軸流泵裝置進(jìn)水漩渦對壓力脈動(dòng)的影響

宋希杰 劉 超 羅 燦

(揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院， 揚(yáng)州 225100)

0 引言

軸流泵流量大、揚(yáng)程低，廣泛應(yīng)用于灌排泵站以及南水北調(diào)等大規(guī)?？缌饔蛘{(diào)水工程。進(jìn)水結(jié)構(gòu)中漩渦的發(fā)生對整個(gè)泵裝置的安全運(yùn)行具有很大的危害，不僅導(dǎo)致水泵性能的大幅下降，甚至使機(jī)組產(chǎn)生嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲，嚴(yán)重影響泵站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。進(jìn)水池內(nèi)水下的漩渦和進(jìn)水喇叭管內(nèi)的漩渦影響著內(nèi)流場結(jié)構(gòu)，引起進(jìn)水池內(nèi)的壓力脈動(dòng)。目前，對于漩渦的研究，更多的是從流場結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究漩渦與速度之間的關(guān)系。漩渦的發(fā)生是一個(gè)瞬態(tài)的過程，影響因素復(fù)雜，找出壓力脈動(dòng)與漩渦發(fā)生之間的關(guān)系，能夠?yàn)樘剿麂鰷u發(fā)生的機(jī)理提供依據(jù)[1-6]。

針對進(jìn)水池內(nèi)水下的漩渦和進(jìn)水喇叭管內(nèi)漩渦引起的進(jìn)水池及喇叭管內(nèi)壓力脈動(dòng)方面研究的不足，本文在喇叭管下方進(jìn)水池底部、喇叭管進(jìn)口、葉輪進(jìn)口、葉輪出口、導(dǎo)葉出口選取壓力脈動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)，進(jìn)行軸流泵裝置全流道非定常CFD數(shù)值模擬計(jì)算，以揭示進(jìn)水漩渦對水泵裝置壓力脈動(dòng)的影響。

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 計(jì)算模型

本文研究對象為開敞式立式軸流泵裝置，主要包括水池、喇叭管、出水彎管、葉輪和導(dǎo)葉，在立式軸流泵裝置進(jìn)水池前加一進(jìn)水前池以保證水流平順地進(jìn)入進(jìn)水池。其幾何參數(shù)如下：進(jìn)水前池1 100 mm×600 mm×300 mm，進(jìn)水池840 mm×360 mm×300 mm，喇叭管為1/4橢圓形式，其中長軸長62 mm、短軸長39 mm，壁厚3 mm，葉輪直徑為120 mm，葉頂間隙為0.1 mm，輪轂直徑為48 mm，葉片數(shù)為4，葉片安放角為0°，導(dǎo)葉數(shù)為7，喇叭管懸空高為90 mm。如圖1所示，計(jì)算工況為1.2Qd(Qd表示設(shè)計(jì)流量)。

圖1 立式軸流泵裝置模型圖Fig.1 Sketch of vertical axial flow pump model1.進(jìn)水前池 2.進(jìn)水池 3.喇叭管 4.葉輪 5.導(dǎo)葉 6.出水彎管

1.2 網(wǎng)格劃分

本文利用ICEM對立式軸流泵裝置幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，進(jìn)水池、出水彎管、喇叭管均采用六面體網(wǎng)格，如圖2所示，利用Turbo-Grid對葉輪和導(dǎo)葉進(jìn)行六面體結(jié)構(gòu)化剖分。為滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求，最終確定進(jìn)水池網(wǎng)格數(shù)為72.3萬、喇叭管網(wǎng)格數(shù)為15.2萬、出水彎管網(wǎng)格數(shù)為24.3萬、葉輪網(wǎng)格數(shù)為56.6萬、導(dǎo)葉網(wǎng)格數(shù)為79.6萬，網(wǎng)格總數(shù)為265.6萬以上，大網(wǎng)格質(zhì)量大于0.3，滿足計(jì)算精度要求。

圖2 計(jì)算模型網(wǎng)格圖Fig.2 Numerical simulation meshes of axial flow pump

1.3 邊界條件與計(jì)算方法

由于Realizablek-ε模型不再假定湍動(dòng)能計(jì)算系數(shù)Cμ為常數(shù)，將其與應(yīng)變率建立了聯(lián)系，對進(jìn)水中漩渦的位置和形狀預(yù)測比較準(zhǔn)確[7]，所以本文基于Realizablek-ε湍流模型和雷諾時(shí)均N-S方程，對開敞式進(jìn)水池軸流泵裝置內(nèi)的漩渦流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，流動(dòng)雷諾數(shù)設(shè)置均采用默認(rèn)設(shè)置。

