水泵進(jìn)水池底部壓力脈動(dòng)特性試驗(yàn)

宋希杰 劉 超 楊 帆 查智力 嚴(yán)天序 黃佳衛(wèi)

(揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院， 揚(yáng)州 225100)

水泵進(jìn)水池底部壓力脈動(dòng)特性試驗(yàn)

宋希杰 劉 超 楊 帆 查智力 嚴(yán)天序 黃佳衛(wèi)

(揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院， 揚(yáng)州 225100)

為了研究泵站進(jìn)水池中喇叭管下方漩渦產(chǎn)生的機(jī)理，探索進(jìn)水池底部喇叭管下方水流壓力脈動(dòng)與漩渦產(chǎn)生的關(guān)系，在進(jìn)水池底部喇叭管口下方布置20個(gè)壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在轉(zhuǎn)速2 200 r/min時(shí)進(jìn)行了多個(gè)不同工況點(diǎn)的壓力脈動(dòng)試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)水流壓力脈動(dòng)的時(shí)域特性、頻域特性及進(jìn)水池底部喇叭管下方的壓力分布進(jìn)行分析，揭示了軸流泵喇叭管下方水流壓力脈動(dòng)的規(guī)律及壓力分布與漩渦之間的關(guān)系。進(jìn)水池底部壓力脈動(dòng)的主頻是葉輪轉(zhuǎn)頻的2倍，說(shuō)明軸流泵進(jìn)水池底部喇叭管下方水流的壓力脈動(dòng)仍然受到葉輪旋轉(zhuǎn)的影響；大流量工況下，喇叭管下方容易產(chǎn)生漩渦，且發(fā)生頻率高，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，主要集中在喇叭管下方右前方的位置；小流量工況下，喇叭管下方也能產(chǎn)生漩渦，但發(fā)生頻率低，持續(xù)時(shí)間短，主要集中在喇叭管內(nèi)部正前方的位置。在不同工況下發(fā)生漩渦的位置與進(jìn)水池底部喇叭管下方低壓區(qū)位置相對(duì)應(yīng)。

軸流泵； 進(jìn)水池底部； 壓力傳感器； 壓力脈動(dòng)； 模型試驗(yàn)

引言

軸流泵流量大、揚(yáng)程低，廣泛應(yīng)用于灌排泵站以及南水北調(diào)等大規(guī)?？缌饔蛘{(diào)水工程。進(jìn)水池及水泵內(nèi)部復(fù)雜的運(yùn)行狀況不僅會(huì)產(chǎn)生陣發(fā)性渦帶，導(dǎo)致水泵性能的大幅下降，甚至引起機(jī)組產(chǎn)生嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲，嚴(yán)重影響泵站的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)水泵的壓力脈動(dòng)做了大量試驗(yàn)研究[3-5]，通過(guò)CFD數(shù)值模擬及模型試驗(yàn)，對(duì)軸流泵內(nèi)部非穩(wěn)定流場(chǎng)的壓力脈動(dòng)做了大量的研究，在水泵進(jìn)出口管道上布置壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)軸流泵內(nèi)部水流的壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)，對(duì)其有了充分的了解[6-9]。但壓力脈動(dòng)不僅發(fā)生在泵內(nèi)部，在水流進(jìn)入喇叭管之前就已經(jīng)發(fā)生，目前針對(duì)泵外部壓力脈動(dòng)對(duì)漩渦產(chǎn)生影響的研究很少。

針對(duì)這一問(wèn)題，本文通過(guò)進(jìn)水池底部喇叭管下方壓力脈動(dòng)特性試驗(yàn)研究，揭示水泵葉輪旋轉(zhuǎn)對(duì)進(jìn)水池底部壓力脈動(dòng)的影響。

1 試驗(yàn)裝置

立式軸流泵裝置的能量性能試驗(yàn)和壓力脈動(dòng)試驗(yàn)均在Ф120 mm立式軸流泵裝置試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。 葉輪直徑為120 mm，葉頂間隙為0.1 mm，輪轂直徑為48 mm，葉片數(shù)為4，葉片安放角為0°，導(dǎo)葉數(shù)為7。整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)由開(kāi)敞式進(jìn)水池、ISW150-200A型不銹鋼離心泵、PVC管道、穩(wěn)壓圓柱形水箱、D341型法蘭式不銹鋼軟密封蝶閥組成，如圖1所示。在進(jìn)水池底部喇叭管下方布置了20個(gè)壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)孔直徑為5 mm，安裝20個(gè)壓力傳感器，測(cè)點(diǎn)區(qū)域及具體位置如圖2所示。

