基于數(shù)字信號(hào)處理的軸流泵壓力脈動(dòng)試驗(yàn)研究

陸 榮， 袁建平， 李彥軍， 付燕霞， 夏水晶

(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.江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

基于數(shù)字信號(hào)處理的軸流泵壓力脈動(dòng)試驗(yàn)研究

陸 榮1， 袁建平1， 李彥軍1， 付燕霞2， 夏水晶1

(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.江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

傳統(tǒng)電信號(hào)壓力傳感器受電流干擾嚴(yán)重，為準(zhǔn)確地獲得軸流泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)特性，采用高精度數(shù)字壓力采集系統(tǒng)對一軸流泵模型的葉輪進(jìn)口、導(dǎo)葉流道內(nèi)和導(dǎo)葉出口進(jìn)行壓力測試，試驗(yàn)在包含馬鞍區(qū)的4個(gè)流量工況(0.45Qd、0.8Qd、1.0Qd、1.2Qd)下進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明：在穩(wěn)定工況(0.8Qd、1.0Qd、1.2Qd)下葉輪進(jìn)口監(jiān)測點(diǎn)P1的時(shí)域信號(hào)為規(guī)則的正弦波，脈動(dòng)周期與葉片通過周期一致；受葉輪與導(dǎo)葉的動(dòng)靜干涉影響，導(dǎo)葉內(nèi)部P2及出口P3均出現(xiàn)了小峰值的二次諧波。在非穩(wěn)定工況(0.45Qd)下各點(diǎn)的時(shí)域信號(hào)均出現(xiàn)較大峰值的二次諧波。通過快速傅里葉變換(FFT)獲得了各監(jiān)測點(diǎn)的頻域結(jié)果：穩(wěn)定工況下各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)主頻均為葉頻(BPF)，從葉輪進(jìn)口至導(dǎo)葉出口幅值逐漸減小；非穩(wěn)定工況下由于回流和葉頂泄漏渦等因素的影響，各監(jiān)測點(diǎn)的頻率成分復(fù)雜，主頻向高頻段移動(dòng)且伴隨有較強(qiáng)高頻信號(hào)，脈動(dòng)幅值大于其余工況。

軸流泵；壓力脈動(dòng)；數(shù)字信號(hào)；試驗(yàn)

隨著泵站改造工程的興起，軸流泵的需求量不斷增加[1]。在大型軸流泵運(yùn)行過程中，葉片區(qū)的水力激振易導(dǎo)致振動(dòng)噪聲、機(jī)組共振及葉片裂紋等結(jié)構(gòu)破壞，是影響泵穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素[2-4]，尤其在馬鞍區(qū)下運(yùn)行時(shí)問題更為嚴(yán)重[5-6]。相關(guān)研究表明泵內(nèi)部的壓力脈動(dòng)是誘導(dǎo)水力激振、引發(fā)振動(dòng)的主要原因[7-8]。周林玉[9]采用大渦模擬和滑移網(wǎng)格技術(shù)研究了一離心泵在偏離工況下葉輪內(nèi)部和葉輪與蝸殼動(dòng)靜干涉位置的壓力脈動(dòng)與振動(dòng)特性。吳登昊等[10]對管道泵的非定常壓力脈動(dòng)與振動(dòng)的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)壓力脈動(dòng)是管道泵產(chǎn)生振動(dòng)的主要激勵(lì)源。張德勝等[11-12]對軸流泵在多個(gè)工況下的壓力脈動(dòng)及振動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：泵內(nèi)壓力脈動(dòng)頻率與振動(dòng)頻率變化相同，兩者主頻基本一致。

