多工況空化條件下混流泵裝置壓力脈動(dòng)試驗(yàn)研究

陳 超，李彥軍，裴 吉，王文杰，吳天澄

(江蘇大學(xué) 國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

立式混流泵裝置由于技術(shù)成熟、電機(jī)工作環(huán)境好、檢修方便高效區(qū)寬，被廣泛應(yīng)用于跨流域調(diào)水，調(diào)容蓄水等工程中。對(duì)于大型立式導(dǎo)葉式混流泵裝置，在非設(shè)計(jì)工況和空化條件時(shí)，效率降低，壓力脈動(dòng)增大，水力振動(dòng)危害增加。因此，研究多工況空化條件下泵裝置壓力脈動(dòng)特性，對(duì)改進(jìn)混流泵裝置設(shè)計(jì)、為混流泵安全穩(wěn)定運(yùn)行性提供參考具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)混流泵壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行了深入研究[1-3]，但是關(guān)于混流泵裝置[4,5]壓力脈動(dòng)特性的研究并不充分，尤其是在多工況空化條件下的混流泵裝置報(bào)道較少。李偉等[6]對(duì)不同流量工況下混流泵進(jìn)行了壓力脈動(dòng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)壓力脈動(dòng)主頻為葉輪葉片通過(guò)頻率;主頻隨著流量減小向高頻方向偏移，動(dòng)靜干涉誘導(dǎo)的流體激振以及噪聲等高頻成分出現(xiàn)并逐漸增多；翟杰[7]等對(duì)低比轉(zhuǎn)數(shù)混流泵導(dǎo)葉內(nèi)部壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行了研究，比較不同流量工況下混流泵性能的試驗(yàn)與數(shù)計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)主要受葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)影響；施衛(wèi)東等[8,9]基于粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)對(duì)混流泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，分析了不同相位葉輪截面處的流線和速度分布以及小流量工況下的渦量分布；靳栓寶[10]等基 RANS 方程和 SST 湍流模型，應(yīng)用 SIMPLEC 算法，對(duì)混流泵內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行非定常數(shù)值模擬，分析了不同流量工況和不同轉(zhuǎn)速工況時(shí)混流泵內(nèi) 4個(gè)代表性監(jiān)測(cè)面上壓力脈動(dòng)的時(shí)域和頻域特性，研究成果為揭示混流泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)規(guī)律提供了一定的理論參考。

上述針對(duì)混流泵壓力脈動(dòng)研究主要集中在泵段方面，而且當(dāng)前對(duì)混流泵壓力脈動(dòng)的研究目前大多采用數(shù)值模擬[11-13]的方法，具有一定的可信度，但發(fā)生空化[14-16]時(shí)，泵裝置內(nèi)的流動(dòng)極為復(fù)雜，數(shù)值模擬較難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其真實(shí)規(guī)律。因此通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量方法，分析不同揚(yáng)程時(shí)混流泵裝置各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同空化條件下的壓力脈動(dòng)響應(yīng)，探究發(fā)生空化時(shí)混流泵裝置內(nèi)部壓力脈動(dòng)特性規(guī)律。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c試驗(yàn)裝置

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

混流泵裝置模型結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,本次研究選取的模型泵裝置參數(shù)如下：設(shè)計(jì)流量Qd=358 L/s,設(shè)計(jì)揚(yáng)程Hd=9.02 m,轉(zhuǎn)速n=1 359.4 r/min,比轉(zhuǎn)速ns=576。模型泵裝置的主要幾何參數(shù)為:葉輪葉片數(shù)Z=3，導(dǎo)葉葉片數(shù)Zd=7,泵進(jìn)口段直徑D1=300 mm，葉輪直徑D2=320 mm,導(dǎo)葉出口直徑D3=350 mm，葉片外緣間隙C=0.15 mm，性能曲線如圖2所示。

圖1 模型泵裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 A schematic diagram of the structure of the model pump device

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

在江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心的水力機(jī)械四象限多功能試驗(yàn)臺(tái)上開(kāi)展混流泵裝置的壓力脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)量，該試驗(yàn)臺(tái)效率綜合允許不確定度優(yōu)于±0.3%，試驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖3所示，試驗(yàn)設(shè)備主要由高壓罐、穩(wěn)流罐、模型泵裝置、電磁流量計(jì)等組成。壓力傳感器型號(hào)為CY200 高精度數(shù)字壓力傳感器，信號(hào)處理軟件為成都泰斯特公司研發(fā)的SmartSensor程序 。

