叶轮时序对多级泵振动特性影响的试验测试_谈明高.pdf

 振动与冲击 第 39 卷第 3 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol．39 No．3 2020 基金项目国家自然科学基金 51679110; 51509109 ; 中国博士后基金 2017M611723 ; 江苏省自然科学基金 BK20161350 ; 江苏省现代 农业重点研发计划 BE2017356 收稿日期2018 －07 －24修改稿收到日期2018 －10 －25 第一作者 谈明高 男， 研究员， 博士生导师， 1980 年生 通信作者 廉益超 男， 硕士生， 1994 年生 叶轮时序对多级泵振动特性影响的试验测试 谈明高1，廉益超1，吴贤芳2，刘厚林1 1． 江苏大学 国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江212013; 2． 江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江212013 摘要叶轮时序效应对于旋转机械的振动性能有着重要的影响。以实验测试研究了叶轮时序效应对一台五级 离心泵振动特性的影响。采用正交设计方法设计了 8 个实验方案， 在多级泵 5 个不同位置进行振动特性的测量， 包括进 口轴向、 进口出口的水平和垂直方向。结果表明， 时序效应对多级泵水平方向上振动的影响大于垂直方向上振动的影响， 所有测点的振动谐频都位于 1 fn、 2 fn、 3 fn和 4 fn。叶轮时序效应对每个谐频幅值都存在重要的影响， 在不同的方 案下， 1 fn、 2 fn、 3 fn和 4 fn上幅值的最大变化可达 17． 7、 10． 0、 33． 2和 47． 4。对比各方案， 发现调整第二和 第三泵级叶轮的时序位置， 可以获得较好的整泵振动特性。 关键词多级离心泵;叶轮时序;振动频率 中图分类号TH311文献标志码ADOI 10． 13465/j． cnki． jvs． 2020． 03． 001 Tests for effects of impeller timing on vibration characteristics of a multi- stage centrifugal pump TAN Minggao1，LIAN Yichao1，WU Xianfang2，LIU Houlin1 1． Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China; 2． School of Energy ＆ Power Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China Abstract Impeller timing effect has an important influence on vibration perance of rotating machineries． Here，effects of impeller timing on vibration characteristics of a five- stage centrifugal pump were investigated with tests． 8 test schemes were designed with the orthogonal design ，Vibration characteristics measurements were done at 5 different positions of the pump including its inlet axial direction，horizontal and vertical directions of its inlet and outlet． The test results showed that the influence of impeller timing effect on the pump’ s vibration in horizontal direction is bigger than that in vertical direction，all measured points’resonance frequencies are at 1 fn， 2 fn， 3 fnand 4 fn;impeller timing effect affects all resonant amplitudes significantly，the maximum variations of resonant amplitudes at 1 fn， 2 fn， 3 fnand 4 fnunder different test schemes are 17． 