张宇航， 董 亮， 宋礼威

(1.江苏大学 流体机械工程技术研究中心，江苏 镇江 212013； 2.中广核工程有限公司，深圳 518124)

离心泵广泛应用于工业生产领域，在电力、制造等行业中占据着重要的地位[1]。空化是一种由于压强降低导致液体内部汽化的现象[2-4]。空化的产生会导致设备异常振动或噪声，甚至对结构壁面产生剥蚀破坏，严重影响设备运行安全性[5-6]。由于空化的发生会诱发泵机组强烈的异常振动，因此振动信号常被用于对水泵空化现象的检测中。

许多学者在研究空化现象时，对振动测点的选择通常没有统一的标准。离心泵的初生空化并不会对泵的性能参数产生影响，因此如何准确捕捉到离心泵内初生空化是当前空化研究的重点之一。Cao等[7]在离心泵进口管路安装了一个振动加速度传感器，并对离心泵空化过程中的振动信号进行分析。通过对振动信号的多种统计指标进行分析，得到了对空化现象敏感的振动信号统计指标。Gonçalves等[8]通过在离心泵进口法兰处安装自制的振动传感器对泵内空化现象进行研究，并通过振动信号对离心泵的不同空化阶段进行分类。Mousmoulis等[9]通过一个安装在泵体上的加速度传感器对不同空化阶段离心泵振动信号强度进行了研究。以上学者在对空化现象进行研究时均未考虑到不同振动测点对泵内空化现象的敏感性差异。

高波等[10]对一台离心泵不同空化状态下蜗壳、泵进出口及轴承处的低频振动信号进行分析，通过对比不同测点的振动加速度级大小，认为泵体处振动加速度级对空化的发展过程更加敏感。蒲道林[11]对一台离心泵泵体处的振动信号进行分析，对比振动信号不同频段均方根值随空化发展的变化趋势，认为4 000～8 000 Hz频段振动信号对空化现象更加敏感。段向阳等[12]以一台离心泵为研究对象，分别在轴承座和泵体位置安装了振动加速度传感器，对离心泵的空化现象进行研究。通过频带的归一化能量变化，认为泵体测点更适合作为空化现象的监测。Zhang等[13]在一台离心泵进出口法兰及泵体位置的安装了多个振动传感器，对不同频段的振动信号对空化现象的敏感性进行分析。赵宇琪[14]通过分析离心泵液载噪声信号、振动信号以及外场噪声信号，结合高速摄影技术对离心泵的空化过程进行分析。通过对比不同信号类型对空化现象的敏感性，提出了基于离心泵液载噪声信号及振动信号的空化检测方法。

以上学者在对空化现象进行研究时，虽然考虑到不同振动测点对空化现象的敏感性不同，但均不全面。离心泵扬程的下降已说明泵内空化已发展至严重阶段，因此通过扬程下降时的信号对振动测点的敏感性进行研究具有一定的滞后性。

本文通过在离心泵的不同位置设置的多个振动测点，对各测点振动信号随泵内空化发展的特征变化进行研究，得到了最适合用于研究离心泵内空化现象的振动测点。

1 试验系统

本试验在离心泵闭式试验台上进行，试验泵主要设计参数为：流量Qd=10.6 m3/h，扬程H=24 m，转速nd=2 900 r/min，比转速ns=52.97，叶轮形式为闭式六叶片叶轮。离心泵闭式试验台示意图如图1所示。

1.真空泵;2.排气阀;3.稳压罐;4.泵出口阀;5.流量计;6.压力传感器;7.电机;8.振动加速度传感器;9.压力脉动传感器;10.泵进口阀图1 试验系统Fig.1 Schematic diagram of test system

为更全面地捕捉到空化对离心泵不同测点位置的影响，本文共在离心泵进出口法兰、泵体、隔舌、机脚、轴承座处设置了8个振动测点。试验使用振动加速度传感器为上海勒振LZDY1型，灵敏度100 mv/g，误差范围±1%，频率范围为0.4～13 000 Hz。所使用信号采集仪为上海勒振SK2011-16型高速采集仪，单通道AD采样频率10～200 k/s。离心泵振动测点如图2所示。

