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

摘要：文章綜述了近十年來(lái)我國(guó)大功率單法蘭差壓變送器工質(zhì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)、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(jié)果。主要總結(jié)了單法蘭差壓變送器常規(guī)壓力脈動(dòng)和異常壓力脈動(dòng)行為、壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的微觀機(jī)制、壓力脈動(dòng)對(duì)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(yàn)結(jié)合#新發(fā)展的流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬計(jì)算，描述了葉輪與導(dǎo)葉間動(dòng)靜干涉的物理過(guò)程，確定了設(shè)計(jì)的正常工況、異常工況、制造特征參數(shù)的影響作用。揭示了壓力脈動(dòng)與振動(dòng)的相干規(guī)律，提出了減少和抑制單法蘭差壓變送器壓力脈動(dòng)誘導(dǎo)振動(dòng)的有效措施。

 

單法蘭差壓變送器是驅(qū)動(dòng)核島內(nèi)高溫高壓高放射性工質(zhì)循環(huán)，將反應(yīng)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(jī)發(fā)電的裝備。單法蘭差壓變送器泵體是單級(jí)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(dǎo)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(shè)計(jì)shou先基于泵殼耐壓和運(yùn)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(shè)置的徑向出水口，旨在保證其承壓能力。葉輪與導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(guī)設(shè)計(jì)，流動(dòng)不穩(wěn)定可導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)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(qiáng)烈的脈動(dòng)。單法蘭差壓變送器工質(zhì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)、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(dǎo)振動(dòng)的作用等研究，不僅為確保其安全穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)保障，而且為單法蘭差壓變送器優(yōu)化設(shè)計(jì)和高性能制造提供實(shí)驗(yàn)與理論依據(jù)。

 

壓力脈動(dòng)是泵運(yùn)行過(guò)程中機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)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(xiàn)為隨時(shí)間變化的壓力是一個(gè)圍繞設(shè)定壓力值產(chǎn)生的不規(guī)則正弦或余弦曲線(xiàn)，主要包含隨機(jī)脈動(dòng)和周期脈動(dòng)。頻率接近于白噪聲的隨機(jī)脈動(dòng)，可以認(rèn)為是隨機(jī)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(rèn)為是固定因素所產(chǎn)生的規(guī)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?xí)�加劇機(jī)組的結(jié)構(gòu)振動(dòng)。單法蘭差壓變送器的長(zhǎng)期振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致機(jī)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(duì)于保證６０年超長(zhǎng)安全使役十分重要。隨著近年來(lái)我國(guó)核電建設(shè)的迅速發(fā)展，核電裝備整體設(shè)計(jì)制造水平顯著提升，突破包括單法蘭差壓變送器壓力脈動(dòng)及其對(duì)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(duì)單法蘭差壓變送器壓力脈動(dòng)問(wèn)題，綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)在單法蘭差壓變送器常規(guī)壓力脈動(dòng)和異常壓力脈動(dòng)行為、壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的微觀機(jī)制、壓力脈動(dòng)對(duì)振動(dòng)影響及其抑制方法等方面研究進(jìn)展。一方面總結(jié)單法蘭差壓變送器模型試驗(yàn)和#新發(fā)展的流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬計(jì)算方法，揭示葉輪和導(dǎo)葉間動(dòng)靜干涉的物理機(jī)制，確定設(shè)計(jì)的正常工況、異常工況，以及制造特征參數(shù)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(dǎo)振動(dòng)的有效方法，旨在為提升我國(guó)單法蘭差壓變送器的整體設(shè)計(jì)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(guī)壓力脈動(dòng)和異常壓力脈動(dòng)，常規(guī)壓力脈動(dòng)是在正常運(yùn)行工況下產(chǎn)生的，而異常壓力脈動(dòng)則是在確定的設(shè)計(jì)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(shù)值模擬和縮比模型試驗(yàn)方法進(jìn)行。數(shù)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(nèi)小尺度渦結(jié)構(gòu)對(duì)壓力脈動(dòng)的影響，但ＬＥＳ法對(duì)計(jì)算資源的要求較高，而ＤＥＳ法兼?zhèn)洌遥危欠ㄓ?jì)算量小和ＬＥＳ法計(jì)算精度高的雙重優(yōu)點(diǎn)。模型試驗(yàn)研究中，通過(guò)在泵體表面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)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(yùn)行工況

