楊　帆　高　慧　劉　超　趙浩儒　湯方平,

(1.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院， 揚(yáng)州 225127； 2.江蘇省水利動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 揚(yáng)州 225009)

0　引言

泵裝置的噪聲主要包括流體動(dòng)力噪聲和機(jī)械噪聲兩種，流體動(dòng)力噪聲主要是由壓力脈動(dòng)和汽蝕引起的噪聲，機(jī)械噪聲為機(jī)械運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生。機(jī)械噪聲可通過有效措施予以消減和隔離，但流體動(dòng)力噪聲則會(huì)隨流體本身傳播，較難消減。針對(duì)泵裝置內(nèi)部流體動(dòng)力噪聲根源，國內(nèi)外學(xué)者已開展了相關(guān)研究工作：鄭源等[1]基于RANS方程和SSTk-ω湍流模型研究了混流泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)及其對(duì)流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲的影響；袁壽其等[2]采用壓力脈動(dòng)傳感器和水聽器對(duì)離心泵出口的脈動(dòng)和流動(dòng)噪聲進(jìn)行了測(cè)試分析；GROKHOVSKII[3]提出了多級(jí)泵低噪聲設(shè)計(jì)的原則和方法；CHEN等[4]采用混合數(shù)值方法數(shù)值求解了離心泵內(nèi)部流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲和結(jié)構(gòu)振動(dòng)。通過對(duì)文獻(xiàn)的分析總結(jié)，國內(nèi)外對(duì)泵噪聲的研究主要集中于混流泵和離心泵[5-9]，對(duì)噪聲的誘導(dǎo)原因——壓力脈動(dòng)的研究主要采用數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)。研究對(duì)象主要集中于各類型泵[10-14]。低揚(yáng)程泵裝置不僅包括泵還有進(jìn)出水流道，出水流道受泵的影響大且出水流道內(nèi)部流態(tài)復(fù)雜[15-17]。當(dāng)前對(duì)低揚(yáng)程泵裝置出水流道的研究主要集中于流道的三維定常流場(chǎng)及數(shù)值優(yōu)化分析[18-20]，通過文獻(xiàn)的分析可知，出水流道對(duì)低揚(yáng)程泵裝置性能的影響較顯著[15-17]，而對(duì)出水流道內(nèi)流脈動(dòng)及其誘導(dǎo)噪聲的研究較少。本文基于立式軸流泵裝置整體物理模型采用壓力脈動(dòng)和噪聲測(cè)試對(duì)出水流道的內(nèi)部脈動(dòng)及流動(dòng)噪聲進(jìn)行分析，為泵裝置水力降噪和運(yùn)行穩(wěn)定性提供參考。

1　試驗(yàn)裝置與測(cè)試方法

立式軸流泵裝置物理模型包括進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉體和出水流道4部分。葉輪型號(hào)為ZM55，葉輪名義直徑為120 mm，輪轂比為0.40，葉片數(shù)為4，葉片安放角為0°，葉頂平均間隙為0.2 mm。導(dǎo)葉體葉片數(shù)為5。出水流道為直管式結(jié)構(gòu)，等效擴(kuò)散角為2.41°，進(jìn)口為圓形，出口為矩形，流道型線變化均勻。泵裝置物理模型試驗(yàn)在Φ120 mm水力機(jī)械閉式循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試，試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　立式軸流泵裝置模型試驗(yàn)臺(tái)Fig.1　Pumping system model test bench

壓力脈動(dòng)測(cè)試采用CY302型高精度數(shù)字壓力傳感器，噪聲測(cè)試采用RHS-20型標(biāo)準(zhǔn)水聽器。在出水流道壁面共設(shè)置了4個(gè)傳感器，相鄰兩傳感器間夾角為90°，4個(gè)脈動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)的同步采集通過485集線器和數(shù)據(jù)采集軟件來實(shí)現(xiàn)，待脈動(dòng)測(cè)試結(jié)束后用水聽器替換流道頂部的脈動(dòng)傳感器，噪聲測(cè)試采用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集。脈動(dòng)傳感器及水聽器的布置如圖2所示。

