工程试验堆主泵压力脉动及振动特性试验研究*

2020-09-28李宏坤范振芳牛红军孙世文

风机技术 2020年4期

周强李宏坤范振芳牛红军孙世文

（1.大连理工大学机械工程学院；2.沈阳鼓风机集团核电泵业有限公司）

0 引言

中国工程试验堆是一种高性能、高安全性、多用途的高通量工程试验堆[1]。工程试验堆主泵是试验堆冷却剂系统重要的压力边界设备之一，可以保证试验堆冷却剂系统压力边界的结构完整性。试验堆主泵在运行过程中，不稳定的压力脉动会严重影响主泵的安全稳定运行，使泵产生振动、噪声，严重时会损害设备，引发核事故，甚至造成核泄漏[2-4]。因此，开展针对工程试验堆主泵的压力脉动和振动特性的研究，对于提高反应堆冷却剂系统的安全稳定性具有实际意义。

Guo等[5]试验研究了某离心泵内叶轮所受的压力脉动及由此引起的振动，发现由离心泵内压力脉动的圆周不均匀性产生的边频也会发生叶轮共振。张德胜等[6]对某轴流泵不同转速下的压力脉动以及振动特性进行了分析。吴登昊等[7]对某管道离心泵非定常压力脉动进行了数值模拟，并结合振动试验探究了压力脉动与振动的关系，研究表明压力脉动是引起管道泵振动的主要激励源。郭维等[8]对某船用离心泵的压力脉动和振动进行了同步采集，计算并比较了不同测点压力脉动信号和振动信号的相干系数，分析了压力脉动对振动的贡献。高波等[14]对某离心泵蜗壳压力脉动和振动关系进行信号识别，压力脉动信号与泵体振动信号在各个基频处具有很强的相干性。

当前针对试验堆主泵进出口管道内压力脉动对主泵振动的影响研究并不充分。本文试验同步采集不同流量工况下某工程试验堆主泵样机进出口管道的压力脉动及主泵振动监测点振动信号。综合有效值对比和频谱分析方法，分析压力脉动及振动特征，并通过相关分析进一步探究压力脉动和振动信号之间的关系，研究成果可为降低主泵压力脉动和振动提供参考，从而达到提高主泵安全运行稳定的目的。

1 试验设置及测试方法

本次试验对象为某工程试验堆主泵样机，该泵采用垂直吸入、水平吐出的结构设计形式，其设计转速为1 480r/min，工作时由电机驱动，主泵内部旋转叶轮叶片数设计为4。

试验在沈阳股风机集团核电泵业有限公司某工程试验堆主泵闭式试验台上进行，试验台结构示意图如图1所示，试验回路由试验主泵、流量调节阀、稳压罐和管道回路组成，进口压力由压力变送器测取，测量精度达0.1级，出口流量由喷嘴流量计读出，测量精度达0.5级，试验台精度满足试验测量要求。

图1 试验回路结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the test loop

为研究主泵进出口处的压力脉动对主泵振动的影响，同时对比同一管道截面不同测点处压力脉动，分别在进出口管道同一横截面布置2个相互垂直的压力脉动监测点（PiX，PiY，PoX，PoZ），压力脉动测点布置如图2所示。在泵的驱动侧轴承，非驱动侧轴承分别布置三个方向的振动监测点（QX，QY，QZ，FX，FY，FZ），振动测点布置如图3所示。

图2 进出口压力脉动测点布置Fig.2 Points arrangement of the pressure pulsation

图3 振动监测点布置Fig.3 Points arrangement of the vibration

试验过程中，压力脉动采用美国PCB公司生产的116B电荷输出型压力脉动传感器搭配PCB Model 422E03电荷转换器测量，传感器共振频率高达60kHz，满足试验中压力脉动的动态测量。振动测量采用B&K 4534B单向加速度传感器，频率范围宽（0.2～12800Hz），噪声低，轻质、坚固、密封的钛合金外壳和绝缘底座使其能够在恶劣环境中使用。试验测试前所有测量传感器均进行过校准验证，保证传感器数据拾取的准确性。采用B&K 3053采集卡作为数据采集硬件，应用Time Data Recorder为数据采集软件。

2 结果与讨论

对于试验采集的压力脉动信号，压力脉动幅值采用无量纲量——压力波动系数表征，压力波动系数[9]的定义如下：

式中,ρ为压力脉动，Pa；ρ为流体介质密度，kg/m3；μ为叶轮出口处圆周速度，m/s。

2.1 时域分析

根据GB/T 29531-2013《泵的振动测量与评价方法》，选择频率范围为10～1 000Hz的振动有效值进行评价。将试验采集的振动加速度信号积分到速度并计算其有效值。

