基于數字信號處理的軸流泵壓力脈動試驗研究

陸 榮， 袁建平， 李彥軍， 付燕霞， 夏水晶

(1.江蘇大學 國家水泵及系統工程技術研究中心，江蘇 鎮江 212013； 2.江蘇大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212013)

基于數字信號處理的軸流泵壓力脈動試驗研究

陸 榮1， 袁建平1， 李彥軍1， 付燕霞2， 夏水晶1

(1.江蘇大學 國家水泵及系統工程技術研究中心，江蘇 鎮江 212013； 2.江蘇大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212013)

傳統電信號壓力傳感器受電流干擾嚴重，為準確地獲得軸流泵內部壓力脈動特性，采用高精度數字壓力采集系統對一軸流泵模型的葉輪進口、導葉流道內和導葉出口進行壓力測試，試驗在包含馬鞍區的4個流量工況(0.45Qd、0.8Qd、1.0Qd、1.2Qd)下進行。試驗結果表明：在穩定工況(0.8Qd、1.0Qd、1.2Qd)下葉輪進口監測點P1的時域信號為規則的正弦波，脈動周期與葉片通過周期一致；受葉輪與導葉的動靜干涉影響，導葉內部P2及出口P3均出現了小峰值的二次諧波。在非穩定工況(0.45Qd)下各點的時域信號均出現較大峰值的二次諧波。通過快速傅里葉變換(FFT)獲得了各監測點的頻域結果：穩定工況下各監測點的壓力脈動主頻均為葉頻(BPF)，從葉輪進口至導葉出口幅值逐漸減小；非穩定工況下由于回流和葉頂泄漏渦等因素的影響，各監測點的頻率成分復雜，主頻向高頻段移動且伴隨有較強高頻信號，脈動幅值大于其余工況。

軸流泵；壓力脈動；數字信號；試驗

隨著泵站改造工程的興起，軸流泵的需求量不斷增加[1]。在大型軸流泵運行過程中，葉片區的水力激振易導致振動噪聲、機組共振及葉片裂紋等結構破壞，是影響泵穩定運行的關鍵因素[2-4]，尤其在馬鞍區下運行時問題更為嚴重[5-6]。相關研究表明泵內部的壓力脈動是誘導水力激振、引發振動的主要原因[7-8]。周林玉[9]采用大渦模擬和滑移網格技術研究了一離心泵在偏離工況下葉輪內部和葉輪與蝸殼動靜干涉位置的壓力脈動與振動特性。吳登昊等[10]對管道泵的非定常壓力脈動與振動的關系進行了試驗研究，發現壓力脈動是管道泵產生振動的主要激勵源。張德勝等[11-12]對軸流泵在多個工況下的壓力脈動及振動進行了試驗研究，結果表明：泵內壓力脈動頻率與振動頻率變化相同，兩者主頻基本一致。

目前泵內壓力脈動的研究大多采用數值模擬的方法[13-15]，具有一定的可信度，但軸流泵馬鞍區的流動極為復雜，數值模擬較難準確預測其真實規律。因此，本文采取模型試驗方法借助抗干擾能力強的數字壓力信號采集系統對包含馬鞍區在內的4個流量工況點進行壓力脈動試驗研究，旨在揭示軸流泵內部真實的壓力脈動特性。

1 試驗模型與裝置

1.1 試驗模型

本次研究選取了一比轉速為1 500的軸流泵模型，其三維模型如圖1所示，進出口段做了適當的延伸。主要性能參數為：設計流量Qd=410 L/s，設計揚程Hd=3.0 m，額定轉速n=1 450 r/min。模型泵的主要幾何參數為：葉輪直徑D2=300 mm，輪轂直徑dh=92 mm，葉輪葉片數Z=3，導葉葉片數Zd=5，葉頂間隙C=0.3mm，性能曲線如圖2所示。

