某款天井機(jī)水泵喘振噪聲分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

董術(shù)海 李 彬 梁衛(wèi)雄（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

某款天井機(jī)水泵喘振噪聲分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

董術(shù)海 李 彬 梁衛(wèi)雄
（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

某款天井機(jī)制冷狀態(tài)下，水泵排水時(shí)會(huì)頻繁出現(xiàn)不連續(xù)的喘振噪聲，常遭到客戶投訴。本文通過研究此機(jī)型水泵的內(nèi)部構(gòu)造和工作原理，分析了水泵喘振噪聲的產(chǎn)生原因；并根據(jù)理論分析，對(duì)水泵結(jié)構(gòu)提出了合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

天井機(jī)；水泵；喘振噪聲；葉片

公司售后反饋某款天井機(jī)水泵排水時(shí)的噪聲過大，嚴(yán)重影響了客戶的生活。實(shí)驗(yàn)室復(fù)測同款樣機(jī)發(fā)現(xiàn)，樣機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)噪聲值約在23dB（A），沒有異常噪聲，在合理范圍內(nèi)；然而在排水過程中水泵會(huì)短時(shí)間產(chǎn)生令人心煩的喘振噪聲，最大聲壓級(jí)達(dá)到了40.42dB（A），出現(xiàn)明顯異常，如圖1。

1 水泵結(jié)構(gòu)及工作原理

此款樣機(jī)采用的是三花水泵，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2。水泵主要由電機(jī)組件、上泵體、葉輪、下泵體等部件組成。電機(jī)組件包括交流電機(jī)及固定部分；上泵體負(fù)責(zé)傳遞電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到葉輪上；葉輪內(nèi)部有四片對(duì)稱分布的徑向葉片，高度3mm，葉輪工作時(shí)的速度為2400r/min，在高速旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生負(fù)壓，完成吸水動(dòng)作；下泵體完成排水動(dòng)作。水路由下泵體和葉輪組成，葉輪前是進(jìn)水口，長15mm；葉輪后為出水口；葉輪與下泵體之間的空腔為加速甩水腔。

水泵工作時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將吸水腔分割成沿葉片圓周內(nèi)的強(qiáng)漩渦流和沿葉片圓周外部的自由漩渦流。強(qiáng)渦流內(nèi)水質(zhì)點(diǎn)的切向速度隨著半徑的增大而增加，速度梯度隨半徑的增大而減小。由于水的密度比空氣密度大，在離心力的作用下，水流被強(qiáng)制甩出旋轉(zhuǎn)中心，在旋轉(zhuǎn)中心形成負(fù)壓，從而克服水的重力將進(jìn)水口內(nèi)的水吸入葉輪內(nèi)。而在葉片圓周外圍的自由漩渦內(nèi)，水質(zhì)點(diǎn)的切向速度隨著半徑的增大而減小，速度梯度隨著半徑的增大而增大，在葉輪邊沿形成強(qiáng)旋流場，最后將葉輪內(nèi)的水流和部分空氣以一定的壓力和速度甩出加速甩水腔。同時(shí)出水口略低于葉輪圓周，所以葉輪甩出來的水剛好進(jìn)入到出水通道，在水壓的作用下克服自身重力，排出水泵。

2 水泵喘振聲機(jī)理

水泵正常工作時(shí)，吸水通道內(nèi)水位很高，水泵內(nèi)流體都為液態(tài)水，葉輪高速運(yùn)行產(chǎn)生的吸排力能夠克服管道阻力及自重將水排出。水泵能夠

穩(wěn)定運(yùn)行，噪聲在合理范圍內(nèi)。

在吸排水過程中，進(jìn)水管內(nèi)水位迅速降低到葉輪以下，高速旋轉(zhuǎn)的葉輪產(chǎn)生的吸力不足以吸入低水位的水。從而水泵葉輪內(nèi)會(huì)吸入大量空氣，此時(shí)水泵內(nèi)流道為氣液兩相流，水泵排水壓力急劇降低，水泵揚(yáng)程大幅縮減[1]。此外，被高速葉輪甩出來的水，進(jìn)入下泵體的出水道后，水通道突然擴(kuò)大，也會(huì)造成壓力損失。從動(dòng)能公式P=1/2mv2可知，當(dāng)吸水量不足時(shí)，動(dòng)能下降。所以吸水通道出來的水因壓力不足以克服排水管道的阻尼和自重將水排出。排水管內(nèi)水堆積到一定的高度時(shí)，重力勢能大于水的壓能，水將倒回至甩水腔體內(nèi)，從而產(chǎn)生喘振噪聲，如圖3。水回落到下泵體內(nèi)，又會(huì)升高吸水通道內(nèi)的水位，水泵重新平穩(wěn)工作，直到水位下降到臨界值后，又重復(fù)吸水不足的現(xiàn)象，導(dǎo)致出現(xiàn)周期性的喘振噪聲。

