张建伟，江 琦，王 涛

（华北水利水电大学水利学院，郑州 450011）

基于原型观测的梯级泵站管道振源特性分析

张建伟，江 琦，王 涛

（华北水利水电大学水利学院，郑州 450011）

以景电二期3泵站2号输水管道为对象，结合原型试验观测数据，研究该类型泵站结构的振源组成及其对管道的影响。首先，对连接2号管道的4号、5号机组正常运行和开关机过程中引起的管道结构振动频率进行识别统计，确定其动荷载来源；然后，分析统计不同工况下管道结构主要部位达到峰值时各分频所占比例，计算不同工况下各频带能量对总能量的贡献率。计算结果表明：机组稳定运行时，叶频和转频倍频引起的振动比例达 73.4%，是管道振动的主振源低频所占比例为12%左右；机组开机过程中，低频水流脉动所占比例增加到33.7%，叶频所占比例保持40%左右，叶频和低频是主要振源；机组关机过程中，低频水流脉动引起的振动比例达73.3%，水体-管道耦合引起的高频振动达21.7%左右，低频水流和高频是主要振源，且低频对管道顺水流方向振动影响较大。研究结果有助于从量级上评价管道振动的原因及引起振动的各分频贡献率，以期为管道结构主动控制和安全运行提供依据。

泵；振动；灌溉；泵站管道；供水；振源分析；动荷载

0 引 言

近年来随着高扬程梯级输水泵站大力兴建，现代农业生产中跨流域远距离输水灌溉问题得到有效解决。管道作为梯级泵站长距离输水调水的载体，通过厂房直接连接泵站机组，在泵站正常运行和开关机过程中承受不同程度的振动扰动，所以保持其稳定运行尤为重要。并且作用在管道结构上的各种动荷载扰动因素复杂，定量分析困难，管道振动也越来越受到人们重视[1-6]。因此，研究管道结构的振动原因以及泵站运行对管道结构产生的影响成为一项新的课题。

传统的管道振动研究主要从结构建模方面切入，从不考虑水体-管道流固耦合到考虑水体-管道流固耦合两方面分析管道运行时的振动特性[7-13]，之后又结合流体力学优化泵站内部结构降低其对管道振动影响[14-24]。随后诸多学者从泵站管道原型实测数据分析管道运行时振动特性，陈作仪等[25]通过小波分析，从导叶片开启角度分析管道振动性能；冯婷等[26]通过分析不同运行工况下水锤对管道的影响，总结出针对不同工况下减弱水锤影响的措施。尽管上述研究取得了一定阶段性的成果，但传统的管道振动分析只单方面考虑了水体-管道的因素以及泵站内部结构，对于复杂的水力脉冲作用、边界条件、泵站机械、电机等其他因素并未考虑；同时也没有系统地分析不同工况下引起管道振动的原因和引起管道振动的各因素在不同工况下对管道各部位的影响贡献率以及因素影响量级大小。因此本文依据泵站管道原型观测试验，从振动信号分析出发，整体分析引起管道振动的原因以及各原因量级。

以景电梯级泵站管道为研究对象，首先根据泵站原型观测数据，对振动信号进行分析，获得各主要频带动力响应，探讨泵站稳定运行及开关机过程中振源对管道结构的振动影响，并对各种动荷载作用效果进行评价，全面整体把握泵站管道运行期间振动原因，以期为管道采取相应的减振措施提供理论依据和数据支持，保证管道的安全运行，为类似工程的设计和运行提供参考。

1 泵站管道介绍与原型测试工况

甘肃景泰电力提灌二期工程（简称景电工程）是一项高扬程、大流量、多梯级电力提水灌溉工程。其中3泵站2号管道能够代表大型泵站多机单管的布置模式，且2号管道相对于其他管道试验场地更容易布置，便于操作，因此选择2号管道为试验对象。2号管道连接的4、5机组均为1200S-56型卧式离心泵，设计流量3 m2/s，额定转速为600 r/min，设计扬程56 m。3泵站2号管道平面布置图如图1所示。