單法蘭差壓變送器在額定流量、轉(zhuǎn)速和設(shè)計(jì)揚(yáng)程的正常運(yùn)行工況下，高速旋轉(zhuǎn)葉輪的出口邊射流與靜止導(dǎo)葉入口邊存在著相互切割作用，動(dòng)靜干涉造成葉輪與導(dǎo)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(jì)算的兩種模型單法蘭差壓變送器葉輪、導(dǎo)葉流道內(nèi)監(jiān)測(cè)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(zhuǎn)速為１４５０ｒ／ｍｉｎ，設(shè)計(jì)流量為１７８８６ｍ３／ｈ，揚(yáng)程為１１１．３ｍ［見(jiàn)圖１（ａ）］�？s尺模型泵的轉(zhuǎn)速為１５００ｒ／ｍｉｎ，設(shè)計(jì)流量為１３８５ｍ３／ｈ，揚(yáng)程為１８ｍ［圖１（ｂ）］。沿著流體流動(dòng)方向，壓力脈動(dòng)振幅先升高后降低，在導(dǎo)葉入口Ｇ１、Ｑ１達(dá)到#大值，這是由于葉輪流出的高速流體進(jìn)入導(dǎo)葉時(shí)，與導(dǎo)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(jiān)測(cè)點(diǎn)主頻處的壓力幅值變化趨勢(shì)與壓力脈動(dòng)幅值相近，監(jiān)測(cè)點(diǎn)Ｇ１－Ｇ４、Ｑ１－Ｑ３處壓力脈動(dòng)的主頻位于葉頻位置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)Ｙ１－Ｙ４、Ｐ１－Ｐ３處壓力脈動(dòng)的主頻位于導(dǎo)葉通過(guò)頻率（導(dǎo)葉葉片數(shù)×轉(zhuǎn)頻）位置，壓力脈動(dòng)主要受到葉輪和導(dǎo)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(wěn)定入流。王悅薈等［７］對(duì)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?qū)ΨQ(chēng)性，高速流體與低速流體間產(chǎn)生橫向壓差，入口段出現(xiàn)局部渦流，導(dǎo)致葉輪內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)一步復(fù)雜混亂，加劇了葉輪的不平衡受力，單法蘭差壓變送器揚(yáng)程和效率均發(fā)生下降。龍?jiān)频龋郏福輰?duì)穩(wěn)定入流和非穩(wěn)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(wěn)定入流，非穩(wěn)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(shè)計(jì)工況，特別是事故工況下壓力脈動(dòng)都會(huì)顯著加劇。啟動(dòng)加速度和葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)單法蘭差壓變送器葉輪和導(dǎo)葉內(nèi)部流動(dòng)及壓力變化影響顯著，啟動(dòng)加速度越大，內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)越不穩(wěn)定，壓力脈動(dòng)幅值的變化規(guī)律進(jìn)一步復(fù)雜化。反之，內(nèi)部流動(dòng)穩(wěn)定，壓力變化幅值具有一定的規(guī)律性。轉(zhuǎn)速的增加也會(huì)導(dǎo)致葉頻處的壓力脈動(dòng)幅值增大。工質(zhì)物性變化對(duì)單法蘭差壓變送器壓水室的壓力脈動(dòng)同樣影響顯著，隨著工作溫度升高，工質(zhì)密度和黏度變小，導(dǎo)致葉輪與導(dǎo)葉之間的動(dòng)靜干涉強(qiáng)度減弱，葉輪出口和導(dǎo)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(nèi)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(shè)計(jì)流量工況（１．０Ｑ）向大流量工況（１．２Ｑ）過(guò)渡時(shí)，隨著流量的增大壓力呈下降趨勢(shì)，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)，隨著流量的增大壓力呈上升趨勢(shì)，葉輪出口處的壓力脈動(dòng)幅值出現(xiàn)了明顯上升（見(jiàn)圖２（ｂ））。圖３總結(jié)了系列葉輪／導(dǎo)葉葉片數(shù)單法蘭差壓變送器壓力脈動(dòng)振幅ΔＰ隨流量變化規(guī)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(yán)重。小流量工況下葉輪出口、導(dǎo)葉入口和壓水室出口出現(xiàn)明顯的回流，導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)劇烈的壓力脈動(dòng)。

