工程試驗堆主泵壓力脈動及振動特性試驗研究*

周 強 李宏坤 范振芳 牛紅軍 孫世文

（1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2.沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)核電泵業(yè)有限公司）

0 引言

中國工程試驗堆是一種高性能、高安全性、多用途的高通量工程試驗堆[1]。工程試驗堆主泵是試驗堆冷卻劑系統(tǒng)重要的壓力邊界設(shè)備之一，可以保證試驗堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的結(jié)構(gòu)完整性。試驗堆主泵在運行過程中，不穩(wěn)定的壓力脈動會嚴(yán)重影響主泵的安全穩(wěn)定運行，使泵產(chǎn)生振動、噪聲，嚴(yán)重時會損害設(shè)備，引發(fā)核事故，甚至造成核泄漏[2-4]。因此，開展針對工程試驗堆主泵的壓力脈動和振動特性的研究，對于提高反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性具有實際意義。

Guo等[5]試驗研究了某離心泵內(nèi)葉輪所受的壓力脈動及由此引起的振動，發(fā)現(xiàn)由離心泵內(nèi)壓力脈動的圓周不均勻性產(chǎn)生的邊頻也會發(fā)生葉輪共振。張德勝等[6]對某軸流泵不同轉(zhuǎn)速下的壓力脈動以及振動特性進(jìn)行了分析。吳登昊等[7]對某管道離心泵非定常壓力脈動進(jìn)行了數(shù)值模擬，并結(jié)合振動試驗探究了壓力脈動與振動的關(guān)系，研究表明壓力脈動是引起管道泵振動的主要激勵源。郭維等[8]對某船用離心泵的壓力脈動和振動進(jìn)行了同步采集，計算并比較了不同測點壓力脈動信號和振動信號的相干系數(shù)，分析了壓力脈動對振動的貢獻(xiàn)。高波等[14]對某離心泵蝸殼壓力脈動和振動關(guān)系進(jìn)行信號識別，壓力脈動信號與泵體振動信號在各個基頻處具有很強的相干性。

當(dāng)前針對試驗堆主泵進(jìn)出口管道內(nèi)壓力脈動對主泵振動的影響研究并不充分。本文試驗同步采集不同流量工況下某工程試驗堆主泵樣機(jī)進(jìn)出口管道的壓力脈動及主泵振動監(jiān)測點振動信號。綜合有效值對比和頻譜分析方法，分析壓力脈動及振動特征，并通過相關(guān)分析進(jìn)一步探究壓力脈動和振動信號之間的關(guān)系，研究成果可為降低主泵壓力脈動和振動提供參考，從而達(dá)到提高主泵安全運行穩(wěn)定的目的。

1 試驗設(shè)置及測試方法

本次試驗對象為某工程試驗堆主泵樣機(jī)，該泵采用垂直吸入、水平吐出的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，其設(shè)計轉(zhuǎn)速為1 480r/min，工作時由電機(jī)驅(qū)動，主泵內(nèi)部旋轉(zhuǎn)葉輪葉片數(shù)設(shè)計為4。

試驗在沈陽股風(fēng)機(jī)集團(tuán)核電泵業(yè)有限公司某工程試驗堆主泵閉式試驗臺上進(jìn)行，試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，試驗回路由試驗主泵、流量調(diào)節(jié)閥、穩(wěn)壓罐和管道回路組成，進(jìn)口壓力由壓力變送器測取，測量精度達(dá)0.1級，出口流量由噴嘴流量計讀出，測量精度達(dá)0.5級，試驗臺精度滿足試驗測量要求。

圖1 試驗回路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test loop

為研究主泵進(jìn)出口處的壓力脈動對主泵振動的影響，同時對比同一管道截面不同測點處壓力脈動，分別在進(jìn)出口管道同一橫截面布置2個相互垂直的壓力脈動監(jiān)測點（PiX，PiY，PoX，PoZ），壓力脈動測點布置如圖2所示。在泵的驅(qū)動側(cè)軸承，非驅(qū)動側(cè)軸承分別布置三個方向的振動監(jiān)測點（QX，QY，QZ，F(xiàn)X，F(xiàn)Y，F(xiàn)Z），振動測點布置如圖3所示。

