运行工况对离心泵振动影响的试验研究

CHEN Chang-sheng 1, MA Jun 2, LIU Rui-feng 1, ZHOU PU 1, WANG Qiang 1
( 1. Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031, China; 2. Office of Representative Stationed in Huludao 431 Factory, Huludao 142254, Liaoning China )
Key words : vibration and wave ; centrifugal pump ; rotation speed ; flow rate
多工况运行一直是船用设备的特点，所以在对 船舶减振降噪要求越来越高的今天，研究工况对船 用离心泵振动的影响显得尤为重要。
文献 [1]指出，在设计工况和大流量工况下，叶 片通过频率在脉动频域中占主导地位，而在小流量 工况下，低于 1 倍叶片通过频率的脉动占主导地位; 压力脉动幅值随着流量偏离设计工况的程度而变 化。用高频压力传感器和水听器分别采集离心泵出
工况时，应采用调节降低转速代替阀门调节等对离心泵低噪声运行的有利措施。
关键词：振动与波；离心泵；转速；流量
中图分类号：TH3；TK417+.127
文献标识码：A
DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2012.06.046
Experimental Study on Centrifugal Pump Vibration in Different Operation Conditions
运行工况对离心泵振动影响的试验研究
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文章编号：1006-1355(2012)06-0199-04
运行工况对离心泵振动影响的试验研究
陈长盛 1，马 俊 2，柳瑞锋 1，周 璞 1，王 强 1
( 1. 上海船舶设备研究所 减振中心，上海 200031； 2. 海军驻葫芦岛 431 厂军代表室，辽宁 葫芦岛 142254 )
可看出，泵组振动实测值总体变化趋势与理论计算
值趋势基本一致。
特征频率点（泵组轴频、叶频）处对应幅值随转速变 化并没有呈现显著的趋势性变化。
3 流量变化对离心泵振动的影响
所用离心泵组设计额定流量为 100 t /h，取不同 气蚀限值系数下的泵身测点 z 向振动加速度进行分 析，共作出三条曲线，如图 6 所示，当离心泵流量偏 离设计值时，振动比较大。
图 2 离心泵振动加速度频谱 Fig. 2 The spectrum of pump vibration
从图中可以看出，泵组在低频部分主要的激励频率 为设备的基频(f = n/60 Hz)、基频的二倍频（f = 2 n/ 60 Hz）、离心泵两级叶轮的叶频(f = n z/60 Hz)、离心 泵叶频的二倍频(f =2 n z/60 Hz)等，式中：n 为离心泵 的转速(转/分)，z 为叶轮的叶片数目。驱动电机引起 的高频段电磁频率不在本文讨论范围之内。
（3）在需要小流量工况运行时，应尽量避免使 用阀门调节，尽量采用变速调节的办法，降低泵的转 速，这样既可以保证泵的压头，又可以使泵内的流动 情况变好。同时，由于转速降低，泵的机械振动和噪 声也会随之降低。
本文通过一系列试验，重点考虑转速和流量两 种参数的变化，研究运行工况变化对离心泵振动的 影响。
2012 年 12 月
噪声与振动控制
第6期
1 离心泵主要激励频率分析
试验所用泵组主要由离心泵、电机、轴封和支架 等组成，采用立式安装，其结构如图 1 所示。
基频主要是由转子不平衡力所引起，二倍基频 产生凸峰通常是由电机转子和水泵转子的对中不平 衡引起；离心泵叶频主要由叶轮液体与蜗舌和蜗壳 的相互作用而产生周期性压力脉动所导致，二倍叶 频通常是由回流压力脉动等因素导致。
Baidu Nhomakorabea
图 4 低频段振动加速度实测值与计算值对比图 Fig. 4 The contrast between experimental value and
calculated value
再分析泵组转速变化对于泵组具体频率点处振 动幅值的影响。
选取其中六个转速点进行分析，通过数据处理， 并绘制成曲线，从下图 5 所示可以看出，振动线谱中
实测平均值 123.58 124.39 125.39 126.11 127.09 127.72 128.47 129.33 129.87 130.64 131.29 132.4
公式计算值 125.36 126.13 126.87 127.58 128.26 128.91 129.55 130.16 130.74 131.31 131.87 132.40
随着流量的增加，泵组的振动在逐渐变小，当流 量达到 100 t /h 时，泵组的振动最小，此时为泵组最 佳运行状态，流量继续增加时，振动会逐渐增大。
图 7 为泵身振动加速度的 1/3 倍频程曲线，从图 中可以看出，100 t /h 的设计流量下的倍频程曲线几 乎 始 终 低 于 小 流 量 工 况（53.8 t /h）和 大 流 量 工 况 （120 t /h），可见流量对水泵振动加速度的影响几乎 在全频段(20 Hz～10 kHz)，流体对泵组振动的影响 在低频段(20 Hz～200 Hz)为 7 dB，中频段(200 Hz～ 1 kHz)为 3 dB，高频段(1 kHz～10 kHz)为 13 dB。因 此，水泵流量的变化，主要引起流体激励对低频和高 频的影响。
本文选取低频段的试验值和公式计算值进行比
较验证，数值如表 1 所示。“实测平均值”一列数据为
泵组低频段振动加速度实测值随泵组转速变化而变
化的情况；“公式计算值”一列数据为以泵组额定转
速 990 r/min 对应振动加速度值代入经验公式计算
所得到的泵组振动量值随泵组工作转速变化而变化
的情况。将两列数据绘成曲线如图 4 所示。从图中
摘 要：船用设备的特点是多工况运行，为研究变工况对船用离心泵振动的影响，对离心泵组进行试验研究，从转
速、流量等参数变化进行综合分析，试验结果验证转速—振动经验公式，并总结出离心泵振动水平与转速的 4～9 次幂