图1 3泵站2号管道平面布置Fig.1 No.2 pipeline layout of No.3 pumping station

泵站管道原型观测试验共布置6个测点，各测点均放置3个拾振器（x、y、z 3个方向），这6个测点分别位于2号主管端部和A、B支管的端部和中部，其中z方向和x方向测点反映主管和支管B的耦合振动作用，y方向测点反映主管和支管A的耦合振动作用，泵站管道拾振器布置见图2（1#、2#、3#拾振器为测点1，4#、5#、6#拾振器为测点2，…，以此类推共18个拾振器6个测点）。试验采用中国地震局工程力学研究所研制的891-2型拾振器，该拾振器共设小速度、中速度、大速度和加速度4档，具有小体积、小质量、使用方便、动态范围大和一机多用等特点。根据管道工作振动特点，选用中速度档位，该档位下12个水平拾振器的灵敏度范围在7.394～7.543 V·s/m之间，6个垂直拾振器的灵敏度范围在6.729～6.920 V·s/m之间。原型试验共测试5种工况，工况描述、采样时间、采样频率见表1，其中机组开启过程指机组转速由0达到稳定，机组关机过程指转速由稳定降到0，稳定运行指机组转速处于稳定状态。

图2 2号管道拾振器布置平面图Fig.2 Vibration sensor layout of No.2 pipeline

表1 管道原型试验测试工况Table 1 Test conditions of pipeline prototype

2 振源理论及实测分析

2.1 振源理论

根据以往关于水轮机组以及泵站机组的研究可知，泵站机组引起的管道结构振动主要有3个因素：水力因素、机械因素和电气因素[27-31]。水力因素表现形式为：1）水流脉动，在泵站运行中，水体流过管道形成的低频脉冲振动；2）旋转轴涡，泵站在小流量情况下，叶轮内形成低速区及轴向旋涡较多，流动不稳定引起的中低频振动；3）转轮叶片水流冲击脉动形成叶频，在泵站机组运行过程中，蜗壳内不断从前池中吸入水流，叶片转动与水流冲击形成的中高频振动；4）水体-管道耦合引起的高频振动，在泵站停机瞬间，高速水流冲击管道形成旋转涡带进而产生的高频振动。机械因素表现形式为：1）机组转频倍频，机组主轴自振频率及转频；2）叶轮与隔舌动静干涉引起的中高频振动；3）机组转动部分不平衡，由于机组制造、安装误差所致，一般不会产生高量级谐波；4）机组转动轴不同轴，由不同轴造成二次谐波分量较大，且轴向振动量级大。电磁振动主要由泵站机组发电机设计不合理或制造安装不合理产生的电磁力，在泵站运行时，磁拉力、三相不平衡等均可能引起管道振动。

2.2 管道振源实测分析

根据原型试验采集的数据，对各工况管道测点振动数据进行频谱分析，可得到各拾振器信号的振动主频、次频及其幅值信息。图3为工况1和工况3下4#拾振器信号数据频谱图。由图3a知，4机组开机过程中，4#拾振器凸显频率为0.5、23.6、33.3、60、90 Hz，其中60 Hz对应幅值最大，0.5 Hz对应幅值次之，33.3、23.6 Hz对应幅值依次减少，说明60 Hz是引起管道振动的主频，0.5、33.3 Hz等为次频，这些频率对管道振动贡献率较大；可知4机组关机瞬间，其主频为0.5、83、84.5 Hz。

图3 4#拾振器信号频谱图Fig.3 Power spectral density of 4# vibration sensor

限于篇幅其他工况下各测点各方向拾振器信号数据频谱分析图不再列出，根据各拾振器信号频谱图统计各工况下测点振动主频出现次数，表2为5种工况下主频出现次数统计。由表2可知，测点频率在0.5、0.8、1.0、1.5、2.0、10、23.6、33.2、40、60以及83 Hz均有分布。其中0.5、60 Hz出现次数占各测点主频出现次数的半数以上。5种工况主要振源频率为0.5、0.8、1.0、1.5、2.0、10、12.6、14、16.4、20、23.6、26、30、33.2、35.8、40、46.8、48.2、50、60、73、83、89、92、110 Hz等。

表2 各工况主要频率出现次数Table 2 Number of dominant frequency appeared in each condition 次

2.3 振源组成

由实测数据频谱分析和表2可知，影响管道结构振动较大的频率成分主要有低频水流、转频倍频、叶频、主轴不对称引起的二次谐波、叶轮与隔舌动静干涉引起的中频、水体-管道耦合引起的高频等，具体描述如下。