7，10． 0，33． 2 and 47． 4，respectively;comparing the results of 5 test schemes reveals adjusting timing positions of the 2nd and 3rd stage impellers of the pump can obtain better vibration characteristics of the whole pump． Key wordsmulti- stage centrifugal pump;impeller timing;vibration frequency 时序效应指的是旋转机械的部分性能受到定子或 者转子不同周向位置的影响而发生改变。时序效应最 早由 Walker 等 ［1 ］在压气机上发现， 他通过调整压气机 定子的相对周向位置， 有效地减少了整机5 ～6 dB 的噪 音。随后， Cizmas 等 ［2 ］在此基础上进一步提出了全时 序的概念， 即转子时序效应的作用是定子时序效应的 两倍。Wo［3 ］通过实验研究了时序效应， 结果表明通过 调节转子的相对位置， 可以显著降低下游定子的负载。 Sharam［4 ］发现改变诱导轮的周向位置可以增加涡轮机 0． 5 的效率。Arnone［5 ］在一个三级涡轮机中研究了 全时序效应中雷诺数的影响， 发现时序效应在小雷诺 数下作用更加明显。Du 等 ［6 ］基于数值计算， 研究了叶 轮时序效应对涡轮机气动性能的影响。结果表明， 压 缩机中的时序效应能明显降低转子叶片上的非定常气 动力。Zhao 等 ［7 ］发现， 当上游转子尾迹通过下游叶片 前缘时， 效率最高。通过以上的研究可以发现， 时序效 应对涡轮机械的气动性能有显著影响。 多级离心泵拥有和压气机相类似的机械结构， 但 介质不同。水的黏度更大， 尾迹涡流现象更明显， 时序 效应的作用也更大 ［8 ］。目前， 已有一些国内学者开展 ChaoXing 了时序效应在泵方面的研究， 朱相源等 ［9 ］利用数值模 拟， 研究了导叶与隔舌的时序位置对离心泵非定常压 力脉动的影响， 其时序角度为 5时， 蜗壳内的压力脉动 较小。Qu 等 ［10 ］研究了前置导叶时序效应对离心泵整 体性能的影响， 结果表明时序效应对压力脉动主频幅 值的变化影响较大， 不同时序下变化最大可达 28。 Jiang 等 ［11 ］研究了一离心泵内导叶与隔舌的时序位置 对水力性能的影响， 结果表明其合适的时序位置可显 著降低叶片周围压力脉动强度。 正交试验设计方案作为一种高效的多因素多水平 设计方法， 在离心泵设计领域发挥着重要的作用。Xu 等 ［12 ］针对一离心泵的叶片包角等四个关键参数利用正 交设计方案进行优化， 提高目标工况下的效率达 3． 09， 同时必需汽蚀余量也提高了 1． 45 m。Liu 等 ［13 ］采用正交设计方法对一离心泵叶片的进口包角和 出口包角在内的五个关键参数进行了优化设计， 有效 地改善了其多相流输送性能。 但是已有离心泵时序研究大多集中在单级泵， 很 少涉及多级泵。本文应用正交试验设计方法确定研究 方案， 采用试验测试的方法研究了多级泵叶轮时序对 其振动特性的影响规律。 1实验模型 以一台五级离心泵作为研究模型。该泵设计流量 为4． 7 m3/h、 扬程为38． 6 m、 转速为2 900 r/min。泵由 五个相同的叶轮和导叶构成， 如图 1 所示。表 1 给出 了叶轮和导叶主要参数。 a叶轮 b导叶 图 1叶轮与导叶 Fig． 1Pump impeller and diffuser 2试验台及试验方案 2． 1试验台搭建 搭建了一个振动测试系统进行多级泵振动特性测 表 1叶轮和导叶主要参数 Tab． 1Main structure parameters of the impeller and diffuser 部件结构参数数值 叶轮叶片数 z8 进口直径 D1/ mm 29 出口直径 D2/ mm 90 出口宽度 b2/ mm 2． 6 叶片出口角 β2/ 41 导叶叶片数 z6 出口宽度 b3/ mm 4 基圆直径 D3/ mm 30 出口宽度 b4/ mm 4 出口直径 D4/ mm 102 量， 见图 2。为了提高试验精度， 将试验泵置于水泥工 作台上以消除环境对振动测量的影响［14 ］。 测振动的传感器采用型号为 INV9822A 的 ICP 加 速度传感器， 其使用频率范围为0． 5 ～8 000 Hz， 最小分 辨率为 0． 002 m/s2。流量计为上海肯特的电磁式流量 计， 型号为 KEFN- 50- 103- G5E5， 其流量范围为 0． 