離心泵空化初生的研究范文
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《水力發(fā)電學(xué)報(bào)》2016年第五期
摘要：
空化對(duì)離心泵的性能有重要影響，而在實(shí)際當(dāng)中，只有在空化處于很嚴(yán)重的情形下才能判斷離心泵空化所處的狀態(tài)。為了能夠提前對(duì)離心泵空化進(jìn)行判斷，就有必要對(duì)離心泵空化初生進(jìn)行研究。首先采用數(shù)值模擬的方法，從理論上找出離心泵發(fā)生空化初生點(diǎn)，而后對(duì)該離心泵進(jìn)行空化噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)，采集空化噪聲信號(hào)，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法（EMD）對(duì)空化噪聲信號(hào)進(jìn)行分解，找出離心泵空化初生時(shí)的信號(hào)特征。研究表明，利用EMD算法可以很好地檢測(cè)到離心泵空化形態(tài)的轉(zhuǎn)變，同時(shí)實(shí)驗(yàn)得到的空化初生點(diǎn)同模擬得到的空化初生點(diǎn)是相一致的。
關(guān)鍵詞：
空化初生；數(shù)值模擬；空化噪聲信號(hào)；EMD算法
效率、穩(wěn)定性和空化性能是評(píng)價(jià)泵性能的三項(xiàng)指標(biāo)，其中空化是至今尚未被很好解決的問題。空化是流體機(jī)械當(dāng)中特有的一種現(xiàn)象，當(dāng)流道中局部液流壓力降低至飽和蒸汽壓力，液流中就會(huì)產(chǎn)生空泡。在泵當(dāng)中，空化會(huì)對(duì)泵造成重要的影響，能夠破壞流道的材料、引起泵的振動(dòng)并產(chǎn)生噪聲，這些都會(huì)影響泵的運(yùn)轉(zhuǎn)性能以及使用壽命[1-2]。因此，對(duì)泵內(nèi)空化的研究具有重要的意義?？栈跎强栈l(fā)展的一個(gè)很重要的階段。目前對(duì)空化初生并沒有明確的定義，但是，嚴(yán)格說來，當(dāng)流速不變而壓強(qiáng)降低（或壓強(qiáng)不變流速增加）時(shí)流場(chǎng)內(nèi)極小區(qū)域內(nèi)偶然初次出現(xiàn)微小空穴的臨界狀態(tài)稱為空化初生。通常情況下對(duì)離心泵空化的判斷是很困難的，只有當(dāng)離心泵空化發(fā)展到很嚴(yán)重的狀態(tài)才能夠判斷。因此，通過對(duì)離心泵空化初生的研究，從而可以較早地發(fā)現(xiàn)離心泵中的空泡，繼而判斷離心泵空化發(fā)展的程度。影響離心泵空化初生的因素很多，因此對(duì)離心泵空化初生的研究就困難重重[3]。近年來，對(duì)空化初生的研究取得了重要的進(jìn)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法趨于成熟，因此采用數(shù)值模擬方法，選擇合理的空化模型對(duì)空化進(jìn)行研究，取得了重要的成果[4]。楊慶等采用數(shù)值模擬的方法對(duì)突管式后臺(tái)階管流的初生空化特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，理論分析了空化初生的機(jī)理[5]。但是，通過數(shù)值模擬得到的結(jié)果畢竟與實(shí)際情形有一定的差異，由于空化時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲信號(hào)，其中包含空化信號(hào)的特征，因此對(duì)這些噪聲信號(hào)進(jìn)行分析和處理，從而提取出空化的特征，對(duì)于研究空化初生具有重要的意義。而目前利用聲學(xué)的判斷標(biāo)準(zhǔn)，建立了空化初生和聲壓級(jí)之間的聯(lián)系，同時(shí)還利用聲學(xué)方法來判斷水泵式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片初生的空化的發(fā)生，分析并提取出了空化噪聲的特征量[6]。
