立式管道離心泵多工況壓力脈動(dòng)試驗(yàn)

陳金維，裴吉*，王文杰，鄧起凡，王中升

(1. 江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2. 山東長志泵業(yè)有限公司，山東 淄博 255000)

離心泵是一種能量轉(zhuǎn)換和傳輸介質(zhì)的通用機(jī)械，廣泛應(yīng)用于石油、化工、農(nóng)業(yè)灌溉、核電、航空航天等領(lǐng)域.其中，立式管道離心泵是一種具有肘形進(jìn)口結(jié)構(gòu)的單級(jí)單吸離心泵，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用，常安裝在空間受限的場(chǎng)所.但是，在管道泵工作過程中，一方面，由于具有一定后緣厚度、一定數(shù)量的葉片會(huì)產(chǎn)生離散頻率的壓力脈動(dòng)，另一方面，流體脈動(dòng)也會(huì)引起壓力脈動(dòng)，這些壓力脈動(dòng)會(huì)以聲速在管道系統(tǒng)中進(jìn)行傳播，并出現(xiàn)在控制閥、一端封閉的支管、變徑管等幾何不連續(xù)處，對(duì)泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要影響.隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)離心泵的非定常壓力脈動(dòng)特性展開了大量的研究.由離心泵非定常特性引起的壓力脈動(dòng)、誘導(dǎo)噪聲和振動(dòng)等問題會(huì)影響離心泵運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性[1-2].CHOI等[3]對(duì)出口射流尾跡速度場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)葉片壓力面的液流與吸力面的液流相互干擾，產(chǎn)生周期性的壓力脈動(dòng)，并與整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲相關(guān)聯(lián).耿少娟等[4]通過數(shù)值模擬研究了3種不同形式的葉片對(duì)離心泵全流場(chǎng)特性的影響，發(fā)現(xiàn)葉片與隔舌相對(duì)位置的不同造成了內(nèi)部流場(chǎng)的壓力脈動(dòng)特性不同.GONZALEZ等[5]試驗(yàn)研究結(jié)果表明，水泵內(nèi)葉輪與蝸殼之間在葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的動(dòng)靜干涉是流道內(nèi)出現(xiàn)壓力脈動(dòng)最主要的原因.鄭源等[6]采用間接邊界元法對(duì)外場(chǎng)噪聲進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析壓力脈動(dòng)特性與流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲的關(guān)系，并對(duì)壓力脈動(dòng)進(jìn)行時(shí)頻域分析.盧金玲等[7]對(duì)離心泵首級(jí)和次級(jí)葉輪在7種不同時(shí)序位置下的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)葉輪和蝸殼內(nèi)部的壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)時(shí)序效應(yīng)對(duì)次級(jí)葉輪和蝸殼壓力脈動(dòng)影響較大.王文杰等[8]對(duì)一臺(tái)雙吸離心泵進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，得到了3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)頻域特性及泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)強(qiáng)度分布.周佩劍等[9]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)泵內(nèi)流場(chǎng)均表現(xiàn)出明顯的周期性變化的壓力脈動(dòng)特性，蝸殼第一斷面壓力脈動(dòng)強(qiáng)度最低，第二斷面壓力脈動(dòng)強(qiáng)度最高.譚林偉等[10]測(cè)量了泵在不同轉(zhuǎn)速下的外特性曲線，并采用高頻壓力傳感器測(cè)量了泵在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的壓力脈動(dòng)，分析離心泵運(yùn)行于不同轉(zhuǎn)速下的壓力脈動(dòng)特性.眾多學(xué)者[11-17]分析對(duì)比了不同流量工況下的離心泵的壓力脈動(dòng)情況，將非定常數(shù)值模擬與高頻瞬態(tài)壓力測(cè)量相結(jié)合并廣泛用于分析泵內(nèi)壓力脈動(dòng)特性，研究分析不同因素對(duì)離心泵壓力脈動(dòng)的影響.

文中以一臺(tái)單級(jí)單吸的立式管道離心泵為試驗(yàn)對(duì)象，分別在進(jìn)口彎管和蝸殼壁面安裝壓力傳感器，對(duì)泵在不同工況下的壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行分析，為管道離心泵在不同工況下的水力性能提供理論參考.

1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)泵的設(shè)計(jì)參數(shù)中，設(shè)計(jì)流量Qd=50 m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程H=20 m，額定轉(zhuǎn)速n=2 910 r/min，比轉(zhuǎn)數(shù)ns=132.36，主要幾何參數(shù)中，泵進(jìn)口直徑Ds=80 mm，泵出口直徑Dd=80 mm，葉輪進(jìn)口直徑D1=72 mm，葉輪出口直徑D2=136 mm，葉片進(jìn)口寬度b1和出口寬度b2分別為34.5 mm和17.8 mm，葉片數(shù)Z=6，葉片進(jìn)口安放角β1和出口安放角β2分別為38°和23°.模型泵的實(shí)測(cè)外特性曲線如圖1所示.