將進(jìn)水前池的進(jìn)口作為整個(gè)泵裝置的進(jìn)口，進(jìn)口條件采用為質(zhì)量流進(jìn)口條件，計(jì)算工況為1.2Qd，即38.4 L/s(Qd=32 L/s)；將彎管出口作為整個(gè)泵裝置的出口，出口條件采用平均靜壓條件，壓力設(shè)置為101 325 Pa；進(jìn)水池內(nèi)水面變化幅度不大，符合靜水壓力假定，采用剛蓋假定法將自由水面設(shè)置為對稱面；將前池壁面、進(jìn)水池壁面、葉輪導(dǎo)葉的外殼、葉片及輪轂、出水彎管邊壁均設(shè)為無滑移邊壁；喇叭管和葉輪以及葉輪和導(dǎo)葉之間的交界面類型采用MRF。

在非定常數(shù)值計(jì)算中，壓力脈動(dòng)測點(diǎn)位置的選取至關(guān)重要，根據(jù)試驗(yàn)中進(jìn)水漩渦發(fā)生位置，在喇叭管下方進(jìn)水池底部選取測點(diǎn)P1、P2、P3，葉輪進(jìn)口選取測點(diǎn)P5、P6、P7，葉輪出口選取測點(diǎn)P8、P9、P10，導(dǎo)葉出口取測點(diǎn)選取測點(diǎn)P11、P12、P13，測點(diǎn)分布在模型中軸線上，根據(jù)進(jìn)水漩渦位置，在進(jìn)水池底部增加測點(diǎn)P4，壓力脈動(dòng)測點(diǎn)具體位置如圖3所示。在對軸流泵全流道模型進(jìn)行非定常數(shù)值計(jì)算時(shí)，為能提高計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性，將定常計(jì)算的結(jié)果作為非定常計(jì)算的初始流場。漩渦的發(fā)生是一個(gè)瞬態(tài)的過程，為能更加準(zhǔn)確地獲得進(jìn)水漩渦，保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，設(shè)置計(jì)算時(shí)間步長為葉輪旋轉(zhuǎn)1°所用的時(shí)間，計(jì)算總時(shí)間為10個(gè)葉輪周期。通過計(jì)算對比，在求解參數(shù)中設(shè)置步長系數(shù)為1.2，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相吻合。

圖3 不同斷面壓力脈動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)位置圖Fig.3 Location of pressure fluctuation monitoring points at different sections

1.4 試驗(yàn)裝置

立式軸流泵裝置的能量性能試驗(yàn)和壓力脈動(dòng)試驗(yàn)均在Φ120 mm型立式軸流泵裝置試驗(yàn)臺上進(jìn)行。葉輪直徑120 mm，葉頂間隙為0.1 mm，輪轂直徑為48 mm，葉片數(shù)為4，葉片安放角為0°，導(dǎo)葉數(shù)為7。整個(gè)試驗(yàn)臺由開敞式進(jìn)水池、ISW150-200A型不銹鋼離心泵、PVC管道、穩(wěn)壓圓柱形水箱、D341型法蘭式不銹鋼軟密封蝶閥組成，如圖4所示。

圖4 立式軸流泵模型裝置試驗(yàn)臺 Fig.4 Pump model device experimental bench1.流量計(jì) 2.進(jìn)水池 3.電動(dòng)機(jī) 4.進(jìn)水箱 5.主泵 6.管路 7.儲水箱 8.輔助泵

本文采用美國VRI公司推出的VEO710型高速攝像機(jī)，其具有像素級連續(xù)可調(diào)的特點(diǎn)，在單幀中提供2次曝光時(shí)間，可避免圖像中較亮部分被過度曝光，為苛刻條件下的清晰成像提供了絕佳保證，存儲容量最高可達(dá)2 TB，存儲速率最快可達(dá)700 MB/s，分辨率可達(dá)2 400像素×1 800像素。

