石麗建，湯方平，王 瑄，張文鵬

（揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，揚(yáng)州 225009）

0 引 言

雙向流道泵裝置型式又稱箱涵式泵裝置型式，箱涵式泵裝置可有效將“一站四閘”泵站樞紐式布置轉(zhuǎn)換成閘站合一的方式，更有效的實(shí)現(xiàn)灌排的目的。目前，由于采用箱涵式泵裝置型式的泵站工程具有工程投資小、結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單、安裝檢修方便、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。

隨著箱涵式泵裝置的應(yīng)用越來(lái)越多[1-2]，科研工作者對(duì)這方面的研究也越來(lái)越廣泛[3-10]。在大型箱涵式軸流泵運(yùn)行過(guò)程中，葉片區(qū)域水力激振會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)噪聲、機(jī)組共振和葉片裂紋，是影響大型箱涵式泵機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素[11-14]。王福軍等[15]通過(guò)數(shù)值模擬手段對(duì)軸流泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算分析，得到了軸流泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)分布的規(guī)律。Zhang等[16]運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析了南水北調(diào)工程某一軸流泵模型內(nèi)的非定常流動(dòng)特性和壓力脈動(dòng)規(guī)律，并對(duì)采樣頻率和采樣時(shí)間的合理選取給出了推薦范圍。

近年來(lái)，對(duì)軸流泵壓力脈動(dòng)的研究越來(lái)越多[17-24]，但是對(duì)于大型箱涵式泵裝置壓力脈動(dòng)研究較少，特別是運(yùn)用試驗(yàn)手段對(duì)箱涵式泵裝置不同條件下進(jìn)水內(nèi)部壓力脈動(dòng)特性的研究較少。文采用試驗(yàn)手段對(duì)箱涵式進(jìn)水內(nèi)部壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)試分析，期望得到不同運(yùn)行條件下軸流泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)規(guī)律和振動(dòng)規(guī)律。

1 泵站工程概況

界牌水利樞紐工程位于江蘇鎮(zhèn)江，泵站設(shè)計(jì)為雙向運(yùn)行泵站，可方便的實(shí)現(xiàn)調(diào)水和排澇的功能，泵站引水工況凈揚(yáng)程范圍為0～3.47 m，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為1.16 m，設(shè)計(jì)流量300 m3/s，排水工況凈揚(yáng)程范圍為0～3.33 m，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為2.75 m。界牌水利樞紐泵站采用9臺(tái)套X型雙向流道葉片全調(diào)節(jié)立式軸流泵，單泵流量 33.4 m3/s，總裝機(jī)流量300 m3/s，泵站以引水工況為主，兼顧排水。葉輪直徑D=3.45 m，轉(zhuǎn)速n=100 r/min，nD值為345?？紤]閘門(mén)槽和攔污柵水力損失0.2 m，則該泵站引水工況設(shè)計(jì)揚(yáng)程為1.36 m，最高揚(yáng)程3.67 m，排水工況設(shè)計(jì)揚(yáng)程2.95 m，最高揚(yáng)程3.53 m。根據(jù)相似換算關(guān)系，將原型泵站設(shè)計(jì)參數(shù)按照等nD值原則換算到模型泵參數(shù)，模型泵葉輪直徑Dm=0.3 m，轉(zhuǎn)速nm=1 150 r/min，流量Qm=253 L/s，揚(yáng)程在數(shù)值上保持不變。

2 測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試系統(tǒng)介紹

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

對(duì)該箱涵式模型泵裝置進(jìn)行壓力脈動(dòng)測(cè)試，測(cè)點(diǎn)布置在進(jìn)水喇叭管和葉輪進(jìn)口。具體測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。另布置 2個(gè)振動(dòng)傳感器，分別布置在箱體頂端水平和豎直位置。

圖1中4個(gè)測(cè)點(diǎn)以葉輪中心為三維坐標(biāo)原點(diǎn)，坐標(biāo)系建立如圖1右上角所示。得到4個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的三維坐標(biāo)值，如表1所示。

圖1 傳感器測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Sensor test point layout

表1 測(cè)點(diǎn)布置位置及坐標(biāo)Table 1 Sensor test point layout and coordinate

本文針對(duì)不同條件及不同裝置下進(jìn)口部分水流壓力脈動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，測(cè)點(diǎn)布置在進(jìn)水部分，考慮到整個(gè)箱體中充滿水和喇叭管半開(kāi)式安裝的要求，將 2個(gè)測(cè)點(diǎn)布置在進(jìn)水喇叭管上，2個(gè)測(cè)點(diǎn)布置在靠近葉輪進(jìn)口法蘭處。以葉輪中心為坐標(biāo)原點(diǎn)得到壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置坐標(biāo)如表1所示。為了區(qū)分4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以X軸正方向?yàn)槲?，Y軸正方向?yàn)槟?，進(jìn)水喇叭管上的2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別在XY平面以X軸正方向的135°和225°的位置，因此分別命名 4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為進(jìn)水喇叭東北方向監(jiān)測(cè)點(diǎn)、進(jìn)水喇叭東南方向監(jiān)測(cè)點(diǎn)、葉輪進(jìn)口南監(jiān)測(cè)點(diǎn)和葉輪進(jìn)口北監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.2 傳感器簡(jiǎn)介

