涉及臨界工況點(diǎn)的貫流泵裝置外特性與壓力脈動(dòng)試驗(yàn)

張校文 湯方平 葛恒軍 袁海霞 石麗建 劉 超

(1.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院,揚(yáng)州 225009；2.揚(yáng)州市勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,揚(yáng)州 225009；3.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司,揚(yáng)州 225009)

0 引言

隨著水泵等水力機(jī)械在跨流域調(diào)水、農(nóng)業(yè)灌溉等方面得到廣泛應(yīng)用[1-7]，水泵尤其是軸流泵運(yùn)行的安全穩(wěn)定性近年來得到了越來越多的關(guān)注[8-12]。現(xiàn)有的針對(duì)軸流泵裝置的研究工作主要致力于保證泵裝置在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)和失速工況點(diǎn)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[13-14]，事實(shí)上軸流泵裝置在實(shí)際運(yùn)行中，會(huì)因特殊的需求或意外而運(yùn)行至涉及臨界工況點(diǎn)的非常規(guī)工作區(qū)，此時(shí)泵裝置將表現(xiàn)出特殊的運(yùn)行特性[15-17]。但目前鮮見關(guān)于軸流泵裝置涉及臨界工況點(diǎn)的非常規(guī)工作區(qū)的研究報(bào)道，覆蓋軸流泵裝置全工況的性能曲線和壓力脈動(dòng)特性尚不明晰，相關(guān)研究亟待展開。

目前，泵裝置的全工況特性曲線只能經(jīng)泵性能測試試驗(yàn)臺(tái)通過試驗(yàn)測量的手段獲得，且涉及臨界工況點(diǎn)的非常規(guī)工作區(qū)包涵多種特殊工況和偏離工況，數(shù)值模擬的方法研究泵內(nèi)壓力脈動(dòng)特性的可靠性難以得到保證，試驗(yàn)測量是最可靠的方法。因此，本文對(duì)某燈泡貫流泵裝置進(jìn)行涉及臨界工況點(diǎn)的外特性及壓力脈動(dòng)試驗(yàn)，以揭示貫流泵裝置正轉(zhuǎn)全特性分區(qū)中各種臨界工況點(diǎn)的外特性和壓力脈動(dòng)特性。

1 研究對(duì)象

本次試驗(yàn)選用的水力模型主要幾何參數(shù)：葉輪直徑D=300 mm，葉頂間隙0.15 mm，葉片數(shù)Z1=3，導(dǎo)葉葉片數(shù)Z2=5。比轉(zhuǎn)數(shù)ns=1 179。燈泡貫流泵裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。試驗(yàn)選用的軸流泵水力模型如圖2所示。

圖1 燈泡貫流泵裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of bulb tubular pump device1.進(jìn)水流道 2.葉輪 3.導(dǎo)葉 4.支撐件 5.出水流道

圖2 軸流泵水力模型Fig.2 Hydraulic models of axial flow pump

2 試驗(yàn)裝置

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)室的高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。試驗(yàn)測試系統(tǒng)為立式封閉循環(huán)系統(tǒng)，如圖3所示，包括進(jìn)水箱、壓力出水箱、穩(wěn)壓整流筒、電磁流量計(jì)、控制閘閥等。試驗(yàn)測試系統(tǒng)的主要儀器參數(shù)見表1。

圖3 試驗(yàn)測試系統(tǒng)Fig.3 Test system1.進(jìn)水箱 2.受試泵裝置 3.壓力出水箱 4.分叉水箱 5、6.流量原位標(biāo)定裝置 7.工況調(diào)節(jié)閘閥 8.穩(wěn)壓整流筒 9.電磁流量計(jì) 10.系統(tǒng)正反向運(yùn)行控制閘閥 11.輔助泵機(jī)組

本次試驗(yàn)選擇在進(jìn)水段、葉輪進(jìn)口、葉輪中部、葉輪出口、導(dǎo)葉出口、出水段共布置8個(gè)壓力脈動(dòng)測點(diǎn)，如圖4所示。壓力脈動(dòng)測試中葉輪區(qū)監(jiān)測點(diǎn)(P2、P3、P4)傳感器的采樣頻率為3 kHz，其余監(jiān)測點(diǎn)傳感器的采樣頻率為1 kHz，電壓輸出0～5 V，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.1%。

