激光染料循環(huán)系統(tǒng)性能試驗研究

劉厚林，景玉成，楊斌，夏青，王凱,3

(1.江蘇大學流體機械工程技術研究中心，江蘇鎮(zhèn)江，212013；2.核工業(yè)理化工程研究院，天津，300180；3.江蘇大學鎮(zhèn)江流體工程裝備技術研究院，江蘇鎮(zhèn)江，212009)

激光在國防建設、工農業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生和科學研究中具有重要用途。激光染料器是以某種有機染料溶解于一定溶劑中作為激活介質的激光器，其激光波長調節(jié)范圍寬，可以從近紅外、可見光到近紫外的廣泛范圍內進行激光輸出，可用于反干擾、保密的激光通訊等。染料循環(huán)系統(tǒng)作為激光染料器的重要組成部分之一，在提高激光品質和降低激光溫度等方面起著至關重要的作用。在激光染料循環(huán)系統(tǒng)中，旋渦泵主要起到輸送染料的作用，把原動機的機械能傳給染料，使染料的能量增加，使其在系統(tǒng)中進行循環(huán)，并且對染料激光器起到冷卻作用。如今泵的振動及噪聲問題日益受到關注，持久而劇烈的振動不僅會導致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，而且會對結構造成破壞[1-7]。代翠等[8-11]測量了泵作透平在不同轉速及流量下的振動和噪聲，發(fā)現(xiàn)振動和噪聲的水平會隨著轉速和流量的增加而增加，在相同流量下，出口噪聲的聲壓級比進口的高。王洋等[12-14]通過數(shù)值模擬和試驗驗證研究了旋渦泵壓力脈動及噪聲特性，揭示了旋渦泵內部流場及噪聲的影響機理，為旋渦泵的性能研究提供了一定的參考，因此，有必要對激光染料循環(huán)系統(tǒng)中的旋渦泵進行振動噪聲測量，以降低旋渦泵及其系統(tǒng)的振動。目前，國內外學者對染料激光器進行了一些試驗研究。HANSCH[15]研究了一種用氮氣激光器重復泵浦的帶寬小于0.000 4 nm的脈沖可調諧染料激光器。1972年在技術上實現(xiàn)了2項突破，即三鏡象散補償?shù)恼鄣焦鈱W腔和自由流動的染料噴流，使染料激光器的可靠性和穩(wěn)定性迅速提高，其應用得到很大發(fā)展。SCHRODER等[16]研究了CW單模可調諧染料激光器的線寬，發(fā)現(xiàn)線寬是由染料池內湍流的微觀速度波動和泵浦功率的波動決定的。邱元武[17]從理論方面對染料激光器進行了介紹，并對其相關的技術、應用等進行了總結。ZEMSKO等[18]研究了銅蒸氣泵浦染料激光器的能量和時間特性。PEASE等[19]對銅蒸氣泵浦的可調諧染料激光器進行了研究，發(fā)現(xiàn)該結構在脈沖之間存在隨機波動，這些波動可顯著降低同位素分離過程的通量效率。染料池作為染料循環(huán)器的重要組成部分，由收縮管、中間段和擴散管3部分構成。由于內流場的不均勻性，在染料池出口處易產(chǎn)生空泡。王立文等[20]以無閥微泵擴散管和收縮管為研究對象，對管內流體的壓力分布進行了理論分析，得出了擴散管和收縮管內流體的基本流動方程，并用有限元方法對擴散管和收縮管內的速度場和壓力場進行了有限元數(shù)值計算，分析了對流動特性的影響因素。染料池在當前特定條件下激光窗口鏡片易產(chǎn)生燒傷，這是因為雖然染料池主流區(qū)的流速較快，但靠近窗口鏡片近壁區(qū)流速較慢，會逐漸產(chǎn)生大量的熱量積累。顏石[21]分析出泵浦激光的熱量積累是導致窗口鏡片燒傷的主要原因，通過在電動平移臺上裝載染料池的方式，使燒傷被極大程度緩解。本文作者對一激光染料循環(huán)器系統(tǒng)用的旋渦泵進行能量性能測試，并對染料循環(huán)系統(tǒng)進行壓力脈動、振動、噪聲等試驗，以期為染料循環(huán)系統(tǒng)性能優(yōu)化提供依據(jù)。

1 試驗模型

試驗裝置主要由染料循環(huán)器、旋渦泵、流量計、閘閥等組成。試驗的儀器主要有壓力變送器2只、壓力脈動傳感器1只、光電式轉速表1只、壓電式三向加速度傳感器4只、聲壓傳感器1只。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用INV振動與噪聲測試系統(tǒng)，最大采樣頻率為102.4 kHz。

