立式軸流泵裝置進(jìn)水流道出口流態(tài)與脈動(dòng)試驗(yàn)分析

楊 帆 趙浩儒 劉 超 何繼業(yè) 湯方平

(1.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院， 揚(yáng)州 225127； 2.江蘇省水利工程建設(shè)局， 南京 210029)

引言

泵站進(jìn)水流道的作用是將水流通順地引向水泵進(jìn)口，若進(jìn)水流道出口段流速和壓力分布不均必然會(huì)引起泵裝置中水泵工作狀態(tài)的變化，流道出口流態(tài)不良不僅會(huì)降低水泵能量效率，而且也會(huì)降低水泵的汽蝕性能，影響機(jī)組的安全可靠運(yùn)行[1]，因此開展進(jìn)水流道內(nèi)部流態(tài)的研究顯得尤為重要。當(dāng)前，學(xué)者們對泵裝置過流部件水力性能的研究，主要集中于采用數(shù)值模擬技術(shù)或物理模型試驗(yàn)分析流道內(nèi)部流態(tài)特征[2-7]、采用數(shù)值模擬技術(shù)對流道開展幾何形體的優(yōu)化研究[8-13]、采用數(shù)值模擬或模型試驗(yàn)對泵開展脈動(dòng)及振動(dòng)測試研究[14-20]等方面。通過分析可知，在考慮泵與過流部件內(nèi)流相互干擾的前提下，基于立式軸流泵裝置整體開展泵裝置進(jìn)水流道出口流態(tài)及脈動(dòng)的分析研究較少。

本文以立式軸流泵裝置整體為研究對象，通過物理模型試驗(yàn)，采用定性和定量相結(jié)合的方法研究分析立式軸流泵裝置肘形進(jìn)水流道出口流態(tài)及壓力脈動(dòng)受轉(zhuǎn)速及工況變化的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置與測試方法

立式軸流泵裝置物理模型包括肘形進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉體及直管式出水流道4個(gè)過流部件。葉輪型號為ZM55，葉輪名義直徑為120 mm，輪轂比為0.40，葉片數(shù)為4，葉片安放角為0°，葉頂平均間隙為0.2 mm。導(dǎo)葉體的葉片數(shù)為5。肘形進(jìn)水流道的主要控制尺寸包括：上邊線傾角為28°，下邊線傾角為9°，流道的水平投影長度為3.73倍的葉輪名義直徑，流道的進(jìn)口高度為1.98倍的葉輪名義直徑，流道進(jìn)口寬度為2倍的葉輪名義直徑，出口斷面直徑等于葉輪名義直徑，彎曲段水平投影長度為1.23倍的葉輪名義直徑。

立式軸流泵裝置物理模型試驗(yàn)在揚(yáng)州大學(xué)江蘇省水利動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的Φ120 mm水力機(jī)械閉式循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測試。試驗(yàn)臺(tái)由受測泵裝置、不銹鋼進(jìn)水箱、不銹鋼出水箱、PVC管道、ISWH125-100A型304不銹鋼管道離心泵及不銹鋼軟密封蝶閥組成。立式軸流泵裝置模型試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。

圖1 立式軸流泵裝置模型試驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Pumping system model test bench

流量測量采用上海光滑儀表有限公司生產(chǎn)的LDG-125S-92型電磁流量計(jì)，揚(yáng)程測量采用EJA型智能壓差變送器，扭矩及轉(zhuǎn)速的測取采用JCO型0.1級轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，各傳感器輸出端均與Powerlink JW-3型顯示儀相連。脈動(dòng)的測試采用CY302型高精度數(shù)字壓力傳感器，探頭尺寸為Φ5 mm，采樣率為1 000次/s，精度為0.1%，測試范圍為0～30 kPa，在進(jìn)水流道出口壁面共布置3個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器間的夾角為120°，3個(gè)脈動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)的同步采集通過485集線器和數(shù)據(jù)采集軟件來實(shí)現(xiàn)，每次采樣10 s。對采集的脈動(dòng)時(shí)域信號數(shù)據(jù)做基于加窗Hanning函數(shù)的短時(shí)傅里葉變換(Short-time Fourier transform, STFT)，分析頻域內(nèi)主要頻率成分及其幅值大小。