表1 外特性試驗(yàn)系統(tǒng)主要儀器Tab.1 Main instruments of external characteristic test system

圖4 壓力脈動(dòng)測點(diǎn)布置Fig.4 Layout of pressure pulsation measuring points1.進(jìn)水段 2.葉輪段 3.導(dǎo)葉段 4.出水段

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 涉及臨界工況點(diǎn)的外特性分析

本次涉及臨界工況點(diǎn)的外特性和壓力脈動(dòng)試驗(yàn)包括水泵工況、水輪機(jī)工況、制動(dòng)工況。軸流泵裝置正轉(zhuǎn)全工況的性能曲線分布在坐標(biāo)系內(nèi)的一、二、四象限。定義泵裝置功率N為正(功率由動(dòng)力機(jī)輸入水泵端)，且水流流經(jīng)水泵能量減少，為制動(dòng)工況；功率N為正，且水流流經(jīng)水泵能量增加，為水泵工況；功率N為負(fù)(功率由水泵端輸入動(dòng)力機(jī))，且水流流經(jīng)水泵能量減少，為水輪機(jī)工況。圖5(圖中Qd表示設(shè)計(jì)點(diǎn)流量)給出了涉及臨界工況點(diǎn)的軸流泵裝置性能曲線，圖中曲線AB段為逆流制動(dòng)工況，曲線BC段為水泵工況，曲線CD段為正流制動(dòng)工況，曲線DE段為水輪機(jī)工況。

圖5 涉及臨界工況點(diǎn)的軸流泵裝置性能曲線Fig.5 Performance curves of axial flow pump under full working conditions of positive rotation

表2給出了臨界工況點(diǎn)與設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的外特性參數(shù)。關(guān)死點(diǎn)為逆流制動(dòng)工況與常規(guī)泵工況的分界點(diǎn)，泵裝置靠近關(guān)死點(diǎn)處的揚(yáng)程為6.41 m，為設(shè)計(jì)點(diǎn)揚(yáng)程的3.27倍，軸功率為15.39 kW，為設(shè)計(jì)點(diǎn)功率的2.67倍。零揚(yáng)程點(diǎn)為水泵工況與正流制動(dòng)工況的分界點(diǎn)，泵裝置靠近零揚(yáng)程點(diǎn)處的流量為設(shè)計(jì)點(diǎn)流量的1.42倍，軸功率為2.41 kW，為設(shè)計(jì)點(diǎn)功率的0.42倍。零扭矩點(diǎn)為正流制動(dòng)工況與水輪機(jī)工況的分界點(diǎn)，泵裝置近零扭矩點(diǎn)處的流量為設(shè)計(jì)點(diǎn)流量的1.63倍，揚(yáng)程為-1.36 m，為設(shè)計(jì)點(diǎn)揚(yáng)程的-0.69倍。

表2 臨界工況點(diǎn)與設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的外特性參數(shù)Tab.2 External characteristic parameters of key operating points

3.2 壓力脈動(dòng)測試結(jié)果與分析

為了分析泵裝置壓力脈動(dòng)信號(hào)的局部特征，準(zhǔn)確識(shí)別涉及臨界工況點(diǎn)的壓力脈動(dòng)的頻率成分，對(duì)測得的壓力脈動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[18-22]。首先對(duì)試驗(yàn)測得的瞬時(shí)壓力進(jìn)行無量綱處理，引入壓力系數(shù)Cp表征壓力脈動(dòng)幅值，隨后對(duì)無量綱化后的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)。壓力脈動(dòng)系數(shù)的公式為

