CN112727784A - 一种轴流泵叶顶空化涡动态特征识别的试验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴流泵叶顶空化涡动态特征识别的试验装置与方法，包括轴流泵空化试验台和空化测试装置两个部分；通过真空泵降低汽蚀罐内气压，迫使轴流泵叶顶区发生空化；利用同步控制器同时采集叶顶空化图像与瞬态压力信号；根据叶片压力侧与吸力侧压力突降，建立叶顶空化形态与瞬态压力的对应关系；基于瞬时压力信号时域、频域、幅值特征找到不同空化类型诱导的压力振荡变化规律，基于系统性试验结果绘制轴流泵叶顶空化涡动态特征识别图谱。本发明基于系统性试验结果绘制叶顶空化涡动态特征识别图谱，可对轴流泵运行中叶顶空化状态进行有效监测与判定，保证轴流泵机组安全稳定运行。

Description

一种轴流泵叶顶空化涡动态特征识别的试验装置与方法

技术领域

本发明为一种轴流泵叶顶空化涡动态特征识别的试验装置与方法，属于流体机械测试技术领域。

背景技术

轴流泵在南水北调工程、大中型泵站、喷水推进和潜艇发射装置等领域具有广泛的应用。由于叶顶间隙的存在，叶顶区空化极其复杂，常伴存着叶顶间隙空化、射流剪切层空化、叶顶泄漏涡空化、叶片吸力面片状空化。空化涡带将诱导机组产生异常振动和噪声，严重威胁轴流泵机组长期安全稳定运行。由于流道内空化涡带常常具有周期性的初生、发展、溃灭等复杂过程，对其瞬态特性研究常常受到试验条件和方法的限制。研究人员期望通过空化机理认识和空化控制等手段提高水力机械的性能和运行稳定性。

近年来，随着水力机械试验条件的进步和可视化技术的发展，空化试验设备与手段逐渐成熟。经检索，已公开专利“一种用于诱导轮可视化测试的实验装置”（申请号：201610243481.8），提出了利用可视化技术观察气泡的发展过程；已公开专利“一种基于压力控制的小型空化实验装置”（申请号：201510005375 .1），根据试验需求提供了一种装配简易、操作便捷的空化试验设备；由于研究对象和试验条件的要求，已公开专利“一种低温液体空化实验装置”（申请号：201510004702.1），针对低温空化，提供了一种成本低、安全性高的试验装置；针对空化发展过程，已公开专利“确定模型水轮机转轮叶片空蚀起始点的方法”（申请号：201310066715.2），提出了一种根据空化噪声能量分布梯度比例确定模型水轮机转轮叶片空蚀起始点的自动化方法。以上空化测试装置与方法可捕捉空泡形态，确定空化初生，但未提供研究空化云不稳定流动过程脱落的时空演化特性及其诱导水力振荡的研究方法。

发明内容

为解决上述问题，本专利提供一种轴流泵叶顶空化涡动态识别的试验装置与方法，利用可视化试验与瞬态压力测量相结合的方法，研究轴流泵不同工况的叶顶空化涡动态特征。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种轴流泵叶顶空化涡动态识别的试验装置，包括轴流泵空化试验台和空化测试装置；空化试验台部分包括：电机、扭矩仪、测试泵段、进口测压段、进口阀、水箱、汽蚀罐、出口阀、真空泵、涡轮流量计、增压泵、出口测压段；测试泵段包括转轮室，所述转轮室内设置有叶轮、导叶、支撑板和传动轴；所述电机通过扭矩仪与所述传动轴连接，所述测试泵段进口端通过进口测压段与所述水箱连接，所述进口测压段上设置有进口阀，所述水箱内设置有汽蚀罐，所述汽蚀罐与真空泵连接；所述测试泵段出口端通过出口测压段与水箱连接，所述出口测压段上设置有增压泵、涡轮流量计和出口阀；空化测试装置部分包括：高频压力传感器、高速摄像机、NI数据采集仪、同步控制器和计算机；所述高频压力传感器位于所述叶轮的叶顶和所述转轮室的内壁之间，所述高速摄像机正对所述测试泵段，所述高频压力传感器和所述高速摄像机同时与所述NI数据采集仪信号连接，所述NI数据采集仪通过同步控制器和计算机连接。