71 ～ 70．65 m3/h， 精确度为示值的 0． 3。转速测量仪采用 希玛公司型号为 AR926 的手持式激光转速测量仪， 其 分辨率为 1 r/min， 测量精度为 0． 1。试验台的综合 不确定度为 0． 39。 1． 水箱2． 流量控制阀 3． 流量计显示表4． 电磁流量计5． 信号 数据采集仪6． 压力显示仪7． 进口压力传感器8． 出口压力传感 器9． 计算机10． 模型泵11． 电机12． 变速器 图 2实验装置示意图 Fig． 2Sketch of test rig 2． 2试验方案设计 为了提高实验效率， 采用正交法 ［15 ］对叶轮时序方 案进行设计。将五级叶轮分别设置为五个因素 A、 B、 C、 D、 E， 其意义为各级叶轮与第一级叶轮之间的夹角。 每个因素有两个水平可以选择， 水平 1 代表该级叶轮 相对于第一级叶轮的夹角为 0， 水平 2 代表该级叶轮 相对于第一级叶轮的夹角为 22． 5， 即叶轮叶片间夹角 的一半 ［16 ］。采用 L8 正交表安排实验， 设计出的时序方 案如表 2 所示。图 3 为方案 2 下的叶轮时序方案实物 2振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 图， 可见第四泵级和第五泵级均与第一泵级交错 22． 5。该泵的轴面流道图如图 4 所示。 表 2试验方案 Tab． 2Test schemes 试验序号ABCDE 111111 211122 312211 412222 521212 621221 722112 822121 图 3泵叶轮示意图 方案 2 Fig． 3Impellers of pump scheme2 图 4轴面流道图 Fig． 4Axial flow channel 2． 3振动测点布置 该泵放置方式为水平放置， 运行时旋转轴平行于 地面。设置了五个测点监测五级泵的振动情况， 如图 5 所示。测量点 1 用于测试泵入口的轴向振动， 测量点 2 和测量点 3 分别测量泵入口的水平和垂直振动， 测量 点 4 和测量点 5 分别测量出口的水平和垂直振动。 图 5振动测点布置 Fig． 5Arrangement of measuring points 3结果与分析 为了使分析更具普遍性， 将测得的振动速度 v 转化 为无量纲变量振动速度级 Lv， 计算公式如下所示 Lv 20lg v/v0 1 式中 v0为基准振动速度， 值为 1． 0 10－9 m/s; 振动速 度级以分贝 dB 计量 ［17- 19 ］。 3． 1振动频率分析 采用快速傅里叶变换方法对振动速度级时域数据 进行处理， 获得相应的频谱特性数据。图 6 为不同时 序方案下各测点的振动频域特征比较。总体上看， 轴 向和垂直方向上的测点 1， 3， 5 在不同的时序方案下其 压力脉动的主要峰值频率为 1 fn、 2 fn和 4 fn， fn为 泵运行的轴频， 约 43． 3 Hz。水平方向上的测点 2， 4 在 不同时序方案下的主要峰值频率为 1 fn、 2 fn、 3 fn 和 4 fn。 轴频 fn为振动峰值频率说明叶轮的质量偏心和装 配误差是造成泵振动的主要原因， 2 fn、 3 fn为高次 轴频谐频， 进一步说明了轴频对脉动的重要影响。不 同的是， 水平方向主要峰值频率包括 3 fn， 而轴向和 垂直方向的振动峰值频率则不包括 3 fn， 这说明水平 方向上泵振动受叶轮的质量偏心和装配误差的响应较 垂直方向和轴向要大。 综上可知所有测点的振动速度频域均存在轴频高 次谐频 4 fn， 这可能为叶轮和导叶的叶片数组合关系 产生的叶片通过频率， 如表 3 所示 ［20 ］。本实验使用的 多级泵叶轮叶片数为 8， 导叶叶片数为 6， 查表可知组 合叶片通过频率即为 4 fn。 表 3叶轮和导叶叶片数组合下的叶片通过频率 Tab． 3Blade passing frequency between impeller and diffuser 导叶叶片数 叶轮叶片数 3456789 4353729 564614169 645743 768156827 8915979 3． 2振动幅度分析 为了进一步分析各测点的振动频率特性， 从图 5 中提取了不同时序方案下各峰值频率上的振动速度幅 值。为方便地对比各方案的不同， 以无叶轮时序的方 案 1 数据作为基准， 分析其他方案相对于方案 1 的 变化。 表 4 给出了在不同时序方案下测点 1 在各峰值频 率的振动速度幅值。在 1 fn处， 在方案 2 的幅值增加 最大， 达 15． 5。而其它方案振幅均减小， 第 8 方案的 幅值下降最多， 达5． 4。在2 fn处， 方案7 的幅值增 加最多， 达 9． 