吳登昊， 張 婷， 祝之兵， 錢 亨， 任 蕓， 牟介剛

(1. 中國計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測試工程學(xué)院，杭州 310018； 2. 新界泵業(yè)(杭州)有限公司，杭州 310018；3. 浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，杭州 310018； 4. 浙江工業(yè)大學(xué) 之江學(xué)院，浙江 紹興 212013)

自吸泵作為一種流體機(jī)械，由于其具備良好的自吸性能而被廣泛地應(yīng)用于市政排水、農(nóng)業(yè)灌溉、污水處理等領(lǐng)域。當(dāng)前，自吸性能和振動水平成為自吸泵的重要評價(jià)指標(biāo)。自吸泵的自吸過程包括氣液混合過程、氣液分離過程和自吸循環(huán)液的再循環(huán)過程[1]。自吸泵內(nèi)氣液混合過程是一種復(fù)雜的兩相流動結(jié)構(gòu)，內(nèi)部流場特別是葉輪出口射流液體與回流孔回流液體之間交互作用，加速氣液混合過程，進(jìn)而加快氣體的溶解與排出，其對自吸性能有著根本性的影響[2]。這種不穩(wěn)定的兩相流動結(jié)構(gòu)會誘發(fā)振動和噪聲，不利于自吸泵的穩(wěn)定運(yùn)行[3]。因此，為了保證自吸泵良好自吸性能及安全穩(wěn)定運(yùn)行，不僅需要深入研究自吸過程中的氣液兩相流動機(jī)理，同時(shí)需要掌握氣液兩相流動結(jié)構(gòu)及其對振動的影響關(guān)系。

當(dāng)前，大多數(shù)氣液兩相流及振動特性的研究集中于普通離心泵和氣液混輸泵[4-10]，對于泵自吸過程中內(nèi)部氣液流態(tài)及其振動特性的研究相對較少。與普通離心泵及氣液混輸泵相比，自吸泵由于其在自吸過程中具備氣液含量實(shí)時(shí)變化的特征，使其內(nèi)部流動更為復(fù)雜。目前，針對泵自吸過程的研究主要集中于泵的自吸機(jī)理及氣液流態(tài)的演變規(guī)律[11-13]。李紅等[14-15]通過高速攝影測試法對自吸泵自吸過程的氣液兩相流動態(tài)演化規(guī)律進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：隨著自吸過程的進(jìn)行，在葉輪外緣會出現(xiàn)較為明顯的氣液混合層。同時(shí)，給出了葉輪內(nèi)氣泡分裂特征以及擴(kuò)散段處的氣泡直徑分布特征。在此基礎(chǔ)上，Wang等[16-17]通過采用多相流模型研究了多級泵的自吸過程，根據(jù)吸氣及氣液混合分離的特征，將整個(gè)自吸過程分成3個(gè)階段：自吸初期、自吸中期和自吸末期。Li等[18]通過數(shù)值方法計(jì)算了射流式自吸泵氣液進(jìn)入和分離的過程，同時(shí)給出了不同擋板方案對泵內(nèi)自吸過程的影響機(jī)制。然而，上述研究大多基于數(shù)值計(jì)算，關(guān)于泵內(nèi)氣液流態(tài)的分布特征仍缺少相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。為此，Qian等[19-20]采用數(shù)值和試驗(yàn)的方法研究了泵的自吸機(jī)理及自吸過程的氣液流態(tài)分布規(guī)律，獲取了自吸過程中泵內(nèi)氣液瞬變流動特征，揭示了離心泵的自吸機(jī)理。以上文獻(xiàn)對泵自吸過程的氣液兩相流動結(jié)構(gòu)及其自吸機(jī)理開展了大量的研究，在氣液流型分布特征及氣液混合及分離方面，取得了較為豐富的成果。但是，關(guān)于泵自吸過程的振動特性以及不同回流孔位置下的振動特征的研究仍很少涉及。

本文基于離心泵自吸性能試驗(yàn)裝置，以雙葉片離心泵為研究對象，開展自吸過程泵內(nèi)氣液流態(tài)及振動特性試驗(yàn)研究，以期揭示自吸過程中不同氣液流態(tài)作用下離心泵的振動特性，獲取不同回流孔位置下泵的自吸性能及振動強(qiáng)度的分布特征，為自吸泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和試驗(yàn)支撐。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜏y試裝置

