混流泵压力脉动特性及其对流动诱导噪声的影响

为了研究不同工况下混流泵内部压力脉动特性及其对流动诱导噪声的影响,基于RANS方程和SST k-ω湍流模型,对混流泵进行非定常数值计算,在此基础上取叶片表面非定常压力脉动作为声源,采用间接边界元法对由叶片旋转偶极子源所引起的外场噪声进行数值计算。结果表明:混流泵叶轮进出口处的压力脉动幅值均是沿着轮缘到轮毂逐渐减小,叶轮进口处压力系数的最大值是出口处的2倍;沿着蜗壳周向,隔舌部位处压力脉动最为剧烈,随着监测点的位置远离隔舌,其压力脉动情况逐步改善;不同工况下,混流泵内各处的压力脉动主频均保持叶片通过频率不变;混流泵叶轮和蜗壳之间的动静干涉作用是引发流动诱导噪声的主要原因;流动诱导噪声的主频是由压力脉动主频以及泵体结构的固有频率综合决定的;不同工况下,混流泵内部压力脉动程度越强,该工况对应的流动诱导噪声辐射水平越强。该文对混流泵机组的稳定运行以及流动诱导噪声的控制提供了参考。     

一种适用于非平稳、非线性振动信号分析方法研究

Hilbert-Huang变换(HHT)被认为近年来信号分析领域的一大突破。适用于非平稳、非线性信号分析。从往复机械上得到的振动信号往往具有非平稳、非线性特征,因此采用HHT方法分析是一种较佳的选择。然而,该方法提出不久,并不能用一个解析公式表示,影响了对其理论分析及性能评价。建立一多分量仿真信号,并应用HHT、傅里叶变换、小波变换、时频分布对其分析比较,证明它具有较高的分解效率及准确地刻画信号的能力,并由此发展了能消除多分量信号交叉干扰项的时频分析方法。应用HHT对内燃机敲缸信号进行分析,有效地提取故障的特征信息,为往复机械的状态监测及故障诊断提供了一条有效途径。     

前置导叶调节混流泵性能的数值模拟

利用有限元分析软件数值求解不同工况下混流泵的内部流场,了解前置导叶调节工况的基本规律,以改善混流泵在非设计工况运行时的水力性能。在叶轮叶片进口部位读取液流流入叶轮时绝对液流角、相对液流角、和绝对速度圆周分量的值,分析其随前置导叶安放角改变而变化的规律。结果表明,叶轮进口绝对液流角小于前置导叶安放角,流量越小相差的幅度越大;大流量工况下进口预旋调节的效果比小流量工况更为明显;在一定流量范围内,通过进口导叶调节使得叶轮进口液流满足无冲击进口或者较小冲角进口条件,可有效地改善混流泵在非设计工况的水力性能。     

基于准稳态假设的混流泵启动特性分析

为了研究混流泵启动过程的准稳态性能,该文以瞬态外特性试验性能参数为依据,获得了混流泵准稳态计算的外特性曲线和无量纲扬程瞬态性能曲线,通过对3种转速下的压力场、速度矢量分析,总结出准稳态计算混流泵内部流动的一般性规律并与粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)测量的瞬态内部流场进行对比。研究发现,准稳态计算扬程呈现直线上升趋势,并随着体积流量的增大逐步偏离试验扬程;3种转速下泵内压力具有相同的分布趋势,叶轮进口截面相对速度矢量近似满足相似定律,并在低转速下出现大尺度的叶顶泄漏涡。与无量纲瞬态性能一致,瞬态PIV测量结果呈现出明显不同于准稳态工况的瞬态效应:在0.75 s时准稳态计算中叶顶泄漏明显,在外缘形成泄漏涡和进口边回流,而瞬态PIV测量中端壁区边界层正从层流向湍流发展;在1.07 s时准稳态计算中叶轮进口速度分布较为均匀,而瞬态PIV测量中流体在惯性力作用下呈现从轮毂向轮缘运动的趋势,卷吸效应较为明显;在1.35 s时准稳态计算结果与1.07 s时的速度场分布较为相似,而瞬态PIV测量中加速的卷吸效应更为显著,外缘高速流动区域随着转速的增加不断增大。该研究可为考证准稳态假设方法的准确度和揭示混流泵启动过程瞬态内部流动特性提供参考。     

