不同工况下大型箱涵式泵装置压力脉动特性及振动特性

石丽建，汤方平，王 瑄，张文鹏

（扬州大学水利与能源动力工程学院，扬州 225009）

0 引 言

双向流道泵装置型式又称箱涵式泵装置型式，箱涵式泵装置可有效将“一站四闸”泵站枢纽式布置转换成闸站合一的方式，更有效的实现灌排的目的。目前，由于采用箱涵式泵装置型式的泵站工程具有工程投资小、结构型式简单、安装检修方便、运行稳定等优点，得到了广泛的应用。

随着箱涵式泵装置的应用越来越多[1-2]，科研工作者对这方面的研究也越来越广泛[3-10]。在大型箱涵式轴流泵运行过程中，叶片区域水力激振会导致振动噪声、机组共振和叶片裂纹，是影响大型箱涵式泵机组稳定运行的关键因素[11-14]。王福军等[15]通过数值模拟手段对轴流泵内部压力脉动进行了计算分析，得到了轴流泵内部压力脉动分布的规律。Zhang等[16]运用数值模拟方法分析了南水北调工程某一轴流泵模型内的非定常流动特性和压力脉动规律，并对采样频率和采样时间的合理选取给出了推荐范围。

近年来，对轴流泵压力脉动的研究越来越多[17-24]，但是对于大型箱涵式泵装置压力脉动研究较少，特别是运用试验手段对箱涵式泵装置不同条件下进水内部压力脉动特性的研究较少。文采用试验手段对箱涵式进水内部压力脉动特性进行测试分析，期望得到不同运行条件下轴流泵内部压力脉动规律和振动规律。

1 泵站工程概况

界牌水利枢纽工程位于江苏镇江，泵站设计为双向运行泵站，可方便的实现调水和排涝的功能，泵站引水工况净扬程范围为0～3.47 m，设计净扬程为1.16 m，设计流量300 m3/s，排水工况净扬程范围为0～3.33 m，设计净扬程为2.75 m。界牌水利枢纽泵站采用9台套X型双向流道叶片全调节立式轴流泵，单泵流量 33.4 m3/s，总装机流量300 m3/s，泵站以引水工况为主，兼顾排水。叶轮直径D=3.45 m，转速n=100 r/min，nD值为345。考虑闸门槽和拦污栅水力损失0.2 m，则该泵站引水工况设计扬程为1.36 m，最高扬程3.67 m，排水工况设计扬程2.95 m，最高扬程3.53 m。根据相似换算关系，将原型泵站设计参数按照等nD值原则换算到模型泵参数，模型泵叶轮直径Dm=0.3 m，转速nm=1 150 r/min，流量Qm=253 L/s，扬程在数值上保持不变。

2 测点布置及测试系统介绍

2.1 监测点布置

对该箱涵式模型泵装置进行压力脉动测试，测点布置在进水喇叭管和叶轮进口。具体测点布置如图1所示。另布置 2个振动传感器，分别布置在箱体顶端水平和竖直位置。

图1中4个测点以叶轮中心为三维坐标原点，坐标系建立如图1右上角所示。得到4个测点位置的三维坐标值，如表1所示。

图1 传感器测点布置图Fig.1 Sensor test point layout

表1 测点布置位置及坐标Table 1 Sensor test point layout and coordinate

本文针对不同条件及不同装置下进口部分水流压力脉动进行了试验研究，测点布置在进水部分，考虑到整个箱体中充满水和喇叭管半开式安装的要求，将 2个测点布置在进水喇叭管上，2个测点布置在靠近叶轮进口法兰处。以叶轮中心为坐标原点得到压力脉动监测点位置坐标如表1所示。为了区分4个监测点，以X轴正方向为西，Y轴正方向为南，进水喇叭管上的2个监测点分别在XY平面以X轴正方向的135°和225°的位置，因此分别命名 4个监测点为进水喇叭东北方向监测点、进水喇叭东南方向监测点、叶轮进口南监测点和叶轮进口北监测点。

2.2 传感器简介

采用昆山双桥传感器有限公司的高频动态微型传感器CYG505进行压力脉动测试，传感器精度0.25%，标称尺寸外径为5 mm，传感器具有外形尺寸小，对流场扰动小，灵敏度高，动态频响好等特点。传感器量程–100 ～100 kPa，采样频率为100 kHz。输出采用0～5 V输出。最重要的一个特点就是该传感器能够防水。采集仪采用SQQCP-USB-16。采样频率越高，所得数据时间分辨率越高；采样频率越低，脉动的幅值变化就越可能被低估，而这对压力脉动特性的研究非常不利。对于旋转机械一般故障频率分析都应该超过转频的 8倍，本文转频为24.17 Hz，所以采样频率应该大于193.33 Hz，且当信号中最高频率小于奈奎斯特频率时，采样后的数字信号能够完全保留原始信号中的信息，高于或处于奈奎斯特频率的频率分量会导致混叠现象。为了避免混叠应尽量选择较高的采样频率，本文研究时采样频率取100 kHz。