圖2　脈動(dòng)傳感器及水聽器布置圖Fig.2　Diagram of pulsation sensors and hydrophone locations1.壓力脈動(dòng)傳感器　2.水聽器

壓力脈動(dòng)和噪聲均在立式軸流泵裝置能量性能試驗(yàn)的條件下進(jìn)行同步測(cè)試，能量性能試驗(yàn)按文獻(xiàn)[21]要求進(jìn)行，測(cè)試了1 450、1 800、2 200 r/min共3個(gè)不同轉(zhuǎn)速時(shí)出水流道壁面各測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)及流道內(nèi)部噪聲。

2　試驗(yàn)可靠性分析

為驗(yàn)證Φ120 mm水力機(jī)械閉式循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)的可靠性，在相同的測(cè)試方法和運(yùn)行工況時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速2 200 r/min時(shí)立式軸流泵裝置能量性能進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，各工況采用流量比進(jìn)行比較，流量比RQ的計(jì)算式為

(1)

式中RQ——流量比

Qi——第i個(gè)工況時(shí)泵裝置流量

Qbep——最優(yōu)工況時(shí)泵裝置流量

經(jīng)分析，在相同轉(zhuǎn)速時(shí)不同試驗(yàn)所得立式軸流泵裝置的流量比-揚(yáng)程曲線重復(fù)性很好(圖3)，在相近工況時(shí)采集的數(shù)據(jù)結(jié)果十分接近，表明了該試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試結(jié)果的可靠性。在立式軸流泵裝置能量性能試驗(yàn)的基礎(chǔ)上依次進(jìn)行出水流道的脈動(dòng)和噪聲測(cè)試分析研究。

圖3　立式軸流泵裝置能量性能重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果Fig.3　Energy performance curves of repetitive experiment

3　脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1　脈動(dòng)幅值分析

出水流道的壓力脈動(dòng)幅值采用壓力的均方根(Root mean square，RMS)進(jìn)行分析，RMS具有較小的數(shù)值離散程度，可較好地表征壓力脈動(dòng)的能量水平，是信號(hào)幅值分析的主要參數(shù)之一，脈動(dòng)幅值的均方根PRMS計(jì)算式為

(2)

式中Pj——壓力的第j次測(cè)量值

N——數(shù)據(jù)采集的個(gè)數(shù)

對(duì)立式軸流泵裝置出水流道壁面的4個(gè)壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，共分析了1 450、1 800、2 200 r/min共3個(gè)不同轉(zhuǎn)速時(shí)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)15個(gè)采樣周期內(nèi)的脈動(dòng)數(shù)據(jù)，圖4為不同轉(zhuǎn)速時(shí)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的均方根。相同流量比時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)幅值均方根均隨轉(zhuǎn)速的增加而增加。相同轉(zhuǎn)速時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)幅值均方根均隨著流量比的增大而減小，小流量工況(流量比RQ小于1.0)時(shí)脈動(dòng)幅值均方根與流量比的曲線斜率要大于大流量工況(流量比RQ大于1.0)，大流量工況時(shí)出水流道壓力脈動(dòng)幅值衰減速度要快。出水流道壁面對(duì)稱的監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1和P3的脈動(dòng)幅值均方根差異較小，對(duì)稱的監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2和P4的脈動(dòng)幅值均方根差異明顯，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)P4的脈動(dòng)幅值均方根小于監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2，主要因?yàn)樾×髁抗r時(shí)出水流道內(nèi)部流態(tài)受導(dǎo)葉體出口剩余環(huán)量和泵裝置流量的雙重影響，流量比越小導(dǎo)葉體出口剩余環(huán)量的影響越顯著，出水流道內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)越紊亂，水流未呈軸向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致脈動(dòng)幅值較大，而大流量工況時(shí)出水流道內(nèi)部水流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)呈軸向流動(dòng)。

圖4　不同轉(zhuǎn)速時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)幅值的均方根Fig.4　PRMS values of different measuring points at different rotational speeds

