進(jìn)水漩渦誘發(fā)軸流泵壓力脈動(dòng)的試驗(yàn)研究

宋希杰， 劉 超， 楊 帆, 査智力, 初長(zhǎng)虹, 張重陽(yáng)

(揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 210094)

由于軸流泵復(fù)雜的運(yùn)行條件，軸流泵的安全運(yùn)行一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。水泵機(jī)組工作的安全可靠性主要包括機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的擺度、水泵的空蝕性能、機(jī)組支承部分的振動(dòng)、機(jī)組工作水頭的波動(dòng)、管道的壓力脈動(dòng)、以及機(jī)組不正常的噪聲等[1]。在軸流泵內(nèi)部，流動(dòng)表現(xiàn)為復(fù)雜的三維非定常湍流，其復(fù)雜的流動(dòng)狀態(tài)例如葉輪出口和導(dǎo)葉進(jìn)口之間的動(dòng)靜干涉、偏離最優(yōu)工況時(shí)葉片出口的脫流、汽蝕造成的流動(dòng)不連續(xù)及進(jìn)水池內(nèi)進(jìn)水漩渦等引起的壓力變化等因素，進(jìn)水條件決定了水泵能否安全運(yùn)行[2]。湯方平等[3]對(duì)軸流泵泵段進(jìn)行了多工況三維非定常數(shù)值模擬,得到了軸流泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)頻率主要受葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率控制，較大壓力脈動(dòng)發(fā)生在葉輪進(jìn)口前， 小流量工況及大流量工況下壓力脈動(dòng)幅值較最優(yōu)工況大。施衛(wèi)東等[4]對(duì)軸流泵全流場(chǎng)進(jìn)行三維非定常數(shù)值模擬,得到在偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)較大的流量時(shí),壓力脈動(dòng)幅值明顯增大，導(dǎo)葉數(shù)減少會(huì)增大導(dǎo)葉出口處的壓力脈動(dòng)，脈動(dòng)頻率受葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率控制,導(dǎo)葉數(shù)對(duì)壓力脈動(dòng)頻率基本無(wú)影響。張德勝等[5]在軸流泵葉輪和導(dǎo)葉外壁面布置了6個(gè)壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)多個(gè)流量工況的壓力脈動(dòng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)測(cè)量，揭示了軸流泵內(nèi)部不同位置處壓力脈動(dòng)規(guī)律。王福軍等[6]采用大渦模擬方法對(duì)軸流泵的非定常流動(dòng)做了數(shù)值仿真分析，對(duì)各個(gè)工況下，葉輪及導(dǎo)葉的壓力脈動(dòng)的特性進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果表明，在脈動(dòng)頻率方面，葉輪及導(dǎo)葉處的壓力脈動(dòng)主要表現(xiàn)為葉頻脈動(dòng)，導(dǎo)葉出口主要表現(xiàn)為低頻脈動(dòng)。Liu等[7-8]對(duì)混流泵不同葉頂間隙下流態(tài)及外特性進(jìn)行分析并對(duì)不同預(yù)旋角度下離心泵進(jìn)口導(dǎo)葉的能量及壓力脈動(dòng)進(jìn)行分析，得到葉頂間隙和導(dǎo)葉進(jìn)口預(yù)旋對(duì)泵的能量性能和壓力脈動(dòng)有著重要的影響。Tan等[9]對(duì)混流泵不同葉片旋轉(zhuǎn)角度下能量性能和壓力脈動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬，分析了葉片旋轉(zhuǎn)角度對(duì)葉輪壓力脈動(dòng)及漩渦強(qiáng)度的影響。目前對(duì)于進(jìn)水漩渦的研究更多的是研究其對(duì)流速場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響，其對(duì)于壓力影響的研究很少。由于漩渦的發(fā)生是一個(gè)瞬態(tài)的過(guò)程，影響因素復(fù)雜，找出壓力脈動(dòng)與漩渦發(fā)生之間的關(guān)系，能夠?yàn)樘剿麂鰷u發(fā)生的機(jī)理提供很大的幫助。

