双吸式离心泵压力脉动实验研究

王志远，李鹏辉，黄汉生

(武汉大学水利水电学院，武汉 430072)

0 引 言

双吸式离心泵广泛应用在跨流域调水、农业灌溉和城市供水等领域。压力脉动是影响水泵机组稳定运行的主要因素之一，引起机组部件的振动、甚至是损坏[1]。现阶段，实验测试是研究离心泵压力脉动特性的主要手段。Iino等[2]分析了离心泵叶轮和导叶相互作用的产生的压力脉动，认为流量和叶片以及导叶角度是引起脉动的主要原因。AE Khalifa等[3]对双蜗壳离心泵进行了研究，结果表明叶轮与蜗壳隔舌之间的径向间隙设计不当会在蜗壳隔舌附近引起强烈的压力脉动。Kaupert等[4,5]通过实验研究了不同蜗壳几何参数下高比转速离心泵内部的压力脉动特征，结果表明叶轮与蜗壳隔舌的动静干涉产生了较强的压力脉动。何秀华[6]通过实验发现水泵内独立存在三种压力脉动类型：白噪声脉动、叶频脉动和轴频脉动，且随工况的不同其表现形式有所不同。刘阳等[7]对离心泵压力脉动进行了较为全面的阐述，总结为离心泵内压力脉动随工况的不同，表现为三类不同的压力脉动：随机脉动、叶频倍频脉动、轴频倍频脉动。姚志峰等[8,9]对双吸式离心泵压力脉动特性进行研究，结果表明低于转频的低频脉动和转频脉动在吸水室区域占主导地位。袁寿其等[10]研究了离心泵压力脉动对流动诱导噪声的影响，结果表明，叶片通过频率是压力脉动和流动噪声的主频，是由于叶轮与隔舌之间的动静干涉引起的。施卫东等[11]研究了轴流泵内的压力脉动性能，结果表明，轴流泵内最大压力脉动发生在叶轮进口处，在偏离设计工况点较大时，压力脉动幅值明显增大。

在《水泵及水泵站》课程中，双吸式离心泵作为一种主要的泵型进行教学，但目前对离心泵压力脉动的相关研究多为单吸式离心泵或其他泵型，对双吸式离心泵压力脉动特性的实验研究较少。为此，本文以250S-14双吸式离心泵为研究对象，通过在水泵上布置压力变送器并进行信号采集和频谱分析，研究了水泵不同位置在不同流量下的压力脉动特征。

1 实验装置

1.1 实验台

实验所用双吸式离心泵的型号为250S-14，设计流量为Qn=485 m3/h，额定转速为n=1 450 r/min，叶片数为Z=6片，叶片频率为fBEF=145.0 Hz，转动频率为fn=24.2 Hz。如图1所示，实验台由双吸式离心泵、电动机、进出水管路、闸阀、循环水箱以及测试设备等组成。实验中，通过调节出水闸阀来改变流量；流量由电磁流量计测量，压力脉动由布置在水泵上的压力变送器测量，电磁流量计和压力变送器均连接到数据采集系统，进行信号采集。

1-实验泵；2-电动机；3-循环水箱；4-进水闸阀；5-进水管道；6-出水管道；7-出水闸阀；8-压力变送器；9-电磁流量计；10-数据采集系统图1 实验台结构示意图Fig.1 Schematic of the experimental setup

1.2 测点布置

本实验的测点分布如图2所示，分别在水泵吸水室和压水室布置压力变送器，其中，吸水室布置测点1～测点5，压水室布置测点6～测点9，总共布置9台压力变送器。

图2 实验泵及压力变送器布置图Fig.2 Test pump and mounted pressure transmitters

1.3 实验工况

为分析不同运行工况下双吸式离心泵压力脉动特性，选择如表1所示的6个流量工况进行实验。

表1 水泵压力脉动实验工况Tab.1 Experimental operating conditions for pump pressure pulsation

1.4 数据采集与处理

数据信号采集时，采样频率设为2 000 Hz，采集时间设为10.0 s[12]；对采集的数据进行快速傅里叶变换(FFT)，分析频域内主要频率f组成及其幅值A的大小及变化。

