激光染料循环系统性能试验研究

2020-06-17刘厚林景玉成杨斌夏青王凯

中南大学学报（自然科学版） 2020年5期

刘厚林，景玉成，杨斌，夏青，王凯,3

(1.江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏镇江，212013；2.核工业理化工程研究院，天津，300180；3.江苏大学镇江流体工程装备技术研究院，江苏镇江，212009)

激光在国防建设、工农业生产、医疗卫生和科学研究中具有重要用途。激光染料器是以某种有机染料溶解于一定溶剂中作为激活介质的激光器，其激光波长调节范围宽，可以从近红外、可见光到近紫外的广泛范围内进行激光输出，可用于反干扰、保密的激光通讯等。染料循环系统作为激光染料器的重要组成部分之一，在提高激光品质和降低激光温度等方面起着至关重要的作用。在激光染料循环系统中，旋涡泵主要起到输送染料的作用，把原动机的机械能传给染料，使染料的能量增加，使其在系统中进行循环，并且对染料激光器起到冷却作用。如今泵的振动及噪声问题日益受到关注，持久而剧烈的振动不仅会导致系统运行不稳定，而且会对结构造成破坏[1-7]。代翠等[8-11]测量了泵作透平在不同转速及流量下的振动和噪声，发现振动和噪声的水平会随着转速和流量的增加而增加，在相同流量下，出口噪声的声压级比进口的高。王洋等[12-14]通过数值模拟和试验验证研究了旋涡泵压力脉动及噪声特性，揭示了旋涡泵内部流场及噪声的影响机理，为旋涡泵的性能研究提供了一定的参考，因此，有必要对激光染料循环系统中的旋涡泵进行振动噪声测量，以降低旋涡泵及其系统的振动。目前，国内外学者对染料激光器进行了一些试验研究。HANSCH[15]研究了一种用氮气激光器重复泵浦的带宽小于0.000 4 nm的脉冲可调谐染料激光器。1972年在技术上实现了2项突破，即三镜象散补偿的折迭式光学腔和自由流动的染料喷流，使染料激光器的可靠性和稳定性迅速提高，其应用得到很大发展。SCHRODER等[16]研究了CW单模可调谐染料激光器的线宽，发现线宽是由染料池内湍流的微观速度波动和泵浦功率的波动决定的。邱元武[17]从理论方面对染料激光器进行了介绍，并对其相关的技术、应用等进行了总结。ZEMSKO等[18]研究了铜蒸气泵浦染料激光器的能量和时间特性。PEASE等[19]对铜蒸气泵浦的可调谐染料激光器进行了研究，发现该结构在脉冲之间存在随机波动，这些波动可显著降低同位素分离过程的通量效率。染料池作为染料循环器的重要组成部分，由收缩管、中间段和扩散管3部分构成。由于内流场的不均匀性，在染料池出口处易产生空泡。王立文等[20]以无阀微泵扩散管和收缩管为研究对象，对管内流体的压力分布进行了理论分析，得出了扩散管和收缩管内流体的基本流动方程，并用有限元方法对扩散管和收缩管内的速度场和压力场进行了有限元数值计算，分析了对流动特性的影响因素。染料池在当前特定条件下激光窗口镜片易产生烧伤，这是因为虽然染料池主流区的流速较快，但靠近窗口镜片近壁区流速较慢，会逐渐产生大量的热量积累。颜石[21]分析出泵浦激光的热量积累是导致窗口镜片烧伤的主要原因，通过在电动平移台上装载染料池的方式，使烧伤被极大程度缓解。本文作者对一激光染料循环器系统用的旋涡泵进行能量性能测试，并对染料循环系统进行压力脉动、振动、噪声等试验，以期为染料循环系统性能优化提供依据。

1 试验模型

试验装置主要由染料循环器、旋涡泵、流量计、闸阀等组成。试验的仪器主要有压力变送器2只、压力脉动传感器1只、光电式转速表1只、压电式三向加速度传感器4只、声压传感器1只。数据采集系统采用INV振动与噪声测试系统，最大采样频率为102.4 kHz。

1.1 旋涡泵

1.1.1 试验对象

图1所示为旋涡泵的试验台，叶轮叶片数为45片。该试验台由旋涡泵、压力变送器、流量计、管路及阀门组成。

图1 旋涡泵试验台示意图Fig.1 Diagram of vortex pump testbench

1.1.2 压力脉动测点布置

依据GB/T 3216—2005“回转动力泵水力性能验收试验”，设置1个压力脉动测点，位于试验泵的出口，设置各测点采样频率为51.2 kHz，设置变时倍数为8，采样时间为30 s。

1.1.3 振动测点布置

依据GB/T 29531—2013“泵的振动测量与评价方法”，共设置3个振动测点，M1和M2在2个对称基座处，M3在泵出口处，传感器的安装方式为磁座安装，每个测点均测试水平、竖直和轴向3个方向的振动。

