CN105604953A - 一种基于振动优化的多级泵叶轮错位布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于振动优化的多级泵叶轮错位布置方法，包括如下步骤：采用正交试验方法设计多级泵不同叶轮之间的错位布置方案；设计加工多级泵，搭建多级泵能量性能和振动特性的同步测量试验平台；测量不同叶轮错位布置方案下多级泵全流量范围内的扬程、效率和泵进出口振动速度；以最大振动速度为衡量指标，分析各方案下的振动特性，找出振动特性最优时多级泵叶轮错位布置的方案，并建立多级泵振动特性最优时的叶轮错位布置的计算公式。本发明在不改变泵水力设计、结构设计以及保证泵效率和扬程变化很小的前提下，能够大幅降低多级泵在运行时的振动，可方便快捷地用于多级泵的可靠性设计，以提高泵的运行稳定性。

Description

一种基于振动优化的多级泵叶轮错位布置方法

技术领域

本发明属于流体机械设计领域，尤其涉及一种基于振动优化的多级泵叶轮错位布置方法。

背景技术

多级泵是一根轴上串联两个或两个以上叶轮的泵，具有大流量、高扬程的特点，广泛应用在电力、冶金、消防、化工、建筑等行业。大流量高扬程使得多级泵一般压力高、功率大，这就使得多级泵运行过程中的振动问题尤为突出。如何有效地减小多级泵运行中的振动烈度一直以来都是流体机械行业的难题。目前一般是通过修改水力设计(如减小叶轮外径等)和结构设计(如双蜗壳结构等)来降低多级泵的振动，但这些方法不仅有很高的设计要求，而且不易实施，同时还有成本高周期长的不足。

迄今为止，尚未见通过调整多级泵叶轮之间安装角度来优化泵振动的公开报道，本发明给出了一种基于振动优化的多级泵叶轮错位布置方法。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于振动优化的多级泵叶轮错位布置方法，通过采用本方法对多级泵各级叶轮进行错位布置，实现降低多级泵振动的目的。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于振动优化的多级泵叶轮错位布置方法，包括如下步骤：

(1)采用正交试验方法设计多级泵各级叶轮的不同叶轮错位方案；

(2)设计加工多级泵，搭建多级泵能量性能和振动特性的同步测量试验平台，测量不同叶轮错位方案下多级泵在全流量范围内运行的扬程H、功率P、效率η和多级泵进出口的振动速度，得到多级泵的能量特性和振动特性变化规律；

(3)分析步骤(2)中所述多级泵的能量特性和振动特性变化规律，按最大振动速度的大小排列所有叶轮错位布置方案，并建立振动最优时多级泵叶轮错位布置的计算方法。

优选的，步骤(1)采用正交试验方法设计的具体过程如下：

(A)设计叶轮的两种错位角度，一是0°，即叶轮不错位；二是叶轮错位角度为180°/z，其中z为叶轮的叶片数；

(B)将多级泵的叶轮级数i作为影响因素，每个叶轮的2种错位角度作为试验水平，采用正交试验方法设计i因素2水平的正交表来安排试验方案。

优选的，步骤(2)中各个工况下多级泵的扬程H由泵进出口压力传感器或压力表测量得到；各个工况下泵的功率P由电测法或扭矩法测量得到；各个工况下泵的流量Q由泵出口管路系统上的电磁流量计或涡轮流量计测量得到；各个工况下泵的效率η由公式η＝(ρgQH)/P计算得到，其中ρ为多级离心泵输送介质的密度，g为重力加速度，g＝9.8m/s2；各个工况下多级泵的振动速度由加速度传感器或速度传感器或位移传感器测量得到。

优选的，步骤(3)的具体过程如下：

(A)以各级叶轮之间错位角度均为0°时泵的扬程H、效率η和振动速度为基准，分析各叶轮错位角度对泵的扬程H、效率η和振动速度的影响规律，并找出最大振动速度最低时叶轮的错位方案；

(B)根据试验结果的规律，建立振动最优时多级泵叶轮错位布置方法，如下式所示，

$C_i=\frac{\sqrt{2}}{2}sin(\frac{i\mathrm{\π}}{2}-\frac{\mathrm{\π}}{4})+\frac{1}{2}k$ (k＝±1，i≤n)

其中：Ci为第i级的叶轮相对于首级叶轮的错位值，Ci＝0或1，1代表不错位，0代表错位角度为180°/z；z代表叶轮的叶片数；n表示多级泵的级数；i表示第i级叶轮，i＝1、2、3…n；n为偶数且i＝n时，k值取-1，其他情况下k值取1。

本发明的有益效果：

(1)本发明所述基于振动优化的多级泵叶轮错位布置方法，通过正交设计方法设计出不同的叶轮错位布置方案，测量并得到不同方案下多级泵能量性能和振动特性变化规律，分析、找出最大振动速度最小时叶轮的错位方案，建立了最大振动速度最低时多级泵叶轮的错位布置的计算方法。该方法可在保证多级泵水力设计和结构设计不变、多级泵扬程和效率变化较小的情况下降低多级泵振动特性。