圖1 模型泵三維模型Fig.1 3D structure of model pump

圖2 模型泵性能曲線Fig.2 Hydraulic performance of model pump

1.2 試驗設備

壓力脈動試驗在江蘇大學流體機械質量檢測中心Φ500軸流泵模型多功能閉式試驗臺上進行，試驗裝置如圖3所示，主要由試驗泵段、輔助泵、渦輪流量計、調節閥、閘閥、轉矩轉速傳感器、穩壓罐等組成。壓力信號采集系統包括：3個CY200型數字壓力傳感器(具體參數如表1所示)，一臺485-20集線器，由計算機SmartSensor程序進行各通道信號進行實時顯示與采集，系統結構如圖4所示。該系統由成都泰斯特公司研制，其獨特性在于融合了高精密度、高穩定度參考源技術、信號采集處理、通訊、總線等高新技術，其配套使用的智能數字壓力傳感器采用目前國際最新的SOC(單片機系統)芯片，結合MEMS加工的壓阻硅晶體為敏感器件，充分利用微處理器的處理和存儲能力，實現對敏感部件拾取的壓力信號進行濾波、放大、A/D轉換、校正等功能，直接輸出可顯示存儲的數字信號，可有效地克服電信號的干擾。

表1 CY200數字壓力傳感器參數Tab.1 The parameters of the CY200 digital pressure sensor

1.電動機；2.模型泵；3.進口測壓孔；4.出口測壓孔；5.閘閥6.汽蝕罐；7.電動閘閥；8.電磁流量計；9.穩壓罐；10.輔助泵圖3 泵試驗臺簡圖Fig.3 Schematic of the pump test system

圖4 壓力采集系統Fig.4 Pressure acquisition system

試驗方法依據SL140—2006《水泵模型及裝置模型驗收試驗規程》，選擇了靠近壁面處的葉輪進口P1、導葉流道內P2和導葉出口P3三個壓力監測點，如圖5所示。試驗采集了大流量工況(1.2Qd)、設計工況(1.0Qd)、小流量工況(0.8Qd)及馬鞍區(0.45Qd)附近的壓力信號，為防止信號的混疊[16-17]，將采樣頻率設置為1 000 Hz。為了減小誤差，試驗時利用該系統的實時頻域轉換功能觀察壓力頻域信號有無明顯異常，并且每個流量點均進行了3次重復測量，對比每次結果無明顯的差異后再記錄實驗數據。

1.喇叭管；2.轉輪室；3.導葉體；4.出口彎管圖5 監測點和壓力傳感器位置Fig. 5 Location of monitoring points and pressure transmitters

2 試驗結果與分析

2.1 壓力脈動信號時域分析

為減小軸流泵在馬鞍區的振動以保護實驗裝置，試驗在降低轉速至1 300 r/min的條件下進行，通過相似換算得到額定轉速下的性能曲線。為了直觀地反映

壓力脈動的幅度，現引入無量綱參數：壓力脈動系數Cp，其公式[18]為

(1)

定義葉輪旋轉周期數

N=t/T

(2)

式中：t為信號時間長度；T為葉輪旋轉一圈的時間。本文對葉輪旋轉4個周期的壓力值做時域分析，如圖6所示。

在0.8Qd～1.0Qd量工況下，葉輪進口P1處的壓力信號近似為正弦曲線，呈現出十分明顯的周期性波動，在每個旋轉周期內壓力信號均出現了3個波峰與波谷，壓力脈動主要受葉輪葉片數影響。由于葉輪與導葉的動靜干涉，0.8Qd～1.0Qd工況下P2處的壓力信號均出現了一定幅度的二次波峰且隨著流量的增大幅值有減小的趨勢，但葉片數仍對壓力脈動起主導作用。隨著流體向導葉出口運動，動靜干涉作用減弱，P3處的二次波峰相對少。而在0.45Qd下由于進口回流和葉頂泄漏渦等不穩定流動的影響，各監測點的壓力脈動規律均與其他3個流量點的有明顯的區別。主要表現為：各監測點處的波動幅值迅速增加，P2、P3均出現了較大幅值的二次波峰使得壓力脈動周期縮短。

圖6 壓力脈動時域圖Fig. 6 Time domains of pressure fluctuation

2.2 壓力脈動信號頻域分析

為更好地分析軸流泵內部的壓力脈動規律，對時域信號進行快速傅里葉變換(FFT)并進行頻譜分析。圖7為不同工況下各監測點的最大壓力脈動幅值對比，頻域分布如圖8所示，其中軸的轉動頻率定義為fz=1 300/60=21.67 Hz。

圖7 多工況下各監測點最大壓力脈動幅值對比Fig. 7 The comparison of maximum pressure fluctuationamplitude at different monitoring points under multi conditions

