柔性物缠绕对双吸式离心泵压力脉动特性的影响

李建宏，温鸿浦，王志远

（1.宁夏盐环定扬水管理处，宁夏吴忠751100；2.宁夏灌排服务中心，银川750004；3.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072）

0 引 言

宁夏回族自治区地处我国西北部黄河中上游地区，全区跨暖温带半湿润区至温带干旱区3 个气候区，其中3/4 属干旱、半干旱区域，总体特征是干旱少雨，蒸发强烈，综合水资源仅9.49亿m3，是全国水资源最少的省区。宁夏是全国4大灌区和12个重点商品粮基地之一，因此，修建泵站工程，提水上山，扶贫解困成为历史的必然选择。自1975年，国家投入巨资在宁夏修建了一大批高扬程提灌泵站，为促进宁夏贫困地区工农业生产，解决边远山区人畜饮水，改善生态环境，维护民族团结、社会稳定等方面做出了历史性贡献。目前，宁夏的主要的引黄泵站工程有：盐环定扬水工程、固海扬水工程、南山台扬水工程、扁担沟扬水工程、甘城子扬水工程、月牙湖扬水工程、宁夏扶贫扬黄灌溉工程等。双吸式离心泵由于其流量大、扬程高的特点而被广泛应用于引黄泵站中［1］。水泵在运行过程中，经常遇到被水中的杂草、塑料袋等柔性污物缠堵［2］，影响水泵的稳定性，引起振动加剧，严重时将危及水泵机组安全。

柔性污物由于其具有柔软性，很容易通过进水管进入泵室内，随水泵的旋转而缠绕在泵轴或叶片上，从而阻碍水泵的过流能力，同时造成泵内水流流态的不均匀分布，使水泵的压力脉动发生变化。近年来，相关学者对离心泵的水力激振源进行了研究，得到动静干涉效应产生的压力脉动频率通常为叶频及其倍频［3-6］。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。JORGE PARRONDO 等［8］研究表明离心泵压水室压力脉动以叶频为主，当偏离额定工况时，脉动幅值显著增大。AE Khalifa等［9］对双蜗壳离心泵进行了研究，结果表明压力脉动的强度取决于泵的转速、流量以及测点的位置。国内外学者对离心泵压力脉动进行了丰富的研究，但水泵故障运行状态下压力脉动特性表现相关研究不多。本文以模型试验为手段，研究柔性污物对双吸式离心泵吸水室和压水室压力脉动的影响，可为灌溉泵站运行的故障诊断提供科学依据，具有一定的参考价值和工程实用意义。

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Qd=485 m3/h，额定转速为n=1 450 r/min，叶片数为Z=6 片。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，压力脉动由布置在双吸式离心泵吸水室和压水室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。

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，选取吸水室布置测点1 至测点4，压水室布置测点5至测点8，总共选取8个测点进行试验结果的分析。

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

为分析柔性物缠绕前后双吸式离心泵压力脉动特性的变化，需对水泵进行柔性物缠绕，如图3为双吸式离心泵单侧进口有无柔性物缠绕图（柔性物为塑料软管）。为安全起见，本次实验降速运行，通过变频器来改变水泵运行的转速，实验中，水泵转速降速至1 250 r/min。实验选择的不同流量运行工况如表1所示。

表1 不同流量实验工况Tab.1 Different flow rate experimental conditions

图3 双吸式离心泵单侧进口有无柔性物缠绕Fig.3 Double-suction centrifugal pump unilateral inlet with or without flexible winding

1.4 数据采集与处理

数据信号采集时，采样频率设定为2 000 Hz，采样时间设定为10 s［10］。数据采集完成后，对数据进行处理和分析，时域分析采用95%置信的峰-峰分析方法［11］。

2 实验结果与分析

2.1 双吸式离心泵柔性物缠绕前后吸水室压力脉动分析

双吸式离心泵被柔性物缠绕后，其性能发生明显变化，主要表现为水泵扬程变小，机组效率降低，且二者降低程度均随流量的增大而增大［2］。本文针对柔性物缠绕前后水泵稳定性的变化进行研究，双吸式离心泵吸水室和压水室分别布置了多个测点进行柔性物缠绕前后的压力脉动测试，试验的工况为设计流量工况（Q/Qd=1.0）、小流量工况（Q/Qd=0.5）和大流量工况（Q/Qd=1.3），选取设计流量工况作为代表工况，观察柔性物缠绕前后压力脉动信号的变化情况。图4为设计工况双吸式离心泵缠绕前后压水室各测点压力脉动时域图，由图4可以看出，吸水室测点1和测点2压力脉动缠绕前后变化不明显，而测点3和测点4 处压力脉动明显增大，这主要是由于双吸式离心泵具有两个吸入口，柔性物缠绕侧与布设测点侧不同，传递的影响不明显，但吸水室的半螺旋结构，随着水流方向，空间变小，使得对水流的影响更加明显，压力脉动变大。