上述方案中，所述转轮室采用内圆外方结构，由无色透明有机玻璃制成。

上述方案中，所述电机、扭矩仪、进口阀、出口阀、真空泵、涡轮流量计、增压泵均与所述计算机信号连接。

本发明还提供利用上述试验装置进行轴流泵叶顶空化涡动态识别的试验方法，包括如下过程：S1：将电机空转以对转矩调零，再与泵轴相连接；S2：调节水箱水位至适当高度，打开进口阀和出口阀，将电机转速调节至设计转速，运行稳定后开启增压泵使流量达到大流量工况；保持工况不变利用同步控制器控制对压力信号与图像信号进行同步采集；基于压力信号时域、频域、幅值特性建立瞬态压力与空化图像的对应关系；S3：保持流量不变，利用真空泵对汽蚀罐抽真空，以降低测试泵段内压力，迫使轴流泵叶轮内发生空化，待测试泵段内压力降低到另一稳定值后利用同步控制器控制对压力信号与图像信号进行同步采集，至空化数超出试验范围，降低增压泵转速，进入下一流量工况试验，当流量降低至预定的小流量工况时，停止试验；S4：根据瞬时压力信号时域、频域、幅值特征确定不同空化类型诱导的压力振荡变化规律，对轴流泵运行中叶顶空化状态进行监测与判定，建立轴流泵叶顶空化涡动态特征图谱。

上述方案中，当降低增压泵转速无法减小流量时，通过关小出口阀来降低流量。

上述方案中，空化数σ=(Pin-Pva)/(1/2ρU2)，Pin为进口压力，Pva为介质饱和气压，ρ为介质密度，U为基准速度。

本发明的有益效果：本发明利用增压泵与出口阀控制运行的流量工况，利用真空泵与汽蚀罐控制进口压力，对不同流量工况、空化工况下的叶顶区进行图像和瞬态压力信号同步采集，利用同步采集的信号建立瞬时压力与空化形态的对应关系，从而建立了轴流泵叶顶空化涡动态特征图谱。

附图说明

图1为本发明轴流泵空化试验台示意图。

图2为本发明轴流泵空化测试装置布置图。

图3为本发明轴流泵叶顶空化涡动态识别试验分析流程。

图4为本发明轴流泵不同时刻瞬态空化图像。

图5为图4情形下1/3叶轮旋转周期的瞬态压力分布图。

图6为本发明轴流泵不同空化数瞬态空化图像。

图7为图6情形下1/3叶轮旋转周期的瞬态压力分布图。

图8为监测点P1处压力频谱图。

图9为监测点P2处压力频谱图。

图中，1.电机、2.扭矩仪、3.测试泵段、4.进口测压段、5.进口阀、6.水箱、7.汽蚀罐、8.出口阀、9.真空泵、10.涡轮流量计、11.增压泵、12.出口测压段、13.叶轮、14.导叶、15.支撑板、16.传动轴、17.转轮室、18.高频压力传感器、19.高速摄像机、20.NI数据采集仪、21.同步控制器、22.计算机。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述，但不应以此限制本发明的保护范围。

本实施例的一种轴流泵叶顶空化涡动态识别的试验装置，总体分为两部分：轴流泵空化试验台、空化测试装置。轴流泵空化试验台如图1所示，包括电机1、扭矩仪2、测试泵段3、进口测压段4、进口阀5、水箱6、汽蚀罐7、出口阀8、真空泵9、涡轮流量计10、增压泵11、出口测压段12；测试泵段3包括叶轮13、导叶14、支撑板15、转轮室17；转轮室17采用内圆外方结构，用无色透明有机玻璃制成，以获得与水接近的折射率，减少折射误差；真空泵9与汽蚀罐7连接，通过真空泵9对汽蚀罐7抽真空以降低泵内压力，从而强迫轴流泵叶轮内发生空化；利用增压泵11与出口阀8配合控制试验流量工况。空化测试装置如图2所示，包括：高频压力传感器18、高速摄像机19、NI数据采集仪20、同步控制器21、计算机22；利用高频压力传感器18采集轴流泵叶顶瞬态压力信号；利用高速摄像机19捕捉轴流泵叶顶空化形态；利用同步控制器21控制对压力信号与图像信号进行同步采集。

