自吸式离心泵由于具备良好的自吸性能,而被广泛地应用于农业灌溉、市政排涝、石油化工及海洋船舶等领域。随着自吸泵应用领域的不断拓宽和技术要求的不断提升,自吸性能和振动性能成为关键的技术评价指标。然而,由于泵自吸过程是一种十分复杂的气液两相流瞬变过程,其内部的流动特征及其非定常激励特征尚未被完全揭示。因此,本文采用高速摄影技术与振动测试技术,对离心泵整个自吸过程中的空泡流时空特征及其诱导振动信号进行同步采集和分析研究,以揭示离心泵自吸机理及其两相流动态演变规律,建立离心泵自吸过程空泡流时空特征与激励机制之间的内在关系,为自吸泵的优化设计提供理论指导和基础实验数据。本文的具体研究工作及成果如下:(1)根据实验要求设计并加工一台自吸式透明离心泵,搭建一套离心泵自吸过程气液两相流动特征及诱导振动信号同步测试系统和离心泵自吸完成后外特性及振动信号同步采集系统;采用高速摄影技术实现离心泵自吸过程气液两相流动特征的动态捕捉;同时,在离心泵敏感区域布置振动加速度传感器,利用振动加速度传感器测量自吸阶段及自吸完成后离心泵不同区域的振动特性;通过图像处理技术和信号频谱分析手段开展数据图像的处理及分析和振动信号特征频率的提取及分析,以揭示离心泵自吸过程的空泡流时空特征及其机理机制。(2)观察并分析不同自吸时间段内离心泵内部气液两相流流动特征和进出水管的液位变化特征,获取自吸过程中进出水管液位变化规律,并根据进出水管液位变化规律将自吸过程分为自吸初期、自吸中期和自吸末期。在自吸初期,蜗壳出口液流量及液流冲击力随着叶轮转速逐渐增大,并对泵体顶端造成冲击;弯管中逐渐有气相进入泵体,在进口部分开始气液混合形成空泡向出口边移动,并在叶片出口边尾部形成空泡带,流向叶片压力面;由于空泡的增多,蜗壳出口处开始出现气泡回流现象,叶轮前腔液出现空腔并逐渐增大,回流口处也开始慢慢积聚气泡。在自吸中期,泵内液相中含有大量的小气泡,并在气液分离室底部聚集,被回流口吸入,造成气相的回流,增加自吸时间。在自吸末期,泵内液相含量逐渐上升,叶轮前腔内的空泡腔不断减小并消失,气泡数量也有显著的减少;回流口处的气相回流量也不断减少液相回流量不断增加。(3)分析了模型泵自吸过程不同测点的振动强度变化规律及其激励机制,探究不同回流口位置对离心泵自吸性能及激励机制的影响,在整个自吸过程中,5个测点的振动强度变化规律大致相同,其中轴承体x轴方向的振动信号相对最强,底座的振动信号强度相对最弱;在自吸初期时,整个泵装置的振动水平主要受电机影响;但在自吸中期时,泵体和轴承体y轴方向的振动强度产生了明显波动现象,这是因为回流口和蜗壳扩散段的回流液对叶轮产生剪切作用;自吸末期后,气液两相含量逐渐稳定,泵内气相含量降低,气泡溃灭带来的振动冲击及蜗壳出口射流对泵体冲击强度均有所减小,进一步减小了泵装置整体的y轴方向上的振动水平。对比不同回流口方案的自吸时间,发现回流孔位置对自吸中期所用的时间影响最为显著,4号回流口对应的自吸时间最短;同时,对应的振动水平与其他回流口方案相近。(4)测量了自吸完成后离心泵正常工作时不同流量工况下的振动特性,通过分析在不同流量工况下自吸泵不同测点区域的振动频谱特征,并与自吸过程中产生的振动信号进行了对比分析,建立了泵正常工作状态时的振动信号特性与流量工况之间的内在联系。发现与自吸阶段相比,离心泵正常工作时各个测点的振动水平均出现不同程度的减小;振动信号呈现出一定的周期性变化规律;流量工况对轴承体y轴方向振动影响最大,对轴承体x轴方向振动影响较小。轴承体和泵体的x轴方向振动强度最大,均随流量的增大而波动上升,可能是由于流量的增加,加剧了电机定子和转子的之间的不稳定电磁力造成的。不同流量工况条件下,5个测点的最大振动水平均出现在0~200Hz频段,泵底座的整体振动水平最低,受流量工况变化影响较小;整个泵装置的x轴方向的振动水平比y轴的大,泵体上的振动水平比轴承体上的大,其中机械诱导振动占主要部分,其主要由电机与轴承体连接时未充分对中引起;泵体上的部分振动水平主要由于叶轮-蜗壳的动静干涉作用引起的。