圖1 立式軸流泵模型裝置試驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Experiment bench of axial-flow pump model device

圖2 壓力脈動(dòng)測(cè)試位置圖Fig.2 Sketches of pressure pulsation test position1.測(cè)點(diǎn)區(qū)域 2.喇叭管

在能量性能試驗(yàn)中，流量測(cè)量采用上海光華儀表有限公司生產(chǎn)的LDG-SDN150型電磁流量計(jì)，揚(yáng)程測(cè)量采用EJA型智能壓差傳感器，扭矩及轉(zhuǎn)速測(cè)試采用JCO型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，各傳感器輸出端與Power link JW-3型顯示儀相連。在壓力脈動(dòng)試驗(yàn)中，采用成都泰斯特公司研制的高精密度、高穩(wěn)定度CY302系列智能數(shù)字壓力傳感器，其表壓測(cè)試范圍為0～60 MPa，測(cè)試精度為0.1%，采樣時(shí)間間隔為0.001～1 s。CY302標(biāo)準(zhǔn)輸出為485總線(xiàn)，通過(guò)該轉(zhuǎn)換器與集線(xiàn)器連接，一臺(tái)集線(xiàn)器可同時(shí)接入20支CY302傳感器，集線(xiàn)器通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)與計(jì)算機(jī)相連，壓力測(cè)試軟件采用Smart Sensor壓力測(cè)試系統(tǒng)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本試驗(yàn)的目的是研究進(jìn)水池底部喇叭管下方水流的壓力脈動(dòng)特性以及探究漩渦出現(xiàn)的位置與壓力分布之間的關(guān)系。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)進(jìn)水池水深為300 mm時(shí)漩渦產(chǎn)生情況最明顯，所以試驗(yàn)方案進(jìn)水池水深選為300 mm。本試驗(yàn)方案是在轉(zhuǎn)速為2 200 r/min的情況下，進(jìn)行0.8Qd、Qd和1.2Qd(Qd為設(shè)計(jì)工況點(diǎn))3個(gè)不同工況點(diǎn)下的壓力脈動(dòng)試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)誤差分析

采用標(biāo)準(zhǔn)誤差對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性評(píng)定。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)量很大，選取部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)誤差分析。

(1)

(2)

式中m——測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)組數(shù)

σ——試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)誤差處理,得到σ=±0.08，試驗(yàn)誤差為±0.08。

2.2 能量性能試驗(yàn)結(jié)果

為了確定模型泵裝置的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)得到模型泵裝置在轉(zhuǎn)速為2 200 r/min時(shí)的性能曲線(xiàn)。如圖3所示，泵裝置設(shè)計(jì)工況點(diǎn)Qd為32 L/s。

其中，壓力脈動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)在不同工況點(diǎn)下的性能參數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖3 立式軸流泵模型裝置性能曲線(xiàn)Fig.3 Performance curves of model pump

工況點(diǎn)流量Q/(L·s-1)揚(yáng)程H/m效率η/%轉(zhuǎn)速N/(r·min-1)扭矩/(N·m)功率/kW08Qd257224677182200372086Qd32121628767220030607112Qd385605375122200248054

2.3 壓力脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

由于測(cè)試環(huán)境的變化，采集設(shè)備在空載時(shí)可能存在零點(diǎn)漂移值，為了能更加準(zhǔn)確地測(cè)試壓力的實(shí)際值，在測(cè)試之前采集零點(diǎn)值，在采集過(guò)程中扣除基準(zhǔn)零點(diǎn)值。因?yàn)殇鰷u一旦產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間很短，為準(zhǔn)確地測(cè)量出漩渦發(fā)生時(shí)的壓力變化，設(shè)置采樣時(shí)長(zhǎng)t為5 s，為準(zhǔn)確地采集到進(jìn)水池底部喇叭管下方的壓力，設(shè)置采樣時(shí)間間隔ts為傳感器最小采集時(shí)間，即ts=1 ms，針對(duì)3 000 r/min以下的轉(zhuǎn)速，均在本傳感器采集范圍內(nèi)，所以采樣頻率fs=1/ts=1 000 Hz能夠滿(mǎn)足2 200 r/min轉(zhuǎn)速下的壓力采集。通過(guò)參考相關(guān)關(guān)于壓力脈動(dòng)試驗(yàn)的文獻(xiàn)，在一個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)不低于16個(gè)[10]。本試驗(yàn)水泵裝置，葉輪旋轉(zhuǎn)1周的時(shí)間T=1/N=0.027 s,而T/ts=27gt;16，所以能滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集條件。