采用昆山雙橋傳感器有限公司的高頻動(dòng)態(tài)微型傳感器CYG505進(jìn)行壓力脈動(dòng)測(cè)試，傳感器精度0.25%，標(biāo)稱尺寸外徑為5 mm，傳感器具有外形尺寸小，對(duì)流場(chǎng)擾動(dòng)小，靈敏度高，動(dòng)態(tài)頻響好等特點(diǎn)。傳感器量程–100 ～100 kPa，采樣頻率為100 kHz。輸出采用0～5 V輸出。最重要的一個(gè)特點(diǎn)就是該傳感器能夠防水。采集儀采用SQQCP-USB-16。采樣頻率越高，所得數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率越高；采樣頻率越低，脈動(dòng)的幅值變化就越可能被低估，而這對(duì)壓力脈動(dòng)特性的研究非常不利。對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械一般故障頻率分析都應(yīng)該超過(guò)轉(zhuǎn)頻的 8倍，本文轉(zhuǎn)頻為24.17 Hz，所以采樣頻率應(yīng)該大于193.33 Hz，且當(dāng)信號(hào)中最高頻率小于奈奎斯特頻率時(shí)，采樣后的數(shù)字信號(hào)能夠完全保留原始信號(hào)中的信息，高于或處于奈奎斯特頻率的頻率分量會(huì)導(dǎo)致混疊現(xiàn)象。為了避免混疊應(yīng)盡量選擇較高的采樣頻率，本文研究時(shí)采樣頻率取100 kHz。

2.3 試驗(yàn)系統(tǒng)及裝置

試驗(yàn)系統(tǒng)及裝置如圖 2所示。模型試驗(yàn)在江蘇省水力動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，測(cè)試系統(tǒng)為閉式循環(huán)系統(tǒng)，受測(cè)段葉輪直徑為300 mm，系統(tǒng)總長(zhǎng)60 m，管路直徑為0.5 m，系統(tǒng)測(cè)試精度為0.39%。針對(duì)箱涵式泵裝置進(jìn)水部分壓力脈動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試分3部分：1）整個(gè)出水流道全淹沒(méi)狀態(tài)，且保證軸流泵葉片不發(fā)生汽蝕，進(jìn)行 5個(gè)流量工況點(diǎn)（126、153、203、253和285 L/s）的壓力脈動(dòng)測(cè)試；2）開(kāi)敞式壓力脈動(dòng)測(cè)試，即通過(guò)出水流道觀測(cè)孔（見(jiàn)圖2b）保證出水流道水位與流道頂端距30 cm，控制出水罐體壓力保證 4個(gè)相同流量工況點(diǎn)出水水位不變；3）通過(guò)罐體進(jìn)口真空閥抽真空降低葉輪進(jìn)口壓力使得葉片發(fā)生汽蝕，以泵裝置效率下降1%為準(zhǔn)進(jìn)行4個(gè)流量工況點(diǎn)汽蝕條件下的壓力脈動(dòng)測(cè)試。

圖2 水泵測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of pump test system

3 壓力脈動(dòng)測(cè)試結(jié)果分析

3.1 壓力脈動(dòng)與工況點(diǎn)之間的關(guān)系

進(jìn)水部分包括葉輪進(jìn)口南、葉輪進(jìn)口北、進(jìn)水喇叭管東北、進(jìn)水喇叭管東南共 4個(gè)壓力脈動(dòng)測(cè)試點(diǎn)。壓力脈動(dòng)測(cè)試時(shí)取流量工況點(diǎn)126、153、203、253和285 L/s?，F(xiàn)將壓力脈動(dòng)測(cè)試點(diǎn)3與4與流量的壓力脈動(dòng)關(guān)系整理如圖3所示。

圖3 葉輪室進(jìn)口南、北各工況點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻譜圖Fig.3 Pressure pulsation spectrograms in south and north of impeller inlet

