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运用晃震性能勘测流体泵的运转情况

2011-08-23 08:19:46中国泵阀招标网

  

  1卡门涡街原理的应用

  如1所示,将叶轮叶片和压水室的隔舌看作是旋涡发生体,介质流经叶片和隔舌以后,旋涡列会在叶片后缘和隔舌后形成整齐排列的象街道一样的旋涡列,这就是卡门涡街。旋涡的发射频率为:

  f = Shu2r(1)

  式中r为特征长度, u为平均流速, Sh为斯特劳哈尔数。斯特劳哈尔数Sh为相似不变数是卡门涡街的一个重要特性,对各种形状的旋涡发生体,在一定的雷诺数范围内,其值是相对固定的,不随流量和流速的的变化而变化。只要能够测得旋涡的发射频率f,就可以计算出流速进而计算出流量。

  卡门涡列从旋涡发生体(隔舌)上形成时,流体会给隔舌一个作用力,这个力是周期交变的,其频率与涡流的发射频率是相同的。因此可以通过对该交变力的测量来记录旋涡的发生频率。

  2试验装置及数据分析

  2. 1试验装置

  试验装置为2所示的闭式实验台。试验台主要由两部分组成:循环回路装置和数据采集设备。

  循环回路为闭式回路,试验用泵HAS50 - 40额定转速为3 500 r/min,最大流量为23 m 3/h,最高效率点流量约为18. 5 m 3/h,推荐运行点(最优运行工况点)在流量12. 5 m 3/h附近,推荐运行点扬程为40 m.3为管道回路中该泵的泵体。

  测量采集的参量有进出口压力、流量、转速、电机电参量以及各个测点的加速度振动信号。本文中主要分析的是靠近隔舌处的传感器测得的振动信号,该传感器的布置如4.另外,为了检测流动工况对轴承的作用力,同时测量流程泵后轴承上、和三个方向的振动特性,如5所示。传感器型号为M352A60,其性能参数参见1.

  各测量参量经传感器获得以后,经放大器MM ICP Professional增大100倍后输入DL750数据记录仪记录,然后经数据转换后进行所需要的后处理与分析。试验中,振动信号的采集频率为50 kHz.

  1加速度传感器

  M 352A60性能参数Sensitivity mV /g mV / (m / s 2)Range/Hz Bias Level/V 10. 03 1. 023 5~70 000 11. 4

  2. 2数据分析

  试验中共采集了四个位置的振动信号, 4中在泵盖板上测得的值标记为pc,在轴承X, Y和Z处测得的3个振动信号分别标记为BX, BY和BZ,如5所示。由于采用的为压电式加速度传感器测量的振动特性,因此测得的值都是如所示的形式,即数据在0点两侧振荡,为了直观地描述振动的强度,对于测得的振动值序列Vi=( i=1,…, n)

  ,定义范数‖V i‖=(6 n i = 1 V 2 i)/ n(2)来描述振动强度。

  分析各工况下的四个传感器测得的振动特性,结果如7.从中可以看出,在靠近推荐运行点附近,加速度传感器测得的振动强度最小。当偏离原最优运行工况点时(无论流量大还是流量小) ,各个测点得到的振动强度都会增加。由此也可以得出下述结论:当流程泵偏离最优工况运行时,交变轴向力和交变径向力都是增大的。

  3数字信号处理及分析

  3. 1数字信号处理

  应用快速傅立叶变换对获得的6所示的信号进行频谱分析,得到的频谱图见8, 8中纵坐标为幅值A,单位为10- 4m / s 2.根据8所示的频谱图对故障特性进行分析很困难,这是因为得到的原始信号是调制形式,需要对信号进行解调。

  采用基于EMD的能量算子解调方法对振动信号进行解调预处理以及幅值和频率的提取。分别得到的各测试流量下的最终计算结果如所示,各图中纵坐标为幅值A,单位为10- 4 m / s 2, 9 a、9 b、9 c、9 d、9 e、9 f分别为流量4. 29, 7. 50,11. 29, 16. 37, 19. 91和22. 99 m 3/h的频谱图。