2 結(jié)果分析

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果可靠性分析

圖5為通過模型試驗(yàn)與CFD數(shù)值模擬得到的進(jìn)水漩渦發(fā)生圖，可以看到通過數(shù)值模擬得到的進(jìn)水漩渦無論從形狀及發(fā)生位置都與試驗(yàn)結(jié)果相一致。圖6(圖中f表示葉輪轉(zhuǎn)頻數(shù)，Cp表示壓力脈動(dòng)系數(shù))為通過壓力脈動(dòng)動(dòng)態(tài)測試與CFD數(shù)值模擬得到的大流量工況下喇叭管下方進(jìn)水池底部的壓力脈動(dòng)頻域特性圖(其中P01～P04為試驗(yàn)結(jié)果，P1～P4為數(shù)值計(jì)算結(jié)果)，兩種方法均能得到進(jìn)水池底部壓力脈動(dòng)的主頻為水泵葉輪轉(zhuǎn)頻的2倍，且都得到在進(jìn)水漩渦發(fā)生區(qū)域壓力脈動(dòng)幅值變化大，且通過CFD數(shù)值計(jì)算得到的喇叭管下方進(jìn)水池底部的壓力脈動(dòng)特性與試驗(yàn)結(jié)果一致[8]，這說明該數(shù)值模型可較準(zhǔn)確地預(yù)測大流量工況下立式軸流泵流場特性，為進(jìn)一步分析立式軸流泵裝置其它不同斷面的壓力脈動(dòng)特性提供了保證。

圖5 進(jìn)水池底部漩渦位置圖Fig.5 Distributions of pressure at bottom of pump sump

圖6 喇叭管下方進(jìn)水池底部壓力脈動(dòng)頻域特性圖Fig.6 Frequency domain characteristic of pressure fluctuation at bottom of pump sump

2.2 漩渦的變化過程

在利用高速攝像機(jī)對進(jìn)水漩渦進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量前，對攝像機(jī)進(jìn)行精確調(diào)焦及采集頻率調(diào)試，當(dāng)顯示器清楚地顯示出進(jìn)水漩渦的高清動(dòng)態(tài)變化時(shí)，固定攝像機(jī)，采集參數(shù)設(shè)置完成。采集進(jìn)水旋渦發(fā)生前到消失后的一段漩渦變化過程，在高速攝像機(jī)自帶的軟件Phantom Video Player中進(jìn)行處理，可以清楚地觀測到進(jìn)水漩渦從生成到潰滅的全過程。

圖7 進(jìn)水漩渦變化細(xì)部微觀圖Fig.7 Microscopic processes of inlet vortex

圖9 不同斷面的壓力分布云圖Fig.9 Distributions of pressure at different characteristic cross sections

漩渦生成的決定性條件是漩渦在流動(dòng)過程中旋轉(zhuǎn)能量的積累大于耗散且持續(xù)增長，在大流量工況下，由于水流從喇叭管四周進(jìn)入喇叭管，水流流速大，具有較大的旋轉(zhuǎn)切速度，可以看到在漩渦初生前期，在流場先生成一條極細(xì)的不穩(wěn)定渦絲，如圖7a所示，并且漩渦渦絲在流場內(nèi)時(shí)隱時(shí)現(xiàn)地移動(dòng)，進(jìn)水結(jié)構(gòu)中旋渦運(yùn)動(dòng)的最明顯特點(diǎn)是非穩(wěn)定性，對流動(dòng)邊界條件非常敏感，形態(tài)變化快；伴隨著漩渦旋轉(zhuǎn)能量的積聚，旋轉(zhuǎn)切速度增大，漩渦強(qiáng)度增大，逐漸形成漩渦渦管，如圖7b所示；并且漩渦強(qiáng)度繼續(xù)增大，旋轉(zhuǎn)前進(jìn)向上發(fā)展延伸至喇叭管內(nèi)部，如圖7c所示；在漩渦經(jīng)過發(fā)展期后進(jìn)入漩渦成熟期，此時(shí)漩渦會(huì)在流場內(nèi)持續(xù)地發(fā)展移動(dòng)，由于此時(shí)漩渦附近流場結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致渦管不同位置的漩渦強(qiáng)度不同，所以觀察到不同位置的渦管直徑不同，渦管粗度在不斷變化，且持續(xù)一段時(shí)間，如圖7d所示；由于水流流場的不穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)流態(tài)現(xiàn)象所導(dǎo)致的間斷，漩渦進(jìn)入衰變期，此時(shí)渦管強(qiáng)度逐漸減小，渦管變細(xì)，如圖7e所示；隨著漩渦強(qiáng)度的不斷減小，在葉輪進(jìn)口漩渦部分或完全破裂，漩渦消失，如圖7f所示，空腔漩渦的破裂會(huì)導(dǎo)致葉片的顫振，這與試驗(yàn)現(xiàn)場聽到機(jī)組間斷性噪聲增大相一致。

