夏遠志，明廷鋒，蘇永生，曹玉良

(海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢430033)

0 引言

離心泵與其他類型的泵相比較具有體積小、揚程高、性能平穩(wěn)等特點，廣泛應用于工業(yè)和城市給排水、煉化、遠距離送水、采油等配套設備中。

在離心泵運行過程中，較易發(fā)生空化現(xiàn)象，空化現(xiàn)象對離心泵的危害巨大，影響機械的運行效率，嚴重時會使泵產(chǎn)生汽蝕故障［1-2］。因此，對空化現(xiàn)象進行監(jiān)測研究，為離心泵的科學合理使用提供重要保障，不僅能夠有效防止離心泵因長時在空化區(qū)工作而產(chǎn)生空化汽蝕故障，提高裝備使用壽命，還可以節(jié)省大量維修經(jīng)費，具有較高的應用價值［3］。

國內外學者對空化監(jiān)測方法主要有噪聲法、壓力法、振動法、高速攝影法以及超聲監(jiān)測法等［4］。本研究開展離心泵空化現(xiàn)象模擬試驗研究，設計并搭建一個離心泵綜合試驗平臺，使用美國NI 公司的Lab-VIEW 軟件來編制離心泵空化監(jiān)測系統(tǒng)，模擬離心泵空化現(xiàn)象，通過記錄離心泵進、出口瞬態(tài)壓力值，判斷空化狀態(tài)，并對離心泵空化狀態(tài)前后的振動信號和水聲信號的變化進行特征提取，為空化狀態(tài)的識別提供判斷依據(jù)。

1 綜合試驗平臺及試驗方案

1.1 離心泵綜合試驗平臺設計及組成

試驗臺主要由離心泵機組、水箱、管道、流量計、傳感器、閥門等組成。離心泵機組選用順達公司型號為CIS-125-100-200 的臥式離心泵機組，采集系統(tǒng)為北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的USB2815 數(shù)據(jù)采集卡，最高采樣頻率為250 kHz，16 通道A/D 輸出，并附帶4 通道D/A 輸入，可實現(xiàn)利用軟件對離心泵進、出口電動閥、電動機轉速進行調整控制。離心泵測試平臺結構圖如圖1(a)所示，離心泵測試平臺實物圖如圖1(b)所示。

圖1 試驗臺的結構圖及實物圖

1.2 空化模擬試驗方案

1.2.1 空化模擬的基本原理

汽蝕余量NPSHA，又稱為有效汽蝕余量，其值越大越不易汽蝕［5］。裝置汽蝕余量是由泵提供的，隨流量和進水口處壓力改變而改變，單位為m，其數(shù)學表達式為［6-7］:

式中:P絕—泵入口處絕對壓力，Pa;P汽—常溫下，液體的汽化壓力，Pa;V1—泵進口截面處液體的速度，m/s;ρ—液體的密度，kg/m3;g—重力加速度，取9.8 N/kg;Hg—泵安裝高度(泵進口中心線距離水箱液面高度差)，m。

離心泵在電機的驅動下以一定的轉速運行，水箱中的水不停地從低處吸到高處，分別利用安裝在離心泵進、出口處的壓力傳感器、轉速傳感器、電磁流量計便能測出其進口壓力P1、出口壓力P2、轉速n、流量Q，進而計算出揚程H，離心泵的揚程H 數(shù)學表達式可寫為:

式中:P1，P2—泵進口、出口截面處液體的壓強，Pa;Z1，Z2—泵進口、出口截面中心到基準面的距離，m;D1，D2—泵進口和出口的截面內徑，m;Q—水泵流量，m3/s。

在定轉速N 和定流量Q 條件下，通過改變電動蝶閥的開度，實現(xiàn)空化現(xiàn)象。通過測量離心泵進、出口壓力和流量，就能計算出裝置汽蝕余量NPSHA 和揚程H的值。

