不同工況下大型箱涵式泵裝置壓力脈動特性及振動特性

石麗建，湯方平，王 瑄，張文鵬

（揚州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，揚州 225009）

0 引 言

雙向流道泵裝置型式又稱箱涵式泵裝置型式，箱涵式泵裝置可有效將“一站四閘”泵站樞紐式布置轉(zhuǎn)換成閘站合一的方式，更有效的實現(xiàn)灌排的目的。目前，由于采用箱涵式泵裝置型式的泵站工程具有工程投資小、結(jié)構(gòu)型式簡單、安裝檢修方便、運行穩(wěn)定等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用。

隨著箱涵式泵裝置的應(yīng)用越來越多[1-2]，科研工作者對這方面的研究也越來越廣泛[3-10]。在大型箱涵式軸流泵運行過程中，葉片區(qū)域水力激振會導(dǎo)致振動噪聲、機組共振和葉片裂紋，是影響大型箱涵式泵機組穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素[11-14]。王福軍等[15]通過數(shù)值模擬手段對軸流泵內(nèi)部壓力脈動進行了計算分析，得到了軸流泵內(nèi)部壓力脈動分布的規(guī)律。Zhang等[16]運用數(shù)值模擬方法分析了南水北調(diào)工程某一軸流泵模型內(nèi)的非定常流動特性和壓力脈動規(guī)律，并對采樣頻率和采樣時間的合理選取給出了推薦范圍。

近年來，對軸流泵壓力脈動的研究越來越多[17-24]，但是對于大型箱涵式泵裝置壓力脈動研究較少，特別是運用試驗手段對箱涵式泵裝置不同條件下進水內(nèi)部壓力脈動特性的研究較少。文采用試驗手段對箱涵式進水內(nèi)部壓力脈動特性進行測試分析，期望得到不同運行條件下軸流泵內(nèi)部壓力脈動規(guī)律和振動規(guī)律。

1 泵站工程概況

界牌水利樞紐工程位于江蘇鎮(zhèn)江，泵站設(shè)計為雙向運行泵站，可方便的實現(xiàn)調(diào)水和排澇的功能，泵站引水工況凈揚程范圍為0～3.47 m，設(shè)計凈揚程為1.16 m，設(shè)計流量300 m3/s，排水工況凈揚程范圍為0～3.33 m，設(shè)計凈揚程為2.75 m。界牌水利樞紐泵站采用9臺套X型雙向流道葉片全調(diào)節(jié)立式軸流泵，單泵流量 33.4 m3/s，總裝機流量300 m3/s，泵站以引水工況為主，兼顧排水。葉輪直徑D=3.45 m，轉(zhuǎn)速n=100 r/min，nD值為345。考慮閘門槽和攔污柵水力損失0.2 m，則該泵站引水工況設(shè)計揚程為1.36 m，最高揚程3.67 m，排水工況設(shè)計揚程2.95 m，最高揚程3.53 m。根據(jù)相似換算關(guān)系，將原型泵站設(shè)計參數(shù)按照等nD值原則換算到模型泵參數(shù)，模型泵葉輪直徑Dm=0.3 m，轉(zhuǎn)速nm=1 150 r/min，流量Qm=253 L/s，揚程在數(shù)值上保持不變。

2 測點布置及測試系統(tǒng)介紹

2.1 監(jiān)測點布置

對該箱涵式模型泵裝置進行壓力脈動測試，測點布置在進水喇叭管和葉輪進口。具體測點布置如圖1所示。另布置 2個振動傳感器，分別布置在箱體頂端水平和豎直位置。

圖1中4個測點以葉輪中心為三維坐標(biāo)原點，坐標(biāo)系建立如圖1右上角所示。得到4個測點位置的三維坐標(biāo)值，如表1所示。

圖1 傳感器測點布置圖Fig.1 Sensor test point layout

表1 測點布置位置及坐標(biāo)Table 1 Sensor test point layout and coordinate

本文針對不同條件及不同裝置下進口部分水流壓力脈動進行了試驗研究，測點布置在進水部分，考慮到整個箱體中充滿水和喇叭管半開式安裝的要求，將 2個測點布置在進水喇叭管上，2個測點布置在靠近葉輪進口法蘭處。以葉輪中心為坐標(biāo)原點得到壓力脈動監(jiān)測點位置坐標(biāo)如表1所示。為了區(qū)分4個監(jiān)測點，以X軸正方向為西，Y軸正方向為南，進水喇叭管上的2個監(jiān)測點分別在XY平面以X軸正方向的135°和225°的位置，因此分別命名 4個監(jiān)測點為進水喇叭東北方向監(jiān)測點、進水喇叭東南方向監(jiān)測點、葉輪進口南監(jiān)測點和葉輪進口北監(jiān)測點。