2.3 壓力的分布關(guān)系

為探究進(jìn)水漩渦誘發(fā)壓力脈動(dòng)引起水泵裝置內(nèi)的壓力變化，沿z方向從喇叭管下方進(jìn)水池底部開始依次選取不同壓力分布特征截面，其中1-1截面距離喇叭管下方進(jìn)水池底部3 mm，2-2截面距離進(jìn)水池底部28 mm， 3-3截面位于喇叭管進(jìn)口截面，4-4截面為葉輪進(jìn)口截面，5-5截面為葉輪出口截面，6-6截面為導(dǎo)葉出口截面，如圖8所示。大流量工況下各特征截面的壓力分布如圖9所示。

圖8 軸流泵壓力分布特征截面圖Fig.8 Different characteristic cross sections of pressure

如圖9a、9b所示，在1-1截面和2-2截面右后方位置明顯存在一個(gè)低壓區(qū)，相對于2-2斷面右后方位置中的低壓區(qū)，在1-1截面渦管尾部對應(yīng)的低壓區(qū)面積更大，沿著渦管向上發(fā)展的方向，渦管附近的低壓區(qū)面積隨之變小，渦帶進(jìn)入喇叭管內(nèi)逐漸消失，在3-3截面的壓力云圖中可以看出，此時(shí)進(jìn)入喇叭管內(nèi)，伴隨著漩渦強(qiáng)度的減弱，渦帶對壓力的影響逐漸減弱。4-4截面和5-5截面為葉輪進(jìn)出口的壓力分布云圖，有一定相似性，在葉輪進(jìn)口受葉輪旋轉(zhuǎn)的影響，壓力呈現(xiàn)與葉片數(shù)對應(yīng)的高壓低壓交替分布，葉輪出口的壓力分布受葉輪旋轉(zhuǎn)的影響也呈現(xiàn)與葉片數(shù)對應(yīng)的高壓低壓交替分布，但在葉輪出口受葉輪與導(dǎo)葉間的動(dòng)靜干涉作用，壓力分布發(fā)生變化，葉輪左側(cè)壓力高于右側(cè)壓力，6-6截面為導(dǎo)葉出口的壓力分布，來水側(cè)的壓力要明顯高于背水側(cè)的壓力，可以看到在導(dǎo)葉出口存在較大的負(fù)壓區(qū)，此處流場的變化與周圍流場壓力梯度明顯增大導(dǎo)致此處已產(chǎn)生空化，此處位置與進(jìn)水漩渦位置對應(yīng)，漩渦工況下此處流場不穩(wěn)定使壓力大幅降低極有可能誘發(fā)空化產(chǎn)生，空化發(fā)生后，端壁渦的形態(tài)將發(fā)生變化，進(jìn)而影響壓力脈動(dòng)[9-12]。

2.4 壓力脈動(dòng)頻域特性分析

對壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，通過軟件Origin 9.0得到不同測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域特性曲線。為了更好地分析壓力脈動(dòng)的時(shí)域特性，引用無量綱壓力脈動(dòng)系數(shù)Cp表示壓力脈動(dòng)幅值[13-16]，計(jì)算公式為

(1)

其中

式中p——各測點(diǎn)的瞬時(shí)壓力，kPa

ρ——水的密度，kg/m3

Utip——葉頂?shù)膱A周速度，m/s

r——葉輪半徑N——葉輪轉(zhuǎn)速

為更好地表達(dá)壓力脈動(dòng)頻率與葉輪旋轉(zhuǎn)頻率之間的關(guān)系，定義葉輪轉(zhuǎn)頻倍數(shù)，計(jì)算公式為

(2)

