泵系統(tǒng)中的喘振現(xiàn)象

1喘振現(xiàn)象水泵在不穩(wěn)定運(yùn)行期間出現(xiàn)流量周期性地在很大范圍內(nèi)反復(fù)變化的現(xiàn)象，在工程中被稱為喘振現(xiàn)象或飛動(dòng)現(xiàn)象。喘振發(fā)生在性能曲線呈駝峰形的水泵上，伴隨有振動(dòng)和噪音，嚴(yán)重時(shí)能導(dǎo)致葉片斷裂，影響水泵的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，因此在工程中應(yīng)予以防止。喘振現(xiàn)象與泵裝置管路系統(tǒng)的力學(xué)穩(wěn)定性有關(guān)，因此在研究喘振現(xiàn)象中應(yīng)綜合考慮管路中的流體流動(dòng)情況和泵系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)情況。

　　2泵性能曲線上的喘振分析如所示，當(dāng)發(fā)生喘振時(shí)，泵的工作點(diǎn)始終繞著封閉曲線作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)�？梢钥闯�，旋轉(zhuǎn)區(qū)或?yàn)轳劮逍涡阅芮�線上升區(qū)域的那一駝峰形工作點(diǎn)段曲線，根據(jù)有關(guān)資料表明，其頻率范圍在0.1~10HZ，此頻率等于泵系統(tǒng)固有頻率。在這一區(qū)域，水泵運(yùn)行是不穩(wěn)定的，下面加以論證。為某泵駝峰形性能曲線，圖中/：點(diǎn)為性能曲線最高點(diǎn)。若工作點(diǎn)在性能曲線的下降區(qū)段，如B點(diǎn)，水泵運(yùn)行是安全的。但若工作點(diǎn)在性能曲線的上升區(qū)段，如4點(diǎn)，水泵運(yùn)行不穩(wěn)定，這是因?yàn)楫?dāng)/1點(diǎn)右移動(dòng)時(shí)，水泵產(chǎn)生的靜壓頭大于管路裝置所克服的阻力，從而流速加大，流量增加，工作點(diǎn)繼續(xù)右移，直到K點(diǎn)為止；當(dāng)/1點(diǎn)向左移動(dòng)時(shí)，水泵產(chǎn)生的靜壓頭小于管路裝置所克服的阻力，流速減小，流量降低，工作點(diǎn)繼續(xù)向左移動(dòng)，直至流量為零。因此一遇干擾，4點(diǎn)就會(huì)移動(dòng)，再也不能回到原點(diǎn)，這就是為什么說(shuō)性能曲線的上升區(qū)段運(yùn)行是不穩(wěn)定的原因。通常以尺點(diǎn)作為區(qū)分穩(wěn)定與不穩(wěn)定的臨界點(diǎn)，尺點(diǎn)左側(cè)稱為不穩(wěn)定工作區(qū)，X點(diǎn)右側(cè)稱為穩(wěn)定工作區(qū)，而區(qū)內(nèi)的//點(diǎn)，如/1點(diǎn)，被稱為不穩(wěn)定點(diǎn)，S點(diǎn)被稱為穩(wěn)定點(diǎn)，如表示。

　　由以上分析可知，如果泵性能曲線沒(méi)有上升點(diǎn)，就不會(huì)產(chǎn)生工作的不穩(wěn)定性，也就不會(huì)產(chǎn)生喘振，因此水泵應(yīng)盡量設(shè)計(jì)成其性能曲線無(wú)上升段的模式，否則應(yīng)使工作范圍始終保持在性能曲線的下降段。然而是不是存在上升區(qū)段就一定會(huì)產(chǎn)生喘振呢，這是一個(gè)很容易想當(dāng)然的論斷，下面利用水力學(xué)和振動(dòng)學(xué)有關(guān)理論對(duì)簡(jiǎn)單泵系統(tǒng)和復(fù)雜泵系統(tǒng)運(yùn)行中所受的擾動(dòng)進(jìn)行定性分析，并得出相應(yīng)的結(jié)論。

　　3簡(jiǎn)單泵系統(tǒng)喘振分析如所示的簡(jiǎn)單泵系統(tǒng)中，出水管中間無(wú)水箱或貯氣罐等設(shè)備，泵出口排水管直接連到管路系統(tǒng)。該泵系統(tǒng)的力學(xué)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括兩個(gè)部分，分別是流體流動(dòng)部分和流體驅(qū)動(dòng)（包括泵葉輪和拖動(dòng)機(jī)）部分。