近年來(lái)CFD技術(shù)的快速發(fā)展使得流動(dòng)仿真或數(shù)值模擬技術(shù)大量地應(yīng)用到該研究領(lǐng)域，但是由于數(shù)值模擬技術(shù)的局限性，在存在復(fù)雜漩渦運(yùn)動(dòng)的情況下常常導(dǎo)致數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)較大偏差[10-12]。針對(duì)這一問(wèn)題，本文通過(guò)進(jìn)行壓力脈動(dòng)特性試驗(yàn)，探究進(jìn)水漩渦對(duì)壓力脈動(dòng)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

本文壓力脈動(dòng)試驗(yàn)在開(kāi)敞式立式軸流泵裝置試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。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，其具體幾何參數(shù)分別為：前池為1 100 mm×600 mm×300 mm；進(jìn)水池為840 mm×360 mm×300 mm；喇叭管為1/4橢圓；出水彎管為90°彎管，長(zhǎng)度為葉輪直徑的6倍；喇叭管懸空高為92 mm，后壁距為200 mm，本文軸流泵采用直徑為120 mm的葉輪，受測(cè)水泵葉片數(shù)為4，輪轂直徑48 mm，葉片安放角為0°,如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)的原理是從進(jìn)水漩渦對(duì)軸流泵內(nèi)部流場(chǎng)壓力擾動(dòng)影響的角度出發(fā)，探究進(jìn)水漩渦誘發(fā)軸流泵內(nèi)壓力脈動(dòng)對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行的影響，所以在軸流泵葉輪進(jìn)口、葉輪出口及導(dǎo)葉出口分別沿圓周方向安裝壓力脈動(dòng)傳感器，測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示。

在壓力脈動(dòng)試驗(yàn)中，壓力脈動(dòng)傳感器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1 ms～1 s。CY302標(biāo)準(zhǔn)輸出為485總線，通過(guò)該轉(zhuǎn)換器與集線器連接，一臺(tái)集線器可同時(shí)接入20只CY302傳感器，集線器通過(guò)網(wǎng)線與計(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)。

1-流量計(jì)；2-進(jìn)水池；3-電動(dòng)機(jī)；4-進(jìn)水箱；5-主泵；6-管路；7-儲(chǔ)水箱；8-輔助泵

圖1 立式軸流泵模型裝置實(shí)驗(yàn)臺(tái)

Fig.1 Pump model experimental setup

圖2 壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置Fig.2 Position of pressure pulsation measuring point

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)方案是在轉(zhuǎn)速為2 200 r/min的情況下，選取3個(gè)典型流量工況:0.8Qd、Qd和1.2Qd(Qd=32 L/s為設(shè)計(jì)流量工況)進(jìn)行壓力脈動(dòng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)試。在進(jìn)水池表面漩渦集中發(fā)生的位置，增加蓋板消除表面漩渦的干擾[13-14]。為避免采集設(shè)備在空載時(shí)可能存在的零點(diǎn)漂移值，更加準(zhǔn)確的測(cè)試出壓力的實(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[15-16]。由于進(jìn)水漩渦具有瞬時(shí)非穩(wěn)態(tài)性[17]，為能準(zhǔn)確的測(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3 s，設(shè)置采樣時(shí)間間隔ts為1 ms，即：采樣頻率為1 000 Hz，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)為27個(gè)，滿足數(shù)據(jù)采集條件[18-19]。大流量工況下，在漩渦發(fā)生開(kāi)始時(shí)開(kāi)始采集壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)。

大流量工況下進(jìn)水漩渦容易發(fā)生，在小流量和設(shè)計(jì)流量工況下均沒(méi)有進(jìn)水漩渦發(fā)生。圖3為在1.2Qd工況下采用高速相機(jī)得捕捉到的進(jìn)水漩渦。在大流量工況下水流從喇叭管四周進(jìn)入喇叭管，水流流速大，在進(jìn)水流場(chǎng)出現(xiàn)一條極細(xì)的不穩(wěn)定渦絲，伴隨著漩渦旋轉(zhuǎn)能量的不斷積聚，逐漸形成漩渦渦管， 發(fā)展延伸至喇叭管內(nèi)部，漩渦會(huì)在流場(chǎng)內(nèi)持續(xù)的發(fā)展移動(dòng)，進(jìn)水漩渦對(duì)流動(dòng)邊界條件非常敏感，形態(tài)轉(zhuǎn)瞬即變，會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)流態(tài)現(xiàn)象所導(dǎo)致的間斷，由于水流流場(chǎng)的不穩(wěn)定，在葉輪進(jìn)口漩渦部分或完全破裂，漩渦消失。

