離心泵低噪聲水力設(shè)計(jì)及動(dòng)靜干涉機(jī)理研究.pdf

1、本文是在國(guó)家杰出青年科學(xué)基金“離心泵基礎(chǔ)理論和節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研究”(50825902)、國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“百萬千瓦級(jí)核電離心泵關(guān)鍵技術(shù)研究”(2011BAF14B04)和江蘇省研究生創(chuàng)新基金“離心泵低噪聲水力設(shè)計(jì)方法及關(guān)鍵技術(shù)研究”(CXZZ12-0679)的資助下開展工作。隨著環(huán)境法規(guī)的出臺(tái)，用戶對(duì)產(chǎn)品的振動(dòng)噪聲指標(biāo)提出更高的要求，掌握離心泵噪聲產(chǎn)生機(jī)理以及如何在傳統(tǒng)離心泵設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化幾何參數(shù)提高離心泵的水力效率和降低

2、離心泵的噪聲水平，成為一個(gè)重要的研究課題。
　　本文采用機(jī)理分析、試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)離心泵流動(dòng)噪聲的特性進(jìn)行研究，旨在建立若干高效率低噪聲離心泵水力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。本文的主要工作和創(chuàng)造性成果有:
　　1.系統(tǒng)總結(jié)分析了離心泵噪聲的分類和產(chǎn)生原因，提出現(xiàn)有的離心泵噪聲測(cè)量和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)已不能滿足其噪聲評(píng)估的需要，離心泵流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲是離心泵機(jī)組噪聲測(cè)量和評(píng)估的關(guān)鍵。研究表明離心泵流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲產(chǎn)生的重要因素是其內(nèi)部流場(chǎng)的不穩(wěn)定

3、流體力，來源主要包括:動(dòng)靜部件間的干涉作用，非設(shè)計(jì)工況下的葉輪徑向力和不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象等。
　　2.搭建了離心泵流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲測(cè)試平臺(tái)，建立了無源四端網(wǎng)絡(luò)法聲學(xué)測(cè)試模型，試驗(yàn)研究了離心泵流動(dòng)噪聲隨運(yùn)行工況（變流量和變轉(zhuǎn)速）的變化規(guī)律，分析了回流和空化發(fā)生時(shí)的流動(dòng)噪聲特性。通過研究葉輪切割對(duì)模型泵流動(dòng)噪聲聲壓級(jí)和空化性能的影響，提出葉輪和隔舌之間的最佳間隙值。結(jié)果表明:模型泵在小流量時(shí)發(fā)生回流，噪聲聲壓級(jí)保持較高的水平，0.6Qd以后，

4、聲壓級(jí)隨流量的增大先減小，并在最高效率點(diǎn)達(dá)到最小，然后迅速增加;隨著轉(zhuǎn)速的提高，離心泵進(jìn)、出口流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲聲壓級(jí)呈線性上升，離心泵出口的流動(dòng)噪聲變化要比進(jìn)口大;隨著空化系數(shù)的減小，流動(dòng)噪聲的總聲壓級(jí)逐漸升高，并在達(dá)到極值后降低;模型泵葉輪和隔舌之間的最優(yōu)間隙值為15％，間隙值小于最優(yōu)值時(shí)，葉輪切割能明顯降低流動(dòng)噪聲聲壓級(jí)并提升模型泵空化性能;在高效區(qū)運(yùn)行時(shí)，流動(dòng)噪聲的主頻為葉頻及其倍頻，軸頻及其倍頻也存在極值，回流現(xiàn)象發(fā)生時(shí)由于進(jìn)口預(yù)旋

5、造成流道堵塞，流動(dòng)噪聲的能量往軸頻及超低頻集中，空化現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，隨著空化系數(shù)的降低，噪聲譜的能量往高頻集中，但低頻區(qū)葉片通過頻率及其倍頻的峰值逐漸減小直至消失。
　　3.采用結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算聲學(xué)(CFD/CA)的混合算法對(duì)IS65-50-165模型泵的流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲進(jìn)行求解，并分析了聲振耦合作用對(duì)流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲計(jì)算的影響。發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)求解時(shí)，采用Scale Adaptive Simulation(SAS)湍流模擬既能避免對(duì)網(wǎng)格和計(jì)算

6、資源的過高需求，又能滿足計(jì)算聲源信息的需要。研究結(jié)果表明:距離隔舌位置近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)強(qiáng)度較大，表明葉輪和蝸殼隔舌的動(dòng)靜干涉作用是引起流場(chǎng)脈動(dòng)的主要原因，隔舌部位是主要的噪聲源;經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，在泵高效運(yùn)行區(qū)間內(nèi)基于CFD/CA的數(shù)值計(jì)算求解誤差在3.1％以內(nèi)，完全能滿足工程優(yōu)化的需要，其中聲學(xué)邊界元法在葉頻及其倍頻噪聲聲壓級(jí)求解方面有優(yōu)勢(shì)，聲學(xué)有限元法雖然建模較復(fù)雜，但能直接展現(xiàn)流場(chǎng)體聲源分布并考慮寬頻湍流噪聲的求解，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際更加吻

