基于试验的离心泵转速瞬变特性研究

转速是旋转机械运行的重要特征之一,离心泵转速的瞬变特征能够很好地反映离心泵内部流动特征及其运行状态,对离心泵的运行状态识别具有十分重要的意义。为了探究离心泵转速的瞬态特性,基于虚拟仪器技术,通过轴编码器对IS-65-50-160型单级单吸离心泵的转速进行了精确测量,通过编写Labview程序对试验数据进行采集,建立不同工况下转速的时频特征谱。分析结果表明:离心泵的转速随着载荷的增大呈现波动下降的趋势;在各个工况下,离心泵的转速均存在一定程度的波动,在设计工况下其转速变化可达21 r/min;转速波动存在一定的周期性,泵转动的轴频是转速波动的主频,且频率主要集中在轴频及轴频以下的低频处;转速波动的RMS值及主频处的振幅值均随着流量的增加而呈上升的趋势。     

离心泵瞬态空化流动及压力脉动特性

基于RNG k-ε湍流模型及输运方程空化模型,考虑空化流动可压缩性影响修正湍流模型,考虑湍流压力脉动对饱和压力影响修正空化模型,对小流量工况离心泵瞬态空化流动进行数值模拟,计算所得扬程随进口压力变化曲线与试验结果吻合较好,能较准确预测离心泵在空化临界点扬程陡降过程。在离心泵叶轮流道中间与叶片压力面、吸力面布置监测点,对比分析非空化、空化时叶轮内压力脉动特性。结果表明：叶轮内压力脉动主频为叶轮转频;在叶轮流道及叶片吸力面,叶轮内压力脉动最大幅值由进口至出口逐渐增大,而在叶片压力面,压力脉动最大幅值在叶片进口4/5处最大。空化流动各监测点压力脉动最大幅值大于非空化,在流道进口处约为非空化时2倍。受蜗舌结构影响,叶轮内各流道空化区域分布不均匀。     

双吸离心泵压力脉动特性数值模拟及试验研究

为深入了解双吸离心泵内部非定常压力脉动特性,对一台双吸离心泵在0.6Q_d、0.8Q_d、1.0Q_d和1.2Q_d工况下的压力脉动特性进行了试验和数值模拟研究,得到了吸水室和蜗壳壁面上3个监测点的压力脉动时频域特性及泵内部压力脉动强度分布。对比试验和数值模拟的泵外特性和监测点的压力脉动功率谱密度,验证了数值模拟的准确性。结果表明:在设计工况和小流量工况下吸水室监测点处叶频是压力脉动的主频,在1.2Q_d时主频转变为轴频,且轴频的幅值随流量变化较小;因吸水室顶部漩涡较多,采用SST k-ω模型进行数值模拟未能准确预测吸水室中的压力脉动。蜗壳上监测点的压力脉动主频为叶频,其振幅随流量的增加先减小后增大,由于蜗壳内压力脉动主要原因为叶轮和蜗壳的动静干涉作用,数值模拟可以准确预测蜗壳中的压力脉动。在小流量时蜗壳出口处监测点的压力脉动主频为轴频,在设计工况和大流量时为叶频,但由于数值模拟未考虑环境因素,使得其结果与试验有偏差。蜗壳中压力脉动强度随着流量增加先降低后变大,在设计工况最低,在设计流量和大流量工况下隔舌断面上压力脉动强度对称分布。     

离心泵蜗壳内非定常流动特性

基于修正的RNG k-ε湍流模型和输运方程空化模型,对离心泵内部非空化和空化的非定常流动进行了数值模拟,计算结果与试验结果吻合较好,验证了数值模型和计算方法的准确性。在离心泵蜗壳内布置了5个监测点,分析了蜗壳内非空化和空化工况时流动特性。结果表明:离心泵非空化和临界空化工况下,蜗壳内压力脉动的主频为叶片通过频率145 Hz或290 Hz,而在充分发展空化工况下,压力脉动的主频非常低,可能原因是空泡剧烈的脱落及溃灭引起的。三种工况下,离心泵蜗壳第2断面附近的压力脉动最大幅值均远大于其它监测点,原因是此处存在较强的二次流,出现了两个非对称反向旋涡,两个旋涡的涡心位置、形状、强度随时间不断变化,对流动产生较强扰动,诱发强烈的压力脉动。     