7， 方案 3 的幅值下降最多， 达 4． 5。 在 4 fn处， 只有方案 2 的幅值下降， 降幅达 8． 5， 其 他方案振幅均增加， 方案 8 的增幅最大， 达 22． 13。 3第 3 期谈明高等叶轮时序对多级泵振动特性影响的试验测试 ChaoXing a测点 1 b测点 2 c测点 3 d测点 4 e测点 5 图 6各测点振动速度频谱 Fig． 6Vibration velocity spectrum of each measuring point 表 4测点 1 各峰值频率的振动速度幅值 Tab． 4The vibration velocity amplitudes of measuring point 1 at each peak frequencydB 频率方案 1方案 2方案 3方案 4方案 5方案 6方案 7方案 8 1 fn51． 659． 649． 351． 150． 851． 250． 548． 8 2 fn46． 950． 444． 845． 351． 046． 751． 549． 4 4 fn27． 725． 330． 831． 530． 828． 831． 133． 8 表 5 给出了在不同时序方案下测点 2 在各峰值频 率的振动速度幅值。在 1 fn处， 方案 5 的幅值增幅最 大， 达 1． 9。而其他方案的振幅均下降， 第 3 方案下 的振幅下降最多， 达 17． 7。在 2 fn处， 只有 8 方案 使振幅下降， 达 8． 5， 其他方案的振动都有所增加， 方 案 7 的增幅最大， 达 10． 0。在 3 fn处， 方案 5 的振 幅增加最多， 达 13． 6， 方案 8 的振幅下降最多， 达 33． 2。在 4 fn处， 所有方案的振幅都是增加的， 方 案 2 的增幅最大， 达 45． 5。 表 5测点 2 各峰值频率的振动速度幅值 Tab． 5The vibration velocity amplitudes of measuring point 2 at each harmonic frequencydB 频率方案 1方案 2方案 3方案 4方案 5方案 6方案 7方案 8 1 fn51． 545． 342． 449． 452． 549． 944． 148． 8 2 fn54． 056． 755． 654． 954． 257． 759． 449． 4 3 fn38． 240． 140． 337． 043． 436． 335． 925． 5 4 fn23． 934． 827． 026． 228． 628． 834． 233． 8 表 6 给出了在不同的时序方案下测点 3 在各峰值 频率的振动速度幅值。在 1 fn处， 方案 2 的振幅增加 最多， 达 15． 5， 方案 8 的降幅最大， 达 5． 4。在 2 fn处， 各方案的振动变化不大， 方案 3 的振幅略有 0． 2的增幅， 方案 5 的降幅最大， 为 3． 2。在 4 fn 处， 方案 8 有一个 3． 3 的增幅， 其他方案的振动都有 所下降， 方案 3 的降幅最大， 达 3． 7。 4振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 表 6测点 3 各峰值频率的振动速度幅值 Tab． 6The vibration velocity amplitudes of measuring point 3 at each harmonic frequencydB 频率方案 1方案 2方案 3方案 4方案 5方案 6方案 7方案 8 1 fn59． 866． 557． 758． 858． 659． 858． 456． 6 2 fn53． 552． 753． 653． 451． 852． 152． 953． 6 4 fn30． 530． 424． 928． 230． 324． 830． 031． 5 与测点 1 相比， 可以发现测点 2 的振动受到时序 效应的影响更加的明显， 最大的增幅可达 45． 5， 最大 的降幅可达 33． 2。同时也可以发现， 这两个测点在 4 fn处的振动速度变化在各峰值频率处是最大的， 说 明在泵进口位置的轴向和水平方向上， 时序效应对振 动频域中的高频成分影响较大。而测点 3 监测的是泵 进口垂直方向上的振动情况， 可以发现其在各峰值频 率处的振动速度幅值变化是比较小的， 最大的变化在 1 fn处， 为 15． 5， 远小于上两个测点。 表 7 给出了在不同的时序方案下测点 4 在各峰值 频率的振动速度幅值。在 1 fn处， 方案 6 的增幅最 大， 达 7． 2， 方案 8 的降幅最大， 达 9． 7。在 2 fn 处， 8 方案的最大， 达 6． 2， 2 方案的降幅最大， 达 3． 