1-渦管圖3 進(jìn)水池底部漩渦Fig.3 The inlet vortex at the bottom of the pump sump

2.1 壓力脈動(dòng)時(shí)域特性分析

由于本文壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)多，限于篇幅限制，根據(jù)本文測(cè)試試驗(yàn)原理，在不同流量工況下在漩渦發(fā)生的位置從每個(gè)壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)面選取漩渦發(fā)生位置特征點(diǎn)進(jìn)行壓力脈動(dòng)時(shí)域特性分析，如圖4～6所示。因?yàn)楸疚母鳒y(cè)點(diǎn)壓力波動(dòng)幅度大，為了更好的分析壓力脈動(dòng)的時(shí)域特性，引入無(wú)量綱壓力脈動(dòng)系數(shù)[20]

(1)

2.1.1 葉輪進(jìn)口

圖4為不同流量工況下軸流泵葉輪進(jìn)口的壓力脈動(dòng)時(shí)域特性曲線。從圖4(a)、(b)、(c)中可以得到，不同流量工況下，葉輪進(jìn)口壓力皆呈周期性變化，每個(gè)周期內(nèi)壓力變化均具有4個(gè)波峰和4個(gè)波谷，這說(shuō)明葉輪進(jìn)口的壓力變化主要受葉輪的影響。小流量工況下，葉輪進(jìn)口壓力脈動(dòng)峰峰值Cp為0.081，如圖4(a)所示；設(shè)計(jì)流量工況下，葉輪進(jìn)口壓力脈動(dòng)峰峰值Cp為0.073，如圖4(b)所示；大流量工況下，葉輪進(jìn)口壓力脈動(dòng)峰峰值Cp為0.068，如圖4(c)所示。在小流量工況下，葉輪進(jìn)口的壓力脈動(dòng)時(shí)域曲線峰峰值變化最大，曲線形態(tài)最差，隨著流量的增大，壓力脈動(dòng)時(shí)域曲線峰峰值變化逐漸減小，曲線形態(tài)趨于規(guī)律的變化；大流量工況下壓力脈動(dòng)壓力曲線成近似正弦波動(dòng)變化，峰峰值最小，這是因?yàn)樵谛×髁抗r下，水流軸向速度小，水流黏滯力及周圍邊界因素對(duì)其影響度大，水流受其外界干擾流場(chǎng)不穩(wěn)定，伴隨著能量的大量耗散出現(xiàn)湍流流動(dòng)，壓力會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的脈動(dòng)；在大流量下工況下，葉輪進(jìn)口水流軸向速度大，水流黏滯力及周圍邊界因素對(duì)其影響度小，水流流態(tài)相對(duì)穩(wěn)定。

(a) 0.8Qd

(b) Qd

(c) 1.2Qd圖4 葉輪進(jìn)口時(shí)域圖Fig.4 Time-domain diagram of monitoring points at the impeller inlet

2.1.2 葉輪出口

圖5為不同流量工況下軸流泵葉輪出口的壓力脈動(dòng)時(shí)域特性曲線，葉輪出口的壓力變化相對(duì)于葉輪進(jìn)口更加紊亂，這是由于在葉輪出口水流受到葉輪和導(dǎo)葉之間的動(dòng)靜干涉的作用，靜止的導(dǎo)葉相對(duì)于旋轉(zhuǎn)的葉輪，作為一個(gè)激勵(lì)源會(huì)對(duì)葉輪出口水流產(chǎn)生周期性激勵(lì)，葉輪中的每一位置都經(jīng)歷來(lái)自靜止導(dǎo)葉的周期性作用力。在小流量工況下，葉輪出口的壓力脈動(dòng)時(shí)域曲線峰峰值變化最大，在一個(gè)葉輪周期內(nèi)具有2個(gè)波峰和2個(gè)波谷，葉輪出口壓力脈動(dòng)峰峰值Cp為0.137，如圖5(a)所示；隨著流量的增大，在設(shè)計(jì)流量工況下壓力脈動(dòng)時(shí)域曲線峰峰值變化逐漸減小，曲線形態(tài)趨于規(guī)律，在一個(gè)葉輪周期內(nèi)具有2個(gè)波峰和2個(gè)波谷，葉輪出口壓力脈動(dòng)峰峰值Cp為0.081，如圖5(b)所示；大流量工況下峰峰值最小，曲線形態(tài)最差，葉輪出口壓力脈動(dòng)峰峰值Cp為0.060，在不同葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的壓力波動(dòng)規(guī)律不同，如圖5(c)所示。

