超低扬程贯流泵模型试验的压力脉动研究

2017-03-21张付林孙奥冉李城易高成昊

中国农村水利水电 2017年11期

张付林，郑源，孙奥冉，李城易，高成昊

(1. 河海大学水利水电学院，南京 210098；2. 河海大学能源与电气学院，南京 211100)

0 引言

贯流泵具有结构简单，安装、检修方便，效率高等特点，近年来在国内低扬程泵站中得到了广泛应用。但超低扬程贯流泵在实际运行中确实存在明显的压力脉动问题，影响泵站安全稳定运行。王福军等[1]采用数值模拟的方法对轴流泵内部的非定常流场进行了研究，得到了轴流泵内部压力脉动的基本规律；施卫东等[2]采用数值模拟的方法对轴流泵内的压力脉动进行研究，得到了不同监测点在不同工况和不同导叶数下的压力脉动特性；朱荣生等[3]采用大涡模拟的方法对贯流泵在不同工况下的压力脉动进行了数值计算，得到了贯流泵在非设计工况下压力脉动幅值明显增大；李四海等[4]采用数值模拟与模型试验相结合的方法对竖井贯流泵装置的压力脉动进行了研究，得到了贯流泵内压力脉动在转轮前0.5倍转轮直径的位置消失；郑源等[5]利用物理模型对大型轴流泵装置的压力脉动进行了试验研究。但是对超低扬程贯流泵压力脉动进行试验研究的还比较少，同时有低扬程泵站在运行过程中发生振动，导致叶片出现裂缝以及出水流道出口的工作闸门上的小拍门发生水力振动等实际性由压力脉动导致的问题。因此，本文通过物理模型试验，采用时域分析和频域分析相结合的方法，对超低扬程贯流泵内的压力脉动规律进行研究，对解决超低扬程贯流泵实际中存在的压力脉动问题具有一定的指导意义。

1 试验装置与测点布置

1.1 试验装置

模型泵的压力脉动试验是在河海大学水力机械多功能试验台上进行的，试验台按照SL140-2006《水泵模型及装置模型验收试验规程》进行设计与建造，试验综合不确定度≤0.4%。试验台的总容量为50 m3，其循环系统为立式封闭系统。主要设备由尾水箱、压力水箱、电磁流量计、供水泵、电动闸阀、手动蝶阀、Φ500管道等组成。试验台主要参数如下：扬程H=-5～20 m；流量Q=0～1 m3/s；转矩M=0～200 N/m；转速n=0～2 000 r/min。试验台系统示意图见图1。

图1 试验台系统示意图Fig.1 Schematic diagram of test bench

传感器采用型号为HPT700的专用压力变送器，其主要参数为：输出信号为4～20 mA，量程为0～300 kPa，供电电压为24VDC，精度为0.5%。信号采集采用型号为HPT3000的采集仪及配套分析系统。

在信号处理方面，虽然压力变送器输出信号为电流，但是结合其采集系统，实际输出在计算机上的为电压值0～5 V，即输出电流与内置电阻的乘积。在试验开始之前需进行信号零点的采集，采集到的信号零点为1 V。在信号结果处理时采用式(1)得到计算压力脉动所需的压力值Px：

(1)

式中：Vx为试验采集电压值，V；Px为所需压力值，kPa；V0为采样零点，1 V。

又因为1 kPa=0.1 m水柱，所以由Px可以得到换算成水头(m)的压力脉动幅值：

F=7.5 (Vx-V0)

(2)

式中：F为压力脉动幅值，m。

1.2 模型泵参数及测点布置

该泵站所用贯流泵水力模型为《南水北调工程水泵模型同台测试》中的TJ04-ZL-07水力模型。该水力模型比转数为1 248.3，汽蚀比转数为1 154.9，转轮叶片为3片，导叶数为5片，轮毂比为0.367，叶根厚度为10 mm，叶尖厚度为7 mm，转轮间隙为0.15 mm。原型泵的主要参数为：转轮直径D=3.9 m，额定转速n=67 r/min，额定流量为Q=37.5 m3/s，设计扬程为0.3 m。模型泵的转轮直径为300 mm，转轮叶片数为3片，导叶数为5片，由公式(3)、式(4)可以计算出模型泵的额定转速为871 r/min，额定流量为0.222 m3/s。

由原模型nD值相等，可以得到模型泵的额定转速为：

(3)

式中：np、nm分别为原、模型水泵的额定转速，r/min；Dp、Dm分别为原、模型水泵的转轮直径，mm。

模型水泵的额定流量为：

(4)

式中：Qp、Qm分别为原、模型水泵的额定流量，m3/s。

压力脉动的两个测点分别布置在转轮进口和导叶出口的位置，其测点布置示意图见图2。

图2 压力脉动测点布置示意图Fig.2 Schematic diagram of pressure pulsation measuring points

2 试验结果与分析

试验采集了在叶片安放角为-4°，-2°，0°，+2°，+4°下，扬程分别为0，0.3，0.8，1.35，1.9 m时模型泵的转轮进口和导叶出口处的压力脉动，并对采集到的压力脉动数据进行时域和频域的分析。

2.1 压力脉动时域分析

压力脉动的时域分析通常采用混频幅值的相对值来进行描述。国际电工委员会(IEC)有关规程推荐采用概率统计方法，分析脉动波形的混频双峰值，国内外也偏向于按置信度来计算混频的压力脉动的峰峰值[6]。所以，本试验结果按97%置信度进行处理。

(5)