1.1 旋渦泵

1.1.1 試驗對象

圖1所示為旋渦泵的試驗臺，葉輪葉片數(shù)為45片。該試驗臺由旋渦泵、壓力變送器、流量計、管路及閥門組成。

圖1 旋渦泵試驗臺示意圖Fig.1 Diagram of vortex pump testbench

1.1.2 壓力脈動測點布置

依據(jù)GB/T 3216—2005“回轉動力泵水力性能驗收試驗”，設置1個壓力脈動測點，位于試驗泵的出口，設置各測點采樣頻率為51.2 kHz，設置變時倍數(shù)為8，采樣時間為30 s。

1.1.3 振動測點布置

依據(jù)GB/T 29531—2013“泵的振動測量與評價方法”，共設置3個振動測點，M1和M2在2個對稱基座處，M3在泵出口處，傳感器的安裝方式為磁座安裝，每個測點均測試水平、豎直和軸向3個方向的振動。

1.1.4 噪聲測點布置

依據(jù)GB/T 29529—2013“泵的噪聲測量與評價方法”，共設置3個測點，其中測點N1和N2位于試驗泵左右對稱的位置，測點N3位于電機的前方，每個測點均布置在距離試驗對象1m的位置，測點距離底座的高度為0.3m。

1.2 染料循環(huán)器

該試驗臺由旋渦泵、儲液罐、壓力脈動傳感器、加速度傳感器、管路及閥門組成。

1.2.1 染料池進出口壓力點布置

設置2個壓力測點，分別位于染料池兩端進出口的位置。圖2所示為染料池進出口壓力測點的實物圖。

1.2.2 壓力脈動測點布置

設置1個壓力脈動測點，位于旋渦泵的出口，設置測點采樣頻率51.2 kHz，設置變時倍數(shù)為8，采樣時間30 s。圖3所示為壓力脈動測點的實物圖。

圖2 染料池壓力測點的實物圖Fig.2 Location of pressure measuring points of dye cell

圖3 壓力脈動測點Fig.3 Location of pressure fluctuation measuring point

1.2.3 振動測點布置

共設置了4個測點，M4，M5，M6和M7分別位于染料循環(huán)器底座的4個底角。圖4所示為測點M4，M7，M6和M7的分布位置，傳感器的安裝方式為磁座安裝。

圖4 振動測點圖Fig.4 Location of vibration measuring points

1.2.4 噪聲測點布置

設置1個測點，測點N4位于循環(huán)器背面，距離試驗對象1m。圖5所示為噪聲測點N4的位置。

圖5 噪聲測點的位置Fig.5 Location of noise measuring point

1.2.5 溫度測點布置

依據(jù)GB/T 11605—2016“溫度測量方法”，設置1個測點，位于泵出口，圖6所示為溫度測點的位置。

2 試驗結果與分析

2.1 旋渦泵

2.1.1 能量特性分析

圖6 溫度傳感器的位置Fig.6 Location of temperature sensor

圖7所示為旋渦泵不同工頻下的能量性能曲線。從圖7可以看出：在30Hz工頻下，最大效率點出現(xiàn)在16.67 L/min時，達到19.41%；在40 Hz工頻下，最大效率點出現(xiàn)在23.33 L/min時，達到36.33%；在50 Hz工頻下，最大效率點出現(xiàn)在30.0 L/min時，達到54.85%。2.1.2 空化特性的結果與分析

圖8所示為不同工頻下旋渦泵的汽蝕特性曲線。由圖8可知：隨著流量的增加，泵的揚程降低，且臨界汽蝕余量(NPSHc)增大，汽蝕性能變差；在50 Hz工頻時，24，30和36 L/min流量下的臨界汽蝕余量分別為3.68，5.91和6.01 m；在40Hz工頻時，18.67 L/min和23.33 L/min流量下的臨界汽蝕余量分別為2.25m和2.69m；在30Hz工頻時，10.83 L/min和13.33 L/min流量下的臨界汽蝕余量分別為1.20m和1.23m。

2.1.3 壓力脈動的結果與分析

本試驗采用頻域法來處理模擬和試驗的數(shù)據(jù)。定義軸頻倍數(shù)NF為

式中：F為傅里葉變換后的實際頻率；Fn為相應轉速下的泵軸轉動頻率。

30Hz下測點的壓力脈動頻域如圖9所示。從圖9可以看出：各工況點下主要特征頻率都集中在軸頻的倍數(shù)上，大部分流量下3倍軸頻的壓力脈動幅值最大；當流量為16.67 L/min時，3倍軸頻上的壓力脈動幅值最大為655.41 Pa，并且隨著流量的增大，寬頻帶縮短。