目前泵內(nèi)壓力脈動(dòng)的研究大多采用數(shù)值模擬的方法[13-15]，具有一定的可信度，但軸流泵馬鞍區(qū)的流動(dòng)極為復(fù)雜，數(shù)值模擬較難準(zhǔn)確預(yù)測其真實(shí)規(guī)律。因此，本文采取模型試驗(yàn)方法借助抗干擾能力強(qiáng)的數(shù)字壓力信號(hào)采集系統(tǒng)對包含馬鞍區(qū)在內(nèi)的4個(gè)流量工況點(diǎn)進(jìn)行壓力脈動(dòng)試驗(yàn)研究，旨在揭示軸流泵內(nèi)部真實(shí)的壓力脈動(dòng)特性。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c裝置

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

本次研究選取了一比轉(zhuǎn)速為1 500的軸流泵模型，其三維模型如圖1所示，進(jìn)出口段做了適當(dāng)?shù)难由臁Ｖ饕阅軈?shù)為：設(shè)計(jì)流量Qd=410 L/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程Hd=3.0 m，額定轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min。模型泵的主要幾何參數(shù)為：葉輪直徑D2=300 mm，輪轂直徑dh=92 mm，葉輪葉片數(shù)Z=3，導(dǎo)葉葉片數(shù)Zd=5，葉頂間隙C=0.3mm，性能曲線如圖2所示。

圖1 模型泵三維模型Fig.1 3D structure of model pump

圖2 模型泵性能曲線Fig.2 Hydraulic performance of model pump

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

壓力脈動(dòng)試驗(yàn)在江蘇大學(xué)流體機(jī)械質(zhì)量檢測中心Φ500軸流泵模型多功能閉式試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖3所示，主要由試驗(yàn)泵段、輔助泵、渦輪流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥、閘閥、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、穩(wěn)壓罐等組成。壓力信號(hào)采集系統(tǒng)包括：3個(gè)CY200型數(shù)字壓力傳感器(具體參數(shù)如表1所示)，一臺(tái)485-20集線器，由計(jì)算機(jī)SmartSensor程序進(jìn)行各通道信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與采集，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。該系統(tǒng)由成都泰斯特公司研制，其獨(dú)特性在于融合了高精密度、高穩(wěn)定度參考源技術(shù)、信號(hào)采集處理、通訊、總線等高新技術(shù)，其配套使用的智能數(shù)字壓力傳感器采用目前國際最新的SOC(單片機(jī)系統(tǒng))芯片，結(jié)合MEMS加工的壓阻硅晶體為敏感器件，充分利用微處理器的處理和存儲(chǔ)能力，實(shí)現(xiàn)對敏感部件拾取的壓力信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換、校正等功能，直接輸出可顯示存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)，可有效地克服電信號(hào)的干擾。

表1 CY200數(shù)字壓力傳感器參數(shù)Tab.1 The parameters of the CY200 digital pressure sensor

1.電動(dòng)機(jī)；2.模型泵；3.進(jìn)口測壓孔；4.出口測壓孔；5.閘閥6.汽蝕罐；7.電動(dòng)閘閥；8.電磁流量計(jì)；9.穩(wěn)壓罐；10.輔助泵圖3 泵試驗(yàn)臺(tái)簡圖Fig.3 Schematic of the pump test system

圖4 壓力采集系統(tǒng)Fig.4 Pressure acquisition system

試驗(yàn)方法依據(jù)SL140—2006《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》，選擇了靠近壁面處的葉輪進(jìn)口P1、導(dǎo)葉流道內(nèi)P2和導(dǎo)葉出口P3三個(gè)壓力監(jiān)測點(diǎn)，如圖5所示。試驗(yàn)采集了大流量工況(1.2Qd)、設(shè)計(jì)工況(1.0Qd)、小流量工況(0.8Qd)及馬鞍區(qū)(0.45Qd)附近的壓力信號(hào)，為防止信號(hào)的混疊[16-17]，將采樣頻率設(shè)置為1 000 Hz。為了減小誤差，試驗(yàn)時(shí)利用該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)頻域轉(zhuǎn)換功能觀察壓力頻域信號(hào)有無明顯異常，并且每個(gè)流量點(diǎn)均進(jìn)行了3次重復(fù)測量，對比每次結(jié)果無明顯的差異后再記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.喇叭管；2.轉(zhuǎn)輪室；3.導(dǎo)葉體；4.出口彎管圖5 監(jiān)測點(diǎn)和壓力傳感器位置Fig. 5 Location of monitoring points and pressure transmitters

