趙浩儒，楊 帆，吳俊欣，陳世杰，武 蒙

（1.揚州大學，江蘇揚州 225009；2.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇揚州 225127）

1 前言

引起泵裝置內(nèi)部壓力脈動的原因較多，如汽蝕、進口流速不均、過流部件中流場的速度和壓力分布不均勻及機組過渡過程產(chǎn)生的壓力和速度變化等。壓力脈動峰峰值若超過允許范圍將會導致水泵產(chǎn)生振動和噪聲，甚至導致葉片產(chǎn)生裂紋，降低水泵效率，直接影響泵裝置的安全穩(wěn)定可靠運行，因此對泵裝置壓力脈動的研究顯得非常重要［1］。目前，國內(nèi)外學者對泵裝置內(nèi)部脈動的研究主要集中于：采用CFD軟件對葉片泵及泵裝置內(nèi)部壓力脈動進行數(shù)值模擬研究［2～5］；采用物理模型試驗對泵裝置內(nèi)部壓力脈動進行研究［6～10］；流態(tài)對葉片泵內(nèi)部壓力脈動的影響規(guī)律［11～13］。

因軸流泵裝置壓力脈動試驗測試裝置所需成本較高，當前主要采用數(shù)值模擬的方法，但數(shù)值模擬只能對測試結(jié)果進行間接性的預測，不能精準地反映實際情況，存在一定的誤差。為了獲得準確的試驗結(jié)果，本文在分析前人研究成果的基礎上，通過構建水力機械閉式試驗臺，搭配相應的脈動測試儀器和軟件，對不同流量時立式軸流泵裝置進行壓力脈動測試，旨在獲得準確的壓力脈動信號數(shù)據(jù)。

2 試驗裝置及試驗測點布置

水力機械閉式試驗臺如圖1所示，包括模型泵測試裝置；LDG-125S-92型0.5級電磁流量計1臺；ISWH125-100A型304不銹鋼材質(zhì)管道離心泵1臺；JCO型0.1級扭矩傳感器1臺，JW-3扭矩儀1臺；EJA110A型0～100 kPa壓差變送器1臺；高頻動態(tài)傳感器，信號采集儀及配套分析系統(tǒng)，并配備相應的電動機，閘閥，管道等。其中葉輪的葉片數(shù)為4，導葉體葉片數(shù)為5，試驗運行額定轉(zhuǎn)速為2200 r/min，各項參數(shù)如表1所示。

圖1 試驗裝置示意

表1 主要參數(shù)

試驗中采用壓差變送器測量泵裝置的揚程，電磁流量計測試流量，通過二次儀表的信號轉(zhuǎn)換直接采集扭矩、轉(zhuǎn)速、揚程和流量信號數(shù)據(jù)。試驗方法依據(jù)SL140-2006《水泵模型及裝置模型驗收試驗規(guī)程》，壓力脈動測點選擇了進水流道出口段A-A處壁面的P1、P2、P3，每個監(jiān)測點間隔120°。出水流道漸擴段B-B處壁面上設置P4、P5、P6、P7，每個監(jiān)測點間隔90°。共設置7個監(jiān)測點，因篇幅限制只對監(jiān)測點P1，P2，P4，P6進行分析，壓力脈動監(jiān)測點布置如圖2所示。

圖2 壓力脈動監(jiān)測點布置

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 能量性能試驗

通過能量性能試驗得到立式軸流泵裝置流量、揚程及效率之間的關系，如圖3所示。試驗所測立式軸流泵裝置最高效率為74.37%，此時的葉片安放角為0°，流量為31.04L/s，揚程為1.60m。為得到不同流量工況時各監(jiān)測點壓力脈動的變化規(guī)律，分別取0.3Qbep，Qbep，1.2Qbep共 3 個流量工況對上述7個壓力脈動監(jiān)測點的脈動幅值進行分析。

圖3 模型泵裝置性能曲線

3.2 壓力脈動時域分析

選取P1，P2，P4，P6壓力脈動監(jiān)測點，分別在0.3Qbep，Qbep，1.2Qbep流量工況下進行脈動幅值分析。在分析壓力脈動時，壓力脈動幅值用壓力脈動系數(shù)Cp表示，計算式如下：

式中 P——監(jiān)測點壓力，kPa

ρ——水的密度，kg/m3

U——葉輪的圓周速度，m/s

各監(jiān)測點時域如圖4～6所示。為了分析各測點壓力的時域變化，選取4個轉(zhuǎn)動周期的脈動數(shù)據(jù)。周期N=t/T，t為所選點信號點采集時間，T為葉輪旋轉(zhuǎn)一周的時間。橫坐標把時間轉(zhuǎn)化成葉輪旋轉(zhuǎn)周期數(shù)表示。