通過(guò)圖 3葉輪室進(jìn)口南、北測(cè)點(diǎn)各工況點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻譜圖可知，壓力脈動(dòng)的峰峰值基本隨著流量的減小而增大，兩測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)基本相似；由圖 3可知，壓力脈動(dòng)主要分布在1倍轉(zhuǎn)頻（19.16 Hz）、1倍葉頻（57.5 Hz）和2倍葉頻（115 Hz）位置。水流脈動(dòng)主頻為葉頻，次主頻為 2倍的葉頻。各工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)頻幅值基本不隨流量變化；1倍葉頻（主頻）和2倍葉頻對(duì)應(yīng)的脈動(dòng)幅值隨著流量的減小而增大。說(shuō)明水流壓力脈動(dòng)幅值跟水泵做功能力有著密切關(guān)系，隨著流量的減小，葉片壓力面和吸力面壓差增大，導(dǎo)致壓力脈動(dòng)幅值增加。在流量為126 L/s時(shí)，由于葉輪進(jìn)入馬鞍區(qū)運(yùn)行，產(chǎn)生了大量的脫流、漩渦等大量的不穩(wěn)定流場(chǎng)，對(duì)應(yīng)頻譜上會(huì)產(chǎn)生一些高頻脈動(dòng)，高頻脈動(dòng)頻譜較豐富。同時(shí)高頻和低頻脈動(dòng)也可用來(lái)判斷內(nèi)部流場(chǎng)的變化情況。

圖 4為進(jìn)水喇叭管東北與東南各工況點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻譜圖。通過(guò)圖 4進(jìn)水喇叭管各工況點(diǎn)壓力脈動(dòng)忽略低頻脈動(dòng)時(shí)，壓力脈動(dòng)的峰峰值跟葉輪室進(jìn)口一樣基本隨著流量的減小而增大，但壓力脈動(dòng)幅值較葉輪室整體減小很多，且頻譜分布和幅值有明顯差別，這是因?yàn)檫M(jìn)水喇叭管距離葉片進(jìn)口較遠(yuǎn)，水流壓力脈動(dòng)主要受到進(jìn)水來(lái)流速度不均勻的影響。整體上，進(jìn)水喇叭管的脈動(dòng)幅值要遠(yuǎn)小于葉輪室進(jìn)口，這是因?yàn)槿~輪室進(jìn)口主要受葉片抽吸作用，在葉片吸力面形成較大的低壓區(qū)，液流與葉片進(jìn)口存在局部沖擊，造成較大的速度梯度和壓力梯度，最終旋轉(zhuǎn)的壓力梯度表現(xiàn)為葉輪室進(jìn)口較大的壓力脈動(dòng)。

圖4 進(jìn)水喇叭管東北與東南各工況點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻譜圖Fig.4 Pressure pulsation spectrograms in northeast and southeast of inlet flare tube

由圖 4頻譜圖上看，各流量工況點(diǎn)壓力脈動(dòng)的低頻信號(hào)都很明顯，這主要受喇叭管進(jìn)水條件的影響，反映出來(lái)流脈動(dòng)的不對(duì)稱。在大流量高頻信號(hào)較少，小流量工況高頻信號(hào)成分較多，說(shuō)明小流量工況喇叭進(jìn)口水流條件受葉輪流態(tài)的影響。進(jìn)水喇叭管東北各工況點(diǎn)壓力脈動(dòng)主要以葉頻為主，進(jìn)水喇叭管東南各工況點(diǎn)壓力脈動(dòng)除低頻外，轉(zhuǎn)頻比葉頻更突出。

靠近葉片進(jìn)口壓力脈動(dòng)越大，在實(shí)際工程應(yīng)用中要著重關(guān)注葉輪進(jìn)口的壓力脈動(dòng)特性。同時(shí)在小流量工況壓力脈動(dòng)幅值要大于設(shè)計(jì)工況和大流量工況，為保證泵站機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，減小機(jī)組的振動(dòng)和噪聲，應(yīng)盡可能的避免在小流量區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

3.2 壓力脈動(dòng)與測(cè)點(diǎn)之間的關(guān)系

同一斷面不同測(cè)點(diǎn)間的壓力脈動(dòng)特性由于流場(chǎng)的非對(duì)稱性會(huì)產(chǎn)生一些差別。分析同一斷面不同測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)規(guī)律對(duì)工程中預(yù)測(cè)內(nèi)部流場(chǎng)變化具有一定的指導(dǎo)意義。本文選取大流量工況（Q=285 L/s）、設(shè)計(jì)工況（Q=253 L/s）和小流量工況（Q=153 L/s）共計(jì)3個(gè)流量工況點(diǎn)比較分析不同測(cè)點(diǎn)位置的壓力脈動(dòng)分布情況。以葉輪室為例，將同一流量工況、不同測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)關(guān)系整理如圖5所示。

圖5 不同流量（Q）工況下葉輪室進(jìn)口壓力脈動(dòng)圖Fig.5 Pressure pulsation spectrograms of impeller inlet at different flow (Q) conditions

據(jù)圖 5可知，葉輪室進(jìn)口壓力脈動(dòng)規(guī)律較為明顯，且各工況點(diǎn)葉輪室進(jìn)口南北兩測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)有較好的對(duì)稱性，同一工況不同測(cè)點(diǎn)頻率分布規(guī)律是一致的。均是葉頻對(duì)應(yīng)的壓力脈動(dòng)幅值最大，轉(zhuǎn)頻和 2倍葉頻次之。但主頻對(duì)應(yīng)的幅值不完全相等是由于同一斷面不同測(cè)點(diǎn)位置流場(chǎng)不可能完全一致導(dǎo)致的。