图2 振动测点Fig.2 Vibration measuring point

本文空化试验在泵的额定工况下展开，试验步骤为：在试验开始前关闭排气阀，保持离心泵稳定运行。在进行试验时，首先启动真空泵降低泵进口压力，当进口压力降低至某一水平时关闭真空泵，同时调节泵出口阀控制流量保持不变。待泵运行稳定后，对振动信号、压力脉动信号以及进出口压力、电流、流量和转速信号进行同步采集。数据采集完成后，重复上述过程直至扬程出现明显下降。本文试验中振动信号的采样频率为20 kHz，采样时间为3 s。

2 结果与讨论

2.1 离心泵空化初生判定方法

目前，对于如何判定离心泵空化初生，还未存在较为统一的方法。在实际工程应用中，通常将离心泵扬程下降3%作为泵内空化发生的依据。采用这种方法的优点是便于在实际中进行应用，但缺点是当泵的扬程出现下降时，已经表明了泵内空化已发展至严重阶段。因此，如何确定离心泵内空化发展状态是研究离心泵振动信号对空化敏感性的一个重要问题。

Wu等[15]通过分析2 000 Hz以上振动信号的均方根值，提出了基于振动信号的离心泵空化初生检测方法，但并未对振动信号的测点进行分析。Dong等[16]结合高速摄影技术，通过对离心泵内液载噪声信号进行分析，提出了通过液载噪声信号检测离心泵内空化初生的方法，但泵出口噪声信号容易受到叶轮与隔舌动静干涉的影响。而压力脉动信号由于较少受到来自结构的影响，因而可以较好地与泵内空化发展状态对应起来。Sun等[17]通过数值模拟方法对一台离心泵的空化过程进行计算，得到了不同空化状态下叶片表面压力脉动的变化趋势。Lu等[18-19]通过在离心泵进出口管路安装压力脉动传感器对离心泵内空化的发展状态进行了研究，并给出了离心泵在不同空化阶段时进口压力脉动信号功率谱的变化特性。Lu等认为，当离心泵进口压力脉动信号功率谱中5～6倍轴频峰值降低、3倍～4倍轴频幅值增大并且低频段出现宽频噪声并向低频迁移的现象时，说明泵内已产生了不稳定空化。在本次试验中，通过在离心泵进口管路距泵进口法兰4倍管径处安装的压力脉动传感器，对离心泵运行过程中的高频压力信号进行监测。压力脉动传感器采用无锡赛恩诺SCYG310型高频动态压力传感器，测量量程为±100 kPa。压力脉动信号与振动信号同步采集，采样频率20 kHz，采样时间3 s。

泵进口压力脉动信号功率谱瀑布图及离心泵空化特性曲线图,如图3、图4所示。从图3可知，当离心泵的有效汽蚀余量降低至2.99时，离心泵进口液载噪声200 Hz附近出现了明显的宽频噪声，并开始向更低频段迁移。6倍轴频幅值出现了明显的先增大后减小的现象，4倍轴频幅值逐渐增大。因此，本文将试验泵汽蚀余量降低至2.99时作为泵内空化的初生时刻。

图3 泵进口压力脉动功率谱瀑布图Fig.3 Waterfall diagram of pump inlet pressure pulsation

图4 离心泵空化特性曲线Fig.4 Cavitation characteristic curve of centrifugal pump

而从图4可知，在空化初生时刻，离心泵扬程还未出现下降，且此时距扬程出现陡降仍存在一定距离。

2.2 频域特征变化

通过FFT(fast fourier transform)将各测点振动时域信号转换为频域，并经过对数计算得到相应的分贝值，缩小了原幅值间的动态范围，更容易观察到振动信号的峰值变化。离心泵各测点振动信号强度随有效汽蚀余量不断降低的变化趋势,如图5所示。

(b) 隔舌

(c) 泵体

(d) 出口法兰Y

(e) 进口法兰Z

(f) 出口法兰X

(g) 出口法兰Y

(h) 机脚图5 振动信号频域特征变化趋势Fig.5 Variation trend of frequency domain characteristics of vibration signal

