葉輪隔舌間隙對離心泵性能和流動噪聲影響的試驗研究

司喬瑞， 袁壽其， 袁建平

(江蘇大學 國家水泵及系統工程技術研究中心，江蘇 鎮江　212013)

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葉輪隔舌間隙對離心泵性能和流動噪聲影響的試驗研究

司喬瑞， 袁壽其， 袁建平

(江蘇大學 國家水泵及系統工程技術研究中心，江蘇 鎮江212013)

摘要：搭建了離心泵流動誘導噪聲測試臺，采用四端網絡法聲學測試模型，試驗研究了離心泵性能和流動噪聲隨流量的變化規律，分析了空化發生時的流動噪聲特性。通過研究不同葉輪切割量對模型泵外特性、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。研究結果表明：在高效區運行時，模型泵進出口流動誘導噪聲均隨流量先減小，至效率最高工況點達到最小，然后上升；各流量下，隨著空化余量的減小，模型泵進口噪聲總聲壓級先緩慢增加，再迅速上升，達到極值后緩慢下降；隨著葉輪切割量的增加，模型泵揚程跟葉輪直徑的平方成正比，最高效率點向小流量工況偏移，臨界空化余量變小；綜和性能和流動噪聲考慮，模型泵葉輪和隔舌的最佳間隙率為15%；在間隙值小于最佳值時，切割葉輪能顯著降低噪聲并提高模型泵的臨界空化余量，并且對模型泵出口流動噪聲的影響比進口明顯。

關鍵詞：離心泵；流動噪聲；性能；空化；葉輪隔舌間隙

離心泵廣泛應用于國民經濟的各個部門，由于內部流動結構復雜，其運行過程中常伴有強烈的噪聲，已成為重要的環保問題控制對象[1-2]。以往對離心泵水力設計方面的研究多注重于性能和成本，而對產品的噪聲控制不夠重視。在客戶需求不斷提高、環境標準日益嚴格的背景下，通過優化幾何參數提高離心泵的水力性能并降低離心泵的噪聲水平，已成為亟待解決的問題。

國內外學者針對離心泵噪聲的產生和傳播特性進行了大量的研究，大多認為離心泵流動誘導噪聲在其噪聲等級評定中起著決定性作用，是實現系統“安靜型”設計的關鍵[3-7]。Chu等[8-9]通過粒子位移測速技術確定了離心泵內流場分布，并計算得到壓力場，結果顯示葉片和蝸殼隔舌間的相互作用以及葉輪出口的不均勻流動是引起遠場流動噪聲的主要原因。Srivastav等[10]通過測試不同葉輪直徑模型泵泵體的振動加速度和輻射噪聲聲壓級大小，得出離心泵的振動和噪聲水平隨其葉輪與隔舌間隙的增大而降低的結論。馮濤[11]采用四端網絡模型對離心泵流動噪聲聲源特性進行了描述，研究了其聲壓級隨模型泵轉速和出口壓力之間的關系。引起離心泵流動不穩定的一個重要原因是空化，空化不但降低泵的水力性能，還將使葉輪表面產生空蝕破壞，降低泵的使用壽命。空化發生后，氣泡在高壓區時會發生潰滅，進而產生高頻脈沖，引起劇烈的振動和噪聲[12-13]。段向陽等[14-15]基于聲壓測量和振動分析對離心泵空化現象的監測進行了研究，結果表明空化發生后離心泵監測點的總聲壓級和振動加速度級均有顯著的提高，能量主要集中在5~12.5 kHz的高頻頻帶內。綜上可知：葉輪和隔舌間隙對離心泵性能和流動噪聲具有重要影響，但到目前為止還無文獻綜合性能和噪聲兩方面進行考慮給出最佳間隙值，該間隙對離心泵空化性能影響方面的研究也很少涉及。

本文搭建了離心泵流動誘導噪聲測試試驗臺，采用無源四端網絡聲學模型對某IS65-50-165型低比速離心泵的進、出口流動噪聲進行描述，并研究了葉輪和隔舌間隙的變化對模型泵外特性、流動噪聲和空化性能的影響。由于改變蝸殼隔舌的難度比較大，同時葉輪切割也是工程中經常用來改變性能、擴大使用范圍的方法，本文通過改變葉輪直徑的方式來進行研究。

1試驗模型

本文所選離心泵原型的水力設計參數如表1所示，經式1計算可知其設計比轉速ns為65.56，屬于低比速泵。為了保證葉輪切割前后的幾何相似條件，參考文獻[16]取其最大切割量為10%。葉輪切割方案如表2所示，試驗過程中逐次增大葉輪切割量，最終葉輪和隔舌間隙率δ達到21%。

表1　原型泵水力參數

表2　葉輪切割方案

(1)

2測試系統

本文通過改造江蘇大學國家水泵及系統工程技術研究中心閉式試驗臺，搭建了離心泵流動誘導噪聲測試系統，如圖1所示。該系統主要過流部件均采用不銹鋼制造，在進行水泵性能試驗和空化試驗時，測試精度優于GB/T3216.2005(1級)。設置穩壓罐的目的是對模型泵出流進行穩壓，增加系統的穩定性，同時還起到隔聲和消聲的效果，以去除水循環系統下游裝置的發聲(渦輪流量計和閥)對模型泵流動噪聲測量的干擾。