其中

式中fi——各測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻率

fn——葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率

本文頻域圖中均為14個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)[17-18]。

2.4.1進(jìn)水池底部

通過對比喇叭管下方進(jìn)水池底部壓力脈動(dòng)特性試驗(yàn)結(jié)果及CFD數(shù)值模擬結(jié)果可以確定，本文所選的水泵模型喇叭管下方進(jìn)水池底部的壓力脈動(dòng)主頻為葉輪轉(zhuǎn)頻的2倍。通過CFD數(shù)值模擬得到喇叭管下方進(jìn)水池底部的壓力脈動(dòng)測點(diǎn)P1、P2、P3 的最大Cp值分別為0.000 66、0.000 683、0.000 715,P4的最大Cp值為0.001 36,P4點(diǎn)對應(yīng)的位置為進(jìn)水漩渦渦管尾部的位置，由于進(jìn)水漩渦的旋轉(zhuǎn)及不斷的運(yùn)動(dòng)，對P4點(diǎn)附近的流場會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)激勵(lì)，導(dǎo)致在漩渦中心處的Cp值約為非中心點(diǎn)處的1.8～2倍。在漩渦中心點(diǎn)測點(diǎn)P4的壓力脈動(dòng)1倍頻的Cp值為0.001 22，這說明漩渦發(fā)生會(huì)存在明顯的壓力梯度，導(dǎo)致漩渦中心帶的壓力脈動(dòng)很大。根據(jù)渦管中心處壓力脈動(dòng)1倍頻的Cp值很大，可以判斷出在漩渦中心帶的壓力波動(dòng)更加復(fù)雜更加頻繁，在渦管中心處存在明顯的諧波波動(dòng)，漩渦發(fā)生帶附近就已經(jīng)形成了很大的壓力梯度，由于進(jìn)水漩渦破裂產(chǎn)生的能量波使進(jìn)水漩渦發(fā)生區(qū)域即P4點(diǎn)的波動(dòng)增幅在不同諧波頻率處達(dá)到斷面平均幅值的120%～140%之間，說明渦帶破裂會(huì)誘發(fā)明顯的壓力波動(dòng)，漩渦從形成開始到漩渦消失一段時(shí)間內(nèi)一直影響著周圍的壓力場變化，這與通過高速攝像機(jī)觀察到的進(jìn)水漩渦變化規(guī)律相一致。

2.4.2葉輪進(jìn)口

葉輪進(jìn)口P5～P7測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻域特性曲線如圖10所示。在其1倍葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和4倍葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率處壓力存在明顯的波動(dòng)，主頻為4倍葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，即為葉頻。葉輪進(jìn)口P5～P7測點(diǎn)壓力脈動(dòng)主頻處Cp值分別為0.000 965、0.000 836、0.000 847，說明葉輪進(jìn)口的壓力脈動(dòng)受葉輪旋轉(zhuǎn)的直接作用，這與之前相關(guān)研究結(jié)論一致。但與之前研究所不同的是，本文葉輪進(jìn)口的壓力脈動(dòng)的1倍轉(zhuǎn)頻處壓力存在很大的波動(dòng)，這與喇叭管下方漩渦中心帶在1倍葉輪轉(zhuǎn)頻處存在明顯的壓力波動(dòng)同步，說明喇叭管下方的漩渦延伸至葉輪進(jìn)口，漩渦的存在影響著葉輪進(jìn)口的壓力變化，葉輪進(jìn)口壓力脈動(dòng)頻率與進(jìn)水漩渦誘發(fā)的脈動(dòng)頻率存在著同步性的關(guān)聯(lián)。相較于不同斷面同倍頻處的平均值，在進(jìn)水漩渦的影響下葉輪進(jìn)口的壓力脈動(dòng)變化幅度達(dá)到了122%～131%，進(jìn)水漩渦的存在對葉輪進(jìn)口的壓力分布產(chǎn)生了不可忽視的影響。

圖10 葉輪進(jìn)口壓力脈動(dòng)頻域特性曲線Fig.10 Frequency domain characteristic of pressure fluctuation at impeller inlet

2.4.3葉輪出口

葉輪出口壓力脈動(dòng)測點(diǎn)P8～P10的壓力脈動(dòng)頻域特性如圖11所示。受葉輪旋轉(zhuǎn)的作用，葉輪出口的壓力脈動(dòng)主頻率同樣為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的4倍，即為葉頻。測點(diǎn)P8～P10在壓力脈動(dòng)頻域特性曲線最大值分別為0.000 829、0.000 867、0.000 861。在葉輪出口壓力脈動(dòng)的3倍葉輪頻率處Cp值為0.000 500、0.000 622、0.000 229。與葉輪進(jìn)口的壓力脈動(dòng)所不同的是，葉輪出口的壓力脈動(dòng)次頻主要集中在3倍葉輪轉(zhuǎn)頻處，這是由葉輪與導(dǎo)葉之間的動(dòng)靜干涉導(dǎo)致的。導(dǎo)葉與葉輪之間互為激勵(lì)源，導(dǎo)致除葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的激勵(lì)外的諧波。在葉輪內(nèi)部，受葉輪旋轉(zhuǎn)的作用，漩渦引起的壓力波動(dòng)在經(jīng)過葉輪的作用后發(fā)生了衰減，所以在1倍轉(zhuǎn)動(dòng)頻率處的諧波明顯減小，葉輪出口的壓力脈動(dòng)主要受葉輪的作用。