1.1.4 噪声测点布置

依据GB/T 29529—2013“泵的噪声测量与评价方法”，共设置3个测点，其中测点N1和N2位于试验泵左右对称的位置，测点N3位于电机的前方，每个测点均布置在距离试验对象1m的位置，测点距离底座的高度为0.3m。

1.2 染料循环器

该试验台由旋涡泵、储液罐、压力脉动传感器、加速度传感器、管路及阀门组成。

1.2.1 染料池进出口压力点布置

设置2个压力测点，分别位于染料池两端进出口的位置。图2所示为染料池进出口压力测点的实物图。

1.2.2 压力脉动测点布置

设置1个压力脉动测点，位于旋涡泵的出口，设置测点采样频率51.2 kHz，设置变时倍数为8，采样时间30 s。图3所示为压力脉动测点的实物图。

图2 染料池压力测点的实物图Fig.2 Location of pressure measuring points of dye cell

图3 压力脉动测点Fig.3 Location of pressure fluctuation measuring point

1.2.3 振动测点布置

共设置了4个测点，M4，M5，M6和M7分别位于染料循环器底座的4个底角。图4所示为测点M4，M7，M6和M7的分布位置，传感器的安装方式为磁座安装。

图4 振动测点图Fig.4 Location of vibration measuring points

1.2.4 噪声测点布置

设置1个测点，测点N4位于循环器背面，距离试验对象1m。图5所示为噪声测点N4的位置。

图5 噪声测点的位置Fig.5 Location of noise measuring point

1.2.5 温度测点布置

依据GB/T 11605—2016“温度测量方法”，设置1个测点，位于泵出口，图6所示为温度测点的位置。

2 试验结果与分析

2.1 旋涡泵

2.1.1 能量特性分析

图6 温度传感器的位置Fig.6 Location of temperature sensor

图7所示为旋涡泵不同工频下的能量性能曲线。从图7可以看出：在30Hz工频下，最大效率点出现在16.67 L/min时，达到19.41%；在40 Hz工频下，最大效率点出现在23.33 L/min时，达到36.33%；在50 Hz工频下，最大效率点出现在30.0 L/min时，达到54.85%。2.1.2 空化特性的结果与分析

图8所示为不同工频下旋涡泵的汽蚀特性曲线。由图8可知：随着流量的增加，泵的扬程降低，且临界汽蚀余量(NPSHc)增大，汽蚀性能变差；在50 Hz工频时，24，30和36 L/min流量下的临界汽蚀余量分别为3.68，5.91和6.01 m；在40Hz工频时，18.67 L/min和23.33 L/min流量下的临界汽蚀余量分别为2.25m和2.69m；在30Hz工频时，10.83 L/min和13.33 L/min流量下的临界汽蚀余量分别为1.20m和1.23m。

2.1.3 压力脉动的结果与分析

本试验采用频域法来处理模拟和试验的数据。定义轴频倍数NF为

式中：F为傅里叶变换后的实际频率；Fn为相应转速下的泵轴转动频率。

30Hz下测点的压力脉动频域如图9所示。从图9可以看出：各工况点下主要特征频率都集中在轴频的倍数上，大部分流量下3倍轴频的压力脉动幅值最大；当流量为16.67 L/min时，3倍轴频上的压力脉动幅值最大为655.41 Pa，并且随着流量的增大，宽频带缩短。

图7 旋涡泵的能量性能试验曲线Fig.7 Energy performance testcurve of vortex pump

图8 旋涡泵的汽蚀特性曲线Fig.8 Cavitation performance curve of vortex pump

40Hz下测点的压力脉动频域如图10所示。从图10可以看出：各工况点下主要特征频率都集中在轴频的倍数上，并且随着流量增大，宽频带缩短。对比图9和10可以发现，压力脉动均值随着轴频增加而增大。

50Hz下测点的压力脉动频域如图11所示。从图11可以看出：各工况点下主要特征频率都集中在轴频的倍数上，并且随着流量增大，宽频带缩短。从图9～11还可以看出50Hz工频下测点的压力脉动均值最大。

2.1.4 振动的结果与分析

为获得振动加速度的特征频率，分别对3个工频、不同工况、不同测点处的振动速度频谱进行分析。

图9 30Hz下压力脉动频谱图Fig.9 Pressure fluctuation spectrogram at 30Hz

图12所示为30Hz工频下测点M1，M2和M3的振动速度频谱。从图12可以发现：所有测点的主要特征频率都是轴频的倍数，其中基座两侧测点M1和M2的主频为1倍轴频(FAP)，出口处测点M3主频为2倍轴频(2FAP)，3个测点在叶频处都出现了一定的峰值。不同流量点幅值差距不大，说明泵系统的振动主要由电机产生。对比3个测点的振动速度频谱曲线，振动速度幅值从大到小的顺序为出口处测点M3、基座左侧M1和基座右侧M2，这可能是出口压力大于进口压力，导致基座左侧振动大于右侧振动。综上所述，轴频和叶频是旋涡泵振动的主要激励来源。