2.2 傳感器簡介

采用昆山雙橋傳感器有限公司的高頻動態(tài)微型傳感器CYG505進行壓力脈動測試，傳感器精度0.25%，標(biāo)稱尺寸外徑為5 mm，傳感器具有外形尺寸小，對流場擾動小，靈敏度高，動態(tài)頻響好等特點。傳感器量程–100 ～100 kPa，采樣頻率為100 kHz。輸出采用0～5 V輸出。最重要的一個特點就是該傳感器能夠防水。采集儀采用SQQCP-USB-16。采樣頻率越高，所得數(shù)據(jù)時間分辨率越高；采樣頻率越低，脈動的幅值變化就越可能被低估，而這對壓力脈動特性的研究非常不利。對于旋轉(zhuǎn)機械一般故障頻率分析都應(yīng)該超過轉(zhuǎn)頻的 8倍，本文轉(zhuǎn)頻為24.17 Hz，所以采樣頻率應(yīng)該大于193.33 Hz，且當(dāng)信號中最高頻率小于奈奎斯特頻率時，采樣后的數(shù)字信號能夠完全保留原始信號中的信息，高于或處于奈奎斯特頻率的頻率分量會導(dǎo)致混疊現(xiàn)象。為了避免混疊應(yīng)盡量選擇較高的采樣頻率，本文研究時采樣頻率取100 kHz。

2.3 試驗系統(tǒng)及裝置

試驗系統(tǒng)及裝置如圖 2所示。模型試驗在江蘇省水力動力工程重點實驗室進行，測試系統(tǒng)為閉式循環(huán)系統(tǒng)，受測段葉輪直徑為300 mm，系統(tǒng)總長60 m，管路直徑為0.5 m，系統(tǒng)測試精度為0.39%。針對箱涵式泵裝置進水部分壓力脈動進行測試，測試分3部分：1）整個出水流道全淹沒狀態(tài)，且保證軸流泵葉片不發(fā)生汽蝕，進行 5個流量工況點（126、153、203、253和285 L/s）的壓力脈動測試；2）開敞式壓力脈動測試，即通過出水流道觀測孔（見圖2b）保證出水流道水位與流道頂端距30 cm，控制出水罐體壓力保證 4個相同流量工況點出水水位不變；3）通過罐體進口真空閥抽真空降低葉輪進口壓力使得葉片發(fā)生汽蝕，以泵裝置效率下降1%為準(zhǔn)進行4個流量工況點汽蝕條件下的壓力脈動測試。

圖2 水泵測試系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of pump test system

3 壓力脈動測試結(jié)果分析

3.1 壓力脈動與工況點之間的關(guān)系

進水部分包括葉輪進口南、葉輪進口北、進水喇叭管東北、進水喇叭管東南共 4個壓力脈動測試點。壓力脈動測試時取流量工況點126、153、203、253和285 L/s?，F(xiàn)將壓力脈動測試點3與4與流量的壓力脈動關(guān)系整理如圖3所示。

圖3 葉輪室進口南、北各工況點壓力脈動頻譜圖Fig.3 Pressure pulsation spectrograms in south and north of impeller inlet

通過圖 3葉輪室進口南、北測點各工況點壓力脈動頻譜圖可知，壓力脈動的峰峰值基本隨著流量的減小而增大，兩測點的壓力脈動基本相似；由圖 3可知，壓力脈動主要分布在1倍轉(zhuǎn)頻（19.16 Hz）、1倍葉頻（57.5 Hz）和2倍葉頻（115 Hz）位置。水流脈動主頻為葉頻，次主頻為 2倍的葉頻。各工況點對應(yīng)的轉(zhuǎn)頻幅值基本不隨流量變化；1倍葉頻（主頻）和2倍葉頻對應(yīng)的脈動幅值隨著流量的減小而增大。說明水流壓力脈動幅值跟水泵做功能力有著密切關(guān)系，隨著流量的減小，葉片壓力面和吸力面壓差增大，導(dǎo)致壓力脈動幅值增加。在流量為126 L/s時，由于葉輪進入馬鞍區(qū)運行，產(chǎn)生了大量的脫流、漩渦等大量的不穩(wěn)定流場，對應(yīng)頻譜上會產(chǎn)生一些高頻脈動，高頻脈動頻譜較豐富。同時高頻和低頻脈動也可用來判斷內(nèi)部流場的變化情況。