2 实验结果与分析

2.1 吸水室压力脉动分析

图3为不同运行工况下吸水室各测点压力脉动主频频率柱状图，图4为设计流量1.0Qn下吸水室各测点压力脉动频域图，可以看出，吸水室各测点在多数运行工况下的压力脉动主频为转频，设计流量1.0Qn下压力脉动主频均为转频；测点1和测点2位于吸水室下半部分，在0≤Q≤0.25Qn和Q=1.25Qn时，测点1和测点2压力脉动的主频为叶片频率；测点3、测点4和测点5位于吸水室上半部分，随流量变化具有相似的规律，零流量及小流量下，压力脉动主频为3倍转频，是由于水泵汽蚀和失速引起的[13,14]，当流量增大到设计流量，汽蚀和失速消失，转频成为了吸水室压力脉动的主频。

图3 不同流量下吸水室各测点压力脉动主频频率柱状图Fig.3 Pressure fluctuation basic frequency of measuring points in pump suction chamber

图4 设计流量1.0Qn下吸水室各测点压力脉动频域图Fig.4 Pressure fluctuation frequency domain of measuring points in pump suction chamber for the design flow rate 1.0Qn

图5为不同运行工况下吸水室各测点压力脉动主频幅值，可以看出，吸水室各测点压力脉动主频幅值随流量的增大呈先减小后增大的变化趋势。在零流量下，各测点压力脉动主频幅值均较大；在0.25Qn≤Q≤0.75Qn，除测点4和测点5在0.5Qn时主频幅值增大外，其他各测点压力脉动主频幅值均减小，在0.75Qn时各测点主频幅值最小，说明在0.75Qn，特殊的半螺旋吸水室结构周向不均匀流引起的不平衡以及其他因素综合作用对水泵的压力脉动影响最小；水泵流量增大至1.25Qn时，各测点主频幅值再次增大到除零流量外的最大值。

图5 不同流量下吸水室各测点压力脉动主频幅值Fig.5 Basic frequency amplitude of measuring points in pump suction chamber

2.2 压水室压力脉动分析

图6为不同运行工况下压水室各测点压力脉动主频频率柱状图，图7为设计流量1.0Qn下压水室各测点压力脉动频域图，可以看出，压水室各测点压力脉动频率主频以叶频为主，设计流量1.0Qn下压力脉动主频均为叶频；在Q=1.25Qn时，测点7的压力脉动主频为转频，这是因为在大流量下，叶轮与隔舌动静干涉传播至测点7的叶频脉动，以及蜗壳与叶轮之间的间隙宽度使得叶轮与蜗壳的动静干涉等均较小，叶频主频较低，甚至低于了转动频率，使得转频成为了主频。

图6 不同流量下压水室各测点压力脉动主频频率柱状图Fig.6 Pressure fluctuation basic frequency at measuring points in the pump discharge chamber

图7 设计流量1.0Qn下压水室各测点压力脉动频域图Fig.7 Pressure fluctuation frequency domain of measuring points in pump discharge chamber for the design flow rate 1.0Qn

图8为不同运行工况下压水室各测点压力脉动主频幅值，可以看出，测点6位于隔舌附近蜗壳段上，测点9位于隔舌附近扩散管段上，且距离隔舌均较近，测点6和测点9的主频幅值变化规律相似，测点7和测点8距离隔舌较远，测点7和测点8的主频幅值变化规律相似，由于压水室各测点压力脉动主频基本为叶片频率，由此说明叶片频率与隔舌位置具有很强的相关性。

图8 不同流量下压水室各测点压力脉动主频幅值Fig.8 Basic frequency amplitude of measuring points in pump discharge chamber

3 结 语

采用实验方法研究了不同运行工况下双吸式离心泵的压力脉动特性，结果表明：转频脉动在吸水室中占主导地位，叶频脉动在压水室中占主导地位；在小流量工况下吸水室上部主频为3倍的转频，主要受叶轮内汽蚀、失速涡的影响；压水室压力脉动受叶轮与隔舌动静干涉的影响较大，且叶频幅值大小与压水室隔舌位置具有很强的相关性；本文可为农业灌溉泵站双吸式离心泵的设计、运行提供理论依据，同时可为大学水利类及能源动力类专业的本科实验教学提供参考和启示。

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