1）低频成分。主要由泵站管道输水产生的水流脉动所致。由水力因素中的各种激振源理论可知，汽蚀通常为频带较宽的高频振动，湍流激励引起的是比汽蚀频带更宽的振动，叶频通过转速计算可知为60 Hz。由工程经验可知，水流脉动频率常为低频，且在2 Hz以下。工况1低频振动在0.5～1.5 Hz；工况2、4、5低频为0.6、0.8 Hz；工况3低频为0.5 Hz、0.8～2.0 Hz。主要体现为：① 0.5和0.8 Hz出现在工况1、3所有振动测点，且在支管A弯管处、支管A与主管连接中部、支管B靠近机组部位以及远离机组部位低频能量非常大；② 2、4、5工况下，在远离机组部位、支管A弯管处和主管端部的测点低频振动为主频。低频多在离机组较远的测点以及机组开关机时表现为主频，此时叶频、转频倍频等影响较小且随着距离的增加逐渐减小，管道内水流脉动频率相对凸显。但离心泵内部构造复杂，水流脉动机理还在进一步研究中，具体的水力激振源细致分类还需要进一步讨论。

2）转频倍频、转轴高级谐波成分。转频为机组旋转主频率，该泵站机组额定转速为600 r/min，转频在10 Hz附近；在工况2、4、5情况下，2倍转频和因转轴不对称引起的高阶频率出现在管道测点的各向振动中。

3）叶频振动。该泵站转轮叶片与水流冲击引起的振动频率为60 Hz左右，属于中高频率，在1、2、4、5工况所有测点各向振动均有体现，常为主频，且能量突出；在工况3中偶尔体出现，且能量很小。

4）水体-管道耦合引起的高频成分。考虑到汽蚀、湍流激励等为振动频带较宽的激励源，且83 Hz左右频率在其他4种工况下能量非常微弱，而83 Hz在工况3各测点且能量贡献率较大，此时机组转速从稳定状态逐渐降到0，转频、叶频等影响逐渐降低，但输水管道中水体因机组停机形成高速水流冲击管道，导致水体-管道耦合振动，多表现为主频出现在管道各测点中，并且在支管弯管处能量最突出。

3 各种动荷载对管道结构影响

3.1 主要测点达振动峰值时各分频比例

试验结果采用平稳随机过程 95%置信度双幅值，对各工况状态下管道各拾振器振动达峰值时各分频所占的比例进行计算，说明在不同工况下，各分频能量所占比例对管道结构振动的影响。各工况分频比例见表3。

表3 各工况下管道不同方向分频比例Table 3 Frequency division proportion of pipeline under each working condition in different vibration directions %

工况1：4号机组开启过程中，垂直水流方法（x方向）振动最大值处对应功率谱主频为60和0.5 Hz，是水流冲击转轮叶片引起的叶频振动和低频水流脉动。由表3可知，叶频所占比例达41.3%，低频占29.4%，转频倍频等成分占15.4%。顺水流方向（y方向）振动最大值处对应主频为0.5和60 Hz。低频水流脉动成分增加到33.7%，叶频比例降低到28.9%，转频倍频增加到25.3%。垂直管道方向（z方向）振动最大值对应主频为60和0.5 Hz，其中低频水流脉动成分占27.8%，叶频成分占34.3%，转频倍频成分占22.5%。各方向中高频所占成分比例均在5%以下。

上述分析知，机组开启过程中，叶频和低频水流脉动是引起管道振动的主要频率。由表3知，管道径向（x、z向）各分频能量对管道振动影响基本一致，叶频振动占比例最大，低频水流脉动次之。在管道轴向，叶频振动能量所占比例明显降低，水流脉动振动占主要比例，说明顺水流方向低频扰动占主要作用。

工况2：测点振动幅值整体较开机时减小，3个方向主频均为60 Hz。由表3中工况1和工况2数据对比知，叶频比例增加到50%左右，低频水流能量比例较工况1明显减少，降低到12%左右，转频倍频能量比例基本不变，叶频和转频倍频引起的振动比例达73.4%。说明机组稳定运行时，分频能量在3个方向分布较均衡，叶频是管道振动的主要原因，机组转轴不对称引起的高阶谐波分量次之，且能量基本不变。