圖1 模型泵外特性實(shí)測(cè)曲線

壓力脈動(dòng)試驗(yàn)在江蘇大學(xué)流體機(jī)械及工程實(shí)驗(yàn)室的開式試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行.試驗(yàn)臺(tái)示意圖如圖2所示，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示.試驗(yàn)設(shè)備主要包括進(jìn)出口壓力傳感器、模型泵、電動(dòng)機(jī)、流量計(jì)、節(jié)流閥等.試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量儀器及其基本參數(shù)如表1所示，壓力傳感器精度均為0.1%，流量計(jì)精度0.5%.壓力脈動(dòng)測(cè)試中采樣頻率為3 000 Hz，單次采樣時(shí)間為6 s，采用NI USB-6211數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī).采用LabVIEW軟件編寫壓力脈動(dòng)測(cè)試程序，通過可視化界面設(shè)置試驗(yàn)臺(tái)和試驗(yàn)設(shè)備的相關(guān)參數(shù).

圖2 管道泵試驗(yàn)臺(tái)示意圖

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

表1 試驗(yàn)臺(tái)儀器基本參數(shù)

泵體上共裝有3個(gè)壓力傳感器，傳感器及其安裝位置如圖4所示.為研究彎管對(duì)葉輪入流內(nèi)部振動(dòng)特性的影響、葉輪與蝸殼之間的動(dòng)靜干涉作用以及不同流量工況下剩余旋轉(zhuǎn)動(dòng)能對(duì)蝸殼出流內(nèi)部振動(dòng)特性的影響，安裝位置分別位于進(jìn)口彎管、蝸殼隔舌附近和蝸殼擴(kuò)散管處.從圖5可以看出，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1安裝位置位于進(jìn)口彎管截面C與D之間，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2，P3安裝位置位于蝸殼中截面，圓周位置分別位于蝸殼螺旋段第Ⅱ和Ⅹ斷面.

圖4 壓力傳感器安裝位置

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壓力脈動(dòng)時(shí)域分析

將壓力量綱一化，定義壓力脈動(dòng)系數(shù)Cp為

(1)

定義葉輪旋轉(zhuǎn)周期數(shù)

N=t/T，

(2)

式中:t為信號(hào)時(shí)間長度，s；T為葉輪旋轉(zhuǎn)1周的時(shí)間，s.

文中對(duì)葉輪旋轉(zhuǎn)6周的壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析.圖6給出了各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在0.6Qd，1.0Qd和1.4Qd下的壓力脈動(dòng)時(shí)域圖.由圖6可以發(fā)現(xiàn)，葉輪旋轉(zhuǎn)一周后壓力波動(dòng)6次.各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)曲線均為平滑的曲線，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2和P3在一個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)了6個(gè)波峰和波谷.在小流量和大流量工況下，Cp在正向變化的最大值大于負(fù)向絕對(duì)值的最大值.監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2的峰值較大，而P1，P3的峰值較小.在不同工況下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2處壓力脈動(dòng)波動(dòng)幅值最大，蝸殼擴(kuò)散管次之，進(jìn)口彎管最小.監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2位于蝸殼隔舌附近，它是離心泵產(chǎn)生動(dòng)靜干涉的主要位置.隨著流量的增加，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì).

圖6 不同工況下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)時(shí)域圖

2.2 壓力脈動(dòng)頻域分析

為了便于分析管道離心泵內(nèi)部的壓力脈動(dòng)規(guī)律，對(duì)試驗(yàn)得到的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到不同流量下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)的功率譜密度(power spectral density, PSD)并分析頻域特性.根據(jù)葉輪額定轉(zhuǎn)速可得，軸頻fn=n/60=49.3 Hz，葉片通過頻率fbpf=Zfn=296 Hz.葉片的轉(zhuǎn)頻倍數(shù)用f/fn所示，即為頻域信號(hào)的采樣周期.f為壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)經(jīng)過傅里葉變換后對(duì)應(yīng)的頻率.

圖7所示為不同工況下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)得到的壓力脈動(dòng)頻域圖.從圖7a可以看出，在小流量和設(shè)計(jì)流量下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1處壓力脈動(dòng)主頻為2倍軸頻，在大流量下主頻為軸頻，主頻幅值在1.4Qd時(shí)最大，在1.0Qd時(shí)最小.同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，隨著流量的增大，軸頻的幅值不斷增大，但在大流量1.4Qd時(shí)其幅值明顯增大，由1.0Qd時(shí)的2.39×10-6陡增至1.4Qd時(shí)的1.47×10-4.在所測(cè)試的3個(gè)工況下，2倍軸頻處的幅值隨流量增大而減小.進(jìn)口彎管處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)主頻都不在葉頻，在軸頻和2倍軸頻之間存在寬頻脈動(dòng)且幅度隨流量增大而減小.造成這一現(xiàn)象的主要原因是立式管道泵的肘形彎管中存在明顯的渦團(tuán)，隨著流量的增大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1處的渦團(tuán)先減小后增大[18].

