燃?xì)鉄崴餮h(huán)水泵降噪研究

李加杰 劉 強(qiáng) 張?jiān)?/p>

（廣東萬(wàn)和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

近幾年隨著中國(guó)天然氣管道在廣大農(nóng)村地區(qū)的鋪設(shè)，燃?xì)鉄崴鞯玫搅嗽絹?lái)越多的推廣，其節(jié)能和使用方便的性能得到了市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可，眾多的家庭選擇了燃?xì)鉄崴?。但是在燃?xì)鉄崴鞯氖褂眠^(guò)程中也暴露了一些噪音困擾，而且為了解決一些地區(qū)經(jīng)常由于水壓不足導(dǎo)致熱水器不能啟動(dòng)，以及用水處與熱水器距離較遠(yuǎn)，每次使用前都需要長(zhǎng)時(shí)間放水的問(wèn)題，越來(lái)越多燃?xì)鉄崴魃a(chǎn)廠商開發(fā)帶水泵的燃?xì)鉄崴?，而水泵自身也屬于一個(gè)噪音源。

本文針對(duì)市面一款使用直流循環(huán)水泵的燃?xì)鉄崴鞯乃迷肼晢?wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試來(lái)分析管路優(yōu)化方案對(duì)噪聲產(chǎn)生的影響，以及設(shè)計(jì)一款設(shè)置于水泵與熱交換器之間的管路降噪方案。

1 燃?xì)鉄崴魉迷胍衄F(xiàn)狀

對(duì)于燃?xì)鉄崴魉玫倪x擇，一般就是兩種，一種是交流泵，一種是直流泵。交流泵的優(yōu)點(diǎn)是噪音低，缺點(diǎn)是體積大、成本高、功率大、不節(jié)能、控制手法單一。直流泵的優(yōu)點(diǎn)是體積小、成本低、節(jié)能、控制手法靈活，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，缺點(diǎn)是噪音大，而市面上大多數(shù)燃?xì)鉄崴鞫际遣捎弥绷鞅?，熱水器在水泵運(yùn)行時(shí)的噪音值一般在（46～50）db，而水泵的噪音頻率一般處于中低頻率段，該頻率段的噪音特性是波長(zhǎng)長(zhǎng)，穿透力強(qiáng)，衰減慢，當(dāng)人聽到這種聲音時(shí)會(huì)感覺(jué)煩躁等不適，這種情況會(huì)極大地降低用戶的使用熱水器的體驗(yàn)，所以水泵的噪音也成為用戶投訴的主要問(wèn)題之一。

2 水泵噪音分析及測(cè)試條件

如圖1所示，生活用水從進(jìn)水側(cè)經(jīng)水流量傳感器進(jìn)入循環(huán)水泵，在循環(huán)水泵的葉輪周期旋轉(zhuǎn)作用下進(jìn)入熱交換器與水泵間的管路（水泵出水管路）。而循環(huán)水泵的大部分噪音是通過(guò)循環(huán)水泵出水管路傳遞到熱交換器。循環(huán)水泵的噪聲往往是隨機(jī)的、無(wú)規(guī)則的，水泵噪音與日常生活接觸的工業(yè)噪聲，主要集中在中低頻噪聲。熱水器水泵的噪音來(lái)源主要是以下三個(gè)方面：

1）循環(huán)水泵工作時(shí)電機(jī)所產(chǎn)生的電磁噪音。

2）循環(huán)水泵自身振動(dòng)通過(guò)循環(huán)水泵進(jìn)出口管路引起殼體和水箱的共振。

3）循環(huán)水泵運(yùn)行時(shí)管路里面的水流產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)。

其中，電機(jī)的電磁噪音為屬于中高頻噪音，通過(guò)在循環(huán)水泵和殼體連接處增加減振橡膠墊，對(duì)此頻段噪音有較好的阻隔效果；而循環(huán)水泵的自身振動(dòng)以及水路振動(dòng)為本文當(dāng)前研究重點(diǎn)。

