专利名称：离心泵临界转速的试验方法及其试验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种离心泵的临界转速的试验方法及其试验装置。
背景技术：
任何轴系都具有其固有的振动频率。当转轴的运行转速等于转轴 本身的固有频率时，轴系的运行会变得不稳定而产生强烈的振动(通 常称这种振动为共振现象)，从而导致设备零件的损坏，甚至致使设 备产生故障而停机。当转轴的转速偏离转轴本身的固有频率时(一般
为产生共振时的转速的±20%以外)，轴系的运行则又会变为平稳。此 产生共振时的转速称为轴的临界转速。计算轴的临界转速的目的就是 为了验算已选定的泵轴的工作转速是否能避开转轴本身的固有频率， 并在合理的转速范围内，以保证泵能安全可靠地运行。
目前，国内泵类产品的临界转速的计算方法，基本上采用传统方 法(能量法见下列公式l )，即下文所谓的"干临界转速"(或称"空 气临界转速")计算法。这种方法对于输送介质是空气或气体的机械 (例如压缩机和风机等)而言，其预测精度普遍可达95%以上。
釆用能量法计算干临界转速nc，计算公式如下
nc = 299 ( 1/y) 。5 (r/min)…… (1 )
式(1)中，Y为转子最大静挠度(cm)。当试验泵的转子静挠度 Y = 0. 056醒(实测值)时，则计算的干临界转速nc = 3996 (r/min)。
然而，对于输送介质是液体的泵类产品而言，泵产品转轴的临界 转速(即"湿临界转速")的机理比输送气体的机械要复杂的多。显 然，"千临界转速"的计算方法，应用在泵类产品上，则与实际情况 不符合，只能起到估算的作用，只能仅供参考用，而对设计的实际意 义并不大。
泵行业有关临界转速设计规范的不完善性是有目共睹的，但由于 国内目前还没有研发出适合泵类产品临界转速的计算方法，更不能使 其规范化，故只能釆用技术本身成熟但并非适用的所谓的"干临界转 速"理论，这是无奈之举。在国外的一些泵业公司和研究单位(例如英国Wer泵业公司、美 国B.J公司等)在"多年前已投入大量的人力和财力，研究出比较实 用的所谓的"湿临界转速"的计算软件。但这个软件是不对外公开的 技术秘密。
根据世界石化行业用泵的通用设计制造规范一一美国石油学会 标准API610《石油、重化学和天然气工业用离心泵》的规定，泵的成 套范围应包括湿临界转速计算报告。为了适应石化工业的迅速发展， 为了使国产的泵类产品的技术水平和设计规范与国际接轨，为了提升 国内泵类产品技术档次，为了在设计上确保泵运行的安全可靠性，国 内尽快研发湿临界转速分析计算方法显得非常必要。但是目前国内在 这方面的计算工作仅仅开始起步。在以前，到底有哪些主要因素影响
"湿临界转速"，影响程度如何，没有感性认识，缺乏试验依据。
发明内容
本发明的目的在于克服上述的不足，而提供一种通过试验的方式 能得到离心泵的干临界转速值、湿临界转速值以及该两值的定量关系 的离心泵临界转速的试验方法及其试验装置。
本发明的目的通过如下技术方案来实现 一种离心泵临界转速的 试验方法是，首先选用一试验离心泵机组，由试验泵电机驱动试验离 心泵运转，由变频器对试验泵电机进行无级调速，且该试验离心泵的 叶轮为实心圆盘；再选用一供压泵机组，向试验离心泵的壳体密封环 入口提供压力源，并选用振动传感器及配套的振动检测仪，对试验离 心泵的振动值进行测量，再选用 一试验水池通过供压泵而对试验离心 泵进行不注水或者注水试验；然后，在试验离心泵的壳体密封环处于 某一压力降、某一结构形式或某一间隙值的情况下，通过变频器对电 机的转速进行无级调节的过程中，同时测得试验离心泵的振动速度 值；当试验离心泵的转轴在某一运行速度时，试验离心泵的振幅达到 高峰值，则确定该实测转轴速度就是试验离心泵的干临界转速或者湿 临界转速。一种为实施上述的离心泵临界转速的试验方法而采用的离心泵 临界转速试验装置，包括试验离心泵、供压泵、试验水池，所述的试 验离心泵与试验泵电机相联，试验泵电机又与变频器相联，在试验离 心泵的轴承体上装有配套使用的振动传感器及振动检测仪，且该试验 离心泵的叶轮为实心圆盘；所述的供压泵与供压泵电机相联，供压泵 的入口端通过吸水管与试验水池相联、供压泵的出口端依次通过压力 管一、调压阀、压力管二与所述的试验离心泵的进口端相联，试验离