單法蘭差壓變送器流體流動(dòng)的不穩(wěn)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(zhuǎn)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(shù)值模擬計(jì)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(shè)計(jì)流量工況下，增加動(dòng)靜轉(zhuǎn)子間隙比，葉輪的揚(yáng)程和效率都有所減小，間隙比大于４．９時(shí)，葉輪的揚(yáng)程和效率降低趨于平緩，間隙比為２．２時(shí)，葉輪的揚(yáng)程和效率值#高。動(dòng)靜轉(zhuǎn)子間隙比的變化對(duì)導(dǎo)葉和壓水室內(nèi)的水力損失影響較大，間隙比為４．０時(shí)，導(dǎo)葉和壓水室內(nèi)的損失均#小。

 

２壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的微觀機(jī)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(nèi)的小尺度渦結(jié)構(gòu)。圖４給出了單法蘭差壓變送器壓水室靠近出口的右側(cè)區(qū)域一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)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(dǎo)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(dǎo)葉流道。隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，渦開(kāi)始從導(dǎo)葉葉片后緣脫落，該區(qū)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(dǎo)葉出口處出現(xiàn)大尺度的分離流動(dòng)結(jié)構(gòu)，貫穿流直接進(jìn)入壓水室出口段，而循環(huán)流在壓水室內(nèi)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(zhuǎn)頻，該區(qū)域的壓力脈動(dòng)頻譜和渦量頻譜的１／３倍轉(zhuǎn)頻處均出現(xiàn)了明顯的峰值，該區(qū)域的不穩(wěn)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(qiáng)烈的壓力脈動(dòng)。盡管流動(dòng)中渦脫落行為的實(shí)驗(yàn)觀察尚存在困難，但是先金數(shù)值分析方法為認(rèn)識(shí)壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的微觀機(jī)制提供了有利條件。

 

 

 

３壓力脈動(dòng)誘導(dǎo)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(duì)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(duì)應(yīng)載荷下的交變應(yīng)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(cè)至輪緣側(cè)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(qū)域存在一片低壓區(qū)，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(yīng)力和交變載荷的幅值，放大倍數(shù)由交變載荷、結(jié)構(gòu)固有頻率及結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(zhuǎn)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(yàn)測(cè)量的位于轉(zhuǎn)子軸心正上方蝸殼表面的監(jiān)測(cè)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(nèi)壓力脈動(dòng)信號(hào)與泵體振動(dòng)信號(hào)在基頻處較為相似，在葉頻（１４５Ｈｚ）處均出現(xiàn)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(shè)計(jì)制造及限制工況等多方面入手。設(shè)計(jì)方面，采用錯(cuò)列導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)、改變導(dǎo)葉葉片后緣形狀、導(dǎo)葉周向分布形式、葉片堆垛傾角、優(yōu)化葉輪與導(dǎo)葉葉片數(shù)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(dāng)降低轉(zhuǎn)速、降低啟動(dòng)加速度等。

 

４總結(jié)與展望

單法蘭差壓變送器在核島內(nèi)高溫高壓高放射性條件下６０年超長(zhǎng)使役，極端工況對(duì)其安全可靠性的挑戰(zhàn)十分嚴(yán)峻。在單法蘭差壓變送器全壽命周期內(nèi)，要求數(shù)百次的正常啟停操作，提速至#高限制轉(zhuǎn)速階段、#高限制轉(zhuǎn)速恒速升溫階段和#高轉(zhuǎn)速提速至額定轉(zhuǎn)速階段，低速啟動(dòng)同時(shí)變頻轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，變頻后的流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速均發(fā)生明顯變化，導(dǎo)致內(nèi)部流動(dòng)改變，甚至影響正�？煽窟\(yùn)行。停機(jī)惰轉(zhuǎn)釋放余熱，工質(zhì)溫度和水力性能參數(shù)經(jīng)歷更為復(fù)雜的變化過(guò)程。設(shè)計(jì)的正常工況、異常工況以及制造特征參數(shù)對(duì)壓力脈動(dòng)誘發(fā)振動(dòng)影響顯著。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(shì)，單法蘭差壓變送器與一回路系統(tǒng)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(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)作用規(guī)律。因此，單法蘭差壓變送器的壓力脈動(dòng)及其誘導(dǎo)振動(dòng)規(guī)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。