圖 4為進水喇叭管東北與東南各工況點壓力脈動頻譜圖。通過圖 4進水喇叭管各工況點壓力脈動忽略低頻脈動時，壓力脈動的峰峰值跟葉輪室進口一樣基本隨著流量的減小而增大，但壓力脈動幅值較葉輪室整體減小很多，且頻譜分布和幅值有明顯差別，這是因為進水喇叭管距離葉片進口較遠(yuǎn)，水流壓力脈動主要受到進水來流速度不均勻的影響。整體上，進水喇叭管的脈動幅值要遠(yuǎn)小于葉輪室進口，這是因為葉輪室進口主要受葉片抽吸作用，在葉片吸力面形成較大的低壓區(qū)，液流與葉片進口存在局部沖擊，造成較大的速度梯度和壓力梯度，最終旋轉(zhuǎn)的壓力梯度表現(xiàn)為葉輪室進口較大的壓力脈動。

圖4 進水喇叭管東北與東南各工況點壓力脈動頻譜圖Fig.4 Pressure pulsation spectrograms in northeast and southeast of inlet flare tube

由圖 4頻譜圖上看，各流量工況點壓力脈動的低頻信號都很明顯，這主要受喇叭管進水條件的影響，反映出來流脈動的不對稱。在大流量高頻信號較少，小流量工況高頻信號成分較多，說明小流量工況喇叭進口水流條件受葉輪流態(tài)的影響。進水喇叭管東北各工況點壓力脈動主要以葉頻為主，進水喇叭管東南各工況點壓力脈動除低頻外，轉(zhuǎn)頻比葉頻更突出。

靠近葉片進口壓力脈動越大，在實際工程應(yīng)用中要著重關(guān)注葉輪進口的壓力脈動特性。同時在小流量工況壓力脈動幅值要大于設(shè)計工況和大流量工況，為保證泵站機組的安全穩(wěn)定運行，減小機組的振動和噪聲，應(yīng)盡可能的避免在小流量區(qū)域長時間運行。

3.2 壓力脈動與測點之間的關(guān)系

同一斷面不同測點間的壓力脈動特性由于流場的非對稱性會產(chǎn)生一些差別。分析同一斷面不同測點壓力脈動規(guī)律對工程中預(yù)測內(nèi)部流場變化具有一定的指導(dǎo)意義。本文選取大流量工況（Q=285 L/s）、設(shè)計工況（Q=253 L/s）和小流量工況（Q=153 L/s）共計3個流量工況點比較分析不同測點位置的壓力脈動分布情況。以葉輪室為例，將同一流量工況、不同測點壓力脈動關(guān)系整理如圖5所示。

圖5 不同流量（Q）工況下葉輪室進口壓力脈動圖Fig.5 Pressure pulsation spectrograms of impeller inlet at different flow (Q) conditions

據(jù)圖 5可知，葉輪室進口壓力脈動規(guī)律較為明顯，且各工況點葉輪室進口南北兩測點壓力脈動有較好的對稱性，同一工況不同測點頻率分布規(guī)律是一致的。均是葉頻對應(yīng)的壓力脈動幅值最大，轉(zhuǎn)頻和 2倍葉頻次之。但主頻對應(yīng)的幅值不完全相等是由于同一斷面不同測點位置流場不可能完全一致導(dǎo)致的。

3.3 開敞式出流條件下壓力脈動測試

通過控制出水壓力罐體水面壓力值，將泵裝置出水流道開敞出流30 cm，模擬工程上開敞出流的情況，待出水流道流場穩(wěn)定時分別針對153、203、253和285 L/s共計 4個流量工況點進行開敞式壓力脈動測試分析。泵裝置在流量為126 L/s時，裝置揚程進入馬鞍區(qū)，流場脫流較為嚴(yán)重，汽蝕和開敞出流帶來的機組噪聲和振動加劇，為保證安全運行和有效數(shù)據(jù)的采集，在開敞式出流條件和汽蝕條件未對該小流量工況點進行壓力脈動數(shù)據(jù)采集。開敞式出流壓力脈動測試結(jié)果整理如下。

通過圖 6葉開敞出流輪室內(nèi)各工況點壓力脈動圖可知，開敞出流條件下葉輪室壓力脈動規(guī)律與無汽蝕規(guī)律基本一致。壓力脈動的峰峰值基本隨著流量的減小而增大；從頻譜圖上看，壓力脈動主頻為 1倍葉頻。各工況點對應(yīng)的轉(zhuǎn)頻、1倍葉頻和2倍葉頻對應(yīng)的幅值基本都是隨著流量的減小而增大。說明了開敞出流時，對裝置進水流態(tài)的影響較小。

