離心泵低噪聲水力設(shè)計及動靜干涉機理研究.pdf

1、本文是在國家杰出青年科學基金“離心泵基礎(chǔ)理論和節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研究”(50825902)、國家科技支撐計劃項目“百萬千瓦級核電離心泵關(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，用戶對產(chǎn)品的振動噪聲指標提出更高的要求，掌握離心泵噪聲產(chǎn)生機理以及如何在傳統(tǒng)離心泵設(shè)計方法的基礎(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，成為一個重要的研究課題。
　　本文采用機理分析、試驗測試和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對離心泵流動噪聲的特性進行研究，旨在建立若干高效率低噪聲離心泵水力設(shè)計準則。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)有的離心泵噪聲測量和評價標準已不能滿足其噪聲評估的需要，離心泵流動誘導噪聲是離心泵機組噪聲測量和評估的關(guān)鍵。研究表明離心泵流動誘導噪聲產(chǎn)生的重要因素是其內(nèi)部流場的不穩(wěn)定

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

4、聲壓級隨流量的增大先減小，并在最高效率點達到最小，然后迅速增加;隨著轉(zhuǎn)速的提高，離心泵進、出口流動誘導噪聲聲壓級呈線性上升，離心泵出口的流動噪聲變化要比進口大;隨著空化系數(shù)的減小，流動噪聲的總聲壓級逐漸升高，并在達到極值后降低;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，葉輪切割能明顯降低流動噪聲聲壓級并提升模型泵空化性能;在高效區(qū)運行時，流動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)生時由于進口預旋

5、造成流道堵塞，流動噪聲的能量往軸頻及超低頻集中，空化現(xiàn)象發(fā)生時，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)合計算流體力學和計算聲學(CFD/CA)的混合算法對IS65-50-165模型泵的流動誘導噪聲進行求解，并分析了聲振耦合作用對流動誘導噪聲計算的影響。發(fā)現(xiàn)流場求解時，采用Scale Adaptive Simulation(SAS)湍流模擬既能避免對網(wǎng)格和計算

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

7、合;泵在非高效區(qū)運行時，僅采用偶極子聲源進行聲場計算將不能準確反映模型泵的聲場特性;聲振耦合作用對葉片通過頻率下聲壓級的求解影響很小。
　　4.以葉頻噪聲聲壓級、揚程、效率和軸功率這四個指標作為判斷標準，首次采用權(quán)矩陣方法借助數(shù)值模擬技術(shù)對離心泵葉輪進行多目標優(yōu)化設(shè)計，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對比，發(fā)現(xiàn)該優(yōu)化模型全部達標，驗證了數(shù)值優(yōu)化方法的可行性。通過PIV內(nèi)流場測試發(fā)現(xiàn):隔舌對流場影響很大，受葉輪

8、和隔舌動靜干涉影響，流場內(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口的流動;高效率低噪聲離心泵葉輪設(shè)計的關(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。
　　5.提出了能較大幅度降低電動離心泵機組輻射噪聲的引射裝置，試驗比較了原型泵、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)值計算了包含引射流在內(nèi)的離心泵內(nèi)部流

9、場。研究結(jié)果表明:風扇空氣動力學噪聲是離心泵機組運行時產(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，模型泵揚程、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度，并降低回流發(fā)生的關(guān)鍵流量點;dy=12mm時，由于引射管較大地增加了葉輪實際流量，模型泵的軸功率增幅明顯，而揚程和效率下降很快，同時，由于垂直入射的引射管流太大，造成回流發(fā)生時進口流場的進一步

10、紊亂，抵消了其進口增壓作用，并引起空化性能的惡化。
　　6.基于法國國立高等工程技術(shù)學校的動靜干涉實驗臺，在某導葉式離心泵模型上進行了三孔探針、PV、導葉葉片靜壓和進口流動噪聲的瞬態(tài)測量等試驗，通過評估導葉壓力恢復能力和分析葉輪上、下游流場的瞬態(tài)特性，對離心泵動靜干涉作用引起的湍流脈動機理進行了研究。研究結(jié)果表明:導葉內(nèi)脈動的速度場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，速度場的切向脈動更加強烈表明聲源具有明

11、顯的偶極子特征;按壓力損失情況可以將導葉劃分為無葉片區(qū)域、導葉進口至喉部區(qū)域和喉部下游區(qū)域，導葉靜壓恢復系數(shù)隨流量的減小而變大;導葉設(shè)計流量下葉輪出口至導葉喉部區(qū)域的壓力損失最小;小于設(shè)計流量時，壓力損失主要集中在導葉無葉片區(qū)域，較大的液流角引起導葉進口的回流，復雜的流動結(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口發(fā)生回流，回流可以延伸到進口管形成失速團，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)生在導葉喉部以