离心泵空化初生的研究范文

《水力发电学报》2016年第五期

摘要：

空化对离心泵的性能有重要影响，而在实际当中，只有在空化处于很严重的情形下才能判断离心泵空化所处的状态。为了能够提前对离心泵空化进行判断，就有必要对离心泵空化初生进行研究。首先采用数值模拟的方法，从理论上找出离心泵发生空化初生点，而后对该离心泵进行空化噪声测试实验，采集空化噪声信号，采用经验模态分解算法（EMD）对空化噪声信号进行分解，找出离心泵空化初生时的信号特征。研究表明，利用EMD算法可以很好地检测到离心泵空化形态的转变，同时实验得到的空化初生点同模拟得到的空化初生点是相一致的。

关键词：

空化初生；数值模拟；空化噪声信号；EMD算法

效率、稳定性和空化性能是评价泵性能的三项指标，其中空化是至今尚未被很好解决的问题。空化是流体机械当中特有的一种现象，当流道中局部液流压力降低至饱和蒸汽压力，液流中就会产生空泡。在泵当中，空化会对泵造成重要的影响，能够破坏流道的材料、引起泵的振动并产生噪声，这些都会影响泵的运转性能以及使用寿命[1-2]。因此，对泵内空化的研究具有重要的意义。空化初生是空化发展的一个很重要的阶段。目前对空化初生并没有明确的定义，但是，严格说来，当流速不变而压强降低（或压强不变流速增加）时流场内极小区域内偶然初次出现微小空穴的临界状态称为空化初生。通常情况下对离心泵空化的判断是很困难的，只有当离心泵空化发展到很严重的状态才能够判断。因此，通过对离心泵空化初生的研究，从而可以较早地发现离心泵中的空泡，继而判断离心泵空化发展的程度。影响离心泵空化初生的因素很多，因此对离心泵空化初生的研究就困难重重[3]。近年来，对空化初生的研究取得了重要的进展。随着计算机技术及计算流体力学的发展，数值模拟方法趋于成熟，因此采用数值模拟方法，选择合理的空化模型对空化进行研究，取得了重要的成果[4]。杨庆等采用数值模拟的方法对突管式后台阶管流的初生空化特性进行了数值模拟，理论分析了空化初生的机理[5]。但是，通过数值模拟得到的结果毕竟与实际情形有一定的差异，由于空化时会产生噪声信号，其中包含空化信号的特征，因此对这些噪声信号进行分析和处理，从而提取出空化的特征，对于研究空化初生具有重要的意义。而目前利用声学的判断标准，建立了空化初生和声压级之间的联系，同时还利用声学方法来判断水泵式水轮机转轮叶片初生的空化的发生，分析并提取出了空化噪声的特征量[6]。

而随着数字信号处理方法的发展，由于小波分析法具有很好的时频特征及局部特性，被称为数学上的“显微镜”，因此将小波分析应用在空化研究当中具有重要的意义[7]。王佳俊等将小波分析法应用在水轮机空化的检测当中，通过研究表明，该方法可以检测到突变信息，能够很好地判断空化发展的程度[8-9]。刘在伦等采用自相关与小波分析相结合的办法对离心泵的入口压力脉动信号进行分析和处理，可对初生汽蚀状态进行定性诊断和定量识别，在此基础上设计了报警系统[10-11]。但在小波变换当中，小波基函数选择不合理就不能保证结果的准确性，且最佳分解层次与信号频率分布有关[12]，需要较为确切的先验知识。因此，为探究离心泵的空化初生，本文首先对离心泵进行空化噪声测试实验，用水听器采集空化噪声信号，采用经验模态分解算法（EMD）对空化噪声信号进行分析和处理，找出离心泵的空化初生点。然后用数值模拟的方法对离心泵进行分析，从理论上找出离心泵的空化初生点。

1空化噪声测试实验

1.1离心泵参数本文研究的对象是清水式离心泵，其基本参数如表1所示。1.2水听器安装由于空化噪声信号具有微弱、成分复杂、且采集较为困难的特征，因此，为了能够有效地采集到空化噪声信号，本实验采用的水听器的型号为RHS-10，灵敏度为−210dB，并采用如下安转方式：（1）在离心泵的进口安装一段有机玻璃管。（2）在有机玻璃管上开孔，使得孔径中心距离离心泵进口距离为85mm。（3）将水听器探头与铜管相连。（4）将带有探头的铜管安装在有机玻璃管径的中心位置，如图1所示。