圖4 1.2Qbep流量工況時各監(jiān)測點的時域

圖5 Qbep流量工況時各監(jiān)測點的時域

圖6 0.3Qbep流量工況時各監(jiān)測點的時域

由圖4～6可知，分別在0.3Qbep，Qbep，1.2Qbep流量工況下，P1，P2監(jiān)測點壓力與時間呈正弦波形，壓力波動較為明顯，這說明葉片對水流的擾動作用在水流進入葉輪前已經(jīng)發(fā)生。在1個葉輪旋轉(zhuǎn)物理周期內(nèi)壓力變化呈現(xiàn)4個波峰和4個波谷，與軸流泵葉輪的葉片數(shù)相對應，這與文獻［2～4］所得結(jié)論相同。監(jiān)測點P1，P2都位于進水流道出口處，在0～4T周期時小流量工況0.3Qbep下，監(jiān)測點P1的壓力脈動最大幅值為P2的1.49倍，最優(yōu)流量工況Qbep時監(jiān)測點P1的壓力脈動最大幅值為P2的1.09倍，大流量工況1.2Qbep時監(jiān)測點P1的壓力脈動最大幅值為P2的1.13倍；大流量工況1.2Qbep時P1，P2監(jiān)測點壓力脈動最大幅值分別比最優(yōu)流量工況下小17%和18.3%。在0.3Qbep流量工況時，監(jiān)測點P1，P2在0.5T～1.0T和1.5T～2.0T周期內(nèi)出現(xiàn)了小范圍二次波峰的現(xiàn)象，原因應該是小流量工況時葉輪內(nèi)部產(chǎn)生的局部回流所致。

因監(jiān)測點P4，P6位于出水流道的漸擴段，已遠離葉輪，總體脈動幅值較小。在0.3Qbep流量工況時監(jiān)測點P4，P6的脈動最大幅值分別為P1的0.098倍和0.064倍；在Qbep流量工況時監(jiān)測點P4，P6的脈動最大幅值分別為P1的0.089倍和0.226倍；在1.2Qbep流量工況時監(jiān)測點P4，P6的脈動最大幅值分別為P1的0.159倍和0.284倍。出水流道漸擴段處監(jiān)測點波形無明顯規(guī)律，每個周期內(nèi)都出現(xiàn)局部小范圍的波動，原因是水流從導葉體流出后仍具有一定的速度環(huán)量，且出水流道擴散角較小，直接導致水流擴散不均勻，壓力變化未呈現(xiàn)規(guī)律性。

3.3 壓力脈動峰峰值分析

壓力脈動信號是一個隨機信號，隨時間和流量的改變而改變，有的測點脈動具有一定的周期性方便分析，但大部分測點的波形無法用解析式表達，目前有很多學者偏向于按置信度計算混頻的壓力脈動峰峰值。峰峰值是指一個周期內(nèi)信號最高值和最低值之間差的值，就是最大和最小之間的范圍。它描述了信號值的變化范圍的大小，用來表示脈動幅度的大小。

因物理模型試驗選取4個周期內(nèi)的壓力脈動幅值，所以采樣點數(shù)有限，為更加宏觀地分析各監(jiān)測點的脈動程度，對總體進行評估，統(tǒng)計了3個流量工況時P1，P2，P4，P6監(jiān)測點97%置信度的峰峰值，如圖7所示。從圖7上可以看出P1，P2監(jiān)測點的壓力脈動峰峰值大于監(jiān)測點P4和P6，以P1，P4為例，在0.3Qbep，Qbep，1.2Qbep流量工況下監(jiān)測點P1的脈動峰峰值分別是監(jiān)測點P4的14.419倍，9.504倍和5.852倍，原因是監(jiān)測點P1，P2受葉輪旋轉(zhuǎn)等因素影響，導致脈動峰峰值較大，因?qū)~體的擴壓和彎管對水流運動方向的約束作用，水流經(jīng)導葉體擴散后壓力脈動峰峰值減低。在0.3Qbep流量工況下，由于小流量工況時葉片載荷增大，葉片壓力面和吸力面壓差增大，導致靠近葉輪的P1，P2監(jiān)測點此時的峰峰值較大。出水流道處監(jiān)測點P4，P6峰峰值從1.2Qbep到0.3Qbep流量工況時先減小后增大，最優(yōu)流量時脈動峰峰值最小。

