基于数字信号处理的轴流泵压力脉动试验研究

陆 荣， 袁建平， 李彦军， 付燕霞， 夏水晶

(1.江苏大学 国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 212013； 2.江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013)

基于数字信号处理的轴流泵压力脉动试验研究

陆 荣1， 袁建平1， 李彦军1， 付燕霞2， 夏水晶1

(1.江苏大学 国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 212013； 2.江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013)

传统电信号压力传感器受电流干扰严重，为准确地获得轴流泵内部压力脉动特性，采用高精度数字压力采集系统对一轴流泵模型的叶轮进口、导叶流道内和导叶出口进行压力测试，试验在包含马鞍区的4个流量工况(0.45Qd、0.8Qd、1.0Qd、1.2Qd)下进行。试验结果表明：在稳定工况(0.8Qd、1.0Qd、1.2Qd)下叶轮进口监测点P1的时域信号为规则的正弦波，脉动周期与叶片通过周期一致；受叶轮与导叶的动静干涉影响，导叶内部P2及出口P3均出现了小峰值的二次谐波。在非稳定工况(0.45Qd)下各点的时域信号均出现较大峰值的二次谐波。通过快速傅里叶变换(FFT)获得了各监测点的频域结果：稳定工况下各监测点的压力脉动主频均为叶频(BPF)，从叶轮进口至导叶出口幅值逐渐减小；非稳定工况下由于回流和叶顶泄漏涡等因素的影响，各监测点的频率成分复杂，主频向高频段移动且伴随有较强高频信号，脉动幅值大于其余工况。

轴流泵；压力脉动；数字信号；试验

随着泵站改造工程的兴起，轴流泵的需求量不断增加[1]。在大型轴流泵运行过程中，叶片区的水力激振易导致振动噪声、机组共振及叶片裂纹等结构破坏，是影响泵稳定运行的关键因素[2-4]，尤其在马鞍区下运行时问题更为严重[5-6]。相关研究表明泵内部的压力脉动是诱导水力激振、引发振动的主要原因[7-8]。周林玉[9]采用大涡模拟和滑移网格技术研究了一离心泵在偏离工况下叶轮内部和叶轮与蜗壳动静干涉位置的压力脉动与振动特性。吴登昊等[10]对管道泵的非定常压力脉动与振动的关系进行了试验研究，发现压力脉动是管道泵产生振动的主要激励源。张德胜等[11-12]对轴流泵在多个工况下的压力脉动及振动进行了试验研究，结果表明：泵内压力脉动频率与振动频率变化相同，两者主频基本一致。

目前泵内压力脉动的研究大多采用数值模拟的方法[13-15]，具有一定的可信度，但轴流泵马鞍区的流动极为复杂，数值模拟较难准确预测其真实规律。因此，本文采取模型试验方法借助抗干扰能力强的数字压力信号采集系统对包含马鞍区在内的4个流量工况点进行压力脉动试验研究，旨在揭示轴流泵内部真实的压力脉动特性。

1 试验模型与装置

1.1 试验模型

本次研究选取了一比转速为1 500的轴流泵模型，其三维模型如图1所示，进出口段做了适当的延伸。主要性能参数为：设计流量Qd=410 L/s，设计扬程Hd=3.0 m，额定转速n=1 450 r/min。模型泵的主要几何参数为：叶轮直径D2=300 mm，轮毂直径dh=92 mm，叶轮叶片数Z=3，导叶叶片数Zd=5，叶顶间隙C=0.3mm，性能曲线如图2所示。

图1 模型泵三维模型Fig.1 3D structure of model pump

图2 模型泵性能曲线Fig.2 Hydraulic performance of model pump

1.2 试验设备

压力脉动试验在江苏大学流体机械质量检测中心Φ500轴流泵模型多功能闭式试验台上进行，试验装置如图3所示，主要由试验泵段、辅助泵、涡轮流量计、调节阀、闸阀、转矩转速传感器、稳压罐等组成。压力信号采集系统包括：3个CY200型数字压力传感器(具体参数如表1所示)，一台485-20集线器，由计算机SmartSensor程序进行各通道信号进行实时显示与采集，系统结构如图4所示。该系统由成都泰斯特公司研制，其独特性在于融合了高精密度、高稳定度参考源技术、信号采集处理、通讯、总线等高新技术，其配套使用的智能数字压力传感器采用目前国际最新的SOC(单片机系统)芯片，结合MEMS加工的压阻硅晶体为敏感器件，充分利用微处理器的处理和存储能力，实现对敏感部件拾取的压力信号进行滤波、放大、A/D转换、校正等功能，直接输出可显示存储的数字信号，可有效地克服电信号的干扰。

表1 CY200数字压力传感器参数Tab.1 The parameters of the CY200 digital pressure sensor

1.电动机；2.模型泵；3.进口测压孔；4.出口测压孔；5.闸阀6.汽蚀罐；7.电动闸阀；8.电磁流量计；9.稳压罐；10.辅助泵图3 泵试验台简图Fig.3 Schematic of the pump test system