心泵的出口端通过排水管与试验水池相联；所述的试验离心泵的入口
端处、出口端处分别装有入口压力表、出口压力表。
釆用本发明后，可以直接通过观测试验离心泵的转速来测定试验 离心泵的干、湿临界转速，既方便又准确，以确保泵运行的安全可靠 性。从试验结果得知，试验离心泵的壳体密封环的磨损对湿临界转速 的影响很大。当离心泵经过长时间运行后，壳体密封环的密封间隙扩
大了，则泵的湿临界转速降低了；当湿临界转速降低到一定程度时， 泵在运行中产生剧烈振动，并导致运行故障停机或损坏零件。为了确 保泵产品的安全运行，提醒设计者和使用者应引起足够关注和重视。
下面结合附图与实施方式对本发明作进一步的详细描述。
图1为本发明采用的试验离心泵的结构示意图。 图2为图1的侧视图。 图3为本发明釆用的供压泵的结构示意图。 图4为本发明采用的离心泵临界转速试验装置的结构示意图。 图5为图4中的试验离心泵机组的K向视图。 图6为本发明采用的振动传感器、振动检测仪在试验离心泵的轴 承体上安装的结构示意图。
图7为图1中选用的单间隙式壳体密封环的结构示意图。 图8为图1中选用的三间隙式壳体密封环的结构示意图。 图9为本发明的离心泵釆用单间隙式壳体密封环时的压力降与
干、湿临界转速的关系图表。图io为本发明的离心泵釆用单间隙式、三间隙式壳体密封环时
的压力降与湿临界转速的关系图表。
图11为本发明的离心泵釆用单间隙式、三间隙式壳体密封环时的 不同密封间隙值与湿临界转速的关系图表。
具体实施例方式
参照附图，本发明离心泵临界转速的试验方法是首先选用一试 验离心泵机组，由试验泵电机驱动试验离心泵运转，由变频器对试验 泵电机进行无级调速，且该试验离心泵的叶轮为实心圆盘；再选用一 供压泵机组，向试验离心泵的壳体密封环入口提供压力源，并选用振 动传感器及配套的振动检测仪，对试验离心泵的振动值进行测量，再 选用一试验水池，通过供压泵而对试验离心泵进行不注水或者注水试 验；然后，在试验离心泵的壳体密封环处于某一压力降、某一结构形 式或某一间隙值的情况下，通过变频器对电机的转速进行无级调节的 过程中，同时测得试验离心泵的振动速度值；当试验离心泵的转轴在 某一运行速度时，试验离心泵的振幅达到高峰值，则确定该实测转轴 速度就是试验离心泵的干临界转速或者湿临界转速。
如图4、图5所示， 一种为实施上述的离心泵临界转速的试验方 法而采用的离心泵临界转速试验装置，包括试验离心泵40、供压泵 54、试验水池49，所述的试验离心泵40通过联轴器47与试验泵电 机41相联，试验泵电机41又与变频器46相联，在试验离心泵40 的轴承体55 (包括左、右轴承体)上装有配套使用的振动传感器42 及振动检测仪45,且该试验离心泵40的叶轮6为实心圆盘；所述的 供压泵54通过联轴器53与供压泵电机51相联，供压泵54的入口端 通过吸水管32与试验水池49相联、供压泵54的出口端依次通过压 力管一33、调压阀34、压力管二 38与所述的试验离心泵40的进口 端相联，试验离心泵40的出口端通过排水管35 (排水管中可装有流 量计37)与试验水池49相联；所述的试验离心泵40的入口端处、 出口端处分别装有入口压力表43、出口压力表"。为了防止水倒流， 在所述的调压阀34与压力管二 38之间装有止回闳36。