u2——葉輪出口圓周速度

ρ——流體密度

3.2.1逆流制動(dòng)工況

選取-0.65Qd、-0.35Qd、-0.15Qd這3個(gè)典型流量工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)逆流制動(dòng)工況的壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行頻域分析。表3給出了逆流制動(dòng)工況各監(jiān)測點(diǎn)最大壓力脈動(dòng)幅值。圖6給出了逆流制動(dòng)工況下各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖。由圖6可以看出，當(dāng)泵裝置處于逆流制動(dòng)工況，各監(jiān)測點(diǎn)在不同流量下的壓力脈動(dòng)主頻基本上仍為葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率(BPF)。在葉輪區(qū)監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻率中，葉頻及葉頻的高階諧波仍占主導(dǎo)作用。水流經(jīng)導(dǎo)葉出口流入葉輪區(qū)后，葉輪區(qū)監(jiān)測點(diǎn)P2、P3、P4的壓力脈動(dòng)頻譜范圍明顯增大，分頻成分增多。導(dǎo)葉出口處監(jiān)測點(diǎn)P6的壓力脈動(dòng)成分主要為軸頻和葉頻，此處軸頻的出現(xiàn)與軸不平衡等機(jī)械缺陷有關(guān)，而葉頻成分的出現(xiàn)表明上游流場仍受葉輪旋轉(zhuǎn)的影響。

表3 逆流制動(dòng)工況各監(jiān)測點(diǎn)最大壓力脈動(dòng)幅值Tab.3 Maximum pressure fluctuation amplitude of each monitoring point under countercurrent braking condition

圖6 逆流制動(dòng)工況各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖Fig.6 Frequency domain diagrams of pressure fluctuation of each monitoring point under countercurrent braking condition

橫向?qū)Ρ?個(gè)流量工況下各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖，發(fā)現(xiàn)當(dāng)流量從-0.65Qd減小至-0.35Qd，葉輪區(qū)的最大壓力脈動(dòng)幅值仍然出現(xiàn)在監(jiān)測點(diǎn)P4，無量綱壓力脈動(dòng)幅值由0.47變?yōu)?.31，葉輪區(qū)的最小壓力脈動(dòng)幅值仍然出現(xiàn)在監(jiān)測點(diǎn)P2，無量綱壓力脈動(dòng)幅值由0.24變?yōu)?.22。相比于-0.65Qd，-0.35Qd流量工況下葉輪區(qū)的最大壓力脈動(dòng)幅值顯著減小。當(dāng)流量從-0.35Qd進(jìn)一步減小至-0.15Qd時(shí)，葉輪區(qū)監(jiān)測點(diǎn)P4與P2、P3的壓力脈動(dòng)幅值的差值增大，葉輪區(qū)的最大壓力脈動(dòng)幅值由監(jiān)測點(diǎn)P4轉(zhuǎn)移至監(jiān)測點(diǎn)P2，無量綱壓力脈動(dòng)幅值由0.31變?yōu)?.29，葉輪區(qū)的最小壓力脈動(dòng)幅值由監(jiān)測點(diǎn)P2轉(zhuǎn)移至監(jiān)測點(diǎn)P4，無量綱壓力脈動(dòng)幅值由0.22變?yōu)?.19。相比于-0.35Qd，-0.15Qd流量工況下葉輪區(qū)的最大壓力脈動(dòng)幅值沒有明顯的減小。

縱向?qū)Ρ韧涣髁抗r下不同監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖，發(fā)現(xiàn)葉輪出口處葉頻的高階諧波的幅值大于葉輪進(jìn)口和葉輪中部。在-0.35Qd流量工況下，從葉輪進(jìn)口到葉輪中部，再到葉輪出口，葉頻的高階諧波的幅值逐漸減小，而在其他流量工況下，葉輪出口到葉輪進(jìn)口的高階諧波的幅值變化無明顯規(guī)律性。

3.2.2常規(guī)泵工況

選取0.01Qd、Qd、1.35Qd這3個(gè)典型流量工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)常規(guī)泵工況的壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行頻域分析。表4給出了泵工況各監(jiān)測點(diǎn)最大壓力脈動(dòng)幅值。圖7給出了泵工況各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖。由圖7可以看出，葉輪區(qū)監(jiān)測點(diǎn)P2、P3、P4在不同流量工況下的壓力脈動(dòng)主頻基本為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率(BPF)。葉輪區(qū)監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻譜中，葉頻及葉頻的高階諧波占主導(dǎo)作用。導(dǎo)葉出口處監(jiān)測點(diǎn)P6的壓力脈動(dòng)頻譜中，信號(hào)成分較復(fù)雜，但有些流量工況中仍能看出明顯的葉頻或軸頻(SF)成分，顯示了葉輪作為一個(gè)脈動(dòng)激勵(lì)源對(duì)下游流場仍存在一定的影響。