图4 设计流量工况下双吸式离心泵缠绕前后吸水室压力脉动时域图Fig.4 Time domain diagram of pressure fluctuation in suction chamber of the double-suction centrifugal pump with and without flexible material winding under design flow rate condition

为了更全面地反映不同运行工况下双吸式离心泵柔性物缠绕前后的压力脉动情况，对吸水室各测点进行了峰峰值分析。图5为不同流量运行工况下双吸式离心泵缠绕前后吸水室各测点压力脉动峰峰值。由图5可以看出，测点1和测点2在小流量和设计流量工况下，柔性物缠绕后压力脉动峰峰值减小，可能是由于单侧的柔性物缠绕，对水流通过形成了阻碍，使得更多的水流从测点侧通过，该侧的流量更接近于设计流量，流态变好，压力脉动减小。顺水流方向，空间逐渐减小，测点侧流量增大和空间逐渐减小，使得测点3在小流量下继续降低，而到了测点4，空间最小处，压力脉动升高；同时，可以看出，在大流量下，柔性物缠绕后各测点的压力脉动均增大，这是因为大流量下流态紊乱，单侧的缠绕使得被测侧的流量进一步增大，增加了扰动，使得压力脉动均增大，测点1 和测点4 处缠绕后的压力脉动峰峰值约为缠绕前的200%；各测点在大流量下压力脉动峰峰值均增大，可以作为柔性物缠绕判断的依据之一。整体看，缠绕后，对吸水室测点4的影响更加明显。

图5 不同流量运行工况下双吸式离心泵缠绕前后吸水室压力脉动峰峰值Fig.5 Peak-peak value of pressure fluctuation in suction chamber of the double-suction centrifugal pump with and without flexible material winding under different flow rate conditions

2.2 双吸式离心泵柔性物缠绕前后压水室压力脉动分析

图6为设计流量工况双吸式离心泵缠绕前后压水室各测点压力脉动时域图，由图6 可以看出，测点5、测点6 和测点8 在柔性物缠绕后，压力脉动稍稍增大，而测点7 在柔性物缠绕后，压力脉动减小明显，为了分析其原因，对测点7 进行频域分析，如图7 所示，测点7 处在缠绕前压力脉动测试过程中，有一明显高频（500 Hz 附近），当缠绕后测试时，高频消失，使得两者比较，缠绕后的压力脉动较缠绕前小很多，高频产生的原因需要进一步研究。

图6 设计流量工况下双吸式离心泵缠绕前后压水室压力脉动时域图Fig.6 Time domain diagram of pressure fluctuation in volute chamber of the double-suction centrifugal pump with and without flexible material winding under design flow rate condition

图7 测点7设计流量工况下双吸式离心泵缠绕前后压水室压力脉动频域图Fig.7 Frequency domain diagram of pressure fluctuation in P7 of the double-suction centrifugal pump with and without flexible material winding under design flow rate condition

图8为不同流量运行工况下双吸式离心泵缠绕前后压水室各测点压力脉动峰峰值。由图8可以看出，测点5和测点6在小流量、设计流量和大流量下，柔性物缠绕后压力脉动峰峰值均增大，这是由于单侧缠绕后，两侧进水不均匀，经叶轮混合后进入压水室，进水不均匀导致压水室紊流程度增加，故压力脉动增大；测点7在设计流量下缠绕前压力脉动较大，原因为以上分析的高频产生，但在大流量下，缠绕后的压力脉动峰峰值增加明显；测点8处在小流量和设计流量下缠绕后压力脉动增加，在大流量下压力脉动减小，整体变化不明显，这是因为测点8在水泵近出口渐扩管上，渐扩作用进一步弱化了压水室不稳定流态 的影响，故影响较小。整体看，柔性物缠绕后，对压水室顶部的测点6影响更加明显，在大流量下比未缠绕增大至200%。

图8 不同流量运行工况下双吸式离心泵缠绕前后吸水室压力脉动峰峰值Fig.8 Peak-peak value of pressure fluctuation in volute chamber of the double-suction centrifugal pump with and without flexible material winding under different flow rate conditions

3 结 论

采用实验方法研究了不同流量运行工况下双吸式离心泵柔性物缠绕前后压力脉动特性，结果表明：由于双吸式离心泵吸水室半螺旋结构，单侧柔性物绕后，在小流量和设计流量下，另一侧的压力脉动的变化与位置有关，靠近吸水室隔舌位置处压力脉动增大，远离吸水室隔舌位置处压力脉动减小；在大流量下，柔性物缠绕后吸水室压力脉动增大；柔性物缠绕对压水室顶部影响明显，对压水室扩散管影响不明显，在大小和设计流量运行工况下，压水室顶部压力脉动均增大，在大流量下比未缠绕增大至200%。本文可为灌溉泵站运行的故障诊断提供提供参考和启示，具有一定的理论和工程实用意义。 □