成正比；流量变化对低、高频振动的影响比中频段的影响更为明显，在特征频率叶频处表现得尤为突出；在需要小流量
运行工况对离心泵振动影响的试验研究
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根据经验公式，离心泵转速与振动有如下关系
ΔLQ
=
10
lg
æ
ç
è
n n0
γ
ö
÷
ø
(1)
式中的系数γ 对于不同的频率范围是变化的。
在由机械和流体动力不稳定所引起振动的 f = 5~
200 Hz 范围内，γ =4。在由流体动力源引起振动的
f =200 ~1 000 Hz 范围内，γ = 6。
2 转速变化对离心泵振动的影响
离心泵转速与泵组振动之间关系研究分为两个 层次：(1)泵组转速与泵组振动总振级之间的关系； (2)泵组转速变化对于泵组具体频率点处振动幅值 的影响。
图 1 泵组结构示意图 Fig. 1 The structure of centrifugal pump
图 2 所示为离心泵机脚振动加速度频谱。其中 (a) 图所示为单级离心泵；(b) 图所示为双级离心泵。
图 6 泵身振动加速度随流量变化曲线 Fig. 6 The pump vibration under different flow rate
图 5 特征频率幅值随转速变化趋势图 Fig. 5 The characteristic frequency under different ratate speed
图 3 泵组机脚加速度随转速变化关系 Fig. 3 The pump vibration under different ratate speed
表 1 泵组低频段振动加速度值 Tab. 1 The low frequency vibration of pump
转速/ (r/min) 660 690 720 750 780 810 840 870 900 930 960 990
在研究转速的影响时，将振动频谱分为低频段 （20 Hz ~200 Hz）、中频段（200~1 kHz）和高频段（1 kHz ~10 kHz）。取泵组机脚处振动加速度平均值进 行分析。图 3 所示为离心泵组机脚加速度随转速变 化曲线，该泵组设计额定转速为 990 r/min，从结果可 以看出，随着转速的增加，泵组振动呈上升趋势。其 低频段振动增加 9 dB，中、高频段振动增加 6 dB。
Abastract : Multi-loaded operation is always a feature of marine equipment. Experiments were done on marine centrifugal pumps to study the influence of the shifting-load. Variation of parameters related to rotation speed and flow rate was analyzed. Results of experiments confirmed the empirical formula of the rotation speed against vibration. It was concluded that the vibration level of the centrifugal pump is proportional to the forth to ninth power of the rotation speed. Changing of flow rate has a greater influence on low and high frequency vibration than that on intermediate frequency vibration. The influence even becomes much larger at the characteristic frequency of blades of the centrifugal pump. The general conclusion is that when low flow rate operation condition is required, the rotation speed of the pump should be lowered to reduce the operation noise instead of adjusting the valve of the pump.
图 7 泵身振动加速度 1/3 倍频程 Fig. 7 The octaves 1/3 of pump vibration
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噪声与振动控制
第6期
4 结语
通过对离心泵不同运行工况进行振动试验，并 对结果进行分析，得出一些有益的结论
（1）泵组振动加速度的实测平均值总体变化趋 势与理论计算值趋势基本一致，说明经验公式有一 定的参考价值；
收稿日期：2012-09-17；修改日期：2012-10-18 作者简介：陈长盛(1988- )，男，江苏盐城人，硕士研究生，研究
方向为振动与噪声控制。 E-mail: chen.cs@hotmail.com
口脉动压力和流动噪声信号，文献 [2]得出小流量和 设计流量下，流动噪声可以近似看作是由压力脉动 引起的，可以用压力脉动来预测流动噪声的大小，大 流量下进行流动噪声预测时，除了考虑压力脉动外， 汽蚀和湍流等作用不容忽视。文献 [3]则研究了出 口压力变化对噪声的影响：在泵轴转速保持不变的 条件下，离心泵出口压力变化会导致离心泵内部流 场特性发生变化，进而使流体与结构的相互作用关 系发生变化。
根据试验结果和对经验公式的分析，离心泵振 动强度增量与转速的关系符合：离心泵的振动水平 与转速的 4～9 次幂成正比，与叶轮出口线速度的 4～9 次幂成正比；
（2）离心泵在设计流量下，泵内的压力场和流 动都比较均匀；但在偏离流额定量情况下离心泵内 的流动要比设计流量下大为恶化，对低、高频振动的 影响比中频段的影响更为明显，在特征频率叶频处 表现得尤为突出；