工况3：4号机组停机过程中，垂直水流方向（x方向）振动最大值处对应主频为0.5和83 Hz，是低频水流脉动及水体-管道耦合引起的高频振动。由表3中工况3数据知，低频水流脉动能量比例占66.2%，高频比例为18.3%。顺水流方向（y方向）振动最大值处对应功率谱主频也为0.5和83 Hz，低频成分为73.3%，高频能量比例增加到11.4%。垂直管道方向（z方向）振动最大值处对应功率谱主频为0.5 Hz，该分频能量所占比例为62.5%，高频能量所占比例为21.7%。

上述分析可知，低频振动与工况1、2相比明显增加，最高达73.3%，高频能量比例也大幅增加，两振源比例占总能量的85%左右；叶频及转频倍频降低到6%左右，相对于工况1、2明显下降。说明4号机组停机过程中，低频水流脉动和水体-管道耦合引起的高频振动是主要振源。且低频振动在y方向尤其突出，说明在停机过程中，高速水流沿着管道流动是引起管道振动的主要原因。高频能量为泵站停机后，主管中的水体倒流到支管造成水体与管道冲击引起的高频振动。

工况4：由表3知，该工况下各分频能量对管道3个方向振动影响基本一致，且比例分布与工况1相似，说明机组开机瞬间，高速水流形成的低频脉动对管道影响也较大。叶频较工况2降低到40%左右，说明突然开启5机组时，5机组的振动相当于阻尼器作用，减弱了水流冲击转轮叶片引起的振动。转频倍频比例与工况2基本一致。

工况5：4、5机组稳定运行。该工况下管道各向测点振动主频为60 Hz，由表3看出，各分频能量在各方向比例基本一致，且各分频所占比例分布与工况2相似，转频倍频能量比例基本不变，叶频较工况2小幅度增加。

3.2 各种工况下分频引起的振动能量比例

设某工况下分频振动能量占振动总能量为：

式中e为各分频振动能量，E为振动总能量。将xi划分为0～0.1、>0.1～0.2…>0.9～1.0共10个区间段，对所有工况进行分析统计，获得各区间内总数为si，进而得到该段区间工况拾振器数占总统计拾振器数的百分比为：

式中m为总统计工况拾振器数。

表4给出了5种工况下低频水流脉动、叶频转频倍频、高频统计结果。

限于篇幅仅详细说明工况1分频能量贡献率。由表4知，4机组开机过程中，叶频、转频倍频所占分频能量百分比加权最大，61.0%的拾振器该段分频能量占振动总能量比例在0.5～0.8之间，77.7%的拾振器其低频振动成分占振动总能量比例在0.1～0.3之间，而83.2%拾振器高频成分占总振动能量比例在0～0.2之间。说明4机组开机过程中，叶频振动引起的中高频60 Hz和低频水流脉动是管道结构振动的主要原因，高频振动对管道影响很微弱。其余4种工况按照上述思路分析，此处不再赘述。

表4 各工况下管道分频振动能量比例Table 4 Vibrational energy proportion of frequency division of pipeline under different working conditions %

根据表4中各分频能量对总能量振动响应贡献率分析可知，机组稳定运行时，83.2%的拾振器叶频、转频倍频引起的振动能量比例在0.5～0.9之间；当4、5机组同时运行时，管道各测点能量较4机组单独稳定运行时能量大，但各分频能量对总能量贡献率相似，85.7%拾振器低频和高频能量比例在0～0.2区间内。机组开启时，水流脉动对管道振动总能量贡献率有所增加，与机组稳定运行时相比，42.1%的拾振器低频成分所占比例在0.2～0.3区间内，但叶频等引起振动仍是主要振动因素。机组关机过程中，低频脉动水流和水体-管道耦合高频振动对管道振动总能量贡献率骤增，与工况2、5相比，78%的拾振器低频振动能量比例分布在0.5～0.8区间，48%的拾振器其高频振动能量所占比例在0.3～0.5区间内。