3.3 開(kāi)敞式出流條件下壓力脈動(dòng)測(cè)試

通過(guò)控制出水壓力罐體水面壓力值，將泵裝置出水流道開(kāi)敞出流30 cm，模擬工程上開(kāi)敞出流的情況，待出水流道流場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)分別針對(duì)153、203、253和285 L/s共計(jì) 4個(gè)流量工況點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)敞式壓力脈動(dòng)測(cè)試分析。泵裝置在流量為126 L/s時(shí)，裝置揚(yáng)程進(jìn)入馬鞍區(qū)，流場(chǎng)脫流較為嚴(yán)重，汽蝕和開(kāi)敞出流帶來(lái)的機(jī)組噪聲和振動(dòng)加劇，為保證安全運(yùn)行和有效數(shù)據(jù)的采集，在開(kāi)敞式出流條件和汽蝕條件未對(duì)該小流量工況點(diǎn)進(jìn)行壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)采集。開(kāi)敞式出流壓力脈動(dòng)測(cè)試結(jié)果整理如下。

通過(guò)圖 6葉開(kāi)敞出流輪室內(nèi)各工況點(diǎn)壓力脈動(dòng)圖可知，開(kāi)敞出流條件下葉輪室壓力脈動(dòng)規(guī)律與無(wú)汽蝕規(guī)律基本一致。壓力脈動(dòng)的峰峰值基本隨著流量的減小而增大；從頻譜圖上看，壓力脈動(dòng)主頻為 1倍葉頻。各工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)頻、1倍葉頻和2倍葉頻對(duì)應(yīng)的幅值基本都是隨著流量的減小而增大。說(shuō)明了開(kāi)敞出流時(shí)，對(duì)裝置進(jìn)水流態(tài)的影響較小。

通過(guò)圖 7進(jìn)水喇叭管開(kāi)敞出流條件下各工況點(diǎn)壓力脈動(dòng)圖可知，壓力脈動(dòng)峰峰值較葉輪室進(jìn)口小很多，總體趨勢(shì)流量減小脈動(dòng)增加。從頻譜圖上看，各流量工況點(diǎn)壓力脈動(dòng)的頻譜分布較廣。在大流量高頻信號(hào)較少，小流量工況高頻信號(hào)成分較多，進(jìn)水喇叭管東北各工況點(diǎn)壓力脈動(dòng)主要為葉頻，進(jìn)水喇叭管東南各工況點(diǎn)壓力脈動(dòng)主要為轉(zhuǎn)頻。開(kāi)敞式出流條件下水流壓力脈動(dòng)規(guī)律與無(wú)汽蝕時(shí)相似。

工程實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)出水水位較低導(dǎo)致出水流道開(kāi)敞出流時(shí)，葉輪進(jìn)水部分壓力脈動(dòng)幅值變化不明顯，在進(jìn)水部分由于壓力脈動(dòng)變化引起的振動(dòng)和噪聲不足以對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響。

圖6 葉輪室南北開(kāi)敞出流壓力脈動(dòng)分析Fig.6 Open flow pressure pulsation of north and south of impeller inlet

3.4 汽蝕條件下壓力脈動(dòng)測(cè)試

通過(guò)對(duì)閉路循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)水罐體抽真空，使得葉輪進(jìn)口壓力減小，葉片發(fā)生汽蝕。泵裝置效率下降1%時(shí)，分別針對(duì)153、203、253和285 L/s共計(jì)4個(gè)流量工況點(diǎn)進(jìn)行汽蝕條件下的壓力脈動(dòng)測(cè)試分析。汽蝕條件下壓力脈動(dòng)測(cè)試結(jié)果整理如下。

圖7 進(jìn)水喇叭管東北與東南開(kāi)敞出流壓力脈動(dòng)分析Fig.7 Open flow pressure pulsation of northeast and southeast of inlet flare tube

通過(guò)圖 8汽蝕條件下葉輪室內(nèi)各工況點(diǎn)壓力脈動(dòng)圖可知，汽蝕條件下葉輪室壓力脈動(dòng)規(guī)律與無(wú)汽蝕規(guī)律基本一致，壓力脈動(dòng)的峰峰值基本隨著流量的減小而增大；從頻譜圖上看，壓力脈動(dòng)主要為1倍葉頻和2倍葉頻，其幅值基本都是隨著流量的減小而增大。