圖11 葉輪出口壓力脈動(dòng)頻域特性曲線Fig.11 Frequency domain characteristic of pressure fluctuation at impeller outlet

2.4.4導(dǎo)葉出口

導(dǎo)葉出口壓力脈動(dòng)測點(diǎn)P11～P13的壓力脈動(dòng)頻域特性如圖12所示。經(jīng)過導(dǎo)葉的整流后，導(dǎo)葉出口的壓力脈動(dòng)主頻率為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的3倍，測點(diǎn)P11～P13在壓力脈動(dòng)頻域特性曲線最大值分別為0.000 815、0.000 970、0.000 582。在導(dǎo)葉內(nèi)部同樣會(huì)受到葉輪與導(dǎo)葉間動(dòng)靜干涉，葉輪作為激勵(lì)源基頻對導(dǎo)葉內(nèi)的壓力產(chǎn)生激勵(lì)作用。在壓力脈動(dòng)曲線中可以看到導(dǎo)葉出口不同測點(diǎn)之間存在很大的壓力梯度，這是因?yàn)殇鰷u工況下，此處進(jìn)水漩渦誘發(fā)空化產(chǎn)生，空化發(fā)生后，端壁渦的形態(tài)將發(fā)生變化使此處壓力脈動(dòng)變化產(chǎn)生較大的差異。

圖12 導(dǎo)葉出口壓力脈動(dòng)頻域特性曲線Fig.12 Frequency domain characteristic of pressure fluctuation at guide vane outlet

整體分析軸流泵裝置中的壓力脈動(dòng)頻域特性，葉輪進(jìn)口及葉輪出口壓力脈動(dòng)頻率為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的4倍，說明在水泵葉輪內(nèi)受葉輪的直接作用，葉輪內(nèi)的壓力脈動(dòng)頻率為葉頻，這與前人所得的結(jié)論相一致，由于導(dǎo)葉的穩(wěn)流作用，在導(dǎo)葉出口的壓力脈動(dòng)頻率為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的3倍，進(jìn)水池底部壓力脈動(dòng)主頻率為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的2倍，說明進(jìn)水池底部及導(dǎo)葉出口的壓力脈動(dòng)仍然受到葉輪旋轉(zhuǎn)的作用。通過對比從進(jìn)水池底部到導(dǎo)葉出口不同斷面的壓力脈動(dòng)頻域特性曲線，可以發(fā)現(xiàn)整體上，在葉輪進(jìn)口的壓力脈動(dòng)幅值最大，但壓力脈動(dòng)最大幅值發(fā)生在漩渦中心處，如圖13所示，這說明在喇叭管下方漩渦帶，漩渦引起的壓力脈動(dòng)占主導(dǎo)地位，根據(jù)振動(dòng)學(xué)原理，在大流量工況下由于漩渦引起的壓力脈動(dòng)主頻率小，一旦接近于泵裝置的固有頻率，就有可能會(huì)導(dǎo)致泵裝置發(fā)生共振[19-20]。