而隨著數(shù)字信號(hào)處理方法的發(fā)展，由于小波分析法具有很好的時(shí)頻特征及局部特性，被稱為數(shù)學(xué)上的“顯微鏡”，因此將小波分析應(yīng)用在空化研究當(dāng)中具有重要的意義[7]。王佳俊等將小波分析法應(yīng)用在水輪機(jī)空化的檢測(cè)當(dāng)中，通過研究表明，該方法可以檢測(cè)到突變信息，能夠很好地判斷空化發(fā)展的程度[8-9]。劉在倫等采用自相關(guān)與小波分析相結(jié)合的辦法對(duì)離心泵的入口壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析和處理，可對(duì)初生汽蝕狀態(tài)進(jìn)行定性診斷和定量識(shí)別，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了報(bào)警系統(tǒng)[10-11]。但在小波變換當(dāng)中，小波基函數(shù)選擇不合理就不能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，且最佳分解層次與信號(hào)頻率分布有關(guān)[12]，需要較為確切的先驗(yàn)知識(shí)。因此，為探究離心泵的空化初生，本文首先對(duì)離心泵進(jìn)行空化噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)，用水聽器采集空化噪聲信號(hào)，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法（EMD）對(duì)空化噪聲信號(hào)進(jìn)行分析和處理，找出離心泵的空化初生點(diǎn)。然后用數(shù)值模擬的方法對(duì)離心泵進(jìn)行分析，從理論上找出離心泵的空化初生點(diǎn)。
1空化噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)
1.1離心泵參數(shù)本文研究的對(duì)象是清水式離心泵，其基本參數(shù)如表1所示。1.2水聽器安裝由于空化噪聲信號(hào)具有微弱、成分復(fù)雜、且采集較為困難的特征，因此，為了能夠有效地采集到空化噪聲信號(hào)，本實(shí)驗(yàn)采用的水聽器的型號(hào)為RHS-10，靈敏度為−210dB，并采用如下安轉(zhuǎn)方式：（1）在離心泵的進(jìn)口安裝一段有機(jī)玻璃管。（2）在有機(jī)玻璃管上開孔，使得孔徑中心距離離心泵進(jìn)口距離為85mm。（3）將水聽器探頭與銅管相連。（4）將帶有探頭的銅管安裝在有機(jī)玻璃管徑的中心位置，如圖1所示。
1.3噪聲測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介本實(shí)驗(yàn)采用的噪聲測(cè)試系統(tǒng)是成都泰斯特電子信息公司進(jìn)行開發(fā)的，該系統(tǒng)主要包括水聽器、TST6200動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)、筆記本電腦及NoiseA2.10噪聲測(cè)試軟件，如圖2所示。該系統(tǒng)可以將水聽器收集到的噪聲信號(hào)輸送到TST6200動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)，再將信號(hào)輸送到帶有NoiseA2.10軟件的計(jì)算機(jī)當(dāng)中進(jìn)行分析和處理，功能框圖如圖3所示。
1.4噪聲測(cè)試過程本次實(shí)驗(yàn)的主要過程如下[1,13]：（1）啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置（見圖4），并將進(jìn)出口閥門都開至全開狀態(tài)。（2）對(duì)離心泵進(jìn)行性能特性實(shí)驗(yàn)。保持進(jìn)口閥門為全開狀態(tài)，逐漸關(guān)閉出口閥門，記錄此時(shí)的相關(guān)參數(shù)。（3）保持進(jìn)口閥門為全開狀態(tài)，關(guān)閉出口閥門，使得流量計(jì)的讀數(shù)為設(shè)定流量工況下（做3個(gè)流量工況，100m3/h、92m3/h、80m3/h），保持約5min后，測(cè)量此時(shí)的大氣壓及水溫，并記錄。