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本文設(shè)計(jì)并加工了一臺比轉(zhuǎn)速為60.5的外混式雙葉片自吸離心泵模型，如圖1所示。模型泵的基本設(shè)計(jì)參數(shù)為：設(shè)計(jì)流量Q為6.5 m3/h；設(shè)計(jì)揚(yáng)程H為7 m；設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n為1 680 r/min。模型泵的幾何參數(shù)：進(jìn)口管直徑為30 mm；出口管直徑為25 mm；葉輪進(jìn)口直徑D1為60 mm；葉輪出口直徑D2為158 mm；葉片出口寬度b2為16 mm；葉片出口安防角β2為19°；葉片包角φ為220°；葉片數(shù)Z為2；蝸殼基圓直徑D3為165 mm；蝸殼進(jìn)口寬度b3為26 mm；隔舌安防角θ0為17°；回流孔直徑d為14 mm。同時(shí)，為了研究不同回流孔位置對模型泵自吸性能和振動性能的影響機(jī)制，分別設(shè)計(jì)5個(gè)位置不同、大小相同的回流孔，回流孔以中心線進(jìn)行對稱分布，C1，C2，C3，C4，C5分別為-30°，-15°，0°，+15°，+30°，當(dāng)一個(gè)回流孔工作時(shí)，其余回流孔采用堵頭進(jìn)行密封，如圖2所示。

1.進(jìn)水管；2.S型彎管；3.密封壓蓋；4.橡膠墊片；5.泵體；6.葉輪；7.氣液分離室；8.出水管；9.回流孔；10.底座。圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of test model

圖2 回流孔分布圖Fig.2 Layout of backflow hole

1.2 測試裝置

模型泵自吸過程振動測試系統(tǒng)主要包括：振動加速度傳感器、振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速攝像機(jī)、模型泵、升降臺、進(jìn)出水管路、電機(jī)等。試驗(yàn)中采用壓電式單軸加速度傳感器，其軸向靈敏度為10 mV/m/s2，采樣頻率為10 kHz，量程為-50g～50g，頻率響應(yīng)為0.5 kHz～7.0 kHz，安裝的諧振頻率大于23 kHz，最大輸出信號(峰值)大于5 Vp，工作溫度范圍為-40 ℃～120 ℃。根據(jù)GB/T 29531—2013《泵的振動測量與評價(jià)方法》中的規(guī)定，在泵振動敏感區(qū)域布置5個(gè)振動加速度傳感器，如圖3所示。圖3中：1#監(jiān)測點(diǎn)位于泵頂端靠近出水管處，主要測量泵體y軸方向振動信號；2#監(jiān)測點(diǎn)位于泵側(cè)面與主軸在同一水平位置處，測量泵體x軸方向振動信號；3#監(jiān)測點(diǎn)位于泵底座上，測量底座y軸方向振動信號；4#監(jiān)測點(diǎn)位于軸承體正上端，測量軸承體y軸方向振動信號；5#監(jiān)測點(diǎn)位于軸承體側(cè)面與主軸在同一水平位置處，測量軸承體x軸方向振動信號。

圖3 模型泵振動測試系統(tǒng)及監(jiān)測點(diǎn)布置圖Fig.3 Pump vibration test system and measuring points layout

模型泵采用變頻啟動方法，在0～5 s內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)速由0線性上升至1 680 r/min，完成啟動。自吸試驗(yàn)時(shí)：進(jìn)水管距離水平面的高度為1 m；出口管距離泵中心高度為0.8 m。測試初始回流孔位置定為C3，在此基礎(chǔ)上，研究模型泵內(nèi)氣液流態(tài)及振動特性。

2 自吸過程振動特性分析

2.1 振動信號采集與處理

根據(jù)振動評價(jià)要求，采用振動加速度的均方根值A(chǔ)rms來表征泵自吸過程的振動強(qiáng)度分布規(guī)律，其表達(dá)式為

(1)

式中：Xi為振動加速度信號測量值；N為采集的振動加速度樣本數(shù)量。

為了得到泵自吸過程中各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)振動信號的均方根值A(chǔ)rms隨時(shí)間的變化曲線，將整個(gè)自吸過程以0.2 s為采樣間隔，每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)采集樣本2 000個(gè)，并計(jì)算每個(gè)時(shí)間間隔的振動信號均方根值，以獲取整個(gè)自吸過程中振動強(qiáng)度的變化規(guī)律。

