多工況空化條件下混流泵裝置壓力脈動試驗研究

陳 超，李彥軍，裴 吉，王文杰，吳天澄

(江蘇大學 國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

立式混流泵裝置由于技術(shù)成熟、電機工作環(huán)境好、檢修方便高效區(qū)寬，被廣泛應用于跨流域調(diào)水，調(diào)容蓄水等工程中。對于大型立式導葉式混流泵裝置，在非設計工況和空化條件時，效率降低，壓力脈動增大，水力振動危害增加。因此，研究多工況空化條件下泵裝置壓力脈動特性，對改進混流泵裝置設計、為混流泵安全穩(wěn)定運行性提供參考具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學者已對混流泵壓力脈動特性進行了深入研究[1-3]，但是關(guān)于混流泵裝置[4,5]壓力脈動特性的研究并不充分，尤其是在多工況空化條件下的混流泵裝置報道較少。李偉等[6]對不同流量工況下混流泵進行了壓力脈動試驗，發(fā)現(xiàn)壓力脈動主頻為葉輪葉片通過頻率;主頻隨著流量減小向高頻方向偏移，動靜干涉誘導的流體激振以及噪聲等高頻成分出現(xiàn)并逐漸增多；翟杰[7]等對低比轉(zhuǎn)數(shù)混流泵導葉內(nèi)部壓力脈動特性進行了研究，比較不同流量工況下混流泵性能的試驗與數(shù)計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)導葉內(nèi)部各測點壓力脈動主要受葉輪轉(zhuǎn)動影響；施衛(wèi)東等[8,9]基于粒子圖像測速技術(shù)(PIV)對混流泵內(nèi)部流場進行測量，分析了不同相位葉輪截面處的流線和速度分布以及小流量工況下的渦量分布；靳栓寶[10]等基 RANS 方程和 SST 湍流模型，應用 SIMPLEC 算法，對混流泵內(nèi)流場進行非定常數(shù)值模擬，分析了不同流量工況和不同轉(zhuǎn)速工況時混流泵內(nèi) 4個代表性監(jiān)測面上壓力脈動的時域和頻域特性，研究成果為揭示混流泵內(nèi)部壓力脈動規(guī)律提供了一定的理論參考。

上述針對混流泵壓力脈動研究主要集中在泵段方面，而且當前對混流泵壓力脈動的研究目前大多采用數(shù)值模擬[11-13]的方法，具有一定的可信度，但發(fā)生空化[14-16]時，泵裝置內(nèi)的流動極為復雜，數(shù)值模擬較難準確預測其真實規(guī)律。因此通過試驗測量方法，分析不同揚程時混流泵裝置各監(jiān)測點在不同空化條件下的壓力脈動響應，探究發(fā)生空化時混流泵裝置內(nèi)部壓力脈動特性規(guī)律。

1 試驗模型與試驗裝置

1.1 試驗模型

混流泵裝置模型結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,本次研究選取的模型泵裝置參數(shù)如下：設計流量Qd=358 L/s,設計揚程Hd=9.02 m,轉(zhuǎn)速n=1 359.4 r/min,比轉(zhuǎn)速ns=576。模型泵裝置的主要幾何參數(shù)為:葉輪葉片數(shù)Z=3，導葉葉片數(shù)Zd=7,泵進口段直徑D1=300 mm，葉輪直徑D2=320 mm,導葉出口直徑D3=350 mm，葉片外緣間隙C=0.15 mm，性能曲線如圖2所示。

圖1 模型泵裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 A schematic diagram of the structure of the model pump device

1.2 試驗設備

在江蘇大學國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心的水力機械四象限多功能試驗臺上開展混流泵裝置的壓力脈動試驗測量，該試驗臺效率綜合允許不確定度優(yōu)于±0.3%，試驗裝置系統(tǒng)如圖3所示，試驗設備主要由高壓罐、穩(wěn)流罐、模型泵裝置、電磁流量計等組成。壓力傳感器型號為CY200 高精度數(shù)字壓力傳感器，信號處理軟件為成都泰斯特公司研發(fā)的SmartSensor程序 。

為了滿足空化試驗及水洞試驗時溶氣的需要，本試驗臺采用立式結(jié)構(gòu)。流量測量位于-2.6 m層面，以保證各種工況下流量測量的準確性。流量采用德國科隆智能電磁流量計測量。流量計在國家級計量單位進行率定，測量精度優(yōu)于±0.2%。流量計水平布置，其前后直管段長度滿足安裝大于5倍管路直徑要求；揚程測量采用日本橫河EJA智能差壓變送器，測量為0～25 m，裝置模型試驗揚程測點位于進出口水箱上。經(jīng)原位率定揚程傳感器測量不確定度優(yōu)于±0.1%。

圖2 模型泵裝置效率與揚程實測特性曲線Fig.2 The measurement characteristic curve of the efficiency and head of the model pump device