请参见附图1连接试验管路，试验前保证轴流泵空化试验台管路密封良好。先将电机1空转以对转矩调零，再与传统轴16相连接；调节水箱6内水位至适当高度，打开进口阀5和出口阀8，将电机1转速调节至指定转速，并运行5分钟已排出管路中气泡；稳定后开启增压泵11使流量达到大流量工况；此后降低增压泵11转速以减小流量，当降低增压泵转速无法减小流量时，通过关小出口阀8来降低流量；当流量降低至预定的小流量工况时，停止试验。

请参见附图2连接试验装置，将三个高频压力传感器分别安装在监测点P1、P2、P3，对应于叶轮进口、叶轮中部和叶轮出口；将高速摄像机正对叶轮叶顶处，并调节图像至清晰；设置瞬态压力信号与图像采样频率为6n Hz，n为转速，即叶轮每旋转1°采集一次信号；通过不断降低泵进口压力，强迫轴流泵叶顶区发生空化，开启真空泵9阀后，真空泵9对汽蚀罐7内进行抽压，每下降0.05个大气压后关闭真空泵9及其阀门，待压力稳定后利用同步控制器21进行同步数据采集30s；汽蚀罐内压力减至0.3个大气压时即降低流量进行下一组试验。

请参见附图3流程进行试验与分析，针对同步采集的图像与瞬态压力信号建立对应关系。按照附图1、附图2 连接好试验管路及设备，确保轴流泵闭式试验台管路密封良好。将电机空转以对转矩调零，再与泵轴相连接。调节储水箱水位至适当高度，打开进出口阀门，将电机转速调节至设计转速，稳定后开启增压泵使流量达到大流量工况。保持工况不变采集空化图像和瞬态压力信号。基于压力信号时域、频域、幅值特性建立瞬态压力与空化图像的对应关系。此后保持流量不变，利用真空泵降低进口压力到另一稳定值并记录数据。至空化数超出试验范围，方可进行下一流量工况试验。当流量降低至预定的小流量工况时，停止试验。综合上述试验结果建立轴流泵叶顶空化涡动态特征图谱。请参见附图4、图5所示（以3叶片叶轮为例），空化数σ=(P _in-P _va)/(1/2ρU ²)，P _in为进口压力，P _va为介质饱和气压，ρ为介质密度，U为基准速度；瞬态压力系数C _P=(P-P’)/(1/2ρU ²)，P为瞬态静压，P’为平均静压；当叶片压力面（PS）掠过传感器时，由于叶片压力面与吸力面之间的压差，压力开始突降，至吸力面（SS）掠过传感器时，压力开始回升；在一个叶片周期内压力最高点对应于叶片压力侧，最低点对应叶片吸力侧；当叶顶泄漏涡空化掠过传感器时则在V1-V2之间对压力回升产生扰动。请参见附图6和附图7所示，空化数降低，叶顶空泡面积增加，叶顶泄漏涡空化与叶片之间由剪切层空化相连形成三角形空化云；分别在SS-R1、SS-R2、SS-R3之间形成平缓区域，其后压力曲线开始回升，当有涡丝掠过，压力曲线产生波动。

请参见附图8和图9所示，对30s内瞬态压力信号进行快速傅里叶变换（FFT）获得其频域特征，BPF为叶频，N*为转频；不同监测点处主频为叶频，同时存在N*=6、9、12等谐频成分，空化数越小，主频幅值越高；基于瞬时压力信号时域、频域、幅值特征找到不同空化类型诱导的压力振荡变化规律，基于系统性试验结果绘制轴流泵叶顶空化涡动态特征识别图谱。