导叶式离心泵瞬态空化流动及压力脉动分析

采用RNG k-ε湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型对导叶式离心泵进行数值模拟，得到内部压力脉动频谱曲线。结果表明：叶轮监测点压力脉动峰峰值沿流动方向逐渐降低，主频为8倍转频及其倍频；随着空化加剧，叶轮压力脉动峰峰值逐渐降低；正反导叶压力脉动主频均为叶频及其倍频，且幅值随空化发展而增加；空化在轴向上表现为自叶轮前盖板向后盖板空泡体积分数逐渐增加；叶轮与正导叶之间动静干涉使叶轮内流场产生周期性变化，造成压力脉动呈现周期性波动。     

旁通装置控制离心泵空化特性的数值模拟与试验

为了研究旁通水路对离心泵空化性能的影响规律,以一台比转速为32的低比转速离心泵为研究对象,在蜗壳第八断面靠进口侧位置处至吸入段搭建一旁通管路。采用修正的SST k-ω湍流模型和Kubota空化模型,在不同空化数下,对原型泵和带有旁通水路的离心泵进行三维非定常数值模拟,并同试验结果进行对比。结果表明:低比转速离心泵在搭建旁通水路后运行时扬程和效率均有小幅下降,在设计工况下,试验值中扬程下降2.30%,效率下降3.07%,模拟值中扬程下降3.10%,效率下降1.80%。空化初生及发展阶段,旁通水路可以有效增大近壁湍动能,改善压力分布,抑制空泡增长及脱落,改善流场结构;扬程断裂后,旁通水路不能有效抑制空化反而加剧了其严重程度。旁通水路对其涉及流域内压力脉动造成小幅扰动。     

带诱导轮高速离心泵流动诱导振动数值分析

基于SST k-ω湍流模型封闭三维Navier-Stokes方程,对某带诱导轮高速离心泵内部流场进行了三维非定常数值计算,并借助计算机辅助工程(CAE)多物理场协同仿真平台ANSYS Workbench12.0,采用单向流固耦合方法对叶轮转子系统进行瞬态动力学计算,分析了带诱导轮高速离心泵的流动诱导振动特性。计算结果表明：流体载荷预应力对转子固有频率的影响不大,转子系统应力随流量增加而变大,且应力最大的位置在叶轮与泵轴结合处;诱导轮顶部的振动位移呈周期性变化,且波动在垂直方向大于水平方向,主频为诱导轮叶片通过频率(267Hz);轴承约束面处各向振动均衡,主频为轴频的3倍(379Hz)。     

离心泵叶轮磨损破坏程度下的振动特性分析

为了研究离心泵叶片进口边不同破损程度下的振动特性,针对在同种破坏方式下不同破坏程度对泵振动的影响,通过信号处理方法分析多个工况下的振动信号的时域和频域特征。选用IS-50-160-00单级单吸离心泵为试验对象,研究了六个叶片离心泵分别破坏对称2、4、6个进口叶片离心泵进行试验,在离心泵上布置加速度传感器,采集泵不同运行工况下的径向、纵向、轴向和基座方向振动信号,并进行时域和频谱分析,分别把正常叶片、破损2、4、6个进口叶片对应的振动信号进行对比分析,从而获得叶轮破坏不同程度下的振动信号特征。试验结果表明:由时域图可知,2个叶片进口破坏的情况下泵轴向振动信号波动幅值最大,其不稳定性最差;在频谱中得出:叶片的破损导致离心泵转子旋转失衡并产生轴向伴随频率使振动能量增加,出现大量的高倍频;在统计方法中:振动能量随着流量的增加呈先降低后平稳的趋势,设计工况点处各个方向的振动能量趋于平稳。研究离心泵叶轮不同破坏程度下振动信号特征,可以为离心泵故障的监测分析提供借鉴和参考。     

叶片吸力面不同结构对离心泵空化初生的影响EI北大核心CSCD

空化的发生会影响离心泵的稳定运行,为了抑制空化的发生,以一台低比转速离心泵为研究对象进行了非定常数值模拟。通过在离心泵叶片吸力面前缘处布置凹槽、横向障碍物及不连续障碍物三种不同结构,分析这三种结构对离心泵空化初生性能的影响。结果表明:布置三种结构后对离心泵扬程和效率影响较小,在设计工况点,布置凹槽后扬程下降1.7%,效率增大2.4%,布置横向障碍物和不连续障碍物后扬程分别增大2.2%、1.6%,效率分别下降2.6%、2.3%;在空化初生阶段,布置三种结构后均能诱发叶轮进口处相对高压区的形成,很大程度地减少叶轮内空泡体积,很好地抑制空泡的产生,其中布置横向障碍物对叶轮空化抑制效果最好。     

