泵系統(tǒng)中的喘振現(xiàn)象

1喘振現(xiàn)象水泵在不穩(wěn)定運行期間出現(xiàn)流量周期性地在很大范圍內(nèi)反復變化的現(xiàn)象，在工程中被稱為喘振現(xiàn)象或飛動現(xiàn)象。喘振發(fā)生在性能曲線呈駝峰形的水泵上，伴隨有振動和噪音，嚴重時能導致葉片斷裂，影響水泵的安全運轉，因此在工程中應予以防止。喘振現(xiàn)象與泵裝置管路系統(tǒng)的力學穩(wěn)定性有關，因此在研究喘振現(xiàn)象中應綜合考慮管路中的流體流動情況和泵系統(tǒng)驅動情況。

　　2泵性能曲線上的喘振分析如所示，當發(fā)生喘振時，泵的工作點始終繞著封閉曲線作逆時針旋轉。可以看出，旋轉區(qū)或為駝峰形性能曲線上升區(qū)域的那一駝峰形工作點段曲線，根據(jù)有關資料表明，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/：點為性能曲線最高點。若工作點在性能曲線的下降區(qū)段，如B點，水泵運行是安全的。但若工作點在性能曲線的上升區(qū)段，如4點，水泵運行不穩(wěn)定，這是因為當/1點右移動時，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，工作點繼續(xù)右移，直到K點為止；當/1點向左移動時，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，工作點繼續(xù)向左移動，直至流量為零。因此一遇干擾，4點就會移動，再也不能回到原點，這就是為什么說性能曲線的上升區(qū)段運行是不穩(wěn)定的原因。通常以尺點作為區(qū)分穩(wěn)定與不穩(wěn)定的臨界點，尺點左側稱為不穩(wěn)定工作區(qū)，X點右側稱為穩(wěn)定工作區(qū)，而區(qū)內(nèi)的//點，如/1點，被稱為不穩(wěn)定點，S點被稱為穩(wěn)定點，如表示。

　　由以上分析可知，如果泵性能曲線沒有上升點，就不會產(chǎn)生工作的不穩(wěn)定性，也就不會產(chǎn)生喘振，因此水泵應盡量設計成其性能曲線無上升段的模式，否則應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)段就一定會產(chǎn)生喘振呢，這是一個很容易想當然的論斷，下面利用水力學和振動學有關理論對簡單泵系統(tǒng)和復雜泵系統(tǒng)運行中所受的擾動進行定性分析，并得出相應的結論。

　　3簡單泵系統(tǒng)喘振分析如所示的簡單泵系統(tǒng)中，出水管中間無水箱或貯氣罐等設備，泵出口排水管直接連到管路系統(tǒng)。該泵系統(tǒng)的力學運動系統(tǒng)包括兩個部分，分別是流體流動部分和流體驅動（包括泵葉輪和拖動機）部分。

　　對于第一部分，與管路特性有關，根據(jù)伯諾利方程，可建立如下方程：札一實際揚程，為一常值九一沿程阻力損失，與流量<有關―排水閥水頭損失，與流量P有關L一管路常數(shù)，/<=//（知），其中Z為管長，/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第二部分，根據(jù)振動理論，建立繞轉軸運動方程：轉動慣量一拖動機驅動力矩，與轉速7V有關7V-葉輪旋轉阻力矩，與流量和轉速N有失假定由于某種原因，引起流量和轉速各發(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，并忽略二階以上微量得：其中：如一栗特征量，揚程相對流量的變化如一管路特征量，排水閥全開時管路阻簡單泵系統(tǒng)喘振分析水泵技術力曲線的切線斜率如一管路特征量，水閥開度的管路阻力曲線的切線斜率V―栗系統(tǒng)特征量，“=-%，其中：77―拖動機的驅動曲線的切線斜率，小一轉速曲線的切線斜率，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），從而整個系統(tǒng)穩(wěn)定，不會產(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<！>符號由小p、扣、―決定。下面來研究一下這三個系數(shù)如、小I、如的符號確定方法。

