船用艙底泵系統(tǒng)脈動壓力抑制研究

蔡標(biāo)華，丁 煒，俞 健，白亞鶴

(1.武漢第二船舶設(shè)計研究所，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壓力過大的問題，從而引起系統(tǒng)在輸送流體過程中存在較大的振動和噪聲。本文針對艙底泵壓力脈動機理，提出了艙底泵系統(tǒng)脈動壓力抑制的解決方案。系統(tǒng)改進(jìn)前后對比試驗表明，系統(tǒng)內(nèi)部脈動壓力得到了顯著抑制，采用的脈動消減裝置具有較好的應(yīng)用前景。

艙底泵系統(tǒng);脈動壓力;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，其對輸送小流量高揚程的介質(zhì)具有一定優(yōu)勢，但由于活塞在往復(fù)運動過程中存在著流量不連續(xù)的固有特點，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，使系統(tǒng)在流體輸送過程中出現(xiàn)不可避免的沖擊和振動。這不僅可能會造成管路及其附件的損壞，管路振動還會通過各種連接件傳遞給船體，引起船體結(jié)構(gòu)振動，導(dǎo)致船體的環(huán)境振動和環(huán)境噪聲增大［1］。

1 艙底泵壓力脈動機理

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打開和關(guān)閉?；钊c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)運動時，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)泵曲柄傳動原理，圖2為瞬時排量與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線。其中Qc表示平均排量?？梢钥闯?，活塞在上死點時，運動速度為0，瞬時排量為0;活塞運動到一半行程時，運動速度最大，瞬時排量也最大;活塞運動到下死點時，瞬時排量又為0。

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

2 脈動消減裝置設(shè)計

針對艙底泵的壓力脈動機理，可在系統(tǒng)管路中安裝脈動消減裝置，以抑制系統(tǒng)內(nèi)部壓力脈動的幅值。脈動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。外接法蘭提供對外接口，同時保持內(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，以保證其強度。工作原理為:不可壓縮流體流經(jīng)擴張室時，隨著流體脈動壓力的變化，擴張室的體積發(fā)生變化，流體壓力脈動必將下降，即將氣體的膨脹收縮反過來變成流體腔體的膨脹收縮，能降低流體中產(chǎn)生的脈動壓力;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和管路機械振動。

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

3 脈動壓力抑制效果計算

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

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

由管路波動方程可得［3］:

式中:ω為脈動角頻率;l為管路長度;a為流體介質(zhì)中的聲速;Zc為管路特性阻抗，Zc=ρa/A，ρ為流體密度，A為管路橫截面積;Zp為脈動消減裝置阻抗，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/A=4.52e8，脈動角頻率ω=2π·(4·170)/60=22.6π。假定管路長度l=5 m，并將上述數(shù)據(jù)代入式(5)，可計算壓力脈動抑制效果為:

4 試驗驗證及結(jié)果分析

4.1 試驗方法

試驗系統(tǒng)主要由艙底泵組、脈動消減裝置試驗接口、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5)的開度，可改變系統(tǒng)壓力。

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

式中:n為計算頻率范圍內(nèi)的頻率點數(shù);Pr為參考壓力，取1.0 Pa;Pi為第i個頻率點處的壓力脈動值。

4.2 試驗工況

試驗時，先在試驗管段安裝一段剛性管，用動態(tài)信號分析儀記錄系統(tǒng)壓力脈動值;然后將試驗段的剛性管換成脈動壓力抑制裝置，重復(fù)上述試驗。安裝脈動消減裝置前/后測得的壓力脈動總值之差即為脈動抑制效果，即:

試驗儀器:動態(tài)信號分析儀，記錄通過壓力傳感器記錄壓力脈動的時域曲線，通過FFT可獲得頻域線譜，并通過下式計算一定頻率范圍內(nèi)的壓力脈動總值。

4.3 試驗結(jié)果分析

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

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，脈動消減裝置對系統(tǒng)壓力脈動抑制的效果相對較好，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主要是低頻壓力波動。

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

5 結(jié)語

船用艙底泵系統(tǒng)的壓力脈動是由往復(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，本文主要從幾個方面開展工作:

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

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

3)針對系統(tǒng)的典型工況，進(jìn)行試驗驗證，并對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本文研究表明，安裝脈動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，具有較好的應(yīng)用前景。

［1］王強，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(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。