5。在 3 fn处， 方案 6 增幅最大， 达 10． 2， 方案 8 的降幅最大， 达 10． 0。在 4 fn处， 方案 8 的增幅 最大， 达 27． 1， 方案 5 的降幅最大， 达 47． 4。 测点 4 位于泵出口的水平方向， 相对于泵的入口， 出口处流场更加复杂， 泵外壁受到非定常流动力的作 用更加明显， 时序效应的作用也越加明显。 表 7测点 4 各峰值频率的振动速度幅值 Tab． 7The vibration velocity amplitudes of measuring point 4 at each harmonic frequencydB 频率方案 1方案 2方案 3方案 4方案 5方案 6方案 7方案 8 1 fn47． 848． 844． 042． 647． 951． 348． 343． 2 2 fn55． 553． 556． 255． 153． 953． 957． 158． 9 3 fn37． 535． 238． 338． 334． 641． 434． 233． 8 4 fn21． 925． 426． 311． 611． 517． 713． 927． 8 表 8 给出了在不同的时序方案下测点 5 在峰值频 率的振动速度幅值。在 1 fn处， 方案 2 的增幅最大， 达 14． 7， 方案 8 的降幅最大， 达 5． 6。在 2 fn处， 所有方案的振动都有所增加， 方案 7 的增幅最大， 达 4． 4。在 4 fn处， 方案8 的振幅增量最大， 达8． 3， 方案 3 的降幅最大， 达 17． 0。 表 8测点 5 各峰值频率的振动速度幅值 Tab． 8The vibration velocity amplitudes of measuring point 5 at each harmonic frequencydB 频率方案 1方案 2方案 3方案 4方案 5方案 6方案 7方案 8 1 fn53． 361． 150． 953． 455． 454． 654． 650． 3 2 fn51． 752． 952． 453． 053． 753． 553． 952． 9 4 fn32． 130． 726． 729． 433． 224． 232． 734． 8 测点 5 位于泵出口的垂直方向， 峰值频率出的幅 值变化最大达 17． 0， 远小于泵出口水平方向的 47． 4。同时联系测点 2 和测点 3 对泵入口水平和垂 直方向上的振动速度， 可以发现无论是入口还是出口， 时序效应对水平方向上的振动的影响要大于垂直方向 上的振动。 叶轮时序效应对每个测点， 不同峰值频率的幅值 都有着不同的影响。以方案 1 的振动数据为基准， 在 不同谐频 1 fn、 2 fn、 3 fn和 4 fn上的振动幅值变 化最大可达 －17． 7 测量点 2、 方案 3 、 10 测量点 2、 方案 7 、－ 33． 2 测量点 2、 方案 8 和 － 47． 4 测量点 4、 方案 5 。 3． 3综合分析 为了全面揭示叶轮时序的作用机理， 应用均方根 法 Root Mean Square，RMS 对图 5 中的数据进行进一 步深入分析。均方根公式如下所示。 I 1 b － a∫ b a Lv x 2dx 槡 2 式中 a 为自变量 x 的最小值， b 为自变量 x 的最大值; Lv x 为上文所得振动速度级函数。 从表 9 可知， 测点 1 在各时序方案的振动速度级 均方根分别为 43． 4、 47． 4、 42． 4、 43． 5、 45． 3、 43． 4、 45． 4 和 44． 6 dB。与方案 1 相比， 其他方案的振动速度级均 方根变量分别为 9． 4、－2． 2、0． 2、4． 4、 0、 4． 6 和 2． 9。由此可知， 时序方案 2 增 加了多级泵进口的轴向振动强度， 达 9． 4， 而方案 3 减小了多级泵进口的轴向振动强度， 达 2． 2。不同的 时序方案对多级泵进口的轴向振动均存在影响， 但是 其影响幅度均没有超过 10。 测点 2 在各时序方案下的振动速度级均方根分别 5第 3 期谈明高等叶轮时序对多级泵振动特性影响的试验测试 ChaoXing 表 9各测点在不同方案下的振动速级均方根 Tab． 9The root mean square of each scheme at every pointdB 测点方案 1方案 2方案 3方案 4方案 5方案 6方案 7方案 8 143． 447． 442． 443． 545． 343． 445． 344． 6 240． 441． 040． 039． 041． 940． 741． 139． 2 349． 652． 147． 748． 748． 548． 048． 748． 6 438． 