葉學(xué)民，裴建軍，李春曦，劉 茲

（1.華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，保定071003；2.華能邯峰電廠，邯鄲056200）

泵在運(yùn)行中往往伴隨著振動(dòng)和噪聲，流場(chǎng)中的壓力波動(dòng)、不穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)以及機(jī)械方面的不平衡、不對(duì)中等都會(huì)引起振動(dòng)和噪聲［1-3］.泵的振動(dòng)和噪聲不僅影響其運(yùn)行效率和壽命，也給周圍環(huán)境帶來(lái)噪聲污染.同時(shí)，泵的振動(dòng)和噪聲的強(qiáng)弱及頻率特性也是泵運(yùn)行中發(fā)生汽蝕和存在故障的重要因素［4］，因此對(duì)泵的振動(dòng)和噪聲進(jìn)行監(jiān)測(cè)和研究具有重要意義.

泵噪聲的測(cè)量方法包括直接法和間接法.直接法是通過(guò)在泵內(nèi)設(shè)置水聽器或在泵體外采用近場(chǎng)聲壓法直接測(cè)量離心泵的噪聲.間接法是通過(guò)測(cè)量泵內(nèi)固體表面的壓力間接計(jì)算得出固體界面的輻射噪聲［2］.袁壽其等［4］利用高頻壓力傳感器和水聽器分別采集離心泵出口脈動(dòng)壓力和流動(dòng)噪聲信號(hào)，通過(guò)時(shí)頻域和自功率譜分析表明：各工況下，壓力脈動(dòng)和流動(dòng)噪聲的主頻也是葉片通過(guò)頻率.但壓力傳感器或水聽器等深入泵體內(nèi)部的傳感器可能引起泵本體的振動(dòng)［5］.而采用噪聲計(jì)測(cè)量泵體周圍的噪聲信號(hào)（即用近場(chǎng)聲壓法測(cè)量泵組噪聲）則無(wú)需在泵殼上打孔安裝傳感器，不會(huì)引起額外振動(dòng)，具有簡(jiǎn)便易行和造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于各類中小型泵.Cudina［5-7］使用麥克風(fēng)和裝有聲卡的計(jì)算機(jī)測(cè)量了三臺(tái)不同形式、不同材質(zhì)的泵在汽蝕發(fā)生前后的噪聲，通過(guò)頻譜分析發(fā)現(xiàn)，汽蝕發(fā)生時(shí)每臺(tái)泵均有一特定頻率對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)發(fā)生顯著提高，其最大值比正常運(yùn)行狀態(tài)下的相應(yīng)值高出近20dB，使得該方法在環(huán)境噪聲比較顯著時(shí)仍能得出汽蝕識(shí)別和診斷的正確結(jié)果.吳衛(wèi)東［8］同樣采用近場(chǎng)聲壓法采集泵的噪聲信號(hào)，通過(guò)小波分析法成功地檢測(cè)到初生汽蝕的噪聲特征，為泵汽蝕的檢測(cè)提供了新的手段.

綜上所述，目前有關(guān)全流量范圍內(nèi)正常運(yùn)行工況下泵噪聲特性特別是其頻率特性方面的研究較少，而這方面研究對(duì)于減輕泵站運(yùn)行帶來(lái)的噪聲污染具有重要意義.另外，在汽蝕工況下，泵的汽蝕特征頻率與泵結(jié)構(gòu)形式間的關(guān)系也有待進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證.因此，筆者利用近場(chǎng)聲壓法對(duì)IS65-50-160A型離心泵進(jìn)行不同流量下的噪聲特性試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)恒流量情形下汽蝕發(fā)生前后的泵噪聲聲壓級(jí)和頻率進(jìn)行測(cè)量，探討汽蝕和入口吸入空氣對(duì)泵噪聲性能的影響.

1 試驗(yàn)裝置及過(guò)程

離心泵性能試驗(yàn)臺(tái)為開式系統(tǒng)，布置如圖1所示.泵將吸水池2中的水吸入管路9，經(jīng)壓水管路13排入水箱14.在吸水管路和壓水管路上均裝有閥門.水泵入口真空值、出口壓強(qiáng)值、渦輪流量計(jì)所測(cè)流量值以及轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀測(cè)得的轉(zhuǎn)速和扭矩值均經(jīng)相應(yīng)傳感器送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).噪聲的聲壓級(jí)和頻率由聲級(jí)計(jì)記錄，噪聲測(cè)點(diǎn)依據(jù)JB／T 8098—1999《泵的噪聲測(cè)量與評(píng)價(jià)方法》選取，試驗(yàn)室環(huán)境非常安靜，因此不必考慮背景噪聲對(duì)測(cè)得的噪聲值的影響.試驗(yàn)所用儀表及精度見表1.

