大型離心泵系統(tǒng)壓力脈動(dòng)與水力激振特性研究

針對大型離心泵普遍存在的壓力脈動(dòng)和水力激振問題，采用理論分析、模型試驗(yàn)、原型測試和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的手段，對離心泵壓力脈動(dòng)與水力激振的影響因素、分布規(guī)律、計(jì)算方法和控制措施進(jìn)行了深入研究。建立了用于離心泵旋轉(zhuǎn)湍流瞬態(tài)分析的動(dòng)態(tài)混合非線性SGS模型，發(fā)展了集URANS和LES為一體的離心泵壓力脈動(dòng)計(jì)算模型及相應(yīng)的數(shù)值解法，為準(zhǔn)確評估離心泵在不同工況的壓力脈動(dòng)提供了一種有效手段；建立了壓力脈動(dòng)與葉輪型式、運(yùn)行工況、來流條件、空化狀態(tài)等因素之間的關(guān)系，獲得了雙吸離心泵和單吸離心泵兩類典型泵站的壓力脈動(dòng)頻譜特征及時(shí)空分布規(guī)律；構(gòu)建了瞬態(tài)流固耦合分析模型、壓力脈動(dòng)載荷作用模型、流體場和結(jié)構(gòu)場載荷置換模型，并用所建立的模型開展了離心泵瞬態(tài)流固耦合分析，得到了離心泵在不同壓力脈動(dòng)載荷作用下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)、葉片疲勞特性等結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了在較高精度下的大型離心泵水力激振特性預(yù)測；探索了原型泵與模型泵之間的壓力脈動(dòng)相似關(guān)系、結(jié)構(gòu)振動(dòng)相似關(guān)系，揭示了壓力脈動(dòng)所引起的水力激振傳播機(jī)理，給出了基于交替加載技術(shù)的減輕離心泵壓力脈動(dòng)與結(jié)構(gòu)振動(dòng)的途徑。所取得的研究成果為改善離心泵水力設(shè)計(jì)、提高運(yùn)行穩(wěn)定性奠定了基礎(chǔ)。

大型離心泵廣泛應(yīng)用于跨流域調(diào)水、大型農(nóng)業(yè)灌溉、城市給排水、火力發(fā)電和其他能源化工等領(lǐng)域。本項(xiàng)目以離心泵為研究對象，以模型試驗(yàn)、原型測試和數(shù)值計(jì)算為基本手段，以揭示壓力脈動(dòng)機(jī)理和描述水力激振特征為主要目標(biāo)，研究離心泵壓力脈動(dòng)與葉輪型式、來流條件、空化狀態(tài)、運(yùn)行工況等因素的關(guān)系，把握離心泵壓力脈動(dòng)所誘發(fā)的水力振動(dòng)傳播規(guī)律，完善離心泵壓力脈動(dòng)、水力激振計(jì)算模型和仿真方法，編制壓力脈動(dòng)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性及疲勞可靠性預(yù)測軟件，構(gòu)建離心泵壓力脈動(dòng)及系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行評價(jià)體系，為降低大型離心泵系統(tǒng)壓力脈動(dòng)、改善結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性、增強(qiáng)運(yùn)行穩(wěn)定性，提供科學(xué)依據(jù)。

激振力（exciting force）是指由回轉(zhuǎn)的不平衡質(zhì)量作為振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)源產(chǎn)生的周期性簡諧振動(dòng)稱為激振力。此不平衡質(zhì)量為振動(dòng)偏振子。根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)了滑臺式振動(dòng)成型機(jī)振動(dòng)臺。

使振動(dòng)體產(chǎn)生振動(dòng)的力。其方向或作往復(fù)變化，如液壓振動(dòng)，或作360°方向變化，如偏心塊旋轉(zhuǎn)振動(dòng)。液壓振動(dòng)的激振力決定于液壓缸內(nèi)活塞推力，與活塞面積和液體壓力有關(guān)；單軸偏心塊的激振力等于偏心塊旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的離心力，與偏心塊質(zhì)量、偏心距和轉(zhuǎn)速有關(guān)；雙軸式偏心塊的激振力等于兩偏心塊離心力的向量和，若兩偏心塊的初始相位對稱、轉(zhuǎn)速相等、轉(zhuǎn)向相反，則離心力時(shí)而疊加，時(shí)而抵消，形成往復(fù)定向振動(dòng)。