2.1.3 導(dǎo)葉出口

圖6為不同流量工況下軸流泵導(dǎo)葉出口的壓力脈動(dòng)時(shí)域特性。小流量工況下，導(dǎo)葉出口的壓力脈動(dòng)峰峰值Cp為0.081；設(shè)計(jì)流量工況下，葉輪進(jìn)口壓力脈動(dòng)峰峰值Cp為0.060；大流量工況下，葉輪進(jìn)口壓力脈動(dòng)峰峰值Cp為0.040。由于導(dǎo)葉的穩(wěn)流作用，在導(dǎo)葉出口的壓力脈動(dòng)幅度大幅減小。不同流量工況下，導(dǎo)葉出口的壓力皆呈周期性變化，每個(gè)周期內(nèi)壓力變化均具有2個(gè)波峰和2個(gè)波谷。在小流量工況下，導(dǎo)葉出口的壓力脈動(dòng)變化幅度大，這是由于小流量工況下，導(dǎo)葉出口軸向速度小，速度環(huán)量大，水流不穩(wěn)定；隨著流量的增大，導(dǎo)葉出口的軸向速度很大，出口速度環(huán)量變小，水流波動(dòng)趨于穩(wěn)定；大流量工況下，壓力脈動(dòng)幅度變小，小流量工況下壓力脈動(dòng)幅度約為大流量工況下壓力脈動(dòng)幅度的2倍。

(b) Qd

(c) 1.2Qd圖5 葉輪出口時(shí)域圖Fig.5 Time-domain diagram of monitoring points at the impeller outlet

(a) 0.8Qd

(b) Qd

(c) 1.2Qd圖6 導(dǎo)葉出口時(shí)域圖Fig.6 Time-domain diagram of monitoring points under small flow conditions

2.2 壓力脈動(dòng)頻域特性分析

將壓力脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)加窗傅里葉函數(shù)變換并通過(guò)Origin9.0軟件處理分別得到在三個(gè)典型不同流量工況點(diǎn)下的壓力脈動(dòng)頻域特性圖,如圖7～9所示。

(a) 葉輪進(jìn)口

(b) 葉輪出口

(c) 導(dǎo)葉出口圖7 小流量工況監(jiān)測(cè)點(diǎn)頻域圖Fig.7 Frequency-domain diagram of monitoring points under large flow conditions

2.2.1 小流量工況

如圖7所示，在小流量工況下，葉輪進(jìn)口壓力脈動(dòng)的主頻為4倍葉輪轉(zhuǎn)頻，這是由于葉輪進(jìn)口流場(chǎng)直接受葉輪旋轉(zhuǎn)作用，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使不同測(cè)點(diǎn)之間壓力脈動(dòng)主頻幅值變化均勻，葉輪進(jìn)口最大壓力脈動(dòng)幅值為0.017 2；葉輪出口壓力脈動(dòng)主頻為2倍葉輪轉(zhuǎn)頻，最大壓力脈動(dòng)幅值為0.022 6，與之前研究中指出的葉輪出口壓力脈動(dòng)主頻為葉頻不同。根據(jù)參考文獻(xiàn)，導(dǎo)葉葉片數(shù)對(duì)葉輪和導(dǎo)葉之間的壓力脈動(dòng)頻率基本沒(méi)有影響，但是葉輪與導(dǎo)葉之間做相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使葉輪與導(dǎo)葉之間存在很大的動(dòng)靜干涉作用，導(dǎo)致葉輪出口壓力脈動(dòng)受動(dòng)靜干涉的影響大于葉輪旋轉(zhuǎn)的影響，壓力脈動(dòng)主頻偏離葉頻為2倍葉輪轉(zhuǎn)頻。 導(dǎo)葉出口壓力脈動(dòng)主頻為2倍葉輪轉(zhuǎn)頻，導(dǎo)葉出口的壓力脈動(dòng)源為出口速度環(huán)量，小流量工況下導(dǎo)葉出口具有很大的速度環(huán)量導(dǎo)致導(dǎo)葉出口的壓力脈動(dòng)變化不同，出口流場(chǎng)的復(fù)雜性同時(shí)導(dǎo)致導(dǎo)葉出口存在低頻壓力脈動(dòng)影響出水水流的穩(wěn)定性。