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壓力脈動(dòng)信號(hào)時(shí)域分析

為減小軸流泵在馬鞍區(qū)的振動(dòng)以保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置，試驗(yàn)在降低轉(zhuǎn)速至1 300 r/min的條件下進(jìn)行，通過相似換算得到額定轉(zhuǎn)速下的性能曲線。為了直觀地反映

壓力脈動(dòng)的幅度，現(xiàn)引入無量綱參數(shù)：壓力脈動(dòng)系數(shù)Cp，其公式[18]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；T為葉輪旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間。本文對葉輪旋轉(zhuǎn)4個(gè)周期的壓力值做時(shí)域分析，如圖6所示。

在0.8Qd～1.0Qd量工況下，葉輪進(jìn)口P1處的壓力信號(hào)近似為正弦曲線，呈現(xiàn)出十分明顯的周期性波動(dòng)，在每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)壓力信號(hào)均出現(xiàn)了3個(gè)波峰與波谷，壓力脈動(dòng)主要受葉輪葉片數(shù)影響。由于葉輪與導(dǎo)葉的動(dòng)靜干涉，0.8Qd～1.0Qd工況下P2處的壓力信號(hào)均出現(xiàn)了一定幅度的二次波峰且隨著流量的增大幅值有減小的趨勢，但葉片數(shù)仍對壓力脈動(dòng)起主導(dǎo)作用。隨著流體向?qū)~出口運(yùn)動(dòng)，動(dòng)靜干涉作用減弱，P3處的二次波峰相對少。而在0.45Qd下由于進(jìn)口回流和葉頂泄漏渦等不穩(wěn)定流動(dòng)的影響，各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)規(guī)律均與其他3個(gè)流量點(diǎn)的有明顯的區(qū)別。主要表現(xiàn)為：各監(jiān)測點(diǎn)處的波動(dòng)幅值迅速增加，P2、P3均出現(xiàn)了較大幅值的二次波峰使得壓力脈動(dòng)周期縮短。

圖6 壓力脈動(dòng)時(shí)域圖Fig. 6 Time domains of pressure fluctuation

2.2 壓力脈動(dòng)信號(hào)頻域分析

為更好地分析軸流泵內(nèi)部的壓力脈動(dòng)規(guī)律，對時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)并進(jìn)行頻譜分析。圖7為不同工況下各監(jiān)測點(diǎn)的最大壓力脈動(dòng)幅值對比，頻域分布如圖8所示，其中軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率定義為fz=1 300/60=21.67 Hz。

圖7 多工況下各監(jiān)測點(diǎn)最大壓力脈動(dòng)幅值對比Fig. 7 The comparison of maximum pressure fluctuationamplitude at different monitoring points under multi conditions

在0.8Qd～1.2Qd三個(gè)工況下，各監(jiān)測點(diǎn)的壓力波動(dòng)規(guī)律明顯，主頻均為葉片通過頻率(BPF，3fz)，軸流泵內(nèi)部壓力主要受葉頻的影響，在轉(zhuǎn)頻的整數(shù)倍處也出現(xiàn)了較為明顯的峰值，而在低頻和高頻處均未出現(xiàn)明顯的混雜信號(hào)，整個(gè)頻譜十分清晰，說明本次測量幾乎沒有干擾信號(hào)的混入。由于導(dǎo)葉的擴(kuò)壓作用，各流量工況下從P1～P3壓力脈動(dòng)幅值逐漸減小，內(nèi)部壓力逐漸趨于穩(wěn)定。但葉輪與導(dǎo)葉的動(dòng)靜干涉使P2處的壓力脈動(dòng)出現(xiàn)了較為明顯的高頻分量。隨著流量的增大，P2、P3處壓力脈動(dòng)幅值先減小后增大，設(shè)計(jì)點(diǎn)的幅值最小，說明在設(shè)計(jì)點(diǎn)導(dǎo)葉的能量回收率最高。而在馬鞍區(qū)(0.45Qd)運(yùn)行時(shí)受不穩(wěn)定流動(dòng)的共同影響各監(jiān)測點(diǎn)頻率成分極其復(fù)雜，尤其在高頻段均出現(xiàn)了較為劇烈的脈動(dòng)，壓力脈動(dòng)主頻向高頻段移動(dòng)(5fz)且幅值最大的點(diǎn)出現(xiàn)在導(dǎo)葉流道內(nèi)P2處，并伴隨有十分強(qiáng)烈的機(jī)組振動(dòng)。