图4 压力采集系统Fig.4 Pressure acquisition system

试验方法依据SL140—2006《水泵模型及装置模型验收试验规程》，选择了靠近壁面处的叶轮进口P1、导叶流道内P2和导叶出口P3三个压力监测点，如图5所示。试验采集了大流量工况(1.2Qd)、设计工况(1.0Qd)、小流量工况(0.8Qd)及马鞍区(0.45Qd)附近的压力信号，为防止信号的混叠[16-17]，将采样频率设置为1 000 Hz。为了减小误差，试验时利用该系统的实时频域转换功能观察压力频域信号有无明显异常，并且每个流量点均进行了3次重复测量，对比每次结果无明显的差异后再记录实验数据。

1.喇叭管；2.转轮室；3.导叶体；4.出口弯管图5 监测点和压力传感器位置Fig. 5 Location of monitoring points and pressure transmitters

2 试验结果与分析

2.1 压力脉动信号时域分析

为减小轴流泵在马鞍区的振动以保护实验装置，试验在降低转速至1 300 r/min的条件下进行，通过相似换算得到额定转速下的性能曲线。为了直观地反映

压力脉动的幅度，现引入无量纲参数：压力脉动系数Cp，其公式[18]为

(1)

定义叶轮旋转周期数

N=t/T

(2)

式中：t为信号时间长度；T为叶轮旋转一圈的时间。本文对叶轮旋转4个周期的压力值做时域分析，如图6所示。

在0.8Qd～1.0Qd量工况下，叶轮进口P1处的压力信号近似为正弦曲线，呈现出十分明显的周期性波动，在每个旋转周期内压力信号均出现了3个波峰与波谷，压力脉动主要受叶轮叶片数影响。由于叶轮与导叶的动静干涉，0.8Qd～1.0Qd工况下P2处的压力信号均出现了一定幅度的二次波峰且随着流量的增大幅值有减小的趋势，但叶片数仍对压力脉动起主导作用。随着流体向导叶出口运动，动静干涉作用减弱，P3处的二次波峰相对少。而在0.45Qd下由于进口回流和叶顶泄漏涡等不稳定流动的影响，各监测点的压力脉动规律均与其他3个流量点的有明显的区别。主要表现为：各监测点处的波动幅值迅速增加，P2、P3均出现了较大幅值的二次波峰使得压力脉动周期缩短。

图6 压力脉动时域图Fig. 6 Time domains of pressure fluctuation

2.2 压力脉动信号频域分析

为更好地分析轴流泵内部的压力脉动规律，对时域信号进行快速傅里叶变换(FFT)并进行频谱分析。图7为不同工况下各监测点的最大压力脉动幅值对比，频域分布如图8所示，其中轴的转动频率定义为fz=1 300/60=21.67 Hz。

图7 多工况下各监测点最大压力脉动幅值对比Fig. 7 The comparison of maximum pressure fluctuationamplitude at different monitoring points under multi conditions

在0.8Qd～1.2Qd三个工况下，各监测点的压力波动规律明显，主频均为叶片通过频率(BPF，3fz)，轴流泵内部压力主要受叶频的影响，在转频的整数倍处也出现了较为明显的峰值，而在低频和高频处均未出现明显的混杂信号，整个频谱十分清晰，说明本次测量几乎没有干扰信号的混入。由于导叶的扩压作用，各流量工况下从P1～P3压力脉动幅值逐渐减小，内部压力逐渐趋于稳定。但叶轮与导叶的动静干涉使P2处的压力脉动出现了较为明显的高频分量。随着流量的增大，P2、P3处压力脉动幅值先减小后增大，设计点的幅值最小，说明在设计点导叶的能量回收率最高。而在马鞍区(0.45Qd)运行时受不稳定流动的共同影响各监测点频率成分极其复杂，尤其在高频段均出现了较为剧烈的脉动，压力脉动主频向高频段移动(5fz)且幅值最大的点出现在导叶流道内P2处，并伴随有十分强烈的机组振动。

图8 压力脉动频域图Fig.8 Frequency domains of pressure fluctuation

3 结 论

借助数字压力采集系统对轴流泵在不同流量下的压力脉动进行测试，并对压力信号进行时域与频域处理得到了以下结论：

(1)在稳定工况下轴流泵内部各点的压力脉动主要受叶轮叶片数影响，主频均为叶频(3fz)，从叶轮进口至导叶出口压力脉动幅值逐渐减小。

(2)导叶流道内的压力脉动受动静干涉的影响在时域信号中出现了二次波峰并诱导产生了高频分量，导叶出口动静干涉影响减弱。

(3)轴流泵在马鞍区运行时，内部不稳定流动诱发了剧烈的高频压力脉动并引起了强烈的机组振动，应避免轴流泵长时间在该工况下运行。

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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

国家科技支撑计划项目(2015BAD20B01;江苏省水利科技项目(2015042);江苏高校自然科学研究项目(09KJB570001)

2016-05-18 修改稿收到日期： 2016-08-18

陆荣 男，硕士生，1990年生

袁建平 男,研究员，博士生导师，1970年生

TH311

ADOI:10.13465/j.cnki.jvs.2017.20.004