對(duì)比不同流量工況下葉輪區(qū)監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖，可以發(fā)現(xiàn)關(guān)死點(diǎn)工況下的頻帶明顯較寬，高階諧波的個(gè)數(shù)較多，高頻區(qū)的脈動(dòng)量較大。在5倍葉頻處仍能觀察到一定的脈動(dòng)量。關(guān)死點(diǎn)工況下撞擊和回流誘導(dǎo)的低頻信號(hào)也較為豐富，低頻區(qū)的壓力脈動(dòng)頻譜成分主要為軸頻及軸頻的整數(shù)倍。在設(shè)計(jì)工況下，除葉頻的倍頻外，分頻成分很少，各監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)主頻的幅值也顯著減小。隨著流量進(jìn)一步增大，泵裝置的揚(yáng)程逐漸趨向于零，水泵偏離設(shè)計(jì)工況，葉輪進(jìn)口處出現(xiàn)回流、旋渦等不良流動(dòng)。在1.35Qd的流量工況下，各監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻譜再次變寬，壓力脈動(dòng)信號(hào)成分趨向于復(fù)雜，高頻區(qū)的脈動(dòng)量重新出現(xiàn)，高階諧波的個(gè)數(shù)增多。此時(shí)葉輪出口處監(jiān)測點(diǎn)P4的主頻由葉頻變?yōu)?倍葉頻。葉輪中部監(jiān)測點(diǎn)P3的主頻由葉頻變?yōu)?倍葉頻。

表4 泵工況各監(jiān)測點(diǎn)最大壓力脈動(dòng)幅值Tab.4 Maximum pressure pulsation amplitude of each monitoring point under pump condition

圖7 泵工況各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖Fig.7 Pressure fluctuation frequency domain diagrams of each monitoring point under pump condition

對(duì)比同一流量工況下不同監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖，發(fā)現(xiàn)葉輪區(qū)的最大壓力脈動(dòng)幅值始終發(fā)生在葉輪進(jìn)口處，靠近關(guān)死點(diǎn)處葉輪區(qū)無量綱最大壓力脈動(dòng)幅值達(dá)到了0.31，近零揚(yáng)程工況下幅值相對(duì)較小，1.35Qd的流量工況下葉輪區(qū)無量綱最大壓力脈動(dòng)幅值僅為0.06。葉輪區(qū)的最小壓力脈動(dòng)幅值始終發(fā)生在葉輪出口處，靠近關(guān)死點(diǎn)處葉輪出口監(jiān)測點(diǎn)的無量綱壓力脈動(dòng)幅值為0.17，1.35Qd的流量工況下葉輪出口監(jiān)測點(diǎn)的無量綱壓力脈動(dòng)幅值為0.01。葉輪中部的壓力脈動(dòng)幅值位于葉輪進(jìn)口與出口之間，但這一規(guī)律并非是普遍性規(guī)律，不同翼形設(shè)計(jì)的葉輪會(huì)有所不同。導(dǎo)葉出口處的壓力脈動(dòng)幅值較葉輪區(qū)顯著減小，但在關(guān)死點(diǎn)工況下，導(dǎo)葉內(nèi)大尺度的旋渦和脫流在導(dǎo)葉內(nèi)占主導(dǎo)作用，導(dǎo)致導(dǎo)葉出口處存在較大的脈動(dòng)量，無量綱壓力脈動(dòng)幅值達(dá)到了0.23。在設(shè)計(jì)工況和近零揚(yáng)程工況下，導(dǎo)葉的擴(kuò)壓和整流作用逐漸顯現(xiàn)，導(dǎo)葉出口處的壓力脈動(dòng)幅值明顯降低，無量綱壓力脈動(dòng)幅值僅為0.01。