2.2.2 設(shè)計(jì)流量工況

如圖8所示，設(shè)計(jì)流量工況下葉輪進(jìn)口壓力脈動(dòng)主頻為4倍葉輪轉(zhuǎn)頻，壓力脈動(dòng)最大幅值Cp為0.015 1；葉輪出口的壓力脈動(dòng)主頻為葉輪轉(zhuǎn)頻的2倍，壓力脈動(dòng)最大幅值Cp為0.017 5；導(dǎo)葉出口的壓力脈動(dòng)主頻為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的2倍，壓力脈動(dòng)最大幅值Cp為0.016 1。設(shè)計(jì)流量工況下葉輪進(jìn)口的壓力脈動(dòng)的激勵(lì)源為旋轉(zhuǎn)的葉輪，受葉輪的旋轉(zhuǎn)作用葉輪進(jìn)口的壓力脈動(dòng)主頻為葉頻，葉輪進(jìn)口的壓力脈動(dòng)變化均勻；葉輪出口的壓力脈動(dòng)的激勵(lì)源為葉輪與導(dǎo)葉之間的動(dòng)靜干涉作用，受動(dòng)靜干涉及出水流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化的影響，葉輪出口不同位置的壓力脈動(dòng)幅值呈現(xiàn)交替波動(dòng)變化的形式；出水水流經(jīng)過(guò)導(dǎo)葉的穩(wěn)流后，導(dǎo)葉出口的壓力脈動(dòng)幅度相較于小流量工況下導(dǎo)葉出口的壓力脈動(dòng)幅度明顯減小。

(a) 葉輪進(jìn)口

(b) 葉輪出口

(c) 導(dǎo)葉出口圖8 設(shè)計(jì)流量工況監(jiān)測(cè)點(diǎn)頻域圖Fig.8 Frequency-domain diagram of monitoring points under design flow conditions

2.2.3 大流量工況

如圖9所示，大流量工況下葉輪進(jìn)口壓力脈動(dòng)主頻為4倍葉輪轉(zhuǎn)頻，壓力脈動(dòng)最大幅值Cp為0.014 9；葉輪出口的壓力脈動(dòng)主頻為葉輪轉(zhuǎn)頻的2倍，壓力脈動(dòng)最大幅值Cp為0.011 2；導(dǎo)葉出口的壓力脈動(dòng)主頻為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的2倍，壓力脈動(dòng)最大幅值Cp為0.016 1。葉輪進(jìn)口的壓力相對(duì)于無(wú)漩渦流量工況時(shí)的脈動(dòng)情況紊亂。在葉輪進(jìn)口各測(cè)點(diǎn)之間壓力脈動(dòng)主頻的脈動(dòng)幅值會(huì)呈現(xiàn)交替的波動(dòng)，漩渦發(fā)生區(qū)域的P5、P6、P7測(cè)點(diǎn)之間存在著明顯的壓力梯度，這是因?yàn)檫M(jìn)水漩渦進(jìn)入葉輪中，對(duì)葉輪進(jìn)口的壓力場(chǎng)產(chǎn)生周期性的壓力脈動(dòng)激勵(lì)改變?nèi)~輪進(jìn)口的壓力分布，影響了葉輪內(nèi)的流場(chǎng)的水力穩(wěn)定性。伴隨著漩渦能量的耗散，漩渦消失，漩渦衰變消失后在漩渦發(fā)生位置的P7測(cè)點(diǎn)會(huì)再次出現(xiàn)壓力脈動(dòng)，直到漩渦徹底消失葉輪進(jìn)口的壓力分布趨于穩(wěn)定。在葉輪出口流場(chǎng)受導(dǎo)葉與葉輪之間的動(dòng)靜干涉作用存在低頻脈動(dòng)，由于導(dǎo)葉與葉輪之間的水流流動(dòng)環(huán)境的復(fù)雜性，葉輪出口的壓力脈動(dòng)異常紊亂，伴隨著葉輪出口的壓力脈動(dòng)能量的衰減，在衰減的過(guò)程中受葉輪旋轉(zhuǎn)的作用會(huì)出現(xiàn)周期性的壓力波動(dòng)。在導(dǎo)葉出口，出水流流速大，速度環(huán)量相對(duì)于0.8Qd流量工況下和Qd流量工況下的小，所以不同測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值相對(duì)于0.8Qd流量工況下和Qd流量工況下的壓力脈動(dòng)幅度明顯減小。圖9(a)中葉輪進(jìn)口P5、P6、P7測(cè)點(diǎn)在葉頻處發(fā)生明顯的壓力脈動(dòng)變化，可以得到進(jìn)水漩渦的發(fā)生頻率為葉頻，在水泵機(jī)組中，漩渦誘導(dǎo)的強(qiáng)烈振動(dòng)，一方面是交替應(yīng)力引起結(jié)構(gòu)疲勞，導(dǎo)致關(guān)鍵部件上產(chǎn)生裂紋；另一方面根據(jù)振動(dòng)學(xué)原理進(jìn)水漩渦的發(fā)生頻率一旦接近泵裝置的固有頻率會(huì)導(dǎo)致機(jī)組共振的發(fā)生。

