隔墩对轴流泵装置直管式出水流道内流及脉动的影响

杨 帆 陈世杰 刘 超 王茂运 周济人

(1.扬州大学水利与能源动力工程学院， 扬州 225127； 2.江苏省防汛抗旱抢险中心， 南京 211500)

0 引言

轴流泵站在我国大中型泵站中应用最为广泛，轴流泵装置是轴流泵站的工作主体，由轴流泵、进水流道和出水流道3个过流部件组成。轴流泵装置的综合水力性能是各过流部件总体特征的综合反映，低扬程水泵进、出水流道的水力损失对泵装置效率影响很大，其中出水流道的水力性能对轴流泵装置综合性能的影响更为显著[1-2]，国内外学者已对出水流道进行了相关研究工作，如：出水流道的三维形体优化[3-5]；出水流道内流场的数值计算分析[6-9]；出水流道结构型式的比较分析[10-11]；隔墩对出水流道水力损失影响的试验和定常数值计算分析[12-14]。泵装置内部流动及脉动的研究对象主要集中于泵本身[15-21]，对出水流道内流脉动研究的报道较少[3, 22-24]。文献[23]采用BME- 1100型压力传感器测试分析了不同工况时虹吸式出水流道进口弯管侧壁面处单点的压力脉动变化规律。文献[24]采用HM90型中高频动态压力传感器测试分析了不同转速各工况时双向出水流道盲端壁面处单点的压力脉动变化规律。出水流道是泵装置的重要组成部件，承担着进一步扩散水流、回收水流动能的作用，进行出水流道的研究具有重要意义。

为进一步探究出水流道内部流动性能，本文采用物理模型试验方法，借鉴文献[23-24]的测试方法，定量和定性地研究分析不同转速各工况时隔墩对直管式出水流道内部流态及其内流脉动的影响规律，为同类出水流道结构的设计提供一定的参考。

1 试验装置与测试方法

立式轴流泵装置物理模型包括肘形进水流道、叶轮、导叶体和直管式出水流道4部分。叶轮型号为ZM55，叶轮名义直径为120 mm，轮毂比为0.40，叶轮的叶片数为4，导叶体的叶片数为5。直管式出水流道的主要控制尺寸包括：流道长为叶轮名义直径的6.05倍，进口面直径为叶轮名义直径的1.17倍，出口面积为进口面积的2.06倍，等效扩散角为2.41°。测试段进口面与泵轴线的水平距离为叶轮名义直径的1.87倍。

立式轴流泵装置物理模型试验在Φ120型水力机械闭式循环试验台上进行测试，试验台如图1所示。在直管式出水流道圆管段中间沿水流方向左、右侧壁面各布置1个压力传感器，压力传感器采用CY302型高精度数字压力传感器，探头尺寸为Φ5 mm，精度为0.1%，采样率为1 000次/s。压力数据的采集通过485集线器和数据采集软件来实现，每次采样约10 s，对采集的压力时域数据进行短时傅里叶变换分析，脉动试验共测试了1 450、1 800、2 200 r/min共3个转速时流道壁面区的压力脉动。直管式出水流道内部流态采用内贴红色丝线方法进行观察，每根红色丝线的长度约45 cm，红色丝线具有较好的水流跟随性，可较好地反映水流的流动状态，通过在试验过程中观察红色丝线的偏移方向及偏移角度来评断直管式出水流道测试段内部水流流态特征。为便于观察流态，直管式出水流道测试段采用透明的亚克力材料进行加工制作。直管式出水流道测试段内红色丝线及压力传感器安装如图2所示。

图1 立式轴流泵装置模型试验台Fig.1 Pumping system model test bench

图2 红色丝线及脉动传感器安装示意图Fig.2 Sketch of outlet conduit and pulsation sensors locations1.隔墩 2.红色丝线 3.测点1的压力传感器 4.测点2的压力传感器

2 试验可靠性分析

立式轴流泵装置物理模型试验按照SL 140- 2006《水泵模型及装置模型验收试验规程》中能量试验要求进行测试，为验证试验台的可靠性，在相同测试条件下对转速2 200 r/min时立式轴流泵装置能量性能进行了3次重复性测试，各工况采用流量比进行比较，流量比为各工况流量Q与最优工况流量Qbep的比值，测试结果如图3所示。

图3 立式轴流泵装置能量性能重复性试验结果Fig.3 Energy performance curves of repetitive experiment

3 隔墩对直管式出水流道水力性能的影响

3.1 出水流道内流场

图6 直管式出水流道测试段压力脉动幅值均方根Fig.6 PRMS values of different measuring points

不同工况时，有、无隔墩的直管式出水流道测试段内部流态分别如图4、5所示。通过对不同工况时立式轴流泵装置的直管式出水流道测试段内部红色丝线的观察，小流量工况时有、无隔墩的直管式出水流道测试段红色丝线均呈大角度倾斜，最优工况和大流量工况时大多数红色丝线呈水平状，流量越大时红色丝线的水平状越明显，表明了小流量工况时直管式出水流道内部水流呈螺旋状运动状态，最优工况和大流量工况时直管式出水流道内部近壁面区域水流近似平顺。直管式出水流道测试段内隔墩两侧的红色丝线呈相反的倾斜状，表明此时水流在隔墩两侧呈反对称运动状态，主要因小流量工况时导叶体出口的剩余速度环量较大。

图4 直管式出水流道测试段出口区流态(有隔墩)Fig.4 Flow patterns at outlet of test section in straight outlet conduit with dividing pier

图5 直管式出水流道测试段出口区流态(无隔墩)Fig.5 Flow patterns at outlet of test section in straight outlet conduit without dividing pier