1.2.2 空化試驗方案

離心泵的空化模擬試驗選取3 個工況點［8］:全部以額定流量QG為參考點，具體分點如下:0.6 QG，0.8 QG，QG。

試驗時，可通過對各閥門的開關狀態(tài)調節(jié)，實現(xiàn)雙泵串聯(lián)、并聯(lián)等各項綜合試驗。本研究中的空化模擬試驗只對離心泵Ⅱ機組進行操作，進行泵的空化試驗時，利用相應閥門的開、閉和調節(jié)，形成離心泵Ⅱ的單泵工作回路，水泵抽水時，為了使流量保持不變，需要在改變泵入口處電動蝶閥的開度的同時，及時改變泵出口處電動蝶閥的開度，通過測量離心泵進、出口壓力和流量，計算出揚程H 和裝置汽蝕余量NPSHA 值，繪制出規(guī)定轉速下，流量為定值時的H ～NPSHA 曲線。當揚程下降值ΔH =H0－H'≥3%H 時，本研究認為發(fā)生了空化現(xiàn)象，得出此時的汽蝕余量NPSHA 值，即為臨界汽蝕余量NPSH3［9-11］。最后，本研究記錄空化前、后離心泵進、出口瞬態(tài)壓力值、振動信號和水聲信號，進行頻譜分析，通過空化前、后各參數(shù)的特征對比，提取出反應空化現(xiàn)象的有效特征參數(shù)，為離心泵的監(jiān)測提供實時數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)并防止空化現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展。

2 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計

運用虛擬儀器技術開發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)的方式較多，如VB、VC、各類組態(tài)軟件等。其中LabVIEW 是一種語言功能強大，程序開發(fā)效率高、形象直觀，便于修改和移植的編程工具。此外LabVIEW 程序易與各種數(shù)據(jù)采集硬件集成，在通訊與互連接口方面有一定的優(yōu)勢，故本研究選用該工具作為監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)軟件。

該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集部分，數(shù)據(jù)處理與顯示部分以及空化判斷部分。數(shù)據(jù)采集部分將流量、壓力轉換成計算機能監(jiān)測的電流信號，通過數(shù)據(jù)處理與顯示，最后判斷是否發(fā)生空化現(xiàn)象。離心泵空化監(jiān)測系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2 離心泵空化監(jiān)測系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)可采集的數(shù)據(jù)有:水泵進口壓力、出口壓力、流量、轉速、泵外殼振動信號、泵入口水聲信號等。軟件對采樣模式和采樣通道、采樣頻率等參數(shù)進行設置，并設置了單通道最低采樣率判斷模塊，通過比較單通道采樣率與單通道允許能對采樣率過低及時提出反饋，需要用戶修改設置。

軟件設置了空化前后數(shù)據(jù)對比模塊，通過比較試驗過程中，離心泵揚程ΔH/H 是否大于等于3%，如果條件成立，系統(tǒng)能及時對空化現(xiàn)象進行報警，并終止程序和保存數(shù)據(jù)，并畫出其H ～NPSHA 曲線，記錄此時的臨界汽蝕余量NPSH3值。監(jiān)測系統(tǒng)主界面如圖3所示。軟件利用阿爾泰公司的USB2815 數(shù)據(jù)采集卡的D/A 模擬量輸出功能，使用DAC7625U 轉換器，輸出4 通道(0 ～5)V 電壓，分別控制電動蝶形閥1 和2，調節(jié)離心泵Ⅰ進、出口的開度。調節(jié)過程可使用Lab-VIEW 軟件面板完成，具有響應速度快、操作安全、方便等優(yōu)點。

為了對程序進行頻域分析，本研究使用“FFT Power Spectrum.vi”來進行信號的頻譜分析，利用“提取單頻信息”控件，提取轉速信號，通過數(shù)字濾波器控件來實現(xiàn)轉速信號的濾波功能。監(jiān)測系統(tǒng)主界面如圖3所示。其主要由參數(shù)設置模塊、波形和數(shù)值顯示模塊以及數(shù)據(jù)保存模塊等組成。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)主界面

3 試驗結果分析

本研究通過對比空化前、后壓力信號、振動信號、水聲信號，進行頻譜分析，提取空化發(fā)生后泵的特征參數(shù)，為空化及時判斷提供科學依據(jù)。

3.1 性能試驗結果

各工況狀態(tài)下的H ～NPSHA 曲線如圖4所示。由各工況狀態(tài)下的H ～NPSHA 曲線圖可知，各流量下臨界汽蝕點基本集中分別在揚程為14.5 m、13.7 m、12.8 m 附近，由各工況狀態(tài)下臨界汽蝕余量值為:1.35 m，1.95 m，2.10 m。

