單法蘭差壓變送器壓力脈動(dòng)及其誘導振動(dòng)研究進(jìn)展

摘要：文章綜述了近十年來(lái)我國大功率單法蘭差壓變送器工質(zhì)流動(dòng)結構、特別是非定常流動(dòng)特性與壓力脈動(dòng)之間的關(guān)系，以及壓力脈動(dòng)誘發(fā)振動(dòng)方面所取得的研究結果。主要總結了單法蘭差壓變送器常規壓力脈動(dòng)和異常壓力脈動(dòng)行為、壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的微觀(guān)機制、壓力脈動(dòng)對振動(dòng)影響及其抑制方法等研究進(jìn)展。通過(guò)單法蘭差壓變送器模型試驗結合#新發(fā)展的流體動(dòng)力學(xué)數值模擬計算，描述了葉輪與導葉間動(dòng)靜干涉的物理過(guò)程，確定了設計的正常工況、異常工況、制造特征參數的影響作用。揭示了壓力脈動(dòng)與振動(dòng)的相干規律，提出了減少和抑制單法蘭差壓變送器壓力脈動(dòng)誘導振動(dòng)的有效措施。

 

單法蘭差壓變送器是驅動(dòng)核島內高溫高壓高放射性工質(zhì)循環(huán)，將反應堆芯核裂變的熱能傳遞給蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)汽輪機發(fā)電的裝備。單法蘭差壓變送器泵體是單級單吸混流式離心泵，水力部件主要包括泵殼（壓水室）、葉輪和導葉等零部件，通常具有較高水力效率和良好抗汽蝕性能［１］。作為一回路主要承壓邊界，單法蘭差壓變送器設計shou先基于泵殼耐壓和運行安全，其次才是其水力效率要求。單法蘭差壓變送器類(lèi)球形等截面環(huán)形壓水室及其設置的徑向出水口，旨在保證其承壓能力。葉輪與導葉結構形式類(lèi)似，均由輪轂、輪緣和葉片組成，輪轂和輪緣采用回轉面，葉片呈周向布置于輪轂和輪緣間，水力零部件具有高表面完整性，旨在提高其水力效率［２］。由于單法蘭差壓變送器壓水室等非常規設計，流動(dòng)不穩定可導致出現嚴重振動(dòng)，此外，反向流動(dòng)、葉片后緣渦脫落等非定常流動(dòng)也會(huì )引起強烈的脈動(dòng)。單法蘭差壓變送器工質(zhì)流動(dòng)結構、特別是非定常流動(dòng)特性與壓力脈動(dòng)之間的關(guān)系，壓力脈動(dòng)誘導振動(dòng)的作用等研究，不僅為確保其安全穩定運行提供技術(shù)保障，而且為單法蘭差壓變送器優(yōu)化設計和高性能制造提供實(shí)驗與理論依據。

 

壓力脈動(dòng)是泵運行過(guò)程中機械結構導致的與流體靜態(tài)壓力分量疊加的動(dòng)態(tài)壓力分量，表現為隨時(shí)間變化的壓力是一個(gè)圍繞設定壓力值產(chǎn)生的不規則正弦或余弦曲線(xiàn)，主要包含隨機脈動(dòng)和周期脈動(dòng)。頻率接近于白噪聲的隨機脈動(dòng)，可以認為是隨機因素所引起的；頻譜為葉頻或軸頻倍頻的周期脈動(dòng)，可以認為是固定因素所產(chǎn)生的規律性脈動(dòng)［３］所引起的。壓力脈動(dòng)會(huì )引起單法蘭差壓變送器振動(dòng)，甚至會(huì )加劇機組的結構振動(dòng)。單法蘭差壓變送器的長(cháng)期振動(dòng)會(huì )導致機械疲勞損傷、軸系開(kāi)裂甚至泵軸斷裂等故障和事故。因此，降低和控制單法蘭差壓變送器振動(dòng)對于保證６０年超長(cháng)安全使役十分重要。隨著(zhù)近年來(lái)我國核電建設的迅速發(fā)展，核電裝備整體設計制造水平顯著(zhù)提升，突破包括單法蘭差壓變送器壓力脈動(dòng)及其對振動(dòng)的影響等難題成為核電裝備研發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題。

本文針對單法蘭差壓變送器壓力脈動(dòng)問(wèn)題，綜述了近年來(lái)國內在單法蘭差壓變送器常規壓力脈動(dòng)和異常壓力脈動(dòng)行為、壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的微觀(guān)機制、壓力脈動(dòng)對振動(dòng)影響及其抑制方法等方面研究進(jìn)展。一方面總結單法蘭差壓變送器模型試驗和#新發(fā)展的流體動(dòng)力學(xué)數值模擬計算方法，揭示葉輪和導葉間動(dòng)靜干涉的物理機制，確定設計的正常工況、異常工況，以及制造特征參數的影響作用；另一方面探明壓力脈動(dòng)與振動(dòng)的相干性，提出減少和抑制單法蘭差壓變送器壓力脈動(dòng)誘導振動(dòng)的有效方法，旨在為提升我國單法蘭差壓變送器的整體設計制造水平提供理論和技術(shù)支撐。