(a) 葉輪進(jìn)口

(b) 葉輪出口

(c) 導(dǎo)葉出口圖9 大流量工況監(jiān)測(cè)點(diǎn)頻域圖Fig.9 Frequency-domain diagram of monitoring points under large flow conditions

2.3 不同斷面主頻幅值

圖10為不同流量工況下,軸流泵不同特征斷面壓力脈動(dòng)主頻幅值變化曲線。

(a) 葉輪進(jìn)口

(b) 葉輪出口

(c) 導(dǎo)葉出口圖10 軸流泵裝置壓力脈動(dòng)主頻幅值圖Fig.10 Main frequency amplitude diagram of pressure pulsation in axial flow pump unit

2.3.1 葉輪進(jìn)口

圖10(a)為葉輪進(jìn)口的壓力脈動(dòng)主頻幅值變化曲線。隨著流量的增大，葉輪進(jìn)口的壓力脈動(dòng)幅值逐漸減小，小流量工況下葉輪進(jìn)口的壓力脈動(dòng)幅值最大。在葉輪進(jìn)口，從測(cè)點(diǎn)P1到測(cè)點(diǎn)P8沿圓周方向的壓力脈動(dòng)變化先下降，并在P2到P5之間平穩(wěn)地波動(dòng)變化，在測(cè)點(diǎn)P6到測(cè)點(diǎn)P8的壓力脈主頻幅值先上升后下降，這是因?yàn)樵谌~輪后側(cè)旋轉(zhuǎn)水流與來(lái)水水流的混摻，導(dǎo)致在葉輪后側(cè)測(cè)點(diǎn)P7的位置會(huì)出現(xiàn)很大的壓力波動(dòng)。分別以葉輪進(jìn)口各流量工況下的壓力脈動(dòng)幅值平均值為基準(zhǔn)，小流量工況和設(shè)計(jì)工況流量及大流量下在測(cè)點(diǎn)P7處的壓力脈動(dòng)幅值相對(duì)于各自壓力脈動(dòng)幅值平均值分別增加了9.6%、15.1%、33.1%。大流量工況下，測(cè)點(diǎn)P7處的壓力脈動(dòng)增幅分別是小流量和設(shè)計(jì)流量在測(cè)點(diǎn)P7處壓力脈動(dòng)增幅的3倍和2倍，這是因?yàn)榇罅髁抗r下葉輪進(jìn)口測(cè)點(diǎn)P7受到進(jìn)水漩渦的影響，進(jìn)水漩渦的旋轉(zhuǎn)對(duì)周圍流場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)作用，誘發(fā)測(cè)點(diǎn)P7位置周圍的流場(chǎng)壓力產(chǎn)生劇烈的脈動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)P7處壓力脈動(dòng)幅值會(huì)出現(xiàn)急速增大，壓力脈動(dòng)傳遞到葉輪內(nèi)部進(jìn)而誘發(fā)水泵機(jī)組的振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生。