為了滿足空化試驗(yàn)及水洞試驗(yàn)時(shí)溶氣的需要，本試驗(yàn)臺(tái)采用立式結(jié)構(gòu)。流量測(cè)量位于-2.6 m層面，以保證各種工況下流量測(cè)量的準(zhǔn)確性。流量采用德國(guó)科隆智能電磁流量計(jì)測(cè)量。流量計(jì)在國(guó)家級(jí)計(jì)量單位進(jìn)行率定，測(cè)量精度優(yōu)于±0.2%。流量計(jì)水平布置，其前后直管段長(zhǎng)度滿足安裝大于5倍管路直徑要求；揚(yáng)程測(cè)量采用日本橫河EJA智能差壓變送器，測(cè)量為0～25 m，裝置模型試驗(yàn)揚(yáng)程測(cè)點(diǎn)位于進(jìn)出口水箱上。經(jīng)原位率定揚(yáng)程傳感器測(cè)量不確定度優(yōu)于±0.1%。

圖2 模型泵裝置效率與揚(yáng)程實(shí)測(cè)特性曲線Fig.2 The measurement characteristic curve of the efficiency and head of the model pump device

2 試驗(yàn)方法

2.1 壓力脈動(dòng)試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17189-2007《水力機(jī)械振動(dòng)和脈動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》。該實(shí)驗(yàn)用虛擬儀器和高頻壓力傳感器對(duì)靠近壁面處的葉輪進(jìn)口C1、葉輪出口C2和導(dǎo)葉出口C3三個(gè)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了信號(hào)采集，如圖4所示。試驗(yàn)對(duì)葉片安放角0°測(cè)定了監(jiān)測(cè)點(diǎn)在3個(gè)不同揚(yáng)程工況點(diǎn)：低揚(yáng)程工況(5.0 m)、設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況(9.02 m)、高揚(yáng)程工況(11.5 m)分別在未發(fā)生空化(水泵效率下降0%)、臨界空化(水泵效率下降1%)、深度空化(水泵效率下降3%)附近的壓力信號(hào)，共27組數(shù)據(jù)，為防止信號(hào)的混疊[17]，采樣頻率為2 000 Hz ,采樣時(shí)間為20 s。

1-高壓罐；2-穩(wěn)流罐；3-模型泵裝置；4-蝶閥；5-電磁流量計(jì)；6-輔助泵；7-低壓罐圖3 泵試驗(yàn)臺(tái)布置圖Fig.3 Layout of the pump test system

2.2 空化試驗(yàn)

在模型泵的工作范圍內(nèi)，對(duì)包括小流量點(diǎn)、規(guī)定流量點(diǎn)及大流量點(diǎn)在內(nèi)的每個(gè)水泵模型的每個(gè)葉片角度作5個(gè)工況點(diǎn)的空化試驗(yàn)。模型泵裝置臨界空化余量變化曲線如圖5所示，根據(jù)各葉片角度多工況點(diǎn)實(shí)際試驗(yàn)，臨界空化余量在正角度和較低揚(yáng)程運(yùn)行工況下數(shù)值較高。在0°葉片角度下，其最高凈揚(yáng)程11.25 m的臨界空化余量為10.55 m。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)和壓力傳感器位置Fig.4 Location of monitoring points and pressure transmitters

圖5 模型泵裝置臨界空化余量變化曲線Fig.5 Change curve of critical cavitation allowance in model pump device

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 壓力脈動(dòng)信號(hào)時(shí)域分析

試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為1 359.4 r/min，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量獲得了混流泵葉輪進(jìn)口、葉輪出口、導(dǎo)葉出口監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值，引入無(wú)量綱參數(shù)：壓力系數(shù)Cp來(lái)表示其結(jié)果[17],其表達(dá)式為：

(1)

定義葉輪旋轉(zhuǎn)周期數(shù)[17]：

N=t/T

(2)

式中:t為信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度;T為葉輪旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間。