　　對(duì)于第一部分，與管路特性有關(guān)，根據(jù)伯諾利方程，可建立如下方程：札一實(shí)際揚(yáng)程，為一常值九一沿程阻力損失，與流量<有關(guān)―排水閥水頭損失，與流量P有關(guān)L一管路常數(shù)，/<=//（知），其中Z為管長(zhǎng)，/1為管路斷面面積，g為重力加速度L一管路流體變壓頭對(duì)第二部分，根據(jù)振動(dòng)理論，建立繞轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)方程：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一拖動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩，與轉(zhuǎn)速7V有關(guān)7V-葉輪旋轉(zhuǎn)阻力矩，與流量和轉(zhuǎn)速N有失假定由于某種原因，引起流量和轉(zhuǎn)速各發(fā)生<7和n的微小變化，則（1）、（2）變?yōu)椋簩ⅲ?）、（4）用麥克勞林定理展開(kāi)，并忽略二階以上微量得：其中：如一栗特征量，揚(yáng)程相對(duì)流量的變化如一管路特征量，排水閥全開(kāi)時(shí)管路阻簡(jiǎn)單泵系統(tǒng)喘振分析水泵技術(shù)力曲線的切線斜率如一管路特征量，水閥開(kāi)度的管路阻力曲線的切線斜率V―栗系統(tǒng)特征量，“=-%，其中：77―拖動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)曲線的切線斜率，小一轉(zhuǎn)速曲線的切線斜率，t一流量曲線的切線斜率，并消去得：<，因此由式（7）可知，只要小<0就能滿足式（9），從而整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生喘振這樣的不穩(wěn)定現(xiàn)象。如前所述，特征量小=如-（咖+也），因此<！>符號(hào)由小p、扣、―決定。下面來(lái)研究一下這三個(gè)系數(shù)如、小I、如的符號(hào)確定方法。

　　如表示揚(yáng)程曲線的切線斜率，若大于零，則表示該點(diǎn)在揚(yáng)程曲線向右上方傾斜的部分（即不穩(wěn)定區(qū)）上；若小于零，則表示該點(diǎn)在揚(yáng)程曲線向右下方丨明斜的部分（即穩(wěn)定區(qū)）上。

　　對(duì)于扣、也，根據(jù)其幾何意義，可表示在管路阻力曲線圖上，如所示，扣+屯表示排水閥在不同開(kāi)度下阻力曲線的切線斜率。

　　考中泵的三個(gè)工作點(diǎn)人5、￠：，對(duì)于4點(diǎn)，因?yàn)閨和|<丨咖+屯|，故小<.而對(duì)于5點(diǎn)，因?yàn)榭?lt; 0而和+屯大于0，故巾<0，最后是C點(diǎn)，和點(diǎn)的情況是一樣的，因此<>由此，可以得出結(jié)論，在簡(jiǎn)單泵系統(tǒng)中，無(wú)論揚(yáng)程曲線是向右下方還是向右上方傾斜，或者說(shuō)有沒(méi)有駝峰形，都不會(huì)產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。

　　是正值。因此，只要滿足：4復(fù)雜泵系統(tǒng)喘振分析復(fù)雜泵系統(tǒng)是指管路中設(shè)有貯氣罐或水箱一類的設(shè)備的泵系統(tǒng)，如所示�，F(xiàn)假定It氣罐或水箱前面（有泵的那一側(cè)）的部分為系統(tǒng)1，其后的部分為系統(tǒng)2.泵系統(tǒng)的穩(wěn)定判定條件和簡(jiǎn)單泵系統(tǒng)的一樣，即<0.首先來(lái)研究一下利用閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)流量的情況。

　　如所示，上圖針對(duì)系統(tǒng)1，下圖針對(duì)系統(tǒng)2.此時(shí)系統(tǒng)1的揚(yáng)程//=+如，是系統(tǒng)2的沿程阻力損失。由于6不起作用，對(duì)系統(tǒng)1沒(méi)有產(chǎn)生影響，因此和簡(jiǎn)單泵系統(tǒng)情況一樣，滿足<；> <0，即不會(huì)產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。

　　下面再來(lái)研究利用閥門(mén)K來(lái)調(diào)節(jié)流量的情況。此時(shí)系統(tǒng)1的揚(yáng)程為札+心+為閥門(mén)F2的壓頭損失。A，相當(dāng)大，因此有可能P點(diǎn)超過(guò)關(guān)死揚(yáng)程點(diǎn)。對(duì)于4點(diǎn)，情況和中的4點(diǎn)一樣，是不穩(wěn)定點(diǎn)，因此產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。利用穩(wěn)定理論亦可證明，此點(diǎn)如> 0，因此為不穩(wěn)定點(diǎn)。系統(tǒng)2的情況和簡(jiǎn)單泵系統(tǒng)的情況一樣，因此會(huì)產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。

　　因此，在復(fù)雜泵系統(tǒng)中，若用閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)流量，則有喘振現(xiàn)象發(fā)生。

　　5分析的結(jié)論由以上分析可知，具有駝峰形性能曲線只是產(chǎn)生喘振的必要條件，而不是充分條件，只有具備以下三個(gè)條件，才能發(fā)生喘振現(xiàn)象：（1）泵的性能曲線呈駝峰形，并在不穩(wěn)定（2）在管路中存在貯氣罐、水箱或氣相部分；量。