圖8 壓力脈動(dòng)頻域圖Fig.8 Frequency domains of pressure fluctuation

3 結(jié) 論

借助數(shù)字壓力采集系統(tǒng)對軸流泵在不同流量下的壓力脈動(dòng)進(jìn)行測試，并對壓力信號(hào)進(jìn)行時(shí)域與頻域處理得到了以下結(jié)論：

(1)在穩(wěn)定工況下軸流泵內(nèi)部各點(diǎn)的壓力脈動(dòng)主要受葉輪葉片數(shù)影響，主頻均為葉頻(3fz)，從葉輪進(jìn)口至導(dǎo)葉出口壓力脈動(dòng)幅值逐漸減小。

(2)導(dǎo)葉流道內(nèi)的壓力脈動(dòng)受動(dòng)靜干涉的影響在時(shí)域信號(hào)中出現(xiàn)了二次波峰并誘導(dǎo)產(chǎn)生了高頻分量，導(dǎo)葉出口動(dòng)靜干涉影響減弱。

(3)軸流泵在馬鞍區(qū)運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部不穩(wěn)定流動(dòng)誘發(fā)了劇烈的高頻壓力脈動(dòng)并引起了強(qiáng)烈的機(jī)組振動(dòng)，應(yīng)避免軸流泵長時(shí)間在該工況下運(yùn)行。

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Anexperimentalinvestigationofpressurefluctuationinanaxial-flowpumpbasedondigitalsignalprocessing

LU Rong1， YUAN Jianping1， LI Yanjun1， FU Yanxia2， XIA Shuijing1

(1. National Research Center of Pumps, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;2. School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

In order to obtain the accurate characteristics of pressure fluctuation in an axial flow pump, the monitoring points of pressure were set near the impeller inlet, the blade passages and the vane outlet. The test was conducted by applying a high precision digital pressure acquisition system under 4 different flow rates, which were 0.45, 0.8, 1.0 and 1.2 of the design flow (Qd), respectively. Pressure fluctuations in the time domain show that: under stable conditions (0.8Qd, 1.0Qd, 1.2Qd), the pressure at P1 near the inlet shows a regular waveform with 3 peaks and 3 valleys as time changes, which is associated with the blade number. Due to the interaction between the rotor and the stator, the pressure at both P2 and P3 inside the vane shows a second harmonic wave with lower amplitude. While at 0.45Qd, the pressure of 3 points shows a significant second harmonic wave due to the drop of the head. Based on fast Fourier transform (FFT), the main frequency of all monitors is always the blade passing frequency (BPF) with its amplitude decreasing from the impeller inlet to the vane outlet under stable conditions. However, the unsteady flow like backflow and tip vortex at 0.45Qdlead to complex frequency components and the main frequency shifted to high frequency segment accompanied by higher amplitude.

axial flow pump；pressure fluctuation；digital signal；experiment

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAD20B01;江蘇省水利科技項(xiàng)目(2015042);江蘇高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(09KJB570001)

2016-05-18 修改稿收到日期： 2016-08-18

陸榮 男，碩士生，1990年生

袁建平 男,研究員，博士生導(dǎo)師，1970年生

TH311

ADOI:10.13465/j.cnki.jvs.2017.20.004