(2)本发明通过多级泵叶轮错位布置方法来降低多级泵振动具有周期短、成本低的优点。

(3)本发明采用正交试验方法设计i因素2水平的正交表来安排试验方案，以科学地减少试验次数。

附图说明

图1是本发明所述基于振动优化的多级泵叶轮错位布置方法的流程图。

图2是实施例中离心泵的5个振动测点示意图。

图3是实施例中离心泵能量性能试验测试结果图。

图4是实施例中离心泵测点1的振动速度试验测试结果图。

图5是实施例中离心泵测点2的振动速度试验测试结果图。

图6是实施例中离心泵测点3的振动速度试验测试结果图。

图7是实施例中离心泵测点4的振动速度试验测试结果图。

图8是实施例中离心泵测点5的振动速度试验测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，一种基于振动优化的多级泵叶轮错位布置方法，包括如下步骤：

(1)采用正交试验方法设计多级泵叶轮之间的错位布置方案；一共设计两种叶轮错位角度，一是0°，即叶轮不错位；二是叶轮错位角度为180°/z，其中z为叶轮的叶片数；将多级泵叶轮级数i作为影响因素，每个叶轮的2种错位角度作为试验水平，采用正交试验方法设计i因素2水平的正交表来安排试验方案，以科学地减少试验次数。

(2)首先设计加工多级泵，并搭建多级泵能量特性和振动特性同步测试试验台，测量不同叶轮错位方案下扬程H、功率P和效率η，得到多级泵的能量特性和振动特性变化规律；其中，各个工况下多级泵的扬程H由泵进出口压力传感器或压力表测量得到，各个工况下泵的功率P由电测法或扭矩法测量得到，各个工况下泵的流量Q由泵出口管路系统上的电磁流量计或涡轮流量计测量得到，各个工况下泵的效率η由公式η＝(ρgQH)/P计算得到，其中ρ为多级泵输送介质的密度，g为重力加速度，g＝9.8m/s²。各个工况下多级泵进出口的振动速度由加速度传感器或速度传感器或位移传感器测量得到。

(3)分析多级泵的能量特性和振动特性变化规律，建立最大振动速度最低时多级泵叶轮错位布置的计算方法。以各级叶轮之间错位角度均为0°时(即叶轮均不错位情况)泵的扬程H、功率P、效率η和进出口振动速度为基准，分析各叶轮错位角度对泵的扬程H、功率P、效率η和进出口振动速度的影响规律，并找出最大振动速度最低时叶轮的错位方案；根据试验结果的规律，建立振动最优时多级泵叶轮错位布置方法，如下式所示，

$c_i=\frac{\sqrt{2}}{2}sin(\frac{i\mathrm{\π}}{2}-\frac{\mathrm{\π}}{4})+\frac{1}{2}k$ (k＝±1，i≤n)

其中：C_i为第i级的叶轮相对于首级叶轮的错位值，C_i＝0或1，1代表不错位，0代表错位角度为180°/z；z代表叶轮的叶片数；n表示多级泵的级数；i表示第i级叶轮，i＝1、2、3…n；n为偶数且i＝n时，k值取-1，其他情况下k值取1。

本发明选取一比转数为27的五级离心泵，其设计流量Q＝5m3/h，扬程H＝36m，转速n＝2900r/min，叶轮叶片数z＝8。

(1)采用正交试验方法设计试验方案；设计两种叶轮错位角度，一是叶轮错位角度为22.5°，取为试验水平0；二是0°，即叶轮之间不错位，取为试验水平1；由于叶轮级数为5，试验因素取为5；最终采用L₈(2⁵)正交表安排试验方案，共设计了8种试验方案，即方案1：00000(11111)；方案2：00011(11100)；方案3：01100(10011)，方案4：01111(10000)，方案5：10101(01010)，方案6：10110(01001)，方案7：11001(00110)，方案8：11010(00101)。

(2)搭建五级离心泵试验台，同步测量全流量范围内泵的扬程H、功率P和振动速度。各个工况下五级离心泵的扬程H由泵进出口压力传感器测量得到，各个工况下泵的功率P由电测法测量得到，各个工况下五级离心泵的流量Q由泵出口管路系统上的电磁流量计测量得到，各个工况下五级离心泵的效率η由公式η＝(ρgQH)/P计算得到，其中ρ为输送介质的密度，g为重力加速度，g＝9.8m/s²。如图2所示，在五级离心泵进出口泵体上设置5个振动测试点，其中，测试点1用于测量泵轴向振动速度，测试点2和测试点3分别用于测量泵进口水平和垂直方向的振动速度，测试点4和测试点5分别用于测量泵出口水平和垂直方向的振动速度；各个工况下五级离心泵的振动速度由加速度传感器测量得到。

