軸流泵裝置出水流道內流脈動與流動噪聲試驗分析

楊　帆　高　慧　劉　超　趙浩儒　湯方平,

(1.揚州大學水利與能源動力工程學院， 揚州 225127； 2.江蘇省水利動力工程重點實驗室， 揚州 225009)

0　引言

泵裝置的噪聲主要包括流體動力噪聲和機械噪聲兩種，流體動力噪聲主要是由壓力脈動和汽蝕引起的噪聲，機械噪聲為機械運動所產(chǎn)生。機械噪聲可通過有效措施予以消減和隔離，但流體動力噪聲則會隨流體本身傳播，較難消減。針對泵裝置內部流體動力噪聲根源，國內外學者已開展了相關研究工作：鄭源等[1]基于RANS方程和SSTk-ω湍流模型研究了混流泵內部壓力脈動及其對流動誘導噪聲的影響；袁壽其等[2]采用壓力脈動傳感器和水聽器對離心泵出口的脈動和流動噪聲進行了測試分析；GROKHOVSKII[3]提出了多級泵低噪聲設計的原則和方法；CHEN等[4]采用混合數(shù)值方法數(shù)值求解了離心泵內部流動誘導噪聲和結構振動。通過對文獻的分析總結，國內外對泵噪聲的研究主要集中于混流泵和離心泵[5-9]，對噪聲的誘導原因——壓力脈動的研究主要采用數(shù)值計算和模型試驗。研究對象主要集中于各類型泵[10-14]。低揚程泵裝置不僅包括泵還有進出水流道，出水流道受泵的影響大且出水流道內部流態(tài)復雜[15-17]。當前對低揚程泵裝置出水流道的研究主要集中于流道的三維定常流場及數(shù)值優(yōu)化分析[18-20]，通過文獻的分析可知，出水流道對低揚程泵裝置性能的影響較顯著[15-17]，而對出水流道內流脈動及其誘導噪聲的研究較少。本文基于立式軸流泵裝置整體物理模型采用壓力脈動和噪聲測試對出水流道的內部脈動及流動噪聲進行分析，為泵裝置水力降噪和運行穩(wěn)定性提供參考。

1　試驗裝置與測試方法

立式軸流泵裝置物理模型包括進水流道、葉輪、導葉體和出水流道4部分。葉輪型號為ZM55，葉輪名義直徑為120 mm，輪轂比為0.40，葉片數(shù)為4，葉片安放角為0°，葉頂平均間隙為0.2 mm。導葉體葉片數(shù)為5。出水流道為直管式結構，等效擴散角為2.41°，進口為圓形，出口為矩形，流道型線變化均勻。泵裝置物理模型試驗在Φ120 mm水力機械閉式循環(huán)試驗臺上測試，試驗臺結構如圖1所示。

圖1　立式軸流泵裝置模型試驗臺Fig.1　Pumping system model test bench

壓力脈動測試采用CY302型高精度數(shù)字壓力傳感器，噪聲測試采用RHS-20型標準水聽器。在出水流道壁面共設置了4個傳感器，相鄰兩傳感器間夾角為90°，4個脈動傳感器數(shù)據(jù)的同步采集通過485集線器和數(shù)據(jù)采集軟件來實現(xiàn)，待脈動測試結束后用水聽器替換流道頂部的脈動傳感器，噪聲測試采用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行采集。脈動傳感器及水聽器的布置如圖2所示。

圖2　脈動傳感器及水聽器布置圖Fig.2　Diagram of pulsation sensors and hydrophone locations1.壓力脈動傳感器　2.水聽器

壓力脈動和噪聲均在立式軸流泵裝置能量性能試驗的條件下進行同步測試，能量性能試驗按文獻[21]要求進行，測試了1 450、1 800、2 200 r/min共3個不同轉速時出水流道壁面各測點的脈動及流道內部噪聲。