2.3 试验系统及装置

试验系统及装置如图 2所示。模型试验在江苏省水力动力工程重点实验室进行，测试系统为闭式循环系统，受测段叶轮直径为300 mm，系统总长60 m，管路直径为0.5 m，系统测试精度为0.39%。针对箱涵式泵装置进水部分压力脉动进行测试，测试分3部分：1）整个出水流道全淹没状态，且保证轴流泵叶片不发生汽蚀，进行 5个流量工况点（126、153、203、253和285 L/s）的压力脉动测试；2）开敞式压力脉动测试，即通过出水流道观测孔（见图2b）保证出水流道水位与流道顶端距30 cm，控制出水罐体压力保证 4个相同流量工况点出水水位不变；3）通过罐体进口真空阀抽真空降低叶轮进口压力使得叶片发生汽蚀，以泵装置效率下降1%为准进行4个流量工况点汽蚀条件下的压力脉动测试。

图2 水泵测试系统示意图Fig.2 Schematic diagram of pump test system

3 压力脉动测试结果分析

3.1 压力脉动与工况点之间的关系

进水部分包括叶轮进口南、叶轮进口北、进水喇叭管东北、进水喇叭管东南共 4个压力脉动测试点。压力脉动测试时取流量工况点126、153、203、253和285 L/s。现将压力脉动测试点3与4与流量的压力脉动关系整理如图3所示。

图3 叶轮室进口南、北各工况点压力脉动频谱图Fig.3 Pressure pulsation spectrograms in south and north of impeller inlet

通过图 3叶轮室进口南、北测点各工况点压力脉动频谱图可知，压力脉动的峰峰值基本随着流量的减小而增大，两测点的压力脉动基本相似；由图 3可知，压力脉动主要分布在1倍转频（19.16 Hz）、1倍叶频（57.5 Hz）和2倍叶频（115 Hz）位置。水流脉动主频为叶频，次主频为 2倍的叶频。各工况点对应的转频幅值基本不随流量变化；1倍叶频（主频）和2倍叶频对应的脉动幅值随着流量的减小而增大。说明水流压力脉动幅值跟水泵做功能力有着密切关系，随着流量的减小，叶片压力面和吸力面压差增大，导致压力脉动幅值增加。在流量为126 L/s时，由于叶轮进入马鞍区运行，产生了大量的脱流、漩涡等大量的不稳定流场，对应频谱上会产生一些高频脉动，高频脉动频谱较丰富。同时高频和低频脉动也可用来判断内部流场的变化情况。

图 4为进水喇叭管东北与东南各工况点压力脉动频谱图。通过图 4进水喇叭管各工况点压力脉动忽略低频脉动时，压力脉动的峰峰值跟叶轮室进口一样基本随着流量的减小而增大，但压力脉动幅值较叶轮室整体减小很多，且频谱分布和幅值有明显差别，这是因为进水喇叭管距离叶片进口较远，水流压力脉动主要受到进水来流速度不均匀的影响。整体上，进水喇叭管的脉动幅值要远小于叶轮室进口，这是因为叶轮室进口主要受叶片抽吸作用，在叶片吸力面形成较大的低压区，液流与叶片进口存在局部冲击，造成较大的速度梯度和压力梯度，最终旋转的压力梯度表现为叶轮室进口较大的压力脉动。

图4 进水喇叭管东北与东南各工况点压力脉动频谱图Fig.4 Pressure pulsation spectrograms in northeast and southeast of inlet flare tube

由图 4频谱图上看，各流量工况点压力脉动的低频信号都很明显，这主要受喇叭管进水条件的影响，反映出来流脉动的不对称。在大流量高频信号较少，小流量工况高频信号成分较多，说明小流量工况喇叭进口水流条件受叶轮流态的影响。进水喇叭管东北各工况点压力脉动主要以叶频为主，进水喇叭管东南各工况点压力脉动除低频外，转频比叶频更突出。

靠近叶片进口压力脉动越大，在实际工程应用中要着重关注叶轮进口的压力脉动特性。同时在小流量工况压力脉动幅值要大于设计工况和大流量工况，为保证泵站机组的安全稳定运行，减小机组的振动和噪声，应尽可能的避免在小流量区域长时间运行。

3.2 压力脉动与测点之间的关系

同一断面不同测点间的压力脉动特性由于流场的非对称性会产生一些差别。分析同一断面不同测点压力脉动规律对工程中预测内部流场变化具有一定的指导意义。本文选取大流量工况（Q=285 L/s）、设计工况（Q=253 L/s）和小流量工况（Q=153 L/s）共计3个流量工况点比较分析不同测点位置的压力脉动分布情况。以叶轮室为例，将同一流量工况、不同测点压力脉动关系整理如图5所示。

