管路低噪聲排水裝置設計及試驗研究

夏 極，張陽陽，潘慶彬

(1.海軍駐中國艦船研究設計中心軍事代表室，湖北 武漢 430064；2.海軍工程大學 動力工程學院，湖北: 武漢 430033；3.中國人民解放軍 91315 部隊，遼寧 大連，116041)

管路低噪聲排水裝置設計及試驗研究

夏 極1，張陽陽2，潘慶彬3

(1.海軍駐中國艦船研究設計中心軍事代表室，湖北 武漢 430064；2.海軍工程大學 動力工程學院，湖北: 武漢 430033；3.中國人民解放軍 91315 部隊，遼寧 大連，116041)

管路噪聲是艦艇低頻噪聲的重要來源之一，嚴重影響艦艇的聲隱身性能。針對艦艇中典型的離心泵組，設計蓄能器和亥姆赫茲消聲器相結合的低噪聲排水裝置。通過 AMESim 軟件建立仿真模型，并搭建實驗平臺進行驗證。仿真和實驗結果均表明，低噪聲排水裝置可以有效衰減離心泵出口管道中的壓力脈動，從而降低流體噪聲和管路振動。

低噪聲排水裝置；壓力脈動；流體噪聲；衰減

0 引 言

機械噪聲、推進器噪聲與水動力噪聲是船舶傳統(tǒng)的三大噪聲源。根據(jù)國外經(jīng)驗，當機械噪聲、推進器噪聲得到有效控制后，管道噪聲對船舶安靜性的影響開始明顯。以海水管路系統(tǒng)為例，泵作為振動、流噪聲與空氣噪聲的主要激勵源，管路系統(tǒng)是其振動能量流的重要傳遞途徑。

國內外對管路振動的研究主要集中在水錘理論、流體與管道的耦合振動和管路元件的振動及聲傳遞特性等方面。國內從“九五”開始立項開展管道噪聲控制技術研究，在管路系統(tǒng)總體布置與聲學特性測試技術、低噪聲泵、大口徑高壓撓性接管、海水管路消聲器等方面都取得了一定進展。從目前國內外對管路系統(tǒng)的研究可以看出，對簡單直管、彎管的振動及聲波傳遞特性研究漸趨成熟，但對管路減振降噪元件的研究相對來說比較少。本文針對艦艇中的離心泵組，設計一種低噪聲排水裝置，以有效衰減離心泵組出口管道中的壓力脈動，從而降低流體噪聲和管路振動。

1 低噪聲排水裝置結構及工作原理

低噪聲排水裝置主要通過蓄能器組和亥姆霍茲消聲器來實現(xiàn)衰減壓力脈動，結構如圖 1 所示。其主體結構主要包括本體部分、蓄能器組部分和亥姆霍茲衰減器部分。

水從進水口進入低噪聲排水裝置，經(jīng)過蓄能器組和亥姆霍茲衰減器后，壓力脈動得以衰減。蓄能器組主要針對軸頻脈動進行衰減，當水的壓力高于氮氣的壓力時，水會通過蓄能器孔進入到本體與隔膜形成的容腔中，隔膜收縮，使水不斷進入容腔中；當水的壓力低于氮氣的壓力時，隔膜擴張，水從容腔通過蓄能器孔進入到管道中，從而減小壓力脈動。亥姆霍茲衰減器主要針對葉頻壓力脈動進行衰減。本體與蓋板之間構成亥姆霍茲容腔，水可以從亥姆霍茲阻尼孔進入到該容腔中，從而對葉頻壓力脈動進行衰減。