Claims (6)

1.一种轴流泵叶顶空化涡动态识别的试验装置，其特征在于，包括轴流泵空化试验台和空化测试装置；

空化试验台部分包括：电机（1）、扭矩仪（2）、测试泵段（3）、进口测压段（4）、进口阀（5）、水箱（6）、汽蚀罐（7）、出口阀（8）、真空泵（9）、涡轮流量计（10）、增压泵（11）、出口测压段（12）；测试泵段（3）包括转轮室（17），所述转轮室（17）内设置有叶轮（13）、导叶（14）、支撑板（15）和传动轴（16）；所述电机（1）通过扭矩仪（2）与所述传动轴（16）连接，所述测试泵段（3）进口端通过进口测压段（4）与所述水箱（6）连接，所述进口测压段（4）上设置有进口阀（5），所述水箱（6）内设置有汽蚀罐（7），所述汽蚀罐（7）与真空泵（9）连接；所述测试泵段（3）出口端通过出口测压段（12）与水箱（6）连接，所述出口测压段（12）上设置有增压泵（11）、涡轮流量计（10）和出口阀（8）；

空化测试装置部分包括：高频压力传感器（18）、高速摄像机（19）、NI数据采集仪（20）、同步控制器（21）和计算机（22）；所述高频压力传感器（18）位于所述叶轮（13）的叶顶和所述转轮室（17）的内壁之间，所述高速摄像机（19）正对所述测试泵段（3），所述高频压力传感器（18）和所述高速摄像机（19）同时与所述NI数据采集仪（20）信号连接，所述NI数据采集仪（20）通过同步控制器（21）和计算机（22）连接。

2.根据权利要求1所述的一种轴流泵叶顶空化涡动态识别的试验装置，其特征在于，所述转轮室（17）采用内圆外方结构，由无色透明有机玻璃制成。

3.根据权利要求1所述的一种轴流泵叶顶空化涡动态识别的试验装置，其特征在于，

所述电机（1）、扭矩仪（2）、进口阀（5）、出口阀（8）、真空泵（9）、涡轮流量计（10）、增压泵（11）均与所述计算机（22）信号连接。

4.利用权利要求1的试验装置进行轴流泵叶顶空化涡动态识别的试验方法，其特征在于，包括如下过程：

S1：将电机空转以对转矩调零，再与泵轴相连接；

S2：调节水箱水位至适当高度，打开进口阀和出口阀，将电机转速调节至设计转速，运行稳定后开启增压泵使流量达到大流量工况；保持工况不变利用同步控制器控制对压力信号与图像信号进行同步采集；基于压力信号时域、频域、幅值特性建立瞬态压力与空化图像的对应关系；

S3：保持流量不变，利用真空泵对汽蚀罐抽真空，以降低测试泵段内压力，迫使轴流泵叶轮内发生空化，待测试泵段内压力降低到另一稳定值后利用同步控制器控制对压力信号与图像信号进行同步采集，至空化数超出试验范围，降低增压泵转速，进入下一流量工况试验，当流量降低至预定的小流量工况时，停止试验；

S4：根据瞬时压力信号时域、频域、幅值特征确定不同空化类型诱导的压力振荡变化规律，对轴流泵运行中叶顶空化状态进行监测与判定，建立轴流泵叶顶空化涡动态特征图谱。

5.根据权利要求4所述的进行轴流泵叶顶空化涡动态识别的试验方法，其特征在于，

当降低增压泵转速无法减小流量时，通过关小出口阀来降低流量。

6.根据权利要求4所述的进行轴流泵叶顶空化涡动态识别的试验方法，其特征在于，

空化数σ=(P _in-P _va)/(1/2ρU ²)，P _in为进口压力，P _va为介质饱和气压，ρ为介质密度，U为基准速度。

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