4 结 论

通过对该管道原型观测资料分析统计，可得如下结论：

1）机组稳定运行，管道主要测点振动幅值达最大值时，叶频、转频倍频产生的振动所占比例达73.4%，是管道振动的主要影响因素；管道内低频水流脉动虽在某些部位能量较大，但影响非常有限，其所占比例为12%。

2）机组开启过程中，叶频振动所占比例达41.3%；低频水流脉动对管道振动能量较机组稳定运行时有所增加，尤其在管道顺水流方向增加明显，最大比例为33.7%，但就管道整体而言叶频仍是主要振源。一机组稳定运行，另一机组开启时，低频水流对管道振动影响增加，但没有单一机组开启时增量大，低频比例最大为27.3%；相邻机组的运行起到阻尼器的作用，对两机组转轮叶片引起的振动有一定的削弱作用，其所占比例为40%左右，但依旧是主要振源，转频倍频在机组运行过程中占比例在各测点基本稳定在20%左右。

3）机组停机过程中，低频水流脉动引起的振动比例最大，达73.3%，尤其在管道顺水流方向引起的振动更突出。水体-管道耦合引起的高频振动主要体现在管道弯管处和两管连接处，相对于其他4种工况该分频在停机过程中影响比例突出，达21.7%，说明停机时，管道内水体回流对管道安全运行影响较大。

[1] 张景川，曾周末，赖平，等. 基于小波能谱和小波信息熵的管道异常振动事件识别方法[J]. 振动与冲击，2010，29(5)：1－5. Zhang Jingchuan,Zeng Zhoumo,Lai ping,et al. A recognition method with wavelet energy spectrum and wavelet information entropy for abnormal vibration events of a petroleum pipeline[J]. Journal of Vibration and Shock,2010,29(5):1－5.(in Chinese with English abstract)

[2] 吴登昊，袁寿其，任芸，等. 管道泵不稳定压力及振动特性研究[J]. 农业工程学报，2013，29(4)：79－86. Wu Denghao,Yuan Shouqi,Ren Yun,et al. Study on unsteady pressure pulsation and vibration characteristics of in-line circulator pumps[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2013,29(4):79－86.(in Chinese with English abstract)

[3] 张建伟，江琦，朱良欢，等. 基于改进HHT的泵站管道工作模态辨识[J].农业工程学报，2016，32(2)：71－76. Zhang Jianwei,Jiang Qi,Zhu Lianghuan,et al. Modal parameter identification for pipeline of pumping station based on improved Hilbert-Huang transform[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2016,32(2):71－76.(in Chinese with English abstract)

[4] 付永领，荆慧强. 弯管转角对液压管道振动特性影响分析[J].振动与冲击，2013，32(13)：165－169. Fu Yongling,Jing Huiqiang. Elbow angle effect on hydraulic pipeline vibration characteristics[J]. Journal of Vibration and Shock,2013,32(13):165－169.(in Chinese with English abstract)

[5] 王海军，毛柳丹，练继建. 基于RVM方法的水电站厂房结构振动预测研究[J]. 振动与冲击，2015，34(3)：23－27. Wang Haijun,Mao Liudan,Lian Jijian. Structural vibration prediction for a hydropower house based on RVM method[J]. Journal of Vibration and Shock,2015,34(3):23－27.(in Chinese with English abstract)

[6] 胡家顺，冯新，周晶.考虑边界土体性质悬跨管道振动特性分析[J]. 大连理工大学学报，2010，50(3)：409－415. Hu Jiashun,Feng Xin,Zhou Jing. Analysis of vibration characteristics of free span pipeline considering boundary soil property[J]. Journal of Dalian University of Technology,2010,50(3):409－415.(in Chinese with English abstract)

[7] 王雯，徐丽，傅卫平，等. 调节阀-管道-流体系统流固耦合动态特性研究[J].振动与冲击，2014，33(21)：161－165. Wang Wen,Xu Li,Fu Weiping,et al. Dynamic characteristics of a control valve-pipeline-fluid system considering fluid-structure interaction[J]. Journal of Vibration and Shock,2014,33(21):161－165.(in Chinese with English abstract)