从图5可知，不同测点振动信号的强度存在较大差异，且不同测点振动信号能量较强的频段也不同。随着汽蚀余量不断降低，当离心泵内空化现象发生时，可以看到部分测点振动信号的强度出现了明显的阶跃。此外，各测点振动信号强度在泵内空化现象发生前后的变化率存在差异。轴承座Z测点和机脚测点振动信号在空化发生前后其频域特征变化相比于其他测点均不明显。隔舌、进口法兰Z及出口法兰X测点振动信号频域的阶跃现象在部分频段较为明显。

随着泵内空化加剧，各测点振动信号的4 000 Hz附近的宽频振动强度出现了明显的上升现象。此时可以看到轴承座Z测点和机脚测点振动信号的强度变化相比于其他测点仍不够明显。在一定程度上说明了这两个测点对泵内空化现象的敏感性较低。

2.3 振动加速度级分析

为了衡量不同汽蚀余量时各测点振动信号总体水平，计算各测点振动加速度级进行分析[20]

Lva=20lg(arms/a0)

(1)

式中：arms为振动加速度级的有效值;a0为基准加速度值，一般取a0=1×10-6m/s2。

arms的计算方法为

(2)

式中：a(t)为实测振动加速度;T为时长。

各测点振动加速度级的变化趋势,如图6所示。从图6可知，在未空化阶段，各测点振动加速度级大小存在较大差异，进口法兰Z测点振动加速度级相较于其他测点最大，其次是泵体测点，振动水平最低的是进口法兰Y测点。

图6 各测点振动加速度级变化趋势Fig.6 Variation trend of total vibration level

随着汽蚀余量不断降低，各测点振动加速度级均表现出了相似的变化趋势。在未空化阶段，各测点振动基本保持不变，隔舌测点和出口法兰Y测点振动信号出现了小幅的波动。

在空化初生时，除进口法兰Y测点外，其它测点振动加速度级变化均不明显，随着泵内空化逐渐发展，各测点振动加速度级出现了先大幅上升后下降再小幅上升的趋势。对于确定空化初生判定方法的有效性，Lu等[21]对一台离心泵空化过程中的振动均方根值进行了分析。当离心泵空化初生时，得到了与本文各测点振动信号振动加速度级类似的变化趋势。因此，可以说明本文空化初生的判定方法是可行的。

为了探究空化对各振动测点的影响程度，分别计算离心泵在空化初生与扬程下降3%时各测点振动加速度级对比正常运行时的变化率，如表1所示。

表1 不同时刻各测点振动加速度级变化率Tab.1 The change rate of Lva in different cavitation stages compared with normal operation %

从表1可知，在空化初生与扬程下降3%时，进口法兰Y测点振动加速度级相比于其他测点表现出了更大的变化率。除进口法兰Y测点外，其他测点振动加速度级变化率均未超过1%。隔舌测点振动加速度级变化率虽相比于其他测点较大但与进口法兰Y测点相比仍存在差距。可以说明进口法兰Y测点振动信号对空化初生的敏感性最高，隔舌测点次之。此外，结合图6可以发现，在本文试验过程中，进口法兰Z测点振动信号强度均大于其他测点，但其在空化初生时的振动加速度级变化率仅为0.07%。进口法兰Y测点振动在未空化阶段的振动强度最小，却在空化初生时表现出了最大的变化率。因此，可以认为振动信号的强弱与其对空化现象的敏感性无关。

当扬程下降3%时，各测点振动加速度级均已出现了明显的增强。通过表1可以看出进口法兰Y测点振动加速度级变化率相比于其他测点仍然最大，并已超过10%，而进口法兰Z测点振动加速度级变化率最小。机脚测点振动加速度级变化率超过了隔舌测点仅次于进口法兰Y测点，说明机脚测点对泵内严重空化现象具有较高的敏感性。

通过上述对离心泵各测点振动加速度级变化趋势的分析可以得出，进口法兰Y测点振动信号对空化现象的敏感性最高，且离心泵正常运行时各测点的振动强度与其对空化现象的敏感性无关。