在0.8Qd～1.2Qd三個工況下，各監測點的壓力波動規律明顯，主頻均為葉片通過頻率(BPF，3fz)，軸流泵內部壓力主要受葉頻的影響，在轉頻的整數倍處也出現了較為明顯的峰值，而在低頻和高頻處均未出現明顯的混雜信號，整個頻譜十分清晰，說明本次測量幾乎沒有干擾信號的混入。由于導葉的擴壓作用，各流量工況下從P1～P3壓力脈動幅值逐漸減小，內部壓力逐漸趨于穩定。但葉輪與導葉的動靜干涉使P2處的壓力脈動出現了較為明顯的高頻分量。隨著流量的增大，P2、P3處壓力脈動幅值先減小后增大，設計點的幅值最小，說明在設計點導葉的能量回收率最高。而在馬鞍區(0.45Qd)運行時受不穩定流動的共同影響各監測點頻率成分極其復雜，尤其在高頻段均出現了較為劇烈的脈動，壓力脈動主頻向高頻段移動(5fz)且幅值最大的點出現在導葉流道內P2處，并伴隨有十分強烈的機組振動。

圖8 壓力脈動頻域圖Fig.8 Frequency domains of pressure fluctuation

3 結 論

借助數字壓力采集系統對軸流泵在不同流量下的壓力脈動進行測試，并對壓力信號進行時域與頻域處理得到了以下結論：

(1)在穩定工況下軸流泵內部各點的壓力脈動主要受葉輪葉片數影響，主頻均為葉頻(3fz)，從葉輪進口至導葉出口壓力脈動幅值逐漸減小。

(2)導葉流道內的壓力脈動受動靜干涉的影響在時域信號中出現了二次波峰并誘導產生了高頻分量，導葉出口動靜干涉影響減弱。

(3)軸流泵在馬鞍區運行時，內部不穩定流動誘發了劇烈的高頻壓力脈動并引起了強烈的機組振動，應避免軸流泵長時間在該工況下運行。

[1] 關醒凡．現代泵理論與設計[M]. 北京: 中國宇航出版社，2011.

[2] 王宏光，徐小龍，楊愛玲，等. 軸流泵流動噪聲數值模擬[J]. 排灌機械工程學報，2011, 29(3): 199-203.

WANG Hongguang, XU Xiaolong, YANG Ailing, et al. Numerical simulation of flow noise in axial-flow pump[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering，2011, 29(3): 199-203.

[3] 王松林，譚磊，王玉川. 離心泵瞬態空化流動及壓力脈動特性[J]. 振動與沖擊，2013, 32(22): 168-173.

WANG Songlin, TAN Lei, WANG Yuchuan. Characteristics of transient cavitation flow and pressure fluctuation for a centrifugal pump[J]．Journal of Vibration and Shock, 2013, 32(22): 168-173.

[4] TAN Lei, ZHU Baoshan, CAO Shuliang, et al. Numerical simulation of unsteady cavitation flow in a centrifugal pump at off-design conditions[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2014, 228(11): 1994-2006.

[5] ZHANG Desheng, SHI Wei dong, CHEN Bin, et al. Unsteady flow analysis and experimental investigation of axial-flow pump[J]. Journal of Hydrodynamics, 2010, 22(1): 35-43.

[6] 王福軍，張玲，張志民. 軸流泵不穩定流場的壓力脈動特性研究[J]. 水利學報，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.

[7] ZUO Zhigang, LIU Shuhong, SUN Yuekun, et al. Pressure fluctuations in the vaneless space of high-head pump-turbines—A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015, 41: 965-974.

[8] 譚磊，王玉川，曹樹良，等. 離心泵蝸舌區非定常流動特性[J]. 北京理工大學學報，2014(7): 670-675.

TAN Lei, WANG Yuchuan, CAO Shuliang, et al. Characteristic of unsteady flow around the tongue region in a centrifugal pump[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2014(7): 670-675.

[9] 周林玉. 偏離工況下離心泵的壓力脈動和振動分析[J]. 流體機械, 2015, 43(2): 52-55.

ZHOU Linyu. Analysis on pressure fluctuation and vibration of a centrifugal pump for off-design conditions[J]. Fluid Machinery, 2015, 43(2): 52-55.

[10] 吳登昊，袁壽其，任蕓，等. 管道泵壓力脈動及振動的研究[J]. 華中科技大學學報(自然科學版)，2013, 41(4): 16-20.