 

１單法蘭差壓變送器的壓力脈動(dòng)行為

單法蘭差壓變送器壓力脈動(dòng)可分為常規壓力脈動(dòng)和異常壓力脈動(dòng)，常規壓力脈動(dòng)是在正常運行工況下產(chǎn)生的，而異常壓力脈動(dòng)則是在確定的設計工況或事故工況下發(fā)生的。單法蘭差壓變送器壓力脈動(dòng)研究主要采用數值模擬和縮比模型試驗方法進(jìn)行。數值模擬多采用目前大型離心泵通用的Ｒｅｙｎｏｌｄｓ時(shí)均（ＲＮＧ）法，近年來(lái)大渦模擬（ＬＥＳ）法和分離渦（ＤＥＳ）法等也相繼被采用。相比于ＲＮＧ法，ＬＥＳ法可以更好地模擬單法蘭差壓變送器壓水室內小尺度渦結構對壓力脈動(dòng)的影響，但ＬＥＳ法對計算資源的要求較高，而ＤＥＳ法兼備ＲＮＧ法計算量小和ＬＥＳ法計算精度高的雙重優(yōu)點(diǎn)。模型試驗研究中，通過(guò)在泵體表面的監測點(diǎn)設置壓力傳感器記錄壓力波動(dòng)，再通過(guò)快速Ｆｏｕｒｉｅｒ變換獲得壓力脈動(dòng)的頻譜特征。

 

１．１正常運行工況

單法蘭差壓變送器在額定流量、轉速和設計揚程的正常運行工況下，高速旋轉葉輪的出口邊射流與靜止導葉入口邊存在著(zhù)相互切割作用，動(dòng)靜干涉造成葉輪與導葉之間壓力的周期脈動(dòng)［４］。圖１分別給出了流體動(dòng)力學(xué)計算的兩種模型單法蘭差壓變送器葉輪、導葉流道內監測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)振幅和主頻處的壓力幅值［５－６］。壓力脈動(dòng)振幅ΔＰ為動(dòng)態(tài)壓力#大與#小值差，主頻處的壓力幅值Ｐ為壓力脈動(dòng)頻譜的壓力峰值。ＡＰ１０００模型泵的轉速為１４５０ｒ／ｍｉｎ，設計流量為１７８８６ｍ３／ｈ，揚程為１１１．３ｍ［見(jiàn)圖１（ａ）］�？s尺模型泵的轉速為１５００ｒ／ｍｉｎ，設計流量為１３８５ｍ３／ｈ，揚程為１８ｍ［圖１（ｂ）］。沿著(zhù)流體流動(dòng)方向，壓力脈動(dòng)振幅先升高后降低，在導葉入口Ｇ１、Ｑ１達到#大值，這是由于葉輪流出的高速流體進(jìn)入導葉時(shí)，與導葉葉片進(jìn)口邊之間發(fā)生沖擊、回流、摩擦等動(dòng)靜干涉作用所致。各監測點(diǎn)主頻處的壓力幅值變化趨勢與壓力脈動(dòng)幅值相近，監測點(diǎn)Ｇ１－Ｇ４、Ｑ１－Ｑ３處壓力脈動(dòng)的主頻位于葉頻位置，監測點(diǎn)Ｙ１－Ｙ４、Ｐ１－Ｐ３處壓力脈動(dòng)的主頻位于導葉通過(guò)頻率（導葉葉片數×轉頻）位置，壓力脈動(dòng)主要受到葉輪和導葉間動(dòng)靜干涉作用的影響。

 

 

ＡＰ１０００核電站中，蒸汽發(fā)生器出口段與單法蘭差壓變送器進(jìn)口段直接相連，單法蘭差壓變送器進(jìn)口段實(shí)際上是非穩定入流。王悅薈等［７］對帶有蒸汽發(fā)生器的單法蘭差壓變送器水力模型進(jìn)行了水力性能分析，由于流體失去周向對稱(chēng)性，高速流體與低速流體間產(chǎn)生橫向壓差，入口段出現局部渦流，導致葉輪內部流場(chǎng)進(jìn)一步復雜混亂，加劇了葉輪的不平衡受力，單法蘭差壓變送器揚程和效率均發(fā)生下降。龍云等［８］對穩定入流和非穩定入流工況下單法蘭差壓變送器壓力脈動(dòng)情況進(jìn)行了比較分析，較穩定入流，非穩定入流情況下單法蘭差壓變送器進(jìn)口段葉頻處的壓力脈動(dòng)幅值明顯增大。