运行工况对离心泵振动影响的试验研究

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。     

Resonance of torsional vibrations of centrifugal pump shafts due to cavitation erosion of pump impellers

Selected results were gathered during investigation of centrifugal pumps used in a sea water cooling system of one of Diesel power stations are presented in the paper. The main goal of research was to explain the reason of occurring fractures in pump shafts. The investigation has shown that the fractures were caused mainly by the resonance between pump shaft torsional natural vibrations and those following from the pressure fluctuations related to the frequency of the shaft rotational speed and the number of impeller blades. The resonance occurred as a result of intense erosion of pump impellers derived mainly from cavitation phenomenon that caused about 20% of the impeller mass decrease. The scope of the investigation has covered among others: erosion damage recognition, tests of the investigated pumps operating conditions, spectral analysis of pressure fluctuation generated by the pump blade system as well as strength analysis of the pump shaft and the frequencies of its natural bending and torsional vibrations.     

侧壁式压水室离心泵小流量非稳态旋转失速特性

用数值计算方法研究具有特殊结构的侧壁式压水室离心泵,分析小流量工况时模型泵的非稳态旋转失速特性,用快速傅里叶变换(FFT)获得压力脉动信号的频谱特征。结果表明,小流量工况时模型泵的扬程曲线呈驼峰状,压水室不同位置处压力分布不均;受叶轮旋转产生的非稳态作用影响,叶轮不同叶片流道内流动结构差异较大。不同流量下,叶轮内部分离涡结构诱发的激励频率各异,0.4ФN工况时模型泵压力脉动频谱图出现0.5fR及高次谐波频率,压力脉动最大幅值出现于4fR频率处;0.2ФN流量时非定常流动结构会诱发0.18fR及高次谐波频率;0.05ФN流量时压力脉动频谱图同时出现0.1fR、0.28fR两种激励频率。旋转失速现象出现时,频谱图中叶频处压力脉动幅值不再起主导作用。     

螺旋离心泵转子系统动态响应数值分析

为研究螺旋离心泵转子对流固耦合作用的动态响应信息,以ZJ200-25型双叶片螺旋离心泵为研究对象,利用CFD软件CFX12.1和有限元软件ANSYS Workbench对其进行了考虑流场变载荷和结构相互作用的两场交替联合求解。得到转子受到的激励力以及位移响应频谱特点,结果表明：叶轮受到流场变载荷激励,发生了弯曲及拉伸振动;叶轮径向位移随流量增大而减小,其主频率与径向力主频率同为48.3Hz,轴向力以低频随机波动为主,但轴向位移仅在200Hz以内有较明显的响应,且振幅随频率增加而减小;叶轮质心位移在低阶频率处的振幅不高,高阶频率的振幅逐渐减小,轴向及径向位移均没有振幅过大的情况出现,说明螺旋离心泵转子正常工作时未发生共振,稳定性良好。本文研究结果对螺旋离心泵转子系统的设计改良及振动分析具有一定的参考意义。     

叶轮空蚀状态下离心泵振动特性分析

空蚀是指空化过程中产生的空泡溃灭引起过流表面材料损坏的现象。为研究离心泵叶轮空蚀后的振动信号特征,选用IS-50-160-00单级单吸离心泵为试验对象,基于虚拟仪器技术搭建试验泵系统。测得离心泵空蚀条件下的振动信号,采用均方根(RMS)分析、峭度(K)分析两种统计方法对发生空蚀后的离心泵振动信号的平均能量、冲击波能量进行分析,采用短时傅里叶变换(STFT)分析了振动信号的时频域特性。分析结果表明:空蚀条件下整体来看基座方向和轴向方向振动幅值较大且都是无规则振动,而横向方向和纵向方向上的振动信号振幅相对较小;振动信号的能量随着流量的增大呈现先减小后平稳再增加的趋势,空蚀增加了振动信号的能量值;空蚀加剧了液体对离心泵的冲击使得振动信号峭度值增加,且基座方向峭度值大于3可作为空蚀故障的诊断参考标准;通过时频谱分析可知空蚀发生后流体可能对离心泵存在冲击波及冲击波导致的脉冲信号,且空蚀后产生了高频振动信号,高频带的振动信号可为离心泵空蚀故障诊断提供参考。研究叶轮空蚀后离心泵振动信号的特征有助于及时发现离心泵空蚀故障的发生,从而调整运行参数,以免造成严重后果。     

