基于裝置模型試驗(yàn)的斜式軸流泵壓力脈動(dòng)特性分析

汪寶羅，朱建忠，張弋揚(yáng)，潘利國(guó)，何成連

（1.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310002；2.嘉興市杭嘉湖南排工程管理服務(wù)中心，浙江 嘉興 314001；3. 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

1 問(wèn)題的提出

浙江省近年來(lái)建設(shè)了數(shù)座單機(jī)50 m3/s的大型斜式軸流泵站，其運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性直接關(guān)系到當(dāng)?shù)胤篮榕艥嘲踩Ｐ笔捷S流泵在國(guó)內(nèi)應(yīng)用案例非常少，發(fā)展相比國(guó)外晚近50 a，我國(guó)從20世紀(jì)80年代末期才開(kāi)始陸續(xù)在各大泵站應(yīng)用[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)的斜式泵站有：內(nèi)蒙古紅圪卜、上海太浦河、江蘇省新夏港、湖南省黃蓋湖和蘇家吉、浙江省嘉興鹽官、杭州三堡、廣東省文頭嶺等。因斜式軸流泵的流道彎曲，已經(jīng)運(yùn)行的泵站出現(xiàn)左、右流道偏流嚴(yán)重等問(wèn)題，這種流動(dòng)現(xiàn)象也在過(guò)去的研究中得到體現(xiàn)。施衛(wèi)東[2-3]等認(rèn)為斜式泵出水流道的流態(tài)有待提高，仇寶云等[4]認(rèn)為無(wú)論什么泵型，出水流道均存在回流，導(dǎo)致左右流道流量不均衡。謝麗華等[5-9]通過(guò)裝置模型試驗(yàn)和CFD優(yōu)化研究中對(duì)斜式泵出水流道的流動(dòng)特性進(jìn)行驗(yàn)證和改良。

為了進(jìn)一步探求斜式軸流泵的流動(dòng)特性，浙江省對(duì)新建的斜式軸流泵站開(kāi)展一系列CFD模擬及裝置模型試驗(yàn)工作。本文基于浙江省建設(shè)的幾個(gè)不同傾斜角度斜式軸流泵裝置的模型試驗(yàn)，對(duì)斜式軸流泵的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，對(duì)幾個(gè)共性問(wèn)題進(jìn)行分析，總結(jié)該泵型的水壓力脈動(dòng)規(guī)律。

2 斜式軸流泵裝置模型試驗(yàn)

浙江省三堡、八堡、長(zhǎng)山河、鹽官這4座泵站的斜式泵裝置模型試驗(yàn)均在中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司試驗(yàn)臺(tái)完成。因此，上述各泵站的裝置模型試驗(yàn)具有同臺(tái)試驗(yàn)環(huán)境[10]和相同的系統(tǒng)誤差，試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析具有說(shuō)服力。

斜式軸流泵水壓力脈動(dòng)測(cè)試采用中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所的G01型多功能USB高級(jí)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，CGYL-201型高精度水壓脈動(dòng)傳感器，輸出與水壓力成正比的電壓信號(hào)，量程為-10~20 m，動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍0~1 500 Hz，使用DRUCK標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)現(xiàn)場(chǎng)靜態(tài)原位率定。

圖1為中水北方公司軸流泵試驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)示意圖；圖2為八堡泵站裝置模型試驗(yàn)照片圖；圖3為八堡泵站裝置流道型線圖。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)示意圖

圖2 八堡泵站裝置模型試驗(yàn)照片圖

圖3 八堡泵站進(jìn)、出水流道單線圖 單位：cm

3 測(cè)點(diǎn)分布

根據(jù)斜式軸流泵流道的特點(diǎn)，在其轉(zhuǎn)輪進(jìn)口、轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉之間、導(dǎo)葉出口、出水流道彎管、左側(cè)出水流道、右側(cè)出水流道布置水壓脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)。各測(cè)點(diǎn)的位置、符號(hào)見(jiàn)表 1。測(cè)點(diǎn)布置照片見(jiàn)圖4[11]。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置照片圖

表1 測(cè)點(diǎn)位置表

4 斜式軸流泵壓力脈動(dòng)特性研究

轉(zhuǎn)動(dòng)葉片與靜止導(dǎo)葉間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、偏離最優(yōu)工況時(shí)吸水室水流圓周運(yùn)動(dòng)、局部空化及二次流等因素，都可能導(dǎo)致泵內(nèi)水壓力隨時(shí)間不斷快速變化，即出現(xiàn)壓力脈動(dòng)。壓力脈動(dòng)的最大危害是產(chǎn)生水力激振，同時(shí)還可引發(fā)進(jìn)一步局部空化，甚至在某些情況下引發(fā)共振[12]。因此，壓力脈動(dòng)是影響大型軸流泵運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，也是泵裝置試驗(yàn)階段需要特別關(guān)注的內(nèi)容。