图5 不同流量（Q）工况下叶轮室进口压力脉动图Fig.5 Pressure pulsation spectrograms of impeller inlet at different flow (Q) conditions

据图 5可知，叶轮室进口压力脉动规律较为明显，且各工况点叶轮室进口南北两测点压力脉动有较好的对称性，同一工况不同测点频率分布规律是一致的。均是叶频对应的压力脉动幅值最大，转频和 2倍叶频次之。但主频对应的幅值不完全相等是由于同一断面不同测点位置流场不可能完全一致导致的。

3.3 开敞式出流条件下压力脉动测试

通过控制出水压力罐体水面压力值，将泵装置出水流道开敞出流30 cm，模拟工程上开敞出流的情况，待出水流道流场稳定时分别针对153、203、253和285 L/s共计 4个流量工况点进行开敞式压力脉动测试分析。泵装置在流量为126 L/s时，装置扬程进入马鞍区，流场脱流较为严重，汽蚀和开敞出流带来的机组噪声和振动加剧，为保证安全运行和有效数据的采集，在开敞式出流条件和汽蚀条件未对该小流量工况点进行压力脉动数据采集。开敞式出流压力脉动测试结果整理如下。

通过图 6叶开敞出流轮室内各工况点压力脉动图可知，开敞出流条件下叶轮室压力脉动规律与无汽蚀规律基本一致。压力脉动的峰峰值基本随着流量的减小而增大；从频谱图上看，压力脉动主频为 1倍叶频。各工况点对应的转频、1倍叶频和2倍叶频对应的幅值基本都是随着流量的减小而增大。说明了开敞出流时，对装置进水流态的影响较小。

通过图 7进水喇叭管开敞出流条件下各工况点压力脉动图可知，压力脉动峰峰值较叶轮室进口小很多，总体趋势流量减小脉动增加。从频谱图上看，各流量工况点压力脉动的频谱分布较广。在大流量高频信号较少，小流量工况高频信号成分较多，进水喇叭管东北各工况点压力脉动主要为叶频，进水喇叭管东南各工况点压力脉动主要为转频。开敞式出流条件下水流压力脉动规律与无汽蚀时相似。

工程实际应用中，当出水水位较低导致出水流道开敞出流时，叶轮进水部分压力脉动幅值变化不明显，在进水部分由于压力脉动变化引起的振动和噪声不足以对机组的安全稳定运行产生影响。

图6 叶轮室南北开敞出流压力脉动分析Fig.6 Open flow pressure pulsation of north and south of impeller inlet

3.4 汽蚀条件下压力脉动测试

通过对闭路循环系统进水罐体抽真空，使得叶轮进口压力减小，叶片发生汽蚀。泵装置效率下降1%时，分别针对153、203、253和285 L/s共计4个流量工况点进行汽蚀条件下的压力脉动测试分析。汽蚀条件下压力脉动测试结果整理如下。

图7 进水喇叭管东北与东南开敞出流压力脉动分析Fig.7 Open flow pressure pulsation of northeast and southeast of inlet flare tube

通过图 8汽蚀条件下叶轮室内各工况点压力脉动图可知，汽蚀条件下叶轮室压力脉动规律与无汽蚀规律基本一致，压力脉动的峰峰值基本随着流量的减小而增大；从频谱图上看，压力脉动主要为1倍叶频和2倍叶频，其幅值基本都是随着流量的减小而增大。

通过图 9进水喇叭管汽蚀条件下各工况点压力脉动图可知，压力脉动峰峰值较叶轮室整体减小很多；从频谱图上看，各流量工况点压力脉动的低频信号都很明显。在小流量工况高频信号成分较多，说明小流量工况叶轮进口水流条件发生了变化。进水喇叭管东北各工况点压力脉动主要为叶频，进水喇叭管东南各工况点压力脉动主要为转频和低频信号。

3.5 不同运行条件下压力脉动对比图

将无汽蚀、汽蚀条件下和开敞式出流条件下不同工况的叶轮室处压力脉动频谱图进行对比分析，如图10所示。根据这 3种情况对比可知，主频分布规律相似，不管是哪种运行条件主频均为叶频，次主频均为 2倍的叶频，特别是汽蚀条件下，主频和次主频对应的脉动幅值明显比其他运行状态时大，且汽蚀条件下频谱分布范围更广，高频成分较多。这是因为当水泵发生汽蚀时，气泡的产生、溃灭持续时间短、幅值大，产生较大的高频分量的压力脉冲。汽蚀发生时，除了具有由于叶轮旋转造成的叶轮进口压力面和吸力面交替出现产生的基本水流压力脉动外，还具有较大幅值的气泡溃灭的脉动分量和由于汽蚀原因引起的水流脱流、回旋、水流速度不均匀等压力脉动分量，所有这些原因导致了汽蚀状态下压力脉动幅值的明显增加。因此，在实际工程应用中应尽量避免叶轮处于汽蚀条件下运行。