基于Hilbert-Huang变换的生物触电电流检测模型

为了检测触电时刻剩余电流中生物体触电支路电流信号的难题,应用Hilbert-Huang变换方法,确定了生物触电时剩余电流的固有模态函数中相关系数最大的IMF分量的局部幅值达34.02 m A,且与原信号相关性系数达到0.99,同时剩余电流与触电电流暂态过程频谱特性具有相似变化规律。以此为基础,应用生物电流信号高频IMF分量幅值的突变特征,作为触电故障时刻确定判据,建立生物触电故障时刻判定方法,实际数据的仿真处理正确率为94.17%;筛选剩余电流分解的相关性较高的有限个数的低频固有模态IMF分量,应用逐步多元线性回归方法,提出基于剩余电流固有模态分量的生物触电支路电流幅值检测方法,仿真试验结果的平均相对误差值5.46%,具有良好的适应性和实用性,为研发基于生物体触电电流而动作的剩余电流保护装置提供参考。     

基于自身振动信号的液压泵状态监测及故障诊断

为了获得液压泵状态监测及故障诊断的特征信息来进行液压泵的状态监测和故障诊断,通过使用短时傅立叶变换来处理非平稳信号以获得液压泵泵壳振动功率谱,并建立了具体故障诊断监测系统。以ZB轴向柱塞泵的故障诊断为例,验证了利用振动功率谱分析法进行液压泵现场状态监测及故障诊断是一种行之有效的方法。     

叶片包角对离心泵流动诱导振动噪声的影响

为研究叶片包角对离心泵流动诱导振动噪声的影响,以一台单级单吸离心泵为研究对象,保持泵体和叶轮其他几何参数不变,将叶片包角从115°分别改为110°、120°和125°。基于离心泵流动诱导振动噪声的试验测试系统,在离心泵闭式试验台上测量了不同叶片包角模型泵在不同流量下的振动和噪声信号并对其进行了处理和分析。试验结果表明:模型泵内部流动诱导的振动对泵体的影响最大,包角为125°时模型泵的振动强度相对较弱;随着叶片包角的增加,泵进口法兰测点a1和泵出口法兰测点a2处振动强度大致呈先增加后降低的趋势,泵体测点a3和泵脚测点a4处的振动强度无明显变化规律;在不同流量工况下,随着叶片包角的增加,模型泵噪声信号的轴频峰值呈先增加后减小的变化趋势,而叶频能量峰值变化较为复杂。该研究可为低振动低噪声离心泵的水力优化设计提供参考。     

环量分布对基于反问题设计的混流泵优化结果的影响

为定量研究叶轮出口环量分布对导叶式混流泵优化结果的影响,该研究在试验验证数值模拟准确性的基础上,以反问题设计为基础,结合最优拉丁超立方抽样法,径向基神经网络模型和多岛遗传算法,以0.8Qdes、1.0Qdes和1.2Qdes处泵段加权效率为优化目标（Qdes表示设计流量）,以1.0Qdes处扬程变化小于3%为约束条件,在自由涡设计（叶轮出口环量恒定分布）和强迫涡设计（叶轮出口环量线性变化）两种不同方案下分别对比转速为511的导叶式混流泵叶轮进行参数化优化,并对优化结果进行对比分析。研究结果表明：以轮毂处环量值作为翼展方向环量分布控制参数,结合连续性方程、能量方程和径向平衡方程,对叶轮出口处环量分布进行计算是可行的;局部敏感性分析表明环量控制参数对优化结果具有较大影响,在优化设计中应该被考虑;自由涡设计优化结果的加权效率为84.14%,而在强迫涡设计中该加权效率为85.08%,且两者扬程均满足约束条件,内流分析表明强迫涡设计中效率的提升主要由叶轮出口附近流态的改善引起。研究结果可为同类型涡轮机械的优化设计提供参考。     

利用缸盖振动信号检测发动机功率的试验研究

用发动机缸盖的振动信号进行了发动机功率检测试验。基于LabVIEW建立的虚拟仪器系统,运用加速度传感器测定了发动机从怠速急加速到高速过程中的缸盖振动信号,对发动机怠速段、高速段的振动信号进行了频谱分析,同时对比分析了低频振动信号与发动机转动时测得的脉冲信号。结果表明,发动机缸盖振动加速度信号中低频振动信号的周期与发动机转动周期有确定的对应关系,用低频振动信号峰值点可以分离出发动机的转速,从而可根据无负荷测功角加速度原理得出发动机不同转速下的有效功率值,因此利用发动机缸盖振动信号进行功率检测的方法是有效可行的。     