從圖7b可以看出，在3個(gè)工況下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2處的壓力脈動(dòng)主頻一直為葉頻.蝸殼內(nèi)的壓力脈動(dòng)主要由葉輪轉(zhuǎn)子與蝸殼隔舌的動(dòng)靜干涉導(dǎo)致，所以試驗(yàn)得到的主頻均為葉頻.隨著流量的增大葉頻的幅值逐漸增加，這主要是由于流量增大，液體對(duì)隔舌附近的沖擊增強(qiáng)，葉輪與蝸殼的動(dòng)靜干涉作用也增強(qiáng).小流量和設(shè)計(jì)流量下葉頻的幅值變化較小，但在1.0Qd和1.4Qd之間時(shí)葉頻的振幅陡增，1.4Qd時(shí)幅值為設(shè)計(jì)工況的578.5%.在1.4Qd工況下，還存在頻率為軸頻和7倍軸頻的脈動(dòng)成分.

從圖7c可以看出，在0.6Qd工況和1.0Qd工況時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P3處的壓力脈動(dòng)主頻為葉頻，在1.4Qd工況時(shí)軸頻成為壓力脈動(dòng)的主頻.造成這一現(xiàn)象的主要原因是由于大流量工況下葉輪內(nèi)部的旋渦分布不對(duì)稱性更加顯著.3個(gè)工況下均存在頻率為軸頻的脈動(dòng)成分，且隨著流量的增大幅值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).小流量和設(shè)計(jì)流量下幅值變化較小，在設(shè)計(jì)流量和大流量下軸頻幅值增幅較大，從由1.0Qd時(shí)的2.39×10-5增至1.4Qd時(shí)的5.35×10-5.在0.6Qd和1.0Qd時(shí)均存在頻率為5倍軸頻的脈動(dòng)成分，且隨著流量增大幅值增大.在1.4Qd時(shí)，存在頻率為2倍、3倍和5倍軸頻的脈動(dòng)成分，在3倍軸頻和4倍軸頻之間存在寬頻脈動(dòng).

圖7 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同工況下壓力脈動(dòng)頻域圖

綜合以上分析可以看出，小流量和設(shè)計(jì)流量下，均是監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2的主頻幅值最大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1最小.這主要是由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2是距離蝸殼隔舌位置最近的點(diǎn)，動(dòng)靜干涉現(xiàn)象較明顯.監(jiān)測(cè)點(diǎn)P3位于蝸殼擴(kuò)散管，受葉輪影響較小.監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1位于進(jìn)口彎管位置，流體均勻流動(dòng)，湍流強(qiáng)度較小.

2.3 壓力脈動(dòng)時(shí)頻域聯(lián)合分析

為分析各監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同頻率隨時(shí)間波動(dòng)的規(guī)律，對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行小波變換并進(jìn)行時(shí)頻域聯(lián)合分析.

圖8為不同工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1的壓力脈動(dòng)時(shí)頻域圖.可以看出，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1在不同工況下壓力脈動(dòng)的頻率幅值具有波動(dòng)性和不連續(xù)性.在小流量和設(shè)計(jì)流量下，壓力脈動(dòng)在2倍軸頻下的幅值表現(xiàn)出強(qiáng)烈的波動(dòng)特性.小流量下壓力脈動(dòng)幅值在3.5 s和4.0 s之間出現(xiàn)極大值，且小流量下的幅值高于設(shè)計(jì)流量下的幅值.在大流量下，壓力脈動(dòng)軸頻處幅值波動(dòng)較大，在0.5 s和1.0 s之間出現(xiàn)極大值.這可能是由管道泵進(jìn)口管特殊的肘形形狀造成的.