圖1 離心泵性能試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental setup for performance test of centrifugal pump

表1 試驗(yàn)所用儀表及精度Tab.1 Precision of instruments used in performance tests

試驗(yàn)臺(tái)所用離心泵型號(hào)為IS65-50-160A，葉輪名義直徑為160mm，葉片數(shù)為6個(gè).該泵廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市排水及消防等場(chǎng)合.離心泵設(shè)計(jì)參數(shù)見表2.

表2 離心泵設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Design parameters of the centrifugal pump

2 不同流量下的噪聲特性

首先對(duì)泵在不同流量下的噪聲進(jìn)行了測(cè)定，同時(shí)由于噪聲與泵的水力性能密切相關(guān)，也測(cè)定了泵的揚(yáng)程和效率等水力性能參數(shù).試驗(yàn)過(guò)程中保持泵吸水管路上的閥門開度不變，調(diào)節(jié)壓水管路上的閥門開度，得到不同流量下A 聲級(jí)、泵的揚(yáng)程和效率與流量的關(guān)系曲線（見圖2）.

圖2 A 聲級(jí)LA、揚(yáng)程H 和泵效率η 與流量qV 的關(guān)系曲線Fig.2 Relation curves of LA，H andηwith qV

由圖2可知，A 聲級(jí)噪聲最低值72.98dB出現(xiàn)在小流量區(qū)，對(duì)應(yīng)流量為1.3m3／h，隨著流量的增加，A 聲級(jí)噪聲先增大隨后又急劇減小.在流量為15.8～20.4m3／h的范圍內(nèi)（圖2中部的4個(gè)工況點(diǎn)），A 聲級(jí)噪聲達(dá)到第一個(gè)峰值，約為78dB.由流量為21.4m3／h開始（圖2右數(shù)第4個(gè)工況點(diǎn)），A聲級(jí)噪聲則顯著下降.當(dāng)流量為22.57 m3／h 和23.46m3／h時(shí)（圖2右數(shù)第3和第2個(gè)工況點(diǎn)），A聲級(jí)噪聲降至較低值，為74.2dB和74.02dB.此后A 聲級(jí)噪聲又開始增大，當(dāng)流量為24.46m3／h時(shí)，A 聲級(jí)噪聲達(dá)到第二個(gè)峰值77.48dB，較流量為23.46m3／h時(shí)增加約3.5dB.結(jié)合圖2中泵效率曲線可知，A 聲級(jí)噪聲在第一個(gè)峰值附近的工況點(diǎn)均位于高效率區(qū)，流量18.8m3／h時(shí)為最佳泵效率點(diǎn)，對(duì)應(yīng)泵效率為56.58%.

觀察圖2中揚(yáng)程與流量的關(guān)系可知，隨流量增加，泵的揚(yáng)程逐漸下降，特別是圖中最右側(cè)2個(gè)工況點(diǎn)，流量?jī)H增加1m3／h，但揚(yáng)程卻從23.88m 下降到17.33 m，下降幅度為27%，同時(shí)泵效率也從53.4%迅速降至40.7%.考慮到這2個(gè)工況位于大流量區(qū)，揚(yáng)程和效率的顯著下降及噪聲的急劇增加可能是泵內(nèi)發(fā)生汽蝕所致，為此圖3給出了該泵的A 聲級(jí)與有效汽蝕余量NPSHa的關(guān)系.由圖3可知，流量 為23.46 m3／h 和24.46 m3／h的工況點(diǎn)，其NPSHa值已低于該泵的必須汽蝕余量（見表2），因此可確定泵內(nèi)確實(shí)已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重汽蝕.