2 試驗方法

2.1 壓力脈動試驗

依據(jù)標準GB/T 17189-2007《水力機械振動和脈動現(xiàn)場測試規(guī)程》。該實驗用虛擬儀器和高頻壓力傳感器對靠近壁面處的葉輪進口C1、葉輪出口C2和導葉出口C3三個壓力監(jiān)測點進行了信號采集，如圖4所示。試驗對葉片安放角0°測定了監(jiān)測點在3個不同揚程工況點：低揚程工況(5.0 m)、設計揚程工況(9.02 m)、高揚程工況(11.5 m)分別在未發(fā)生空化(水泵效率下降0%)、臨界空化(水泵效率下降1%)、深度空化(水泵效率下降3%)附近的壓力信號，共27組數(shù)據(jù)，為防止信號的混疊[17]，采樣頻率為2 000 Hz ,采樣時間為20 s。

1-高壓罐；2-穩(wěn)流罐；3-模型泵裝置；4-蝶閥；5-電磁流量計；6-輔助泵；7-低壓罐圖3 泵試驗臺布置圖Fig.3 Layout of the pump test system

2.2 空化試驗

在模型泵的工作范圍內(nèi)，對包括小流量點、規(guī)定流量點及大流量點在內(nèi)的每個水泵模型的每個葉片角度作5個工況點的空化試驗。模型泵裝置臨界空化余量變化曲線如圖5所示，根據(jù)各葉片角度多工況點實際試驗，臨界空化余量在正角度和較低揚程運行工況下數(shù)值較高。在0°葉片角度下，其最高凈揚程11.25 m的臨界空化余量為10.55 m。

圖4 監(jiān)測點和壓力傳感器位置Fig.4 Location of monitoring points and pressure transmitters

圖5 模型泵裝置臨界空化余量變化曲線Fig.5 Change curve of critical cavitation allowance in model pump device

3 試驗結(jié)果分析

3.1 壓力脈動信號時域分析

試驗轉(zhuǎn)速為1 359.4 r/min，通過試驗測量獲得了混流泵葉輪進口、葉輪出口、導葉出口監(jiān)測點的壓力脈動幅值，引入無量綱參數(shù)：壓力系數(shù)Cp來表示其結(jié)果[17],其表達式為：

(1)

定義葉輪旋轉(zhuǎn)周期數(shù)[17]：

N=t/T

(2)

式中:t為信號時間長度;T為葉輪旋轉(zhuǎn)一圈的時間。

對葉輪旋轉(zhuǎn)5個周期的壓力脈動值做時域分析，如圖 6所示。

在各個工況下葉輪進口測點C1處的壓力脈動曲線在一個周期內(nèi)均為平穩(wěn)的近似正弦曲線，呈現(xiàn)明顯的周期性波動，這表明進口處的壓力脈動受葉輪旋轉(zhuǎn)影響較大。以5 m-0表示5 m揚程點下未發(fā)生空化時的狀態(tài)，則5 m-1%表示5m揚程點下空化余量下降到臨界空化余量時的狀態(tài)，則5 m-3%表示5m揚程點下空化余量下降到深度空化余量時的狀態(tài)。由圖6可得出葉輪出口處一個周期內(nèi)壓力脈動曲線諧波數(shù)與不同工況的關(guān)系，如表1所示。

表1 葉輪出口空化狀態(tài)與諧波數(shù)的關(guān)系Tab.1 The relationship between the cavitation state and the number of harmonics at the impeller outlet

由表1結(jié)合圖6可以看出:在葉輪出口C2處，相同的空化狀態(tài)下，隨著揚程的增加每個周期內(nèi)的諧波個數(shù)隨之增加；相同揚程點下，空化余量越小，諧波數(shù)隨之遞減;在每個周期內(nèi)主波峰和波谷數(shù)與葉輪葉片數(shù)3一致，而諧波的個數(shù)隨工況的變化而變化，說明葉片旋轉(zhuǎn)對葉輪出口處的壓力脈動起主導作用，諧波的產(chǎn)生與葉輪和導葉的動靜干涉有很大關(guān)系。對比文獻[17]可以發(fā)現(xiàn)：文獻[17]并沒有明顯體現(xiàn)出諧波峰的出現(xiàn)，文獻[17]中所使用的軸流泵在葉輪出口處葉輪與導葉的動靜干涉作用也應存在，原因可能是除了動靜干涉的影響外，還有過流方式的影響：混流泵的葉片在旋轉(zhuǎn)時，葉片對流體在徑向方向仍有做功，流體對壁面的撞擊作用比文獻[17]強烈很多，在一個周期內(nèi)主波峰的個數(shù)為3個與葉片數(shù)相一致，而諧波峰的個數(shù)與工況的關(guān)系還有待于進一步研究；隨著流體向?qū)~出口運動，動靜干涉作用減弱，導葉出口監(jiān)測點C3處表現(xiàn)出和葉輪進口C1處相類似的壓力脈動情況：幅值明顯比葉輪出口處低，諧波消失；在相同的空化情況下，隨著揚程的升高，導葉出口處的壓力脈動曲線一個周期內(nèi)的波峰和波谷數(shù)有隨之增多的趨勢；與葉輪進口相比，導葉出口處的脈動曲線波峰和波谷變得更尖銳，波形變的更加陡峭和不平滑。