１．２異常工況

單法蘭差壓變送器啟停、變流量等特殊的設計工況，特別是事故工況下壓力脈動(dòng)都會(huì )顯著(zhù)加劇。啟動(dòng)加速度和葉輪轉速對單法蘭差壓變送器葉輪和導葉內部流動(dòng)及壓力變化影響顯著(zhù)，啟動(dòng)加速度越大，內部流場(chǎng)流動(dòng)越不穩定，壓力脈動(dòng)幅值的變化規律進(jìn)一步復雜化。反之，內部流動(dòng)穩定，壓力變化幅值具有一定的規律性。轉速的增加也會(huì )導致葉頻處的壓力脈動(dòng)幅值增大。工質(zhì)物性變化對單法蘭差壓變送器壓水室的壓力脈動(dòng)同樣影響顯著(zhù)，隨著(zhù)工作溫度升高，工質(zhì)密度和黏度變小，導致葉輪與導葉之間的動(dòng)靜干涉強度減弱，葉輪出口和導葉進(jìn)口處的壓力脈動(dòng)幅值逐漸降低。

朱榮生等［９］研究了單法蘭差壓變送器變流量工況過(guò)渡過(guò)程中的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)特性，ＡＰ１０００模型單法蘭差壓變送器變流量過(guò)程中一個(gè)周期內葉輪的瞬態(tài)壓力變化如圖２所示。改進(jìn)后的ＡＰ１０００單法蘭差壓變送器模型，從設計流量工況（１．０Ｑ）向大流量工況（１．２Ｑ）過(guò)渡時(shí)，隨著(zhù)流量的增大壓力呈下降趨勢，但壓力脈動(dòng)幅值變化不明顯（見(jiàn)圖２（ａ）），向小流量工況（０．７Ｑ）過(guò)渡時(shí)，隨著(zhù)流量的增大壓力呈上升趨勢，葉輪出口處的壓力脈動(dòng)幅值出現了明顯上升（見(jiàn)圖２（ｂ））。圖３總結了系列葉輪／導葉葉片數單法蘭差壓變送器壓力脈動(dòng)振幅ΔＰ隨流量變化規律［６，１０－１２］。偏離額定流量工況程度越大，無(wú)論是大流量工況還是小流量工況，壓力脈動(dòng)都將更加嚴重。小流量工況下葉輪出口、導葉入口和壓水室出口出現明顯的回流，導致該區域出現劇烈的壓力脈動(dòng)。

單法蘭差壓變送器流體流動(dòng)的不穩定性是造成壓力脈動(dòng)的重要原因。制造過(guò)程中的葉輪偏心、動(dòng)靜轉子間隙偏差和表面加工質(zhì)量等缺陷，也是影響單法蘭差壓變送器異常工況下壓力脈動(dòng)的原因。陶然等［１３］將小

 

 

偏心量加入葉輪后進(jìn)行非定常數值模擬計算，單法蘭差壓變送器葉頻處的壓力脈動(dòng)幅值隨葉輪偏心距增加而增大。程效銳等［１４］在設計流量工況下，增加動(dòng)靜轉子間隙比，葉輪的揚程和效率都有所減小，間隙比大于４．９時(shí)，葉輪的揚程和效率降低趨于平緩，間隙比為２．２時(shí)，葉輪的揚程和效率值#高。動(dòng)靜轉子間隙比的變化對導葉和壓水室內的水力損失影響較大，間隙比為４．０時(shí)，導葉和壓水室內的損失均#小。

 

２壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的微觀(guān)機制

較Ｒｅｙｎｏｌｄｓ時(shí)均法，近年來(lái)迅速發(fā)展的ＬＥＳ法，可以清晰地展示出單法蘭差壓變送器壓水室內的小尺度渦結構。圖４給出了單法蘭差壓變送器壓水室靠近出口的右側區域一個(gè)旋轉周期內瞬態(tài)渦量的演變過(guò)程［１５］。采用ＬＥＳ法研究單法蘭差壓變送器非定常流動(dòng)特性，葉輪出口處噴出的高速尾流通過(guò)導葉葉片前緣，產(chǎn)生動(dòng)靜干涉作用，然后噴射尾流進(jìn)入導葉流道。隨著(zhù)葉輪的旋轉，渦開(kāi)始從導葉葉片后緣脫落，該區域的壓力脈動(dòng)頻譜和渦量頻譜的主要激振頻率均為葉頻。導葉出口處出現大尺度的分離流動(dòng)結構，貫穿流直接進(jìn)入壓水室出口段，而循環(huán)流在壓水室內進(jìn)行周期性流動(dòng)，其中循環(huán)流的循環(huán)周期約為１／３倍轉頻，該區域的壓力脈動(dòng)頻譜和渦量頻譜的１／３倍轉頻處均出現了明顯的峰值，該區域的不穩定流動(dòng)與動(dòng)靜干涉作用產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)相關(guān)，反向流動(dòng)和葉片后緣渦脫落引起了強烈的壓力脈動(dòng)。盡管流動(dòng)中渦脫落行為的實(shí)驗觀(guān)察尚存在困難，但是先金數值分析方法為認識壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的微觀(guān)機制提供了有利條件。