[8] 杨晓东，金基铎. 输流管道流-固耦合振动的固有频率分析[J].振动与冲击，2008，27(3)：80－86. Yang Xiaodong,Jin Jiduo. Comparison of galerkin method and complex mode method in natural frequency analysis of tube conveying fluid[J]. Journal of Vibration and Shock,2008,27(3):80－86.(in Chinese with English abstract)

[9] 叶红玲，邵沛泽，陈宁，等. 流固耦合输流管系统的动力学分析及参数影响[J]. 北京工业大学学报，2015，41(2)：167－173. Ye Hongling,Shao Peize,Chen Ning,et al. Dynamic analysis and parameters’ influences on fluid-structure interaction in a fluid-filled pipes system[J]. Journal of Beijing University of Technology,2015,41(2):167－173.(in Chinese with English abstract)

[10] 姬贺炯，白长青，韩省亮. 输流管道耦合动力特性分析[J].噪声与振动控制，2015，33(5)：10－14. Ji Hejiong,Bai Changqing,Han Shengliang. Analysis of dynamic characteristics of fluid-structure interaction in fluidfilled pipes[J]. Noise and Vibration and Control,2015,33(5):10－14.(in Chinese with English Abstract)

[11] 李晨阳，李维嘉，李铁成. 流固耦合作用下液压管道声场数值仿真[J].舰船科学技术，2011，33(4)：25－29. Li Chenyang,Li Weijia,Li Tiecheng. Numerical analysis of sound field of hydraulic pipe considering fluid-structure interaction[J]. Ship Science and Technology,2011,33(4):25－29.(in Chinese with English abstract)

[12] 陈明，伍建林，王建成. 气液固三相管流耦合水击振动特性的参数影响分析[J]. 工程力学，2015，32(2)：233－240. Chen Ming,Wu Jianlin,Wang jiancheng. Analysis of parametric influence of a coupled water hammer on the vibration characteristics of gas-liquid-solid three-phase flowin pipelines[J]. Engineering Mechanics,2015,32(2):233－240.(in Chinese with English abstract)

[13] 刘厚林，崔建保，谈高明，等. 离心泵内部流动时序效应的CFD计算[J]. 农业工程学报，2013，29(14)：67－73. Liu Houlin,Cui Jianbao,Tan Gaoming,et al. CFD calculation of clocking effect on centrifugal pump[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2013,29(14):67－73.(in Chinese with English abstract)

[14] 梁金栋，陆林广，徐磊，等. 轴流泵装置导叶出口水流速度环量对出水流道水力损失的影响[J]. 农业工程学报，2012，28(1)：55－60. Liang Jindong,Lu Linguang,Xu Lei,et al. Influence of flow velocity circulation at guide vane outlet of axial-flow pump on hydraulic loss in outlet conduit[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2012,28(1):55－60.(in Chinese with English abstract)

[15] 刘厚林，明加意，肖佳伟，等. 基于稳定运行性的离心泵导叶安装位置优化试验与分析[J]. 农业工程学报，2016，32(7)：93－99. Liu Houlin,Ming Jiayi,Xiao Jiawei,et al. Optimal experiment and analysis on installation position for diffuser of centrifugal pump based on operating stability[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2016,32(7):93－99.(in Chinese with English abstract)

[16] 汪家琼，孔繁余. 多级离心泵叶轮与导叶水力性能优化研究[J]. 华中科技大学学报：自然科学版，2013，41(3)：92－96. Wang Jiaqiong,Kong Fanyu. Hydraulic performance optimization study on impeller and diffuser of multi-stage centrifugal pump[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology:Natural Science Edition,2013,41(3):92－96.(in Chinese with English abstract)

[17] 袁寿其，吴登昊，任芸，等.不同叶片数下管道泵内部流动及振动特性的数值与试验研究[J]. 机械工程学报，2013，49(20)：115－122. Yuan Shouqi,Wu Denghao,Ren Yun,et al. Numerical and experimental study on flow and vibration characteristics of in-line circulator pumps with different blades numbers[J]. Journal of Mechanical Engineering,2013,49(20):115－122.(in Chinese with English abstract)

