水泵水轮机泵工况下近设计点驼峰现象的流动机理研究Word下载.docx
《水泵水轮机泵工况下近设计点驼峰现象的流动机理研究Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水泵水轮机泵工况下近设计点驼峰现象的流动机理研究Word下载.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
模型机泵工况下的流量扬程曲线在0.45～0.75倍设计流量区间内出现驼峰，频域分析清晰地揭示了以上两种压力脉动是对该驼峰存在重要影响的流动参量。
关键词：
水泵水轮机；
泵工况；
驼峰；
近设计点；
非定常流动
StudyofHumpInstabilityPhenomenainPumpTurbineatLargePartialFlowConditionsonPumpMode
YANGJun1,2,3YUANShouqi4PAVESIGiorgio5LIChun1,2YEZhou1,2
（1 SchoolofEnergyandPowerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093；
2 KeyLaboratoryofFlowControlandSimulation,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093；
3 LaboratoryofFluidandPowerMachinery（XihuaUniversity）；
4 NationalResearchCenterofPumps,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013；
5 DepartmentofIndustrialEngineering,UniversityofPadua,Padua,35131Italy）
Abstract：
Formiddle-andhigh-specificspeedpumpturbines,thehumpinstabilityappearingatlargepartialflowconditionsseriouslyrestrictsitsstableoperationrange.Thesephenomenarelatecloselytotheinnerunsteadyflowinpumpturbine.Inthisstudy,weinvestigatethecharacterizationofpressurefluctuationandthemechanismofunsteadyflowbyanexperimentalandnumericalstudyoftheunsteadyflowoccurringamongtheadjustableblades.Forpumpworkingateitherfullorpartloadconditions,twokindsofperiodicpressurepulsationsinthediffuservanehavebeenobservedandanalyzed.Ahumpinstabilityappearsonlywhentheactualflowrateofheadcurveis0.45~0.75timesofthedesignedvalue,andourfrequencyanalysisfurthershowsthatitsappearanceiscloselyrelatedtothetwoabovepressurefluctuations.
Keywords：
pumpturbine；
pumpmode；
humpinstability；
largepartialflowconditions；
unsteadyflowpattern
０ 前言
对于水泵水轮机，其泵工况下的驼峰问题无法避免。
驼峰是一种与机体结构及其内部流动密切相关的反映在性能曲线上的一种不稳定现象。
该问题不仅影响水泵水轮机泵工况高扬程条件下的启动和运行，同时还会产生较强的振动和噪声，直接影响机组安全稳定运行[1-4]。
目前，该问题已成为制约水泵水轮机发展的瓶颈和挑战。
水泵水轮机在泵工况下工作时可视作导叶式离心泵。
研究表明：
一方面，在小流量时，叶轮进口回流作用易使流量-扬程曲线出现驼峰；
另一方面，当比转速大于110时，其性能曲线还易在略小于设计流量点附近出现驼峰[5]，即双驼峰。
随着比转速的增大，该驼峰发生的风险也越高，并且其发生位置也将更接近设计流量[6]。
此外，当驼峰出现时还常伴随着迟滞效应，如图1所示[7]。
因此，近设计点的驼峰与其伴随迟滞效应的出现严重制约了中高比转速水泵水轮机运行的灵活性及其稳定工作范围。
图1 离心泵的磁滞效应
目前，水泵水轮机泵工况下，针对小流量驼峰问题的研究（如发生机理、主动与被动抑制方法等），业界学者已开展了较为深入、系统的工作[8-13]，但针对近设计点驼峰产生机理的研究尚处在起步阶段。
文献[14-15]通过试验及数值模拟方法对水泵水轮机泵工况下的双驼峰进行了研究，指出叶轮进出口区域的流态和驼峰的形成密切相关，并在近设计点驼峰区发现由旋转失速引起的低频压力脉动，其频率为0.2倍叶轮转频。