為了分析循環(huán)水泵在燃?xì)鉄崴髦惺褂眠^(guò)程中所發(fā)出的噪音，對(duì)裝有循環(huán)水泵的燃?xì)鉄崴鳂訖C(jī)進(jìn)行噪音測(cè)試。本測(cè)試過(guò)程在半消聲室中進(jìn)行，測(cè)定點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 噪聲測(cè)定點(diǎn)示意圖

圖3 單獨(dú)水泵測(cè)試

測(cè)試環(huán)境：測(cè)試臺(tái)帶背板，水路管路長(zhǎng)度為40 m，采集距離熱水器右左前1 m的三個(gè)噪音值。樣機(jī)狀態(tài)及配置：所測(cè)樣機(jī)是在17 L燃?xì)鉄崴鹘Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行更改，所測(cè)數(shù)據(jù)為循環(huán)水泵單獨(dú)工作時(shí)所發(fā)出的噪音，并不含燃燒器噪音及風(fēng)機(jī)噪音等，95 %占空比對(duì)應(yīng)水流量為5.15 L/min。

3 水泵噪音來(lái)源分析

3.1 水泵本體噪音測(cè)試

如果要降低整機(jī)水泵的運(yùn)行噪音，首先要確定的是水泵噪音的主要來(lái)源，這里首先對(duì)水泵進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試，為了避免有過(guò)多的影響條件，水泵只連接進(jìn)出水管和固定點(diǎn)，同時(shí)為了模擬其在整機(jī)的工作流量，控制球閥開關(guān)將其流量調(diào)節(jié)到5 L/min。

由表1的測(cè)試結(jié)果可知，水泵在不安裝在熱水器內(nèi)時(shí)其運(yùn)行噪音只有34 dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于安裝在整機(jī)時(shí)的噪音，所以可以確定水泵自身產(chǎn)生的噪音并不是整機(jī)水泵噪音的主要來(lái)源。通過(guò)這個(gè)測(cè)試已經(jīng)可以確定水泵作為一個(gè)振動(dòng)源，整機(jī)的某個(gè)零部件在振動(dòng)源的激勵(lì)下產(chǎn)生共振，從而放大整機(jī)的噪聲。

表1 單獨(dú)水泵測(cè)試的噪音

3.2 整機(jī)水泵噪音分析

在對(duì)原型機(jī)測(cè)試的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)熱交換器振動(dòng)最為劇烈，且進(jìn)水管處振動(dòng)幅度最大，所以暫時(shí)可以認(rèn)為在水泵工作時(shí)熱交換器產(chǎn)生了共振，為了驗(yàn)證這個(gè)猜想，我們?cè)跓峤粨Q器上安裝了加速度傳感器測(cè)出在水泵工作時(shí)其所產(chǎn)生的振動(dòng)情況，同時(shí)和整機(jī)水泵噪音進(jìn)行對(duì)比找出兩者是否有關(guān)聯(lián)。

由表2和表3兩組數(shù)據(jù)可以看出熱交換器所產(chǎn)生的振動(dòng)峰值頻率和整機(jī)水泵噪音的峰值頻率高度重合，兩者的頻率都在534 Hz左右，而該熱水器的水泵葉片數(shù)是6片，其轉(zhuǎn)速是5 400 r/min，所以可以算出由葉輪所產(chǎn)生振動(dòng)的頻率是540 Hz，這與測(cè)出的峰值頻率基本一致。

表2 水泵循環(huán)噪音信號(hào)頻譜峰值點(diǎn)

表3 熱交換器進(jìn)水連接管處振動(dòng)信號(hào)頻譜峰值點(diǎn)

表4 不同方案的噪音測(cè)試數(shù)據(jù)

表5 增加配重塊噪音測(cè)試數(shù)據(jù)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證，這里在水泵和熱交換器之間設(shè)置一段緩沖帶，目的是減少水泵傳遞到熱交換器的振動(dòng)，緩沖帶所采用的是不銹鋼編織管，不銹鋼編織管內(nèi)置有一層橡膠，而橡膠的阻尼對(duì)減震具有比較好的效果，而且外部的編織層也比較柔軟，同樣具有一定的減震性能。

