离心泵非设计工况空化振动噪声的试验测试_王勇

第28卷 第2期 农 业 工 程 学 报 Vol.28 No.2

2012年 1月 Transactions of the CSAE Jan. 2012 35

离心泵非设计工况空化振动噪声的试验测试

王 勇，刘厚林，袁寿其，谈明高，王 凯

（江苏大学流体机械工程技术研究中心，镇江 212013）

摘 要：在离心泵闭式试验台上，基于虚拟仪器数据采集系统和泵产品测试系统建立了离心泵空化诱导振动噪声的试验测试系统，实现了泵性能参数和空化诱导振动噪声信号的同步采集。以一台单级单吸离心泵为研究对象，测量了模型泵在不同流量下，空化余量(NPSH)变化时的振动和噪声信号并对其进行了处理，得到了不同流量下振动加速度和噪声声压级随NPSH变化的曲线图。试验结果表明：不同流量下，随NPSH的下降，振动加速度和声压级先保持不变然后明显升高，据此可以初步判断泵的初生空化余量；泵体的振动强度高于其他测点；除轴向振动变化规律复杂外，其余测点随着流量的增加振动加强。

关键词：离心泵,空化,振动,噪声,试验,非设计工况 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.02.007

中图分类号：TH311 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2012)-02-0035-04

王 勇，刘厚林，袁寿其，等. 离心泵非设计工况空化振动噪声的试验测试[J]. 农业工程学报，2012，28(2)：35－38.

Wang Yong, Liu Houlin, Yuan Shouqi, et al. Experimental testing on cavitation vibration and noise of centrifugal pumps under off-design conditions[J]. Transactions of the CSAE, 2012, 28(2): 35－38. (in Chinese with English abstract)

0 引 言

离心泵广泛应用于城市给水、石油化工、船舶工业、航空航天、农田灌溉等国民经济各个领域。随着泵向高速化小型化方向发展，空化问题更是显得尤为突出。空化的产生会使泵的效率下降、扬程降低，破坏过流部件表面，同时会产生振动噪声[1]。振动噪声不仅恶化劳动条件、缩短泵的运行寿命，而且影响人的身体健康和精神状态，尤其不利于对隐蔽性极高的潜艇等国防设备。空化诱导振动噪声是泵内流动诱导振动噪声研究领域的热点，国内外学者进行了一些研究，取得了一定的研究成果。Alfayez等[2]介绍了声发射技术在检测离心泵初生空化和确定最优工况方面的应用。Leighton[3]、Fanelli[4]、Li[5]等分别对空化诱导噪声做了大量的试验研究，提出了相应的数值算法，但这些算法只适用于设计工况。Chudina等[6-7]通过试验发现一个固定离散频率对应着离心泵的诱导噪声的分析，探讨了基于小波熵的空化初生检测和空化状态识别方法。 erneti [8]通过加速度传感器和麦克风测量动力泵的振动和噪声进而监测泵的初生空化余量。苏永生等[9]通过获取非空化与空化状态下离心泵壳体的振动与出口压力信号的特征，来识别泵的空化初生。刘源等[10]将小波熵方法引入空化诱导噪声的分析，探讨了基于小波熵的空化初生检测和空化状态识别方法。张收稿日期：2011-04-04 修订日期：2011-06-11

基金项目：国家杰出青年基金项目（50825902）；国家自然基金项目（51079062）；江苏省自然科学基金创新学者攀登项目（BK2009006）；江苏省“333高层次人才培养工程”科研项目；江苏省“六大人才高峰”资助项目。 作者简介：王 勇（1982－），男，吉林白山人，博士生，主要研究方向为泵空化特性研究。镇江 江苏大学流体中心，212013。Email：wylq@

俊华等[11]用宽频传感器测试不同空化程度下的声信号，

分析声信号的频谱特征随空化发展的变化规律。

目前，对于泵空化诱导振动噪声的研究主要集中在泵设计工况下的空化监测，还没有对泵多工况下的振动噪声特性进行全面深入的研究。为此，以一台单级单吸离心泵为研究对象，通过试验测试的方法来研究非设计工况下离心泵空化状态与振动噪声信号之间的关系，为深入研究离心泵空化诱导振动噪声的机理及低空化振动空化噪声离心泵的水力设计方法提供基础。