1、水輪機(jī)運(yùn)行偏離最優(yōu)工況是壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的基本原因

反映混流式水輪機(jī)水力穩(wěn)定性的各種壓力脈動(dòng)都有其產(chǎn)生的具體原因。但是，綜觀這些常規(guī)和異常兩種壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的工況與機(jī)理可以看出，它們都是在水輪機(jī)偏離最優(yōu)工況運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的。這就是說．偏離最優(yōu)工況運(yùn)行是混流式水輪機(jī)壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的基本原因。而在最優(yōu)工況范圍，幾乎沒有什么明顯的壓力脈動(dòng)。

2、尾水管水流的圓周速度是壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的決定性因素

從水輪機(jī)中水流的流動(dòng)來看。偏離最優(yōu)工況后，最大的變化是，轉(zhuǎn)輪中水流和轉(zhuǎn)輪出口水流產(chǎn)生了比較明顯的圓周速度分量，而且這個(gè)圓周速度分量一直延伸到尾水管中。因此可以說，圓周速度分量的出現(xiàn)和變化規(guī)律是各種壓力脈動(dòng)產(chǎn)生和變化規(guī)律的基本條件與決定性因素。常規(guī)壓力脈動(dòng)和尾水管水、氣聯(lián)合體共振產(chǎn)生的異常壓力脈動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理都證明了這一點(diǎn)。這個(gè)因素和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有密切相關(guān)，也是轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)可以影響壓力脈動(dòng)的基本原因。

3、不同壓力脈動(dòng)是圓周速度產(chǎn)生壓力脈動(dòng)的方式和機(jī)理不同的結(jié)果

圓周速度分量產(chǎn)生壓力脈動(dòng)的具體方式和機(jī)理的不同，是產(chǎn)生各種不同壓力脈動(dòng)的基本原因。例如：

(1)圓周速度分量對轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口的沖擊產(chǎn)生了小開度區(qū)和大開度區(qū)的壓力脈動(dòng)。

(2)圓周速度分量與軸向速度分量的共同作用，形成了螺旋形旋進(jìn)的渦帶，繼而產(chǎn)生了渦帶壓力脈動(dòng)。

(3)尾水管中的圓周速度分量與肘管相互作用產(chǎn)生了同步壓力脈動(dòng)，并成為水輪機(jī)流道水體共振最重要的激發(fā)力。

(4)圓周速度分量是尾水管中心真空、氣體空腔產(chǎn)生和變化的重要條件之一，由此而引起尾水管水、氣聯(lián)合體固有頻率的變化，為共振創(chuàng)造了一方面的基本條件。

4、空化系數(shù)是壓力脈動(dòng)最重要的影響因素

空化系數(shù)或吸出高度是壓力脈動(dòng)，特別是異常壓力脈動(dòng)最重要的影響因素。它通過改變尾水管空腔體積（因而也就是改變渦核的直徑和偏心距）來改變渦帶壓力脈動(dòng)的幅值，補(bǔ)氣消除共振的機(jī)理也在于此；它通過改變尾水管水、氣聯(lián)合體的固有頻率影響水體共振的出現(xiàn)或消失。所有尾水管水、氣聯(lián)合體共振及其產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)對空化系數(shù)十分敏感，也是由這個(gè)原因造成的。

除引起水、氣聯(lián)合體共振外，空化系數(shù)更多的影響是使聯(lián)合體的動(dòng)力響應(yīng)系數(shù)發(fā)生變化。這是造成模型與原型水輪機(jī)渦帶壓力脈動(dòng)幅值不相似的主要原因之一。

氣體空腔的存在，也對尾水管壓力脈動(dòng)產(chǎn)生吸收和緩沖作用。這是尾水管水、氣聯(lián)合體共振產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)幅值比引水管路水體共振小得多的主要原因。

壓力脈動(dòng)常規(guī)壓力脈動(dòng)

