劉騰巖，馮 超，楊孟子，陶 金，朱華倫

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011）

0 引言

空化的產(chǎn)生不僅會導(dǎo)致泵的揚程和效率的降低，還會引起嚴重的振動和強烈的輻射噪聲［1-5］，同時長時間的嚴重汽蝕還會損害葉輪、導(dǎo)葉等過流部件，造成不可挽回的損失［6］?？栈F(xiàn)象對泵的安全穩(wěn)定運行極為不利，因此空化問題已成為泵研究設(shè)計及工程運用中面臨的重要問題，得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

對于各類推進泵空化誘導(dǎo)［7］時的振動與噪聲問題，張德勝等［8］利用高頻壓力傳感器及振動加速度傳感器研究軸流泵水力模型的壓力脈動及振動特性，發(fā)現(xiàn)試驗泵不同位置處的振動以流體誘導(dǎo)的低頻信號和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)質(zhì)量不均勻誘導(dǎo)的軸頻及其倍頻為主要特征信號。CUDINA［9］利用噪聲信號對汽蝕進行了研究，研究表明在半倍葉頻位置，汽蝕初生噪聲與完全發(fā)展的汽蝕噪聲之間信噪比足夠高。胡芳芳等［10］對導(dǎo)葉式混流泵的振動噪聲進行了試驗研究，結(jié)果表明壓力脈動及其引起的振動和噪聲主要是由葉輪與導(dǎo)葉之間的動靜干涉引起的，壓力脈動對混流泵入口噪聲的輻射具有重要的影響。振動噪聲變化規(guī)律與壓力脈動變化規(guī)律一致，因而可通過監(jiān)測壓力脈動變化規(guī)律了解泵的中低頻和入口噪聲輻射情況。李忠等［11］對軸流泵模型不同空化程度時的振動加速度進行了動態(tài)多點測量和分析，得到了振動加速度的特征頻率隨汽蝕余量的變化規(guī)律。王勇等［12］進行了離心泵非設(shè)計工況空化振動噪聲試驗研究，結(jié)果表明不同流量下，隨著NPSH 的下降，振動加速度和聲壓級先保持不變?nèi)缓竺黠@升高，可以初步判斷泵的初生空化余量，為進一步分析空化初生機理提供了一定的參考。

盡管目前國內(nèi)外學(xué)者對各類推進泵內(nèi)的噪聲及振動開展了諸多的研究工作，取得了一些階段性的成果，但其研究往往只單獨研究泵某一特定位置的振動特性或者噪聲特性，由于混流泵內(nèi)振動與噪聲有著密切的聯(lián)系，了解混流泵內(nèi)振動與噪聲的關(guān)系將有助于控制、降低振動與輻射噪聲，從而達到提高混流泵運行穩(wěn)定性的目的［13-15］。因此，本文通過對混流模型泵的輻射噪聲及振動特性進行同步動態(tài)測量，重點對各主要測點的噪聲及振動加速度隨空化誘導(dǎo)的變化規(guī)律進行分析，研究混流泵在空化發(fā)展過程中誘導(dǎo)輻射噪聲與振動的變化規(guī)律及特點，建立空化誘導(dǎo)混流泵輻射噪聲信號與振動信號之間的聯(lián)系，為混流泵的空化監(jiān)測、有效預(yù)防及工程設(shè)計提供實際參考依據(jù)。

1 試驗裝置及試驗方法

試驗在某研究院噴水推進泵閉式試驗臺上開展。該模型泵額定轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min，額定流量Qopt=0.43 m3/s，葉輪葉片數(shù)Z=6，將2 支B&K 8103水聽器通過齊平安裝方式安裝于泵進口及出口的4 倍管徑處，3 只KISTLER 8688A50 加速度傳感器分別位于：進口管1#、靜動間法蘭2#以及出口管3#，如圖1 所示，其中加速度傳感器的進口及出口位置位于泵進口及出口的4 倍管徑處，與水聽器位于同一截面。

在試驗過程中，模型泵運行穩(wěn)定后，啟動真空泵，降低汽蝕筒內(nèi)壓力，逐漸減小有效汽蝕余量NPSHa，每次變化均保證試驗過程中模型泵的運行流量保持不變，至泵揚程下降3%得到臨界汽蝕余量NPSH3，并使用SIEMENS LMS 采集器同步高頻采集噪聲及振動信號。