圖13 不同斷面位置主頻幅值Fig.13 Main frequency amplitude of different section positions

立式軸流泵裝置中喇叭管下方，強(qiáng)烈的漩渦幾乎是每臺機(jī)組在大流量工況下運(yùn)行時(shí)都會(huì)發(fā)生的現(xiàn)象，在大流量工況下運(yùn)行范圍中心(大約在1.2Qd處)，漩渦的發(fā)生是瞬時(shí)出現(xiàn)的，發(fā)生位置主要集中在喇叭管內(nèi)右后方，在它出現(xiàn)范圍的邊界處，由于水流流場的不穩(wěn)定，可能會(huì)出現(xiàn)在附近其他運(yùn)行范圍內(nèi)的暫時(shí)流態(tài)現(xiàn)象所導(dǎo)致的間斷，當(dāng)穿過不同的流態(tài)區(qū)，漩渦部分或完全破裂，當(dāng)空腔漩渦發(fā)生突然破裂時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖銳的壓力激勵(lì)波，漩渦的變化引起水泵裝置內(nèi)不同位置的壓力脈動(dòng)變化，當(dāng)壓力脈動(dòng)的頻率接近泵裝置的固有頻率時(shí)，會(huì)引起機(jī)組共振，這與現(xiàn)場觀察到漩渦發(fā)生時(shí)機(jī)組振動(dòng)和噪聲明顯變強(qiáng)的現(xiàn)象一致。

3 結(jié)論

(1)從喇叭管下方進(jìn)水池底部到葉輪進(jìn)口，壓力逐漸減小，葉輪進(jìn)口壓力最小，從葉輪進(jìn)口到導(dǎo)葉出口壓力先增大后減小。在喇叭管下方的壓力脈動(dòng)激勵(lì)源為進(jìn)水旋渦，漩渦發(fā)生的位置對應(yīng)著低壓區(qū)位置。

(2)葉輪進(jìn)口斷面處的壓力脈動(dòng)與進(jìn)水漩渦誘發(fā)的脈動(dòng)之間存在同步性，進(jìn)水漩渦的存在影響葉輪內(nèi)的壓力脈動(dòng)情況，漩渦工況下會(huì)誘發(fā)導(dǎo)葉出口空化產(chǎn)生。

(3)漩渦誘導(dǎo)的壓力波延伸葉輪內(nèi)部，漩渦的存在影響著葉輪內(nèi)的壓力變化，漩渦引起的壓力脈動(dòng)低頻頻率，一旦接近泵裝置的固有頻率，將有可能導(dǎo)致泵裝置發(fā)生共振。

1 劉超.軸流泵系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展分析[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2015, 46(6):49-59. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20150608&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2015.06.008.

LIU Chao. Researches and developments of axial-flow pump system[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015, 46(6): 49-59. (in Chinese)

2 何耘.水泵進(jìn)水池漩渦研究的主要進(jìn)展[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2004,23(5):92-96.

HE Yun. Main advances of research on vortices in pump sumps[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2004，23(5):92-96. (in Chinese)

3 施衛(wèi)東,冷洪飛,張德勝,等.軸流泵內(nèi)部流場壓力脈動(dòng)性能預(yù)測與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42(5):44-48.

SHI Weidong, LENG Hongfei, ZHANG Desheng,et al. Performance prediction and experiment for pressure fluctuation of interior flow in axial-flow pump[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011,42(5):44-48. (in Chinese)

4 劉超,成立,周濟(jì)人,等.水泵站開敞進(jìn)水池三維紊流數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2002,33(6):53-55.

LIU Chao, CHENG Li, ZHOU Jiren, et al. Numerical simulation of three-dimensional turbulent flow for opening pump sump[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2002,33(6):53-55. (in Chinese)

5 叢國輝,王福軍.湍流模型在泵站進(jìn)水池漩渦模擬中的適用性研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(6):31-35.

CONG Guohui, WANG Fujun. Applicability of turbulence models in numerical simulation of vortex flow in pump sump[J] .Transactions of the CSAE, 2008,24(6):31-35.(in Chinese)

6 楊帆,劉超,湯方平,等.箱涵式進(jìn)水流道的立式軸流泵裝置水動(dòng)力特性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014,30(4):62-69.

YANG Fan, LIU Chao, TANG Fangping, et al. Analysis of hydraulic performance for vertical axial-flow pumping system with cube-type inlet passage[J]. Transactions of the CSAE,2014, 30(4): 62-69. (in Chinese)

7 成立,劉超,周濟(jì)人.基于RNG湍流模型的雙向泵站出水流道流動(dòng)計(jì)算[J].水科學(xué)進(jìn)展, 2004,15(1):109-112.

CHENG Li, LIU Chao, ZHOU Jiren. Numerical simulation of flow in the outlet passages of reversible pumping station by RNGk-εturbulent model with wall function law[J]. Advances in Water Science，2004,15(1):109-112. (in Chinese)

8 宋希杰，劉超，楊帆，等.水泵進(jìn)水池底部壓力脈動(dòng)特性試驗(yàn)[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2017,48(11):196-203.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20171124&flag=1&journal_id=jcsam.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.024.