气液混输下侧流道泵内压力脉动特性研究

侧流道泵是一种新型超低比转速泵,因其具有小流量、高扬程、可自吸和气液混输等优点,近年来广泛应用于化工、汽车、医药工业和油气开采等领域。由于侧流道泵内部流动复杂、湍流强度极大,势必会产生较强的压力脉动,造成侧流道泵性能降低和运行不稳定,这种影响在气液混输时更为严重。基于MUSIG模型,对不同含气率下侧流道泵内部流动进行数值计算,并对气液混输工况下侧流道泵压力脉动特性进行研究分析。结果表明:MUSIG模型可适用于侧流道泵气液混输数值计算;少量通气有助于改善侧流道泵内绝大部分区域流态,但会导致轴向间隙处出现严重的压力脉动,这也是侧流道泵气液混输时运行不稳定的主要因素;低进口含气率(IGVF)下,压力脉动主频与含气量无关,始终等于轴频的整数倍;叶轮内压力脉动幅值始终大于侧流道的压力脉动幅值。该研究为气液混输工况下侧流道泵的优化设计提供基础依据,具有重要的工程应用价值。     

变速机械弱时变信号幅值谱校正的多点平均法

系统而完整地提高了处理变速机械弱时变响应信号的离散频谱多点平均幅值修正法的理论和方法,严格证明了该方法能精确地计算出平稳信号和频率微弱波动信号的幅值,能近似地计算出幅值和频率均微弱波动的信号的平均幅值,并应用这套理论成功地解释了频率微弱波动信号的幅值谱表现出较严重的“动率泄露”效应的原因。     

考虑结构柔性的多级齿轮箱变速过程动态特性研究

为了满足齿轮箱在变速过程中的分析需求,在集中参数/有限元法基础上提出一种适合变速过程分析且考虑结构柔性的多级齿轮箱耦合动力学建模方法。为验证所提方法的有效性,以某型直升机主减速器为研究对象,构建其耦合动力学模型;模型中考虑了传动轴和箱体结构的柔性,并将齿轮时变啮合刚度和综合啮合误差表示为齿轮角位移的周期函数。研究了多级齿轮箱在变速过程中的动力学特性;揭示了恒定风、湍流风和阵风对直升机主减速器的影响。结果表明:变速载过程中齿轮箱激励与动态响应随转速和负载实时发生改变;激励频率及响应波动幅值随转速增加而增大,激励影响程度及响应均值随负载加重而递增。与恒定风相比,湍流风会恶化系统的载荷环境;在阵风作用下传动系统的振动最大。     

柴油机缸盖振动加速度信号影响因素分析

改变195柴油机的转矩、转速及供油时刻，测量分析各工况的缸盖振动加速度信号，分析结果表明，同样转速时，缸盖振动加速度时域最大波动量及2kHz以下各频带能量与缸内燃烧状况相对应；当转速发生改变时，加速度信号时域最大波动量及各频带能量与缸内燃烧状况间无对应关系。建立有限元分析模型，研究缸盖联接螺栓预紧力及材料刚度对缸盖振动加速度信号的影响规律，结果表明当材料的杨氏模量或联接螺栓预紧力减小时，系统的固有频率降低，使得缸盖振动加速度信号时域最大波动量及2kHz以下各频带能量呈增大的趋势。     

Condition Monitoring of Slow‐Speed Shafts and Bearings with Acoustic Emission

Abstract: For various rotating machinery applications, condition monitoring using high‐frequency Acoustic emission (AE) technology has remained a subject of intense study since the late 1960s. This paper demonstrates the results of an investigation for detecting and monitoring natural crack initiation and propagation in slow‐speed rotating machinery with the AE technology. In addition to highlighting previous work published by the authors [ 1 - 3 ] on condition monitoring of slow‐speed rotating machinery, this paper presents experimental results on accelerated bearing fatigue under starved lubricating conditions. For these investigations, purpose‐built test rigs were employed for generating natural degradation on both a bearing and a shaft. It is concluded that crack initiation and propagation on slow‐speed bearings and shafts can be detected with the AE technology.