立式軸流泵裝置肘形進(jìn)水流道出口流態(tài)采用內(nèi)貼紅色絲線方法進(jìn)行觀察，每根絲線的長度約45 cm，紅色絲線具有較好的水流跟隨性，可較好地反映水流的流動(dòng)狀態(tài)，通過在進(jìn)水流道出口布置紅色絲線，在試驗(yàn)過程中通過觀察紅色絲線的偏移方向及偏移角度來評判流道出口的水流流態(tài)特征，并結(jié)合脈動(dòng)測試結(jié)果進(jìn)行分析。為清楚觀察肘形進(jìn)水流道出口段的流態(tài)特征，流道采用透明亞克力材料進(jìn)行加工制作。

對立式軸流泵裝置肘形進(jìn)水流道出口流態(tài)及脈動(dòng)共進(jìn)行1 450、1 800、2 200 r/min 3個(gè)不同轉(zhuǎn)速時(shí)各測點(diǎn)及流態(tài)分析。肘形進(jìn)水流道出口段脈動(dòng)測試傳感器安裝及紅色絲線布置如圖2所示。

圖2 紅色絲線和脈動(dòng)傳感器布置圖Fig.2 Layouts of red thread and pulsation sensors

2 試驗(yàn)可靠性分析

立式軸流泵裝置物理模型能量性能試驗(yàn)參照文獻(xiàn)[21]要求進(jìn)行，為了驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)的可靠性，在相同的測試方法和運(yùn)行工況時(shí)對轉(zhuǎn)速2 200 r/min時(shí)立式軸流泵裝置能量性能進(jìn)行重復(fù)性測試，各工況采用流量比進(jìn)行比較，流量比為各工況流量Q與最優(yōu)工況流量Qbep的比值，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 立式軸流泵裝置能量性能重復(fù)性試驗(yàn)曲線Fig.3 Energy performance curves of repetitive experiment

在轉(zhuǎn)速為2 200 r/min時(shí)，立式軸流泵裝置的流量-揚(yáng)程曲線的趨勢完全一致，在相近工況時(shí)采集的數(shù)據(jù)結(jié)果十分接近，表明了試驗(yàn)臺(tái)測試結(jié)果的可靠性。

在能量性能試驗(yàn)的基礎(chǔ)上同步進(jìn)行立式軸流泵裝置進(jìn)水流道出口流態(tài)及脈動(dòng)測試分析研究。

3 進(jìn)水流道出口流態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過對不同轉(zhuǎn)速、不同工況時(shí)立式軸流泵裝置肘形進(jìn)水流道出口段內(nèi)部絲線的觀察，不同轉(zhuǎn)速情況下，在0.7Qbep～1.24Qbep時(shí)肘形進(jìn)水流道出口段流態(tài)基本相同，在小于0.7Qbep時(shí)肘形進(jìn)水流道出口段流態(tài)基本相同，為此，以轉(zhuǎn)速n=2 200 r/min為例，選取2個(gè)特征工況，小流量工況0.6Qbep和大流量工況1.2Qbep對肘形進(jìn)水流道出口流態(tài)進(jìn)行分析。小流量工況0.6Qbep時(shí)肘形進(jìn)水流道出口段流態(tài)如圖4所示，大流量工況1.2Qbep時(shí)肘形進(jìn)水流道出口段流態(tài)如圖5所示。

圖4 0.6Qbep時(shí)進(jìn)水流道出口段流態(tài)Fig.4 Flow patterns at outlet of inlet conduit (0.6Qbep)

圖5 1.2Qbep時(shí)進(jìn)水流道出口段流態(tài)Fig.5 Flow patterns at outlet of inlet conduit (1.2Qbep)