其中，试验离心泵的设计选型首先选用一台250DH176标准型泵 作为试验离心泵基本结构，它是一台卧式单级双吸离心泵，其配套的 试验泵电机的功率为315kW。然后对250DH176标准型泵改型为 GX-250DH176试验离心泵，即将250DH176标准型泵的叶轮更换为大约 相同质量的实心圆盘6(可称为模拟叶轮)，而其它零件基本不变。但 两泵的进出口流动方向相反，原250DH176泵的出口是GX-250DH176试 验离心泵的入口端(进水口 ) 17;原250DH176泵的进水口是 GX-250DH176试验离心泵的出口端(出水口 ) 16，此设计是为了能获 得压力降的产生。
如图l、图2所示，改型后的试验离心泵的型号为GX-250DH176， 其主要由转轴l、左滚动轴承部件2 (包括左轴承体和左轴承等)、左 机械密封部件3、左密封函体4、左壳体密封环5、模拟叶轮6、右壳体 密封环7、泵壳体8、右密封函体9、右机械密封部件10和右滚动轴承 部件ll (包括右轴承体和右轴承等)等组成。如图2所示，试验离心 泵是顶部进水口17 (小口径)注入和顶部出水口16 (大口径)流出。 试验离心泵由试验泵电机直接驱动，试验泵电机则通过变频器进行变 频调速，使本试验装置的调速能力在0 7000r/min之间。试验离心泵 的工作转速为2980r/min。
供压泵的选型为了改变经过试验离心泵的左、右壳体密封环的 压力差(与运行速度无关)，选用一台单独供压泵。此供压泵是一台 PAF50-450B型卧式单级单吸标准型离心泵，出口最大工作压力为 3MPa，配套的供压泵电机功率为90kW。如图3所示，供压泵主要由泵 壳21、叶轮密封环22、壳体密封环23、叶轮24、机械密封25和轴承部 件26零件组成。该泵为轴向端27(入口端)吸入，纵向端28(出口端) 垂直向上排出。
试验水池是利用现有的水泵试验室的水池，试验水池容量为350 立方米，深度为3米。供压泵的输出流量由其纵向端排出，通过管路 注入试验离心泵的进水口17。这样，液体流动将在正常的方向通过左、 右壳体密封环5、 7泄漏出去，然后流出试验离心泵的出水口16,并经 过管路回到试验水池。供压泵运行时，通过吸水管32从试验水池里吸入水，试验离心泵通过排水管35将壳体密封环排出的水回到水池中。
为使上述两泵的吸、排水互不干扰，在试验水池49中、吸水管32与排 水管35之间设一隔离栅50。
所述的试验离心泵40、联轴器47、试验泵电机41、变频器46、 振动传感器42、振动检测仪45等构成为试验离心泵机组而安装在试 验泵底座48上，所述的供压泵54、联轴器53、供压泵电机51等构 成为供压泵机组而安装在供压泵底座52上。
试验离心泵的振动测量方法是试验离心泵的振动值由安装在其 左、右轴承体上的振动传感器(在线振动探头)测得。如图6所示， 振动传感器与振动检测仪配套使用，泵的振动值可在振动检测仪的 盘面上读得。振动传感器选用ST系列，在所述的试验离心泵41的左、 右两轴承体55上各安装互成90。的两只振动传感器42。
泵上最普遍的振动问题，大多数都发生在泵轴上，而且轴振动大 部分被传到轴承体上，在这种情况下，测量轴承体的振动，对于泵的 综合工况，可以提供有意义的信息(注振动数据应换算为在每一运 转速度的频谱。所讨论的所有试验数据，都是瞬时转动频率下得到的。 这里所指的临界转速均指常见的第一阶临界转速)。
试验离心泵的壳体密封环间隙的压力降(即压力差)的建立方法 是图1中的壳体密封环间隙的进口压力12和13由图4中的供压泵54 提供(该压力P,由入口压力表43测得)，并通过调节阀34进行调节压 力；图1中的壳体密封环间隙的出口压力14和15由安装在排水管上的 出口压力表"测得为P2。由此可计算出经过壳体密封环的压力降(压 力差)AP-P,-P2 。供压泵的出口压力为O. 5~ 3. OMPa。