圖3 A 聲級(jí)LA 與有效汽蝕余量NPSHa的關(guān)系曲線Fig.3 Relation curve of LA with NPSHa

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)流量小于20.4m3／h時(shí)，泵內(nèi)未發(fā)生汽蝕，泵的A 聲級(jí)噪聲隨流量增加而增大，且在高效率區(qū)達(dá)到最大值.袁壽其等［4］觀察到類似現(xiàn)象，并給出產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因：在小流量下，A聲級(jí)噪聲主要為水動(dòng)力噪聲，可近似認(rèn)為是由壓力脈動(dòng)引起的；當(dāng)流量變大時(shí)，其流場(chǎng)的流態(tài)相對(duì)于小流量時(shí)更不穩(wěn)定，泵壓力脈動(dòng)變化加??；在高效率區(qū)時(shí)，由于接近最佳效率點(diǎn)，流場(chǎng)變化趨于穩(wěn)定，泵壓力脈動(dòng)達(dá)到最大值.而在流量分別為21.4 m3／h、22.57m3／h和23.46m3／h等工況點(diǎn)時(shí)，有效汽蝕余量與必須汽蝕余量之差很小，僅為1 m 左右，由于泵內(nèi)流場(chǎng)很不穩(wěn)定，此時(shí)泵內(nèi)局部區(qū)域可能已經(jīng)發(fā)生了輕微汽蝕，有少量氣泡生成并相互撞擊、內(nèi)裂，引起氣液兩相流動(dòng)，噪聲能量被兩相流削弱和吸收，從而引起A 聲級(jí)噪聲明顯下降.當(dāng)發(fā)生深度汽蝕后，葉輪流道被氣泡嚴(yán)重“阻塞”，泵內(nèi)空化程度加劇，湍流、二次流及渦流等不穩(wěn)定流動(dòng)使得氣泡生成和潰滅加速，紊流噪聲迅速增大，導(dǎo)致A 聲級(jí)噪聲急劇增加.

3 噪聲的頻率特性

為進(jìn)一步研究離心泵噪聲的頻率特性，利用聲級(jí)計(jì)測(cè)定了不同流量下噪聲的頻譜，得到不同頻率下聲壓級(jí)與流量的關(guān)系（圖4）和不同流量下聲壓級(jí)與頻率的關(guān)系（圖5）.

圖4 不同頻率f 下聲壓級(jí)Lp-流量qV 曲線Fig.4 Lp-qVcurves at different frequencies

圖5 不同流量qV 下聲壓級(jí)Lp-頻率f 曲線Fig.5 Lp-fcurves at different flow rates

由圖4可知，在31.5～500 Hz的低頻區(qū)，隨流量增加，泵的聲壓級(jí)變化并未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律；其中，頻率為31.5Hz和63 Hz的極低頻聲壓級(jí)始終在50～58dB 內(nèi)上下波動(dòng)，而該泵的總噪聲水平為72dB以上，因此這兩個(gè)極低頻率對(duì)總噪聲水平貢獻(xiàn)不大.而在1 000～8 000Hz的高頻區(qū)，泵聲壓級(jí)隨流量增加呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，與A 聲級(jí)噪聲的變化趨勢(shì)基本一致.特別是頻率為1 000 Hz 和2 000Hz的2條聲壓級(jí)曲線（其中頻率為1 000 Hz的曲線最顯著），在流量小于15m3／h的區(qū)域，與其他頻率相比聲壓級(jí)并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)，而在流量大于15 m3／h的區(qū)域，其聲壓級(jí)顯著高于其他頻率相應(yīng)流量下的數(shù)值，并隨流量增加逐漸增強(qiáng)直至達(dá)到峰值；在汽蝕初生時(shí)，1 000Hz和2 000Hz對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)急劇下降，汽蝕嚴(yán)重發(fā)生后，噪聲又顯著提高.由此可知，變流量工況下，與汽蝕相關(guān)的噪聲屬于高頻信號(hào)，這與文獻(xiàn)［8］中的試驗(yàn)結(jié)果吻合.

由圖5可知，隨頻率增加，各流量下的聲壓級(jí)均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，絕大多數(shù)流量下的聲壓級(jí)在250Hz和1 000Hz時(shí)出現(xiàn)峰值.已有研究表明［2］，泵噪聲的形成有機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的原因，其噪聲峰值常為轉(zhuǎn)速的倍數(shù)；也有水動(dòng)力學(xué)方面的原因，其頻率既包含寬頻成分，也包含與葉片通過(guò)頻率相關(guān)的成分.為此，計(jì)算試驗(yàn)用泵的葉片通過(guò)頻率

式中：n為泵轉(zhuǎn)速，n＝2 900r／min；z為葉片數(shù)，z＝6；i為諧波序號(hào)，i＝1，2，3，…….

由式（1）可知，該泵葉片通過(guò)頻率的基頻（i＝1時(shí)）為290Hz，與試驗(yàn)得到的250Hz處的泵噪聲峰值相吻合，試驗(yàn)中1 000Hz處的泵噪聲峰值與i＝3時(shí)的高次諧波比較接近.