通過(guò)圖 9進(jìn)水喇叭管汽蝕條件下各工況點(diǎn)壓力脈動(dòng)圖可知，壓力脈動(dòng)峰峰值較葉輪室整體減小很多；從頻譜圖上看，各流量工況點(diǎn)壓力脈動(dòng)的低頻信號(hào)都很明顯。在小流量工況高頻信號(hào)成分較多，說(shuō)明小流量工況葉輪進(jìn)口水流條件發(fā)生了變化。進(jìn)水喇叭管東北各工況點(diǎn)壓力脈動(dòng)主要為葉頻，進(jìn)水喇叭管東南各工況點(diǎn)壓力脈動(dòng)主要為轉(zhuǎn)頻和低頻信號(hào)。

3.5 不同運(yùn)行條件下壓力脈動(dòng)對(duì)比圖

將無(wú)汽蝕、汽蝕條件下和開(kāi)敞式出流條件下不同工況的葉輪室處壓力脈動(dòng)頻譜圖進(jìn)行對(duì)比分析，如圖10所示。根據(jù)這 3種情況對(duì)比可知，主頻分布規(guī)律相似，不管是哪種運(yùn)行條件主頻均為葉頻，次主頻均為 2倍的葉頻，特別是汽蝕條件下，主頻和次主頻對(duì)應(yīng)的脈動(dòng)幅值明顯比其他運(yùn)行狀態(tài)時(shí)大，且汽蝕條件下頻譜分布范圍更廣，高頻成分較多。這是因?yàn)楫?dāng)水泵發(fā)生汽蝕時(shí)，氣泡的產(chǎn)生、潰滅持續(xù)時(shí)間短、幅值大，產(chǎn)生較大的高頻分量的壓力脈沖。汽蝕發(fā)生時(shí)，除了具有由于葉輪旋轉(zhuǎn)造成的葉輪進(jìn)口壓力面和吸力面交替出現(xiàn)產(chǎn)生的基本水流壓力脈動(dòng)外，還具有較大幅值的氣泡潰滅的脈動(dòng)分量和由于汽蝕原因引起的水流脫流、回旋、水流速度不均勻等壓力脈動(dòng)分量，所有這些原因?qū)е铝似g狀態(tài)下壓力脈動(dòng)幅值的明顯增加。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)盡量避免葉輪處于汽蝕條件下運(yùn)行。

圖8 葉輪室南北汽蝕條件下壓力脈動(dòng)分析Fig.8 Pressure pulsation of impeller inlet under cavitation condition

3.6 不同運(yùn)行條件下振動(dòng)特性分析

水泵裝置在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生輕微的振動(dòng)和噪聲是不可避免的。機(jī)組產(chǎn)生劇烈振動(dòng)則會(huì)影響水泵裝置的性能、引起零部件或機(jī)組的損壞，甚至引起泵站建筑物的振動(dòng)，乃至被拍停機(jī)[25-30]。因此，研究不同條件下的壓力脈動(dòng)引起振動(dòng)變化情況時(shí)，振動(dòng)幅值必須在可靠范圍內(nèi)。針對(duì)不同流量工況點(diǎn)及不同運(yùn)行條件下對(duì)泵裝置進(jìn)行振動(dòng)位移測(cè)試，2只振動(dòng)傳感器處于箱體頂端法蘭處成90°布置，分別測(cè)試裝置水平和豎直位移。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

通過(guò)文獻(xiàn)[31]可知，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速在1 000～1 500 r/min時(shí)，最大振幅允許值為80 μm，上述測(cè)試結(jié)果振幅均小于文獻(xiàn)中給出的允許值。根據(jù)不同條件下的振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，水平振動(dòng)位移整體較小，其數(shù)值上都低于10 μm，且水平振動(dòng)位移在高效區(qū)較小，小流量和大流量工況較大，這是因?yàn)樗轿灰浦饕獪y(cè)試轉(zhuǎn)子不平衡力和流場(chǎng)變化引起的徑向不平衡力兩者產(chǎn)生的振動(dòng)，而不同工況轉(zhuǎn)子不平衡力影響規(guī)律一致，水平位移數(shù)值上的變化即跟水泵機(jī)組內(nèi)部流場(chǎng)有關(guān)，在高效區(qū)流場(chǎng)尚可，在非高效區(qū)內(nèi)部流場(chǎng)流速分布不均勻引起較大的壓力脈動(dòng)，從而造成機(jī)組振動(dòng)加劇。豎直位移在數(shù)值上較大，且隨著流量工況的減小，裝置揚(yáng)程增加，豎直振動(dòng)位移加大，這是因?yàn)楸醚b置運(yùn)行時(shí)豎直振動(dòng)主要受水泵軸向力影響，而水泵軸向力隨著揚(yáng)程的增加而增加。

圖9 進(jìn)水喇叭管東北與東南汽蝕條件下壓力脈動(dòng)分析Fig.9 Pressure pulsation of inlet flare tube under cavitation condition

