离心泵的压力脉动研究进展

２００８年第３６卷第０９期　流体机械　３３　文章编号：１００５－－－０３２９（２００８）０９—００３３—０５　

离心泵的压力脉动研究进展　刘阳。袁寿其。袁建平　（江苏大学，江苏镇江２１２０１３）　

摘要：对离心泵的压力脉动进行了较为全面的阐述，总结出离心泵内压力脉动随工况的不同，表现为三类不同的压　力脉动：随机脉动、叶频倍频脉动、轴频倍频脉动；分别从动静干扰、二次流和汽蚀方面阐述了压力脉动的研究现状；介绍　了压力脉动在高效点的快速测定，汽蚀监测及故障诊断和故障预防等方面的应用情况。压力脉动的研究将为今后更精　确地预测非定常流动诱发压力脉动提供理论依据。　关键词：离心泵；压力脉动；叶频倍频；轴频倍频　中图分类号：ＴＨ３１１　文献标识码：Ａ　

Ｏｖｅｒｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　Ｐｕｍｐ　ＬＩＵ　Ｙａｎｇ，ＹＵＡＮ　Ｓｈｏｕ－ｑｉ，ＹＵＡＮ　Ｊｉａｎ－ｐｉｎｇ　（Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ　２１２０１３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　ｐｕｍｐｓ　ｉｓ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｉｔｓ　ｆｏｒｍｓ　ｉｓ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｙｐｉｃａｌ　ｔｈｒｅｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｒａｎｄｏｍ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ，ｂｌａｄｅ—ｐａｓｓｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｔ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｏｔａｔｉｏｎ　ｆｒｅｑｕｅｎｔ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ；ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｒｅ—　ｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｒｏｔｏｒ·ｓｔａｔｏｒ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ，ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｆｌｏｗ　ａｎｄ　ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ；ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ　ｍｅｎｓｕｒａｔｉｏｎ　ａｔ　ｂｅｓｔ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｐｏｉｎｔ，ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ａｎｄ　ｆａｕｌｔ　ｄｉａｇｎｏｓｉｅ　ａｎｄ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｉｎｔｒｏ—　ｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｏｒｙ　ｂａｓｉｓ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｇｉｖｅｎ　ｔｏ　ｆｏｒｅｃａｓｔ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｕｎｓｔｅａｄｙ　ｆｌｏｗ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ　ｐｕｍｐ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ；ｂｌａｄｅ—ｐａｓｓｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｈａｒｍｏｎｉｃｓ；ｒｏｔａｔｉｏｎ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｈａｒｍｏｎｉｃｓ　

１　前言　离心泵主要用来在某一流量下产生一个稳定　的压力差以达到输送介质的目的，理想的流量与　扬程曲线给人的感觉是在某一流量点扬程是静态　的。事实上，泵在产生静态压力分量的同时还产　生动态压力分量，也就是压力脉动。压力脉动象　交流信号一样叠加在静态压力分量上。　离心泵内的压力脉动是极其复杂的，不同的　离心泵可能表现不同种类的压力脉动，即使对同　台离心泵，当处于不同工况时也可能呈现不同　性质的压力脉动。因此，离心泵内压力脉动的定　收稿日期：２ｏｏ８—Ｏ２—ｏ２　基金项目：　国家自然科学基金项目（５０６４９０２９）　义必须包含随机脉动和周期脉动两种。设Ｐ为离　心泵内某点的压力，若对于任意的时间ｔ和充分　１　一＋ｒ　大的周期　，有平均压力Ｐ＝　ｆ　Ｐ　基本不随　１　Ｊｔ　时间而变化。令Ｐ　＝Ｐ—Ｐ，则Ｐ即为离心泵内某　点的压力脉动。这些压力脉动是由叶轮进出口回　流、汽蚀等非期望的流动特性形成的。　离心泵工作过程中，一定后缘厚度、一定数量　的叶片会产生离散频率的压力脉动。而且偏工况　时的脱流所引起的紊流，也会产生宽频带的压力　脉动。宽频带的和离散频率的压力脉动都和进　口、叶轮、静子（导叶或蜗壳）的水力设计有复杂　ＦＬＵＩＤ　ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ　Ｖｏ１．３６，Ｎｏ．０９２００８　