4 汽蝕試驗(yàn)中的噪聲特性

泵噪聲不僅與流量有關(guān)，還與是否發(fā)生汽蝕有關(guān).為單獨(dú)分析汽蝕對(duì)噪聲的影響，需保持流量恒定，使流動(dòng)從無(wú)汽蝕狀態(tài)逐漸過(guò)渡到嚴(yán)重汽蝕狀態(tài)，同時(shí)對(duì)汽蝕試驗(yàn)中的噪聲進(jìn)行測(cè)量.試驗(yàn)中，通過(guò)關(guān)小泵入口閥門提高入口真空值，使泵發(fā)生汽蝕，同時(shí)相應(yīng)開大出口閥門使泵流量保持不變.圖6和圖7分別給出了流量為17.02m3／h和21.01m3／h時(shí)的噪聲頻譜曲線.

由圖6和圖7可以看出，汽蝕發(fā)生前，泵揚(yáng)程和A 聲級(jí)噪聲基本保持穩(wěn)定值；在汽蝕完全發(fā)生后，泵揚(yáng)程急劇下降，同時(shí)A 聲級(jí)噪聲也下降約3dB.這是因?yàn)樵囼?yàn)中泵入口真空度過(guò)高，由吸水池液面吸入少量空氣，緩沖了汽蝕導(dǎo)致的氣泡內(nèi)裂，從而吸收和抑制了壓力脈動(dòng)能量向外界的傳播，導(dǎo)致聲壓級(jí)下降［9-10］.同時(shí)，試驗(yàn)中也觀察到泵入口真空較高時(shí)，吸水池液面上的大量漩渦等不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象，因此本試驗(yàn)中并未觀察到汽蝕導(dǎo)致A 聲級(jí)噪聲升高的現(xiàn)象.

根據(jù)ISO 9906—1999規(guī)定，在保持恒定流量條件下，揚(yáng)程下降達(dá)到3%時(shí)的汽蝕余量值為臨界汽蝕余量NPSHr，如圖6和圖7中所標(biāo)工況所示，對(duì)應(yīng)的NPSHa為1.68m 和1.34m；另外美國(guó)電力研究所認(rèn)為，汽蝕開始時(shí)零揚(yáng)程降對(duì)應(yīng)的NPSH約為3%揚(yáng)程降下NPSH的1.5倍［11］，因此圖6和圖7中汽蝕開始時(shí)的汽蝕余量約為2.5m 和2.0m，即圖6和圖7中右數(shù)第3個(gè)工況點(diǎn)左側(cè)的所有工況均為汽蝕已經(jīng)發(fā)生的狀態(tài).觀察這些汽蝕狀態(tài)工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的噪聲變化可知，隨汽蝕余量減小，部分頻率下噪聲存在先升后降的現(xiàn)象，如圖6中250 Hz、500 Hz和1 000 Hz，圖7中250Hz；部分頻率下噪聲存在先略降后升高再降低的現(xiàn)象，如圖6中的31.5 Hz、63 Hz和2 000Hz，圖7中的31.5Hz和1 000Hz，這些頻率下的噪聲變化與典型汽蝕狀態(tài)下的聲壓級(jí)變化相吻合［12］，有研究者認(rèn)為汽蝕噪聲存在極值是因?yàn)槠g噪聲的強(qiáng)度取決于空泡產(chǎn)生的數(shù)量和空泡潰滅速度這2個(gè)因素［13］.當(dāng)流速不變時(shí)，隨泵入口真空的提高，一方面空泡數(shù)增加使得噪聲增強(qiáng)，另一方面，空泡潰滅的速度相應(yīng)降低，使得汽蝕噪聲強(qiáng)度減弱.在這2個(gè)因素的相互影響下，汽蝕噪聲出現(xiàn)了上述變化規(guī)律.而部分頻率下在汽蝕并不嚴(yán)重時(shí)聲壓級(jí)略降低的現(xiàn)象可能是由于吸入空氣的影響，吸入的空氣在入口管道中以氣泡形式存在，在泵葉輪入口由于真空提高，因而氣泡長(zhǎng)大，經(jīng)葉輪做功后，這些氣泡并未潰滅而是體積略微縮小后仍以氣泡形式隨水流流出，在吸入空氣量較少時(shí)，空氣泡緩沖了汽蝕導(dǎo)致的氣泡內(nèi)裂，使該頻率下的聲壓級(jí)略降低.另外還注意到，還有一些頻率下（如圖6和圖7中的4 000 Hz和8 000Hz）的聲壓級(jí)隨汽蝕余量降低整體表現(xiàn)為下降的趨勢(shì)，當(dāng)上述汽蝕導(dǎo)致部分頻率聲壓級(jí)出現(xiàn)峰值時(shí)，這些頻率下的聲壓級(jí)位于最小值或接近最小值，使得此時(shí)泵的A 聲級(jí)噪聲較低.