在小流量工況0.6Qbep時(shí)，肘形進(jìn)水流道內(nèi)壁面的紅色絲線呈水平狀，絲線均發(fā)生明顯偏移，偏移方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向一致，絲線偏移在肘形進(jìn)水流道彎肘處段即開始出現(xiàn)，表明小流量工況時(shí)肘形進(jìn)水流道出口段水流紊動(dòng)較大，水流受軸流泵內(nèi)部二次流的影響明顯，且在豎向影響范圍較大，從輪轂前緣計(jì)影響范圍約為葉輪直徑的0.83倍。

在大流量工況1.2Qbep時(shí)，肘形進(jìn)水流道內(nèi)壁面的紅色絲線均沿水流方向呈貼壁狀，絲線未發(fā)生偏移，表明該流道彎肘處未出現(xiàn)脫流等不良流態(tài)，流態(tài)平順，水流經(jīng)肘形進(jìn)水流道后沿泵軸方向進(jìn)入葉輪。

小流量工況0.6Qbep和大流量工況1.2Qbep時(shí)，肘形進(jìn)水流道出口段的流態(tài)差異明顯，其對立式軸流泵裝置能量性能的影響采用揚(yáng)程相對幅值和效率絕對幅值進(jìn)行分析，計(jì)算式為

(1)

Δη=ηbep-ηi

(2)

式中 Δβ——揚(yáng)程相對幅值

Δη——效率絕對幅值

Hbep——效率最高工況對應(yīng)的揚(yáng)程

ηbep——效率最高工況對應(yīng)的效率

Hi——其他工況對應(yīng)的揚(yáng)程

ηi——其他工況對應(yīng)的效率

不同轉(zhuǎn)速時(shí)，小流量工況0.6Qbep和大流量工況1.2Qbep時(shí)立式軸流泵裝置能量性能參數(shù)變化幅值如表1所示。小流量工況0.6Qbep時(shí)，隨轉(zhuǎn)速的變化，揚(yáng)程相對幅值變化范圍與效率絕對幅值的變化范圍均在2%以內(nèi)；大流量工況1.2Qbep時(shí)，隨轉(zhuǎn)速的變化，揚(yáng)程相對幅值和效率絕對幅值變化范圍均較大。

表1 特征工況時(shí)揚(yáng)程和效率的變化幅值Tab.1 Changing amplitude of head and efficiency

4 脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 脈動(dòng)幅值分析

立式軸流泵裝置進(jìn)水流道出口的壓力脈動(dòng)幅值分析采用壓力的均方根(Root mean square，RMS)對壓力脈動(dòng)幅值進(jìn)行分析，RMS具有較小的數(shù)值離散程度，可較好地表征壓力脈動(dòng)的能量水平，是信號幅值分析的主要參數(shù)之一，脈動(dòng)幅值的均方根PRMS計(jì)算式為

(3)

式中Pj——壓力的第j次測量值

N——數(shù)據(jù)采集的個(gè)數(shù)

對立式軸流泵裝置肘形進(jìn)水流道出口段壁面的3個(gè)壓力脈動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，共分析了1 450、1 800、2 200 r/min時(shí)3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)15個(gè)采樣周期內(nèi)的脈動(dòng)數(shù)據(jù)。圖6為不同轉(zhuǎn)速時(shí)3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的均方根。在小于0.7Qbep工況時(shí)，各監(jiān)測點(diǎn)的脈動(dòng)幅值均方根均隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，增幅較大，這與進(jìn)水流道出口流態(tài)紊亂，增強(qiáng)了水流的脈動(dòng)相關(guān)；在大于0.7Qbep工況時(shí)各監(jiān)測點(diǎn)的脈動(dòng)幅值均方根隨轉(zhuǎn)速的增加而減小；相同轉(zhuǎn)速時(shí)，各監(jiān)測點(diǎn)的脈動(dòng)幅值均方根隨流量比的增大先減小后增大，在最優(yōu)工況Qbep時(shí)脈動(dòng)幅值最小，這與進(jìn)水流道出口的流態(tài)平順相對應(yīng)。

圖6 不同轉(zhuǎn)速時(shí)各監(jiān)測點(diǎn)脈動(dòng)幅值的均方根Fig.6 PRMS values of different measuring points in different rotational speeds