3.2.3正流制動(dòng)工況

選取1.46Qd、1.53Qd、1.65Qd這3個(gè)典型流量工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)正流制動(dòng)工況的壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行頻域分析。表5給出了正流制動(dòng)工況各監(jiān)測點(diǎn)最大壓力脈動(dòng)幅值。圖8給出了正流制動(dòng)工況下各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖。由圖8可以看出，當(dāng)泵裝置處于正流制動(dòng)工況，葉輪進(jìn)口監(jiān)測點(diǎn)在不同流量下的壓力脈動(dòng)主頻仍為葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，葉輪中部監(jiān)測點(diǎn)和葉輪出口監(jiān)測點(diǎn)在不同流量下的壓力脈動(dòng)主頻為葉頻或者2倍葉頻。在葉輪區(qū)監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻率中，葉頻及葉頻的高階諧波仍占主導(dǎo)作用。但相比于水泵工況，各監(jiān)測的次主頻的分布發(fā)生了一定的變化。水泵工況時(shí)次主頻主要集中在2倍葉頻，正流制動(dòng)工況時(shí)次主頻集中在2～4倍葉頻處。導(dǎo)葉出口處監(jiān)測點(diǎn)P6的壓力脈動(dòng)波形中，能夠發(fā)現(xiàn)軸頻及軸頻倍數(shù)處存在一定的脈動(dòng)量。

橫向?qū)Ρ?個(gè)流量工況下各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖，發(fā)現(xiàn)1.46Qd和1.53Qd流量工況下，葉輪中部監(jiān)測點(diǎn)P3的主頻為葉頻，葉輪出口監(jiān)測點(diǎn)P4的主頻為2倍葉頻，隨著流量增加至1.60Qd，此時(shí)泵系統(tǒng)接近零扭矩點(diǎn)，葉輪中部監(jiān)測點(diǎn)的主頻由葉頻轉(zhuǎn)移至2倍葉頻，葉輪出口的主頻由2倍葉頻轉(zhuǎn)移至葉頻。相比于1.46Qd和1.53Qd流量工況，靠近零扭矩工況點(diǎn)處的1.60Qd流量工況，葉輪進(jìn)口與葉輪中部監(jiān)測點(diǎn)的高階諧波幅值顯著增大，葉輪出口處監(jiān)測點(diǎn)在高頻區(qū)的脈動(dòng)量增加。

對(duì)比同一流量工況下各監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)的頻譜，從葉輪出口處P4到葉輪中部P3，再到葉輪進(jìn)口P2，主頻的幅值逐漸增大，不同測點(diǎn)間壓力脈動(dòng)的波形無明顯相似性，高階諧波的幅值變化沒有明顯的規(guī)律性。不同工況下，葉輪區(qū)的壓力脈動(dòng)幅值變化不大。葉輪區(qū)的最大壓力脈動(dòng)幅值始終出現(xiàn)在葉輪進(jìn)口處，幅值在0.05～0.06波動(dòng)。葉輪區(qū)的最小壓力脈動(dòng)幅值始終出現(xiàn)在葉輪出口處，幅值在0.02～0.03波動(dòng)。導(dǎo)葉出口處監(jiān)測點(diǎn)P6的壓力脈動(dòng)幅值相對(duì)較小，幅值在0.02～0.04波動(dòng)。P6的壓力脈動(dòng)頻譜中觀察不出明顯的葉頻及葉頻的諧波成分，表明正流制動(dòng)工況下導(dǎo)葉出口處受葉輪旋轉(zhuǎn)作用的影響已經(jīng)較弱。

3.2.4水輪機(jī)工況

選取1.70Qd、1.77Qd、1.85Qd這3個(gè)典型流量工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)水輪機(jī)工況的壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行頻域分析。圖9給出了水輪機(jī)工況下各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖。表6給出了水輪機(jī)工況各監(jiān)測點(diǎn)最大壓力脈動(dòng)幅值。由圖9可以看出，當(dāng)泵裝置處于水輪機(jī)工況，葉輪進(jìn)口處監(jiān)測點(diǎn)P2在不同流量下的壓力脈動(dòng)主頻為3倍的葉頻，葉輪中部監(jiān)測點(diǎn)和葉輪出口監(jiān)測點(diǎn)在不同流量下的壓力脈動(dòng)主頻仍為葉頻。在葉輪區(qū)各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻率中，葉頻及葉頻的高階諧波仍占主導(dǎo)作用，次主頻的分布仍主要集中在2倍葉頻處。導(dǎo)葉出口處監(jiān)測點(diǎn)P6的壓力脈動(dòng)波形中，在1.77Qd、1.85Qd兩個(gè)流量工況下葉頻重新占據(jù)了主導(dǎo)地位。