2.2 自吸過程振動強(qiáng)度分布規(guī)律

模型泵自吸過程的振動強(qiáng)度分布特征和自吸過程進(jìn)出水管液位變化規(guī)律，分別如圖4和圖5所示。從圖4和圖5中可以發(fā)現(xiàn)：①在0～5 s的變頻啟動階段，隨著轉(zhuǎn)速的線性增加，振動強(qiáng)度也呈線性增加的趨勢，并在5 s左右，振動強(qiáng)度達(dá)到最大；②在5 s～24 s的變頻啟動階段，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 680 r/min，水位由C到達(dá)D，在D處，進(jìn)水管的水開始緩慢進(jìn)入葉輪，在此期間，振動強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定，并呈現(xiàn)一定的波動；③在24 s～65 s的變頻啟動階段，隨著進(jìn)水管的水進(jìn)入葉輪，出水管的水位逐漸升高，直到自吸完成，此時(shí)，葉輪的載荷逐漸增大，振動強(qiáng)度緩慢增大；④ 5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)中，5#監(jiān)測點(diǎn)的振動強(qiáng)度最大，3#監(jiān)測點(diǎn)的振動強(qiáng)度最小，1#、2#和4#監(jiān)測點(diǎn)的振動強(qiáng)度基本處于同一水平。由于螺旋形蝸殼和葉輪內(nèi)非對稱分布?xì)馀?如圖6中的氣泡帶A、氣泡帶B)的影響：導(dǎo)致位于x軸方向的5#監(jiān)測點(diǎn)受到較大的非定常徑向力和非對稱分布?xì)馀菀鸬牟痪鶆蛄黧w作用力，使5#監(jiān)測點(diǎn)具有較高的振動強(qiáng)度；3#監(jiān)測點(diǎn)位于底座，其總體振動強(qiáng)度最小。

圖4 自吸過程振動強(qiáng)度分布規(guī)律Fig.4 Vibration amplitudes of pump during self-priming process

圖5 自吸過程進(jìn)出水管液位變化規(guī)律Fig.5 Variations of water level in inlet and outlet pipes during self-priming process

圖6 自吸過程泵內(nèi)氣液流態(tài)及振動頻譜特征Fig.6 Gas-liquid flow states and vibration spectrum of pump during self-priming process

2.3 自吸過程的泵內(nèi)氣液流態(tài)及振動頻譜特征

模型泵自吸過程中泵內(nèi)氣液流態(tài)分布特征及不同監(jiān)測點(diǎn)的振動頻譜(見圖6)。不同時(shí)刻下的振動頻譜通過所觀測時(shí)刻前0.2 s內(nèi)采集的振動加速度值的傅里葉變換獲得，其中1.1 s，3.4 s，5.0 s，20.0 s，46.0 s的振動數(shù)據(jù)采集時(shí)間范圍分別為0.9 s～1.1 s，3.2 s～3.4 s，4.8 s～5.0 s，19.8 s～20.0 s，45.8 s～46.0 s。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)：①當(dāng)自吸時(shí)間為1.1 s時(shí)，葉輪啟動并逐漸加速，進(jìn)水管中的預(yù)留液體被吸入葉輪，葉輪和蝸殼內(nèi)充滿液體，氣泡幾乎沒有，此時(shí)，5個(gè)振動監(jiān)測點(diǎn)的振動強(qiáng)度均較小，最大振動強(qiáng)度小于0.05 m/s2；②當(dāng)自吸時(shí)間為3.4 s時(shí)，隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增大，進(jìn)水管中的氣體被吸入葉輪，葉輪和蝸殼中開始出現(xiàn)少量的氣泡，此時(shí)，5個(gè)振動監(jiān)測點(diǎn)的振動強(qiáng)度逐漸增大，最大振動強(qiáng)度接近0.3 m/s2，振動激勵頻率分布在700 Hz～1 200 Hz，以寬頻振動為主；③當(dāng)自吸時(shí)間為5.0 s時(shí)，葉輪速度達(dá)到1 680 r/min，并趨于穩(wěn)定，隨著進(jìn)水管中大量氣體被吸入到葉輪，葉輪內(nèi)出現(xiàn)大的氣泡帶A，同時(shí)葉輪和蝸殼內(nèi)存在大量的小氣泡，氣液流態(tài)變得復(fù)雜，此時(shí)，5個(gè)振動監(jiān)測點(diǎn)的振動強(qiáng)度得到進(jìn)一步增加，5#監(jiān)測點(diǎn)存在頻率為776 Hz的峰值，振動強(qiáng)度接近0.8 m/s2；其余監(jiān)測點(diǎn)以寬頻振動為主，頻率主要分布在700 Hz～1 200 Hz；④當(dāng)自吸時(shí)間為20.0 s時(shí)，葉輪內(nèi)的氣液流態(tài)和5.0 s對應(yīng)的氣液流態(tài)具有較好的一致性，同樣在葉輪中存在一個(gè)大的氣泡帶B，觀察其振動頻譜特征，其結(jié)果也與5.0 s對應(yīng)的振動頻譜特征比較相近，僅在振動強(qiáng)度上略有升高；⑤當(dāng)自吸時(shí)間為46.0 s時(shí)，自吸過程臨近結(jié)束，隨著進(jìn)水管中大量的液體進(jìn)入葉輪，葉輪內(nèi)大的氣泡帶出現(xiàn)消失，以小氣泡為主。葉輪和蝸殼逐漸充滿液體，葉輪的載荷迅速增加。此時(shí)，5個(gè)振動監(jiān)測點(diǎn)的振動強(qiáng)度均有所增加，最大振動強(qiáng)度接近1.6 m/s2，其中5#監(jiān)測點(diǎn)的首要激勵頻率為56 Hz，其正好為葉片的通過頻率，即葉頻。這說明模型泵自吸過程接近完成，進(jìn)入正常工作階段。觀察自吸臨近結(jié)束的振動頻譜，其激勵頻率主要集中在25 Hz～400 Hz的低頻段。