2.3.2 葉輪出口

圖10(b)為葉輪出口的壓力脈動(dòng)主頻幅值變化曲線。在小流量工況下，葉輪出口的壓力脈動(dòng)主頻幅值最大，隨著流量的增大壓力脈動(dòng)幅度減小。小流量工況和設(shè)計(jì)流量工況下，葉輪出口的壓力脈動(dòng)變化基本規(guī)律一致。受靜止導(dǎo)葉和旋轉(zhuǎn)葉輪之間周期性的相互干涉作用葉輪出口沿圓周方向壓力脈動(dòng)主頻幅值波動(dòng)大。在測(cè)點(diǎn)P14到測(cè)點(diǎn)P15之間葉輪出口的壓力脈動(dòng)變化情況發(fā)生了很大的變化，小流量工況和設(shè)計(jì)流量工況下在測(cè)點(diǎn)P14到測(cè)點(diǎn)P15之間沿圓周方向的壓力脈動(dòng)幅值快速增大，其相對(duì)于葉輪出口壓力脈動(dòng)幅值平均值分別增加了20.2%、12.3%。而大流量工況下在測(cè)點(diǎn)P14到測(cè)點(diǎn)P15之間沿圓周方向的壓力脈動(dòng)幅度快速下降，其相對(duì)于葉輪出口壓力脈動(dòng)幅值平均值減小了17.8%，這是因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)P14到測(cè)點(diǎn)P15之間為進(jìn)水漩渦發(fā)生區(qū)域，大流量工況下，進(jìn)水漩渦進(jìn)入水泵葉輪中，漩渦的旋進(jìn)變化改變了葉輪出口此位置的出水流態(tài)結(jié)構(gòu)，使此處的壓力脈動(dòng)幅度減小。這說(shuō)明進(jìn)水漩渦同樣影響葉輪出口壓力脈動(dòng)。

2.3.3 導(dǎo)葉出口

圖10(c)為導(dǎo)葉出口的壓力脈動(dòng)主頻幅值變化曲線。導(dǎo)葉出口的壓力脈動(dòng)主頻幅值相較于葉輪出口的壓力脈動(dòng)主頻幅值明顯減小，由于流量工況的不同導(dǎo)致在導(dǎo)葉出口壓力脈動(dòng)幅值隨流量的增大而減小，但不同流量工況下壓力脈動(dòng)主頻幅值變化趨勢(shì)一致，可以得到在導(dǎo)葉出口經(jīng)過(guò)導(dǎo)葉的穩(wěn)流作用，進(jìn)水漩渦對(duì)導(dǎo)葉出口的壓力脈動(dòng)的影響消失。

3 結(jié) 論

(1) 本文基于壓力脈動(dòng)特性試驗(yàn)，在開(kāi)敞式立式軸流泵裝置葉輪進(jìn)出口及導(dǎo)葉出口處安裝壓力脈動(dòng)傳感器測(cè)試了有無(wú)進(jìn)水漩渦工況下軸流泵葉輪進(jìn)出口及導(dǎo)葉出口處的壓力脈動(dòng)變化。

(2) 在1.2Qd工況下(即漩渦工況下)漩渦發(fā)生處葉輪進(jìn)口壓力壓力脈動(dòng)幅值為0.8Qd和Qd(無(wú)漩渦工況)增幅的3倍和2倍。水漩渦進(jìn)入葉輪中，對(duì)葉輪進(jìn)口的壓力場(chǎng)產(chǎn)生周期性的壓力脈動(dòng)激勵(lì)改變?nèi)~輪進(jìn)口的壓力分布，影響了葉輪內(nèi)的流場(chǎng)的水力穩(wěn)定性。

(3) 葉輪出口同樣受進(jìn)水漩渦的影響，大流量工況下受進(jìn)水漩渦的擾動(dòng)測(cè)點(diǎn)P15的壓力脈動(dòng)幅值相對(duì)于葉輪出口壓力脈動(dòng)幅值平均值減小了17.8%。在小流量工況和設(shè)計(jì)流量工況下測(cè)點(diǎn)P15的壓力脈動(dòng)幅值相對(duì)于葉輪出口壓力脈動(dòng)幅值平均值分別增加了20.2%、12.3%。