3.2 壓力脈動信號頻域分析

為更好地分析混流泵內(nèi)部的壓力脈動規(guī)律，對時域信號進行快速傅里葉變換(FFT)并進行頻譜分析，如圖7所示；定義葉輪的葉片轉(zhuǎn)動頻率為：

(3)

由圖7可以看出：在5 m揚程和9.02 m揚程工況時，葉輪進口測點C1的壓力脈動主頻在不同空化情況下分頻很少、主頻特征明顯且均集中在中低頻區(qū)域、幅值較小,說明葉輪進口處的流體流動平穩(wěn)，受回流、渦流等的影響較小。但是，在11.5 m高揚程工況時，葉輪進口測點C1處出現(xiàn)了幅值較低的諧波信號，主頻集中在中低頻，雖然幅值較小，但與其他揚程工況點相比差異明顯，原因可能是在高揚程小流量工況下，流量的減小造成管路內(nèi)流體不穩(wěn)定因素增多，回流、脫流等二次流現(xiàn)象等對流體的流動產(chǎn)生了較嚴重的影響。葉輪出口測點C2處主頻在各個揚程點和不同的空化情況下均清晰地呈現(xiàn)出葉頻的影響，壓力脈動頻譜的主頻出現(xiàn)在2倍導葉葉頻、3倍導葉葉頻和4倍導葉頻處。在葉輪出口監(jiān)測點C2處的壓力脈動諧波信號均出現(xiàn)在最高峰值附近，雖然幅值比最高峰值低很多，但是分頻情況復雜，最高峰值和二次峰值、三次峰值的個數(shù)都是唯一的，原因可能是最高峰值的產(chǎn)生是由于相同頻率的波干涉產(chǎn)生的，由于葉輪和導葉的動靜、葉頂泄漏渦等的影響，產(chǎn)生了很多相同頻率的諧波，但某一頻率的諧波出現(xiàn)的最多從而互相干涉導致了最高峰值的產(chǎn)生，而另一種某一頻率的諧波出現(xiàn)的次數(shù)僅比最高峰值少，互相干涉從而導致了二次峰值的出現(xiàn)；在11.5 m高揚程工況時，空化余量下降到臨界空化余量時，各個波峰之間的幅值差較其他工況小，受葉頻周期影響的痕跡更明顯。導葉出口監(jiān)測點C3處的壓力脈動諧波主頻和幅值與葉輪進口監(jiān)測點C1處相似:在C1處主頻出現(xiàn)時對應的葉頻倍數(shù)附近，C3處在相應地葉頻倍數(shù)也出現(xiàn)了主頻峰值；但是導葉出口C3處的主頻分頻情況明顯比葉輪進口C1處的復雜，幅值也較葉輪進口高，可能是葉輪與導葉間的動靜干涉影響未完全消失造成的。

圖6 不同揚程工況下不同空化情況壓力脈動時域圖Fig.6 Time domain diagram of pressure fluctuation with different cavitation conditions under different head conditions

圖7 不同揚程工況下不同空化情況壓力脈動頻域圖Fig.7 Frequency domain diagram of pressure fluctuation with different cavitation conditions under different head condition

4 結(jié) 論

(1) 葉輪進口和導葉出口的脈動幅值比葉輪出口小很多，導葉出口處的壓力脈動曲線幅值約為葉輪進口處的2～3倍，波峰和波谷數(shù)均比葉輪進口處多；葉輪出口的主波峰和波谷數(shù)與葉片數(shù)相一致，但是主波的諧波數(shù)與不同的揚程工況和空化情況存在一定的數(shù)學關(guān)系，內(nèi)在影響機理有待通過數(shù)值模擬等方法進一步研究。

(2) 葉輪出口處的壓力脈動主要受葉輪主頻和與導葉動靜干涉的影響，葉輪葉頻起主導作用。葉輪進口和導葉出口由于流道的導流作用，壓力脈動較為平穩(wěn)，呈現(xiàn)相似的諧頻特性，諧頻的產(chǎn)生可能和泵體外電機等的因素影響有關(guān)。

(3) 在相同的空化情況下，隨著揚程的增高，不同監(jiān)測點的主頻區(qū)域均逐漸向高頻區(qū)域移動且諧頻的寬度也隨著揚程的增加而增加；在同一揚程工況點下，隨著空化余量的降低，不同監(jiān)測點下的主頻區(qū)域均向低頻方向移動，主頻信號的幅值增加且諧頻寬度隨著空化余量的降低而變寬。