摘要
混流泵作为一种流量、扬程变化范围大，高效区宽，运行稳定的水泵装置，被广泛运用于各类泵站工程之中。但在泵装置工作中经常会出现各类偏工况运行情况，可能会导致机组异常水压力脉动，加剧机组振动并最终影响泵站的安全稳定运行，因此能够及时研判机组运行状态具有一定现实意义。目前泵站工程领域针对水压力脉动的研究主要集中在时频域信号分析上，所能反映的泵装置运行信息较为有限，因此本文结合混沌动力学以及计算流体力学，分析研究了不同叶顶间隙和扬程工况下的水压力脉动信号及其混沌特性，并通过支持向量机算法实现对机组运行状态的实时研判。论文的主要研究内容包括: (1)不同叶顶间隙下泵装置水动力及压力脉动特性。对机组在不同叶顶间隙下的水力特性与压力脉动特性进行了分析研究，结果表明:随着叶顶间隙的增大，泵装置全流量范围内的扬程减小，且流量越大，因叶顶间隙产生的扬程差越小;泵装置效率同样随叶顶间隙的增大而降低。叶片吸力面侧轮缘近壁区产生泄漏涡，强度与分布范围随着间隙的增大而增大，但在相同间隙条件下，其范围及强度随着流量的增大而减小。在时域上，不同间隙下信号的周期性较强，一个周期内均存在4个波峰波谷;相同区域处的监测点信号整体时域变化趋势近似，仅存在幅值变化;在频域上，叶轮进口断面、叶顶前缘和中缘区域以及叶轮出口断面靠近导叶上部的脉动信号均存在较复杂的低频成分，而位于叶顶后缘区域的监测点P11、P12以及叶轮出口断面靠近导叶中下部的监测点P13、P14和P15能量分布较为清晰集中，主频为2倍或4倍叶频。基于混沌理论相关参数的定量定性分析，位于叶轮出口断面靠近导叶底部的监测点13和监测点14对应的压力脉动信号，在不同叶顶间隙下均表现出混沌动力学特性，可以作为后续机组运行状态预测的数据依据。 (2)不同扬程工况下泵装置水动力及压力脉动特性。对机组在不同扬程工况下的水力特性与压力脉动特性进行了分析研究，结果表明:各工况整体流线较平顺，但在导流墩分隔的左侧流道进口左壁面附近存在明显的回流区，且随着扬程升高，回流区的范围和强度逐渐减小。左侧流道进口流速受到运行工况影响较大，存在分布范围较广的低速回流区(集中在面层与底层区域)，流速均匀度仅为0.5左右。灌溉工况下流道内部y向流速最大;两种排涝工况下均存在自进口蔓延至导流墩中部区域的低速区，且排涝工况2流道内流速最小。进水流道内不同位置的压力脉动测点数据基本保持一致。从时域上看，3种运行工况下的脉动信号在一个周期均内存在4个波峰及波谷，且位于流道进口断面左壁附近区域的监测点信号幅值呈现“中层小，底层面层大”的特点。从频域上看，在灌溉工况下压力脉动主频为0.25Hz(0.2倍叶频)，次频为5Hz(4倍叶频)，主次频幅值区别较小。排涝工况1下的脉动能量在0-5Hz范围内的低频区分布较不均匀，主次频分别对应0.4倍叶频和0.2倍叶频。排涝工况2下的流道内部脉动能量分布相对集中，主次频和排涝工况1相同，但是对应幅值相差较小。基于混沌理论相关参数的定量分析，结合三维相轨迹图定性分析，仅认为灌溉工况下脉动信号表现出较弱的混沌特性，其余两种排涝工况不具备混沌特性。 (3)基于支持向量机算法的泵装置运行工况预测。基于混沌理论的相空间重构技术将脉动信号还原到高维空间的坐标点，利用高维坐标数据代表泵装置状态影响因素。通过SVC算法的训练，明确影响因素和机组状态之间的非线性映射关系，并选用RBF作为模型的核函数。利用MATLAB软件编写设计一整套可视化操作的压力脉动信号混沌特性识别以及基于支持向量机算法的叶顶间隙状态分类界面。结果表明:对于不同叶顶间隙下监测点13处的信号数据，正则项C取23.01,对于监测点14处的信号数据，正则项C取5.01,gamma值均取0.1可以达到最佳预测效果。通过给予共计528个位于监测点13处不同叶顶间隙下的信号数据，本文模型最终实现分类预测叶顶间隙数值正确的数量为525个，准确率达99.43％;通过给予共计547个位于监测点14处不同叶顶间隙下的信号数据，本文模型最终实现分类预测叶顶间隙数值正确的数量为547个，准确率达100％。
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