文献[16-19]分别采用多种湍流模型对水泵水轮机泵工况下驼峰区的内部流动进行数值预测研究。
这些研究表明：
叶轮及扩散段的非定常流动（如旋转失速、二次流、回流及涡结构等）是引起水泵水轮机泵工况驼峰问题的主要原因。
尽管上述学者通过试验及数值模拟方法对水泵水轮机近设计点的驼峰问题开展了研究，但因水泵水轮机在该区域时的流动极其复杂，对于引起该现象的成因尚未形成统一的解释。
本文通过对水泵水轮机泵工况下流场特征量的时域与频域分析，获得较为全面的非定常流动特征，如压力脉动的周期频率、作用强度等，并采用流场可视化技术及计算流体力学软件获得水泵水轮机泵工况下流场的分布规律。
基于以上方法获得的结果，得到水泵水轮机泵工况下内部非定常流动特征及其与近设计点驼峰之间的关系。
为提出改善水泵水轮机驼峰问题提供理论基础和技术支撑。
1 试验装置
本试验在意大利帕多瓦大学工业工程系开式旋转机械试验台（Open
turbomachinery
facility，OTF）上进行，试验台如图2所示。
该试验台按照国际标准IEC60041及IEC60193设计，专用于测试旋转水力机械（水泵、水轮机及水泵水轮机等）的水力性能及其瞬态特性,如压力、振动和声压等。
图2 开式旋转机械试验台
试验研究对象为一个二级水泵水轮机的低压级。
转速为600r/min，比转速为137.24（易发生双驼峰现象），其结构如图3所示，主要由壳体、叶轮和回流腔组成。
回流腔用于引导叶轮出口的流体进入下级，由两级导叶组成：
22个可调导叶及11个U型弯曲固定导叶。
叶轮与可调导叶进口的径向间隙为5mm（2.5%叶轮半径）。
主要参数如表1所示：
表中D2、D3和D4分别为叶轮、可调导叶及固定导叶叶片的直径，B2、B3和B4分别为叶轮、可调导叶及固定导叶出口宽度，nb2、nb3和nb4分别为叶轮、可调导叶及固定导叶叶片数，β2c为叶轮叶片出口角，φDes为模型设计点流量系数，α3c和α4c分别为可调导叶及固定导叶出口水流角，λ表示可调导叶及固定导叶之间的周向方位角为8°
。
根据以上参数可知，叶片通过频率fBPF=70Hz。
本文研究工况为该模型在可调导叶出口水流角为18°
时的泵工况。
图3 二级水泵水轮机低压级模型
表1 水泵水轮机模型主要参数
参数
数值
叶轮参数
出
直径D2/mm
400
宽度B2/mm
40
叶片数nb2
7
口出口角β2c（°
）
26.5
点流量系数φDes
0.125
可调导叶参数
直径D3/mm
410
宽度B3/mm
叶片数nb3
22
可调导叶出口水流角α3c/（°
18
周向方位角λ/（°
8
固定导叶参数
直径D4/mm
516
宽度B4/mm
叶片数nb4
11
固定导叶出口水流角α4c/（°
30
模型机的试验主要分为以下三部分：
①水力性能测量；
②可调导叶表面动态压力测量；
③流场可视化测量。
在水力性能测量时，进、出口压力分别采用相对压力传感器WIKA891.12.500和绝对压力传感器PHILIPS
9404
215
60161测量；
流量采用根据ASME
PTC
19.5-2004校准的喷嘴流量计测量；
扭矩测量采用Kistler
4503A扭矩仪测量。
已有研究表明：
近设计点的驼峰与导叶流道内的非定常流动密切相关。
因此，本试验采用12枚XCL-072系列小型IS压力传感器对可调导叶表面瞬态压力进行测量，其安装示意图如图4所示。
图4 可调导叶及其动态压力传感器的安装
为定性描述和分析二级导叶流道内的非定常流动，本文采用高压气泡作为流道内部流动的示踪媒介，高压气泡的注入孔位置如图5所示。
通过高速摄影仪拍摄示踪气泡在流道内的流动轨迹，以实现流场可视化的测量。
其中，所采用的高速摄影仪为Photron FASTCAM
PCI数字摄像机，记录图片的分辨率为512像素×
512像素，拍摄采用5000帧/s。
图5 导叶表面告诉气泡注入孔
2信号处理
在压力脉动的频谱分析中，叶片通过频率为频域中的显著特征频率之一，文中引入斯特劳尔数（St）对频率进行量纲一化处理，该数基于周向叶片间隙和叶片叶尖转速定义如下所示[20]
式中，D2为叶轮直径；
nb为叶轮叶片数；
u2为叶轮出口切向速度。
根据奈奎斯特采样定律：
在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs大于信号中最高频率fmax的2倍时（fs>
2fmax），采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。
一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍[21]。
本文主要研究叶片通过频率附近的非定常流动，因此试验压力采样率应至少大于2倍叶片通过频率（140Hz），本试验中压力信号采样频率为210Hz，采样时长28s。
目前，国内对旋转水力机械压力脉动频谱分析主要采用快速傅里叶变换（Fast
Fourier
transform，FFT）[22-24]，但该方法无法过滤和评估所采集的压力数据中由系统、环境等引起的随机信号误差干扰。
此外，本试验中各种随机过程对所采集的动态压力数据的影响是不可忽略的，故本文采用功率谱密度估计法对所测模型机内部压力脉动进行分析。
该方
升级会员 