在無(wú)汽蝕時(shí)，機(jī)組的水力振動(dòng)僅為流體基本壓力脈動(dòng)引起的振動(dòng)。比較開(kāi)敞出流條件下和無(wú)汽蝕條件時(shí)機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，開(kāi)敞出流條件對(duì)進(jìn)水及水泵的做功能力影響較小，所以在振動(dòng)位移上與無(wú)汽蝕時(shí)基本保持一致。但當(dāng)水泵發(fā)生汽蝕時(shí)，水平位移減小，可能的原因是汽蝕主要發(fā)生在葉片背面靠近輪緣處，葉片輪緣做功能力降低，減小了水平葉片徑向不平衡力。豎直振動(dòng)位移隨著流量的增大而減小，汽蝕條件下豎直振動(dòng)位移較非汽蝕時(shí)增大2.4~8.6 μm，其中流量越小，豎直位移增加越大。這是因?yàn)槌怂鳟a(chǎn)生的基本壓力脈動(dòng)外，汽蝕發(fā)生時(shí)低頻壓力脈動(dòng)會(huì)迅速增加，且會(huì)出現(xiàn)很強(qiáng)的氣泡脈沖壓力，汽蝕時(shí)的總壓力脈動(dòng)為三者之和的疊加，因此，造成機(jī)組振動(dòng)加劇，且發(fā)出較大的噪聲。因此，考慮到實(shí)際泵站工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)盡量避免水泵在汽蝕條件下運(yùn)行。

圖10 測(cè)點(diǎn)4不同運(yùn)行條件下壓力脈動(dòng)對(duì)比Fig.10 Comparison of pressure pulsation under different operating conditions of test point 4

表2 振動(dòng)特性測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2 Test data of vibration characteristics

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)進(jìn)水部分在不同工況及不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的壓力脈動(dòng)研究，研究結(jié)果可以判定機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，從而達(dá)到指導(dǎo)泵站安全穩(wěn)定運(yùn)行的目的，其主要研究結(jié)果如下：

1）葉輪室進(jìn)口壓力脈動(dòng)峰峰值較大，葉輪室監(jiān)測(cè)點(diǎn)主頻值均為葉頻57.5 Hz，頻率主要分布在1倍葉頻和2倍葉頻位置；進(jìn)水喇叭管除低頻脈動(dòng)外主頻主要分布在葉頻和轉(zhuǎn)頻位置。

2）各工況點(diǎn)葉輪室進(jìn)口兩測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)有較好的對(duì)稱性，頻率分布上以葉頻為主，轉(zhuǎn)頻和 2倍葉頻次之；進(jìn)水喇叭管南北兩側(cè)壓力脈動(dòng)不對(duì)稱，反映出進(jìn)水流道來(lái)流不對(duì)稱。

3）對(duì)于不同流量工況點(diǎn)，進(jìn)水喇叭和葉輪室進(jìn)口壓力脈動(dòng)峰峰值基本都是隨著流量的增加而減小。

4）汽蝕條件下和開(kāi)敞式出流條件下與沒(méi)有發(fā)生汽蝕時(shí)相比，頻譜圖對(duì)應(yīng)性較好，頻率分布大體規(guī)律基本能夠吻合；同時(shí)汽蝕條件下和開(kāi)敞出流條件下，主要頻率對(duì)應(yīng)的幅值比不發(fā)生汽蝕時(shí)略大，汽蝕條件下頻譜分布更廣。

5）水平振動(dòng)位移均在10 μm以內(nèi)，豎直振動(dòng)位移較大，說(shuō)明泵裝置運(yùn)行時(shí)豎直振動(dòng)更為明顯。豎直振動(dòng)位移的大小隨著流量的增大而減小。汽蝕條件下豎直振動(dòng)位移較非汽蝕時(shí)增大2.4～8.6 μm，其中流量越小豎直振動(dòng)位移增加越大，因此，實(shí)際工程中應(yīng)盡量避免在小流量工況汽蝕條件下運(yùn)行。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] Zhu Jinmu, Zeng Fanchun. Experimental study on two-way flow passages in pumping system[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2008, 22(10): 1966－1970.

[2] Liu Chao, Jin Yan, Zhou Jiren, et al. Numerical simulation and experimental study of a two-floor structure pumping system[C]. Proceedings of the ASME Power Conference,2010: 777－784.

[3] 陳松山，何鐘寧，周正富，等. 低揚(yáng)程泵站箱涵式出水流道水力特性試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38(4)：70－72.Chen Songshan, He Zhongning, Zhou Zhengfu, et al. Study on hydraulic characteristics of tank-style outlet passage in low water head pumping stations[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2007, 38(4):70－72. (in Chinese with English abstract)

[4] 成立，劉超. 低揚(yáng)程泵裝置流動(dòng)特性及水力性能研究進(jìn)展[J]. 水利水電科技進(jìn)展，2008，28(4)：85－88.Cheng Li, Liu Chao. Advances in research on flow characteristics and hydraulic performances of low lift head pumping station[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2008, 28(4): 85－88. (in Chinese with English abstract)

