離心泵作透平流體誘發(fā)噪聲特性理論數(shù)值與試驗(yàn)研究.pdf

1、離心泵作透平目前已成為液體能量回收的一種主要技術(shù)，廣泛應(yīng)用于石油、化工等重要領(lǐng)域。為了提高能量回收效率，離心泵作透平正逐步向大功率化方向發(fā)展，而流體誘發(fā)的噪聲是影響其可靠運(yùn)行的關(guān)鍵問題之一。流體誘發(fā)噪聲包含偶極子聲源作用下的流動(dòng)噪聲和流激噪聲，涉及水動(dòng)力流體載荷、結(jié)構(gòu)響應(yīng)和聲振耦合等復(fù)雜問題。因此，研究離心泵作透平流體誘發(fā)噪聲特性及降噪手段，掌握流動(dòng)噪聲和流激噪聲產(chǎn)生的機(jī)理及傳播規(guī)律，分辨內(nèi)外噪聲能量的主體，能夠?yàn)榻档碗x心泵作透平噪聲提

2、供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，同時(shí)也能夠?yàn)槠渌~輪機(jī)械的相關(guān)研究提供重要參考。
　　本文采用理論分析、數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的研究方法，圍繞余壓能量回收裝置離心泵作透平流體誘發(fā)噪聲問題，對(duì)殼體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)和流體激勵(lì)作用下的聲振特性進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，并對(duì)透平水力性能和聲學(xué)性能綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了有益探索。主要工作和創(chuàng)造性成果如下:
　　1.系統(tǒng)地總結(jié)了國(guó)內(nèi)外流動(dòng)與流激噪聲預(yù)測(cè)方法的研究進(jìn)展，分析了基于聲類比理論的聲學(xué)邊界元與有限

3、元的優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍以及聲振耦合問題的處理方法，確定了適合離心泵作透平內(nèi)外場(chǎng)噪聲的求解思路，并對(duì)兼顧水力與聲學(xué)性能的多目標(biāo)優(yōu)化方法做了較為全面的概括。
　　2.開展了離心泵作透平流體誘發(fā)噪聲特性試驗(yàn)，揭示了進(jìn)口至出口的流體噪聲特性及傳遞規(guī)律。試驗(yàn)表明:流體噪聲主要集中在中低頻段，小流量流體噪聲的低頻寬帶譜特性增強(qiáng)，流體噪聲在內(nèi)部水介質(zhì)中更易于向出口傳播。首次引入試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法，對(duì)離心泵作透平轉(zhuǎn)子及殼體結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行了識(shí)別。在采

4、用模態(tài)置信準(zhǔn)則對(duì)試驗(yàn)識(shí)別精度校驗(yàn)的基礎(chǔ)上，獲得了結(jié)構(gòu)完整準(zhǔn)確的模態(tài)信息，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，計(jì)算與試驗(yàn)振型近似，固有頻率平均相對(duì)誤差小于5.12％，為基于結(jié)構(gòu)模態(tài)的聲振特性分析提供了參考。
　　3.將Richardson外推法應(yīng)用于湍流模型和網(wǎng)格尺度的誤差分析，確定了全流道流場(chǎng)計(jì)算策略，分析了誘發(fā)噪聲的壓力脈動(dòng)、激勵(lì)力特性以及動(dòng)靜部件間流動(dòng)周向分布不勻與水力激勵(lì)力的關(guān)系。初步探明，離心泵作透平葉輪內(nèi)壓力脈動(dòng)周期與葉

5、輪轉(zhuǎn)動(dòng)周期相同，蝸殼內(nèi)壓力脈動(dòng)周期與葉片數(shù)有關(guān);流體粘性減弱了作用于葉輪和殼體壁面的徑向力，而葉輪流道側(cè)以及葉輪與殼體間隙內(nèi)的流動(dòng)使其有所增強(qiáng);靜壓和速度的周向分布不均是導(dǎo)致非定常水力激勵(lì)力不平衡的主要原因。
　　4.首次建立了離心泵作透平內(nèi)外場(chǎng)流動(dòng)噪聲以及流激噪聲的分析模型，識(shí)別出了不同性質(zhì)噪聲源的頻譜特征及其在內(nèi)外場(chǎng)噪聲中的貢獻(xiàn)。相對(duì)于以往采用間接邊界元對(duì)內(nèi)外聲場(chǎng)同時(shí)求解的方法，該模型考慮了殼體內(nèi)外介質(zhì)不同的特性，在處理外場(chǎng)無

6、界物理域時(shí)更具優(yōu)勢(shì)。研究表明，流體激勵(lì)殼體振動(dòng)在透平內(nèi)輻射的流激噪聲小于流體自身偶極子源產(chǎn)生的流動(dòng)噪聲;而外場(chǎng)情況下，流體激勵(lì)殼體振動(dòng)輻射的流激噪聲貢獻(xiàn)較大。同時(shí)開展試驗(yàn)研究，證實(shí)了考慮結(jié)構(gòu)振動(dòng)殼體聲源作用的流動(dòng)噪聲能夠體現(xiàn)多聲源的共同作用，計(jì)算與試驗(yàn)頻譜曲線吻合較好，葉頻及其倍頻下最大誤差僅為6.9％，由此來預(yù)測(cè)內(nèi)場(chǎng)噪聲從定性和定量上是可行的。
　　5.建立了一種基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面的離心泵作透平水力和聲學(xué)性能多目標(biāo)優(yōu)化方法，即

7、在對(duì)比分析葉輪幾何參數(shù)對(duì)透平性能和噪聲影響的基礎(chǔ)上，根據(jù)靈敏度篩選出對(duì)噪聲影響顯著的關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)而以效率不降低和總聲壓級(jí)最小為響應(yīng)目標(biāo)，構(gòu)造顯著變量與多目標(biāo)函數(shù)的響應(yīng)面多元回歸模型，兼顧性能與噪聲確定最優(yōu)參數(shù)組合，分析影響效率與噪聲的參數(shù)間交互作用。研究得知，葉輪進(jìn)口直徑、葉片出口寬度、葉片數(shù)及葉片包角對(duì)噪聲影響顯著;經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化后透平效率平均提高了1.98個(gè)百分點(diǎn)，1/3倍頻程總聲壓級(jí)降低了4.95dB(A)。
　　6.從同相

8、位脈動(dòng)水動(dòng)力作用面積與輻射噪聲之間的關(guān)系出發(fā)，基于葉片和隔舌的相對(duì)傾斜關(guān)系，建立了葉片與隔舌異向傾斜角度關(guān)系式，提出了在保證性能前提下傾斜葉片、隔舌以及添加分流葉片的主動(dòng)控制降噪方法。研究表明，傾斜葉片可以保持離心泵作透平的原有水力性能，傾斜隔舌使得全流量范圍效率均有所增加，添加分流葉片使得大流量區(qū)效率增加;傾斜葉片、隔舌及添加分流葉片均能降低整體頻段的總聲能。三組不同組合型式試驗(yàn)表明，所提降噪方法能夠同時(shí)提升透平的水力性能和噪聲性能，