的关系。至今没有一个精确的理论来预测压力脉　动的大小。　

２压力脉动的分类　对于液体至少有两种不同性质的压力脉动：　不考虑压缩性的压力脉动，为紊流脉动；不考虑粘　性的压力脉动，为脉源脉动。　水泵内紊流脉动基本上应是随机信号，而脉　源脉动中却包含有规律信号，这一点通过认识流　体在作规律性周期转动的泵转子内的流动不难看　出。因此，不能贸然地说水泵内的压力脉动是随　机信号或是有规律信号，而且对不同种类的泵在　不同工况工作时所显示的性质可能大不相同。　当工况点不同时泵内的压力脉动表现为两种　不同的形式：一种是混有周期信号的随机信号，还　有一种是周期信号。就泵内压力脉动的成分而言　则可以分为三类：一种是频率接近于白噪声的随　机脉动，这种脉动可以认为是随机因素所引起的；　种是频谱为叶频倍频的规律性脉动，这种脉动　可以认为是由于某种固定的因素所产生的，称为　叶频倍频脉动；还有一种是频谱为轴频倍频的规　律性脉动，称为轴频倍频脉动…。　３压力脉动研究现状　３．１　动静干扰引起的压力脉动　叶轮和压水室产生干涉，并在叶轮下游产生　压力脉动。叶轮和导叶之间径向间隙很小时，这　种压力脉动的大小可能达到泵内总压的水　平　川。　Ｄｒｉｎｇ等指出动静干扰的两个直接机理：势流　作用和尾流作用　］。在转动的叶轮和静止的导　叶间的相对运动引起的非粘性流产生了势流的效　果；尾流来自于叶轮段，并向着导叶运动，会产生　冲击和对流　￣８＿，比势流作用更加复杂。　Ｉｉｎｏ和Ｋａｓａｉ测试了离心泵内的叶片压力脉　动，揭示了流量和叶片／导叶角度是引起脉动的主　要原因，并给出泵内的基本频率　。Ａｍｄｔ等测　试了二维离心泵的压力脉动，发现最大压力脉动　出现在导叶出口，其大小与导叶数和导叶的角度　密切相关¨。’“］。Ｗａｎｇ等实验研究了导叶内的压　力脉动，并得出其主要频率的压力脉动出现在非　设计点时以及叶频（Ｂｌａｄｅ　Ｐａｓｓｉｎｇ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，简称　ＺｉＮ）倍频处¨　”ｊ。何秀华在多级泵的实验基础　上，探讨了压力脉动的产生机制，指出叶频压力脉　动取决于泵的水力设计；轴频压力脉动取决于动　静干扰等因素　Ｊ。　徐朝晖采用三维ＲＮＧ湍流模型，及滑移网格　技术建立动静交界面，对高速离心泵中的动静干　扰引起的非定常湍流场进行了计算，并分析了流　体诱发的压力脉动特性¨　。Ｆｏｒｔｅｓ—Ｐａｔｅｌｌａ等　应用重叠网格和相位滞后的周期边界条件，对蜗　壳泵内叶轮和蜗壳的动静干扰进行了二维非定常　计算¨　。Ｓｈｉ采用ＣＦＤ技术对导叶泵内叶轮下　游的压力脉动进行模拟　１９，２０￣。把其结果和实验　数据及奇点分布法的理论分析结果进行对比分　析，得出导叶压力脉动的频率主要出现在叶频倍　频（ＺｉＮ，２ＺｉＮ和３ＺｉＮ）处；尾流对导叶的冲击引　起叶轮导叶之间的干涉。Ｑｉｎ和Ｔｓｕｋａｍｏｔｏ分别　用奇点分布法和ＲＡＮＳ模型计算了导叶泵内的叶　轮一导叶干涉引起的非定常流和得出了叶轮下游　的压力脉动　。把两个结果进行对比来区别不　稳定压力中的势流作用，从而确定了不同来源的　压力脉动。所有这些结果都对泵内的叶轮一导叶　干涉的研究做出了一定的贡献，但是，还不能精确　地预测引起叶轮一导叶干涉的非定常流。　涡方法因为它的无网格性所以适合应用在复　杂几何体内流动。因此，可以用它来计算导叶泵　内复杂的非定常流的压力脉动。而且，发展涡场　的拉格朗日表示法很适合移动的边界层，对于无　惯性参考系来说无需控制方程的转化。Ｚｈｕ用涡　方法对额定流量下的动静干扰引起的压力脉动进　行了计算，但是在改变工况点时这种方法就不适　用了　。