2　試驗可靠性分析

為驗證Φ120 mm水力機械閉式循環(huán)試驗臺的可靠性，在相同的測試方法和運行工況時對轉速2 200 r/min時立式軸流泵裝置能量性能進行重復性測試，各工況采用流量比進行比較，流量比RQ的計算式為

(1)

式中RQ——流量比

Qi——第i個工況時泵裝置流量

Qbep——最優(yōu)工況時泵裝置流量

經(jīng)分析，在相同轉速時不同試驗所得立式軸流泵裝置的流量比-揚程曲線重復性很好(圖3)，在相近工況時采集的數(shù)據(jù)結果十分接近，表明了該試驗臺測試結果的可靠性。在立式軸流泵裝置能量性能試驗的基礎上依次進行出水流道的脈動和噪聲測試分析研究。

圖3　立式軸流泵裝置能量性能重復性試驗結果Fig.3　Energy performance curves of repetitive experiment

3　脈動試驗結果與分析

3.1　脈動幅值分析

出水流道的壓力脈動幅值采用壓力的均方根(Root mean square，RMS)進行分析，RMS具有較小的數(shù)值離散程度，可較好地表征壓力脈動的能量水平，是信號幅值分析的主要參數(shù)之一，脈動幅值的均方根PRMS計算式為

(2)

式中Pj——壓力的第j次測量值

N——數(shù)據(jù)采集的個數(shù)

對立式軸流泵裝置出水流道壁面的4個壓力脈動監(jiān)測點的數(shù)據(jù)進行分析，共分析了1 450、1 800、2 200 r/min共3個不同轉速時4個監(jiān)測點15個采樣周期內的脈動數(shù)據(jù)，圖4為不同轉速時4個監(jiān)測點的均方根。相同流量比時，各監(jiān)測點的脈動幅值均方根均隨轉速的增加而增加。相同轉速時，各監(jiān)測點的脈動幅值均方根均隨著流量比的增大而減小，小流量工況(流量比RQ小于1.0)時脈動幅值均方根與流量比的曲線斜率要大于大流量工況(流量比RQ大于1.0)，大流量工況時出水流道壓力脈動幅值衰減速度要快。出水流道壁面對稱的監(jiān)測點P1和P3的脈動幅值均方根差異較小，對稱的監(jiān)測點P2和P4的脈動幅值均方根差異明顯，且監(jiān)測點P4的脈動幅值均方根小于監(jiān)測點P2，主要因為小流量工況時出水流道內部流態(tài)受導葉體出口剩余環(huán)量和泵裝置流量的雙重影響，流量比越小導葉體出口剩余環(huán)量的影響越顯著，出水流道內水流運動越紊亂，水流未呈軸向運動，導致脈動幅值較大，而大流量工況時出水流道內部水流的運動狀態(tài)呈軸向流動。

圖4　不同轉速時各監(jiān)測點脈動幅值的均方根Fig.4　PRMS values of different measuring points at different rotational speeds

引入出水流道脈動幅值均方根的平均值分析出水流道內流脈動受轉速影響的定量變化規(guī)律，脈動幅值均方根的平均值為相同工況時4個監(jiān)測點的脈動幅值均方根的平均值，選取小流量工況(RQ=0.6)、最優(yōu)工況(RQ=1.0)和大流量工況(RQ=1.2)3個特征工況進行對比分析，不同轉速時3個特征工況出水流道內流脈動幅值均方根的平均值如圖5所示。