2.3.1壓力脈動(dòng)時(shí)域特性分析

根據(jù)進(jìn)水池底部喇叭管下方漩渦發(fā)生時(shí)所對(duì)應(yīng)的位置，在不同工況點(diǎn)下，選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)7、16、20進(jìn)行壓力脈動(dòng)時(shí)域特性分析。為了更好地分析壓力脈動(dòng)的時(shí)域特性，引入無(wú)量綱壓力脈動(dòng)系數(shù)

(3)

其中

式中p——各測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)壓力，kPa

ρ——水的密度，kg/m3

Utip——葉頂?shù)膱A周速度，m/s

r——葉輪半徑

定義葉輪旋轉(zhuǎn)周期數(shù)

式中ti——任一點(diǎn)信號(hào)的采集時(shí)間

本文時(shí)域圖中均為5個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)。

(1)設(shè)計(jì)流量工況

設(shè)計(jì)流量工況點(diǎn)下3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域特性如圖4所示，有明顯的波峰和波谷，峰峰值達(dá)到0.004 5，在一個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)具有2個(gè)波峰和波谷，測(cè)點(diǎn)7、16、20的壓力脈動(dòng)幅值隨著距喇叭管中心距離的增大而增大，測(cè)點(diǎn)20最先達(dá)到壓力脈動(dòng)波峰值，測(cè)點(diǎn)16和測(cè)點(diǎn)20壓力脈動(dòng)時(shí)域特性相似性很大。單個(gè)壓力脈動(dòng)周期內(nèi)，3個(gè)特征測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)系數(shù)逐漸降低。在2個(gè)壓力脈動(dòng)周期交接的地方，測(cè)點(diǎn)7會(huì)出現(xiàn)微小的波動(dòng)，而測(cè)點(diǎn)16和測(cè)點(diǎn)20會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)。測(cè)點(diǎn)20壓力脈動(dòng)最大幅值為測(cè)點(diǎn)7最大幅值的1.24倍。設(shè)計(jì)流量工況下喇叭管下方的壓力脈動(dòng)整體在一定范圍內(nèi)。

(2)大流量工況

圖4 設(shè)計(jì)流量工況監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)時(shí)域圖Fig.4 Time domain diagrams of monitoring points under design flow conditions

圖5 大流量工況監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)時(shí)域圖Fig.5 Time domain diagrams of monitoring points under large flow conditions

大流量工況點(diǎn)下3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域特性如圖5所示，在一個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)具有2個(gè)波峰和波谷；大流量工況下壓力脈動(dòng)波動(dòng)時(shí)域特性曲線(xiàn)會(huì)明顯紊亂，不同測(cè)點(diǎn)在不同葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的壓力脈動(dòng)幅值不同，在大流量工況下測(cè)點(diǎn)7的峰峰值最大，達(dá)到0.01，測(cè)點(diǎn)16峰峰值0.008 2，測(cè)點(diǎn)20的峰峰值達(dá)到0.008，可以看出隨著半徑的增大壓力脈動(dòng)幅值逐漸減小，同一測(cè)點(diǎn)的不同壓力脈動(dòng)周期內(nèi)壓力脈動(dòng)曲線(xiàn)變化也不同，相較于測(cè)點(diǎn)7，測(cè)點(diǎn)16和測(cè)點(diǎn)20的不同壓力脈動(dòng)周期內(nèi)的壓力脈動(dòng)相似性差，說(shuō)明大流量工況進(jìn)水池底部喇叭管下方壓力梯度大，存在劇烈的能量交換，這與此工況下泵裝置運(yùn)行狀況差及容易產(chǎn)生漩渦相符。