(1)常規(guī)壓力脈動(dòng)是混流式水輪機(jī)正常運(yùn)行情況下產(chǎn)生的，只要水輪機(jī)在一定的工況下運(yùn)行，相應(yīng)的常規(guī)壓力脈動(dòng)就必然產(chǎn)生。

(2)每個(gè)導(dǎo)葉開度區(qū)的常規(guī)壓力脈動(dòng)都有其一定的特征和規(guī)律，而且所有混流式水輪機(jī)都具有基本相同的特征和變化規(guī)律。

(3)渦帶壓力脈動(dòng)是常規(guī)壓力脈動(dòng)中最重要的一個(gè)，它對機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的影響需要進(jìn)行具體分析。

(4)常規(guī)壓力脈動(dòng)的幅值隨工況參數(shù)的變化是漸變式的，不會(huì)發(fā)生突然的變化。

(5)水輪機(jī)中的其他壓力脈動(dòng)雖然并不代表水輪機(jī)的水力穩(wěn)定性，但可能會(huì)對機(jī)組的振動(dòng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

壓力脈動(dòng)異常壓力脈動(dòng)

1、異常壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的充分條件

異常壓力脈動(dòng)是水體或水、氣聯(lián)合體共振產(chǎn)生的。異常壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的充分條件是：①一定的工況條件；②尾水管水、氣聯(lián)合體的固有頻率與尾水管同步壓力脈動(dòng)頻率一致。

在不同工況下，兩種頻率具有不同的組合關(guān)系；而在不同的組合關(guān)系下，就可能產(chǎn)生不同的異常壓力脈動(dòng)。組合關(guān)系的產(chǎn)生和特性則間接反映水輪機(jī)特征參數(shù)選擇和轉(zhuǎn)輪水力與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水平和取向。

2、尾水管水、氣聯(lián)合體是最重要的共振體

在水電站和水輪機(jī)中，主要的共振水體有3處：引水管路水體、轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉之間無葉區(qū)環(huán)形水體和尾水管水、氣聯(lián)合體。其中，引水管路水體共振和無葉區(qū)環(huán)形水體共振不反映或不完全反映水輪機(jī)的水力穩(wěn)定性。因此，尾水管中的水、氣聯(lián)合體是水輪機(jī)中最重要的共振體。已知的高部分負(fù)荷壓力脈動(dòng)、低部分負(fù)荷壓力脈動(dòng)、渦帶頻率的異常壓力脈動(dòng)等，都是它共振的結(jié)果。此外，在偏離最優(yōu)工況的各種水輪機(jī)工況下，還有產(chǎn)生其他尾水管水、氣聯(lián)合體其振的可能性。

3、異常壓力脈動(dòng)的幅值

各種由水體共振產(chǎn)生的異常壓力脈動(dòng)幅值的巨大區(qū)別，基本原因在于共振水體振動(dòng)特性的差別。

單一水體共振產(chǎn)生的異常壓力脈動(dòng)幅值最大，這是由于共振水體在常壓下具有不可壓縮和阻尼比較小的原因。

尾水管水、氣聯(lián)合體共振產(chǎn)生的異常壓力脈動(dòng)最大幅值比單一水體小，與尾水管中氣體空腔的體積有關(guān)；體積越大，空腔的吸收緩沖作用越大，最大值越小，反之亦然。在模型水輪機(jī)中，高部分負(fù)荷壓力脈動(dòng)最大相對幅值可能達(dá)到30%；渦帶頻率的尾水管水、氣聯(lián)合體共振產(chǎn)生的最大相對幅值曾經(jīng)達(dá)到40%。在原型水輪機(jī)中，其他小負(fù)荷區(qū)和大負(fù)荷區(qū)由尾水管水、氣聯(lián)合體共振產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)最大相對值很少有超過20%的。

4、異常壓力脈動(dòng)的其他重要特征

共振工況區(qū)范圍比較小，共振又使壓力脈動(dòng)幅值有很大的升幅，故共振區(qū)內(nèi)壓力脈動(dòng)幅值表現(xiàn)為“陡起陡落”的特征，這也是它最大的外在特征。

在水輪機(jī)流道橫斷面上，異常壓力脈動(dòng)都具有同步特性，這也是對機(jī)組振動(dòng)的影響主要表現(xiàn)在垂直振動(dòng)上的主要原因。