如图7、图8所示，试验选用三个密封间隙值、两种密封结构形式 (单间隙式、三间隙式)的壳体密封环，分别在相同的压力降或者不 同的压力降下进行试验。
测试试验离心泵的干临界转速的试验方法是在试验离心泵中不 注入水，并且去除其左、右壳体密封环5、 7时，做上述方法的试验， 测量振动曲线，确定试验离心泵的振动峰值和干临界转速。去除壳体密封环的原因是由于此时壳体密封环间隙中是空气，没有水的润滑 作用而壳体密封环容易磨损。另外，此去除方法对于测试试验离心泵 干临界转速与壳体密封环间隙的因素无关(从动力学原理角度看)。 在试验离心泵中没有注入水的试验而得到的干临界转速数值为
3950r/min，这与技术成熟理论计算出的干临界转速数值(3996r/min) 很接近(见图9)。这证明了本试验装置实测值是符合实际情况的，或 可以这样认为，此干临界转速理论计算方法是值得信赖的。
测试试验离心泵的湿临界转速的试验方法在试验离心泵中注入 水，在相同压力降或者不同压力降的情况下，釆用单间隙式、三间隙 式等两种不同形式的壳体密封环结构，再分别测量振动曲线，确定试 验泵的振动峰值和湿临界转速。如图7和图8所示，在试验离心泵中注 入水时，通过改变单间隙式壳体密封环的径向间隙L1(半径方向)，通 过改变三间隙式壳体密封环的径向间隙L2、 L3、 L4(半径方向)，使得 产生不同的压力降，再分别测量振动曲线，确定试验泵的振动峰值和 湿临界转速。本试验选用O. 4mm、 0. 6mm、 0. 8mm等三种密封间隙值(直 径方向)，其中O. 4mm为设计间隙，0.6mm和0. 8mm可视为长期运行磨损 后的间隙。
如图9所示，纵坐标09-l为第一临界转速(r/min),横坐标09-2
为压力降(MPa)。水平虛直线"----"为单间隙式壳体密封环结
构在空气中的干临界转速的计算值；带圆圈的曲线"一一O—一"为 单间隙式壳体密封环结构在水介质中的湿临界转速实测值。
如图10所示，纵坐标10-l为第一临界转速(r/min)，横坐标10-2 为压力降(MPa)。带正方的曲线"一一□一一"为单间隙式壳体密封 环结构在水介质中的湿临界转速实测值；带星形的曲线"一一☆一一" 为三间隙式壳体密封环结构在水介质中的湿临界转速实测值。
如图11所示，纵坐标11-l为第一临界转速(r/min)，横坐标ll-2 为密封环直径方向间隙(咖)。带菱形的曲线"一一 一一"为单间 隙式壳体密封环结构在水介质中的湿临界转速实测值；带叉形的曲线 "一一 x —一"为三间隙式壳体密封环结构在水介质中的湿临界转速 实测值。在试验离心泵中注有水的试验得到的临界转速数值与以前传统 的技术成熟的计算干临界转速公式(能量法)计算出来的数值相差很 大。此动力特性主要与壳体密封环的径向间隙的几何形状和大小密切 相关(见图10和图11),与压力降密切相关(见图9和图10)。
在本试验装置上比较了三种试验间隙(0. 4鹏、0. 6mra和0. 8mm) 的结果表明，在任何压力差AP下，对于单间隙式壳体密封环而言， 湿临界转速是最高的。另外，间隙值越大，湿临界转速越低(见图ll )。 该试验泵的壳体密封环规定的设计名义间隙(直径方向)为 0. 4mm，在额定工况时的压力降为l. 75MPa,试验结果得出了湿临界转 速为干临界转速的l. 6倍的定量关系。这个结果对一般的单级和两级 水泵转子的动力学设计是很有直接应用价值的，因为干临界转速可以 计算出来，则该类泵的湿临界转速就可以近似的计算出来了 。
但是，多级泵转轴的湿动力特性更加复杂，针对不同的级数、不 同的结构和尺寸，不同的用途和不同的设计规范，针对平衡鼓/套和 导叶套等处起强烈地、占支配作用间隙动力特性，其湿临界转速均有 很大的不同。但从定性角度看，本试验方法及装置的设计和配置，对 今后进一步开展测试多级泵湿临界转速工作打下了理论和实践依据， 具有举一反三的指导作用。