1.3噪声测试系统简介本实验采用的噪声测试系统是成都泰斯特电子信息公司进行开发的，该系统主要包括水听器、TST6200动态采集系统、笔记本电脑及NoiseA2.10噪声测试软件，如图2所示。该系统可以将水听器收集到的噪声信号输送到TST6200动态采集系统，再将信号输送到带有NoiseA2.10软件的计算机当中进行分析和处理，功能框图如图3所示。

1.4噪声测试过程本次实验的主要过程如下[1,13]：（1）启动实验装置（见图4），并将进出口阀门都开至全开状态。（2）对离心泵进行性能特性实验。保持进口阀门为全开状态，逐渐关闭出口阀门，记录此时的相关参数。（3）保持进口阀门为全开状态，关闭出口阀门，使得流量计的读数为设定流量工况下（做3个流量工况，100m3/h、92m3/h、80m3/h），保持约5min后，测量此时的大气压及水温，并记录。再用相机对准有机玻璃拍照，记录此时的水流形态。（4）利用NoiseA2.10噪声测试系统（采样频率为1MHz，采样长度为32k/帧，保存帧数10帧，参数可修改）连续采集10次，保存此时的信号。并同时测量此时的流量，离心泵的进出口压力，转速，转矩10次。（5）逐渐关闭离心泵的进口阀门，诱发离心泵发生空化，调节出口阀门，保持流量计的读数为设定流量工况下。重复上述3，4步骤，测量并记录各个工况下所对应的参数以及采集噪声信号。改变实验工况，重复上述实验步骤，测量并记录实验数据。

1.5绘制离心泵的性能曲线

1.5.1绘制离心泵的性能特性曲线根据上述实验测得的相关参数，利用下式计算离心泵的扬程、轴功率及效率，并绘制离心泵的性能特性曲线（见图5）。

1.5.2绘制离心泵的空化性能曲线利用下式计算离心泵的汽蚀余量，绘制实验条件下离心泵的空化性能曲线，如图6所示。

2空化噪声信号的EMD分解

2.1EMD算法基本思想EMD算法的基本步骤如下[14-15]：（1）提取信号X的所有局部极值点，对所有的局部极大(小)值用插值函数形成数据的上(下)包络线，用emax（emin）表示。

2.2对空化噪声信号特征进行统计采用经验模态分解算法（EMD）对三个流量工况下测得的原始信号进行自适应分解,由于所有的信号经过EMD分解后，最明显的特征就是各个分量当中都有数量不同的突变脉冲分量。为了探究这些脉冲分量与空化之间的关系，因此，取IMF分解分量的前3个分量（分解分量1，分解分量2，分解分量3），并对每个分量做阈值处理（取分量信号最大值的1/3为比较值，大于其比较值的保留，否则置0），统计脉冲的数量。从图7中可以看出，随着空化的严重，空泡越来越多，因此产生的突变信号就越多，也就是说随着汽蚀余量逐渐减小，突变信号的数量应该逐渐增多。根据统计分析可知，只有分解分量1的结果是符合机理分析的。图8~图10为三个流量（80、92、100m3/h）下统计到的脉冲信号随着汽蚀余量的关系曲线，其中横坐标为汽蚀余量，纵坐标为脉冲个数的相对值（num/max_num）。其中，粉红色曲线是该流量下，经过阈值处理后统计得到的脉冲相对个数随汽蚀余量的变化关系曲线，蓝色曲线和红色曲线是对粉红色曲线进行分段拟合得到的，蓝色曲线是采用多项式拟合，红色曲线采用的是指数拟合方法，绿色曲线是在红色曲线的基础上进行延伸得到的，经过这样的处理，计算得到的脉冲个数同汽蚀余量之间的关系和实测得到两者之间的规律是相一致的。可以发现，三幅图中曲线都表现出了相似的规律，现取流量为100m3/h时的统计结果进行分析。从图10中可以得知，当汽蚀余量为5.99m时，脉冲信号的数量基本为零。随着汽蚀余量的减小，也就是说空化越来越严重，脉冲信号的数量逐渐增多。从临界汽蚀余量为3.20m开始，随着汽蚀余量的继续减小，检测到的脉冲信号的数量急剧增加，到汽蚀余量为2.16m达到最大值；从2.16m开始，随着汽蚀余量的减小，脉冲信号的数量急剧下降。对结果进行分析：当汽蚀余量为5.99m的时候，从图7可以看出，此时没有明显的气泡产生，说明此时离心泵没有发生空化或者发生了轻微的空化，所以此时脉冲信号的数量很少。然而，随着空化逐渐严重，汽蚀余量继续降减小，脉冲信号的数量继续增加，只是较为缓慢，所以此时离心泵的扬程并没有下降。当汽蚀余量从临界汽蚀余量开始减小时，此时脉冲信号的数量急剧增加，这是由于当汽蚀余量继续减小时，产生了大量的空泡，此时从有机玻璃管中可以观察到，这些空泡的溃灭导致了脉冲信号数量的增加（见图7）。而后随着空化现象的加剧，产生了更多的气泡，但是这些气泡会将其它气泡溃灭时产生的能量散射掉[16]，因而此时测得的脉冲信号的数量没有增多反而减少了。根据文献[8,9,17]，得到的结果符合理论分析的结果。