橫向?qū)Ρ?個(gè)流量工況下各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖，隨著流量的增加，各監(jiān)測點(diǎn)的最大壓力脈動(dòng)幅值有一定的增大。1.70Qd和1.77Qd兩個(gè)流量工況下的壓力脈動(dòng)信號(hào)的成分較為復(fù)雜，1.85Qd流量工況下的壓力脈動(dòng)信號(hào)的成分較為簡單。相比1.70Qd流量工況，1.77Qd流量工況下葉輪進(jìn)口的3倍葉頻處的脈動(dòng)量有所增加，壓力脈動(dòng)的次主頻仍為2倍葉頻。由于隨著流量逐漸增大至1.85Qd，各監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)的高頻區(qū)脈動(dòng)量顯著降低，高階諧波的個(gè)數(shù)顯著減少，壓力脈動(dòng)的頻帶逐漸變窄。

圖9 水輪機(jī)工況各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域圖Fig.9 Pressure fluctuation frequency domain diagrams of each monitoring point under hydraulic turbine condition

表6 水輪機(jī)工況葉輪區(qū)各監(jiān)測點(diǎn)最大壓力脈動(dòng)幅值Tab.6 Maximum pressure fluctuation amplitude of each monitoring point in impeller region of hydraulic turbine

對(duì)比同一流量工況下各監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)的頻譜，可以觀察到在水輪機(jī)工況下，葉輪進(jìn)口、葉輪中部、葉輪出口處的最大壓力脈動(dòng)幅值差值明顯減小，葉輪區(qū)內(nèi)不同位置的最大壓力脈動(dòng)幅值較為接近。不同工況下，葉輪區(qū)的最大壓力脈動(dòng)幅值始終出現(xiàn)在葉輪中部，1.70Qd流量工況下無量綱最大壓力脈動(dòng)幅值為0.11，1.85Qd流量工況下無量綱最大壓力脈動(dòng)幅值為0.26。葉輪區(qū)的最小壓力脈動(dòng)幅值始終出現(xiàn)在葉輪進(jìn)口處，1.70Qd流量工況下葉輪進(jìn)口無量綱壓力脈動(dòng)幅值為0.05，1.85Qd流量工況下葉輪進(jìn)口無量綱壓力脈動(dòng)幅值為0.13。導(dǎo)葉出口處監(jiān)測點(diǎn)P6的無量綱壓力脈動(dòng)幅值在0.04～0.15之間。在1.77Qd、1.85Qd兩個(gè)流量工況下P6的壓力脈動(dòng)頻譜中能觀察出明顯的葉頻及葉頻的諧波成分，表明水輪機(jī)工況下導(dǎo)葉出口處仍受葉輪旋轉(zhuǎn)作用的影響。

3.2.5涉及臨界工況點(diǎn)的壓力脈動(dòng)特性

為了更直觀地監(jiān)測泵裝置運(yùn)行穩(wěn)定性，引入壓力脈動(dòng)峰峰值的概念。壓力脈動(dòng)峰峰值表征脈動(dòng)信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)的變化范圍，即周期內(nèi)信號(hào)最高值和最低值之差。本文采用97%置信區(qū)間對(duì)壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行區(qū)間估計(jì)，將壓力脈動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)按大小順序排列，刪除其中前1.5%和后1.5%的樣本數(shù)據(jù)，對(duì)剩余數(shù)據(jù)中的最大值和最小值作差求得壓力脈動(dòng)峰峰值。圖10給出了在不同流量工況下各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)峰峰值。從圖10可以發(fā)現(xiàn)，從逆流制動(dòng)工況至水泵工況(-0.65Qd～1.46Qd)，葉輪進(jìn)口監(jiān)測點(diǎn)P2的壓力脈動(dòng)峰值均相對(duì)較大，葉輪出口監(jiān)測點(diǎn)P4的壓力脈動(dòng)峰峰值均相對(duì)較小。當(dāng)泵裝置進(jìn)入正流制動(dòng)工況后，葉輪區(qū)各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)峰峰值的差值減小。從正流制動(dòng)工況至水輪機(jī)工況(1.46Qd～1.77Qd)，葉輪區(qū)內(nèi)不同位置的壓力脈動(dòng)峰峰值較為接近。相比于葉輪區(qū)監(jiān)測點(diǎn)，經(jīng)過導(dǎo)葉的整流作用，導(dǎo)葉出口處監(jiān)測點(diǎn)P6的壓力脈動(dòng)峰峰值在不同流量工況下均相對(duì)較小。