图8 叶轮室南北汽蚀条件下压力脉动分析Fig.8 Pressure pulsation of impeller inlet under cavitation condition

3.6 不同运行条件下振动特性分析

水泵装置在运行过程中产生轻微的振动和噪声是不可避免的。机组产生剧烈振动则会影响水泵装置的性能、引起零部件或机组的损坏，甚至引起泵站建筑物的振动，乃至被拍停机[25-30]。因此，研究不同条件下的压力脉动引起振动变化情况时，振动幅值必须在可靠范围内。针对不同流量工况点及不同运行条件下对泵装置进行振动位移测试，2只振动传感器处于箱体顶端法兰处成90°布置，分别测试装置水平和竖直位移。测试结果如表2所示。

通过文献[31]可知，当水泵转速在1 000～1 500 r/min时，最大振幅允许值为80 μm，上述测试结果振幅均小于文献中给出的允许值。根据不同条件下的振动测试数据可以发现，水平振动位移整体较小，其数值上都低于10 μm，且水平振动位移在高效区较小，小流量和大流量工况较大，这是因为水平位移主要测试转子不平衡力和流场变化引起的径向不平衡力两者产生的振动，而不同工况转子不平衡力影响规律一致，水平位移数值上的变化即跟水泵机组内部流场有关，在高效区流场尚可，在非高效区内部流场流速分布不均匀引起较大的压力脉动，从而造成机组振动加剧。竖直位移在数值上较大，且随着流量工况的减小，装置扬程增加，竖直振动位移加大，这是因为泵装置运行时竖直振动主要受水泵轴向力影响，而水泵轴向力随着扬程的增加而增加。

图9 进水喇叭管东北与东南汽蚀条件下压力脉动分析Fig.9 Pressure pulsation of inlet flare tube under cavitation condition

在无汽蚀时，机组的水力振动仅为流体基本压力脉动引起的振动。比较开敞出流条件下和无汽蚀条件时机组振动数据可以发现，开敞出流条件对进水及水泵的做功能力影响较小，所以在振动位移上与无汽蚀时基本保持一致。但当水泵发生汽蚀时，水平位移减小，可能的原因是汽蚀主要发生在叶片背面靠近轮缘处，叶片轮缘做功能力降低，减小了水平叶片径向不平衡力。竖直振动位移随着流量的增大而减小，汽蚀条件下竖直振动位移较非汽蚀时增大2.4~8.6 μm，其中流量越小，竖直位移增加越大。这是因为除了水流产生的基本压力脉动外，汽蚀发生时低频压力脉动会迅速增加，且会出现很强的气泡脉冲压力，汽蚀时的总压力脉动为三者之和的叠加，因此，造成机组振动加剧，且发出较大的噪声。因此，考虑到实际泵站工程的安全稳定运行，应尽量避免水泵在汽蚀条件下运行。

图10 测点4不同运行条件下压力脉动对比Fig.10 Comparison of pressure pulsation under different operating conditions of test point 4

表2 振动特性测试数据Table 2 Test data of vibration characteristics

4 结 论

本文通过对进水部分在不同工况及不同运行状态时的压力脉动研究，研究结果可以判定机组的运行状态，从而达到指导泵站安全稳定运行的目的，其主要研究结果如下：

1）叶轮室进口压力脉动峰峰值较大，叶轮室监测点主频值均为叶频57.5 Hz，频率主要分布在1倍叶频和2倍叶频位置；进水喇叭管除低频脉动外主频主要分布在叶频和转频位置。

2）各工况点叶轮室进口两测点压力脉动有较好的对称性，频率分布上以叶频为主，转频和 2倍叶频次之；进水喇叭管南北两侧压力脉动不对称，反映出进水流道来流不对称。

3）对于不同流量工况点，进水喇叭和叶轮室进口压力脉动峰峰值基本都是随着流量的增加而减小。

4）汽蚀条件下和开敞式出流条件下与没有发生汽蚀时相比，频谱图对应性较好，频率分布大体规律基本能够吻合；同时汽蚀条件下和开敞出流条件下，主要频率对应的幅值比不发生汽蚀时略大，汽蚀条件下频谱分布更广。

5）水平振动位移均在10 μm以内，竖直振动位移较大，说明泵装置运行时竖直振动更为明显。竖直振动位移的大小随着流量的增大而减小。汽蚀条件下竖直振动位移较非汽蚀时增大2.4～8.6 μm，其中流量越小竖直振动位移增加越大，因此，实际工程中应尽量避免在小流量工况汽蚀条件下运行。

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