7、合;泵在非高效區(qū)運(yùn)行時(shí)，僅采用偶極子聲源進(jìn)行聲場(chǎng)計(jì)算將不能準(zhǔn)確反映模型泵的聲場(chǎng)特性;聲振耦合作用對(duì)葉片通過頻率下聲壓級(jí)的求解影響很小。
　　4.以葉頻噪聲聲壓級(jí)、揚(yáng)程、效率和軸功率這四個(gè)指標(biāo)作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，首次采用權(quán)矩陣方法借助數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)離心泵葉輪進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到一組水力模型優(yōu)化方案。通過優(yōu)化葉輪與原型葉輪的試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該優(yōu)化模型全部達(dá)標(biāo)，驗(yàn)證了數(shù)值優(yōu)化方法的可行性。通過PIV內(nèi)流場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn):隔舌對(duì)流場(chǎng)影響很大，受葉輪

8、和隔舌動(dòng)靜干涉影響，流場(chǎng)內(nèi)速度的大小、云圖分布都呈現(xiàn)周期性變化，這種干涉作用不但直接作用在隔舌附近流體，還能沿上游傳播影響葉輪進(jìn)口的流動(dòng);高效率低噪聲離心泵葉輪設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是選擇合理的葉輪和隔舌間隙，以及減弱葉輪出口的尾流脈動(dòng)。
　　5.提出了能較大幅度降低電動(dòng)離心泵機(jī)組輻射噪聲的引射裝置，試驗(yàn)比較了原型泵、添加正常引射管徑(dy=6mm)和偏大引射管徑（dy=12mm）三種模型泵的性能，并首次數(shù)值計(jì)算了包含引射流在內(nèi)的離心泵內(nèi)部流

9、場(chǎng)。研究結(jié)果表明:風(fēng)扇空氣動(dòng)力學(xué)噪聲是離心泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生輻射噪聲中重要的組成部分，采用引射裝置后，輻射噪聲降低約8.3dB; dy=6mm時(shí)，模型泵揚(yáng)程、效率和軸功率的變化均不大，小流量下模型泵的臨界空化余量變小，加設(shè)引射管能夠有效減弱回流強(qiáng)度，并降低回流發(fā)生的關(guān)鍵流量點(diǎn);dy=12mm時(shí)，由于引射管較大地增加了葉輪實(shí)際流量，模型泵的軸功率增幅明顯，而揚(yáng)程和效率下降很快，同時(shí)，由于垂直入射的引射管流太大，造成回流發(fā)生時(shí)進(jìn)口流場(chǎng)的進(jìn)一步

10、紊亂，抵消了其進(jìn)口增壓作用，并引起空化性能的惡化。
　　6.基于法國(guó)國(guó)立高等工程技術(shù)學(xué)校的動(dòng)靜干涉實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在某導(dǎo)葉式離心泵模型上進(jìn)行了三孔探針、PV、導(dǎo)葉葉片靜壓和進(jìn)口流動(dòng)噪聲的瞬態(tài)測(cè)量等試驗(yàn)，通過評(píng)估導(dǎo)葉壓力恢復(fù)能力和分析葉輪上、下游流場(chǎng)的瞬態(tài)特性，對(duì)離心泵動(dòng)靜干涉作用引起的湍流脈動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明:導(dǎo)葉內(nèi)脈動(dòng)的速度場(chǎng)存在變化明顯的徑向分量，表明模型泵整體等同于聲源向外輻射噪聲，速度場(chǎng)的切向脈動(dòng)更加強(qiáng)烈表明聲源具有明

11、顯的偶極子特征;按壓力損失情況可以將導(dǎo)葉劃分為無葉片區(qū)域、導(dǎo)葉進(jìn)口至喉部區(qū)域和喉部下游區(qū)域，導(dǎo)葉靜壓恢復(fù)系數(shù)隨流量的減小而變大;導(dǎo)葉設(shè)計(jì)流量下葉輪出口至導(dǎo)葉喉部區(qū)域的壓力損失最小;小于設(shè)計(jì)流量時(shí)，壓力損失主要集中在導(dǎo)葉無葉片區(qū)域，較大的液流角引起導(dǎo)葉進(jìn)口的回流，復(fù)雜的流動(dòng)結(jié)構(gòu)造成較大的能量損失，并且隨著流量的逐步減小葉輪進(jìn)口發(fā)生回流，回流可以延伸到進(jìn)口管形成失速團(tuán)，這是小流量情況下湍流噪聲的主要來源;大流量下壓力損失主要發(fā)生在導(dǎo)葉喉部以