圖2 進(jìn)出口壓力脈動測點布置Fig.2 Points arrangement of the pressure pulsation

圖3 振動監(jiān)測點布置Fig.3 Points arrangement of the vibration

試驗過程中，壓力脈動采用美國PCB公司生產(chǎn)的116B電荷輸出型壓力脈動傳感器搭配PCB Model 422E03電荷轉(zhuǎn)換器測量，傳感器共振頻率高達(dá)60kHz，滿足試驗中壓力脈動的動態(tài)測量。振動測量采用B&K 4534B單向加速度傳感器，頻率范圍寬（0.2～12800Hz），噪聲低，輕質(zhì)、堅固、密封的鈦合金外殼和絕緣底座使其能夠在惡劣環(huán)境中使用。試驗測試前所有測量傳感器均進(jìn)行過校準(zhǔn)驗證，保證傳感器數(shù)據(jù)拾取的準(zhǔn)確性。采用B&K 3053采集卡作為數(shù)據(jù)采集硬件，應(yīng)用Time Data Recorder為數(shù)據(jù)采集軟件。

2 結(jié)果與討論

對于試驗采集的壓力脈動信號，壓力脈動幅值采用無量綱量——壓力波動系數(shù)表征，壓力波動系數(shù)[9]的定義如下：

式中,ρ為壓力脈動，Pa；ρ為流體介質(zhì)密度，kg/m3；μ為葉輪出口處圓周速度，m/s。

2.1 時域分析

根據(jù)GB/T 29531-2013《泵的振動測量與評價方法》，選擇頻率范圍為10～1 000Hz的振動有效值進(jìn)行評價。將試驗采集的振動加速度信號積分到速度并計算其有效值。

圖4 振動有效值對比Fig.4 Comparison of RMS of vibration

圖5 壓力脈動有效值對比Fig.5 Comparison of RMS of pressure pulsation

圖4所示為不同流量工況下主泵振動監(jiān)測點的振動有效值對比，不同流量工況下，振動監(jiān)測點QY和FY的振動有效值最大，且隨著流量的增大，振動有效值減小。圖5所示為不同流量工況下主泵進(jìn)出口壓力脈動的有效值對比，出口明顯比進(jìn)口管道的壓力脈動波動強度大。在相同流量工況下，進(jìn)出口管道同一截面不同測點位置處的有效值幾乎相同，初步認(rèn)為主泵進(jìn)出口管道內(nèi)的周向流動一致。隨著流量的增大，出口管道內(nèi)壓力脈動波動強度逐漸降低。進(jìn)口管道內(nèi)壓力脈動波動強度在設(shè)計工況最小。

2.2 頻域分析

為進(jìn)一步分析壓力脈動和主泵振動信號的特征頻率成分及其隨流量的變化規(guī)律，分別對其時域信號進(jìn)行快速傅里葉變換，計算得到頻譜。其中，橫坐標(biāo)采用斯特勞哈爾數(shù)（St）對坐標(biāo)頻率進(jìn)行無量綱處理，定義如下。

式中,fBPF為葉片通過頻率，Hz。由時域有效值對比分析可知，在主泵QY和FY點處振動強度最大，圖6所示為其振動頻譜圖，兩個振動監(jiān)測點的頻譜特性幾乎一致，主要特征頻率以葉頻和2倍葉頻為主。進(jìn)一步對比發(fā)現(xiàn)，兩個振動監(jiān)測點的頻譜特性隨流量的變化規(guī)律也一致：隨著流量的增大，振動葉頻幅值逐漸減小，2倍葉頻幅值逐漸增大。

圖6 振動監(jiān)測點頻譜（QY，F(xiàn)Y）Fig.6 Spectrum of vibration at QY and FY

圖7所示為主泵進(jìn)出口處壓力脈動的頻譜圖，進(jìn)出口管道內(nèi)壓力脈動主要特征頻率幾乎一致，出口壓力脈動特征頻率幅值明顯比進(jìn)口大，壓力脈動特征頻率主要以葉頻和2倍葉頻率為主，進(jìn)口處葉通頻幅值在設(shè)計工況時最小。隨著流量的增大，主泵出口處葉頻幅值逐漸減小，進(jìn)出口處的2倍葉頻幅值均隨流量增大而增大。

圖7 壓力脈動頻譜（PiX，PoX）Fig.7 Spectrum of pressure pulsation at PiX and PoX

對比不同流量工況主泵進(jìn)出口管道內(nèi)的壓力脈動與主泵振動監(jiān)測點頻譜特性不難看出，振動和壓力脈動的主要特征頻率幾乎一致，關(guān)鍵特征頻率及其隨流量變化趨勢相同。說明主泵進(jìn)出口壓力脈動和主泵振動有一定的相關(guān)性，進(jìn)出口壓力脈動對主泵振動有一定的影響。

