基于MCSA的离心泵运行工况监测基础研究

发布时间：2020-06-17 05:50

【摘要】：本文在国家自然科学基金(51409125)和江苏省自然科学基金面上项目(BK20171403)的资助下开展工作。离心泵作为一种重要的动力机械,被广泛应用于工农业生产中。离心泵运行在高效可靠的工况对保障生产的持续进行具有重要作用。因此,监测离心泵运行工况,保障离心泵始终运行在安全稳定高效工况十分重要。传统的工况监测方法需要在现场安装额外的传感器,并配套相应的数据采集、传输、分析系统,成本高、可靠性低,适用范围窄。鉴于大多数离心泵由三相异步电动机驱动,本文提出了一种依靠电机定子电流信号监测离心泵运行工况的方法。离心泵不同运行工况对应着不同的内部流动特征、压力脉动特征等。作用在叶片上的压力脉动在叶轮上产生对应特征的水力负载转矩,水力负载转矩特性将通过转子轴系传递到电机转子轴端,使电机转子轴端产生具有对应脉动特征的扭矩。电机转子与定子间的电磁耦合将使扭矩的特性传递到电机定子电流中,因此通过监测电机定子电流实现离心泵的运行工况监测在理论上是可行的。相比于传统的离心泵运行工况监测方法,利用电机定子电流信号监测离心泵的运行工况具有非侵入式安装、信息传递路径少、抗干扰能力强、价格低廉等优点。本文采用理论分析、数值模拟及试验测试相结合的方法,对IS-65-50-160型单级单吸离心泵和Y160M-2 B3型电机组成的系统,首次研究定子电流信号分析(MCSA)监测法在离心泵偏工况、空化工况下的适用性,为基于MCSA监测离心泵运行工况奠定了基础。本文的主要工作和创新点有:1.利用UG NX10.0对离心泵进行了三维建模,利用ANSYS-ICEM14.0对离心泵水体域进行结构化网格划分,利用ANASYS-CFX14.0对其进行非定常计算,获得离心泵的性能曲线,并通过试验验证了模拟的可靠性。分析了不同流量工况下的叶轮叶片表面压力脉动分布特征、水力负载转矩脉动特征等。数值计算结果表明,叶片表面压力脉动的主频位于轴频(f_0)处;叶片表面的压力脉动在叶轮上产生水力负载转矩,主频是叶频f _(BPF)。随着运行工况偏离设计工况,压力脉动强度变大,水力负载转矩脉动强度变大且谐频分量增多。2.水力负载转矩通过转子轴系的转矩传递在电机转子轴端形成扭矩力矩。利用Workbench建立刚性转子轴系模型,以数值计算得到的水力矩为输入,计算轴端输出扭矩,发现轴端扭矩与水力矩呈线性关系。结合电机模型,对轴端扭矩在电机定子电流中的响应进行了理论分析。结果表明,转子与定子间的电磁耦合作用使电机转子轴端扭矩特性将以工频调制方式反映在定子电流中,扭矩中的谐频分量会引起定子电流中产生高频谐波分量。3.基于虚拟仪器搭建了离心泵闭式试验台,利用LabVIEW编写程序实现了离心泵的性能参数和电机定子电流采集、运行工况控制及信号初步处理等。4.对试验获得的偏工况下定子电流进行时域分析发现,定子电流均方根(I_(RMS))随着离心泵运行流量的增大而增大;对时域信号进行快速傅里叶变换(FFT)得到定子电流频域特性,频域特性与理论分析相吻合。频域里,信息主要集中在0-500Hz,50Hz的电网工频占据着定子电流中主频位置,且其幅值远高于其他频率分量幅值,这使得反映离心泵运行工况的信号被淹没在电网工频波动中。采用奇异值分解(SVD)法成功除去电网工频分量,提高了信噪比。除去电网工频后的定子电流中离心泵轴频分量居于主频位置,谐波和噪声分量显现出来。计算定子电流总谐波失真(THD)可知,当离心泵运行在驼峰区时,THD高达40%;随着离心泵运行工况靠近设计工况,THD下降至10%以下;随着流量的进一步增大,THD又略有增大。结合THD和I_(RMS)随离心泵运行流量的变化特征,建立了电机定子电流特征与流量工况之间的联系,可实现离心泵流量工况的监测。5.在搭建的试验台上进行了离心泵空化试验,对空化工况下的性能参数、轴端扭矩与电机定子电流进行了同步采集。对试验获得的不同空化程度下轴端扭矩进行分析发现,时域里离心泵空化程度的加剧会导致扭矩均值下降,脉动幅值增大;频域里不同空化程度下轴频都是主频,且远高于其他频率处的幅值;随着空化程度加剧,主频幅值逐渐增大,扭矩的高频分量不断增加。6.分别在时域、频域、时频域分析离心泵空化工况下的电机定子电流。时域里,只有当空化程度发展到严重空化时才会导致定子电流中产生较多的谐波分量和噪声;临界空化之前,I_(RMS)没有太大变化,临界空化发展到严重空化这一过程中I_(RMS)下降较快,该特征可作为空化程度的监测指标之一;定子电流峭度(K)对空化过程较为敏感,空化初生时定子电流K值就迅速增大,且随着空化程度的加剧,K值不断增加。频域里,SVD法剔除电网工频后的定子电流信号中轴频是主频;随着空化的加剧,轴频边带噪声和高频电流分量越来越多;首次对定子电流进行小波包分解和能量重构来监测离心泵空化程度,对定子电流采用了‘db9’小波包进行了4层分解得到了16个小波包节点。研究结果表明:低频小波包的幅值一般要高于高频小波包的频域幅值;剔除电网工频小波包,计算剩余各个小波包所占能量比重,发现随着空化程度的加剧,定子电流中高频分量的能量占比越来越大,可见空化使定子电流中高频分量增多,这一现象可作为空化程度的监测指标。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH311
【图文】：

设计图,设计图,出口段,蜗壳

(b) 蜗壳图 2.2 泵水力设计图Fig.2.2 Hydraulic diagram of pump采用三维造型软件 UGNX10.0 对该离心泵水体域进行三维造型。为在计算时减少和出口段过短对流场稳定性的干扰，模拟得到与实际情况更加类似的流场，在三维将进口段和出口段进行了延长，进口段延长距离为 5 倍的进口直径，出口段延长距倍的出口直径。造型过程中为了使蜗壳和出口交界处更好地衔接，将蜗壳和出口段体造型，使得蜗壳和出口段形成一个整体。整个水体域包括四个部分：进水管、叶环、蜗壳。如图 2.3 所示的水体域三维装配图。

模型泵,三维造型,流道

图 2.3 模型泵流道三维造型图Fig.2.3 Computational domains of model pump格划分及无关性分析与分析的载体[64]，本文采用功能强大的 ANSYS ICEM C求解器输出计算网格。网格质量、类型、分布等影响着数算资源。结构化网格相对于非结构化网格更容易灵活调整调整，实现区域的边界拟合，与实际模拟更容易接近[65]，心泵水体域进行网格划分。网格划分的区域为模型泵的进划分结果如图 2.4 所示。

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