再用相機(jī)對(duì)準(zhǔn)有機(jī)玻璃拍照，記錄此時(shí)的水流形態(tài)。（4）利用NoiseA2.10噪聲測(cè)試系統(tǒng)（采樣頻率為1MHz，采樣長度為32k/幀，保存幀數(shù)10幀，參數(shù)可修改）連續(xù)采集10次，保存此時(shí)的信號(hào)。并同時(shí)測(cè)量此時(shí)的流量，離心泵的進(jìn)出口壓力，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩10次。（5）逐漸關(guān)閉離心泵的進(jìn)口閥門，誘發(fā)離心泵發(fā)生空化，調(diào)節(jié)出口閥門，保持流量計(jì)的讀數(shù)為設(shè)定流量工況下。重復(fù)上述3，4步驟，測(cè)量并記錄各個(gè)工況下所對(duì)應(yīng)的參數(shù)以及采集噪聲信號(hào)。改變實(shí)驗(yàn)工況，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，測(cè)量并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
1.5繪制離心泵的性能曲線
1.5.1繪制離心泵的性能特性曲線根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)測(cè)得的相關(guān)參數(shù)，利用下式計(jì)算離心泵的揚(yáng)程、軸功率及效率，并繪制離心泵的性能特性曲線（見圖5）。
1.5.2繪制離心泵的空化性能曲線利用下式計(jì)算離心泵的汽蝕余量，繪制實(shí)驗(yàn)條件下離心泵的空化性能曲線，如圖6所示。
2空化噪聲信號(hào)的EMD分解
2.1EMD算法基本思想EMD算法的基本步驟如下[14-15]：（1）提取信號(hào)X的所有局部極值點(diǎn)，對(duì)所有的局部極大(小)值用插值函數(shù)形成數(shù)據(jù)的上(下)包絡(luò)線，用emax（emin）表示。
2.2對(duì)空化噪聲信號(hào)特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法（EMD）對(duì)三個(gè)流量工況下測(cè)得的原始信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)分解,由于所有的信號(hào)經(jīng)過EMD分解后，最明顯的特征就是各個(gè)分量當(dāng)中都有數(shù)量不同的突變脈沖分量。為了探究這些脈沖分量與空化之間的關(guān)系，因此，取IMF分解分量的前3個(gè)分量（分解分量1，分解分量2，分解分量3），并對(duì)每個(gè)分量做閾值處理（取分量信號(hào)最大值的1/3為比較值，大于其比較值的保留，否則置0），統(tǒng)計(jì)脈沖的數(shù)量。從圖7中可以看出，隨著空化的嚴(yán)重，空泡越來越多，因此產(chǎn)生的突變信號(hào)就越多，也就是說隨著汽蝕余量逐漸減小，突變信號(hào)的數(shù)量應(yīng)該逐漸增多。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知，只有分解分量1的結(jié)果是符合機(jī)理分析的。圖8~圖10為三個(gè)流量（80、92、100m3/h）下統(tǒng)計(jì)到的脈沖信號(hào)隨著汽蝕余量的關(guān)系曲線，其中橫坐標(biāo)為汽蝕余量，縱坐標(biāo)為脈沖個(gè)數(shù)的相對(duì)值（num/max_num）。其中，粉紅色曲線是該流量下，經(jīng)過閾值處理后統(tǒng)計(jì)得到的脈沖相對(duì)個(gè)數(shù)隨汽蝕余量的變化關(guān)系曲線，藍(lán)色曲線和紅色曲線是對(duì)粉紅色曲線進(jìn)行分段擬合得到的，藍(lán)色曲線是采用多項(xiàng)式擬合，紅色曲線采用的是指數(shù)擬合方法，綠色曲線是在紅色曲線的基礎(chǔ)上進(jìn)行延伸得到的，經(jīng)過這樣的處理，計(jì)算得到的脈沖個(gè)數(shù)同汽蝕余量之間的關(guān)系和實(shí)測(cè)得到兩者之間的規(guī)律是相一致的。