圖10 各監(jiān)測點(diǎn)不同流量工況下的無量綱壓力脈動(dòng)峰峰值Fig.10 Peak value of dimensionless pressure fluctuation under different flow conditions at each monitoring point

表7給出了臨界工況點(diǎn)與設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的無量綱壓力脈動(dòng)峰峰值，圖11給出了臨界工況點(diǎn)與設(shè)計(jì)點(diǎn)的無量綱壓力脈動(dòng)峰峰值的柱狀圖對(duì)比。在圖10的基礎(chǔ)上結(jié)合表7和圖11，可以看出泵裝置在逆流制動(dòng)工況下，各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)強(qiáng)度最高。當(dāng)泵裝置的流量逐漸減小，葉輪進(jìn)口的壓力脈動(dòng)峰峰值變化不大，其余各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)峰峰值均呈波動(dòng)下降趨勢。當(dāng)泵裝置反向流動(dòng)的流量逐漸趨向于零，水流由反向流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檎蛄鲃?dòng)，泵裝置進(jìn)入水泵工況。泵裝置進(jìn)入水泵工況后，各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)峰峰值的最大值出現(xiàn)在靠近關(guān)死點(diǎn)處，此時(shí)葉輪進(jìn)口的無量綱壓力脈動(dòng)峰峰值為1.26，約為設(shè)計(jì)點(diǎn)的2.3倍，葉輪中部的無量綱壓力脈動(dòng)峰峰值為0.99，約為設(shè)計(jì)點(diǎn)的2.8倍，葉輪出口的無量綱壓力脈動(dòng)峰峰值為0.84，約為設(shè)計(jì)點(diǎn)的4.9倍，導(dǎo)葉出口的壓力脈動(dòng)峰峰值為0.23，約為設(shè)計(jì)點(diǎn)的23倍。當(dāng)泵裝置流量逐漸增大，各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值迅速衰減，泵裝置進(jìn)入駝峰區(qū)后，葉輪進(jìn)口和葉輪出口處存在明顯的回流、旋渦等不良流動(dòng)，泵內(nèi)存在著劇烈的能量交換，導(dǎo)致壓力脈動(dòng)峰峰值有一個(gè)小范圍的回升。隨后各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)峰峰值持續(xù)衰減，泵裝置進(jìn)入設(shè)計(jì)工況點(diǎn)。相比于設(shè)計(jì)工況，泵裝置在大流量工況下的壓力脈動(dòng)峰峰值進(jìn)一步下降，但在靠近零揚(yáng)程點(diǎn)附近，泵裝置內(nèi)的不穩(wěn)定現(xiàn)象加劇，各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)峰峰值回升，但相對(duì)設(shè)計(jì)工況，壓力脈動(dòng)峰峰值仍然相對(duì)較小。在靠近零揚(yáng)程點(diǎn)附近，葉輪進(jìn)口的壓力脈動(dòng)峰峰值為0.21，約為設(shè)計(jì)點(diǎn)的0.38倍，葉輪中部的壓力脈動(dòng)峰峰值為0.21，約為設(shè)計(jì)點(diǎn)的0.6倍，葉輪出口的壓力脈動(dòng)峰峰值為0.15，約為設(shè)計(jì)點(diǎn)的0.88倍，導(dǎo)葉出口的壓力脈動(dòng)峰峰值為0.01，與設(shè)計(jì)點(diǎn)一致。泵裝置在正流制動(dòng)工況下，隨著流量的增大，壓力脈動(dòng)峰峰值逐漸增大。當(dāng)流量增大至1.59Qd，泵裝置出現(xiàn)零扭矩點(diǎn),表示泵裝置即將進(jìn)入水輪機(jī)工況，此時(shí)葉輪進(jìn)口的壓力脈動(dòng)峰峰值為0.37，約為設(shè)計(jì)點(diǎn)的0.67倍，葉輪中部的壓力脈動(dòng)峰峰值為0.31，約為設(shè)計(jì)點(diǎn)的0.89倍，葉輪出口的壓力脈動(dòng)峰峰值為0.20，約為設(shè)計(jì)工況下的1.18倍，導(dǎo)葉出口的壓力脈動(dòng)峰峰值為0.04，約為設(shè)計(jì)點(diǎn)的4倍。泵裝置進(jìn)入水輪機(jī)工況后，壓力脈動(dòng)峰峰值迅速攀升。