基于传递熵的泵站管道振动传递路径特性分析

泵站管道因结构复杂,产生多种振源,且振动的传递路径难以确定,对输水管道的安全运行具有较大威胁。针对此问题,以某泵站管道为研究对象,结合原型观测数据与传递熵方法识别主振源的振动传递路径;并以信息传递率为定量标准,验证管道振动传递路径的有效性。结果表明：稳定运行及开机时,叶频引起的振动为主振源,并由弯管或三通管处向其他部位传递,其信息传递率均值分别为27.2%与42%;关机时,水流脉动及管-水耦合引起的振动为主振源,且振动主要在阀门与弯管或三通管之间呈周期性传递,信息传递率均值为51.4%;稳定运行时信息传递率较低,表明在镇墩控制下,管道稳定运行时传递能量较少,但开关机时,管道阀门、弯管及三通管处仍有较大振动能量传递。本研究方法受管道结构影响较小,能准确识别管道主振源,且从能量角度识别振动传递路径,相较于传统方法更加高效、直观。研究结果有助于准确识别泵站管道主振源的振动传递路径,展现管道各工况下的危险部位,并提出减振措施,为泵站管道运行管理提供理论依据。     

斜流泵叶轮水力径向力的数值模拟与试验验证

该文采用数值分析法研究了斜流泵叶轮的水力径向力变化规律,通过数值模拟准确地预测了斜流泵的水力性能,扬程预测误差在4.4%以内。通过数值分析获得了斜流泵叶轮的瞬态水力径向力数据,均匀进口条件下,叶轮的瞬态水力径向力均值几乎为零。对瞬态水力径向力进行傅里叶分析,获得其在频域内的分布,结果显示,当工况从0.6倍设计流量点变至0.4倍设计流量点时,1倍和4倍轴频下的径向力突然增大,叶轮的水力不平衡和动静干涉中的叶片通过激励增强了上述频率下的水力径向力数值。流场分析显示,在小流量工况时,叶轮与导叶体之间的回流涡旋完全占据了泵内流道空间。进一步的压力脉动分析证实,在小流量工况下,动静干涉中的叶片通过激励显著增大了叶轮与导叶之间测试点的压力脉动幅值。     

导叶式混流泵多工况内部流场的PIV测量

为研究不同流量工况下混流泵内部流动特性,该文基于粒子图像测速技术(particle image velocimetry)对0.8、1.0、1.2倍流量工况下混流泵的内部流场进行试验研究,测量获得了混流泵叶轮进口轴截面、叶轮与导叶间隙和导叶内部流场的速度场分布,分析了流量变化对混流泵内部流动的影响。研究结果表明,外特性试验重复性较好,试验结果较为可靠。3个工况下混流泵叶轮进口流场的速度分布趋势基本一致,进口的来流基本沿着轴线方向;随着流量增加,叶轮进口速度不断增大,最大速度达到7.49 m/s,从轮毂到轮缘高速区域速度梯度更为明显,速度等值线分布逐渐形成以左上角为圆心,不断向周围递减的趋势。受动静干涉作用影响,叶轮与导叶间隙流场速度分布较为紊乱,在导叶进口边轮毂附近形成逆时针方向旋涡,诱使叶轮出口流体向外缘侧偏转;随着流量增加,逆向旋涡明显减小,内部流动更趋于平稳。动静干涉效应进一步影响导叶进口流场并形成明显的旋涡结构,造成流道堵塞;在导叶出口由于环形蜗室的影响形成大尺度旋涡结构;随着流量增大,导叶外缘高速区向下游移动,导叶进出口的旋涡结构逐渐消失,流动损失减小。研究成果为揭示混流泵内部流动特性和优化混流泵设计提供参考。     