图4 振动有效值对比Fig.4 Comparison of RMS of vibration

图5 压力脉动有效值对比Fig.5 Comparison of RMS of pressure pulsation

图4所示为不同流量工况下主泵振动监测点的振动有效值对比，不同流量工况下，振动监测点QY和FY的振动有效值最大，且随着流量的增大，振动有效值减小。图5所示为不同流量工况下主泵进出口压力脉动的有效值对比，出口明显比进口管道的压力脉动波动强度大。在相同流量工况下，进出口管道同一截面不同测点位置处的有效值几乎相同，初步认为主泵进出口管道内的周向流动一致。随着流量的增大，出口管道内压力脉动波动强度逐渐降低。进口管道内压力脉动波动强度在设计工况最小。

2.2 频域分析

为进一步分析压力脉动和主泵振动信号的特征频率成分及其随流量的变化规律，分别对其时域信号进行快速傅里叶变换，计算得到频谱。其中，横坐标采用斯特劳哈尔数（St）对坐标频率进行无量纲处理，定义如下。

式中,fBPF为叶片通过频率，Hz。由时域有效值对比分析可知，在主泵QY和FY点处振动强度最大，图6所示为其振动频谱图，两个振动监测点的频谱特性几乎一致，主要特征频率以叶频和2倍叶频为主。进一步对比发现，两个振动监测点的频谱特性随流量的变化规律也一致：随着流量的增大，振动叶频幅值逐渐减小，2倍叶频幅值逐渐增大。

图6 振动监测点频谱（QY，FY）Fig.6 Spectrum of vibration at QY and FY

图7所示为主泵进出口处压力脉动的频谱图，进出口管道内压力脉动主要特征频率几乎一致，出口压力脉动特征频率幅值明显比进口大，压力脉动特征频率主要以叶频和2倍叶频率为主，进口处叶通频幅值在设计工况时最小。随着流量的增大，主泵出口处叶频幅值逐渐减小，进出口处的2倍叶频幅值均随流量增大而增大。

图7 压力脉动频谱（PiX，PoX）Fig.7 Spectrum of pressure pulsation at PiX and PoX

对比不同流量工况主泵进出口管道内的压力脉动与主泵振动监测点频谱特性不难看出，振动和压力脉动的主要特征频率几乎一致，关键特征频率及其随流量变化趋势相同。说明主泵进出口压力脉动和主泵振动有一定的相关性，进出口压力脉动对主泵振动有一定的影响。

2.3 相干分析

为进一步探究主泵进出口压力脉动与主泵振动之间的关联程度，将进出口管道内的压力脉动信号和主泵振动监测点的振动信号进行相干分析。相干函数是在频域上描述系统输入和输出的两个信号相关程度的实值函数[10-11]。相干函数的定义如下，

式中，Cxy(f)为信号x(t)和y(t)的相干函数值;Pxy(f)为信号x(t)和y(t)互功率谱;Pxx(f)为信号x(t)的自功率谱;Pyy(f)为信号y(t)的自功率谱。

信号相干函数Cyy(f)的取值范围在0～1之间，相干函数值的大小反映了两个信号各个频率之间的关联程度，相干函数值越大，表明在该频率下的相干性越强。在工程应用中，由于测试系统总会收到噪声或其他不相关信号输入的影响，两个测试信号的相干函数通常小于1。当计算得到的相干函数值大于0.75时，表明两信号在该频率具有高相干性[12-13]。将试验采集的压力脉动信号为输入信号，振动信号为输出信号，计算两者的相干函数，得到如图8所示的相干函数曲线。

图8 压力脉动与振动相干分析Fig.8 Correlation analysis of pressure pulsation and vibration

从图中可以看出，压力脉动与振动信号在叶通频及其倍频处相干函数值远大于0.75，几乎接近1，表明压力脉动与振动信号的主要特征频率具有很强的相干性，可以说明压力脉动是造成主泵振动的主要原因。

为进一步量化对比其相干性，结合频域分析结果，表1和表2分别给出不同流量工况下，进出口压力脉动测点（PiX，PoX）与振动监测点（QY，FY）在主要特征频率上的相干系数。

表1 进口压力脉动与振动监测点的相干系数Fig.1 The correlation coefficient of inlet pressure pulsation and vibration measuring points

表2 出口压力脉动与振动监测点的相干系数Fig.2 The correlation coefficient of outlet pressure pulsation and vibration measuring points

不同流量下，压力脉动与驱动端振动监测点在叶频和2倍叶频处的相干系数均略微大于非驱动端振动监测点。在0.6Qd工况下，在驱动端监测点3倍叶频的相干系数小于非驱动端监测点，而在1.0Qd和1.4Qd工况下，相干系数在驱动端振动监测点更大。综合以上分析，可以认为压力脉动对驱动端振动的影响比非驱动端更加显著。

不同流量下，对比进出口压力脉动在主要特征频率处对相同振动监测点相干系数的大小发现，在叶频处，进口压力脉动与振动的相干系数均略大于出口压力脉动相干系数。在1.4Qd流量工况下，进口压力脉动与振动的相干系数在各主要特征频率下均比出口大。综合以上分析，可以认为进口压力脉动对主泵振动的影响大于出口压力脉动。