(3)小流量工況

小流量工況點(diǎn)下3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域特性如圖6所示，3個(gè)時(shí)域圖均為近似正弦波形圖，壓力脈動(dòng)曲線(xiàn)很有規(guī)律，峰峰值為0.006，在一個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)具有2個(gè)波峰和2個(gè)波谷。小流量工況下壓力脈動(dòng)幅值隨著與喇叭管中心距離的增大壓力脈動(dòng)幅值逐漸減小，在喇叭管中心附近的測(cè)點(diǎn)7的峰峰值為測(cè)點(diǎn)20峰峰值的1.2倍，且在喇叭管附近的壓力脈動(dòng)時(shí)域圖曲線(xiàn)明顯比測(cè)點(diǎn)20的壓力脈動(dòng)時(shí)域曲線(xiàn)圖整齊，規(guī)律性強(qiáng)。

圖6 小流量工況監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)時(shí)域圖Fig.6 Time domain diagrams of monitoring points under small flow conditions

可以看出，隨著流量的增大進(jìn)水池底部的壓力脈動(dòng)幅值先減小后增大，在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)時(shí)峰峰值最小，在大流量工況點(diǎn)時(shí)的峰峰值最大，說(shuō)明進(jìn)水池底部的壓力脈動(dòng)受到葉輪旋轉(zhuǎn)的影響，在大流量工況下進(jìn)水池內(nèi)水流能量交換強(qiáng)度大，這與大流量時(shí)水泵裝置振動(dòng)和噪聲顯著加劇的現(xiàn)象相符，這是因?yàn)楸醚b置振動(dòng)和噪聲一部分是由于壓力脈動(dòng)造成的[8]。

2.3.2壓力脈動(dòng)頻域特性分析

將壓力脈動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)加窗傅里葉函數(shù)變換處理[10-13]，分別得到1.2Qd、Qd、0.8Qd3個(gè)不同工況點(diǎn)下的壓力脈動(dòng)頻域圖,如圖7～9所示。對(duì)不同流量工況下壓力脈動(dòng)頻域分析發(fā)現(xiàn)，各測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)的主頻為水泵葉輪轉(zhuǎn)頻的2倍，并且水泵葉頻為各測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)主頻的2倍，這與葉輪內(nèi)部進(jìn)出口壓力脈動(dòng)的主頻等于葉頻有所不同[13-17]，這是由于葉輪內(nèi)部的壓力脈動(dòng)直接受到葉片旋轉(zhuǎn)的作用。但是仍然說(shuō)明進(jìn)水池底部喇叭管口下方水流的壓力脈動(dòng)與葉輪旋轉(zhuǎn)有很大的關(guān)系。

(1)設(shè)計(jì)流量工況

如圖7所示，在設(shè)計(jì)流量工況下右側(cè)測(cè)點(diǎn)1、2、4、5、8、9、11、20的壓力脈動(dòng)幅值明顯高于左側(cè)測(cè)點(diǎn)3、6、7、10、13、14、15的壓力脈動(dòng)幅值，壓力脈動(dòng)系數(shù)最大值為0.000 56,不同測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)系數(shù)曲線(xiàn)都有規(guī)律的波動(dòng)減小，在3倍葉輪轉(zhuǎn)頻處會(huì)出現(xiàn)壓力脈動(dòng)二次頻，說(shuō)明喇叭管下方進(jìn)水池底部右側(cè)水流壓力脈動(dòng)比左側(cè)水流壓力脈動(dòng)劇烈，進(jìn)水池底部喇叭管下方在受葉輪旋轉(zhuǎn)作用的影響逐漸減弱。

圖7 設(shè)計(jì)流量工況監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域圖Fig.7 Frequency domain diagram of monitoring points under design flow conditions

(2)大流量工況

如圖8所示，在大流量工況下會(huì)發(fā)現(xiàn)壓力脈動(dòng)頻域圖中不同測(cè)點(diǎn)之間壓力脈動(dòng)主頻幅值出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)，測(cè)點(diǎn)5～13的壓力脈動(dòng)幅值明顯低于其他測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值，測(cè)點(diǎn)5～13主要集中在喇叭管下方來(lái)水側(cè)，這說(shuō)明大流量工況下，整體上喇叭管下方背水側(cè)壓力脈動(dòng)變化要強(qiáng)于來(lái)流側(cè)的壓力脈動(dòng)變化，壓力脈動(dòng)幅值大說(shuō)明在此區(qū)域能量交換大，區(qū)域壓力梯度大。測(cè)點(diǎn)7、16、20壓力脈動(dòng)的主頻出現(xiàn)在葉輪3倍轉(zhuǎn)頻處，說(shuō)明在進(jìn)水池底部喇叭管下方右前側(cè)出現(xiàn)最大壓力脈動(dòng)變化要比其他測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)最大壓力脈動(dòng)變化晚1個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期，這導(dǎo)致明顯的壓差區(qū)，為漩渦的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。