SONG Xijie,LIU Chao,YANG Fan, et al. Experiment on characteristics of the pressure fluctuation at bottom of pumping suction passage[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2017,48(11):196-203.(in Chinese)

9 劉超,梁豪杰,金燕,等.立式軸流泵進(jìn)水流場PIV測量[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2015,46(8):33-41.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20150806&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2015.08.006.

LIU Chao,LIANG Haojie, JIN Yan,et al.PIV measurements of intake flow field in axial-flow pump[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015,46(8):33-41. (in Chinese)

10 仇寶云, 黃季艷, 林海江, 等. 立式軸流泵出水流道流場試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005,41(11)：115-126.

QIU Baoyun, HUANG Jiyan, LIN Haijiang, et al. Experimental investigation on flow fields in outlet divergent passage of vertical axial-flow-pump[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering,2005,41(11):115-126. (in Chinese)

11 楊帆,金燕,劉超,等. 雙向潛水貫流泵裝置性能試驗(yàn)與數(shù)值分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(16):60-67.

YANG Fan，JIN Yan，LIU Chao，et al． Numerical analysis and performance test on diving tubular pumping system with symmetric aerofoil blade[J].Transactions of the CSAE，2012，28(16):60-67. (in Chinese)

12 SHINJI E, HIROYUKI T,HIDETOSHI H，et al.Characteristics of flow field and pressure fluctuation in complex turbulent flow in the third elbow of a triple elbow piping with small curvature radius in three-dimensionall ayout[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2016,41(17):7139-7145.

13 ARNDT N,ACOSTA A J，BRENNEN C E，et al． Experimental investigation of rotor-stator interaction in a centrifugal pump with several vaned diffusers[J]． ASME Journal of Turbomachinery，1990，112(1): 98-108．

14 ARNDT N，ACOSTA A J，BRENNEN C E，et al． Rotor-stator interaction in a diffuser pump[J].ASME Journal of Turbomachinery，1989，111(3): 213-221．

15 蔡建程,潘杰,GUZZOMI Andrew. 離心泵隔舌區(qū)壓力脈動(dòng)測量與分析[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2015,46(6):92-96.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160622&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.1000-1298.2015.06.022.

CAI Jiancheng, PAN Jie, GUZZOMI Andrew. Pressure fluctuations around volute tongue of centrifugal pump[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015,46(6):92-96. (in Chinese)

16 張德勝,王海宇，施衛(wèi)東,等.軸流泵多工況壓力脈動(dòng)特性試驗(yàn)[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014,45(11):139-144. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20141122&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2014.11.022.

ZHANG Desheng, WANG Haiyu, SHI Weidong, et al. Experimental investigation of pressure fluctuation with multiple flow rates in scaled axial flow pump[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014,45(11):139-144. (in Chinese)

17 王福軍,張玲,張志民,等.軸流泵不穩(wěn)定流場的壓力脈動(dòng)特性研究[J].水利學(xué)報(bào),2007,38(8):1003-1009.

WANG Fujun, ZHANG Ling, ZHANG Zhimin, et al. Analysis on pressure fluctuation of unsteady flow in axial-flow pump[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2007,38(8):1003-1009.(in Chinese)

18 黃歡明, 高紅, 沈楓, 等.軸流泵內(nèi)流場的數(shù)值模擬與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2008, 39(8):66-69.

HUANG Huanming, GAO Hong, SHEN Feng, et al.Numerical simulation and experimental validation of the flow field in axial flow pump[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2008, 39(8):66-69.(in Chinese)

19 姚捷，施衛(wèi)東，吳蘇青，等． 軸流泵壓力脈動(dòng)數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(增刊1): 119-124.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=2013s122&flag=1&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2013.S1.022.

YAO Jie，SHI Weidong，WU Suqing，et al． Numerical calculation and experiment on pressure fluctuation in axial flow pump[J/OL]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2013，44(Supp.1): 119-124． (in Chinese)

20 張德勝，施衛(wèi)東，張華，等． 不同湍流模型在軸流泵性能預(yù)測中的應(yīng)用[J]． 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(1): 66-70．

ZHANG Desheng，SHI Weidong，ZHANG Hua， et al． Application of different turbulence model for predicting performance of axial flow pump[J]． Transactions of the CSAE，2012，28(1): 66-70． (in Chinese)