引入出水流道脈動(dòng)幅值均方根的平均值分析出水流道內(nèi)流脈動(dòng)受轉(zhuǎn)速影響的定量變化規(guī)律，脈動(dòng)幅值均方根的平均值為相同工況時(shí)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)幅值均方根的平均值，選取小流量工況(RQ=0.6)、最優(yōu)工況(RQ=1.0)和大流量工況(RQ=1.2)3個(gè)特征工況進(jìn)行對(duì)比分析，不同轉(zhuǎn)速時(shí)3個(gè)特征工況出水流道內(nèi)流脈動(dòng)幅值均方根的平均值如圖5所示。

圖5　不同轉(zhuǎn)速時(shí)流道內(nèi)流脈動(dòng)幅值均方根的平均值Fig.5　Average PRMS values of outlet conduit internal flow

相同流量比時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速從1 450 r/min增至1 800 r/min時(shí)，各測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)幅值均方根的平均值增幅均大于轉(zhuǎn)速從1 800 r/min增至2 200 r/min時(shí)各測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)幅值均方根的平均值增幅，在流量比RQ=0.6時(shí)兩次轉(zhuǎn)速增加后出水流道內(nèi)流脈動(dòng)幅值均方根的平均值增幅僅相差約0.06%，流量比RQ=1.2時(shí)兩次轉(zhuǎn)速增速后出水流道內(nèi)流脈動(dòng)幅值均方根的平均值增幅差異較大，約為18.27%，流量比RQ=1.0時(shí)兩次轉(zhuǎn)速增加后出水流道內(nèi)流脈動(dòng)幅值均方根平均值增幅介于兩者之間。轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min、流量比RQ=0.6時(shí)壓力脈動(dòng)均方根的平均值是流量比RQ=1.2時(shí)的2.33倍，且隨轉(zhuǎn)速增加，該比值也逐漸增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速增至2 200 r/min時(shí)，比值為3.92倍，出水流道內(nèi)流脈動(dòng)幅值的增幅未與轉(zhuǎn)速的增量呈線性關(guān)系，主要因?yàn)椴煌D(zhuǎn)速時(shí)導(dǎo)葉體出口剩余環(huán)量不同，導(dǎo)葉體出口剩余環(huán)量和流量對(duì)出水流道進(jìn)口的橫向速度分布產(chǎn)生直接影響，從而影響出水流道內(nèi)部流態(tài)，導(dǎo)致不同轉(zhuǎn)速、不同流量比時(shí)各測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)幅值存在差異。隨轉(zhuǎn)速增加，流量比RQ=0.6時(shí)出水流道內(nèi)流脈動(dòng)幅值均方根的平均值增量大于流量比RQ=1.0和RQ=1.2，且脈動(dòng)幅值均方根的平均值增量隨流量的增大而逐漸減小。結(jié)果表明了出水流道內(nèi)流水力脈動(dòng)受轉(zhuǎn)速和流量的雙重影響，小流量高揚(yáng)程工況出水流道內(nèi)流脈動(dòng)受轉(zhuǎn)速的影響更顯著，從出水流道內(nèi)流脈動(dòng)幅值分析，應(yīng)盡量避免低揚(yáng)程泵裝置在小流量工況運(yùn)行。

