包含转动系统的水泵传递特性研究

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1、包含转动系统的水泵传递特性研宄摘要：水力机械的传递特性能够表迗自身的水力性能以及与之相关的机械性能。所叙述的水泵传递特性理论与实验研究，传递系统除水压和流量特性之外，还包含了水泵转轴的转动力矩和转动速度特性，从而较为完整地表现包含水力与动力两方面的水泵总体特性。分析计算和实验研究的结果表明，数据处理、传递系数辩识方式以及实验方法是可行的；泵轴的转动特性影响传递矩阵的系数数值，但波动参数之间的基本特性关系保持不变；较为完整的矩阵表达传达了水泵水力和转动特性及其相互关系的一些新信息。研究的基本结论为全面、深入了解水泵的系统特性提供了重要的依据。关键词：水泵转动特性传递矩阵得益于航空航天工程中伴生

2、脉动推进（POGO）现象的研究成果，水力机械稳定特性的分析技术被日益重视并迅速发:起来。相关的研究需要流体力学、材料力学、数学、计算机数据处理等基础理论的支持，具体工作涉及数学建模、实验技术、性能模拟、稳定性分析［1〜4］，研究成果可用于水力机械的稳定性分析、特性参数关联影响评价、基础波动理论探讨等方面，有较高的研究和应用价值。由于实验条件和分析手段的限制，以往的研究基本局限于系统的水力波动特性。如果用传递矩阵表迖水力机械传递特性，这个矩阵仅涉及动水压力和流量。自然，这样的矩阵可以扩展包含其他动态特性参数［5］，例如，力矩、转速、导水叶开度和水流空化系数等，但随之而来的实验和分析工作的难度与

3、数量会陡然增大许多。尽管如此，更完整的传递特性研究对于人们了解水力机械的全面性能，特别是某些参数的特有性能，有着重要的研究价值与意义。文献［6］尝试了在水力波动特性基础上又探讨机械转轴力矩特性的研究，也即基本矩阵里又加进了转轴力矩参数，其对于更复杂的水力机械传递特性研究给出了有用的信息和重要的线索。本文进行的是针对一台模型混流水泵水轮机包含了泵轴转动特性的传递特性研究。他是在水压力和流量参数的传递特性研究的基础上，再系统考虑泵轴力矩和转速波动特性，以水力特性传递矩阵为基础构造更完整的传递矩阵，进而重新设计实验装置与试验方法，处理数据并计算分析，所取得的一些成果信息有助于认识水泵，甚或其他水力

4、机械的系统基础特性。1实验装置及其系统激励方式实验装置为后面叙述实验数据处理分析的方便，这里先介绍所采用的实验装置1所示为瑞士洛桑联邦工程学院水力机械与流体力学研究所PF4实验台。中间受试机械是一台混流式水泵水轮机，运动比转速nq=39（动力比转速ns=q），叶轮直径152mm，叶片数7个，选用水泵工况运行。泵轴的驱动侧为一台30RW的直流电机，受一台特别设计的调速器控制，试验运转期间能够维持基本不变的旋转速度。当水栗转速为2000r/min时，相应最优工况的流量和比能分别为Q=/s和E=85J/kgo水泉水轮机进出水两侧分别连接测试压力钢管，高压侧管内径100mm，低压侧150mm，管壁上

5、分别装设三个压力传感器。水声过滤器连接在测试压力钢管外侧，它们在很宽频带上能保证零阻抗边界条件，而且是借助橡胶膨胀圈与系统其余部分分离。旋阎式激励器装置在压力钢管6测点外500mm和1测点外1000腿，实验运行时运用其中一个。1EPFL-IMHEF的PF4实验装置石英压电式压力传感器的信号增益，可以根据传感器敏感度调整进而给出与水压力波动对应的电压输出值。水泵水轮机转轴力矩的测试由泵轴上事先标定过的应变计实施完成。系统激励方式所有的系统传递特性试验数据，都与在系统内进行的人为激励波动密切联系，也即随后展开的水力传动波的辩识、各波动参量数据的直接或间接获取，都将以人为激励波动为基础。所采用的产

6、生系统水力扰动的旋阀式激励器并联于主要管道上（参见图2示意图）。旋动阀门由一台连接频率变换器的感应电动机驱动，当他的旋塞按给定的变化频率周期性地阻断注入射流时，即对水力系统产生激励信号，旁边设有缓冲空气槽。这种激励器重量小，易于安装，以致可以忽略不计对主要系统的反作用。实验中主要采用一个激励长度上基本对称的三角形频率变化激励模式［6］。2旋阀式激励器激励波动下可以直接量测记录系统水压力或泵轴力矩波动数据，继而间接计算流量波动参数，甚或泵轴转动波动参数。其中传动波的辩识是进行后续间计算的基础工作。对于一段均质管道，其上震荡模式辩识可以借助三个等距压力传感器的压力信号进行［7］。若pi、p2、p

7、3分别为三个传感器压力波动信号，那么系统中传动波的波速a可以由以下传递函数方程计算得到式中：《为震荡角频率（《=2irf，f为震荡频率），L为相邻压力传感器间距。此方程应用了平面波假定。上述辩识过程中所处理的波动频率低于250Hz,也即试验系统中管道截面尺寸要较水力波动的波长小得多，符合假定条件。2主要数据的处理原始试验数据的处理方法计算机数据采集设备取得的试验数据记录是原始时域数据。如果采样频率12Hz,激