圖8 不同工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1壓力脈動(dòng)時(shí)頻域圖

不同工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2的壓力脈動(dòng)時(shí)頻域圖如圖9所示.從中可以看出，不同工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2葉頻處的幅值隨時(shí)間間歇性地波動(dòng)，且幅值隨著流量的增大而增大.造成這一現(xiàn)象的主要原因是葉輪出流對(duì)隔舌的沖擊角度增大，在以后的研究中可通過優(yōu)化出流角度來降低隔舌附近的壓力脈動(dòng).相比于監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1，不同工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2葉頻處的幅值都更大且較為連續(xù)，高頻成分明顯增加.這主要是由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2靠近蝸殼隔舌處，動(dòng)靜干涉作用明顯.在0.6Qd工況下，壓力脈動(dòng)在7倍軸頻和8倍軸頻之間表現(xiàn)出較寬頻段的波動(dòng)性，在2 s時(shí)刻左右幅值達(dá)到最大.壓力脈動(dòng)葉頻下的幅值較小且呈現(xiàn)不連續(xù)性，在3.5 s和4.0 s之間出現(xiàn)極大值.在1.0Qd工況下，壓力脈動(dòng)在6倍軸頻和8倍軸頻之間具有較寬頻段的不穩(wěn)定波動(dòng)性，在2.0 s和2.5 s之間出現(xiàn)極大值.相比于小流量工況下，壓力脈動(dòng)葉頻下的幅值較大且連續(xù)，在2.0 s時(shí)刻左右幅值達(dá)到最大.在軸頻和2倍軸頻處出現(xiàn)幅值較小且不連續(xù)的壓力脈動(dòng)，幅值隨時(shí)間變化較為穩(wěn)定.在1.4Qd工況下，壓力脈動(dòng)葉頻處的幅值更大且具有強(qiáng)烈的波動(dòng)性，幅值隨時(shí)間變化相對(duì)更加連續(xù).同時(shí)在軸頻處可以觀察到幅值較小且連續(xù)的壓力脈動(dòng).

圖9 不同工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2壓力脈動(dòng)時(shí)頻域圖

圖10給出了不同工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)P3壓力脈動(dòng)時(shí)頻域圖.在小流量工況下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P3的壓力脈動(dòng)特性表現(xiàn)為軸頻處的幅值較大且呈現(xiàn)不連續(xù)性，發(fā)現(xiàn)在0.2 s時(shí)刻左右幅值達(dá)到最大.主要原因是0.2 s時(shí)刻后，泵從啟動(dòng)過渡態(tài)到穩(wěn)態(tài)，壓力脈動(dòng)幅值較大.葉頻處的幅值較小且較為穩(wěn)定，但仍為不連續(xù).在5倍軸頻和葉頻之間出現(xiàn)幅值較小且不連續(xù)的壓力脈動(dòng).在設(shè)計(jì)工況下，葉頻處的幅值較小且連續(xù)，幅值隨時(shí)間變化較為穩(wěn)定.軸頻處的幅值較小且不連續(xù)，5倍軸頻附近出現(xiàn)幅值較大且不連續(xù)的壓力脈動(dòng)，波動(dòng)性較強(qiáng)，幅值在3.5 s和4.0 s之間出現(xiàn)極大值.在大流量工況下，軸頻處的幅值較小且不連續(xù)，4倍軸頻處的幅值隨時(shí)間變化較為連續(xù)，在3.5 s時(shí)刻左右達(dá)到最大.相比于監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1，P2，小流量和設(shè)計(jì)流量下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P3均能觀察到軸頻和葉頻處的信號(hào).造成這一現(xiàn)象的主要原因是監(jiān)測(cè)點(diǎn)P3靠近蝸殼出口，動(dòng)靜干涉作用不明顯.

圖10 不同工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)P3壓力脈動(dòng)時(shí)頻域圖

3 結(jié) 論

1) 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)曲線均為平滑的曲線，蝸殼處監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形的波峰和波谷數(shù)與葉片數(shù)相同.隨著流量的增大，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅度先減小后增大.蝸殼隔舌附近的壓力脈動(dòng)信號(hào)波動(dòng)最大且幅值最大，說明葉輪與隔舌的動(dòng)靜干涉作用將引起隔舌附近較大的壓力脈動(dòng)，這是離心泵內(nèi)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)的主要原因.

2) 小流量和設(shè)計(jì)流量下，進(jìn)口彎管處的壓力脈動(dòng)主頻均為2倍軸頻，大流量下主頻為軸頻，幅值明顯增大.蝸殼隔舌附近和擴(kuò)散管處的壓力脈動(dòng)主頻大部分為葉頻，擴(kuò)散管處的壓力信號(hào)各頻率明顯增加.葉輪出流沖擊角度的增大引起蝸殼隔舌附近的壓力脈動(dòng)隨流量的增大而增大.

3) 進(jìn)口彎管在不同工況下壓力脈動(dòng)的頻率幅值具有波動(dòng)性和不連續(xù)性.蝸殼隔舌附近的壓力脈動(dòng)幅值在葉頻下的幅值隨時(shí)間間歇性地波動(dòng)，且出現(xiàn)了幅值較小的低頻脈動(dòng).蝸殼擴(kuò)散管處的壓力脈動(dòng)在軸頻處幅值較大且呈現(xiàn)不連續(xù)性.