权利要求
1、一种离心泵临界转速的试验方法，其特征在于首先选用一试验离心泵机组，由试验泵电机驱动试验离心泵运转，由变频器对试验泵电机进行无级调速，且该试验离心泵的叶轮为实心圆盘；再选用一供压泵机组，向试验离心泵的壳体密封环入口提供压力源，并选用振动传感器及配套的振动检测仪，对试验离心泵的振动值进行测量，再选用一试验水池通过供压泵而对试验离心泵进行不注水或者注水试验；然后，在试验离心泵的壳体密封环处于某一压力降、某一结构形式或某一间隙值的情况下，通过变频器对电机的转速进行无级调节的过程中，同时测得试验离心泵的振动速度值；当试验离心泵的转轴在某一运行速度时，试验离心泵的振幅达到高峰值，则确定该实测转轴速度就是试验离心泵的干临界转速或者湿临界转速。
2、 如权利要求1所述的离心泵临界转速的试验方法，其特征在 于在试验离心泵中不注入水，并且去除其左、右壳体密封环时，做 上述方法的试验，测量振动曲线，确定试验离心泵的振动峰值和干临 界转速。
3、 如权利要求1所述的离心泵临界转速的试验方法，其特征在于 在试验离心泵中注入水，在相同压力降或者不同压力降的情况下，采 用单间隙式、三间隙式等两种不同形式的壳体密封环结构，再分别测 量振动曲线，确定试验泵的振动峰值和湿临界转速。
4、 如权利要求l或3所述的离心泵临界转速的试验方法，其特 征在于在试验离心泵中注入水时，通过改变单间隙式壳体密封环的 径向间隙(L1);通过改变三间隙式壳体密封环的径向间隙(L2、 L3、 L4)，使得产生不同的压力降，再分别测量振动曲线，确定试验泵的 振动峰值和湿临界转速。
5、 一种为实施权利要求1所述的离心泵临界转速的试验方法而采用的离心泵临界转速试验装置，包括试验离心泵(40)、供压泵(54)、 试验水池(49)，其特征在于所述的试验离心泵(40)与试验泵电 机(41)相联，试验泵电机(41)又与变频器(46)相联，在试验离 心泵(40 )的轴承体(55 )上装有配套使用的振动传感器(42 )及振 动检测仪(45),且该试验离心泵(40)的叶轮(6)为实心圆盘；所 述的供压泵(54)与供压泵电机(51)相联，供压泵(54)的入口端 通过吸水管(32)与试验水池(49)相联、供压泵(54)的出口端依 次通过压力管一 (33)、调压阀(34)、压力管二 (38)与所述的试验 离心泵(40)的进口端相联，试验离心泵(40)的出口端通过排水管 (35)与试验水池(49)相联；所述的试验离心泵(40)的入口端处、出口端处分别装有入口压力表U3)、出口压力表(44)。
6、 如权利要求5所述的离心泵临界转速试验装置，其特征在于 在所述的调压阀(34)与压力管二 (38)之间装有止回阀(36)。
全文摘要
一种离心泵临界转速的试验方法，其选用一试验离心泵机组、供压泵机组、试验水池，在离心泵的壳体密封环处于某压力降、某结构形式或某间隙值的情况下，通过变频器对电机转速进行无级调节中，测得离心泵的振动速度值；当离心泵的转轴在某运行速度时，其振幅达到高峰值，则确定该实测转轴速度就是离心泵的干或湿临界转速。一种离心泵临界转速试验装置，其试验离心泵与试验泵电机、变频器相联，在离心泵的轴承体上装有振动传感器及振动检测仪，该离心泵的叶轮为实心圆盘；其供压泵的入口端与试验水池相联、供压泵的出口端与离心泵相联，离心泵与试验水池相联。本发明可直接通过观测离心泵的转速来测定其干、湿临界转速，既方便又准确，以确保泵运行的安全可靠性。
文档编号G01P3/00GK101419242SQ20081010734
公开日2009年4月29日 申请日期2008年11月5日 优先权日2008年11月5日
发明者夏益洪, 孙森森, 戴小锋, 武 池, 沈水钦 申请人:浙江科尔泵业股份有限公司