圖7 旋渦泵的能量性能試驗曲線Fig.7 Energy performance testcurve of vortex pump

圖8 旋渦泵的汽蝕特性曲線Fig.8 Cavitation performance curve of vortex pump

40Hz下測點的壓力脈動頻域如圖10所示。從圖10可以看出：各工況點下主要特征頻率都集中在軸頻的倍數(shù)上，并且隨著流量增大，寬頻帶縮短。對比圖9和10可以發(fā)現(xiàn)，壓力脈動均值隨著軸頻增加而增大。

50Hz下測點的壓力脈動頻域如圖11所示。從圖11可以看出：各工況點下主要特征頻率都集中在軸頻的倍數(shù)上，并且隨著流量增大，寬頻帶縮短。從圖9～11還可以看出50Hz工頻下測點的壓力脈動均值最大。

2.1.4 振動的結果與分析

為獲得振動加速度的特征頻率，分別對3個工頻、不同工況、不同測點處的振動速度頻譜進行分析。

圖9 30Hz下壓力脈動頻譜圖Fig.9 Pressure fluctuation spectrogram at 30Hz

圖12所示為30Hz工頻下測點M1，M2和M3的振動速度頻譜。從圖12可以發(fā)現(xiàn)：所有測點的主要特征頻率都是軸頻的倍數(shù)，其中基座兩側測點M1和M2的主頻為1倍軸頻(FAP)，出口處測點M3主頻為2倍軸頻(2FAP)，3個測點在葉頻處都出現(xiàn)了一定的峰值。不同流量點幅值差距不大，說明泵系統(tǒng)的振動主要由電機產(chǎn)生。對比3個測點的振動速度頻譜曲線，振動速度幅值從大到小的順序為出口處測點M3、基座左側M1和基座右側M2，這可能是出口壓力大于進口壓力，導致基座左側振動大于右側振動。綜上所述，軸頻和葉頻是旋渦泵振動的主要激勵來源。

圖13所示為40Hz下測點M1，M2和M3的振動速度頻譜。從圖12和圖13可以發(fā)現(xiàn)：泵軸轉速的改變對振動幅值的影響較大，但所有測點的主要特征頻率與30Hz基本一致，都集中在軸頻的倍數(shù)和1倍葉頻。3個測點的主頻和次頻與30 Hz一致。泵出口測點M3主頻幅值上升較大，遠比M1和M2測點的大。另外，泵基座左右兩側測點振動輔助趨于相似。

圖10 40Hz下壓力脈動頻譜圖Fig.10 Pressure fluctuation spectrogram at 40Hz

圖11 50Hz下壓力脈動頻譜圖Fig.11 Pressure fluctuation spectrogram at 50Hz

圖14所示為50 Hz工頻下測點M1，M2和M3在不同流量下的振動速度的頻譜。從圖12～14可以發(fā)現(xiàn)：泵軸轉速的改變對振動幅值的影響較大，但所有測點的主要特征頻率基本一致；在50 Hz工頻時，泵基座左側測點M1的主頻幅值在3個測點中最大，但振動速度均值從大到小的順序為出口處測點M3、基座左側M1和基座右側M2。

2.1.5 噪聲的結果與分析

噪聲的測量與振動的測量同步進行，設置各測點采樣頻率為25.6 kHz，采樣時間為40 s，采用dB為單位的聲壓級(聲壓均方根)來評價噪聲的水平。聲壓級的計算公式如下：

式中：p為聲壓的有效值，Pa；p0為基準聲壓，空氣中的基準聲壓為2×10-5Pa。

圖12 30Hz下振動速度頻譜圖Fig.12 Vibration velocity spectrum at 30Hz

圖15所示為3個工頻條件下各測點的聲壓級。從圖15可以發(fā)現(xiàn)不同工頻下噪聲的聲壓級差距明顯。由此可見，電機產(chǎn)生了泵機組的大部分噪聲，隨著流量上升，噪聲總體呈下降趨勢，3個測點之間的噪聲差值都在2.5 dB之內，3個測點的噪聲從大到小順序為泵左側測點N1、電機前測點N3和泵右側N2，這是由于泵出口處振動最大，產(chǎn)生了一些相對較大的噪聲，測點N3與N2相比更加靠近電機。在30 Hz工頻時，在最小流量點6.67 L/min，測點N1的噪聲最高為55.9 dB；在40 Hz工頻時，在流量點16.67 L/min，測點N1的噪聲最高為62.4 dB；在50 Hz工頻時，在流量點16.67 L/min，測點N1的噪聲最高為68.5 dB。

2.2 染料循環(huán)器

2.2.1 染料池進出口壓力分析

表1所示為不同頻率下，閥門全開和閥門半開時染料池兩端的進出口壓力。從表1可以看出：工頻增加，染料池進出口壓力均增大；在各個工頻下，減小閥門開度，染料池進出口壓力都增大；閥門全開時，30，40和50Hz下染料池兩端的壓差高于閥門半開時的壓差。