對(duì)葉輪旋轉(zhuǎn)5個(gè)周期的壓力脈動(dòng)值做時(shí)域分析，如圖 6所示。

在各個(gè)工況下葉輪進(jìn)口測(cè)點(diǎn)C1處的壓力脈動(dòng)曲線在一個(gè)周期內(nèi)均為平穩(wěn)的近似正弦曲線，呈現(xiàn)明顯的周期性波動(dòng)，這表明進(jìn)口處的壓力脈動(dòng)受葉輪旋轉(zhuǎn)影響較大。以5 m-0表示5 m揚(yáng)程點(diǎn)下未發(fā)生空化時(shí)的狀態(tài)，則5 m-1%表示5m揚(yáng)程點(diǎn)下空化余量下降到臨界空化余量時(shí)的狀態(tài)，則5 m-3%表示5m揚(yáng)程點(diǎn)下空化余量下降到深度空化余量時(shí)的狀態(tài)。由圖6可得出葉輪出口處一個(gè)周期內(nèi)壓力脈動(dòng)曲線諧波數(shù)與不同工況的關(guān)系，如表1所示。

表1 葉輪出口空化狀態(tài)與諧波數(shù)的關(guān)系Tab.1 The relationship between the cavitation state and the number of harmonics at the impeller outlet

由表1結(jié)合圖6可以看出:在葉輪出口C2處，相同的空化狀態(tài)下，隨著揚(yáng)程的增加每個(gè)周期內(nèi)的諧波個(gè)數(shù)隨之增加；相同揚(yáng)程點(diǎn)下，空化余量越小，諧波數(shù)隨之遞減;在每個(gè)周期內(nèi)主波峰和波谷數(shù)與葉輪葉片數(shù)3一致，而諧波的個(gè)數(shù)隨工況的變化而變化，說(shuō)明葉片旋轉(zhuǎn)對(duì)葉輪出口處的壓力脈動(dòng)起主導(dǎo)作用，諧波的產(chǎn)生與葉輪和導(dǎo)葉的動(dòng)靜干涉有很大關(guān)系。對(duì)比文獻(xiàn)[17]可以發(fā)現(xiàn)：文獻(xiàn)[17]并沒(méi)有明顯體現(xiàn)出諧波峰的出現(xiàn)，文獻(xiàn)[17]中所使用的軸流泵在葉輪出口處葉輪與導(dǎo)葉的動(dòng)靜干涉作用也應(yīng)存在，原因可能是除了動(dòng)靜干涉的影響外，還有過(guò)流方式的影響：混流泵的葉片在旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片對(duì)流體在徑向方向仍有做功，流體對(duì)壁面的撞擊作用比文獻(xiàn)[17]強(qiáng)烈很多，在一個(gè)周期內(nèi)主波峰的個(gè)數(shù)為3個(gè)與葉片數(shù)相一致，而諧波峰的個(gè)數(shù)與工況的關(guān)系還有待于進(jìn)一步研究；隨著流體向?qū)~出口運(yùn)動(dòng)，動(dòng)靜干涉作用減弱，導(dǎo)葉出口監(jiān)測(cè)點(diǎn)C3處表現(xiàn)出和葉輪進(jìn)口C1處相類(lèi)似的壓力脈動(dòng)情況：幅值明顯比葉輪出口處低，諧波消失；在相同的空化情況下，隨著揚(yáng)程的升高，導(dǎo)葉出口處的壓力脈動(dòng)曲線一個(gè)周期內(nèi)的波峰和波谷數(shù)有隨之增多的趨勢(shì)；與葉輪進(jìn)口相比，導(dǎo)葉出口處的脈動(dòng)曲線波峰和波谷變得更尖銳，波形變的更加陡峭和不平滑。

3.2 壓力脈動(dòng)信號(hào)頻域分析

為更好地分析混流泵內(nèi)部的壓力脈動(dòng)規(guī)律，對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)并進(jìn)行頻譜分析，如圖7所示；定義葉輪的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為：

(3)