此外，葉片與殼體有約5mm的間隙，從吸水口擠上來的水可以多角度與葉片碰擊產(chǎn)生擊水噪聲。水質(zhì)點(diǎn)越遠(yuǎn)離中心軸徑向速度越大，靠近葉尾的水質(zhì)點(diǎn)排出速率大于葉頭的水質(zhì)點(diǎn)，因此水質(zhì)點(diǎn)的分布比較分散，質(zhì)量也分散，故此產(chǎn)生的動(dòng)能也相對(duì)稍低，不利于水排出。

3 水泵改進(jìn)建議

根據(jù)水泵排水需要的動(dòng)力，水泵揚(yáng)程的能量由三大部分組成[2]：

分析公式（1）可知，右邊第一項(xiàng)，由于水泵轉(zhuǎn)速恒定，只能保持吸水腔處于滿水狀態(tài)來維持水泵的壓能不變。右邊第二項(xiàng)，水流速度越大動(dòng)能越大，但是在總揚(yáng)程相同的條件下，該項(xiàng)能量不宜過大，可對(duì)水泵出口采用收縮口來增大此項(xiàng)數(shù)據(jù)。右邊第三項(xiàng)解釋了葉片流道開度的影響，若把徑向葉片變?yōu)楹笙蛐匀~片，可以提高此項(xiàng)數(shù)據(jù)。

圖1 水泵運(yùn)行噪聲頻譜圖

圖2 三花水泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖3 水泵葉輪及吸排水路示意圖

圖4 殼體式葉輪水泵

圖5 后向葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

根據(jù)以上分析，目前使用水泵可以通過以下途徑來完善設(shè)計(jì)：

第一，在水泵葉片上加設(shè)一個(gè)和葉片一體的殼體，如圖4。這樣的結(jié)構(gòu)使得吸水腔形成了一個(gè)“保壓區(qū)”，葉輪內(nèi)不易吸入空氣，增大了水泵的壓力；同時(shí)也使得吸水口擠上來的水一律從葉頭流向葉尾，這樣水質(zhì)點(diǎn)就不會(huì)隨意分散到葉片中，保證了水質(zhì)量的集中，使動(dòng)能得到最大化。此款水泵排水時(shí)，實(shí)驗(yàn)室測試噪聲值明顯低于原水泵噪聲值。

第二，縮小水泵排水出口直徑，增加動(dòng)能。在不可壓縮流動(dòng)下，根據(jù)流體連續(xù)方程可知，縮小水泵的排水直徑可以增加水的流速，從而增加了水泵的動(dòng)能，提高揚(yáng)程[3]。

第三，把徑向葉片改為后向葉片，加大壓能，如圖5。這種結(jié)構(gòu)提高了葉輪的吸水、保壓能力，從而增大水泵的壓能。此外，增加葉輪葉片數(shù)可以增加水流和葉片的接觸面積，在葉片邊界層水流粘性的作用下，增大水的吸附能力，從而增大水泵的壓力，提高揚(yáng)程。

4 總結(jié)

（1）水泵吸排水過程中，水位較低時(shí)，水泵會(huì)吸入空氣，使得排水管出口端出現(xiàn)空心氣柱，壓能不足以克服水的重力勢能和管道阻尼，導(dǎo)致排水管中前端積聚的水倒流，從而產(chǎn)生喘振噪聲。

（2）水泵采用葉片與殼體整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以增大葉輪吸水壓力；同時(shí)保證水流的各向同性，增大水的動(dòng)能。

（3）通過縮小排水口的直徑、采用后向葉片結(jié)構(gòu)以及增加葉片數(shù)量可以增大水的壓能，有利于提高水泵揚(yáng)程，改善水泵喘振噪聲。

[1] 徐會(huì)，肖美男. 水力旋流器單相和兩相流實(shí)驗(yàn)研究[J]. 遼寧科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,03:252-255.

[2] 金樹德，陳次昌.現(xiàn)代水泵設(shè)計(jì)方法 [M]. 北京: 兵器工業(yè)出版社,1993.5.

[3] 劉曉敏，檀潤華，蔣明虎，王尊策. 水力旋流器結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)關(guān)系研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì),2005,02:26-29.

The surge noise analysis and structural optimization design of a patio air conditioning pump

DONG Shuhai LI Bin LIANG Weixiong
(Gree Electric Appliances Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070)

A patio air conditioning pump will generate discontinuous surge noise frequently when drainage water under the cooling mode which often complaint by the customer. In this paper, the internal structure and working principle of the pump has been studied, and the causes of the pump surge noise have been analyzed. Finally, according to the theoretical analysis，the reasonable optimized design schemes of the pump structure have been proposed.

Patio air conditioning; Pump; Surge noise; Blade