[5] 楊帆，劉超，湯方平，等. 灌排雙向立式泵裝置內(nèi)部水流壓力脈動(dòng)特性[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，29(4)：316－321.Yang Fan, Liu Chao, Tang Fangping, et al. Analysis on pressure fluctuation of interior flow in reversible pumping system for irrigation and drainage[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME), 2011, 29(4): 316－321. (in Chinese with English abstract)

[6] 劉超. 南水北調(diào)低揚(yáng)程水泵裝置水力性能考核指標(biāo)探討[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，21(6)：2－5.Liu Chao. Hydraulic performance assess target research of low-head pump equipment in south-north water transfer project[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering (JDIME), 2004, 21(6): 2－5. (in Chinese with English abstract)

[7] 李彥軍，顏紅勤，葛強(qiáng)，等. 蝸殼流道高效泵裝置研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2009，28(6)：200－205.Li Yanjun, Yan Hongqin, Ge Qiang et al. Research on efficient pump device with new type volute passage of large pumping station[J]. Journal of Hydroelectric Engineering,2009, 28(6): 200－205. (in Chinese with English abstract)

[8] 黃良勇，吳忠，張嘯，等. 大型雙向流道泵裝置優(yōu)化匹配與試驗(yàn)研究[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2016，34(7)：602－607.Huang Liangyong, Wu Zhong, Zhang Xiao, et al. Hydrodynamic optimization of large pump installation with two-way channel and experiment[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2016, 34(7): 602－607. (in Chinese with English abstract)

[9] 陳松山，王林鎖，陸偉剛，等. 大型軸流泵站雙向流道設(shè)計(jì)及泵裝置特性試驗(yàn)[J]. 江蘇理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，22(3)：44－49.Chen Songshan, Wang Linsuo, Lu Weigang, et al. Design of reversible passage in large axial pumping stations and experimental research on the characteristics of pump sets[J].Journal of Jiangsu University of Science and Technology,2001, 22(3): 44－49. (in Chinese with English abstract)

[10] 楊帆，劉超，湯方平，等. 箱涵式進(jìn)水流道的立式軸流泵裝置水動(dòng)力特性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(4)：62－69.Yang Fan, Liu Chao, Tang Fangping, et al. Analysis of hydraulic performance for vertical axial-flow pumping system with cube-type inlet passage[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2014, 30(4): 62－69. (in Chinese with English abstract)

[11] 施衛(wèi)東，冷洪飛，張德勝，等. 軸流泵內(nèi)部流場(chǎng)壓力脈動(dòng)性能預(yù)測(cè)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(5)：44－48.Shi Weidong, Leng Hongfei, Zhang Desheng, et al. Performance prediction and experiment for pressure fluctuation of interior flow in axial-flow pump[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(5): 44－48. (in Chinese with English abstract)

[12] 鄭源，劉君，周大慶，等. 大型軸流泵裝置模型試驗(yàn)的壓力脈動(dòng)[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，28(1)：51－55.Zheng Yuan, Liu Jun, Zhou Daqing, et al. Pressure pulsation of model test in large-size axial-flow pump[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2010, 28(1):51－55. (in Chinese with English abstract)

[13] 常書(shū)平，王永生，魏應(yīng)三，等. 噴水推進(jìn)器內(nèi)非定常壓力脈動(dòng)特性[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012, 33(5)：522－527.Chang Shuping, Wang Yongsheng, Wei Yingsan,et al. Pressure fluctuation of unsteady flow in waterjet[J]. Journal of Jiangsu University: Natural Science Edition, 2012, 33(5): 522－527.(in Chinese with English abstract)

[14] 張德勝，施衛(wèi)東，李通通，等. 軸流泵葉輪出口尾跡區(qū)非定常壓力和速度場(chǎng)特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(17)：32－37.Zhang Desheng, Shi Weidong, Li Tongtong, et al. Property of unsteady pressure and meridional velocity in wake region of axial-flow pump impeller[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(17): 32－37. (in Chinese with English abstract)

[15] 王福軍，張玲，張志民. 軸流泵不穩(wěn)定流場(chǎng)的壓力脈動(dòng)特性研究[J]. 水利學(xué)報(bào)，2007，38(8)：1003－1009.Wang Fujun, Zhang Ling, Zhang Zhimin. Analysis on pressure fluctuation of unsteady flow in axial-flow pump[J].Journal of Hydraulic Engineering, 2007, 38(8): 1003－1009.(in Chinese with English abstract)

[16] Zhang Desheng, Shi Weidong, Chen Bin, et al. Unsteady flow analysis and experiment investigation of axial-flow pump[J]. Journal of Hydrodynamics, Ser.B, 2010, 22(1):35－43.

[17] Shi Weidong, Zhang Desheng, Guan Xinfan, et al. Numerical and experimental investigation of high-efficiency axial-flow pump[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2010,23(1): 38－44.