圖5　不同轉速時流道內流脈動幅值均方根的平均值Fig.5　Average PRMS values of outlet conduit internal flow

相同流量比時，葉輪轉速從1 450 r/min增至1 800 r/min時，各測點脈動幅值均方根的平均值增幅均大于轉速從1 800 r/min增至2 200 r/min時各測點脈動幅值均方根的平均值增幅，在流量比RQ=0.6時兩次轉速增加后出水流道內流脈動幅值均方根的平均值增幅僅相差約0.06%，流量比RQ=1.2時兩次轉速增速后出水流道內流脈動幅值均方根的平均值增幅差異較大，約為18.27%，流量比RQ=1.0時兩次轉速增加后出水流道內流脈動幅值均方根平均值增幅介于兩者之間。轉速n=1 450 r/min、流量比RQ=0.6時壓力脈動均方根的平均值是流量比RQ=1.2時的2.33倍，且隨轉速增加，該比值也逐漸增大，當轉速增至2 200 r/min時，比值為3.92倍，出水流道內流脈動幅值的增幅未與轉速的增量呈線性關系，主要因為不同轉速時導葉體出口剩余環(huán)量不同，導葉體出口剩余環(huán)量和流量對出水流道進口的橫向速度分布產(chǎn)生直接影響，從而影響出水流道內部流態(tài)，導致不同轉速、不同流量比時各測點的脈動幅值存在差異。隨轉速增加，流量比RQ=0.6時出水流道內流脈動幅值均方根的平均值增量大于流量比RQ=1.0和RQ=1.2，且脈動幅值均方根的平均值增量隨流量的增大而逐漸減小。結果表明了出水流道內流水力脈動受轉速和流量的雙重影響，小流量高揚程工況出水流道內流脈動受轉速的影響更顯著，從出水流道內流脈動幅值分析，應盡量避免低揚程泵裝置在小流量工況運行。

3.2　脈動頻譜分析

采用加窗hannning函數(shù)的短時傅里葉變換對采集的壓力脈動時域數(shù)據(jù)進行頻譜分析，不同轉速時出水流道4個測點的脈動頻譜如圖6～8所示。相同轉速下不同流量比時各監(jiān)測點的脈動主頻存在差異性；不同轉速下相同流量比時相同監(jiān)測點的脈動主頻也存在差異性；不同轉速下不同流量比時各監(jiān)測點的脈動主頻以51 Hz為主，脈動主頻和脈動次主頻均未與轉頻呈整倍數(shù)關系，脈動主頻和次主頻均在200 Hz范圍內，為低頻脈動，出水流道受測區(qū)域離導葉體出口的沿程距離約為6.43倍葉輪名義直徑，此時轉輪與導葉體的動靜干擾引起的壓力脈動對上游的影響很小，脈動頻率主要為水流自身旋轉引起的低頻脈動。結果表明了出水流道內流受導葉體出口剩余環(huán)量和流量的雙重影響導致流道內部流動未呈對稱流動，流道內部各處的脈動存在差異性。在小流量工況和最優(yōu)工況時，同一監(jiān)測點的脈動主頻幅值隨轉速的增加脈動主頻幅值先減小后增大；而在大流量工況時，同一監(jiān)測點的脈動主頻幅值隨轉速的增大而增大，大流量工況時脈動幅值較大的頻帶范圍比小流量工況和最優(yōu)工況要寬，大流量工況時出水流道內流脈動受流速的影響更為明顯。

圖6　各監(jiān)測點的脈動頻譜(n=1 450 r/min)Fig.6　Frequency domains of different measuring points at 1 450 r/min

圖7　各監(jiān)測點的脈動頻譜(n=1 800 r/min)Fig.7　Frequency domains of different measuring points at 1 800 r/min

圖8　各監(jiān)測點的脈動頻譜(n=2 200 r/min)Fig.8　Frequency domains of different measuring points at 2 200 r/min