3.2 出水流道内流脉动

直管式出水流道测试段的压力脉动幅值分析采用脉动幅值均方根(Root mean square，RMS)方法进行分析，均方根具有较小的数值离散程度，脉动幅值均方根可较好地表征压力脉动的能量水平，是信号幅值分析的主要参数之一，脉动幅值均方根PRMS的计算式为

(1)

式中Pi——压力的第i次测量值

N——数据采集个数

有、无隔墩的直管式出水流道测试段的脉动幅值均方根如图6所示，图中P1为有隔墩出水流道沿水流方向右侧水平壁面的脉动监测点，P2为有隔墩出水流道沿水流方向左侧水平壁面的脉动监测点，P1′为无隔墩出水流道沿水流方向右侧水平壁面的脉动监测点，P2′为无隔墩出水流道沿水流方向左侧水平壁面的脉动监测点。相同转速时，有无隔墩的直管式出水流道两监测点压力脉动幅值均方根均随流量比的增大而减小；相同流量比时，直管式出水流道两监测点压力脉动幅值均方根随转速的增加而增加，且流量比越小，随转速增大时压力脉动幅值均方根的增量越大。

图8 各监测点的脉动频谱图(n=1 450 r/min)Fig.8 Frequency domain diagrams of different measuring points at 1 450 r/min

不同转速时有、无隔墩的直管式出水流道测试段各监测点压力脉动幅值均方根的平均值如图7所示。在测试流量范围内，无隔墩时直管式出水流道测试段脉动幅值均方根的平均值均高于有隔墩时。不同转速各流量比时，无隔墩时直管式出水流道脉动幅值均方根的平均值比有隔墩时直管式出水流道脉动幅值均方根的平均值增加了6.21%。相同转速时，随流量比的增加，无隔墩时脉动幅值均方根的平均值与有隔墩时脉动幅值均方根的平均值比值呈先增大后减小的趋势，在流量比为0.4、1.0和1.2时，有、无隔墩时直管式出水流道测试段脉动幅值均方根的差异均较小。在流量比为1.0时，导叶体出口剩余速度环量最小，直管式出水流道进口面的水流横向速度较小，这是隔墩对水流的影响较小所致；在小流量比(小于0.45)时，导叶体出口剩余环量较大，直管式出水流道进口面的横向速度较大，水流的螺旋状运动更为明显，此时隔墩可起到进一步约束水流，增大水流的压能，降低流速的作用，有隔墩时出水流道内部水流更加平顺，水流脉动值相对减小。流量比大于1.0时，在直管式出水流道进口面的速度分布中轴向速度占主导，导叶体出口剩余速度环量较小，对主流运动方向的改变所起作用较小，水流沿轴向运动，隔墩对水流流态的影响很小，故有、无隔墩时直管式出水流道测试段压力脉动幅值均方根的差异较小。

图7 不同转速时直管式出水流道脉动幅值均方根的平均值Fig.7 Average PRMS values of straight outlet conduit with and without division pier

对脉动时域信号进行短时傅里叶变换，获得有无隔墩的直管式出水流道测试段内各监测点的脉动频谱图，不同转速时有无隔墩的直管式出水流道测试段脉动频谱分别如图8～10所示。相同流量比时，有、无隔墩的直管式出水流道测试段内同一监测点的脉动主频与脉动主频幅值均不相同。在转速n为1 450 r/min和2 200 r/min时，有隔墩的直管式出水流道内两监测点在3个特征工况的脉动主频均为1倍转频；在转速n为1 800 r/min时，有隔墩的直管式出水流道内两监测点在最优工况的脉动主频均为6倍转频，在小流量工况和大流量工况时有隔墩的直管式出水流道内两监测点的脉动主频未与转频呈固定整倍数关系；相同转速不同工况时无隔墩的直管式出水流道两监测点的脉动主频均存在较大差异，脉动主频与转频未呈整倍数关系。结果表明：隔墩对直管式出水流道内部流态具有一定的调整作用，可降低脉动幅值。

图9 各监测点的脉动频谱图(n=1 800 r/min)Fig.9 Frequency domain diagrams of different measuring points at 1 800 r/min

图10 各监测点的脉动频谱图(n=2 200 r/min)Fig.10 Frequency domain diagrams of different measuring points at 2 200 r/min

4 结论

(1)小流量工况时有、无隔墩的直管式出水流道内壁面红色丝线均呈大角度倾斜状，无隔墩的直管式出水流道内部水流呈螺旋状运动状态，有隔墩的直管式出水流道内部水流在隔墩两侧呈反对称运动状态，隔墩对直管式出水流道内部水流流态有一定的调整作用，但流态的改善效果还取决于导叶体出口剩余环量和流量。

(2)在测试流量范围内，无隔墩的直管式出水流道测试段脉动幅值均方根的平均值均高于有隔墩的直管式出水流道测试段脉动幅值均方根的平均值。相同转速时，有无隔墩的直管式出水流道各监测点的压力脉动幅值均方根均随流量比的增大而减小；相同流量比时，随转速的增加各监测点的压力脉动幅值均方根也增加，且流量比越小，压力脉动幅值均方根随转速增大的增量越大。

(3)相同转速同一流量比时，有无隔墩的直管式出水流道测试段内同一监测点的脉动主频与脉动幅值存在差异。相同转速时，无隔墩的直管式出水流道两监测点的脉动主频均有较大差异，脉动主频与转频未呈整倍数关系。不同转速最优工况时有隔墩的直管式出水流道两监测点的脉动主频与转频呈整倍数关系。

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