(3)对照图3所示，分析各个试验方案下的扬程和效率曲线可以发现，全流量范围内五级离心泵的扬程和效率变化幅度均比较小；以方案1的能量性能作为比较基准，全流量范围内二者最大变化幅度分别为2.1％和1.46％；在设计工况下二者的变化幅度仅为1.31％和0.525％，因此叶轮错位布置对五级离心泵的能量性能影响较小。

(4)对照图4-图8，分析各个试验方案下的振动速度曲线可以发现，全流量范围内五级离心泵的振动速度变化幅度较大，取5个测试点中各个方案的振动速度最大值作为衡量标准，并以方案1的振动最大值为基准，其振动最大值为17.3×10^-4mm/s；方案2振动最大值为26×10^-4mm/s，相比方案1上升50.3％；方案3振动最大值为24.8×10^-4mm/s，相比方案1上升43.4％；方案4振动最大值为14.3×10^-4mm/s，相比方案1下降17.3％；方案5振动最大值为17.2×10^-4mm/s，相比方案1下降0.58％；方案6振动最大值为14.7×10^-4mm/s，相比方案1下降15.03％；方案7振动最大值为13.3×10^-4mm/s，相比方案1下降23.1％；方案8振动最大值为15.1×10^-4mm/s，相比方案1下降12.7％。可以看出，方案7的振动特性最优。

(5)根据上述试验结果规律，建立振动最优时五级离心泵叶轮错位布置计算公式：

$C_i=\frac{\sqrt{2}}{2}sin(\frac{i\mathrm{\π}}{2}-\frac{\mathrm{\π}}{4})+\frac{1}{2}k$ (k＝±1，i≤5)

其中：C_i为第i级的叶轮相对于首级叶轮的错位值，1代表不错位(首级叶轮的错位值为1)，0代表错位角度为36度；i表示第i级叶轮，i＝1为第1级即首级叶轮，i＝1、2、3、4、5；k为常数1。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于振动优化的多级泵叶轮错位布置方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)采用正交试验方法设计多级泵各级叶轮的不同叶轮错位方案；

(2)设计加工多级泵，搭建多级泵能量性能和振动特性的同步测量试验平台，测量不同叶轮错位方案下多级泵在全流量范围内运行的扬程H、功率P、效率η和多级泵进出口的振动速度，得到多级泵的能量特性和振动特性变化规律；

(3)分析步骤(2)中所述多级泵的能量特性和振动特性变化规律，按最大振动速度的大小排列所有叶轮错位布置方案，并建立振动最优时多级泵叶轮错位布置的计算方法。

2.根据权利要求1所述的一种基于振动优化的多级泵叶轮错位布置方法，其特征在于，步骤(1)采用正交试验方法设计的具体过程如下：

(A)设计叶轮的两种错位角度，一是0°，即叶轮不错位；二是叶轮错位角度为180°/z，其中z为叶轮的叶片数；

(B)将多级泵的叶轮级数i作为影响因素，每个叶轮的2种错位角度作为试验水平，采用正交试验方法设计i因素2水平的正交表来安排试验方案。

3.根据权利要求1所述的一种基于振动优化的多级泵叶轮错位布置方法，其特征在于，步骤(2)中各个工况下多级泵的扬程H由泵进出口压力传感器或压力表测量得到；各个工况下泵的功率P由电测法或扭矩法测量得到；各个工况下泵的流量Q由泵出口管路系统上的电磁流量计或涡轮流量计测量得到；各个工况下泵的效率η由公式η＝(ρgQH)/P计算得到，其中ρ为多级离心泵输送介质的密度，g为重力加速度，g＝9.8m/s²；各个工况下多级泵的振动速度由加速度传感器或速度传感器或位移传感器测量得到。

4.根据权利要求1所述的一种基于振动优化的多级泵叶轮错位布置方法，其特征在于：步骤(3)的具体过程如下：

(A)以各级叶轮之间错位角度均为0°时泵的扬程H、效率η和振动速度为基准，分析各叶轮错位角度对泵的扬程H、效率η和振动速度的影响规律，并找出最大振动速度最低时叶轮的错位方案；

(B)根据试验结果的规律，建立振动最优时多级泵叶轮错位布置方法，如下式所示，

$C_i=\frac{\sqrt{2}}{2}sin(\frac{i\mathrm{\π}}{2}-\frac{\mathrm{\π}}{4})+\frac{1}{2}k,(k=\±1,i\≤n)$

其中：C_i为第i级的叶轮相对于首级叶轮的错位值，C_i＝0或1，1代表不错位，0代表错位角度为180°/z；z代表叶轮的叶片数；n表示多级泵的级数；i表示第i级叶轮，i＝1、2、3…n；n为偶数和i＝n时，k值取-1，n为其他数时k值取1。