3离心泵空化数值模拟

3.1离心泵的三维建模及网格划分根据离心泵转轮参数，利用三维建模软件UG对该离心泵进行三维全流道建模，然后将建好的模型导入ICEMCFD软件当中进行网格划分，如图11、图12所示。

3.2离心泵空化数值模拟结果在对离心泵进行空化数值模拟过程中，本文采用的湍流模型为RNGk-模型，边界条件采用速度进口（velocity-inlet）和压力出口（pressure-outlet），多相流模型选用Mixture模型，空化模型选用Schnerr-Sauer模型，采用SIMPLEC算法，近壁处理采用标准壁面函数法（standardwallfunction），考虑离心泵的沿程阻力损失，对离心泵进口段和蜗壳段的壁面粗糙度取为2mm，对转轮壁面粗糙度取为1.5mm。计算工况选择的是80、92、100m3/h。根据式（1）计算离心泵的汽蚀余量值，然后绘制离心泵的空化性能曲线，如图13所示。分析可以得知，在三个流量（80、92、100m3/h）工况下，汽蚀余量分别为10.28、10.32、11.02m时，观察到离心泵的叶片上刚刚出现了轻微的汽蚀，分析可以得知，在三个流量（80、92、100m3/h）工况下，汽蚀余量分别为10.28、10.32、11.02m时，观察到离心泵的叶片上刚刚出现了轻微的汽蚀，如图14所示。因此可以认为此时在该流量下离心泵发生了空化初生[3]。

4对数值模拟结果进行验证

由于在实验过程中，三个流量工况下测得的最大汽蚀余量值分别为6.83、6.36、5.99m，而通过数值模拟得到的初生汽蚀余量值分别为10.28、10.32、11.02m，因此本文采用指数拟合的方式对初生空化进行了预测，如图8~图10中的绿色线条。分析表2可知，当汽蚀余量值分别为模拟得到的初生汽蚀余量时，统计得到的脉冲信号数量的相对值分别为0.00012、0.00011、0.00025，在此基础上可以算出此时各汽蚀余量对应的绝对脉冲个数分别为0.26、2.45、0.52个。可以看出，3个流量工况下，所检测到的绝对脉冲的个数均小于3个。根据文献[3]，以35个尖峰可以作为判断空化初生的标准。因此，可以认为此时离心泵发生初生空化，也就是说实验值和模拟得到的结果是一致的。以上分析还可以得出，当汽蚀余量为5.99~11.02m时（流量为100m3/h），也就是图10当中的绿色线条部分，离心泵刚开始空化，可以将此阶段定义为离心泵空化的形成阶段。而当汽蚀余量减小到出现最多脉冲信号时，可以将此阶段定义为空化的发展阶段，如图中的红色线条所示。而后当汽蚀余量继续减小时，此时离心泵空化已经很严重，导致离心泵的性能急剧下降，可以将此阶段定义为空化严重阶段，如图中的蓝色线条所示。综上所述：采用经验模态分解算法对空化信号进行检测，不仅可以检测出离心泵空化形态的转变，而且还可以定量地判断离心泵的空化初生。

5结论

本文针对离心泵，首先进行了空化数值模拟计算，得到了离心泵的空化初生点所对应的汽蚀余量值；而后对该离心泵进行了空化噪声测试实验的研究，采用EMD算法对空化噪声信号进行了分析，最终得出如下结论：（1）通过对空化噪声信号进行经验模态分解可以得知，该方法可以在强背景噪声信号中有效地检测到突变脉冲分量，这是空化发生时的信号特征。（2）通过对经验模态分解结果中的突变脉冲分量进行统计，可以得知，只有分解分量1中的突变脉冲信号的数量符合机理分析结果。（3）利用EMD算法对离心泵空化噪声信号进行分析和检测，该方法可以很好地反映离心泵空化发展的过程以及离心泵空化形态的转变。（4）数值模拟得到的空化初生同实验预测到的空化初生是相符合的，也就是说利用该方法可以定量地预测空化初生，这也说明数值模拟得到的结果是正确的。

作者：卿彪 任建军 宋晓飞 单位：国网四川省电力公司映秀湾水力发电总厂 四川华润鸭嘴河水电开发有限公司