1 试验测试系统

1.1 试验装置

试验装置由汽蚀筒、稳压罐、进出水管路、阀门、真空泵、电机、压力变送器、高频传感器、水听器、泵产品测试系统和虚拟仪器数据采集系统等部分组成，试验在江苏大学流体机械工程技术研究中心闭式试验台上进行，图1为离心泵闭式试验台装置示意图。

注：1.真空泵 2.汽蚀筒 3、4、8、10.碟阀 5.涡轮流量计 6.压力变送器 7.模型泵 9.电机 11.稳压罐 12、13.球阀

图1 试验装置示意图

Fig.1 Sketch map of experimental equipment

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农业工程学报 2012年

1.2 数据采集系统

虚拟仪器技术由于具有性能高、扩展性强、开发时间少等优势而得到广泛应用[12]。模型泵在空化状态下产生的噪声信号和振动信号由美国NI公司的PXI-4472B动态信号采集模板来采集，振动信号和噪声信号分别用加速度传感器和水听器来测量。加速度传感器选用美国PBC公司的MA352A60，使用频率范围为5～70 kHz。水听器的型号为ST70，使用频率范围为50～70 kHz，接收声压灵敏度为-204 dB。传感器的输出信号通过采集模板硬件转换输入到虚拟仪器驱动程序中，应用LabVIEW中的DAQ Assistant功能实现振动噪声信号的显示和采集[13]。

模型泵和电机的测量参数由江苏大学自主开发的泵产品测试系统进行数据采集，并通过自带的测试分析软件进行数据处理，计算得到泵额定转数下的流量、扬程和效率。测量参数包括：模型泵的进出口压力，流量和转速，电机的电压、电流和功率等7个参数。进出口压力变送器的量程分别为-100～100 kPa和0～600 kPa。涡轮流量计的型号为LW-80，流量计系数为11.1346。转速由转速传感器测量。本文建立的数据采集系统实现了泵性能参数与振动噪声信号的同步采集。

根据奈奎斯特采样定理和振动噪声的测试范围确定采集模块的采样时间间隔和采样数，一般取采样频率为最高有用频率的3～4倍[14]。确定采样时间间隔 t=0.5× 10-6 s，采样数N=2 000。 1.3 试验用泵与测点位置

试验模型为一单级单吸离心泵，其主要几何参数如表1所示。叶轮水力图如图2所示。模型泵设计工况下的运行参数为：设计流量Q0=50 m3/h，扬程H=30 m，转速n= 2 900 r/min。

表1 模型泵的几何参数

Table 1 Geometric parameters of model pump

叶片数/叶轮进口叶轮出口叶片出口叶片出口蜗壳基圆蜗壳进口

枚 直径/mm 直径/mm 宽度/mm角/(°) 直径/mm宽度/mm5 71 168 10

33 184 20

图3 加速度传感器安放位置

Fig.3 Mounting for acceleration sensors

2 结果及分析

2.1 空化特性曲线

试验时首先打开模型泵进口管路上的蝶阀，关闭模型泵出口碟阀，因为离心泵零流量时功率最小，所以关阀启动离心泵。泵启动后调节泵出口碟阀，使泵运行工况分别为流量Q=35、45、50、60、65 m3/h，待模型泵运行稳定后，启动真空泵，降低汽蚀筒内压力，逐渐减少装置空化余量（net positive suction head，NPSH），每次降低5～10 kPa。每个工况下均保证整个试验过程中模型泵的运行流量始终保持不变。对于各个流量下不同的NPSH，分别应用泵产品测试系统和虚拟仪器动态信号采集模板同步采集模型泵的性能参数和振动噪声信号。图4为模型泵不同流量下的空化性能曲线。

注：H为扬程；NPSH为空化余量；Q/Q0为流量系数。

图4 模型泵空化性能曲线

Fig.4 Cavitation performance curves of model pump

图2 模型泵叶轮水力图

Fig.2 Hydraulic diagram of impeller for model pump

水听器采用齐平式安装方式，将水听器直接安装在管壁上，使其探头与测压点周围的壁面处于“齐平”的状态，直接测量管内的噪声[15]。噪声测点在模型泵出口四倍管径处。4个加速度传感器分别安装在泵体、进出口法兰以及泵角上，具体安放位置如图3所示。

