度在不平衡指标上的反映要强于在效率指标上的反映。故在诊断多级离心泵口环磨损故障时，可引入径向振动位移，排除叶轮腐蚀与叶轮堵塞故障的影响，使口环磨损故障诊断及实时监测口环磨损量的准确性更高，监测方法流程如图17所示。

表3 各工况效率对比

图17 口环磨损监测方法流程图

3 结论

(1)本文利用CFD理论对多级离心泵进行了整机建模，计算不同口环间隙下多级离心泵的效率和轴向力，建立效率及轴向力随口环磨损变化的曲线。建立了多级离心泵故障模拟试验台，验证了效率随口环磨损变化曲线的可靠性。轴向力变化体现在轴向振动，通过测量不同口环间隙下轴向振动的大小，验证了通过轴向振动诊断口环磨损的可行性，提出了一种基于效率与轴向振动的监测方法。根据口环磨损变化曲线反推口环磨损状况，实现口环磨损量的实时监测。

(2)叶轮腐蚀与堵塞都会引起性能效率下降，本文通过试验验证了叶轮腐蚀与叶轮堵塞对效率和转子径向振动位移的影响，通过径向振动位移可区分叶轮腐蚀、堵塞与口环磨损故障，提高了口环磨损故障诊断及磨损量实时监测的准确性。

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(编辑 张 洋)

Monitoring Method Analysis of Multistage Centrifugal Pump Seal Ring Wear

Ma Bo Zhu Jun Zhang Ming

Beijing University of Chemical Technology, Beijing, 100029

A flow field model of multi-stage centrifugal pump was created to analyes the effects of multi-stage centrifugal pump seal ring gap on the flow field based on CFD theory, and a curve of centrifugal pump efficiency with the wear of the seal ring was established. A method of monitoring and assessing seal ring wear was proposed based on the centrifugal pump efficiency and the axial vibration. A multi-stage centrifugal pump test bench was established, the feasibility of the proposed method was verified with the comparison of experiments and simulations. Characteristics of ring wear, corrosion, and impeller blockage were analyzed by experiments. The method was improved by excluding the effects of impeller corrosion and blockage on seal ring wear monitor.

multistage centrifugal pump；seal ring；wear；computational fluid dynamics (CFD)；monitoring

2015-09-11

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2014AA041806)；国家自然科学基金资助项目(51305020)

TH165.3；O241

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.21.012

马 波，男，1977年生。北京化工大学机电工程学院副研究员。主要研究方向为设备故障诊断机理与诊断方法智能化。发表论文27篇。朱 俊，男，1991年生。北京化工大学机电工程学院硕士研究生。张 明，男，1988年生。北京化工大学机电工程学院博士研究生。