839． 139． 137． 237． 140． 238． 639． 5 542． 545． 940． 143． 042． 541． 142． 242． 3 平均值42． 945． 141． 842． 343． 042． 743． 242． 8 为40． 4、 40． 9、 39． 9、 39． 1、 41． 9、 40． 7、 41． 1 和37． 2 dB。 与方案 1 相比， 其他方案的振动速度级均方根变化依 次为 1． 4、－ 1、－ 3． 2、 3． 8、 0． 9、 1． 8和 －5． 4。由此可知， 在多级泵进口水平方 向上， 方案 5 使得振动强度增加最多， 达 3． 8， 而方案 8 使得振动强度下降最多， 达 5． 4。 测点 3 在各时序方案下的振动速度级均方根分别 为49． 6、 52． 1、 47． 7、 48． 7、 48． 5、 48． 0、 48． 7 和48． 6 dB。 与方案 1 相比， 其他方案的振动速度级均方根变化依 次为 5． 0、 3． 7、 1． 8、－ 2． 3、－ 3． 2、 －1． 8和 －2． 1。由此可知， 在多级泵进口垂直方 向上， 方案 2 使得振动强度增加最多， 达 5． 0， 而方案 6 使得振动强度下降最多， 达 3． 2。 测点 4 在各时序方案下的振动速度级均方根分别 为38． 8、 39． 1、 39． 1、 37． 2、 37． 1、 40． 2、 38． 6 和39． 5 dB。 与方案 1 相比， 其他方案的振动速度级均方根变化依 次为 0． 7、 0． 7、－ 4． 1、－ 4． 4、 3． 6、 －0． 6和 1． 9。由此可知， 在多级泵出口水平方向 上， 方案 6 使得振动强度增加最多， 达 3． 6， 而方案 5 使得振动强度下降最多， 达 4． 4。 测点 5 在各时序方案下的振动速度级均方根分别 为42． 5、 45． 9、 40． 1、 43． 0、 42． 5、 41． 1、 42． 2 和42． 3 dB。 与方案 1 相比， 其他方案的振动速度级均方根变化依 次为 7． 9、－ 5． 6、 1． 1、－ 0． 1、－ 3． 3、 －0． 7和 －0． 4。由此可知， 在多级泵出口垂直方 向上， 方案 2 使得振动强度增加最多， 达 7． 9， 而方案 3 使得振动强度下降最多， 达 5． 6。 在各个测点中， 测点 3 的振动速级均方根绝对值 最大， 也就是说多级泵入口垂直方向的振动是最大的。 同时综合各测点处不同时序方案的振动速级均方根， 方案 3 在 5 个测点的振动速度平均值最小， 也就是说 在降低整泵振动方面， 方案 3 的时序方案是最优的， 其 特点在于第二和第三泵级叶轮的周向位置与其他泵级 交错一半的叶轮叶片夹角。 4结论 测量了多级离心泵在设计流量下的振动频率特 性。基于正交试验研究了多级离心泵叶轮时序效应对 振动特性的影响， 实验的主要结论如下 1时序效应对泵水平方向上振动的影响大于垂 直方向上振动的影响。 2该泵振动速度谐频主要位于 1 fn、 2 fn、 3 fn和 4 fn， 其中 4 fn是叶片和导叶叶片数决定的叶 片通过频率。 3叶轮时序对各谐频的振动速度幅度有不同的 显著影响。在 1 fn、 2 fn、 3 fn和 4 fn上的振动幅 值变化最大可达 17． 7、 10、 33． 2和 47． 4。 4调整第二和第三泵级叶轮的时序位置至一半 的叶片间夹角， 可以获得较好的整体振动性能。 参 考 文 献 ［1］ WALKER G J，OLIVER A R．The effect of interaction between wakes from blade rows in an axial flow compressor on the noise generated by blade interaction［J］ ．Journal of Engineering for Gas Turbines ＆ Power， 1972，94 4 241- 248． ［2］ CIZMAS P G，DORNEY D J． Parallel computation of turbine blade clocking［ R］ ． AIAA Paper 98- 3598， 1998． ［3］ WO A M． Reduction of unsteady blade loading by beneficial use ofverticalandpotentialdisturbancesinanaxial compressorwithrotorclocking ［ J ］ 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