水泵壓力脈動(dòng)研究開(kāi)展較晚，始于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)將壓力脈動(dòng)看作隨機(jī)信號(hào)處理。隨著研究深入后發(fā)現(xiàn)，水泵壓力脈動(dòng)與振動(dòng)、噪音有著密切聯(lián)系，了解壓力脈動(dòng)在不同工況下的類型有助于控制、降低壓力脈動(dòng)，從而達(dá)到提高泵系統(tǒng)工作品質(zhì)，降低振動(dòng)、噪音的目的[13]。因此，為避免因壓力脈動(dòng)而引發(fā)的水力振動(dòng)，有必要對(duì)斜式軸流泵壓力脈動(dòng)的規(guī)律進(jìn)行研究。

壓力脈動(dòng)研究不同于能量特性研究，目前的CFD技術(shù)已經(jīng)可以通過(guò)優(yōu)化后的湍流模型，較為準(zhǔn)確地模擬斜式泵的能量特性，但是壓力脈動(dòng)特性的計(jì)算需要通過(guò)非定常模擬，計(jì)算工作量龐大，且計(jì)算的準(zhǔn)確性也有待檢驗(yàn)。因此，目前壓力脈動(dòng)的研究主要還是依托裝置模型試驗(yàn)，壓力脈動(dòng)試驗(yàn)也是整個(gè)裝置模型試驗(yàn)中最困難的部分。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：流道不同位置的壓力脈動(dòng)強(qiáng)弱不一，流態(tài)好的位置壓力脈動(dòng)比較清晰，反之壓力脈動(dòng)表現(xiàn)得較為混亂，為壓力脈動(dòng)規(guī)律性總結(jié)工作造成較大的難度。

長(zhǎng)山河、鹽官、八堡3個(gè)斜式軸流泵站在裝置模型試驗(yàn)期間，均開(kāi)展壓力脈動(dòng)的研究，這些研究包括轉(zhuǎn)輪進(jìn)口、轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉之間、導(dǎo)葉出口、左側(cè)出水流道、右側(cè)出水流道等部位。通過(guò)對(duì)這些測(cè)點(diǎn)不同工況下的壓力脈動(dòng)進(jìn)行整理與分析，發(fā)現(xiàn)有2處測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)在不同工況下呈現(xiàn)較強(qiáng)的規(guī)律性：其一為導(dǎo)葉出口處的壓力脈動(dòng)，其二為出水流道左側(cè)壓力脈動(dòng)。經(jīng)對(duì)長(zhǎng)山河這2個(gè)位置的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，結(jié)果見(jiàn)圖5~6。

圖5 各揚(yáng)程下導(dǎo)葉出口壓力脈動(dòng)與葉片角度關(guān)系圖

圖6 各揚(yáng)程下左側(cè)出水流道壓力脈動(dòng)與葉片角度關(guān)系圖

從圖5~6中可見(jiàn)：

（1）導(dǎo)葉出口處壓力脈動(dòng)呈現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性，在相同揚(yáng)程下，葉片角度越大，壓力脈動(dòng)越大。

（2）同一葉片角度、不同揚(yáng)程下，壓力脈動(dòng)值呈現(xiàn)出兩頭高、中間低的現(xiàn)象，即高揚(yáng)程和低揚(yáng)程下，壓力脈動(dòng)大，中間揚(yáng)程壓力脈動(dòng)小。壓力脈動(dòng)最小的區(qū)域?yàn)檠b置效率最高的區(qū)域。以長(zhǎng)山河泵站為例，裝置效率最高的區(qū)域?qū)?yīng)的揚(yáng)程為7.5~6.6 m，該區(qū)域也是壓力脈動(dòng)最小的區(qū)域。

（3）出水流道左側(cè)的壓力脈動(dòng)值也呈現(xiàn)較好的規(guī)律性，與導(dǎo)葉出口處類似。在相同揚(yáng)程下，葉片角度越大，壓力脈動(dòng)越大，其數(shù)值與導(dǎo)葉出口處的壓力脈動(dòng)相比，大幅減弱。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于同臺(tái)試驗(yàn)具有的數(shù)據(jù)對(duì)比優(yōu)勢(shì)，通過(guò)總結(jié)幾座在中水北方試驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展同臺(tái)試驗(yàn)的斜式軸流泵的裝置模型試驗(yàn)成果，獲得上述斜式軸流泵的壓力脈動(dòng)規(guī)律性，基于這些成果，提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）在水泵選型階段，讓水泵經(jīng)常運(yùn)行的工況點(diǎn)盡量處于最高效率區(qū)附近，有助于提高機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）當(dāng)泵組偏離最高效率區(qū)運(yùn)行時(shí)，為了降低壓力脈動(dòng)引起的機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題，可以通過(guò)變槳技術(shù)，將水泵槳葉往小角度進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，以此降低壓力脈動(dòng)數(shù)值，提高機(jī)組運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

（3）泵站現(xiàn)場(chǎng)對(duì)真機(jī)開(kāi)展壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)，測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇在導(dǎo)葉出口和左側(cè)出水流道，這2個(gè)位置可獲取較清晰的壓力脈動(dòng)信號(hào)。

（4）受出水流道2次轉(zhuǎn)彎的影響，斜式軸流泵出水流道具有左側(cè)偏流的特性。受此特性影響，左側(cè)出水流道的壓力脈動(dòng)比右側(cè)流道更能體現(xiàn)出規(guī)律性。