Ｗａｎｇ所用的涡方法可在变工况点时应　用，在动静干扰问题上用边界集成方法引出一个　能改进非稳定压力评估的新方法　２　Ｊ。采用　Ｐｅｔｒｏｖ—Ｇａｌｅｒｋｉｎ方法（满足整机的边界条件）计　算了导叶泵的动静干扰引起的压力脉动。　３．２二次流引起的压力脉动　离心泵叶道内尾迹区域的存在与发展同二次　流动有密切的关系，尾迹区域主要是叶片表面低　能流体径向流动形成的。在叶片前半段，由于叶　顶泄漏涡强烈影响，尾迹区基本停留在机壳／吸力　边附近，而在后半段，由于哥氏力的影响及叶片涡　的衰弱，尾迹区逐步向通道中部移动　。　Ｋｅｌｄｅｒ等对一低比转速离心泵蜗壳内的非定　常流动进行了理论分析和试验研究　。实验应　２００８年第３６卷第０９期　流体机械　３５　用静止的ＬＤＶ进行测量，得到的仍然是蜗壳内的　时均速度场和静压场。对流场的理论分析是采用　带有粘性修正的三维非定常势流模型进行全三维　有限元计算，而且认为这种模型作为一种设计工　具——在设计点附近比一般的湍流计算方法　（Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ方程加湍流模型）更适合。分析　计算了在设计点由二次流引起的压力脉动。即使　是在设计点附近，由二次流引起的压力脉动已经　达到了静态扬程的一半还要大，由此说明了离心　泵内部非定常流场引起的压力脉动的强度。　Ｋａｄｏｔａ对前向多翼式风机复杂的全粘三维流　动现象进行试验与数值模拟研究　。认识到风　机叶片流道中的流型对降噪的重要性，采用火花　追踪技术可视化地研究了叶片流道横截面中的流　型。吕伟领等用粒子图像速度场仪技术对叶片尾　迹区及蜗壳出口横截面上的二次流做了详细的变　工况测量与分析　。得出：叶片尾迹区脉动强度　达２０％一７０％；在设计工况附近叶片尾迹影响区　域小，在非设计工况下叶片尾迹影响区域大，尾迹　区域占到蜗壳径向宽度的１５％一２５％，约是叶片　弦高的２～３倍；在蜗壳横截面上明显存在二次流　旋涡；沿着蜗壳旋出方向二次流对称分布，但是到　达出口时，小流量下两侧旋涡结合成一个旋涡，大　流量下两侧旋涡一直保持到蜗壳出口。Ｋａｗａｇｕ．　ｅｈｉ在Ｋａｄｏｔａ的基础上开展研究，测量了叶片表　面的压力脉动，指出轮盘与轮盖之间流动的非均　匀分布是引起叶片表面压力脉动升高的原因，并　导致高的湍流噪声　。　３。３汽蚀引起的压力脉动　离心泵的汽蚀状态会导致离心泵内部压力的　波动　。　汽蚀初生时，泵的人口流动由单相流变为　气一液两相流，所引起的初生汽蚀云会产生自激　压力振荡，具有低频特征，但泵吸液腔内的气泡溃　灭脉冲分量很小。当泵吸液腔的初生汽蚀云进入　压液腔时由于气泡的凝结或溶解有个过程，所以　泵的出口短距离内也会变为两相流，同样也会产　生一种低频脉动，而且因出口压力较高，汽蚀严重　时，将产生大量的高频气泡溃灭脉冲成分。对确　定的液压系统而言，当其工作压力和温度一定时，　则这两种脉动分量的相对强弱关系就仅随汽蚀程　度的变化而变化　。当汽蚀发生时，流体压力表　现出一种高幅低频脉动现象，且低频脉动频率不　受汽蚀发展程度的影响Ｉ３　］。　周华等通过试验得出低频压力脉动是汽蚀发　生的伴生现象　。当液压泵正常工作时，出口压　力的基础脉动是由泵本身的工作特性决定的；当　泵汽蚀初生时，出口压力脉动出现低频分量；当泵　汽蚀现象严重时，出口压力脉动高频分量增强。　泵人口真空度的增加，将导致压力信号脉动　时域特征量的增加。泵人口真空度的增加，将导　致压力脉动信号频域特征量呈先下降后上升趋势　（汽蚀严重时，高频能量增加）。压力脉动信号时　域特征量对泵汽蚀初生反应敏感　。　综上所述，目前国内外研究主要集中在单纯　的非定常流场压力脉动的实验和数值模拟上，而　忽略了其与结构动态应力的相互作用及影响。