為進(jìn)一步分析進(jìn)水流道出口段各測點(diǎn)的脈動(dòng)幅值隨工況的變化規(guī)律，對相同轉(zhuǎn)速時(shí)各測點(diǎn)不同工況的脈動(dòng)幅值進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。相同轉(zhuǎn)速時(shí)，各監(jiān)測點(diǎn)的脈動(dòng)幅值隨流量的增加呈先減小后增大的趨勢。在肘形進(jìn)水流道出口段同一斷面上的3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，流量比Q/Qbep在0.70～1.25范圍內(nèi)，3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的脈動(dòng)幅值均方根差異較小；當(dāng)流量比Q/Qbep小于0.70時(shí)，3個(gè)脈動(dòng)測點(diǎn)的脈動(dòng)幅值差異明顯，且隨流量比的減小，差值增大，由于小流量工況時(shí)肘形進(jìn)水流道出口段存在回流區(qū)，回流區(qū)影響范圍不同，導(dǎo)致同一斷面各水流質(zhì)點(diǎn)的流速和壓力波動(dòng)存在差異所致。流量比越小，橫向流速占合速度的比重越大，各點(diǎn)壓力脈動(dòng)幅值的差異性越明顯。

圖7 相同轉(zhuǎn)速時(shí)各監(jiān)測點(diǎn)脈動(dòng)幅值的均方根Fig.7 PRMS values of different measuring points in same rotational speeds

4.2 脈動(dòng)頻譜分析

采用加窗Hanning函數(shù)的短時(shí)傅里葉變換對采集的脈動(dòng)時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，頻率以轉(zhuǎn)頻倍數(shù)NF表示，計(jì)算式為

(4)

式中F——經(jīng)短時(shí)傅里葉變換后對應(yīng)的頻率

n——轉(zhuǎn)速

圖8 各測點(diǎn)的脈動(dòng)頻譜(n=1 450 r/min)Fig.8 Frequency domain of different measuring points in 1 450 r/min

圖9 各測點(diǎn)的脈動(dòng)頻譜(n=1 800 r/min)Fig.9 Frequency domain of different measuring points in 1 800 r/min

圖10 各測點(diǎn)的脈動(dòng)頻譜(n=2 200 r/min)Fig.10 Frequency domains of different measuring points in 2 200 r/min

不同轉(zhuǎn)速時(shí)肘形進(jìn)水流道出口段3個(gè)測點(diǎn)的脈動(dòng)頻譜如圖8～10所示。不同轉(zhuǎn)速時(shí)3個(gè)測點(diǎn)的脈動(dòng)主頻均為4倍轉(zhuǎn)頻，較大幅值對應(yīng)的頻率范圍為0～8倍轉(zhuǎn)頻之間。隨轉(zhuǎn)速增加，肘形進(jìn)水流道出口各測點(diǎn)脈動(dòng)幅值呈遞增趨勢，當(dāng)轉(zhuǎn)速從1 450 r/min增至2 200 r/min時(shí)，各工況時(shí)測點(diǎn)P1主頻幅值平均增加了1.95倍，P2主頻幅值平均增加了2.04倍，P3主頻幅值平均增加了2.08倍，各測點(diǎn)主頻幅值增幅的差異主要由小流量工況時(shí)主頻幅值的增幅差異所致，小流量工況時(shí)各測點(diǎn)的脈動(dòng)主頻幅值增幅小于最優(yōu)工況和大流量工況。隨轉(zhuǎn)速降低，大流量工況(1.2Qbep)各測點(diǎn)的脈動(dòng)主頻幅值平均下降了53.8%，最優(yōu)工況(Qbep)時(shí)各測點(diǎn)的脈動(dòng)主頻幅值平均下降了53.97%，小流量工況時(shí)各測點(diǎn)的脈動(dòng)主頻幅值降幅相對較小，平均下降了45.1%。