可以發(fā)現(xiàn)，三幅圖中曲線都表現(xiàn)出了相似的規(guī)律，現(xiàn)取流量為100m3/h時(shí)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析。從圖10中可以得知，當(dāng)汽蝕余量為5.99m時(shí)，脈沖信號(hào)的數(shù)量基本為零。隨著汽蝕余量的減小，也就是說空化越來越嚴(yán)重，脈沖信號(hào)的數(shù)量逐漸增多。從臨界汽蝕余量為3.20m開始，隨著汽蝕余量的繼續(xù)減小，檢測(cè)到的脈沖信號(hào)的數(shù)量急劇增加，到汽蝕余量為2.16m達(dá)到最大值；從2.16m開始，隨著汽蝕余量的減小，脈沖信號(hào)的數(shù)量急劇下降。對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析：當(dāng)汽蝕余量為5.99m的時(shí)候，從圖7可以看出，此時(shí)沒有明顯的氣泡產(chǎn)生，說明此時(shí)離心泵沒有發(fā)生空化或者發(fā)生了輕微的空化，所以此時(shí)脈沖信號(hào)的數(shù)量很少。然而，隨著空化逐漸嚴(yán)重，汽蝕余量繼續(xù)降減小，脈沖信號(hào)的數(shù)量繼續(xù)增加，只是較為緩慢，所以此時(shí)離心泵的揚(yáng)程并沒有下降。當(dāng)汽蝕余量從臨界汽蝕余量開始減小時(shí)，此時(shí)脈沖信號(hào)的數(shù)量急劇增加，這是由于當(dāng)汽蝕余量繼續(xù)減小時(shí)，產(chǎn)生了大量的空泡，此時(shí)從有機(jī)玻璃管中可以觀察到，這些空泡的潰滅導(dǎo)致了脈沖信號(hào)數(shù)量的增加（見圖7）。而后隨著空化現(xiàn)象的加劇，產(chǎn)生了更多的氣泡，但是這些氣泡會(huì)將其它氣泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的能量散射掉[16]，因而此時(shí)測(cè)得的脈沖信號(hào)的數(shù)量沒有增多反而減少了。根據(jù)文獻(xiàn)[8,9,17]，得到的結(jié)果符合理論分析的結(jié)果。
3離心泵空化數(shù)值模擬
3.1離心泵的三維建模及網(wǎng)格劃分根據(jù)離心泵轉(zhuǎn)輪參數(shù)，利用三維建模軟件UG對(duì)該離心泵進(jìn)行三維全流道建模，然后將建好的模型導(dǎo)入ICEMCFD軟件當(dāng)中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖11、圖12所示。
3.2離心泵空化數(shù)值模擬結(jié)果在對(duì)離心泵進(jìn)行空化數(shù)值模擬過程中，本文采用的湍流模型為RNGk-模型，邊界條件采用速度進(jìn)口（velocity-inlet）和壓力出口（pressure-outlet），多相流模型選用Mixture模型，空化模型選用Schnerr-Sauer模型，采用SIMPLEC算法，近壁處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法（standardwallfunction），考慮離心泵的沿程阻力損失，對(duì)離心泵進(jìn)口段和蝸殼段的壁面粗糙度取為2mm，對(duì)轉(zhuǎn)輪壁面粗糙度取為1.5mm。計(jì)算工況選擇的是80、92、100m3/h。根據(jù)式（1）計(jì)算離心泵的汽蝕余量值，然后繪制離心泵的空化性能曲線，如圖13所示。分析可以得知，在三個(gè)流量（80、92、100m3/h）工況下，汽蝕余量分別為10.28、10.32、11.02m時(shí)，觀察到離心泵的葉片上剛剛出現(xiàn)了輕微的汽蝕，分析可以得知，在三個(gè)流量（80、92、100m3/h）工況下，汽蝕余量分別為10.28、10.32、11.02m時(shí)，觀察到離心泵的葉片上剛剛出現(xiàn)了輕微的汽蝕，如圖14所示。因此可以認(rèn)為此時(shí)在該流量下離心泵發(fā)生了空化初生[3]。
4對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證