圖8 大流量工況監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域圖Fig.8 Frequency domain diagram of monitoring points under large flow conditions

(3)小流量工況

如圖9所示，在小流量工況下，壓力脈動(dòng)頻域圖中不同測(cè)點(diǎn)之間壓力脈動(dòng)主頻幅值整體變化均勻，最大壓力脈動(dòng)幅值為0.000 69。次頻幅值小，說(shuō)明小流量工況下壓力脈動(dòng)發(fā)生后，壓力脈動(dòng)的影響消失得快。

圖9 小流量工況監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域圖Fig.9 Frequency domain diagram of monitoring points under small flow conditions

由3個(gè)不同流量工況下的壓力脈動(dòng)頻域分析可以看出，隨著流量的增大，喇叭管下方進(jìn)水池底部的壓力脈動(dòng)幅度先逐漸減小后逐漸增大，在設(shè)計(jì)工況下對(duì)應(yīng)的各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值最小，且振動(dòng)幅值相對(duì)均勻整齊，由于大流量下進(jìn)水池內(nèi)水流湍動(dòng)能大，水流流場(chǎng)復(fù)雜，所以進(jìn)水池底部壓力脈動(dòng)在大流量工況下對(duì)應(yīng)的各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值最大。

2.3.3進(jìn)水池底部壓力分布分析

相關(guān)研究已經(jīng)采用流線(xiàn)的形式描述了流場(chǎng)中漩渦與流速之間的關(guān)系[14-18],而本文目的是探究漩渦與壓力之間的關(guān)系。

為便于分析，根據(jù)來(lái)流方向定義左側(cè)和右側(cè)，左側(cè)來(lái)流方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向一致稱(chēng)為順?biāo)畟?cè)，同理右側(cè)稱(chēng)為逆水側(cè)[19-20]。

在試驗(yàn)過(guò)程中當(dāng)觀察到漩渦發(fā)生時(shí)開(kāi)始采集壓力。利用壓力測(cè)試軟件Smart Sensor將采集的壓力進(jìn)行加窗傅里葉變換并導(dǎo)出。在每一個(gè)工況下的壓力數(shù)據(jù)中，分別選取3組當(dāng)漩渦發(fā)生時(shí)所對(duì)應(yīng)的1個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)20個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均壓力值，利用軟件Tecplot進(jìn)行插值處理獲得進(jìn)水池底部不同時(shí)刻的壓力云圖，如圖10～13所示。對(duì)于喇叭管吸入水流的進(jìn)水結(jié)構(gòu)，實(shí)際上是水流匯入的紊流混摻區(qū)，極易發(fā)生漩渦。

(1)設(shè)計(jì)流量工況

圖10為設(shè)計(jì)流量工況下喇叭管下方進(jìn)水池底部的壓力隨時(shí)間的壓力分布云圖。可以看出，此工況下進(jìn)水池底部壓力分布均勻。左側(cè)整體的壓力略高于右側(cè)的壓力，高壓區(qū)集中在喇叭管中心處，低壓區(qū)主要分布在四周，隨著時(shí)間的改變，進(jìn)水池底部的壓力也在改變，但壓力分布形式基本不變。這是由于在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)下喇叭管下方流場(chǎng)的能量分布均勻。

圖10 設(shè)計(jì)流量工況下進(jìn)水池底部壓力云圖Fig.10 Pressure cloud charts at bottom of suction passage under design flow conditions

圖11 大流量工況下進(jìn)水池底部壓力云圖Fig.11 Pressure cloud charts at bottom of suction passage under large flow conditions