[18] 朱相源，江伟，李国军，等. 导叶式离心泵内部流部特性数值模拟[J]. 农业机械学报，2016，47(6)：34－41. Zhu Xiangyuan,Jiang Wei,Li Guojun,et al. Numerical analysis of hydraulic in centrifugal pump with vane diffuser[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016,47(6):34－41.(in Chinese with English abstract)

[19] 张德胜，耿琳琳，施卫东，等. 轴流泵水利模型压力脉动和振动特性试验[J]. 农业机械学报，2015，46(6)：66－72. Zhang Desheng,Geng Linlin,Shi Weidong,et al. Experimental investigation on pressure fluctuation and vibration in axialflow pump model[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015,46(6):66－72.(in Chinese with English abstract)

[20] 杨敏官，王兴宁，高波，等. 离心泵内部非定长水力激励特性[J]. 排灌机械工程学报，2014，32(12)：1024－1028. Yang Minguan,Wang Xingning,Gao Bo,et al. Unsteady hydrodynamic excitation characteristics in centrifugal pump[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering,2014,32(12):1024－1028.(in Chinese with English abstract)

[21] 张启华，徐燕，施卫东，等. 多级离心泵圆周弯扭式导叶设计及性能试验[J]. 农业工程学报，2013，29(5)：37－43. Zhang Qihua,Xu Yan,Shi Weidong,et al. Design and performance test of circumferential crankle guide vane of multistage centrifugal pumps[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2013,29(5):37－43.(in Chinese with English abstract)

[22] 卢加兴，袁寿其，任旭东，等. 离心泵小流量工况下不稳定空化特性研究[J]. 农业机械学报，2015，46(8)：54－58. Lu Jiaxing,Yuan Shouqi,Ren Xudong,et al. Investigation of instabilities of cavitation at low flow rate of centrifugal pump[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015,46(8):54－58.(in Chinese with English abstract)

[23] 王洋，代翠. 离心泵内部不稳定流畅压力脉动特性分析[J].农业机械学报，2010，41(3)：91－95. Wang Yang,Dai Cui. Analysis on pressure fluctuation of unsteady flow in a centrifugal pump[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2010,41(3):91－95.(in Chinese with English abstract)

[24] 江伟，朱相源，李国君，等. 导叶与隔舌相对位置对离心泵叶轮径向力的影响[J]. 农业机械学报，2016，47(2)：28－34. Jiang Wei,Zhu Xiangyuan,Li Guojun,et al. Influence of relative installation positions of guide vane and volute tongue on radial force in centrifugal pump [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016,47(2):28－34.(in Chinese with English abstract)

[25] 陈作仪，潘卫锋，梁金栋. 大型泵站机组振动测试方法[J].排灌机械，2007，25(5)：29－32. Chen Zuoyi,Pan Weifeng,Liang jindong. Vibration testing method for large scale pumping station machinery[J]. Drainage and Irrigation Machinery,2007,25(5):29－32.(in Chinese with English abstract)

[26] 冯婷，贾亚军，谢仁杰. 梯级泵站串联加压长距离输水的水锤特点及防护措施[J]. 中国给水排水，2008，24(14)：51－54. Feng Ting,Jia Yajun,Xie Renjie. Characteristics and protective measures of water hammer in cascade pumping station for long distance pressure water delivery[J]. China Water &Waste Water,2008,24(14):51－54.(in Chinese with English abstract)

[27] 佟晨光，郑源. 大型泵站机组振动测试与分析[J].水泵技术，2008(2)：12－15.

[28] 练继建，张龑，刘昉，等. 厂顶溢流式水电站振源特性研究[J]. 振动与冲击，2013，32(18)：8－14. Lian Jijian,Zhang Yan,Liu Fang,et al. Vibration sourcecharacteristics of a roof overflow hydropower station[J]. Journal of Vibration and Shock,2013,32(18):8－14.(in Chinese with English abstract)

[29] 秦亮，王正伟. 水电站振源识别及其对厂房结构的影响研究[J]. 水力发电学报，2008，27(4)：135－140. Qin liang,Wang Zhengwei. Study on identification of vibration source and the influence on hydropower plant structure[J]. Journal of Hydroelectric Engineering,2008,27(4):135－140.(in Chinese with English abstract)