圖6 流量qV＝17.02m3／h時(shí)噪聲頻譜曲線Fig.6 Noise spectrum curve at qV＝17.02m3／h

圖7 流量qV＝21.01m3／h時(shí)的噪聲頻譜曲線Fig.7 Noise spectrum curve at qV＝21.01m3／h

Cudina基于安裝于閉式系統(tǒng)泵的噪聲試驗(yàn)結(jié)果表明［5-7］，總有某個(gè)頻率下的聲壓級(jí)在汽蝕發(fā)生后升高最明顯，與未發(fā)生汽蝕時(shí)的聲壓級(jí)相比，該頻率下峰值噪聲可升高近20dB，并且該特征頻率隨葉輪開閉形式與泵的類型而發(fā)生變化，可能為幾百赫茲，也可能為幾千赫茲.在圖6和圖7中，發(fā)生汽蝕后聲壓級(jí)存在峰值，且在250Hz下聲壓級(jí)比汽蝕前顯著升高.由圖6可知，當(dāng)流量為17.02 m3／h 時(shí)，250Hz頻率下的聲壓級(jí)隨汽蝕余量減小整體呈升高趨勢(shì)，汽蝕后的噪聲峰值比汽蝕前升高了16.4 dB.由圖7可知，當(dāng)流量為21.01 m3／h 時(shí)，250 Hz頻率下的聲壓級(jí)在汽蝕前基本保持平穩(wěn)，汽蝕后的噪聲峰值比汽蝕前升高了5.9dB.因此可知，250 Hz為本試驗(yàn)用泵的汽蝕特征頻率.本試驗(yàn)用泵的比轉(zhuǎn)速與Cudina所進(jìn)行試驗(yàn)［5］中的閉式葉輪離心泵比轉(zhuǎn)速十分接近，葉片數(shù)均為6個(gè)，轉(zhuǎn)速均為2 900 r／min，因此本試驗(yàn)用泵的葉片通過(guò)頻率與文獻(xiàn)［5］中相同，所得汽蝕特征頻率也較為接近（Cudina所得特征頻率為147 Hz），均低于泵葉片通過(guò)頻率的基頻，這或許表明低比轉(zhuǎn)速下具有閉式葉輪泵的特征頻率均分布在低頻區(qū).而本研究中，變流量工況下受汽蝕影響顯著的聲壓級(jí)所對(duì)應(yīng)高頻分別為1 000 Hz和2 000Hz，但只有2 000 Hz的聲壓級(jí)曲線在流量為17.02m3／h時(shí)（圖6），汽蝕發(fā)生后聲壓級(jí)峰值較未發(fā)生汽蝕時(shí)增加約2.4dB，其余情形下聲壓級(jí)在汽蝕發(fā)生后甚至略有下降，表明這些高頻信號(hào)在大流量區(qū)噪聲顯著提高不僅與汽蝕有關(guān)，還與流量增大有關(guān).

5 結(jié) 論

（1）在汽蝕發(fā)生前，泵的A 聲級(jí)噪聲隨流量增加而增大，并在高效率區(qū)達(dá)到最大值.當(dāng)泵內(nèi)汽蝕初生時(shí)，A 聲級(jí)噪聲出現(xiàn)顯著下降現(xiàn)象，當(dāng)泵內(nèi)汽蝕完全發(fā)生后，隨流量增加，噪聲則顯著提高.

（2）在變流量情形下，以1 000 Hz和2 000 Hz為代表的高頻聲壓級(jí)對(duì)整體A 聲級(jí)噪聲的形成貢獻(xiàn)較大，其變化與泵的整體A 聲級(jí)噪聲變化一致；各流量下的聲壓級(jí)均呈現(xiàn)隨頻率增加而逐漸上升的趨勢(shì)，大多數(shù)流量下的聲壓級(jí)分別在250 Hz 和1 000Hz時(shí)出現(xiàn)峰值，這2個(gè)噪聲峰值頻率均與葉片通過(guò)頻率相關(guān).

（3）在恒流量情形下，汽蝕發(fā)生前，A 聲級(jí)噪聲幾乎不變，汽蝕發(fā)生后，受泵入口吸入空氣影響，A聲級(jí)噪聲顯著下降；250Hz為本試驗(yàn)用泵的汽蝕特征頻率，發(fā)生汽蝕后該頻率下的聲壓級(jí)存在峰值且比汽蝕前升高了5.9～16.4dB.

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