(2)大流量工況

圖11為喇叭管下方進(jìn)水池底部在大流量工況下的壓力分布云圖，來(lái)水側(cè)的壓力要高于背水側(cè)，高壓區(qū)主要集中在右后側(cè)，低壓區(qū)集中在右前側(cè)的位置，如圖11所標(biāo)注處。水流從水平來(lái)流方向轉(zhuǎn)向垂直方向進(jìn)入喇叭管，在慣性作用下加快了能量的交換；通過(guò)壓力脈動(dòng)頻域分析得到進(jìn)水池底部喇叭管下方仍受到葉輪旋轉(zhuǎn)的影響，由于大流量工況下順?biāo)畟?cè)效應(yīng)和逆水側(cè)效應(yīng)[8]，葉輪進(jìn)口的水流受水流入角的影響不斷擴(kuò)大，左側(cè)的入流角減小，右側(cè)的入流角增大，使水流條件異常紊亂。由圖11可以看出，伴隨著能量的交換，右后側(cè)的壓能不斷增加，右前側(cè)的壓力降低導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)動(dòng)能積累，最終形成漩渦。這表明在大流量工況下，喇叭管下方壓力梯度大，水流能量交換變化大，水流異常紊亂形成較強(qiáng)的漩渦，進(jìn)水條件惡化，軸流泵運(yùn)行效率的下降能夠充分證明漩渦的產(chǎn)生，嚴(yán)重影響水泵機(jī)組的運(yùn)行安全，應(yīng)采取消渦措施進(jìn)行消渦處理。

圖12 大流量工況進(jìn)水池底部漩渦位置圖Fig.12 Location map of vortex at bottom of suction passage under large flow conditions

在大流量工況下，隨著水流流態(tài)的惡化，在喇叭管下方進(jìn)水池底板開(kāi)始形成漩渦，如圖12所示，順著水流方向迅速向上發(fā)展，延伸至導(dǎo)水錐附近。渦管形成時(shí)間在1 s左右，持續(xù)時(shí)間為3～5 s，并且不斷地在圖12標(biāo)出區(qū)域不斷移動(dòng)。在漩渦出現(xiàn)期間，會(huì)明顯感覺(jué)到泵裝置噪聲強(qiáng)度增大。根據(jù)圖11中低壓區(qū)的位置和圖12漩渦發(fā)生的位置，可以發(fā)現(xiàn)大流量工況下喇叭管下方漩渦發(fā)生的位置與進(jìn)水池底部喇叭管下方的低壓區(qū)位置一致。

(3)小流量工況

如圖13所示，在小流量工況下，進(jìn)水側(cè)整體壓力略高于背水側(cè)的壓力，在喇叭管中心后側(cè)存在一個(gè)低壓區(qū)，在喇叭管中心的左側(cè)及右后側(cè)各存在一個(gè)高壓區(qū)，在小流量工況下喇叭管入口處的水流受順?biāo)畟?cè)效應(yīng)和逆水側(cè)效應(yīng)的影響減小，喇叭管口左右兩側(cè)的能量分布均勻，導(dǎo)致小流量工況下低壓區(qū)的位置和大流量工況下低壓區(qū)位置從右前方轉(zhuǎn)移到喇叭管正前方。

小流量工況下水流流態(tài)平穩(wěn)，較大流量工況下感覺(jué)到泵裝置產(chǎn)生的噪聲明顯減小，在喇叭管中心后側(cè)出現(xiàn)一條極細(xì)的渦帶，持續(xù)時(shí)間短，且出現(xiàn)頻率很小，難以捕捉，漩渦出現(xiàn)的位置與喇叭管中心的距離增大，不過(guò)，此工況下漩渦發(fā)生的位置與圖13中低壓區(qū)的位置一致。

圖13 小流量工況進(jìn)水池底部壓力云圖Fig.13 Pressure cloud charts at bottom of suction passage under small flow conditions