  3. 2结果分析

  2为各测量流量下对应的平均转速值。由于是5叶片叶轮,故叶片的通过频率是工频的5倍。

  2测量参数平均值流量/ (m 3 /h)主轴转频/Hz叶片通过频率/Hz 4. 29 57. 8 289. 2 7. 50 58. 0 289. 9 11. 29 57. 7 288. 3 16. 37 57. 6 287. 8 19. 91 57. 4 287. 2 22. 99 57. 4 287. 2

  3为9中的最大幅值和次大幅值对应的频率。由2和3知,所得频谱图的最大幅值处频率与叶轮叶片的通过频率的最大误差没有超过0. 5%.

  故最大幅值处的频率就是叶轮叶片的通过频率。

  3频谱图特性说明流量/ (m 3 /h)最大幅值处频率/Hz次大幅值处频率/Hz 4. 29 290 - 7. 50 291 22 555 11. 29 289 21 121 16. 37 289 21 121 19. 91 288 16 098 22. 99 288 -

  3. 3运行工况的判断

  从流量为4. 29 m 3/h到阀门全开时的22. 99 m3/h,在叶轮后缘以及泵体隔舌部,液流的雷诺数从4. 3×10 4到2. 3×10 5,在2×10 4~7×10 6范围内,即符合斯特劳哈尔数为相似不变数的条件。

  根据卡门涡街原理以及试验用泵的设计尺寸计算得到长工验用泵在设计流量点由叶片后缘和隔舌部作为旋涡发生体所串联发生的卡门涡街的频率应该是24 971. 72 Hz.计及试验用泵铸件的加工精度以及计算频率时当量直径的理论误差,认为前述得到的次大幅值处频率就是卡门涡街的发射频率。

  流体绕流不良流线型体时,只要发生附面层脱体现象,就会出现卡门涡流及相应的横向激振力,但并不都能形成规则的卡门涡街。由于离心泵流道复杂,伴有叶轮的相对运动,所以并不能在所有工况下都测得卡门涡列的发射频率。0为本例的情况,当流量大于22 m 3 /h或小于6 m 3 /h时,所得频谱图就没有明显的幅值了,如 a和 f所示。

  泵的振动有多种原因和形式,但通常状况下泵的所有振动都与泵的运行工况相关。当泵在设计工况附近工作时,泵内部的流动是最理想的,此时发生的卡门涡列也是最明显的,随着运行工况偏离设计工况,流动状态越来越复杂,卡门涡列对传感器的影响就会弱化。因此定义下述参数描述卡门涡列的相对强度:Kr A = A Kr‖A i‖(3)式中A Kr为9中各频谱图中的次大幅值,也就是卡门涡列的发射频率对应的幅值。‖A i‖为9中幅值的范数,计算同式(2)。

  根据公式(3)计算得到各流量点的KrA值如11所示。当泵的运行流量在9~18 m 3/h之间时(约相当于最优运行工况点流量的72%到144%之间) ,KrA值大于30且变化比较平缓。所以可以将此时的KrA值作为该泵运行工况的判据。也就是说,当该泵的KrA值大于30时,认为它是在允许的范围内运行的。该泵在转速为1 750, 2 000, 2 500和3 000 r/min下的实验也证明了这一判据。

  通常情况下,泵的容许运行区域在设计点的上下30%内。由于采用的实验用泵为加大流量设计法得到的泵,其容许的运行区域向大流量方向偏移。

  所以,本文结果与实际运行经验也是一致的。

  4结论

  泵在偏工况下运行是导致泵产生故障的主要原因。泵发生故障的基本表现形式就是振动的升高。

  根据振动信号的频谱分析判断泵是否偏工况运行的方法,并建立了相应的判据。该判据的建立是以泵内部的流动振动为基础的,所以对所有的泵是否偏工况运行具有普适性。

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