3.2　脈動(dòng)頻譜分析

采用加窗hannning函數(shù)的短時(shí)傅里葉變換對(duì)采集的壓力脈動(dòng)時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，不同轉(zhuǎn)速時(shí)出水流道4個(gè)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)頻譜如圖6～8所示。相同轉(zhuǎn)速下不同流量比時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)主頻存在差異性；不同轉(zhuǎn)速下相同流量比時(shí)相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)主頻也存在差異性；不同轉(zhuǎn)速下不同流量比時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)主頻以51 Hz為主，脈動(dòng)主頻和脈動(dòng)次主頻均未與轉(zhuǎn)頻呈整倍數(shù)關(guān)系，脈動(dòng)主頻和次主頻均在200 Hz范圍內(nèi)，為低頻脈動(dòng)，出水流道受測(cè)區(qū)域離導(dǎo)葉體出口的沿程距離約為6.43倍葉輪名義直徑，此時(shí)轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉體的動(dòng)靜干擾引起的壓力脈動(dòng)對(duì)上游的影響很小，脈動(dòng)頻率主要為水流自身旋轉(zhuǎn)引起的低頻脈動(dòng)。結(jié)果表明了出水流道內(nèi)流受導(dǎo)葉體出口剩余環(huán)量和流量的雙重影響導(dǎo)致流道內(nèi)部流動(dòng)未呈對(duì)稱流動(dòng)，流道內(nèi)部各處的脈動(dòng)存在差異性。在小流量工況和最優(yōu)工況時(shí)，同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)主頻幅值隨轉(zhuǎn)速的增加脈動(dòng)主頻幅值先減小后增大；而在大流量工況時(shí)，同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)主頻幅值隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，大流量工況時(shí)脈動(dòng)幅值較大的頻帶范圍比小流量工況和最優(yōu)工況要寬，大流量工況時(shí)出水流道內(nèi)流脈動(dòng)受流速的影響更為明顯。

圖6　各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)頻譜(n=1 450 r/min)Fig.6　Frequency domains of different measuring points at 1 450 r/min

圖7　各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)頻譜(n=1 800 r/min)Fig.7　Frequency domains of different measuring points at 1 800 r/min

圖8　各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)頻譜(n=2 200 r/min)Fig.8　Frequency domains of different measuring points at 2 200 r/min

4　噪聲試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖9給出了不同轉(zhuǎn)速時(shí)3種特征工況出水流道流動(dòng)噪聲的頻譜圖。相同流量比時(shí)出水流道內(nèi)部流動(dòng)噪聲的聲壓級(jí)隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，轉(zhuǎn)速從1 450 r/min增速至2 200 r/min時(shí)，小流量工況(0.6Qbep)流動(dòng)噪聲的聲壓級(jí)增加了6.56%，大流量工況(1.2Qbep)流動(dòng)噪聲的聲壓級(jí)增加了5.39%，最優(yōu)工況(Qbep)流動(dòng)噪聲的聲壓級(jí)增加了12.55%，轉(zhuǎn)速對(duì)最優(yōu)工況(Qbep)時(shí)出水流道流動(dòng)噪聲影響最大。在最優(yōu)工況(Qbep)時(shí)出水流道內(nèi)部流動(dòng)噪聲的聲壓級(jí)最小。對(duì)相同轉(zhuǎn)速時(shí)各工況出水流道內(nèi)部流動(dòng)噪聲取平均值，轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min時(shí)出水流道內(nèi)部流動(dòng)噪聲的平均值為73.23 dB，轉(zhuǎn)速n=1 800 r/min時(shí)出水流道內(nèi)部流動(dòng)噪聲的平均值為76.60 dB，轉(zhuǎn)速n=2 200 r/min時(shí)出水流道內(nèi)部流動(dòng)噪聲的平均值為79.13 dB，隨轉(zhuǎn)速的增加，出水流道內(nèi)部流動(dòng)噪聲的聲壓級(jí)也逐漸增加。相同轉(zhuǎn)速時(shí)，出水流道內(nèi)部的流動(dòng)噪聲隨流量的增加呈先減小后增大的趨勢(shì)。最優(yōu)工況時(shí)出水流道內(nèi)部流動(dòng)噪聲的聲壓級(jí)相對(duì)較小，主要原因是最優(yōu)工況時(shí)導(dǎo)葉體出口剩余環(huán)量小，水流在出水流道內(nèi)部流動(dòng)方向的變化程度較弱，導(dǎo)致水流對(duì)流道內(nèi)壁面的沖擊力相對(duì)較小。

圖9　不同轉(zhuǎn)速時(shí)出水流道內(nèi)流噪聲的頻譜圖Fig.9　Variations of frequency spectrums of noise with different rotational speeds