WU Denghao, YUAN Shouqi, REN Yun, et al. Pressure pulsation and vibration in in-line circulator pumps[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology(Natural Science Edition), 2013, 41(4): 16-20.

[11] 張德勝，王海宇，施衛東，等. 軸流泵多工況壓力脈動特性試驗[J]. 農業機械學報，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.

[12] 張德勝，耿琳琳，施衛東，等. 軸流泵水力模型壓力脈動和振動特性試驗[J]. 農業機械學報，2015, 46(6): 66-72.

ZHANG Desheng, GENG LinLin, SHI Weidong, et al. Experimental investigation on pressure fluctuation and vibration in axial-flow pump model[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(6): 66-72.

[13] PAN Hong, BU Minsheng. Pressure fluctuation signal analysis of pump based on ensemble empirical mode decomposition method[J]. Water Science and Engineering, 2014, 25(2): 227-235.

[14] 王鵬，袁壽其，王秀禮，等. 蝸殼不同心度對核主泵瞬態水動力特性研究[J]. 振動與沖擊，2015, 34(22): 13-18.

WANG Peng, YUAN Shouqi, WANG Xiuli, et al. Volute eccentricity effect on transient dynamic characteristics of nuclear main pump[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(22): 13-18.

[15] 施衛東，徐燕，張啟華，等. 多級潛水泵內部壓力脈動特性[J]. 排灌機械工程學報，2014, 32(3): 196-201.

SHI Weidong, XU Yan, ZHANG Qihua, et al. Characteristics of pressure pulsation in multi-stage submersible pump[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2014, 32(3): 196-201.

[16] 施衛東，姚捷，張德勝，等. 采樣頻率和時間對軸流泵壓力脈動特性的影響[J]. 排灌機械工程學報，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.

[17] 王玉川，譚磊，曹樹良，等. 離心泵葉輪區瞬態流動及壓力脈動特性[J]. 機械工程學報, 2014, 50(10): 163-169.

WANG Yuchuan, TAN Lei, CAO Shuliang, et al. Characteristics of transient flow and pressure fluctuation in impeller for centrifugal pump[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2014, 50(10): 163-169.

[18] 袁建平，朱鈺雯，周幫倫，等. 余熱排出泵內部壓力脈動特性分析[J]. 排灌機械工程學報, 2015, 33(6): 475-480.

YUAN Jianping, ZHU Yuwen, ZHOU Banglun, et al. Analysis on pressure fluctuation in residual heat removal pumps[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2015, 33(6): 475-480.

Anexperimentalinvestigationofpressurefluctuationinanaxial-flowpumpbasedondigitalsignalprocessing

LU Rong1， YUAN Jianping1， LI Yanjun1， FU Yanxia2， XIA Shuijing1

(1. National Research Center of Pumps, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;2. School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

In order to obtain the accurate characteristics of pressure fluctuation in an axial flow pump, the monitoring points of pressure were set near the impeller inlet, the blade passages and the vane outlet. The test was conducted by applying a high precision digital pressure acquisition system under 4 different flow rates, which were 0.45, 0.8, 1.0 and 1.2 of the design flow (Qd), respectively. Pressure fluctuations in the time domain show that: under stable conditions (0.8Qd, 1.0Qd, 1.2Qd), the pressure at P1 near the inlet shows a regular waveform with 3 peaks and 3 valleys as time changes, which is associated with the blade number. Due to the interaction between the rotor and the stator, the pressure at both P2 and P3 inside the vane shows a second harmonic wave with lower amplitude. While at 0.45Qd, the pressure of 3 points shows a significant second harmonic wave due to the drop of the head. Based on fast Fourier transform (FFT), the main frequency of all monitors is always the blade passing frequency (BPF) with its amplitude decreasing from the impeller inlet to the vane outlet under stable conditions. However, the unsteady flow like backflow and tip vortex at 0.45Qdlead to complex frequency components and the main frequency shifted to high frequency segment accompanied by higher amplitude.

axial flow pump；pressure fluctuation；digital signal；experiment

國家科技支撐計劃項目(2015BAD20B01;江蘇省水利科技項目(2015042);江蘇高校自然科學研究項目(09KJB570001)

2016-05-18 修改稿收到日期： 2016-08-18

陸榮 男，碩士生，1990年生

袁建平 男,研究員，博士生導師，1970年生

TH311

ADOI:10.13465/j.cnki.jvs.2017.20.004