通過圖 7進水喇叭管開敞出流條件下各工況點壓力脈動圖可知，壓力脈動峰峰值較葉輪室進口小很多，總體趨勢流量減小脈動增加。從頻譜圖上看，各流量工況點壓力脈動的頻譜分布較廣。在大流量高頻信號較少，小流量工況高頻信號成分較多，進水喇叭管東北各工況點壓力脈動主要為葉頻，進水喇叭管東南各工況點壓力脈動主要為轉(zhuǎn)頻。開敞式出流條件下水流壓力脈動規(guī)律與無汽蝕時相似。

工程實際應(yīng)用中，當(dāng)出水水位較低導(dǎo)致出水流道開敞出流時，葉輪進水部分壓力脈動幅值變化不明顯，在進水部分由于壓力脈動變化引起的振動和噪聲不足以對機組的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響。

圖6 葉輪室南北開敞出流壓力脈動分析Fig.6 Open flow pressure pulsation of north and south of impeller inlet

3.4 汽蝕條件下壓力脈動測試

通過對閉路循環(huán)系統(tǒng)進水罐體抽真空，使得葉輪進口壓力減小，葉片發(fā)生汽蝕。泵裝置效率下降1%時，分別針對153、203、253和285 L/s共計4個流量工況點進行汽蝕條件下的壓力脈動測試分析。汽蝕條件下壓力脈動測試結(jié)果整理如下。

圖7 進水喇叭管東北與東南開敞出流壓力脈動分析Fig.7 Open flow pressure pulsation of northeast and southeast of inlet flare tube

通過圖 8汽蝕條件下葉輪室內(nèi)各工況點壓力脈動圖可知，汽蝕條件下葉輪室壓力脈動規(guī)律與無汽蝕規(guī)律基本一致，壓力脈動的峰峰值基本隨著流量的減小而增大；從頻譜圖上看，壓力脈動主要為1倍葉頻和2倍葉頻，其幅值基本都是隨著流量的減小而增大。

通過圖 9進水喇叭管汽蝕條件下各工況點壓力脈動圖可知，壓力脈動峰峰值較葉輪室整體減小很多；從頻譜圖上看，各流量工況點壓力脈動的低頻信號都很明顯。在小流量工況高頻信號成分較多，說明小流量工況葉輪進口水流條件發(fā)生了變化。進水喇叭管東北各工況點壓力脈動主要為葉頻，進水喇叭管東南各工況點壓力脈動主要為轉(zhuǎn)頻和低頻信號。

3.5 不同運行條件下壓力脈動對比圖

將無汽蝕、汽蝕條件下和開敞式出流條件下不同工況的葉輪室處壓力脈動頻譜圖進行對比分析，如圖10所示。根據(jù)這 3種情況對比可知，主頻分布規(guī)律相似，不管是哪種運行條件主頻均為葉頻，次主頻均為 2倍的葉頻，特別是汽蝕條件下，主頻和次主頻對應(yīng)的脈動幅值明顯比其他運行狀態(tài)時大，且汽蝕條件下頻譜分布范圍更廣，高頻成分較多。這是因為當(dāng)水泵發(fā)生汽蝕時，氣泡的產(chǎn)生、潰滅持續(xù)時間短、幅值大，產(chǎn)生較大的高頻分量的壓力脈沖。汽蝕發(fā)生時，除了具有由于葉輪旋轉(zhuǎn)造成的葉輪進口壓力面和吸力面交替出現(xiàn)產(chǎn)生的基本水流壓力脈動外，還具有較大幅值的氣泡潰滅的脈動分量和由于汽蝕原因引起的水流脫流、回旋、水流速度不均勻等壓力脈動分量，所有這些原因?qū)е铝似g狀態(tài)下壓力脈動幅值的明顯增加。因此，在實際工程應(yīng)用中應(yīng)盡量避免葉輪處于汽蝕條件下運行。

圖8 葉輪室南北汽蝕條件下壓力脈動分析Fig.8 Pressure pulsation of impeller inlet under cavitation condition

3.6 不同運行條件下振動特性分析

水泵裝置在運行過程中產(chǎn)生輕微的振動和噪聲是不可避免的。機組產(chǎn)生劇烈振動則會影響水泵裝置的性能、引起零部件或機組的損壞，甚至引起泵站建筑物的振動，乃至被拍停機[25-30]。因此，研究不同條件下的壓力脈動引起振動變化情況時，振動幅值必須在可靠范圍內(nèi)。針對不同流量工況點及不同運行條件下對泵裝置進行振動位移測試，2只振動傳感器處于箱體頂端法蘭處成90°布置，分別測試裝置水平和豎直位移。測試結(jié)果如表2所示。