圖4 各工況狀態(tài)下的H ～NPSHA 曲線

3.2 空化模擬試驗數(shù)據(jù)分析

在汽蝕發(fā)生前、后，離心泵進、出口壓力，振動以及水聲信號有明顯的變化。本研究將采集到的數(shù)據(jù)進行分析后發(fā)現(xiàn)，頻域信號特性比時域信號特性更容易區(qū)分［12］。

3.2.1 空化前、后進、出口壓力信號分析

流量66.5 m3/h 工況條件下，進、出口壓力頻域信號在空化前后的比較圖如圖5(a)、5(b)所示。流量80 m3/h 工況條件下，進、出口壓力頻域信號在空化前后的比較圖如圖5(c)、5(d)所示。流量100 m3/h 工況條件下，進、出口壓力頻域信號在空化前后的比較圖5(e)、5(f)所示。從該頻譜圖可以看出空化前、后壓力信號變化主要集中在低頻，出口處壓力信號對空化較敏感，在400 Hz ～500 Hz 頻段上，壓力信號在空化后都有明顯的增強。而在80 Hz ～100 Hz 頻段上，進口壓力信號在空化發(fā)生后都有明顯的減弱，其主要由空化狀態(tài)下離心泵進出口壓力的能量交換受到影響導致。

圖5 各工況狀態(tài)下空化前后進、出口壓力頻譜圖

3.2.2 空化前、后進、出口振動信號分析

流量66.5 m3/h 工況條件下，進、出口振動頻域信號在空化前、后的比較圖如圖6(a)、6(b)所示。流量80 m3/h 工況條件下，進、出口振動頻域信號在空化前后的比較圖如圖6(c)、6(d)所示。流量100 m3/h 工況條件下，進、出口振動頻域信號在空化前后的比較圖如圖6(e)、6(f)所示。從該頻譜圖可以看出，振動信號主要集中在高頻［13］。空化后，進口振動信號在0.9 kHz ～1.3 kHz 頻帶上以及出口振動信號在0.8 kHz ～1.1 kHz頻帶上有明顯增加，其主要原因是空化狀態(tài)下，空泡潰滅，就會形成壓力脈動，撞擊流道表面，形成振動。當頻率與其他零件相近時，會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

圖6 各工況狀態(tài)下空化前后進、出口振動信號頻譜圖

3.2.3 空化前、后水聲信號分析

流量66.5 m3/h 工況條件下，水聲頻域信號在空化前、后的比較圖如圖7(a)、7(b)所示。流量80 m3/h工況條件下，水聲頻域信號在空化前、后的比較圖如圖7(c)、7(d)所示。流量100 m3/h 工況條件下，水聲頻域信號在空化前后的比較如圖7(e)、7(f)所示。從該圖可以看出空化前后水聲信號在整個頻域上都有能量分布，且頻域比時域更易區(qū)分?？栈?，水聲信號在12 kHz附近出現(xiàn)明顯的峰值，由圖可知，水聲信號主要體現(xiàn)寬頻特性，各頻段幅值均有變化，但變化程度有所不同，這與不同空化程度下的空泡數(shù)量與大小有關系［14］。

圖7 各工況狀態(tài)下空化前、后水聲信號頻譜圖

4 結束語

本研究通過對離心泵空化前后進、出口壓力信號、振動信號以及水聲信號的測量與分析，得出空化前、后的特征參數(shù)，對離心泵的運行維護有較高的應用價值。其結論如下:

(1)空化前后進、出口壓力信號、振動信號以及水聲信號變化都較明顯，可以作為空化監(jiān)測的特征量。

(2)空化時壓力信號特性主要集中在低頻，出口處400 Hz ～500 Hz 時，壓力信號在空化后都有明顯的增強。而進口處80 Hz ～100 Hz 在空化發(fā)生后都有明顯的減弱。

(3)空化時振動信號特性主要集中在高頻，進口振動信號在0.9 kHz ～1.3 kHz 頻帶上以及出口振動信號在0.8 kHz ～1.1 kHz 頻帶上有明顯增加。

(4)水聲信號在整個頻域上都有能量分布，空化后，頻率在12 kHz 附近出現(xiàn)明顯的峰值。

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