表7 臨界工況點(diǎn)與設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的無量綱壓力脈動(dòng)峰峰值Tab.7 Peak-to-peak values of dimensionless pressure pulsation at key operating points

圖11 臨界工況點(diǎn)與設(shè)計(jì)點(diǎn)的無量綱壓力脈動(dòng)峰峰值對(duì)比Fig.11 Comparison of dimensionless pressure fluctuation peaks and peaks between critical operating point and design point

4 結(jié)論

(1)經(jīng)泵裝置外特性測試發(fā)現(xiàn)，關(guān)死點(diǎn)為逆流制動(dòng)工況與常規(guī)泵工況的分界點(diǎn)，泵裝置靠近關(guān)死點(diǎn)處的揚(yáng)程為6.41 m，為設(shè)計(jì)點(diǎn)揚(yáng)程的3.27倍，軸功率為15.39 kW，為設(shè)計(jì)點(diǎn)功率的2.67倍。零揚(yáng)程點(diǎn)為常規(guī)泵工況與正流制動(dòng)工況的分界點(diǎn)，泵裝置靠近零揚(yáng)程點(diǎn)處的流量為設(shè)計(jì)點(diǎn)流量的1.42倍，軸功率為2.41 kW，為設(shè)計(jì)點(diǎn)功率的0.42倍。零扭矩點(diǎn)為正流制動(dòng)工況與水輪機(jī)工況的分界點(diǎn)，泵裝置近零扭矩點(diǎn)處的流量為設(shè)計(jì)點(diǎn)流量的1.63倍，揚(yáng)程為-1.36 m，為設(shè)計(jì)點(diǎn)揚(yáng)程的-0.69倍。

(2)靠近關(guān)死點(diǎn)處，壓力脈動(dòng)頻帶明顯較寬，高階諧波的個(gè)數(shù)較多，高頻區(qū)的脈動(dòng)量較大。在5倍葉頻處仍能觀察到一定的脈動(dòng)量。撞擊和回流誘導(dǎo)的低頻信號(hào)也較為豐富，主要為軸頻及軸頻的整數(shù)倍。靠近零揚(yáng)程點(diǎn)處，葉輪區(qū)的壓力脈動(dòng)幅值顯著降低，壓力脈動(dòng)信號(hào)相對(duì)趨于簡單。靠近零扭矩點(diǎn)處，葉輪中部監(jiān)測點(diǎn)的主頻由葉頻轉(zhuǎn)移至2倍葉頻，高階諧波的幅值顯著增大。葉輪出口的主頻由2倍葉頻轉(zhuǎn)移至葉頻，高頻區(qū)的脈動(dòng)量有所增加。

(3)靠近關(guān)死點(diǎn)處，葉輪進(jìn)口的無量綱壓力脈動(dòng)峰峰值為1.26，葉輪中部為0.99，葉輪出口為0.84，導(dǎo)葉出口為0.23，分別為設(shè)計(jì)點(diǎn)的2.3、2.8、4.9、23倍。近零揚(yáng)程點(diǎn)處，葉輪進(jìn)口的無量綱壓力脈動(dòng)峰峰值為0.21，葉輪中部為0.21，葉輪出口為0.15，導(dǎo)葉出口為0.01，分別為設(shè)計(jì)點(diǎn)的0.38、0.6、0.88、1倍。近零扭矩點(diǎn)處，葉輪進(jìn)口的壓力脈動(dòng)峰峰值為0.37，葉輪中部為0.31，葉輪出口為0.20，導(dǎo)葉出口為0.04，分別為設(shè)計(jì)點(diǎn)的0.67、0.89、1.18、4倍。