如圖4所示：

圖4 不同方案的樣機(jī)示意圖

圖5 增加配重塊

編織管A:長(zhǎng)度20 mm，直徑7 mm；

編織管B:長(zhǎng)度30mm，直徑7mm；

編織管C:長(zhǎng)度30mm，直徑9mm。

為了做參照對(duì)比，分別測(cè)試了不同長(zhǎng)度、直徑的編織管對(duì)噪音的影響，由表1可知在水泵與熱交換器之間設(shè)置了一段編織管后整機(jī)的水泵噪音得到了明顯的降低，通過(guò)對(duì)噪音數(shù)據(jù)的分析和實(shí)際振動(dòng)測(cè)試，可以確定水泵振動(dòng)通過(guò)換熱器管路傳遞給換熱器而引起的振動(dòng)噪音。

3.3 熱交換器振動(dòng)來(lái)源分析

水泵和熱交換器之間有兩個(gè)可以傳遞振動(dòng)的介質(zhì)，一個(gè)是連接銅管，另一個(gè)是銅管內(nèi)部的水流，由于兩者的減震方案有差別，需要確定哪一個(gè)是傳遞振動(dòng)的主力，考慮到降低銅管的振動(dòng)比降低水流的振動(dòng)容易，所以先從降低銅管振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。

為改變銅管的振動(dòng)幅度，我們?cè)阢~管分別加上250 g和500 g的配重塊，因?yàn)樵谡駝?dòng)源功率不變的情況下銅管的質(zhì)量與其振幅成反比，所以如果熱交換器的振動(dòng)是由銅管傳遞，那增加配重塊后整機(jī)的水泵噪音會(huì)有明顯的降低，而且配重塊質(zhì)量越大噪音的數(shù)值降低越多。

從表3的測(cè)試結(jié)果可以知道，熱交換器進(jìn)水管在不同重量的配重塊下，整機(jī)的水泵噪音值基本沒(méi)變化，所以可以確定讓熱交換器產(chǎn)生共振的振動(dòng)是來(lái)自水流。

4 水泵降噪方案

4.1 方案分析

水流的振動(dòng)是由于水泵的葉輪周期性旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，而水泵的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)頻率是534 Hz，這個(gè)頻率段屬于中低頻，而橡膠的阻尼作用對(duì)中低頻的振動(dòng)有著比較明顯的效果，所以編織管有降低水泵噪音的能力，但是由于編織管在成本、體積、壽命上對(duì)于熱水器來(lái)說(shuō)都有著明顯的不足，為了解決這些問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)適用于熱水器的消聲器，消聲器分三種：抗性、阻性以及阻抗復(fù)合式，對(duì)于抗性消聲器這里以擴(kuò)張室式消聲器為例（圖6）。

圖6 擴(kuò)張室式消聲器

擴(kuò)張式消聲器消聲量計(jì)算公式：

式中：

K=2π/λ，λ—波長(zhǎng)；

m=S2/S1，S1和S2—通道擴(kuò)張前后的截面積；

L—消聲器擴(kuò)張部分長(zhǎng)度。

由式（1）可知，擴(kuò)張室長(zhǎng)度L在波長(zhǎng)λ奇數(shù)倍時(shí)消聲量最大，所以L和λ成正比，同時(shí)波速=波長(zhǎng)×頻率，所以在頻率不變的情況下波速和波長(zhǎng)成正比，而聲音在水中的傳播速度比在空氣中的速度快大約4.4倍，所以消聲器在管中流體為水的情況下要達(dá)到相同的消聲量，擴(kuò)張室的長(zhǎng)度要比流體為空氣長(zhǎng)4.4倍，另外m取值一般為9至16，特殊情況下不小于5，一般熱水器銅管直徑為?12，也就是說(shuō)消聲器直徑至少要大于?60，這樣會(huì)導(dǎo)致消聲器的耐壓性能偏低和整體成本過(guò)高，而且過(guò)大的尺寸會(huì)占用過(guò)多熱水器的內(nèi)部空間，所以單獨(dú)的擴(kuò)張式消聲器不適合用于熱水器。

4.2 降噪組件設(shè)計(jì)

