代翠 孔繁余 董亮 夏斌 柏宇星

摘要： 為降低離心泵反轉(zhuǎn)作液力透平流體誘發(fā)的內(nèi)外場(chǎng)噪聲，基于傾斜程度由葉片和隔舌分?jǐn)偟乃枷耄⒘死硐肭闆r下葉片與隔舌異向傾斜角度關(guān)系式，提出了在保證性能前提下聯(lián)合傾斜葉片與隔舌的主動(dòng)控制降噪方法。在驗(yàn)證內(nèi)場(chǎng)噪聲計(jì)算方法和殼體結(jié)構(gòu)有限元模型的基礎(chǔ)上，分別基于聲學(xué)邊界元法（Boundary Element Method，BEM）和聲學(xué)有限元的自動(dòng)匹配層技術(shù)（Finite Element Method/Automatically Matched Layer，F(xiàn)EM/AML）對(duì)3組不同傾斜角度透平進(jìn)行了內(nèi)外場(chǎng)噪聲數(shù)值研究，分析傾斜隔舌以及聯(lián)合傾斜葉片與隔舌的降噪效果。結(jié)果表明：隔舌傾斜一定角度后，透平效率在全流量范圍內(nèi)均增加，增加幅度約為0.67%～1.81%；同時(shí)傾斜葉片與隔舌后，透平效率與常規(guī)透平基本相同，大流量效率有小幅增加。單純傾斜隔舌透平總聲壓級(jí)降低3.86%～5.93%，總聲功率級(jí)降低0.83%～11.34%；在傾斜葉片和隔舌的聯(lián)合作用下透平總聲壓級(jí)降低4.45%～7.19%，總聲功率級(jí)降低1.08%～12.15%，聯(lián)合作用的降噪效果更佳。關(guān)鍵詞： 降噪； 離心泵； 液力透平； 異向傾斜； 自動(dòng)匹配層

中圖分類(lèi)號(hào)： TB535； TH311文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10044523（2016）04062308

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.04.009

引言

離心泵反轉(zhuǎn)作液力透平是一種回收液體余壓能的理想方法，可以將高壓液體能轉(zhuǎn)化為軸的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)其他耗能機(jī)械[13]。離心泵作透平噪聲有機(jī)械引起的和流體誘發(fā)的噪聲，機(jī)械噪聲的控制方面（如阻振、隔振、吸振、吸聲等）已取得長(zhǎng)足進(jìn)步，而流體誘發(fā)噪聲更為復(fù)雜[4]。

當(dāng)前，降低流體誘發(fā)噪聲成為國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。降低聲源強(qiáng)度是進(jìn)行噪聲控制最為根本的方法，主要分為兩類(lèi)：主動(dòng)降噪和被動(dòng)降噪。主動(dòng)降噪方法主要是通過(guò)改進(jìn)葉片形態(tài)、葉輪形狀、葉片和管道材料等來(lái)降低葉輪機(jī)械的噪聲；被動(dòng)降噪方法是盡量少地使葉輪機(jī)械發(fā)出的噪聲向外界傳播[5]。Dong等[6]利用粒子成像測(cè)速、壓力與噪聲測(cè)量等手段研究了葉輪與隔舌間隙對(duì)離心泵流體誘發(fā)噪聲的影響，指出增大間隙使得葉輪尾跡對(duì)于離心泵噪聲的貢獻(xiàn)可忽略，與剛度有關(guān)的隔舌振動(dòng)對(duì)于離心泵噪聲的貢獻(xiàn)顯著，可以通過(guò)增大間隙、加大隔舌剛度以及在隔舌處貼阻尼片等改變蝸殼形狀的方式降低離心泵結(jié)構(gòu)的輻射噪聲。Neise[7]發(fā)現(xiàn)可以在葉片上開(kāi)槽等方式來(lái)降低噪聲。吳仁榮[8]和黃國(guó)富等[910]較全面地分析了離心泵低噪聲的水力設(shè)計(jì)方法，給出了一些相關(guān)設(shè)計(jì)原則。黃俊雄等[11]數(shù)值研究了有無(wú)短葉片離心泵的旋轉(zhuǎn)偶極子噪聲輻射特性，指出長(zhǎng)短葉片結(jié)構(gòu)能夠改變聲能在頻域上的分布，進(jìn)而降低總聲壓級(jí)。談明高等[12]討論了葉片數(shù)對(duì)離心泵振動(dòng)噪聲的影響。王勇等[13]試驗(yàn)研究了葉片包角對(duì)離心泵空化振動(dòng)和噪聲的影響。丁劍等[1415]通過(guò)試驗(yàn)研究了不同葉片包角及出口寬度對(duì)離心泵流動(dòng)噪聲的影響，考慮到性能給出了最優(yōu)方案。祝磊等[1617]討論了葉輪與隔舌間隙以及階梯隔舌對(duì)泵引發(fā)振動(dòng)的壓力脈動(dòng)、徑向力和扭矩特性的影響規(guī)律。