2 試驗結(jié)果與分析

取振動加速度信號時間T 內(nèi)信號幅值的均方根RMS 代表單位時間內(nèi)的平均功率表征信號強度，均方根值XRMS定義為：

式中，Xi為振動加速度信號測量值，m/s2。

聲壓級的計算式如下：

式中，p 為聲壓的有效值，Pa；p0為基準聲壓，Pa，在水中的基準聲壓為1×10-6Pa。

通過試驗及計算得到了5 種工況（0.8Qopt，0.9Qopt，1.0Qopt，1.1Qopt，1.2Qopt）下各測點的聲壓級、振動加速度級隨汽蝕余量NPSH 的變化情況。

圖2 示出各流量點下臨界汽蝕余量試驗曲線，可以發(fā)現(xiàn)隨著流量的逐漸增大，臨界汽蝕余量逐漸減小，抗空化能力逐漸增強。

圖2 各流量下臨界汽蝕余量曲線Fig.2 Curve of critical cavitation allowance at each flow rate

2.1 進出口噪聲分析

圖3 示出額定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min 時，額定流量為0.43 m3/s 下進口及出口處的噪聲聲壓有效值譜（0～300 Hz）。

圖3 進、出口噪聲聲壓有效值譜Fig.3 Effective value spectrum of inlet and outlet noise sound pressure

從圖3 可以看出，在頻段0～300 Hz 范圍內(nèi)，泵進口處的噪聲聲壓要遠小于出口處的噪聲聲壓，且數(shù)值相差較大，說明混流泵的主要噪聲源更靠近出口位置并沿著水流方向傳播，進口與出口處噪聲均在軸頻及其倍頻處出現(xiàn)峰值，該泵額定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min 時，對應(yīng)得到的軸頻約為24 Hz，進口及出口噪聲在1 倍軸頻處出現(xiàn)最大值，同時在軸頻的6 倍頻（1 倍葉頻）處有明顯的峰值，進口及出口噪聲有效值譜譜線變化趨勢較為相似。

圖4 示出在不同流量下進、出口處總聲壓級隨汽蝕余量變化曲線（以額定流量下聲壓級作為參考進行歸一化處理）。

圖4 進、出口總聲壓級隨汽蝕余量變化Fig.4 Change of total sound pressure level at inlet and outlet with NPSH

從圖4（a）中可見，在不同流量下，進口處噪聲總聲壓級的變化規(guī)律較為相似，隨著壓力的逐漸減小，汽蝕余量逐漸減小，進口處的輻射噪聲先逐漸增大，達到極值后呈現(xiàn)減小的趨勢。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，在0.8Qopt，0.9Qopt，1.0Qopt時汽蝕余量比常壓時下降約25%出現(xiàn)輻射噪聲極值，而隨著流量的增大，在1.1Qopt，1.2Qopt時汽蝕余量比常壓時下降約20%出現(xiàn)輻射噪聲極值。隨著壓力的逐漸減小至達到臨界汽蝕余量時，進口處的輻射噪聲一直呈現(xiàn)減小趨勢，且下降趨勢較為明顯。從圖4（b）中可以發(fā)現(xiàn)，出口處噪聲總聲壓級明顯高于進口處噪聲總聲壓級，在不同流量下出口處噪聲總聲壓級的變化規(guī)律較為相似，隨著壓力的逐漸減小，汽蝕余量逐漸減小，出口處的輻射噪聲先逐漸增大，達到極值后呈減小趨勢，后又逐漸增大。在不同流量下，出口處噪聲總聲壓級均在汽蝕余量比常壓時下降30%～40%的范圍內(nèi)出現(xiàn)第一次峰值。在0.9Qopt，1.0Qopt流量下在第二次達到峰值后總聲壓級還出現(xiàn)了下降趨勢，第二次峰值出現(xiàn)在汽蝕余量比常壓時下降約50%處。在臨界汽蝕余量時與常壓時出口處的輻射噪聲聲壓級相差5～10 dB，相較于進口處聲壓級變化較小，但變化規(guī)律比較明顯，因此，進口處與出口處輻射噪聲均可用于監(jiān)測泵的空化現(xiàn)象。