图13所示为40Hz下测点M1，M2和M3的振动速度频谱。从图12和图13可以发现：泵轴转速的改变对振动幅值的影响较大，但所有测点的主要特征频率与30Hz基本一致，都集中在轴频的倍数和1倍叶频。3个测点的主频和次频与30 Hz一致。泵出口测点M3主频幅值上升较大，远比M1和M2测点的大。另外，泵基座左右两侧测点振动辅助趋于相似。

图10 40Hz下压力脉动频谱图Fig.10 Pressure fluctuation spectrogram at 40Hz

图11 50Hz下压力脉动频谱图Fig.11 Pressure fluctuation spectrogram at 50Hz

图14所示为50 Hz工频下测点M1，M2和M3在不同流量下的振动速度的频谱。从图12～14可以发现：泵轴转速的改变对振动幅值的影响较大，但所有测点的主要特征频率基本一致；在50 Hz工频时，泵基座左侧测点M1的主频幅值在3个测点中最大，但振动速度均值从大到小的顺序为出口处测点M3、基座左侧M1和基座右侧M2。

2.1.5 噪声的结果与分析

噪声的测量与振动的测量同步进行，设置各测点采样频率为25.6 kHz，采样时间为40 s，采用dB为单位的声压级(声压均方根)来评价噪声的水平。声压级的计算公式如下：

式中：p为声压的有效值，Pa；p0为基准声压，空气中的基准声压为2×10-5Pa。

图12 30Hz下振动速度频谱图Fig.12 Vibration velocity spectrum at 30Hz

图15所示为3个工频条件下各测点的声压级。从图15可以发现不同工频下噪声的声压级差距明显。由此可见，电机产生了泵机组的大部分噪声，随着流量上升，噪声总体呈下降趋势，3个测点之间的噪声差值都在2.5 dB之内，3个测点的噪声从大到小顺序为泵左侧测点N1、电机前测点N3和泵右侧N2，这是由于泵出口处振动最大，产生了一些相对较大的噪声，测点N3与N2相比更加靠近电机。在30 Hz工频时，在最小流量点6.67 L/min，测点N1的噪声最高为55.9 dB；在40 Hz工频时，在流量点16.67 L/min，测点N1的噪声最高为62.4 dB；在50 Hz工频时，在流量点16.67 L/min，测点N1的噪声最高为68.5 dB。

2.2 染料循环器

2.2.1 染料池进出口压力分析

表1所示为不同频率下，阀门全开和阀门半开时染料池两端的进出口压力。从表1可以看出：工频增加，染料池进出口压力均增大；在各个工频下，减小阀门开度，染料池进出口压力都增大；阀门全开时，30，40和50Hz下染料池两端的压差高于阀门半开时的压差。

2.2.2 染料循环器压力脉动的结果与分析

图13 40Hz下振动速度频谱图Fig.13 Vibration velocity spectrum at 40Hz

测点在30，40和50Hz工频下的压力脉动频域如图16所示。从图16可见：在30 Hz下阀门全开时，4倍轴频上的压力脉动幅值最大为1.93 kPa；当阀门半开时，3倍轴频上的压力脉动幅值最大为2.97 kPa；在40Hz下阀门全开时，1倍轴频上的压力脉动幅值最大为3.66 kPa；当阀门半开时，2倍轴频上的压力脉动幅值最大为4.55 kPa；在50 Hz下阀门全开时，1倍轴频上的压力脉动幅值最大为4.72 kPa；当阀门半开时，2倍轴频上的压力脉动幅值最大为5.21 kPa。从图16可以看出，各工况点下主要特征频率都集中在轴频的倍数上。

2.2.3 染料循环器振动的结果与分析

图14 50Hz下振动速度频谱图Fig.14 Vibration velocity spectrum at 50Hz

图15 声压级Fig.15 Sound pressure levels

图17、图18和图19所示分别为30，40和50Hz工频下测点M4～M7在不同工况下的振动速度的频谱。从图17～19可以发现各测点的振动速度特征频率基本一致。30Hz下转速均值为1 783 r/min，叶轮叶片数为45片，则泵轴转动频率(FAP)为29.71 Hz，叶轮的叶片通过频率为45FAP。从图17可以发现：所有测点的主要特征频率都是轴频的倍数，其中测点M4的主频为2倍轴频(2FAP)，测点M5，M6和M7的主频为8倍轴频(8FAP)，4个测点在叶频处都出现了一定的峰值。40 Hz下转速均值为2 376 r/min，则泵轴转动频率(FAP)为39.6Hz。从图18可以发现：泵轴转速的改变对振动幅值的影响较大，但所有测点的主要特征频率与30Hz基本一致，都集中在轴频和叶频的倍数；50Hz下转速均值为2 983 r/min，则泵轴转动频率(FAP)为49.71Hz。以上特征频率表明，轴频和叶频是泵振动的主要激励来源。