由于在實(shí)驗(yàn)過程中，三個(gè)流量工況下測(cè)得的最大汽蝕余量值分別為6.83、6.36、5.99m，而通過數(shù)值模擬得到的初生汽蝕余量值分別為10.28、10.32、11.02m，因此本文采用指數(shù)擬合的方式對(duì)初生空化進(jìn)行了預(yù)測(cè)，如圖8~圖10中的綠色線條。分析表2可知，當(dāng)汽蝕余量值分別為模擬得到的初生汽蝕余量時(shí)，統(tǒng)計(jì)得到的脈沖信號(hào)數(shù)量的相對(duì)值分別為0.00012、0.00011、0.00025，在此基礎(chǔ)上可以算出此時(shí)各汽蝕余量對(duì)應(yīng)的絕對(duì)脈沖個(gè)數(shù)分別為0.26、2.45、0.52個(gè)。可以看出，3個(gè)流量工況下，所檢測(cè)到的絕對(duì)脈沖的個(gè)數(shù)均小于3個(gè)。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，以35個(gè)尖峰可以作為判斷空化初生的標(biāo)準(zhǔn)。因此，可以認(rèn)為此時(shí)離心泵發(fā)生初生空化，也就是說實(shí)驗(yàn)值和模擬得到的結(jié)果是一致的。以上分析還可以得出，當(dāng)汽蝕余量為5.99~11.02m時(shí)（流量為100m3/h），也就是圖10當(dāng)中的綠色線條部分，離心泵剛開始空化，可以將此階段定義為離心泵空化的形成階段。而當(dāng)汽蝕余量減小到出現(xiàn)最多脈沖信號(hào)時(shí)，可以將此階段定義為空化的發(fā)展階段，如圖中的紅色線條所示。而后當(dāng)汽蝕余量繼續(xù)減小時(shí)，此時(shí)離心泵空化已經(jīng)很嚴(yán)重，導(dǎo)致離心泵的性能急劇下降，可以將此階段定義為空化嚴(yán)重階段，如圖中的藍(lán)色線條所示。綜上所述：采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法對(duì)空化信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，不僅可以檢測(cè)出離心泵空化形態(tài)的轉(zhuǎn)變，而且還可以定量地判斷離心泵的空化初生。
5結(jié)論
本文針對(duì)離心泵，首先進(jìn)行了空化數(shù)值模擬計(jì)算，得到了離心泵的空化初生點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的汽蝕余量值；而后對(duì)該離心泵進(jìn)行了空化噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)的研究，采用EMD算法對(duì)空化噪聲信號(hào)進(jìn)行了分析，最終得出如下結(jié)論：（1）通過對(duì)空化噪聲信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解可以得知，該方法可以在強(qiáng)背景噪聲信號(hào)中有效地檢測(cè)到突變脈沖分量，這是空化發(fā)生時(shí)的信號(hào)特征。（2）通過對(duì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解結(jié)果中的突變脈沖分量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以得知，只有分解分量1中的突變脈沖信號(hào)的數(shù)量符合機(jī)理分析結(jié)果。（3）利用EMD算法對(duì)離心泵空化噪聲信號(hào)進(jìn)行分析和檢測(cè)，該方法可以很好地反映離心泵空化發(fā)展的過程以及離心泵空化形態(tài)的轉(zhuǎn)變。（4）數(shù)值模擬得到的空化初生同實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)到的空化初生是相符合的，也就是說利用該方法可以定量地預(yù)測(cè)空化初生，這也說明數(shù)值模擬得到的結(jié)果是正確的。
作者：卿彪 任建軍 宋曉飛 單位：國網(wǎng)四川省電力公司映秀灣水力發(fā)電總廠 四川華潤鴨嘴河水電開發(fā)有限公司