2.2 泵體及進出口管道振動強度分析

定義三向振動加速度傳感器的X 軸為泵垂直徑向、Y 軸為泵水平徑向、Z 軸為泵軸向，每個方向相互垂直。泵體靜動間、進口、出口處各方向振動加速度強度用無量綱系數(shù)S 表示，其隨著NPSH變化情況如圖5 所示。從圖5 中可見，在泵體振動最強烈的靜動間處各方向振動強度變化趨勢一致，但泵垂直徑向的振動強度最大、軸向次之、水平徑向振動最弱，說明泵體靜動間處的垂直徑向振動和軸向均可以作為空化誘導(dǎo)現(xiàn)象的監(jiān)測方向，變化較為明顯。隨著空化誘導(dǎo)流體壓力脈動強度增大導(dǎo)致泵內(nèi)產(chǎn)生流態(tài)不穩(wěn)定因素，累積至一定程度后使泵靜動間等部位發(fā)生劇烈振動，并與空泡潰滅、轉(zhuǎn)子振動等混合使泵體各部分振動產(chǎn)生明顯變化。進出口處的各方向振動強度與泵體靜動間處存在明顯差異，進口處的各向振動強度明顯小于出口處，進口處各方向振動變化趨勢較為相似，均為先增大到峰值后逐漸減弱，這是因為葉輪對液流的抽吸作用在葉片吸力面形成較大范圍的低壓區(qū)，氣、液兩相流向葉輪出口方向運動，進口處流場受到空化誘導(dǎo)影響較小，并且隨著空化的逐步發(fā)展，氣體累積干擾了振動向殼體壁面的傳導(dǎo)，當(dāng)空化發(fā)展到葉輪整個旋轉(zhuǎn)周期都處于空化區(qū)內(nèi)時，進口處振動強度逐漸減弱。而在出口處振動能量主要集中在軸向，垂直徑向與水平徑向的振動強度明顯小于軸向且強度變化不明顯，所以在出口位置選擇軸向作為監(jiān)測方向較為合適，因此選擇混流泵空化振動監(jiān)測方向時，需要根據(jù)不同位置確定其振動監(jiān)測方向。出口處振動強度的變化情況與進口處變化趨勢比較相似，各方向振動強度先逐漸增大到極值后又逐漸減小。

圖5 額定流量下各測點各方向振動強度隨NPSH 變化Fig.5 Change of vibration acceleration intensity coefficient S with NPSH in all directions at each measuring point at rated flow rate

不同流量下不同測點位置振動強度隨汽蝕余量變化如圖6 所示。

圖6 不同流量下不同測點位置振動強度隨汽蝕余量變化Fig.6 Change of vibration intensity at different measuring points with NPSH at different flow rates

從圖6 可以發(fā)現(xiàn)，在不同流量下混流泵發(fā)生空化現(xiàn)象時，同一位置相同方向的振動強度變化趨勢基本保持一致，說明空化狀態(tài)下各測點振動強度的變化規(guī)律一致，泵體靜動間處由于空化誘導(dǎo)使泵體靜動間發(fā)生劇烈振動，并與空泡潰滅、轉(zhuǎn)子振動等混合，所以振動呈現(xiàn)逐漸增大趨勢。在進口處垂直徑向上，與進口處噪聲變化規(guī)律一致，在0.8Qopt，0.9Qopt，1.0Qopt時汽蝕余量比常壓時下降約25%出現(xiàn)振動強度極值，在1.1Qopt，1.2Qopt時汽蝕余量比常壓時下降約20%出現(xiàn)振動強度極值，說明進口處振動與噪聲高度相關(guān)，進口處振動與噪聲變化規(guī)律一致，可以通過振動來反映噪聲的變化趨勢。而在出口軸向上，不同流量下均在汽蝕余量比常壓時下降約40%～50%出現(xiàn)振動強度極值，與出口處噪聲變化規(guī)律存在一定差異，振動強度峰值出現(xiàn)時汽蝕余量要小于出口處噪聲聲壓級強度出現(xiàn)峰值時的汽蝕余量。對比進口和出口處的振動與噪聲可以發(fā)現(xiàn)，進口處比出口處更適宜用來評價混流泵的空化誘導(dǎo)現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

（1）混流泵出現(xiàn)空化誘導(dǎo)時，進、出口處噪聲分別在1 倍軸頻24 Hz 和1 倍葉頻145 Hz 處出現(xiàn)峰值。進口處的輻射噪聲先逐漸增大，在揚程下降約1%處達到極值后呈現(xiàn)減小趨勢。出口處的輻射噪聲先逐漸增大，達到極值后呈減小趨勢，之后又逐漸增大。

（2）泵體振動最強烈的靜動間處泵垂直徑向的振動強度最大、軸向次之，在進口處垂直徑向振動強度最大，在出口處軸向振動強度最大，因此選擇混流泵空化振動監(jiān)測方向時，需要根據(jù)不同位置確定其振動監(jiān)測方向。

（3）進口處振動與噪聲變化規(guī)律一致，在汽蝕余量比常壓時下降20%～25%處出現(xiàn)極大值，可以通過振動來反映噪聲的變化趨勢。出口處振動與噪聲變化規(guī)律存在一定差異，振動強度峰值出現(xiàn)時汽蝕余量要小于出口處噪聲聲壓級強度出現(xiàn)峰值時的汽蝕余量。進口處比出口處更適宜用來評價混流泵的空化誘導(dǎo)現(xiàn)象。