由圖7可以看出：在5 m揚(yáng)程和9.02 m揚(yáng)程工況時(shí)，葉輪進(jìn)口測(cè)點(diǎn)C1的壓力脈動(dòng)主頻在不同空化情況下分頻很少、主頻特征明顯且均集中在中低頻區(qū)域、幅值較小,說(shuō)明葉輪進(jìn)口處的流體流動(dòng)平穩(wěn)，受回流、渦流等的影響較小。但是，在11.5 m高揚(yáng)程工況時(shí)，葉輪進(jìn)口測(cè)點(diǎn)C1處出現(xiàn)了幅值較低的諧波信號(hào)，主頻集中在中低頻，雖然幅值較小，但與其他揚(yáng)程工況點(diǎn)相比差異明顯，原因可能是在高揚(yáng)程小流量工況下，流量的減小造成管路內(nèi)流體不穩(wěn)定因素增多，回流、脫流等二次流現(xiàn)象等對(duì)流體的流動(dòng)產(chǎn)生了較嚴(yán)重的影響。葉輪出口測(cè)點(diǎn)C2處主頻在各個(gè)揚(yáng)程點(diǎn)和不同的空化情況下均清晰地呈現(xiàn)出葉頻的影響，壓力脈動(dòng)頻譜的主頻出現(xiàn)在2倍導(dǎo)葉葉頻、3倍導(dǎo)葉葉頻和4倍導(dǎo)葉頻處。在葉輪出口監(jiān)測(cè)點(diǎn)C2處的壓力脈動(dòng)諧波信號(hào)均出現(xiàn)在最高峰值附近，雖然幅值比最高峰值低很多，但是分頻情況復(fù)雜，最高峰值和二次峰值、三次峰值的個(gè)數(shù)都是唯一的，原因可能是最高峰值的產(chǎn)生是由于相同頻率的波干涉產(chǎn)生的，由于葉輪和導(dǎo)葉的動(dòng)靜、葉頂泄漏渦等的影響，產(chǎn)生了很多相同頻率的諧波，但某一頻率的諧波出現(xiàn)的最多從而互相干涉導(dǎo)致了最高峰值的產(chǎn)生，而另一種某一頻率的諧波出現(xiàn)的次數(shù)僅比最高峰值少，互相干涉從而導(dǎo)致了二次峰值的出現(xiàn)；在11.5 m高揚(yáng)程工況時(shí)，空化余量下降到臨界空化余量時(shí)，各個(gè)波峰之間的幅值差較其他工況小，受葉頻周期影響的痕跡更明顯。導(dǎo)葉出口監(jiān)測(cè)點(diǎn)C3處的壓力脈動(dòng)諧波主頻和幅值與葉輪進(jìn)口監(jiān)測(cè)點(diǎn)C1處相似:在C1處主頻出現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的葉頻倍數(shù)附近，C3處在相應(yīng)地葉頻倍數(shù)也出現(xiàn)了主頻峰值；但是導(dǎo)葉出口C3處的主頻分頻情況明顯比葉輪進(jìn)口C1處的復(fù)雜，幅值也較葉輪進(jìn)口高，可能是葉輪與導(dǎo)葉間的動(dòng)靜干涉影響未完全消失造成的。

圖6 不同揚(yáng)程工況下不同空化情況壓力脈動(dòng)時(shí)域圖Fig.6 Time domain diagram of pressure fluctuation with different cavitation conditions under different head conditions

圖7 不同揚(yáng)程工況下不同空化情況壓力脈動(dòng)頻域圖Fig.7 Frequency domain diagram of pressure fluctuation with different cavitation conditions under different head condition

4 結(jié) 論

(1) 葉輪進(jìn)口和導(dǎo)葉出口的脈動(dòng)幅值比葉輪出口小很多，導(dǎo)葉出口處的壓力脈動(dòng)曲線幅值約為葉輪進(jìn)口處的2～3倍，波峰和波谷數(shù)均比葉輪進(jìn)口處多；葉輪出口的主波峰和波谷數(shù)與葉片數(shù)相一致，但是主波的諧波數(shù)與不同的揚(yáng)程工況和空化情況存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，內(nèi)在影響機(jī)理有待通過(guò)數(shù)值模擬等方法進(jìn)一步研究。

(2) 葉輪出口處的壓力脈動(dòng)主要受葉輪主頻和與導(dǎo)葉動(dòng)靜干涉的影響，葉輪葉頻起主導(dǎo)作用。葉輪進(jìn)口和導(dǎo)葉出口由于流道的導(dǎo)流作用，壓力脈動(dòng)較為平穩(wěn)，呈現(xiàn)相似的諧頻特性，諧頻的產(chǎn)生可能和泵體外電機(jī)等的因素影響有關(guān)。

(3) 在相同的空化情況下，隨著揚(yáng)程的增高，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的主頻區(qū)域均逐漸向高頻區(qū)域移動(dòng)且諧頻的寬度也隨著揚(yáng)程的增加而增加；在同一揚(yáng)程工況點(diǎn)下，隨著空化余量的降低，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)下的主頻區(qū)域均向低頻方向移動(dòng)，主頻信號(hào)的幅值增加且諧頻寬度隨著空化余量的降低而變寬。