4　噪聲試驗結果與分析

圖9給出了不同轉速時3種特征工況出水流道流動噪聲的頻譜圖。相同流量比時出水流道內部流動噪聲的聲壓級隨轉速的增加而增加，轉速從1 450 r/min增速至2 200 r/min時，小流量工況(0.6Qbep)流動噪聲的聲壓級增加了6.56%，大流量工況(1.2Qbep)流動噪聲的聲壓級增加了5.39%，最優(yōu)工況(Qbep)流動噪聲的聲壓級增加了12.55%，轉速對最優(yōu)工況(Qbep)時出水流道流動噪聲影響最大。在最優(yōu)工況(Qbep)時出水流道內部流動噪聲的聲壓級最小。對相同轉速時各工況出水流道內部流動噪聲取平均值，轉速n=1 450 r/min時出水流道內部流動噪聲的平均值為73.23 dB，轉速n=1 800 r/min時出水流道內部流動噪聲的平均值為76.60 dB，轉速n=2 200 r/min時出水流道內部流動噪聲的平均值為79.13 dB，隨轉速的增加，出水流道內部流動噪聲的聲壓級也逐漸增加。相同轉速時，出水流道內部的流動噪聲隨流量的增加呈先減小后增大的趨勢。最優(yōu)工況時出水流道內部流動噪聲的聲壓級相對較小，主要原因是最優(yōu)工況時導葉體出口剩余環(huán)量小，水流在出水流道內部流動方向的變化程度較弱，導致水流對流道內壁面的沖擊力相對較小。

圖9　不同轉速時出水流道內流噪聲的頻譜圖Fig.9　Variations of frequency spectrums of noise with different rotational speeds

不同轉速時各工況出水流道流動噪聲的主頻均為427 Hz，流動噪聲的次主頻分布在550～600 Hz之間，流動噪聲的主頻與壓力脈動的主頻存在差異性，因流動噪聲的主頻受壓力脈動主頻及流道結構固有頻率的綜合影響，從流動噪聲的頻率可知，出水流道內部流動噪聲頻率未受轉頻及葉片數(shù)的雙重影響，出水流道內部不穩(wěn)定流動產(chǎn)生的噪聲遠大于葉片和導葉動靜干涉所誘發(fā)的噪聲。出水流道內部流動噪聲的產(chǎn)生主要因為出水流道過流斷面面積不斷變化，水流在出水流道內部做非定常流動，水流方向不斷變化，湍流流動，水流對流道壁面產(chǎn)生沖擊、水流與流道壁面的摩擦，以及水流經(jīng)過90°彎頭時對流道壁面產(chǎn)生的沖擊等原因誘發(fā)的流動噪聲。通過試驗結果分析可知，泵裝置的出水流道與常規(guī)的過流管道的水流運動特點不同，流道內部的噪聲不僅受流速的單一條件影響，還受導葉體出口剩余速度環(huán)量的影響，對降低出水流道內部流動噪聲不能獨立地優(yōu)化出水流道的三維形體，而需考慮水泵與出水流道的匹配、水泵的轉速和流量3個因素。

5　結論

(1)相同流量比時，各監(jiān)測點的脈動幅值均方根均隨轉速的增加而增加。相同轉速時，各監(jiān)測點的脈動幅值均方根均隨著流量比的增大而減小，小流量工況(流量比小于1.0)時脈動幅值均方根與流量比的曲線斜率大于大流量工況(流量比大于1.0)，大流量工況時出水流道壓力脈動幅值衰減速度較快。隨轉速增加，在小流量工況時，出水流道內流脈動幅值均方根的平均值增量大于大流量工況和最優(yōu)工況。根據(jù)出水流道內流脈動幅值分析，應盡量避免低揚程泵裝置在小流量工況運行。

(2)相同轉速時，不同流量比各監(jiān)測點的脈動主頻存在差異性；不同轉速下相同流量比時相同監(jiān)測點的脈動主頻也存在差異性；不同轉速下不同流量比時各監(jiān)測點的脈動主頻以51 Hz為主，脈動主頻和脈動次主頻均未與轉頻呈整倍數(shù)關系，脈動主頻和次主頻均在200 Hz范圍內，均為低頻脈動。大流量工況時脈動幅值較大的頻帶范圍比小流量工況和最優(yōu)工況要寬。

(3)相同流量比時，出水流道內部流動噪聲的聲壓級隨轉速的增加而增加，這與流道內部脈動幅值的變化規(guī)律相同，出水流道內流脈動程度越強，流動噪聲水平越強。轉速對最優(yōu)工況時出水流道流動噪聲的影響較明顯。相同轉速時，出水流道內部的流動噪聲隨流量的增加呈先減小后增大的趨勢。

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