在小流量工況(0.6Qbep)時(shí)，肘形進(jìn)水流道出口各測點(diǎn)的脈動(dòng)頻率成分相比最優(yōu)工況和大流量工況較復(fù)雜，這是由肘形進(jìn)水流道出口段水流湍流強(qiáng)度較大、回流區(qū)水流運(yùn)動(dòng)的紊動(dòng)性所致，低于4倍轉(zhuǎn)頻的低頻脈動(dòng)頻率及其對應(yīng)幅值均隨轉(zhuǎn)速的降低而降低。轉(zhuǎn)速1 450 r/min和1 800 r/min時(shí)，在小流量工況(0.6Qbep)測點(diǎn)P1的次主頻均為8倍轉(zhuǎn)頻，測點(diǎn)P2的次主頻均為2倍轉(zhuǎn)頻，這2個(gè)轉(zhuǎn)速時(shí)測點(diǎn)P3的次主頻有0.8倍轉(zhuǎn)頻的差異，而在2 200 r/min時(shí)測點(diǎn)P1和測點(diǎn)P2的次主頻為2倍轉(zhuǎn)頻，測點(diǎn)3的次主頻為0.4倍轉(zhuǎn)頻；各轉(zhuǎn)速時(shí)，在最優(yōu)工況(Qbep)測點(diǎn)P1、測點(diǎn)P2和測點(diǎn)P3的次主頻均為1倍轉(zhuǎn)頻；在大流量工況(1.2Qbep)，各轉(zhuǎn)速時(shí)測點(diǎn)P1和測點(diǎn)P2的次主頻均為1倍轉(zhuǎn)頻，此工況時(shí)測點(diǎn)P3在1 450 r/min和1 800 r/min時(shí)次主頻為8倍轉(zhuǎn)頻，而在2 200 r/min時(shí)次主頻為1倍轉(zhuǎn)頻。最優(yōu)工況時(shí)，肘形進(jìn)水流道出口各測點(diǎn)的脈動(dòng)主頻和次主頻均未發(fā)生變化，但在小流量工況和大流量工況時(shí)，各測點(diǎn)的脈動(dòng)主頻未變化，但次主頻因測點(diǎn)位置的不同存在明顯差異，因軸流泵內(nèi)產(chǎn)生二次回流對肘形進(jìn)水流道出口各測點(diǎn)脈動(dòng)次主頻的影響存在差異性。低揚(yáng)程泵裝置進(jìn)水流道出口的脈動(dòng)頻率以0～8倍轉(zhuǎn)頻為主。

5 結(jié)論

(1)不同轉(zhuǎn)速情況下，當(dāng)泵裝置流量小于0.7Qbep時(shí)，肘形進(jìn)水流道出口段內(nèi)壁面的絲線均呈水平偏移狀，且偏移方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相同，水流受工況影響明顯，從輪轂前緣計(jì)影響范圍約為葉輪直徑的0.83倍。當(dāng)流量大于0.7Qbep時(shí)，肘形進(jìn)水流道出口段的水流沿泵軸方向流入葉輪。

(2)當(dāng)泵裝置流量小于0.7Qbep時(shí)，各測點(diǎn)的脈動(dòng)幅值均隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，且增幅較大；在流量大于0.7Qbep時(shí)各測點(diǎn)的脈動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)速的增加而減小；相同轉(zhuǎn)速時(shí)，各測點(diǎn)的脈動(dòng)幅值隨流量的增大先減小后增大，在最優(yōu)工況Qbep時(shí)脈動(dòng)幅值最小。

(3)隨轉(zhuǎn)速增加，肘形進(jìn)水流道出口各測點(diǎn)的主頻幅值增幅存在差異性，小流量工況時(shí)各測點(diǎn)的脈動(dòng)主頻幅值增幅小于最優(yōu)工況和大流量工況。不同轉(zhuǎn)速、不同工況時(shí)各測點(diǎn)的脈動(dòng)主頻均為4倍轉(zhuǎn)頻，最優(yōu)工況時(shí)各測點(diǎn)的次主頻均為1倍轉(zhuǎn)頻，小流量和大流量工況各測點(diǎn)的次主頻受工況和轉(zhuǎn)速的影響較明顯，肘形進(jìn)水流道出口主要脈動(dòng)幅值對應(yīng)的頻率范圍在0～8倍轉(zhuǎn)頻之間。

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