離心泵作透平異向傾斜葉片與隔舌降噪分析

代翠 孔繁余 董亮 夏斌 柏宇星

摘要： 為降低離心泵反轉作液力透平流體誘發(fā)的內(nèi)外場噪聲，基于傾斜程度由葉片和隔舌分攤的思想，建立了理想情況下葉片與隔舌異向傾斜角度關系式，提出了在保證性能前提下聯(lián)合傾斜葉片與隔舌的主動控制降噪方法。在驗證內(nèi)場噪聲計算方法和殼體結構有限元模型的基礎上，分別基于聲學邊界元法（Boundary Element Method，BEM）和聲學有限元的自動匹配層技術（Finite Element Method/Automatically Matched Layer，F(xiàn)EM/AML）對3組不同傾斜角度透平進行了內(nèi)外場噪聲數(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降低3.86%～5.93%，總聲功率級降低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降低4.45%～7.19%，總聲功率級降低1.08%～12.15%，聯(lián)合作用的降噪效果更佳。關鍵詞： 降噪； 離心泵； 液力透平； 異向傾斜； 自動匹配層

中圖分類號： TB535； TH311文獻標志碼：A文章編號：10044523（2016）04062308

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.04.009

引言

離心泵反轉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化為軸的旋轉機械能，進而驅動其他耗能機械[13]。離心泵作透平噪聲有機械引起的和流體誘發(fā)的噪聲，機械噪聲的控制方面（如阻振、隔振、吸振、吸聲等）已取得長足進步，而流體誘發(fā)噪聲更為復雜[4]。

當前，降低流體誘發(fā)噪聲成為國內(nèi)外工程技術領域研究的熱點和難點。降低聲源強度是進行噪聲控制最為根本的方法，主要分為兩類：主動降噪和被動降噪。主動降噪方法主要是通過改進葉片形態(tài)、葉輪形狀、葉片和管道材料等來降低葉輪機械的噪聲；被動降噪方法是盡量少地使葉輪機械發(fā)出的噪聲向外界傳播[5]。Dong等[6]利用粒子成像測速、壓力與噪聲測量等手段研究了葉輪與隔舌間隙對離心泵流體誘發(fā)噪聲的影響，指出增大間隙使得葉輪尾跡對于離心泵噪聲的貢獻可忽略，與剛度有關的隔舌振動對于離心泵噪聲的貢獻顯著，可以通過增大間隙、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構的輻射噪聲。Neise[7]發(fā)現(xiàn)可以在葉片上開槽等方式來降低噪聲。吳仁榮[8]和黃國富等[910]較全面地分析了離心泵低噪聲的水力設計方法，給出了一些相關設計原則。黃俊雄等[11]數(shù)值研究了有無短葉片離心泵的旋轉偶極子噪聲輻射特性，指出長短葉片結構能夠改變聲能在頻域上的分布，進而降低總聲壓級。談明高等[12]討論了葉片數(shù)對離心泵振動噪聲的影響。王勇等[13]試驗研究了葉片包角對離心泵空化振動和噪聲的影響。丁劍等[1415]通過試驗研究了不同葉片包角及出口寬度對離心泵流動噪聲的影響，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泵引發(fā)振動的壓力脈動、徑向力和扭矩特性的影響規(guī)律。

現(xiàn)有研究主要通過優(yōu)化葉輪或蝸殼幾何參數(shù)，改進葉輪或蝸殼形狀來降低離心泵流體誘發(fā)噪聲，關于離心泵反轉作透平工況下流體誘發(fā)噪聲的特性及降噪研究較少。且文獻中普遍采用間接邊界元方法對內(nèi)外聲場同時求解，未考慮殼體內(nèi)外介質不同的特性。本文在研究如何通過減小葉輪與隔舌動靜干涉程度、降低同相位脈動水動力作用面積的基礎上，提出了在保證性能前提下聯(lián)合傾斜葉片與隔舌的主動控制降噪方法。在對內(nèi)場噪聲和殼體結構模態(tài)驗證的基礎上，分別采用BEM方法與FEM/AML方法對比分析了傾斜隔舌以及異向傾斜葉片和隔舌對離心泵作透平內(nèi)外聲場的降噪效果，證實其對協(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開位置（即傾斜葉片），則每個葉片不再是同時掃過隔舌，而是在一段時間間隔內(nèi)逐漸地掃過隔舌，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，使得同相位脈動水動力作用面積減小，進而降低了輻射噪聲[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