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

　　對于扣、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度下阻力曲線的切線斜率。

　　考中泵的三個工作點人5、￠：，對于4點，因為|和|<丨咖+屯|，故小<.而對于5點，因為扣< 0而和+屯大于0，故巾<0，最后是C點，和點的情況是一樣的，因此<>由此，可以得出結論，在簡單泵系統(tǒng)中，無論揚程曲線是向右下方還是向右上方傾斜，或者說有沒有駝峰形，都不會產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。

　　是正值。因此，只要滿足：4復雜泵系統(tǒng)喘振分析復雜泵系統(tǒng)是指管路中設有貯氣罐或水箱一類的設備的泵系統(tǒng)，如所示�，F(xiàn)假定It氣罐或水箱前面（有泵的那一側）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)定判定條件和簡單泵系統(tǒng)的一樣，即<0.首先來研究一下利用閥門來調節(jié)流量的情況。

　　如所示，上圖針對系統(tǒng)1，下圖針對系統(tǒng)2.此時系統(tǒng)1的揚程//=+如，是系統(tǒng)2的沿程阻力損失。由于6不起作用，對系統(tǒng)1沒有產(chǎn)生影響，因此和簡單泵系統(tǒng)情況一樣，滿足<；> <0，即不會產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。

　　下面再來研究利用閥門K來調節(jié)流量的情況。此時系統(tǒng)1的揚程為札+心+為閥門F2的壓頭損失。A，相當大，因此有可能P點超過關死揚程點。對于4點，情況和中的4點一樣，是不穩(wěn)定點，因此產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。利用穩(wěn)定理論亦可證明，此點如> 0，因此為不穩(wěn)定點。系統(tǒng)2的情況和簡單泵系統(tǒng)的情況一樣，因此會產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。

　　因此，在復雜泵系統(tǒng)中，若用閥門來調節(jié)流量，則有喘振現(xiàn)象發(fā)生。

　　5分析的結論由以上分析可知，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，二是離心泵啟動方式與軸流泵不同，一般是關閥啟動，然后逐漸開啟閥門增大流量，即使采用駝峰形離心泵產(chǎn)生了喘振，但由于作用時間很短，破壞力較小。但是對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，若流量調節(jié)閥安在離泵很遠的下游端，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。具體方法可詳見下述防范措施（2）。

　　6喘振防范措施根據(jù)以上三個條件，可制定相應防范措施，主要有：（1）在如上所述的復雜管路中應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）在水泵壓出側裝設旁路管，將泵壓出水泵技術水的部分送回吸入側，使工作點由上的A點移到駝峰的右側穩(wěn)定區(qū)某點。

　�。�3）使流量在任何條件下不小于，否則應裝設再循環(huán)管或自動排出閥門。

　�。�4）采用可動葉片調節(jié)流量，當外界需要流量減小時，轉動動葉使其裝置角減小，從而性能曲線下移，臨界點向左下方移動，使輸出流量減小，參見。

　　線臨界點向右上方移動；反之，性能曲線臨界點將向左下方移動，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，當管路流量增加時，開大吸人閥，使性能曲線臨界點向右上方移動；而當管路流量減小時，關小吸入閥，使性能曲線臨界點向左下方移動，從而縮小性能曲線上的不穩(wěn)定區(qū)，參見。

　　以免壓出管路內(nèi)存氣。調節(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行，若負荷減小，應提前減小投人運行的裝置臺數(shù)。

　　機械振動、水錘振動等引起較大的流量變化，加劇喘振強度。

　�。�10）喘振是由流體流動的不均性引起的，因此應盡量保證流動的均勻性。

　　旋轉失速振動、汽蝕振動、喘振都是由流體流動引起的振動，都能影響水泵的安全運轉。三者常常同時存在，互相作用，很難分辨。

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

　　旋轉失速是葉片結構特性引起的旋轉脫流，可造成葉道的阻塞和水泵能頭的降低，其引起的振動是脫流作用的結果。而喘振是水泵性能與裝置振蕩耦合后的結果，與泵系統(tǒng)力學穩(wěn)定性有關。

　　汽蝕是泵入口壓力低于相應水溫汽化壓力時出現(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，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的現(xiàn)象，再加上水錘以及機械振動（如轉動部件不平衡引起的振動等），是復雜泵系統(tǒng)中常遇到的對系統(tǒng)安全運行構成威脅的振動現(xiàn)象，在工程實踐中，應予以重視，并采取相應防范和泵系統(tǒng)改進措施。

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