　　普通離心泵出現(xiàn)喘振的破壞力較小，究其原因，一是離心泵性能曲線較平緩，二是離心泵啟動(dòng)方式與軸流泵不同，一般是關(guān)閥啟動(dòng)，然后逐漸開(kāi)啟閥門(mén)增大流量，即使采用駝峰形離心泵產(chǎn)生了喘振，但由于作用時(shí)間很短，破壞力較小。但是對(duì)于具有駝峰形性能曲線的鍋爐給水泵，由于抽送熱水，管路系統(tǒng)中很容易形成氣相，若流量調(diào)節(jié)閥安在離泵很遠(yuǎn)的下游端，閥損失非常大，則能產(chǎn)生較大的喘振，為此一定要采取防范措施。具體方法可詳見(jiàn)下述防范措施（2）。

　　6喘振防范措施根據(jù)以上三個(gè)條件，可制定相應(yīng)防范措施，主要有：（1）在如上所述的復(fù)雜管路中應(yīng)盡量避免采用具有駝峰形性能曲線的水泵，而是采用性能曲線平坦向下傾斜的水泵。

　�。�2）在水泵壓出側(cè)裝設(shè)旁路管，將泵壓出水泵技術(shù)水的部分送回吸入側(cè)，使工作點(diǎn)由上的A點(diǎn)移到駝峰的右側(cè)穩(wěn)定區(qū)某點(diǎn)。

　　（3）使流量在任何條件下不小于，否則應(yīng)裝設(shè)再循環(huán)管或自動(dòng)排出閥門(mén)。

　�。�4）采用可動(dòng)葉片調(diào)節(jié)流量，當(dāng)外界需要流量減小時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)葉使其裝置角減小，從而性能曲線下移，臨界點(diǎn)向左下方移動(dòng)，使輸出流量減小，參見(jiàn)。

　　線臨界點(diǎn)向右上方移動(dòng)；反之，性能曲線臨界點(diǎn)將向左下方移動(dòng)，從而縮小性能曲線上的不穩(wěn)定區(qū)。

　�。�6）在吸人口處裝吸入閥，當(dāng)管路流量增加時(shí)，開(kāi)大吸人閥，使性能曲線臨界點(diǎn)向右上方移動(dòng)；而當(dāng)管路流量減小時(shí)，關(guān)小吸入閥，使性能曲線臨界點(diǎn)向左下方移動(dòng)，從而縮小性能曲線上的不穩(wěn)定區(qū)，參見(jiàn)。

　　以免壓出管路內(nèi)存氣。調(diào)節(jié)閥或節(jié)流閥最好安在泵出口位置。

　�。�8）保證水泵在正常流量下運(yùn)行，若負(fù)荷減小，應(yīng)提前減小投人運(yùn)行的裝置臺(tái)數(shù)。

　　機(jī)械振動(dòng)、水錘振動(dòng)等引起較大的流量變化，加劇喘振強(qiáng)度。

　　（10）喘振是由流體流動(dòng)的不均性引起的，因此應(yīng)盡量保證流動(dòng)的均勻性。

　　旋轉(zhuǎn)失速振動(dòng)、汽蝕振動(dòng)、喘振都是由流體流動(dòng)引起的振動(dòng)，都能影響水泵的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。三者常常同時(shí)存在，互相作用，很難分辨。

　　找出三者的區(qū)別，應(yīng)著重從流量、振動(dòng)頻率等因素著手，找出振源和產(chǎn)生原由。

　　旋轉(zhuǎn)失速是葉片結(jié)構(gòu)特性引起的旋轉(zhuǎn)脫流，可造成葉道的阻塞和水泵能頭的降低，其引起的振動(dòng)是脫流作用的結(jié)果。而喘振是水泵性能與裝置振蕩耦合后的結(jié)果，與泵系統(tǒng)力學(xué)穩(wěn)定性有關(guān)。

　　汽蝕是泵入口壓力低于相應(yīng)水溫汽化壓力時(shí)出現(xiàn)的一種現(xiàn)象。汽蝕和喘振都與水泵的性能和裝置性能有關(guān)，但汽蝕一般發(fā)生在較大流量區(qū)，而喘振則發(fā)生在流量較小區(qū)，而且喘振振動(dòng)頻率較小，在0. 1~10Hz，而汽蝕的頻率范圍為600~25000HZ較喘振大得多。

　　以上三種能引起振動(dòng)的現(xiàn)象，再加上水錘以及機(jī)械振動(dòng)（如轉(zhuǎn)動(dòng)部件不平衡引起的振動(dòng)等），是復(fù)雜泵系統(tǒng)中常遇到的對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行構(gòu)成威脅的振動(dòng)現(xiàn)象，在工程實(shí)踐中，應(yīng)予以重視，并采取相應(yīng)防范和泵系統(tǒng)改進(jìn)措施。

　　喘振現(xiàn)象是泵系統(tǒng)中流體流動(dòng)不正常引起的一種現(xiàn)象，與工業(yè)水錘現(xiàn)象比較起來(lái)，所造成的經(jīng)濟(jì)損失較小，在工程中往往得不到廣泛的注意，但在高壓泵運(yùn)行中，喘振產(chǎn)生的振動(dòng)和噪音很強(qiáng)烈，如鍋爐給水泵等，因此必須要加以防范，一旦發(fā)生時(shí)，必須通過(guò)改變緊接泵后的調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度來(lái)過(guò)渡到正常的運(yùn)行狀態(tài)。