蔡標(biāo)華，丁 煒，俞 健，白亞鶴

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064;2.上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031)

船用艙底泵系統(tǒng)脈動(dòng)壓力抑制研究

蔡標(biāo)華1，丁 煒2，俞 健1，白亞鶴1

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064;2.上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031)

船用艙底泵系統(tǒng)由于設(shè)備固有特性而存在脈動(dòng)壓力過(guò)大的問(wèn)題，從而引起系統(tǒng)在輸送流體過(guò)程中存在較大的振動(dòng)和噪聲。本文針對(duì)艙底泵壓力脈動(dòng)機(jī)理，提出了艙底泵系統(tǒng)脈動(dòng)壓力抑制的解決方案。系統(tǒng)改進(jìn)前后對(duì)比試驗(yàn)表明，系統(tǒng)內(nèi)部脈動(dòng)壓力得到了顯著抑制，采用的脈動(dòng)消減裝置具有較好的應(yīng)用前景。

艙底泵系統(tǒng);脈動(dòng)壓力;裝置

0 引言

船用艙底泵常用于執(zhí)行排除艙底污水和其他使用任務(wù)，一般選用往復(fù)泵，其對(duì)輸送小流量高揚(yáng)程的介質(zhì)具有一定優(yōu)勢(shì)，但由于活塞在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在著流量不連續(xù)的固有特點(diǎn)，導(dǎo)致泵出口流量不均勻，從而引起系統(tǒng)管路的壓力脈動(dòng)，使系統(tǒng)在流體輸送過(guò)程中出現(xiàn)不可避免的沖擊和振動(dòng)。這不僅可能會(huì)造成管路及其附件的損壞，管路振動(dòng)還會(huì)通過(guò)各種連接件傳遞給船體，引起船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)，導(dǎo)致船體的環(huán)境振動(dòng)和環(huán)境噪聲增大［1］。

1 艙底泵壓力脈動(dòng)機(jī)理

艙底泵的工作原理是容變，由水缸、活塞和閥箱等組成。閥箱內(nèi)有吸入閥和排出閥，依靠閥門兩邊壓差作用自動(dòng)打開和關(guān)閉。活塞與吸入閥、排出閥之間的空間稱為工作室。當(dāng)活塞在水缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，工作室的容積發(fā)生變化，在吸、排水閥配合下吸、排液體［2］。圖1為往復(fù)泵曲柄傳動(dòng)原理，圖2為瞬時(shí)排量與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線。其中Qc表示平均排量?？梢钥闯觯钊谏纤傈c(diǎn)時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度為0，瞬時(shí)排量為0;活塞運(yùn)動(dòng)到一半行程時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度最大，瞬時(shí)排量也最大;活塞運(yùn)動(dòng)到下死點(diǎn)時(shí)，瞬時(shí)排量又為0。

可見，活塞在前半沖程作加速運(yùn)動(dòng)，后半沖程作減速運(yùn)動(dòng)，其排量不均勻。由于瞬時(shí)流量的不均勻性，流體在管路中的變加速運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生慣性力，其不僅作用于管內(nèi)流體，且流體脈動(dòng)反射波也作用于泵體。對(duì)泵組機(jī)械擾動(dòng)力的分析發(fā)現(xiàn)，泵組上存在著顛覆力矩、往復(fù)慣性力和離心力，這些機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的不平衡力及流體脈動(dòng)，均是系統(tǒng)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)的主要原因。

2 脈動(dòng)消減裝置設(shè)計(jì)