从图4中可以看出，当NPSH较大时，泵内无空化产生，泵的能量特性不受影响，扬程保持不变；随着NPSH的逐步降低，泵内的空化程度将逐步恶化，导致泵的扬程下降。随着流量的增加泵的扬程依次减小，空化性能逐渐变差。

2.2 振动特性分析

取振动加速度信号的均方根值T来表征振动加速度的平均能量，则均方根值T的表达式为

T

（1）

式中，Xk为振动加速度信号测量值，m/s2；k=1, 2,…, N。

第2期 王 勇等：离心泵非设计工况空化振动噪声的试验测试

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图5为模型泵不同流量下各测点振动加速度信号的均方根值T随NPSH的变化曲线图。从图5中可以看出，不同流量下4个测点的振动强度基本呈现随NPSH的减少先保持微小波动再逐步上升的趋势，这是因为随着NPSH的下降，泵内的空化程度逐步加剧，开始无空化产生，然后产生少量空泡，最后空化严重并影响泵的外特性。因此根据图5中振动强度的变化规律可以推断出泵

在不同流量下运行时，其振动强度增加时的NPSH即为其初始空化余量。除测量轴向振动的测点2外，其余测点上的振动强度，均具有一定的规律性，随着流量的增加泵的振动强度增大。4个测点中，测点3的振动最剧烈，相同流量下的振动强度均高于其他3个测点的振动强度，这主要是由于测点3的位置在泵蜗壳第八断面处，距离泵内空泡溃灭的位置较近，受空化影响较大。

注：T为振动加速度；NPSH为空化余量；Q/Q0为流量系数。

图5 振动强度随空化余量变化曲线

Fig.5 Intensity of vibration with different NPSH

2.3 噪声特性分析

图6为管内噪声声压级随泵有效空化余量NPSH的变化曲线。声压级的计算公式如下[16]

p2p

Lp＝10lg2 20lg （2）

p0p0

式中，P为声压的有效值，Pa；P0为基准声压，在水中

的基准声压为1 μPa。

从图6中可以看出，不同流量工况下声压级随NPSH下降的变化规律基本一致，开始保持在一定声压级下，然后随NPSH的进一步下降而显著增加，这与泵振动强度的变化规律类似。说明空化诱导振动噪声具有一定的内在联系。当NPSH较大时，5个流量工况的噪声声压值接近，随着NPSH的下降，声压级随流量的增加而明显增大。设计工况下随着泵内空化程度的加剧，声压级从84 dB增加到90 dB。

3 结 论

1）基于泵产品测试系统和虚拟仪器数据采集系统在离心泵闭式试验台上建立了泵空化诱导振动噪声测试系统，实现了泵性能参数和空化诱导振动噪声信号的同步采集。

2）随着模型泵内部空化程度的加剧，不同流量下模型泵的振动能量和噪声声压级的变化趋势相似，随空化余量的下降，振动和声压级先保持不变然后明显升高。根据曲线的这一变化规律可以初步判断出模型泵不同流量下的初生空化余量。

3）在本文研究的4个振动测点中，泵体的振动强度高于其他3个测点的振动，可以说明空化对泵体的振动

注：NPSH为空化余量；Q/Q0为流量系数。

图6 声压级随空化余量变化曲线

Fig.6 Noise sound levels with different NPSH

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农业工程学报 2012年

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Experimental testing on cavitation vibration and noise of centrifugal

pumps under off-design conditions

Wang Yong, Liu Houlin, Yuan Shouqi, Tan Minggao, Wang Kai

(Technical and Research Center of Fluid Machinery Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract: Based on virtual instrument data acquisition system and pump product testing system, cavitation induced vibration and noise testing system was established in the centrifugal pump closed experimental rig, and the synchronous acquisition of pump performance parameters and cavitation induced vibration and noise signal were realized. With a single grade end suction pump as research model, whose vibration and noise signal at design and off-design conditions under different net positive suction head were measured and processed, the curves of vibration acceleration and noise level versus different net positive suction head were obtained. Experimental results showed that: as the cavitation intensified, vibration acceleration and noise stabilized at first and then increased apparently, which could be used to decide the inception net positive suction head; The vibration strength of pump volute was higher than that of other measure points. In addition to the complicated changing regularity of axial vibration, the vibration of other measure points augmented with the increase of flow.

Key words: centrifugal pumps, cavitation, vibrations, noise abatement, experiment, off-design condition

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xw14.html