式中：A为压力脉动相对幅值；ΔH为压力脉动两个振幅峰峰值，m；H为试验扬程，m。

2.1.1 压力脉动与扬程的关系

图3是当模型泵的叶片安放角为-4°时，转轮进口和导叶出口处的相对幅值与水泵扬程的关系示意图。由图3可知，无论是转轮进口还是导叶出口处的压力脉动相对幅值都随着扬程的增加先减小后增大，在设计扬程0.3 m时，相对幅值降至最低。由此可知，水泵偏离设计工况运行时，压力脉动相对幅值便会增大。分析其原因是：在设计工况下，水流离开转轮时具有较小的切向速度分量，因此压力脉动较小；当偏离设计工况时，转轮出口便具有较大的切向速度分量(小于设计工况时，具有与旋转方向相同的切向速度，大于设计工况时，具有与旋转方向相反的切向速度)，而切向速度会引起旋转涡带或者脱流，因此便会产生较大的压力脉动。

在0 m扬程下，转轮进口压力脉动相对幅值约为设计工况下的1.26倍，而在0.8 m扬程下，转轮进口压力脉动相对幅值约为设计工况下的1.12倍。所以在转轮进口处，偏离设计工况较小扬程时压力脉动幅值变化要比较大扬程时大。在0 m扬程下，导叶出口压力脉动相对幅值约为设计工况下的1.46倍，而在0.8 m扬程下，导叶出口压力脉动相对幅值约为设计工况下的1.57倍。所以在导叶出口处，偏离设计工况较大扬程时的压力脉动幅值变化要比较小扬程时大。

同时，由测点1与测点2相互对比可知，导叶出口处的压力脉动均大于转轮进口处的压力脉动。由于导叶体对压力脉动具有明显的消减作用，所以可以推测出转轮与导叶之间的压力脉动为泵段最大压力脉动点。分析其原因可能是：首先，水流在经过高速旋转的转轮后，在转轮出水口处其切向速度分量变大，其次是原本比较稳定的水流流场在经过高速旋转的转轮后流态变得紊乱，甚至出现空化、空蚀等现象，所以转轮与导叶之间的压力脉动最大。

图3 压力脉动相对幅值与扬程的关系示意图(叶片安放角为-4°时)Fig.3 Picture of relationship between pressure fluctuation and head (When the blade angle is -4°)

由此可知，水泵在正常的运行过程中，应该避免在偏离设计工况下运行。因为水泵在偏离设计工况运行时，不仅在能量方面，水泵的效率相对较低，而且偏离设计工况点愈远，水泵的空化性能和泵内水流条件愈差，转轮和导叶之间由于动静干涉所导致的压力脉动引发的水力激振愈严重，水泵装置的运行稳定性就会愈差。

2.1.2 压力脉动与叶片安放角的关系

图4是两个测点在不同叶片安放角下压力脉动与扬程的关系示意图。同时分析两图可以看出：不同叶片安放角下压力脉动相对幅值也是不同的；在设计工况即叶片安放角为0°时的压力脉动明显要低于其他叶片安放角；在-2°叶片安放角处压力脉动相对幅值无论是转轮进口还是导叶出口基本都明显大于其他角度；在同一扬程下，不同叶片安放角下的压力脉动幅值还是有比较明显的差别。

图4 两个测点在不同叶片安放角下压力脉动与扬程的关系Fig.4 Relationship between pressure pulsation and head of the two measuring points under different blade angles

图5是在设计扬程0.3 m时，叶片安放角分别为0°和+4°时，从安装在转轮段的观察窗，利用闪频仪观察到的转轮周围的空化现象图片。由图5(a)可以清楚地看出来，在叶片安放角为0°时，转轮周围水流流态均匀，没有产生气泡，可见此时叶片的空化性能较好；而由图5(b)图可以看到，在叶片安放角为+4°时，转轮背面存在少量的气泡，说明偏离设计工况时，叶片的空化性能也相应的变差。综上可知，叶片安放角对贯流泵内的压力脉动确实有一定的影响作用，分析其原因是：叶片安放角对流量以及水流的流态产生一定的影响，可能出现回流、空化等现象。

图5 设计扬程下0°和+4°叶片安放角时空化现象实拍图Fig.5 The cavitation phenomenon pictures of the blade angle are 0° and +4° under the design head

2.2 压力脉动频域分析

为了对压力脉动的频率成分进行比较直观的分析，所以对压力脉动的时域信号进行快速傅里叶变换[7]。为方便分析特采用转频倍数来表示，转轮固有频率为：

(6)

式中：f为固有频率，Hz；n为额定转速，r/min。

图6为测点1和测点2在不同扬程下，压力脉动的振幅与转频倍数的关系图。由频域图可知：模型泵的转轮进口和导叶出口压力脉动均以3.16倍的转频为主。转轮进口处分析其原因可能是由于转轮3只叶片周期性转动与进口流场相互干扰而产生压力脉动，同时还可以看到3的倍数的转频时仍有一些次频成分[8]。导叶出口处以3.16倍转频为主可能是因为该模型泵转轮段与导叶段距离比较近，导叶很难消除转轮通过频率(BPF)的影响作用，由此可以推测出，适当加大转轮出口与导叶进口之间的间隙，以减弱它们之间的动静干涉强度可以减轻贯流泵内的压力脉动。

同时可明显看出，在设计扬程0.3 m下的压力脉动振幅明显低于其他扬程；转轮进口、导叶出口处的压力脉动除了以BPF为主外，在高扬程工况下，以1～2倍固有频率的压力脉动随着扬程的增大而振幅越来越大，但是在低扬程工况下却未发现这种现象。分析其原因是：在高扬程工况下，流量偏小，小流量时，水泵转轮旋转对水泵入口断面流动有影响，流量越小影响就越大，具体表现为水泵进口速度环量随流量减小而增大，造成转轮进口水流流态有较大的变化，进而也会影响出口的流态，所以会出现低频脉动振幅增大的现象。