2 結構參數(shù)優(yōu)化

2.1 蓄能器參數(shù)確定

本設計采用隔膜蓄能器，其具有質量輕、薄膜變形阻力小、無慣性、吸收壓力脈動性能好等優(yōu)點，可用于動作頻率高、容積小的液壓裝置中吸收液壓脈動。

1）蓄能器容積計算

離心泵組的流量為Vp，離心泵組的流量脈動率取5%，則一個脈動周期內離心泵的脈動體積約為：

針對軸頻和葉頻脈動，取壓力脈動率為δ= 3%，則 2 種情況下蓄能器各自有效容積為：

式中：ΔV為脈動一個周期內瞬間流量高于平均流量；δ為允許的壓力脈動率；k為充氣氣體多變指數(shù)。

根據(jù)低噪聲排水裝置結構特點，在 4 個面安裝 4 個蓄能器。在不同的管內平均壓力下，分別設計針對軸頻和葉頻的蓄能器。

為了有效吸收軸頻脈動，蓄能器的充氣壓力為 0.9倍管內平均壓力，則吸收軸頻脈動的 3 個蓄能器的初始容積為：

由于結構的對稱，吸收葉頻的蓄能器 4 的初始容積為V4=V3。

2）蓄能器進水口參數(shù)優(yōu)化

當蓄能器的固有頻率等于脈動頻率時，其吸收脈動的效果最好。蓄能器的固有頻率計算公式為：

式中：αA為蓄能器進水口的過流面積；lA為蓄能器進水口長度；p0為管內平均壓力。

由式（4）可看出，蓄能器的固有頻率與蓄能器進水口的過流面積和進水口長度、管內平均壓力有很大的關系。

為了防止蓄能器膨脹后底部進入管路，蓄能器隔膜下端要有凸起的墊圈，此時墊圈的直徑要大于進水口等效孔徑。考慮到隔膜的加工難易，本設計采用的所有隔膜蓄能器底部均為平端，在本體上加工多個蓄能器孔。

蓄能器孔的直徑均為d1，4 個進水口等效孔徑的個數(shù)n按公式設計，其中d1為進水口等效孔徑，d2為圖 3 所示的進水口孔徑，則本體上蓄能器1，2，3，4 的蓄能器孔的個數(shù)分別為：19，10，7，17，結合本體的加工工藝，得到蓄能器孔的布局如圖 3所示。

2.2 亥姆霍茲水消聲器參數(shù)確定

1）亥姆霍茲水消聲器進水口參數(shù)確定

根據(jù)低噪聲排水裝置的結構尺寸，亥姆霍茲水消聲器容腔總容積取為VH。亥姆霍茲水消聲器只消減葉頻分量，確定了消聲器進水口的長度lH和截面積aH，即可確定消聲器進水口數(shù)量。亥姆霍茲水消聲器固有頻率的計算公式為

由此，可確定亥姆霍茲水消聲器進水口數(shù)量。

2）低噪聲排水裝置最終結構

根據(jù)上述計算結果，設計出低噪聲排水裝置如圖 4所示。低噪聲排水裝置由整體鋁青銅加工而成，其兩端通過法蘭與排水管道連接，其周圍安裝由 4 個蓄能器組成的蓄能器組；各蓄能器之間的空隙組成亥姆霍茲水消聲器容腔，四面共設置 8 個阻尼孔。

3 仿真模型的建立及仿真分析

3.1 仿真模型建立

采用 AMESim 液壓仿真軟件計算低噪聲排水裝置吸收軸頻和葉頻脈動的效果。低噪聲排水裝置中設計有 4 個蓄能器和一個亥姆霍茲水消聲器。在 AMESim中建立如圖 5 示的低噪聲排水裝置吸收軸頻和葉頻脈動的仿真模型，并根據(jù)低噪聲排水裝置對仿真模型進行參數(shù)設置。

在 AMESim 仿真模型中，用 Signal 模塊產生正弦變化的流量輸入，從而近似模擬離心泵產生的軸頻和葉頻流量脈動，設軸頻脈動q= 2 500 + 125 sin303.5tL/min，葉頻脈動為q= 2 500 + 125 sin2 430.4tL/min。

采用 Hydraulic 的 HA000 蓄能器及 HL01 管路組件模擬蓄能器；采用 HL01 管路及 HC00 容腔組件模擬亥姆霍茲衰減器。

3.2 仿真分析

將低噪聲排水裝置工作時的管路壓力稱為管內平均壓力。分別設置低噪聲排水裝置在不同的管內平均壓力下工作，改變輸入流量的脈動頻率，使之分別為軸頻、葉頻，得出低噪聲排水裝置對軸頻脈動和葉頻脈動的衰減效果，如圖 6 和 7 所示。

