0 引  言

离心泵作为一种动力源，广泛应用于液态介质传输管路系统中。作为一种转动机械，其工作时不可避免的产生振动，严重时会影响泵本身以及管路系统的工作稳定性^[1-3]。

在复杂的管路系统中，不同工况时，系统对离心泵的流量需求可能有较大的变化，为解决此问题，传统的方法是给管路系统配置能够满足系统最大流量和扬程的泵，当系统的流量需求降低时，通过节流阀调节离心泵的输出流量，以满足管路系统的流量需求。该方法的缺点是，离心泵功率冗余会随系统流量需求降低而升高，容易导致离心泵和管路系统的振动大幅增加。

变频技术是一种通过交流转直流再转交流的方法，改变电源频率的技术，该技术可以通过改变电机的转动频率来改变离心泵的转速，达到改变其输出流量的目的。本文将通过试验的方法，详细研究离心泵振动的特点，并通过对比的方法，分析节流调速与变频调速对离心泵性能和振动的影响。

1 试验设备及试验方法

试验用离心泵的额定功率为60 kW，额定转速为3 000 r/min，额定流量为180 m³/h。图 1为离心泵试验台架示意图，为降低流量调节阀节流噪声对离心泵测试的影响，流量调节阀与离心泵之间的管路长度大于10 m，且由减振接管隔开。

如图 1所示，因离心泵出口振动对系统管路影响较大，将加速度传感器布置于离心泵的出口处上方，以该点的振动信号表示离心泵的振动情况^[4-5]。采用节流阀对离心泵进行调速时，变频器给电机供50 Hz的交流电；采用变频器对离心泵进行调速时，流量调节阀处于全开状态。离心泵前后的减振接管可以有效隔离试验管路与离心泵之间的振动传递，减小管路中水激振动对试验测试结果的影响。

2 不同调速方法对离心泵性能的影响 2.1 基本特性

对于同一台离心泵，采用节流阀调节其输出流量时，随着调节阀开度不同，泵的功率基本不变。采用变频调速时，离心泵的流量Q、扬程H、功率P与泵转速n之间存在以下关系：

$\frac{{{Q}_{1}}}{{{Q}_{2}}}=\frac{{{n}_{1}}}{{{n}_{2}}}$

(1)

$\frac{{{H}_{1}}}{{{H}_{2}}}=\frac{{{n}_{1}}^{2}}{{{n}_{2}}^{2}}$

(2)

由式（1）可知，在不考虑离心泵运转效率变化的情况下，离心泵的流量与转速呈线性关系。由式（2）可知，同样在不考虑运转效率变化的情况下，离心泵的扬程与转速的平方呈线性关系。

2.2 不同调速方法对离心泵扬程的影响分析

图 2为采用流量调节阀调速时，试验测得离心泵流量与扬程之间的变化曲线。流量调节阀全开时离心泵出口流量为180 m³/h，扬程为66 m。随着流量调节阀开度变小，离心泵流量逐渐减小，泵的扬程随之增大。当离心泵出口流量减小到90 m³/h时，其扬程升高到了86 m。

图 3为采用变频调速时，试验测得离心泵流量与扬程之间的变化曲线。变频器给电机供50 Hz的交流电时，离心泵出口流量为180 m³/h，扬程为66 m。随着电流频率降低，离心泵流量逐渐减小，其扬程随之变低，变化规律基本与公式（2）相符。当电流频率降低到25 Hz时，离心泵流量减小为78 m³/h，扬程降为22 m。

对于特定的管路系统，当其输送的液体流量增加后，管路内液体流速也随之提高，液体在管路内受到的沿程阻力与局部阻力之和△P由式（3）表示。

$\Delta P=(\lambda \times L/D+\zeta )\times {{V}^{2}}/2g$

(3)

式中：$\lambda$为沿程阻力系数；L为管路计算长度，m；D为管路计算直径，m；$\zeta $为局部阻力系数；V为管路内液体流速，m/s。

由式（3）可知，管路系统中其他阻力不变时，随着流速的增加，液体在管路系统中所受到的阻力因呈升高趋势，此规律与图 3所示的曲线规律相符合，因此采用变频调速时离心泵的扬程与流量之间的变化规律更符合特定管路系统的实际需求。

3 不同调速方法对离心泵振动的影响 3.1 变频调速对振动频率的影响分析

由于低频振动相对难以控制，因此在对离心泵进行减振设计时，更多关心其低频振动。电机用电频率为50 Hz时，电机和泵的转速都为50 r/s，测得离心泵出口振动的低频频谱如图 4所示，低频线谱非常明显，这些线谱的基频为50 Hz，与电机和泵的转速相同，其余都为50 Hz的倍频，因此离心泵振动的低频线谱主要由电机和泵转动产生。离心泵采用变频调速时，是通过降低电机和泵转速的方法来降低离心泵的流量，这必然会导致离心泵振动的低频线谱向更低频移动。因此，在针对采用变频调速的离心泵进行减振设计时，必须考虑上述现象。

3.2 变频调速与节流调速对振动分析

图 5为试验测得采用流量调节阀调速时，定频离心泵出口振动随流速的变化曲线。随着泵的流量的增加，泵出口振动幅度介于146～149 dB之间，变化幅度较小。在此过程中，泵的功率基本无变化，因此使用节流调速时，离心泵的出口振动与泵的功率相关，变化幅度很小。

图 6为试验测得变频调速时离心泵出口振动随流速的变化曲线。电机用电频率为50 Hz时，离心泵出口流量为180 m³/h，离心泵出口处振动为149 dB。离心泵出口振动随流速降低先迅速降低后缓慢降低，振动开始基本以线性降低，随流速进一步降低，振动下降缓慢的原因是，离心泵转速偏离额定转速太大时，离心泵运行效率降低，有部分能量转换成了振动^[6-8]。因此用于变频调速的离心泵在其设计时应充分兼顾其低转速时的运行效率。

比较图 6与图 5可以发现，在高流速时，离心泵出口振级相差不大。随着离心泵出口流量降低，采用变频调速的离心泵出口振级明显比采用流量调节阀调速时小很多，离心泵流速降到额定流速的45%时（约80 m³/h），两者振级相差13 dB。

4 结  语

通过对不同调速方法下离心泵出口振动信号的测量和对比分析，得到如下结论：

1）相对于节流调速，采用变频调速时，离心泵流量升高，其扬程随之提高，该变化趋势更符合特定管路系统的实际需求。

2）离心泵振动信号的低频部分具有明显的与转速呈倍数关系的线谱。采用变频调速时，离心泵的低频线谱会向更低频移动。

3）用于变频调速的离心泵在其设计时，应充分兼顾其低转速时的运行效率，以进一步降低离心泵低速运行时的振动幅度。

4）相对于节流调速，变频调速时离心泵出口振动有较大幅度的降低，流量调低幅度越大，振动降低幅度越大，试验测量的离心泵流量降到额定流量的45%时，使用变频调速的振动比使用节流调速的振动低13 dB。