2.3 相干分析

為進(jìn)一步探究主泵進(jìn)出口壓力脈動與主泵振動之間的關(guān)聯(lián)程度，將進(jìn)出口管道內(nèi)的壓力脈動信號和主泵振動監(jiān)測點的振動信號進(jìn)行相干分析。相干函數(shù)是在頻域上描述系統(tǒng)輸入和輸出的兩個信號相關(guān)程度的實值函數(shù)[10-11]。相干函數(shù)的定義如下，

式中，Cxy(f)為信號x(t)和y(t)的相干函數(shù)值;Pxy(f)為信號x(t)和y(t)互功率譜;Pxx(f)為信號x(t)的自功率譜;Pyy(f)為信號y(t)的自功率譜。

信號相干函數(shù)Cyy(f)的取值范圍在0～1之間，相干函數(shù)值的大小反映了兩個信號各個頻率之間的關(guān)聯(lián)程度，相干函數(shù)值越大，表明在該頻率下的相干性越強。在工程應(yīng)用中，由于測試系統(tǒng)總會收到噪聲或其他不相關(guān)信號輸入的影響，兩個測試信號的相干函數(shù)通常小于1。當(dāng)計算得到的相干函數(shù)值大于0.75時，表明兩信號在該頻率具有高相干性[12-13]。將試驗采集的壓力脈動信號為輸入信號，振動信號為輸出信號，計算兩者的相干函數(shù)，得到如圖8所示的相干函數(shù)曲線。

圖8 壓力脈動與振動相干分析Fig.8 Correlation analysis of pressure pulsation and vibration

從圖中可以看出，壓力脈動與振動信號在葉通頻及其倍頻處相干函數(shù)值遠(yuǎn)大于0.75，幾乎接近1，表明壓力脈動與振動信號的主要特征頻率具有很強的相干性，可以說明壓力脈動是造成主泵振動的主要原因。

為進(jìn)一步量化對比其相干性，結(jié)合頻域分析結(jié)果，表1和表2分別給出不同流量工況下，進(jìn)出口壓力脈動測點（PiX，PoX）與振動監(jiān)測點（QY，F(xiàn)Y）在主要特征頻率上的相干系數(shù)。

表1 進(jìn)口壓力脈動與振動監(jiān)測點的相干系數(shù)Fig.1 The correlation coefficient of inlet pressure pulsation and vibration measuring points

表2 出口壓力脈動與振動監(jiān)測點的相干系數(shù)Fig.2 The correlation coefficient of outlet pressure pulsation and vibration measuring points

不同流量下，壓力脈動與驅(qū)動端振動監(jiān)測點在葉頻和2倍葉頻處的相干系數(shù)均略微大于非驅(qū)動端振動監(jiān)測點。在0.6Qd工況下，在驅(qū)動端監(jiān)測點3倍葉頻的相干系數(shù)小于非驅(qū)動端監(jiān)測點，而在1.0Qd和1.4Qd工況下，相干系數(shù)在驅(qū)動端振動監(jiān)測點更大。綜合以上分析，可以認(rèn)為壓力脈動對驅(qū)動端振動的影響比非驅(qū)動端更加顯著。

不同流量下，對比進(jìn)出口壓力脈動在主要特征頻率處對相同振動監(jiān)測點相干系數(shù)的大小發(fā)現(xiàn)，在葉頻處，進(jìn)口壓力脈動與振動的相干系數(shù)均略大于出口壓力脈動相干系數(shù)。在1.4Qd流量工況下，進(jìn)口壓力脈動與振動的相干系數(shù)在各主要特征頻率下均比出口大。綜合以上分析，可以認(rèn)為進(jìn)口壓力脈動對主泵振動的影響大于出口壓力脈動。

3 結(jié)論

本文通過對某工程試驗堆主泵壓力脈動及振動開展試驗研究，分析其時域和頻域特征，并通過相干分析建立壓力脈動與振動的關(guān)系，主要結(jié)論如下：

1）工程試驗堆主泵出口壓力脈動比進(jìn)口壓力脈動波動強度大，在流體流出方向主泵振動強度最大。隨著流量的增大，壓力脈動波動強度和振動強度均減小。

2）工程試驗堆主泵壓力脈動與振動主要特征頻率以葉頻和2倍葉頻為主，主要特征頻率幅值隨流量變化趨勢相同。

3）工程試驗堆主泵壓力脈動信號與振動信號在葉頻及其倍頻處具有很強的相干性，可以認(rèn)為壓力脈動是造成主泵振動的主要原因，且進(jìn)出口壓力脈動對主泵振動的貢獻(xiàn)量存在差異。