針對(duì)艙底泵的壓力脈動(dòng)機(jī)理，可在系統(tǒng)管路中安裝脈動(dòng)消減裝置，以抑制系統(tǒng)內(nèi)部壓力脈動(dòng)的幅值。脈動(dòng)消減裝置主要由外筒、彈性體、隔水膜和外接法蘭等組成，如圖3所示。外接法蘭提供對(duì)外接口，同時(shí)保持內(nèi)部密封;隔水膜形成內(nèi)部流道及膨脹腔體;彈性體為膨脹腔體提供回復(fù)力;外筒為隔水膜及彈性體提供約束，以保證其強(qiáng)度。工作原理為:不可壓縮流體流經(jīng)擴(kuò)張室時(shí)，隨著流體脈動(dòng)壓力的變化，擴(kuò)張室的體積發(fā)生變化，流體壓力脈動(dòng)必將下降，即將氣體的膨脹收縮反過(guò)來(lái)變成流體腔體的膨脹收縮，能降低流體中產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力;能在軸向和徑向上均產(chǎn)生一定的彈性變形，以衰減流體壓力脈動(dòng)和管路機(jī)械振動(dòng)。

圖3 脈動(dòng)消減裝置原理圖Fig.3 Principle figure of fluatuation reduction device

3 脈動(dòng)壓力抑制效果計(jì)算

艙底泵系統(tǒng)的計(jì)算原理模型如圖4所示，圖中P為壓力脈動(dòng)，Q為流量脈動(dòng)，Zp為脈動(dòng)消減裝置阻抗。計(jì)算模型時(shí)作如下假設(shè):系統(tǒng)中安裝裝置后流量脈動(dòng)不變，壓力脈動(dòng)改變;系統(tǒng)末端壓力脈動(dòng)不變，且P0=0。

圖4 艙底泵系統(tǒng)壓力波動(dòng)模型Fig.4 Pressure fluctuation model of bilge system

由管路波動(dòng)方程可得［3］:

式中:ω為脈動(dòng)角頻率;l為管路長(zhǎng)度;a為流體介質(zhì)中的聲速;Zc為管路特性阻抗，Zc=ρa(bǔ)/A，ρ為流體密度，A為管路橫截面積;Zp為脈動(dòng)消減裝置阻抗，Zp=Kv/jω，Kv為彈性體的體積剛度。

由式(1)和式(2)可得:

已知船用艙底泵系統(tǒng)出口管路通徑為65 mm，艙底泵曲軸轉(zhuǎn)速為170 r/min，水中聲速為1 500 m/s，彈性的體積剛度Kv≈1 000 MPa/m3。則管路阻抗Zc=ρa(bǔ)/A=4.52e8，脈動(dòng)角頻率ω=2π·(4·170)/60=22.6π。假定管路長(zhǎng)度l=5 m，并將上述數(shù)據(jù)代入式(5)，可計(jì)算壓力脈動(dòng)抑制效果為:

4 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由艙底泵組、脈動(dòng)消減裝置試驗(yàn)接口、截止閥、壓力傳感器等組成，如圖5所示。調(diào)節(jié)出口截止閥(件號(hào)5)的開度，可改變系統(tǒng)壓力。

圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.5 Simulant experiment system principle figure

式中:n為計(jì)算頻率范圍內(nèi)的頻率點(diǎn)數(shù);Pr為參考?jí)毫?，?.0 Pa;Pi為第i個(gè)頻率點(diǎn)處的壓力脈動(dòng)值。

4.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)時(shí)，先在試驗(yàn)管段安裝一段剛性管，用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀記錄系統(tǒng)壓力脈動(dòng)值;然后將試驗(yàn)段的剛性管換成脈動(dòng)壓力抑制裝置，重復(fù)上述試驗(yàn)。安裝脈動(dòng)消減裝置前/后測(cè)得的壓力脈動(dòng)總值之差即為脈動(dòng)抑制效果，即:

試驗(yàn)儀器:動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀，記錄通過(guò)壓力傳感器記錄壓力脈動(dòng)的時(shí)域曲線，通過(guò)FFT可獲得頻域線譜，并通過(guò)下式計(jì)算一定頻率范圍內(nèi)的壓力脈動(dòng)總值。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)圖6為動(dòng)態(tài)壓力傳感器測(cè)得的安裝脈動(dòng)消減裝置前后的時(shí)域?qū)Ρ惹€?？梢?，安裝前系統(tǒng)脈動(dòng)壓力幅值可達(dá)0.35 MPa，安裝脈動(dòng)消減裝置后，系統(tǒng)脈動(dòng)壓力一般低于0.05 MPa，安裝系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)壓力脈動(dòng)顯著下降。

2)根據(jù)式(6)和式(7)處理后得到的如圖7所示的頻域范圍內(nèi)的插入損失。在700 kHz以下的低頻段，脈動(dòng)消減裝置對(duì)系統(tǒng)壓力脈動(dòng)抑制的效果相對(duì)較好，一般在15 dB以上。這是由于艙底泵往復(fù)工作引起的壓力脈動(dòng)主要是低頻壓力波動(dòng)。

3)在10 Hz～8 kHz范圍內(nèi)，安裝脈動(dòng)消減裝置均可抑制艙底泵系統(tǒng)壓力脈動(dòng)。安裝前系統(tǒng)壓力脈動(dòng)值為103.4 dB，安裝后壓力脈動(dòng)值為84.9 dB，可降低系統(tǒng)壓力脈動(dòng)18.5 dB，與計(jì)算結(jié)果基本吻合。

5 結(jié)語(yǔ)

船用艙底泵系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)是由往復(fù)泵工作流量不連續(xù)的固有特性引起的。為了抑制系統(tǒng)壓力脈動(dòng)，本文主要從幾個(gè)方面開展工作:

1)分析了疏水系統(tǒng)內(nèi)部壓力脈動(dòng)的特性及其影響因素，確定了脈動(dòng)壓力抑制的主要技術(shù)方案和脈動(dòng)消減裝置設(shè)計(jì)方案。

2)根據(jù)研究方案，利用管路系統(tǒng)的壓力波動(dòng)方程，建立了疏水系統(tǒng)壓力脈動(dòng)的簡(jiǎn)化計(jì)算模型，并將艙底泵流量、壓力脈動(dòng)源，末端背壓等作為已知條件，初步計(jì)算了壓力脈動(dòng)抑制效果。

3)針對(duì)系統(tǒng)的典型工況，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本文研究表明，安裝脈動(dòng)消減裝置可以顯著抑制船用艙底泵系統(tǒng)的流體壓力脈動(dòng)，具有較好的應(yīng)用前景。

［1］王強(qiáng)，胡明，姚本炎，等.船用往復(fù)泵管路減振技術(shù)研究［J］.船舶工程，2002，(1):27 －30.

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［2］陳燎原，朱增寶.往復(fù)泵裝置水力特性的仿真研究［J］.安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，12(4):50－54.

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［3］KOJIMA E，MATSUBARA N，SUDO S.Generation and propagation of fluid-borne pressure ripple in fluid power system caused by a pump［J］.Transaction of the Tapan Society of Mechanical Engineering，1995，PartB，61.

Research on fluctuation pressure reduction of marine bilge system

CAI Biao-hua1，DING Wei2，YU Jian1，BAI Ya-he1
(1.Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China;2.Shanghai Marine Equipment Research Insitute，Shanghai 200031，China)

Due to the inherent characteristics of the reciprocating pump，the marine bilge system has the problem of excessive fluctuation pressure，which causes serious vibration and noise in the course of transmission fluid.According to the pressure plusation mechanism of bilge pump，this paper puts forward the solution of fluctuation pressure reduction.The contrast experiment shows that internal fluatuation pressure is significantly reduced and the fluctuation reduction device has great application prospect.

bilge system;fluctuation pressure;device

U664.9

A

1672－7649(2012)03－0065－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.03.013

2011－07－21;

2011－10－26

蔡標(biāo)華(1980－)，男，工程師，主要從事船舶系統(tǒng)工程技術(shù)和海水系統(tǒng)減振降噪方面的研究工作。