由圖 6 和 圖 7 可知，不同管內平均壓力下，插入低噪聲排水裝置后，管路出口處的壓力脈動峰值均有較大程度的降低，低噪聲排水裝置對管路的軸頻脈動和葉頻脈動均有較好的衰減效果。根據(jù)圖 6 和 圖 7 中插入低噪聲排水裝置前后輸出壓力脈動曲線，獲取插入前后壓力的平均波峰值、波谷值、平均值，根據(jù)式（1），計算出壓力脈動衰減比和降低分貝值，具體結果如表 1 和 表 2 所示。

式中：δinp、δoutp為插入前、后的壓力脈動率；pinmax、poutmax為插入前、后的壓力平均波峰值；pinmin、poutmin為插入前、后的壓力平均波谷值；pin、pout為插入前、后的壓力平均值；λ為壓力脈動衰減比；ΔLp為插入前、后降低分貝值。

從表 1 和表 2 的仿真結果可看出：不同管內平均壓力下，低噪聲排水裝置對軸頻脈動和葉頻壓力脈動均有較好的衰減效果。插入低噪聲排水裝置后，針對軸頻的壓力脈動衰減比都達到 40.4% 以上，插入前、后降低分貝值均在 4.5 dB 以上；針對葉頻的壓力脈動衰減比都達到 53.21% 以上，插入前、后降低分貝值均在 6.6 dB 以上。低噪聲排水裝置對管路葉頻壓力脈動的衰減效果比軸頻壓力脈動的衰減效果好。

表 1 低噪聲排水裝置衰減軸頻脈動效果Tab.1 Axial pulsation attenuation of low noise drainage device

表 2 低噪聲排水裝置衰減葉頻脈動效果Tab.2 Blade frequency pulsation attenuation of low noise drainage device

4 實驗研究

聲學性能檢測試驗臺架及原理如圖 8 示，通過壓力傳感器和水聽器測量安裝低噪聲排水裝置的離心泵回路中管道出口的脈動壓力和流體噪聲。

在不同的管內平均壓力下，分別測量低噪聲排水裝置出口的壓力脈動和流體噪聲。其結果如圖 9～圖 10 所示。

從圖中可看到，壓力脈動頻率在 500 Hz 以下，插入低噪聲排水裝置后，出口處的脈動壓力均有不同程度的下降。據(jù)此計算出來的壓力脈動總級的插入損失均達到 2.7 dB 以上，尤其在管內平均壓力 2 時，插入損失達到 9.5 dB。

從圖中可以看到，壓力脈動頻率在 500 Hz 以下，插入低噪聲排水裝置后，出口處的流體噪聲均有不同程度的下降。據(jù)此計算出來的噪聲總級的插入損失均達到 3.1 dB 以上，尤其在管內平均壓力 1 和 2 時，插入損失達到 5 dB 以上。

5 結 語

針對艦艇中使用的離心泵組出口管道中壓力脈動較大的問題，設計了一種蓄能器和亥姆赫茲消聲器相結合的低噪聲排水裝置，并對其結構參數(shù)進行優(yōu)化設計。仿真與實驗結果均表明，低噪聲排水裝置可以有效衰減離心泵組出口管道中的軸頻和葉頻壓力脈動，壓力脈動總級的插入損失均達到 2.7 dB 以上，流體噪聲的插入損失達到 3.1 dB 以上。

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Design and testing study of low noise drainage device for pipelines

XIA Ji1, ZHANG Yang-yang2, PAN Qing-bin3
(1.Naval Military Representative Office in China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; 2.Naval University of Engineering, Institute of Power Engineering, Wuhan 430033, China; 3.No.91315 Unit of PLA, Dalian 116041, China)

Pipeline noise is one of the important source of low frequency noise of battleship, which has serious impact on the acoustic stealth performance.Aimed at typical centrifugal pump, design a low noise drainage device, which combines accumulator and Herm hertz muffler.Build simulation model by software AMESim, and verify the result by experiment.Simulation and experiment results show that low noise drainage device can effectively attenuation the pressure pulsation of pipeline of centrifugal pump, so as to release the fluid noise and pipeline vibration.

low noise drainage device；pressure pulsation；fluid noise；attenuation

U664.84

：A

1672-7619(2017)01-0090-06doi：10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.018

2016-01-15；

: 2016-02-29

夏極(1982-)，男，博士，從事艦船動力裝置自動化與仿真技術的研究。