2.4 回流孔位置對自吸性能及振動強(qiáng)度的影響

模型泵在不同回流孔下的自吸總時(shí)間對比值，如表1所示。從表1可以看出，在相同的啟動時(shí)間下：C1回流孔對應(yīng)的自吸時(shí)間最長，為137 s；C2次之，為79 s；C3，C4和C5自吸時(shí)間接近，其中C4回流孔對應(yīng)的自吸時(shí)間最短，為63 s。不同回流孔方案下模型泵自吸過程的振動強(qiáng)度分布特征，如表2所示。該值為整個(gè)自吸過程各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的振動加速度均方根值。對比不同回流孔下的振動強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)：①不同回流孔方案下的總體振動強(qiáng)度變化幅度不大，1#監(jiān)測點(diǎn)的最大振動強(qiáng)度與最小振動強(qiáng)度的差值為0.141 m/s2，2#監(jiān)測點(diǎn)的最大振動強(qiáng)度與最小振動強(qiáng)度差值為0.038 m/s2，3#監(jiān)測點(diǎn)的最大振動強(qiáng)度與最小振動強(qiáng)度差值為0.100 m/s2，4#監(jiān)測點(diǎn)的最大振動強(qiáng)度與最小振動強(qiáng)度差值為0.191 m/s2，5#監(jiān)測點(diǎn)的最大振動強(qiáng)度與最小振動強(qiáng)度差值為0.184 m/s2；②不同回流孔方案下，5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)對應(yīng)的振動強(qiáng)度均為5#監(jiān)測點(diǎn)振動強(qiáng)度最高，3#監(jiān)測點(diǎn)振動強(qiáng)度最低。因此，回流孔位置對自吸性能具有較為顯著的影響，但是對振動強(qiáng)度影響較小。

表1 不同回流孔下自吸時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental result of self-priming time under different backflow holes

表2 不同回流口下模型泵自吸過程振動強(qiáng)度分布Tab.2 Vibration intensity of pump model with different backflow hole during self-priming process

3 結(jié) 論

本文以雙葉片離心泵為研究對象，采用高速攝影技術(shù)和振動測量技術(shù)，開展了泵自吸過程氣液流態(tài)及振動特性的研究，主要結(jié)論如下：

(1) 泵整個(gè)自吸過程可分為——啟動階段、水進(jìn)入葉輪階段和出水管水位上升階段。振動強(qiáng)度隨轉(zhuǎn)速逐步增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 680 r/min時(shí)，振動強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定，并呈現(xiàn)一定的波動。隨著水進(jìn)入葉輪，葉輪的載荷逐漸增大，振動強(qiáng)度呈緩慢增加的趨勢。位于軸承體x方向上的5#監(jiān)測點(diǎn)的振動強(qiáng)度最大，底座對應(yīng)的3#監(jiān)測點(diǎn)的振動強(qiáng)度最小，其余監(jiān)測點(diǎn)的振動強(qiáng)度基本處于同一水平。自吸過程中，振動強(qiáng)度主要誘導(dǎo)因素為葉輪內(nèi)的非定常徑向力和非對稱分布?xì)馀輰?dǎo)致的葉片上不均勻流體作用力。

(2) 自吸過程的振動激勵頻率主要分布在700 Hz～1 200 Hz的中頻段，并以寬頻振動為主。整個(gè)自吸過程，葉輪左側(cè)存在一個(gè)明顯氣泡帶。當(dāng)自吸過程臨近結(jié)束時(shí)，隨著大量液體進(jìn)入葉輪，氣泡帶逐漸消失。葉輪和蝸殼逐漸充滿液體，葉輪的載荷迅速增加，最大振動強(qiáng)度接近1.6 m/s2，首要激勵頻率為葉片通過頻率56 Hz，激勵頻率主要集中在25 Hz～400 Hz的低頻段。

(3) 回流孔位置對自吸時(shí)間具有較為顯著的影響，但是對振動強(qiáng)度影響較小。C1回流孔對應(yīng)的自吸時(shí)間最長，為137 s；C4回流孔對應(yīng)的自吸時(shí)間最短，為63 s。不同回流孔方案下的總體振動強(qiáng)度變化幅度不大，5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)對應(yīng)的振動強(qiáng)度均為5#監(jiān)測點(diǎn)振動強(qiáng)度最高，3#監(jiān)測點(diǎn)振動強(qiáng)度最低。