在不同工況下，運(yùn)行工況改變時(shí)，旋轉(zhuǎn)動(dòng)能變化，易于積聚，導(dǎo)致壓能減少，很容易產(chǎn)生漩渦。在大流量工況下，喇叭管下方附底渦出現(xiàn)的次數(shù)最多，漩渦持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，相鄰漩渦之間時(shí)間間隔短，附底渦產(chǎn)生的位置靠近導(dǎo)水錐，影響水泵的安全運(yùn)行，泵裝置振動(dòng)強(qiáng)度大。在設(shè)計(jì)工況下水流流動(dòng)平穩(wěn)，附底渦不易產(chǎn)生。在小流量工況下，雖然會(huì)產(chǎn)生附底渦，但漩渦出現(xiàn)頻率很低，且持續(xù)時(shí)間短。漩渦的發(fā)生嚴(yán)重影響水泵機(jī)組的安全運(yùn)行，應(yīng)采取消渦措施進(jìn)行消渦處理。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)壓力脈動(dòng)時(shí)域特性分析得到，隨著流量的增加進(jìn)水池底部水流的壓力脈動(dòng)幅值先減小后增大，大流量工況下水流壓力脈動(dòng)幅值最大，這與設(shè)計(jì)流量工況點(diǎn)下未產(chǎn)生漩渦和漩渦主要發(fā)生在大流量工況點(diǎn)下的現(xiàn)象一致。

(2)進(jìn)水池底部的壓力脈動(dòng)受到水泵葉輪旋轉(zhuǎn)影響，進(jìn)水池底部水流壓力脈動(dòng)的主頻為水泵葉輪轉(zhuǎn)頻的2倍，為水泵葉頻的0.5倍。

(3)在設(shè)計(jì)流量和小流量工況下進(jìn)水池底部喇叭管下方壓力分布變化不大；在大流量工況下，壓力分布變化大，在喇叭管下方右前側(cè)的位置存在低壓區(qū)。在大流量工況下漩渦發(fā)生在喇叭管內(nèi)右前方的位置，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)生次數(shù)多。小流量工況下漩渦發(fā)生在喇叭管內(nèi)正前方的位置，持續(xù)時(shí)間短，發(fā)生次數(shù)少，可以發(fā)現(xiàn)漩渦發(fā)生的位置與對(duì)應(yīng)工況下壓力分布中的低壓區(qū)位置相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明漩渦發(fā)生的位置與進(jìn)水池底部喇叭管下方低壓區(qū)的位置相一致。

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ExperimentonCharacteristicsofPressureFluctuationatBottomofPumpingSuctionPassage

SONG Xijie LIU Chao YANG Fan ZHA Zhili YAN Tianxu HUANG Jiawei

(SchoolofHydraulicEnergyandPowerEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou225100,China)

In order to study the mechanism of bottom vortex generation in the suction passage of pumping station, and explore the relationship between pressure pulsation and vortex generation under flare pipe at bottom of suction passage, 20 pressure pulsation monitoring points were evenly arranged at the bottom of suction passage in the form of concentric circular ring. At speed of 2 200 r/min, the pressure pulsations experiment under different flow conditions was done. By analyzing the time domain and frequency domain of pressure fluctuation and pressure distribution at the bottom of suction passage, the law of pressure pulsation at the bottom of suction passage of the axial flow pump was revealed. According to the analysis of pressure fluctuation time domain, the pressure fluctuation amplitude of the bottom water flow at the bottom of inlet basin was decreased and then increased with the increase of flow rate. The maximum pressure of the flow pressure was fluctuated under the large flow condition, which was the same as the design flow. No vortex and whirlpool occurred mainly in the case of large flow conditions. The experimental results showed that the pressure pulsation at the bottom of the suction passage was twice as high as that of the impeller, and there was no dominant frequency at impeller frequency, which indicated that the pressure pulsation at the bottom of the suction passage under the bell-tube of the axial flow pump was still affected by impeller rotation. Under large flow conditions, the vortex under the bell-tube was easy to produce with high frequency of occurrence and long duration. The position of the vortex under different working conditions was corresponded to the position of the low pressure zone at the bottom of suction below the bell-tube.

axial-flow pump; suction passage bottom; pressure sensor; pressure pulsation; model test

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.024

TH311

A

1000-1298(2017)11-0196-08

2017-03-02

2017-04-28

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAD20B01-02)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51279173、51609210)、江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20150457)、江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(PAPD)和2017江蘇省研究生科研創(chuàng)新工程項(xiàng)目(KYCX17_1881)

宋希杰(1990—)，男，博士生，主要從事水利工程研究，E-mail: 1227321904@qq.com

劉超(1950—)，男，教授，主要從事泵站工程理論和應(yīng)用技術(shù)研究，E-mail: liuchao@yzu.edu.cn