[30] 张龑，练继建，刘昉，等. 基于原型观测的厂顶溢流式水电站厂房结构振动特性研究[J]. 天津大学学报：自然科学与工程技术版，2015，48(7)：584－590. Zhang Yan,Lian Jijian,Liu Fang,et al. Vibration characteristics of powerhouse structure of roof overflow hydropower station based on prototype observation[J]. Journal of Tianjin University:Science and Technology,2015,48(7):584－590.(in Chinese with English abstract)

[31] 蒋爱华，李国平，周璞，等. 离心泵流体激励力诱发的振动：蜗壳途径与叶轮途径[J]. 振动与冲击，2014，33(10)：1－7. Jiang Aihua,Li Guoping,Zhou Pu,et al. Vibration incited by fluid forces on centrifugal pump from volute path and impeller path [J]. Journal of Vibration and Shock,2014,33(10):1－7.(in Chinese with English abstract)

Analysis of vibration characteristics of pipeline of trapezoid pumping station based on prototype observation

Zhang Jianwei,Jiang Qi,Wang Tao
(College of Water Conservancy,North China University of Water Conservancy and Electric Power,Zhengzhou 450011,China)

Pipeline is a carrier of cascade pumping station with long distance water conveyance. Therefore,it is particularly important to keep the stable operation of pipeline structure. In order to ensure the safe operation of pipeline structure,it is significant to research the main influence factors of pipeline vibration and the contributions of different factors to pipeline structure. Based on prototype observation data,vibration source compositions and their influences on pipeline structure were investigated through analyzing the power spectral density of vibration data. Taking the No.2 pipeline of Pumping Station 3 in Jindian River pumping irrigation as the research object,six points were set up in different parts of pipeline. Three vibration sensors were placed in each measuring point,from which vibration data were collected in three directions of pipeline. First of all,on the basis of mathematical statistics theory and the observation data of vibration sensors,vibration frequencies of pipeline structure excited by four and five units in the process of normal operation and switch machine were identified according to the spectrum analysis. Dominant frequencies of pipeline structure were counted under different working conditions to determine the dynamic load sources and to introduce the vibration source compositions of pipeline structure. Furthermore,the contributions of different frequencies were calculated when the vibrations of main points reached the maximum values under different working conditions. At the same time,the contributions of the measured frequency bands energy to the whole vibration response were calculated. The analysis results showed that,under the working condition of steady operation of units,the contribution of vibration energy caused by blade frequency and rotation frequency was 73.4%,and the contribution of low frequency water-flow pulsation was about 12%. During unit start-up,the vibration energy contribution of low frequency water-flow pulsation was increased to 33.7%,and the contribution of blade frequency still was about 40%. During unit shutdown,compared with the steady operation conditions,the vibration energy contributions of low frequency and high frequency induced by water-pipeline coupling were increased by 73.3% and 21.7%,respectively. The study showed that the vibration of blade frequency and rotation frequency were the main vibration sources when the unit was stable in operation. The vibration of blade frequency and low frequency water-flow were the main vibration resources during unit start-up. The low frequency water-flow and high frequency induced by water-pipeline coupling were the main vibration resources during unit shutdown,and low frequency water-flow had greater effect on pipeline vibration along the direction of flow. The research results can be used for evaluating the sources of pipeline vibration and the contributions of different frequencies. This study provides a scientific basis for the safe operation and active control of pipeline structure.

pumps;vibrations;irrigation;pipeline of pumping station;water supply;vibration sources analysis;dynamic load

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.010

TV93，TB53

A

1002-6819(2017)-01-0077-07

张建伟，江 琦，王 涛. 基于原型观测的梯级泵站管道振源特性分析[J]. 农业工程学报，2017，33(1)：77－83.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.010 http://www.tcsae.org

Zhang Jianwei,Jiang Qi,Wang Tao. Analysis of vibration characteristics of pipeline of trapezoid pumping station based on prototype observation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2017,33(1):77－83.(in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.010 http://www.tcsae.org

2016-04-29

2016-10-21

国家自然科学基金（51679091）；华北水利水电大学研究生教育创新计划基金（YK2015-02）资助。

张建伟，男，河南洛阳，副教授，博士，主要从事水利水电工程的研究与教学工作。郑州 华北水利水电大学水利学院，450011。Email：zjwcivil@126.com