不同轉(zhuǎn)速時(shí)各工況出水流道流動(dòng)噪聲的主頻均為427 Hz，流動(dòng)噪聲的次主頻分布在550～600 Hz之間，流動(dòng)噪聲的主頻與壓力脈動(dòng)的主頻存在差異性，因流動(dòng)噪聲的主頻受壓力脈動(dòng)主頻及流道結(jié)構(gòu)固有頻率的綜合影響，從流動(dòng)噪聲的頻率可知，出水流道內(nèi)部流動(dòng)噪聲頻率未受轉(zhuǎn)頻及葉片數(shù)的雙重影響，出水流道內(nèi)部不穩(wěn)定流動(dòng)產(chǎn)生的噪聲遠(yuǎn)大于葉片和導(dǎo)葉動(dòng)靜干涉所誘發(fā)的噪聲。出水流道內(nèi)部流動(dòng)噪聲的產(chǎn)生主要因?yàn)槌鏊鞯肋^流斷面面積不斷變化，水流在出水流道內(nèi)部做非定常流動(dòng)，水流方向不斷變化，湍流流動(dòng)，水流對(duì)流道壁面產(chǎn)生沖擊、水流與流道壁面的摩擦，以及水流經(jīng)過90°彎頭時(shí)對(duì)流道壁面產(chǎn)生的沖擊等原因誘發(fā)的流動(dòng)噪聲。通過試驗(yàn)結(jié)果分析可知，泵裝置的出水流道與常規(guī)的過流管道的水流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)不同，流道內(nèi)部的噪聲不僅受流速的單一條件影響，還受導(dǎo)葉體出口剩余速度環(huán)量的影響，對(duì)降低出水流道內(nèi)部流動(dòng)噪聲不能獨(dú)立地優(yōu)化出水流道的三維形體，而需考慮水泵與出水流道的匹配、水泵的轉(zhuǎn)速和流量3個(gè)因素。

5　結(jié)論

(1)相同流量比時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)幅值均方根均隨轉(zhuǎn)速的增加而增加。相同轉(zhuǎn)速時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)幅值均方根均隨著流量比的增大而減小，小流量工況(流量比小于1.0)時(shí)脈動(dòng)幅值均方根與流量比的曲線斜率大于大流量工況(流量比大于1.0)，大流量工況時(shí)出水流道壓力脈動(dòng)幅值衰減速度較快。隨轉(zhuǎn)速增加，在小流量工況時(shí)，出水流道內(nèi)流脈動(dòng)幅值均方根的平均值增量大于大流量工況和最優(yōu)工況。根據(jù)出水流道內(nèi)流脈動(dòng)幅值分析，應(yīng)盡量避免低揚(yáng)程泵裝置在小流量工況運(yùn)行。

(2)相同轉(zhuǎn)速時(shí)，不同流量比各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)主頻存在差異性；不同轉(zhuǎn)速下相同流量比時(shí)相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)主頻也存在差異性；不同轉(zhuǎn)速下不同流量比時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)主頻以51 Hz為主，脈動(dòng)主頻和脈動(dòng)次主頻均未與轉(zhuǎn)頻呈整倍數(shù)關(guān)系，脈動(dòng)主頻和次主頻均在200 Hz范圍內(nèi)，均為低頻脈動(dòng)。大流量工況時(shí)脈動(dòng)幅值較大的頻帶范圍比小流量工況和最優(yōu)工況要寬。

(3)相同流量比時(shí)，出水流道內(nèi)部流動(dòng)噪聲的聲壓級(jí)隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，這與流道內(nèi)部脈動(dòng)幅值的變化規(guī)律相同，出水流道內(nèi)流脈動(dòng)程度越強(qiáng)，流動(dòng)噪聲水平越強(qiáng)。轉(zhuǎn)速對(duì)最優(yōu)工況時(shí)出水流道流動(dòng)噪聲的影響較明顯。相同轉(zhuǎn)速時(shí)，出水流道內(nèi)部的流動(dòng)噪聲隨流量的增加呈先減小后增大的趨勢(shì)。

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