2.2.2 染料循環(huán)器壓力脈動的結果與分析

圖13 40Hz下振動速度頻譜圖Fig.13 Vibration velocity spectrum at 40Hz

測點在30，40和50Hz工頻下的壓力脈動頻域如圖16所示。從圖16可見：在30 Hz下閥門全開時，4倍軸頻上的壓力脈動幅值最大為1.93 kPa；當閥門半開時，3倍軸頻上的壓力脈動幅值最大為2.97 kPa；在40Hz下閥門全開時，1倍軸頻上的壓力脈動幅值最大為3.66 kPa；當閥門半開時，2倍軸頻上的壓力脈動幅值最大為4.55 kPa；在50 Hz下閥門全開時，1倍軸頻上的壓力脈動幅值最大為4.72 kPa；當閥門半開時，2倍軸頻上的壓力脈動幅值最大為5.21 kPa。從圖16可以看出，各工況點下主要特征頻率都集中在軸頻的倍數(shù)上。

2.2.3 染料循環(huán)器振動的結果與分析

圖14 50Hz下振動速度頻譜圖Fig.14 Vibration velocity spectrum at 50Hz

圖15 聲壓級Fig.15 Sound pressure levels

圖17、圖18和圖19所示分別為30，40和50Hz工頻下測點M4～M7在不同工況下的振動速度的頻譜。從圖17～19可以發(fā)現(xiàn)各測點的振動速度特征頻率基本一致。30Hz下轉速均值為1 783 r/min，葉輪葉片數(shù)為45片，則泵軸轉動頻率(FAP)為29.71 Hz，葉輪的葉片通過頻率為45FAP。從圖17可以發(fā)現(xiàn)：所有測點的主要特征頻率都是軸頻的倍數(shù)，其中測點M4的主頻為2倍軸頻(2FAP)，測點M5，M6和M7的主頻為8倍軸頻(8FAP)，4個測點在葉頻處都出現(xiàn)了一定的峰值。40 Hz下轉速均值為2 376 r/min，則泵軸轉動頻率(FAP)為39.6Hz。從圖18可以發(fā)現(xiàn)：泵軸轉速的改變對振動幅值的影響較大，但所有測點的主要特征頻率與30Hz基本一致，都集中在軸頻和葉頻的倍數(shù)；50Hz下轉速均值為2 983 r/min，則泵軸轉動頻率(FAP)為49.71Hz。以上特征頻率表明，軸頻和葉頻是泵振動的主要激勵來源。

表1 染料池進出口壓力Table1 Importpressure and exportpressure of dye cell

圖16 壓力脈動頻譜圖Fig.16 Pressure fluctuation spectrogram

圖17 30Hz下振動速度頻譜圖Fig.17 Vibration velocity spectrum at 30Hz

圖18 40Hz下振動速度頻譜圖Fig.18 Vibration velocity spectrum at 40Hz

2.2.4 染料循環(huán)器噪聲的結果與分析

圖19 50Hz下振動速度頻譜圖Fig.19 Vibration velocity spectrum at 50Hz

表2所示為3個工頻條件下各工況測點的聲壓級。從表2可以看出：隨著工頻的增加，染料循環(huán)器噪聲增大；在各個工頻下，減小閥門開度，染料循環(huán)器的噪聲也增大。

表2 染料循環(huán)器的聲壓級Table2 Sound pressure levelof dye circulator

2.2.5 染料循環(huán)器溫度的結果與分析

表3所示為染料循環(huán)器的溫度。從表3可以看出：隨著工頻的增加，染料循環(huán)器中介質溫度升高；在各個工頻下，減小閥門開度，染料循環(huán)器中的溫度升高。

表3 染料循環(huán)器的溫度Table3 Temperature of dye circulator

3 結論

1)旋渦泵的最佳效率點對應的流量和效率隨著工頻的增加而升高；臨界汽蝕余量隨著流量和工頻增大而增大；壓力脈動的寬頻帶隨著流量增大而縮短，壓力脈動的均值隨著工頻增加而增大；噪聲隨著流量上升，總體上呈下降趨勢。

2)染料池兩端的壓差隨著工頻增加而增大，隨著流量的增加而增大。

3)染料循環(huán)器的壓力脈動幅值隨著工頻增加而增大，隨著流量增加而減小；測點M4，M5和M6振動速度幅值隨著工頻增加而增大，測點M7則先減小后增大，各測點振動速度幅值隨著流量增大而減小；噪聲隨著工頻增加而增大，隨著流量增加而減小；溫度隨著工頻增加而升高，隨著流量增加而降低。