鑒于上述分析，阻性消聲器可以作為水泵降噪方案，但是阻性消聲器一般是通過(guò)內(nèi)置吸音材料來(lái)達(dá)到降噪的目的，但是在流體為水的情況下，多孔結(jié)構(gòu)的吸音材料比較容易產(chǎn)生污垢，污染水質(zhì)，由之前的測(cè)試可知，橡膠的阻尼特性對(duì)水流振動(dòng)有較好的衰減作用，而且橡膠耐腐蝕，適合用作水路的減震，但是由于橡膠在承壓的狀態(tài)下壽命較短，有漏水的風(fēng)險(xiǎn)，所以這里通過(guò)將橡膠層內(nèi)置與消聲器外殼形成阻抗復(fù)合式消聲器方案，在加強(qiáng)消聲效果同時(shí)可以以避免橡膠層破損導(dǎo)致漏水的情況，具體結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 消聲器結(jié)構(gòu)圖

圖8 消聲器水流示意圖

該阻抗復(fù)合式消聲器具有兩個(gè)減震結(jié)構(gòu)，一個(gè)是內(nèi)置的橡膠內(nèi)芯，它就可以在不斷地產(chǎn)生形變?nèi)缓蠡謴?fù)這一過(guò)程中將管路內(nèi)水流的部分振動(dòng)轉(zhuǎn)換為其它形式的能力，從而降低了水流的振動(dòng)，第二個(gè)是整個(gè)消聲器具有擴(kuò)張室消聲器的功能同時(shí)其容積比熱水器的同樣長(zhǎng)度的銅管要大10倍左右（這里假設(shè)銅管內(nèi)徑為?10.8，消聲器內(nèi)徑為?34），這可以看作是在水泵和熱交換器直接的水流增加了一段負(fù)載，水流在通過(guò)這段負(fù)載時(shí)流速會(huì)減慢，振動(dòng)幅度會(huì)減少，從而讓傳遞到熱交換器的振動(dòng)也會(huì)減少。

由于考慮到消聲器的耐壓和抗水錘的能力，消聲器的體積都會(huì)盡量往小設(shè)計(jì)，但是其體積與降噪能力成正比，過(guò)小的體積達(dá)不到想要的效果，這種情況可以通過(guò)優(yōu)化水泵與消聲器之間的連接銅管來(lái)達(dá)到目標(biāo)，在測(cè)試的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)連接銅管的直角彎頭越多，水泵噪音越低（但是管路的水阻也會(huì)增大，這需要按實(shí)際進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文不展開討論）。因此，本文將采用多彎頭管路與阻抗復(fù)合式消聲器組合方案（如圖9所示）。其中測(cè)試結(jié)果（圖10）表明，在20 m、40 m、60 m循環(huán)管路測(cè)試條件下，該組合降噪方案可以實(shí)現(xiàn)高于10 dB降噪效果。

圖9 方案整體結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

本文為了降低零冷水燃?xì)鉄崴餮h(huán)水泵噪音，通過(guò)在半消聲室進(jìn)行噪音測(cè)試以及測(cè)試數(shù)據(jù)分析研究不同組合方案對(duì)循環(huán)水泵降噪的影響，研究結(jié)果如下：

首先，采用編織管以及儲(chǔ)水罐對(duì)管路振動(dòng)以及水路脈動(dòng)等因素進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)不同編織管和儲(chǔ)水罐對(duì)管路振動(dòng)以及水路脈動(dòng)具有較好的抑制效果。

其次，基于上述分析設(shè)計(jì)一款多彎頭管路與阻抗復(fù)合式消聲器的組合降噪方案，通過(guò)將該組合降噪方案安裝到燃?xì)鉄崴魃线M(jìn)行噪音測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該組合降噪方案在不影響循環(huán)流量的情況下，可將水泵工作時(shí)的噪聲由原方案的51.8 dB(A)降至38.5 dB(A)，可以有效地降低振動(dòng)由水泵傳遞到水箱，從而減少水泵在工作時(shí)的整機(jī)噪音。

綜上所述，管路降噪方案可以降低水泵的振動(dòng)以及水路脈動(dòng)壓力傳遞到燃?xì)鉄崴鞅倔w，以達(dá)到降低循環(huán)水泵噪音的效果。