混流泵启动过程压力脉动特性试验

为研究混流泵启动瞬态过程规律,建立了混流泵启动过程瞬态外特性和压力脉动测量系统,探究不同启动时间和不同流量下瞬态压力脉动的时频特性。通过变频器设置启动时间,分别采用LWGY-250型涡轮流量计和MPM480型压力传感器进行瞬态流量和瞬态压力测量,并基于小波变换对启动过程的非平稳压力脉动信号进行分析。研究结果表明,在启动过程中,随着泵转速增加,流量和扬程曲线均可近似分为缓慢上升、快速上升而后缓慢趋于稳定3个阶段,且每个阶段完成时间均与启动时间长短呈正相关。启动结束时刻,由角加速度与低工况运行共同引起的压力冲击现象与流量大小和启动时间有关。流量一定时,启动时间越短,压力冲击越显著;启动时间一定时,流量越大,进口压力冲击越小甚至消失,而叶轮中部与出口的压力冲击愈加明显;1 s启动且稳定工况为1.2倍设计流量时,叶轮中部与出口的最大冲击压力值分别可达37和28 kPa。对于快速启动,流量对启动过程瞬态压力变化无影响,在启动结束后流量对压力变化影响开始显现,当压力趋于平稳时,2种不同流量下叶轮中部的压力差约为30 kPa;对于慢速启动,流量对启动特性的影响在启动过程便有明显体现,在启动结束时刻,叶轮中部和出口的压力峰值均下降15 kPa。启动过程中,叶轮主频为叶频及其倍频,其变化趋势与转速变化一致。快速启动条件下,在启动结束时刻主频压力幅值存在由压力冲击造成的极大值。研究成果可为揭示瞬态运行特性及优化、设计瞬态工作水泵提供参考。     

变流量工况对混流泵转子轴心轨迹的影响

为了研究不同工况下转子的振动状态,该文基于本特利408数据采集系统对0.8、1.0、1.2倍设计流量工况下混流泵的轴心轨迹进行试验研究,测量获得了转子原始轴心轨迹和时域图,分析了轴心轨迹分解提纯后的一倍频和二倍频轴心轨迹及其时域图,绘制了不同流量工况下的频谱瀑布图。研究结果表明,流量工况的改变影响了转子系统的不平衡量和不对中程度,并且随着远离设计流量点,不平衡量引起的轴系工频振动和不对中引起的水平方向振动不断加剧,在小流量工况下水力激振对轴系振动的影响出现峰值,0.8倍设计流量工况下的一倍频轴心轨迹波动幅值相比设计流量点增加了1.35倍。结合频谱分析,随着流量工况偏离设计流量点,工频振动是加剧轴系振动的主要分量,二倍频次之,其他倍频对轴系振动影响程度较小。该研究对于混流泵多工况下的稳定运行和降低振动故障的恶化提供了参考。     

不同叶顶间隙对斜流泵性能影响的数值分析

斜流泵具有高效,启动特性好,运行工况宽等特点。目前斜流泵设计时,无法定量评估叶顶间隙对性能影响的敏感性。为了揭示不同叶顶间隙值对斜流泵内部流场和性能的影响,给定叶顶间隙选取的范围。分别选取无叶顶间隙和叶顶间隙分别为0.5,1.0,1.5 mm共4种设计方案的斜流泵为对象,基于剪切压力传输模型(shear stress transport,SST k-ω)湍流模型,SIMPLEC算法与块结构化网格,对斜流泵内部流场进行数值模拟和试验验证。结果表明,叶顶间隙为0.5 mm时,可以有效抑制斜流泵的扬程-流量正斜率特性,此时斜流泵的效率值最高;无叶顶间隙时,斜流泵扬程-流量正斜率特性较为明显;叶顶间隙为1 mm时,数值模拟与试验结果吻合较好,SST k-ω模型可较好模拟斜流泵叶顶间隙区流动特征,性能预估结果具有一定的可信度。在小流量工况下,叶顶间隙为0.5 mm可有效抑制斜流泵的正斜率不稳定特性。小叶顶间隙0.5mm时,斜流泵水力性能最优;叶顶间隙增大时,叶顶泄漏流动逐渐显著,叶轮出口近壁区轴面流速和涡量分布规律显著变化,表明叶顶间隙直接影响叶轮轴面速度分布规律和叶片负荷分布规律,由于受壁面摩擦阻力和液体黏滞阻力的影响,叶轮轮毂和叶顶间隙侧的叶轮轴面速度较小;叶顶间隙增大时,叶轮轮毂和叶顶间隙侧叶片负荷急剧衰减,影响叶片的做功能力。同时,叶顶泄漏流动区域与叶片主流区域的掺混效应,使叶片轮缘的低速区扩展到叶轮流道内部的主流区域,引起叶轮流道内部主流流动的堵塞效应,产生二次流动、漩涡等流动不稳定现象。上述研究结果,揭示了叶顶间隙对斜流泵内部流场和性能的影响机理,为斜流泵叶顶间隙的选择提供了理论依据。