通過文獻(xiàn)[31]可知，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速在1 000～1 500 r/min時，最大振幅允許值為80 μm，上述測試結(jié)果振幅均小于文獻(xiàn)中給出的允許值。根據(jù)不同條件下的振動測試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，水平振動位移整體較小，其數(shù)值上都低于10 μm，且水平振動位移在高效區(qū)較小，小流量和大流量工況較大，這是因為水平位移主要測試轉(zhuǎn)子不平衡力和流場變化引起的徑向不平衡力兩者產(chǎn)生的振動，而不同工況轉(zhuǎn)子不平衡力影響規(guī)律一致，水平位移數(shù)值上的變化即跟水泵機組內(nèi)部流場有關(guān)，在高效區(qū)流場尚可，在非高效區(qū)內(nèi)部流場流速分布不均勻引起較大的壓力脈動，從而造成機組振動加劇。豎直位移在數(shù)值上較大，且隨著流量工況的減小，裝置揚程增加，豎直振動位移加大，這是因為泵裝置運行時豎直振動主要受水泵軸向力影響，而水泵軸向力隨著揚程的增加而增加。

圖9 進水喇叭管東北與東南汽蝕條件下壓力脈動分析Fig.9 Pressure pulsation of inlet flare tube under cavitation condition

在無汽蝕時，機組的水力振動僅為流體基本壓力脈動引起的振動。比較開敞出流條件下和無汽蝕條件時機組振動數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，開敞出流條件對進水及水泵的做功能力影響較小，所以在振動位移上與無汽蝕時基本保持一致。但當(dāng)水泵發(fā)生汽蝕時，水平位移減小，可能的原因是汽蝕主要發(fā)生在葉片背面靠近輪緣處，葉片輪緣做功能力降低，減小了水平葉片徑向不平衡力。豎直振動位移隨著流量的增大而減小，汽蝕條件下豎直振動位移較非汽蝕時增大2.4~8.6 μm，其中流量越小，豎直位移增加越大。這是因為除了水流產(chǎn)生的基本壓力脈動外，汽蝕發(fā)生時低頻壓力脈動會迅速增加，且會出現(xiàn)很強的氣泡脈沖壓力，汽蝕時的總壓力脈動為三者之和的疊加，因此，造成機組振動加劇，且發(fā)出較大的噪聲。因此，考慮到實際泵站工程的安全穩(wěn)定運行，應(yīng)盡量避免水泵在汽蝕條件下運行。

圖10 測點4不同運行條件下壓力脈動對比Fig.10 Comparison of pressure pulsation under different operating conditions of test point 4

表2 振動特性測試數(shù)據(jù)Table 2 Test data of vibration characteristics

4 結(jié) 論

本文通過對進水部分在不同工況及不同運行狀態(tài)時的壓力脈動研究，研究結(jié)果可以判定機組的運行狀態(tài)，從而達(dá)到指導(dǎo)泵站安全穩(wěn)定運行的目的，其主要研究結(jié)果如下：

1）葉輪室進口壓力脈動峰峰值較大，葉輪室監(jiān)測點主頻值均為葉頻57.5 Hz，頻率主要分布在1倍葉頻和2倍葉頻位置；進水喇叭管除低頻脈動外主頻主要分布在葉頻和轉(zhuǎn)頻位置。

2）各工況點葉輪室進口兩測點壓力脈動有較好的對稱性，頻率分布上以葉頻為主，轉(zhuǎn)頻和 2倍葉頻次之；進水喇叭管南北兩側(cè)壓力脈動不對稱，反映出進水流道來流不對稱。

3）對于不同流量工況點，進水喇叭和葉輪室進口壓力脈動峰峰值基本都是隨著流量的增加而減小。

4）汽蝕條件下和開敞式出流條件下與沒有發(fā)生汽蝕時相比，頻譜圖對應(yīng)性較好，頻率分布大體規(guī)律基本能夠吻合；同時汽蝕條件下和開敞出流條件下，主要頻率對應(yīng)的幅值比不發(fā)生汽蝕時略大，汽蝕條件下頻譜分布更廣。

5）水平振動位移均在10 μm以內(nèi)，豎直振動位移較大，說明泵裝置運行時豎直振動更為明顯。豎直振動位移的大小隨著流量的增大而減小。汽蝕條件下豎直振動位移較非汽蝕時增大2.4～8.6 μm，其中流量越小豎直振動位移增加越大，因此，實際工程中應(yīng)盡量避免在小流量工況汽蝕條件下運行。

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