圖7 97%置信度的脈動峰峰值分析

3.4 壓力脈動信號各監(jiān)測點頻譜圖分析

對采集到的壓力脈動信號進行快速傅里葉變換（FFT）以分析頻譜規(guī)律。為便于分析，頻率以轉(zhuǎn)頻倍數(shù)表示：

式中 F——脈動數(shù)據(jù)經(jīng)過FFT變換后對應的頻率，Hz

n——轉(zhuǎn)速，r/min

壓力差：

式中 ΔP——頻譜圖中的壓力變化，Pa

P——時均壓力，Pa

各流量工況時進水流道出口段監(jiān)測點的時域數(shù)據(jù)經(jīng)傅里葉變換后的頻譜如圖8所示。從圖8（a），（b）可知，P1，P2壓力脈動的主頻以葉片通過頻率（4倍轉(zhuǎn)頻）為主。在0.3Qbep流量工況下，主頻壓力幅值較大，原因是泵內(nèi)湍流強烈的不規(guī)則運動，此時低于4倍轉(zhuǎn)頻的低頻脈動信號占主體，這與葉片載荷與小流量時葉輪的回流有一定的關系。1.2Qbep流量工況和最優(yōu)流量下主頻幅值相近，隨著流量減小，主頻脈動幅值不斷增大，0.3Qbep流量工況下壓力脈動幅值約是Qbep和1.2Qbep流量工況的2倍。出水流道漸擴段監(jiān)測點P4，P6的壓力幅值變化較大，但總體值偏低，監(jiān)測點P4最大值僅為0.125kPa，監(jiān)測點P6最大值為0.111kPa，出水流道漸擴段監(jiān)測點P4，P6的脈動頻率受轉(zhuǎn)頻的影響未呈現(xiàn)明顯規(guī)律性。在最優(yōu)流量工況時，監(jiān)測點P4、P6脈動幅值均低于0.3Qbep，1.2Qbep流量工況時兩監(jiān)測點的脈動幅值，主頻對應的壓力幅值隨流量的減小先減小后增加，在最優(yōu)流量時最小，此時低頻脈動信號較多。

圖8 各監(jiān)測點在不同流量工況下的頻譜

為進一步分析進水流道出口處監(jiān)測點脈動主次頻對應幅值的關系（定義此時主頻為葉片數(shù)×轉(zhuǎn)頻，次頻為轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)），現(xiàn)將監(jiān)測點P1，P2主次頻進行分析。如圖9所示，因在0.3Qbep流量工況時脈動幅值較大，應避免選擇在小流量工況下運行。監(jiān)測點P1，P2同屬于進水流道出口處，且處于同一截面所對應的管壁上，但在1倍轉(zhuǎn)頻處脈動幅值卻有很大差別。原因是水流流經(jīng)肘型進水流道彎曲段后迅速改變方向并加速，在線性減縮段內(nèi)，由于慣性力的強烈作用，較大的水流速度開始出現(xiàn)在流道外側(cè)壁附近導致內(nèi)外側(cè)流速不同?？芍O(jiān)測點處于同一截面所對應的壁面處，由于水流流速的不同，對不同邊壁的沖擊力的差別，壓力脈動幅值也不盡相同，該規(guī)律有待進一步分析。

圖9 進水流道出口處監(jiān)測點主次頻幅值

4 結(jié)論

（1）進水流道出口處各監(jiān)測點的壓力隨時間呈正弦波形，一個物理周期內(nèi)波峰波谷數(shù)與葉片數(shù)相同，進水流道出口處各監(jiān)測點壓力脈動幅值隨流量增大而增大。出水流道漸擴段處監(jiān)測點波形無明顯規(guī)律，總體幅值較小，每個周期內(nèi)均出現(xiàn)局部小范圍的波動，原因是水流從導葉體流出后仍具有一定的速度環(huán)量，且出水流道擴散角較小，直接導致水流擴散不均勻，壓力變化未呈現(xiàn)規(guī)律性。

（2）進水流道出口處監(jiān)測點脈動主頻為146.67Hz，主次頻均為轉(zhuǎn)頻及其諧頻，1.2Qbep流量工況和Qbep流量工況時主頻幅值相近，隨流量減小，主頻脈動幅值不斷增大，0.3Qbep流量工況下壓力脈動幅值約是Qbep，1.2Qbep流量工況的2倍。

（3）因出水流道測試段遠離葉輪與導葉體，轉(zhuǎn)頻對壓力脈動的影響未發(fā)現(xiàn)規(guī)律性，隨流量減小，主頻對應的脈動幅值先減小后增大，在最優(yōu)流量時最小，此時脈動頻率以低頻信號為主。立式軸流泵模型泵裝置偏離最優(yōu)流量運行時，壓力脈動幅值增大。因此應盡量選擇在最優(yōu)流量工況附近運行。

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