[18] 施衛(wèi)東，姚捷，張德勝，等.采樣頻率和時(shí)間對(duì)軸流泵壓力脈動(dòng)特性的影響[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，31(3)：190－194.Shi Weidong, Yao Jie, Zhang Desheng, et al. Influence of sampling frequency and time on pressure fluctuation characteristics of axial-flow pump[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2013, 31(3): 190－194. (in Chinese with English abstract)

[19] 靳栓寶，王永生，常書(shū)平，等. 混流泵內(nèi)流場(chǎng)壓力脈動(dòng)特性研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(3)：64－68.Jin Shuanbao,Wang Yongsheng, Chang Shuping,et al.Pressure fluctuation of interior flow inmixed-flow pump[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(3): 64－68. (in Chinese with English abstract)

[20] 張德勝，王海宇，施衛(wèi)東，等. 軸流泵多工況壓力脈動(dòng)特性試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45(11)：139－145.Zhang Desheng, Wang Haiyu, Shi Weidong, et al.Experimental investigation of pressure fluctuation with multiple flow rates in scaled axial flow pump[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014,45(11): 139－145. (in Chinese with English abstract)

[21] 鄭源，陳宇杰，毛秀麗，等. 混流泵壓力脈動(dòng)特性及其對(duì)流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(23)：67－73.Zheng Yuan, Chen Yujie, Mao Xiuli, et al. Pressure pulsation characteristics and its impact on flow-induced noise in mixed-flow pump[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015,31(23): 67－73. (in Chinese with English abstract)

[22] 張華，陳斌，王炳祺，等. 葉頂間隙大小對(duì)螺旋離心泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(1)：84－89.Zhang Hua, Chen Bin, Wang Bingqi, et al. Influence of tip clearance on internal pressure fluctuation of screw centrifugal pump[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2017, 33(1): 84－89.(in Chinese with English abstract)

[23] 劉厚林，呂云，王勇，等. 不等間距葉片對(duì)離心泵性能及壓力脈動(dòng)影響分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(23)：60－66.Liu Houlin, Lü Yun, Wang Yong, et al. Analysis about effect of unequal spacing blade on performance and pressure pulsation of centrifugal pump[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(23): 60－66. (in Chinese with English abstract)

[24] 曹衛(wèi)東，劉光輝，施衛(wèi)東，等. 多級(jí)離心泵內(nèi)部非定常壓力分布特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(14)：64－70.Cao Weidong, Liu Guanghui, Shi Weidong, et al. Distribution of unsteady pressure in multistage centrifugal pump[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(14): 64－70. (in Chinese with English abstract)

[25] 楊帆，劉超，湯方平，等. S形下臥式軸伸貫流泵裝置的振動(dòng)特性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(16)：74－82.Yang Fan, Liu Chao, Tang Fangping, et al. Analysis on vibration characteristics of S-shaped shaft-extension tubular pumping system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013,29(16): 74－82. (in Chinese with English abstract)

[26] 沈高飛，陳立，李淑萍. 水泵振動(dòng)模態(tài)測(cè)試及故障診斷分析[J]. 噪聲與振動(dòng)控制，2017，37(3)：182－184，210.Shen Gaofei, Chen Li, Li Shuping. Vibration modal test and fault diagnosis analysis of water pumps[J]. Noise and vibration control, 2017, 37(4): 182－184, 210. (in Chinese with English abstract)

[27] 喬克婷. 基于虛擬儀器的水泵振動(dòng)噪聲測(cè)試系統(tǒng)[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2013.Qiao Keting. Pump noise and vibration test system based on virtual instrument[D]. Chengdu: School of Electronic Engineering, 2013. (in Chinese with English abstract)

[28] 詹傳明，劉銀水，李東林，等. 浮力調(diào)節(jié)海水液壓泵振動(dòng)噪聲研究[J]. 流體傳到與控制，2017(4)：24－28.Zhan Chuanming, Liu Yinshui, Li Donglin, et al. Research on the vibration and noise of seawater hydraulic pump for buoyancy adjusting system[J]. Fluid Power Transmission and Control, 2017(4): 24－28. (in Chinese with English abstract)

[29] 宋希杰，劉超，楊帆，等. 水泵進(jìn)水池底部壓力脈動(dòng)特性試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2017，48(11)：196－203.Song Xijie, Liu Chao, Yang Fan, et al. Experiment on characteristics of pressure fluctuation at bottom of pumping suction passage[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(11): 196－203. (in Chinese with English abstract)

[30] 阮輝，羅興锜，廖偉麗，等. 葉片低壓邊厚度對(duì)水泵水輪機(jī)空化性能與強(qiáng)度的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(15)：32－39.Ruan Hui, Luo Xingqi, Liao Weili, et al. Effects of low pressure edge thickness on cavitation performance and strength for pump-turbine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(15): 32－39. (in Chinese with English abstract)

[31] 劉超. 水泵及水泵站[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2009.