現(xiàn)有研究主要通過(guò)優(yōu)化葉輪或蝸殼幾何參數(shù)，改進(jìn)葉輪或蝸殼形狀來(lái)降低離心泵流體誘發(fā)噪聲，關(guān)于離心泵反轉(zhuǎn)作透平工況下流體誘發(fā)噪聲的特性及降噪研究較少。且文獻(xiàn)中普遍采用間接邊界元方法對(duì)內(nèi)外聲場(chǎng)同時(shí)求解，未考慮殼體內(nèi)外介質(zhì)不同的特性。本文在研究如何通過(guò)減小葉輪與隔舌動(dòng)靜干涉程度、降低同相位脈動(dòng)水動(dòng)力作用面積的基礎(chǔ)上，提出了在保證性能前提下聯(lián)合傾斜葉片與隔舌的主動(dòng)控制降噪方法。在對(duì)內(nèi)場(chǎng)噪聲和殼體結(jié)構(gòu)模態(tài)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，分別采用BEM方法與FEM/AML方法對(duì)比分析了傾斜隔舌以及異向傾斜葉片和隔舌對(duì)離心泵作透平內(nèi)外聲場(chǎng)的降噪效果，證實(shí)其對(duì)協(xié)同提升水力和噪聲性能的可行性。

1異向傾斜葉片隔舌主動(dòng)控制降噪理論將葉片出口從前蓋板至后蓋板在周向上逐漸錯(cuò)開(kāi)位置（即傾斜葉片），則每個(gè)葉片不再是同時(shí)掃過(guò)隔舌，而是在一段時(shí)間間隔內(nèi)逐漸地掃過(guò)隔舌，水流從前蓋板到后蓋板非定常相互作用產(chǎn)生了一定的相位差，使得同相位脈動(dòng)水動(dòng)力作用面積減小，進(jìn)而降低了輻射噪聲[18]。

Abstract： Aiming at reducing fluidinduced noise in interior/exterior noise of centrifugal pump as turbine （PAT）， based on the blade and tongue′s paying their leaning share， the angle formula associated with counterleaning blade and tongue in ideal condition was derived. Meanwhile， the noisereduction activecontrol approach was put forward by joint leaning blade and tongue， without losing hydraulic performance. In the validation of calculation method of interior noise and finite element model of casing structure， the boundary element method （BEM） and finite element method/automatically matched layer technology （FEM/AML） was respectively used to study interior and exterior noise for three PATs by varying the shape of tongue. The noise reduction effects by leaning tongue as well as joint leaning blade and tongue were subsequently analyzed. Researches show that the leaned tongue can significantly improve PAT′s efficiency over an overall flow range， with an increase of 0.67%～1.81%. While， PAT′s original performance can be maintained by joint leaning blade and tongue， with a slight increase in larger flow rates. Simply by leaning tongue， the total sound pressure level of PAT can be reduced by 3.86%～5.93%， and the total sound power level can be lowered by 0.83%～11.34%. Under the joint action， the total sound pressure level is reduced by 4.45%～7.19%， and the total sound power level is lowered by 1.08%～12.15%. The noise reduction effect of joint action is better.

Key words： noise reduction； centrifugal pump； hydraulic turbine； counter lean； automatically matched layer