2.4 1/3倍频程分析

1/3倍频程常用于对振动和噪声信号的分析中。根据国标GB/T 3241—2010 《电声学倍频程和分数倍频程滤波器》[22]，各频带准确的中心频率计算方法如下

(3)

式中：fm为各频带中心频率；fr为参考频率；G为倍频程比；x为任意整数，1/b为倍频程带宽的分数。

根据标准，取参考频率fr=1 000 Hz，倍频程比G=10，b=10，则各频带中心频率计算公式可转换为：

fm=1 000×10x/10x=0,±1,±2,…

(4)

在实际应用中，通常取中心频率近似值，并称为标称中心频率。因此，可得1/3倍频程各频带的中心频率为：1 Hz、1.25 Hz、1.6 Hz、2 Hz、2.5 Hz、3.15 Hz、4 Hz、5 Hz、6.3 Hz、8 Hz、10 Hz、…将各频带的振动频域信号进行逆傅里叶变换并取均方根值，即可得到各个频段内的振动加速度级。通过1/3倍频程可有效的分析振动信号的能量特性[23]。

通过上述分析可知，空化初生时离心泵各测点振动加速度级变化率均较低。一般认为，空化现象对振动信号的影响主要集中在高频段。因此在这一小节中，通过1/3倍频程将各测点振动信号划分为不同频段，并计算各测点振动信号中心频率为2 000 Hz及以上频段的振动加速度级进行分析，如图7所示。

(a) 轴承座Z

(b) 隔舌

(c) 泵体

(d) 进口法兰Y

(e) 进口法兰Z

(f) 出口法兰X

(g) 出口法兰Y

(h) 机脚图7 各测点振动信号1/3倍频程振动加速度级Fig.7 1/3 octave spectrum of vibration signal at each measuring point

从图7可知，相比于直接计算各测点振动信号振动加速度级，通过先划分不同频段再计算各个频段的振动加速度级，可以更加明显地观察到振动信号随泵内空化现象发展的变化趋势。并且可以看到空化初生时各测点部分频段的振动加速度级已产生了较明显的变化。

随着有效汽蚀余量不断降低，每个测点各个频段的振动加速度级变化趋势基本一致。从图中可以观察到轴承座Z测点与机脚测点各个频段振动加速度级的增大趋势均较平缓，在空化初生时其各频段振动加速度级增大的幅度也小于其他测点的对应频段。

此外，各测点中心频率为2 000 Hz、2 500 Hz及3 150 Hz的频段其振动加速度级在空化初生时均未表现出明显的变化。可以说明这三个频段对泵内空化的敏感性较低。为了准确了解不同频段振动信号对空化现象的敏感性，计算空化初生及扬程下降3%时各个频段振动加速度级相比于离心泵正常运行时的变化率，结果如表2、表3所示。表中高亮部分表示该测点振动加速度级变化率最大的频段。

表2 空化初生时各测点中心频率2 000 Hz以上频段振动加速度级变化率Tab.2 The change rate of Lva in the frequency band above 2 000 Hz at each measuring point at inception cavitation %

表3 扬程下降3%时各测点中心频率2 000 Hz以上频段振动加速度级变化率Tab.3 The change rate of Lva in the frequency band above 2 000 Hz at each measuring point when head drops 3% %

从表2可知，在所有的测点中，振动加速度级变化率最大的频段均为中心频率为6 300 Hz及以上频段。

对比同一测点各频段振动加速度级变化率，不同频段对泵内空化初生的敏感性相差较大，隔舌测点中心频率为2 500 Hz的频段在空化初生时的振动加速度级变化率仅为0.06%，而中心频率为6 300 Hz的频段其振动加速度级变化率已达到了10.26%，说明空化现象对振动信号不同频段的影响存在较大的差异。

对比不同测点各频段振动加速度级变化率的最大值，对空化初生最敏感的频段为隔舌测点中心频率为6 300 Hz的频段，其次为进口法兰Y测点中心频率同样为6 300 Hz的频段。与上一小节的结论类似，对空化初生敏感性最高的两个测点仍为进口法兰Y测点及隔舌测点。而从表2可知，对空化初生敏感性最低的测点则为轴承座Z测点，其在空化初生时各频段振动加速度级变化率最大仅为1.29%。其次是机脚测点，其在空化初生时各频段振动加速度级变化率的最大值为3.48%，与其他测点相比仍具存在较大的差距。