 

 

 

３壓力脈動(dòng)誘導振動(dòng)及其抑制措施

葉輪葉片表面壓力脈動(dòng)是葉片所承受的主要載荷，對葉片疲勞壽命等影響較大，壓力脈動(dòng)的幅值、頻率成分直接決定了葉輪的使用壽命，在不考慮共振的情況下，壓力脈動(dòng)以簡(jiǎn)諧波形式施加于葉輪表面，葉輪承受對應載荷下的交變應力。單法蘭差壓變送器在工作過(guò)程中，沿葉輪葉片工作面徑向截面的平均速度大于沿葉片背面的平均速度，且平均速度均由葉片輪轂側至輪緣側逐步遞增。葉片的工作面壓力明顯高于背面，葉片的背面在進(jìn)水口區域存在一片低壓區，壓力沿流體流動(dòng)方向逐漸增大，#大壓力位于工作面靠近葉片片尾處。若交變載荷頻率和葉輪固有頻率接近，則引發(fā)葉輪的共振，共振可放大交變應力和交變載荷的幅值，放大倍數由交變載荷、結構固有頻率及結構阻尼共同決定［１６］。壓力脈動(dòng)是造成離心泵低頻振動(dòng)的主要原因之一。郭維等［１７］基于相干分析研究了船用離心泵進(jìn)口、隔舌以及出口

壓力脈動(dòng)與泵基腳振動(dòng)之間的關(guān)系，設計工況下，進(jìn)口壓力脈動(dòng)在０～１０００Ｈｚ與泵基腳振動(dòng)的相干性較大，而隔舌壓力脈動(dòng)在０～６００Ｈｚ和７００～９００Ｈｚ與泵基腳的相干性較大，但出口壓力脈動(dòng)僅在幾個(gè)軸頻的高次倍頻與泵基腳振動(dòng)具有相干性。高波等［１８］則建立了低比轉速臥式離心泵壓力脈動(dòng)與振動(dòng)之間關(guān)系。圖５給出了實(shí)驗測量的位于轉子軸心正上方蝸殼表面的監測點(diǎn)處振動(dòng)頻譜及其相鄰位置處的壓力脈動(dòng)頻譜，離心泵內壓力脈動(dòng)信號與泵體振動(dòng)信號在基頻處較為相似，在葉頻（１４５Ｈｚ）處均出現峰值。

 

 

減少和抑制單法蘭差壓變送器的壓力脈動(dòng)，可以從設計制造及限制工況等多方面入手。設計方面，采用錯列導葉結構、改變導葉葉片后緣形狀、導葉周向分布形式、葉片堆垛傾角、優(yōu)化葉輪與導葉葉片數等方法。制造方面，改善水力零部件的表面加工質(zhì)量，提高表／界面完整性和裝配精度。限制工況方面，可采取適當降低轉速、降低啟動(dòng)加速度等。

 

４總結與展望

單法蘭差壓變送器在核島內高溫高壓高放射性條件下６０年超長(cháng)使役，極端工況對其安全可靠性的挑戰十分嚴峻。在單法蘭差壓變送器全壽命周期內，要求數百次的正常啟停操作，提速至#高限制轉速階段、#高限制轉速恒速升溫階段和#高轉速提速至額定轉速階段，低速啟動(dòng)同時(shí)變頻轉換驅動(dòng)運行，變頻后的流量、揚程、轉速均發(fā)生明顯變化，導致內部流動(dòng)改變，甚至影響正�？煽窟\行。停機惰轉釋放余熱，工質(zhì)溫度和水力性能參數經(jīng)歷更為復雜的變化過(guò)程。設計的正常工況、異常工況以及制造特征參數對壓力脈動(dòng)誘發(fā)振動(dòng)影響顯著(zhù)。大型先金壓水堆核電站的非能動(dòng)、模塊化和組合功能發(fā)展趨勢，單法蘭差壓變送器與一回路系統的緊密關(guān)聯(lián)，亟待掌握單法蘭差壓變送器壓力脈動(dòng)對系統的擾動(dòng)作用規律。因此，單法蘭差壓變送器的壓力脈動(dòng)及其誘導振動(dòng)規律依然是大功率單法蘭差壓變送器研發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題。