此外，结合图7可知，离心泵在正常运行时，高频段振动信号的振动加速度级均小于低频段，但高频段振动信号的振动加速度级在空化初生时的变化率却大于低频段。同样可以说明离心泵在正常运行时振动信号的强弱与其对空化现象的敏感性无关。

相比于表2，表3中各测点振动加速度级变化率最大的频段还出现在了中心频率为4 000 Hz的频段。虽然空化现象对离心泵高频段振动信号具有更高的影响，但在一定程度上也说明了随着泵内空化的不断加剧，空化现象对振动信号的影响也逐渐从高频段向低频段扩大。

从表3可知，轴承座Z测点振动加速度级变化率最大为8.48%，最小则为0.72%，与其他测点相比，轴承座Z测点各个频段的振动加速度级变化率均最小。可以说明轴承座Z测点振动信号对空化现象的敏感性最低。还可以看到，在严重空化时机脚测点各频段的振动加速度级变化率均较低，因此，可以认为机脚测点振动信号不适合通过划分频段的方式对泵内空化进行检测。对比不同测点各频段振动加速度级变化率的最大值，隔舌测点中心频率为6 300 Hz的频段其振动加速度级变化率相比于其他测点均为最大，出口法兰Y测点各频段振动加速度级变化率的最大值仅次于隔舌测点，同样表现出了对空化现象较高的敏感性。

通过上述分析可知，离心泵进口法兰Y测点及隔舌测点对泵内空化现象具有较高的敏感性，而轴承座Z测点振动信号则对空化现象的敏感性较低。这种现象可以解释为，当离心泵内空化现象发生，空泡溃灭所产生的冲击作用于叶片与叶轮前后盖板，并通过叶轮作用于转子，从而导致泵机组结构振动。可以说明越靠近离心泵叶轮空泡溃灭区，空化对泵机组结构振动的影响也越大。因此，隔舌测点振动信号表现出了比其他位置更高的敏感性。

而由于泵进口法兰测点均为转子径向布置，因此空化现象发生后，叶轮及转子所受空泡溃灭所产生的冲击力同样对进口法兰测点造成较明显的影响，进口法兰Y方向由于受到更少的约束，从而导致进口法兰Y测点振动信号相较于进口法兰Z测点表现出了更大的变化率。

3 结 论

为了更加准确地捕捉离心泵内空化发展状态，探究空化对离心泵不同位置振动信号的影响。本文在离心泵不同位置设置了多个振动测点，对泵内空化发展过程中的振动信号进行了研究。通过分析不同测点振动信号对离心泵内空化现象的敏感性，得到如下结论：

(1) 在未空化阶段，不同测点振动信号的强度不同，不同频段振动信号特征也存在较大差异。离心泵正常运行时各测点的振动强度与其对空化现象的敏感性无关。

(2) 通过分析不同测点振动加速度级变化率。在空化初生时，进口法兰Y测点振动信号的振动加速度级变化率最大，其次为隔舌测点，进口法兰Z测点振动加速度级变化率小。扬程下降3%时，进口法兰Y测点振动加速度级变化率最大，其次为机脚测点，进口法兰Z测点的振动加速度级变化率最小。

(3) 通过分析各测点不同频段振动信号振动加速度级变化率。空化现象对各频段振动信号的影响存在较大的差异。隔舌测点与进口法兰Y测点对离心泵内空化现象表现出了较高的敏感性。轴承座Z测点对空化敏感性最低。

综上，离心泵进口法兰Y测点及隔舌测点对泵内空化现象具有较高的敏感性，而轴承座Z测点与进口法兰Z振动信号则对空化现象的敏感性较低。通过确定最佳振动测点可优化监测泵内空化时所采用的传感器数量。而更早地检测到泵内空化现象的发生则有利于避免设备在空化条件下运行，提高设备运行寿命。