圖1　離心泵流動誘導噪聲試驗臺和測試系統Fig.1 Test rig and measuring system

數據采集系統可分為模型泵性能參數采集和動態信號采集系統兩部分。試驗中采用江蘇大學自主開發的泵參數測量儀對模型泵運行過程中的流量、轉速、進出口總壓和電機電參數進行測量，經過計算可得其性能曲線。進、出口管路的流動誘導噪聲信號采用丹麥B&K公司的8103型水聽器來測量。依據標準GB/T3216.2005[17]對離心泵進行水力性能和空化性能測試，并在試驗的過程中待每一個工況穩定后采集泵運行過程中的流動誘導噪聲信號。動態信號采集系統基于LabVIEW程序平臺，采用PXI-6251多功能信號采集卡進行采集，采樣頻率為20 kHz，采樣時間為20 s。模型泵的進出口聲源特性采用如圖2所示的無源四端網絡聲學模型描述。該方法選擇沿管道正向和反向傳播的兩列行波的聲壓作為端口變量，推導出式2所示的關系形式。式中不包含聲源項，[S]為傳遞矩陣，Pi+和Pi-為入水管管道中方向相反的兩列行波，Po+和Po-為出水管管道中方向相反的兩列行波。

(2)

在1、2、3、4處分別布置測點測聲壓，經過推導可得模型泵進出口入射波與反射波的表達式如式3和4所示。式中s為水聽器之間的距離，取為250 mm，k為波數。測點2距離模型泵進口的距離為150 mm，測點3距離模型泵出口的距離為150 mm。試驗過程中，通過對信號進行多次采集后可以完成系統四端網絡參數的識別以及進出口聲波的分離[11]。

(3)

(4)

圖2　四端網絡法示意圖Fig.2 Schematic diagram of four-terminal network method

3非空化條件下葉輪切割對離心泵性能和流動噪聲的影響

3.1性能測試結果

通過性能試驗所得原型泵和各切割方案模型泵的揚程效率曲線如圖3所示。由圖可知：原型泵的最高揚程流量點不在關死點處，流量揚程關系曲線在0.6Qd附近出現了駝峰，因此模型泵在小流量存在運行不穩定區域；由效率流量關系曲線可以看出原型泵的最高效率點在1.2Qd，這主要是因為設計該低比速泵時為了拓寬高效區范圍，采用了加大流量設計法；試驗所得揚程隨著葉輪直徑的減小而降低，揚程值遵循切割定律，即揚程與葉輪直徑的平方成正比；在葉輪切割量為2.5%時，模型泵效率比原型泵略有增加，但高效點位置變化不大，隨著葉輪進一步切割，模型泵的最高效率點向小流量工況偏移，最高效率值變小，高效區變窄。

圖3　模型泵的外特性曲線Fig.3 Performance curves of model pumps

3.2計算域及網格劃分

試驗中采用聲壓級Lp表示噪聲的大小，采用前文提出的無源四端網絡法對測試聲壓進行處理，將計算得到的入射波和反射波的聲壓數據導入LabVIEW軟件的振動噪聲模塊進行相應的聲壓級求解。聲壓級計算公式如下：

(5)

式中：pref為基準聲壓，水中取值為10-6Pa[11]；Δfi=0.25 Hz；根據奈斯奎采樣定律，fmax=10 000 Hz。

四種葉輪直徑下模型泵進出口流動噪聲聲壓級隨流量的變化曲線如圖4所示，由圖可知：原型泵出口的流動噪聲聲壓級要高于進口，說明離心泵的主要噪聲源更靠近出口位置，易于向下游傳播；原型泵在小流量不穩定工況下運行時，流動誘導噪聲的聲壓級較大；流量大于0.6Qd以后，模型泵進出口聲壓級均隨流量的增大，先減小，并在Qd~1.2Qd之間達到最小，然后增加；模型泵進口的流動噪聲聲壓級隨葉輪半徑的減小沒有顯著的變化，而出口的流動噪聲聲壓級隨著葉輪半徑的減小而顯著降低，再次說明離心泵主要流動聲源的位置更靠近出口；當葉輪切割量為2.5%時，模型泵的降噪效果最為明顯，隨著切割量的進一步增大，其噪聲聲壓級進一步減小，但降噪效果不再明顯，至葉輪和隔舌間隙率為15%時噪聲聲壓級達到最小，其后隨著間隙進一步擴大，噪聲聲壓級略有回升。因此，對模型泵葉輪切割前后的性能與聲場對比分析，基于泵效率、揚程與降噪效果等諸方面的綜合考慮，原型泵葉輪的切割量為2.5%時效果最為理想，而對重視噪聲指標的離心泵設計來說，葉輪和隔舌間隙率保持在15%是較好的選擇。

圖4　模型泵流動噪聲聲壓級變化曲線Fig.4 Sound pressure level variation of model pump

4葉輪切割對離心泵空化噪聲的影響

空化不但降低泵的水力性能，還將使葉輪表面產生空蝕破壞，空化發生后，氣泡在高壓區時會發生潰滅，進而產生高頻脈沖，誘發系統的振動和噪聲。本文在離心泵流動誘導噪聲測試臺上采用進口抽真空的方法來模擬離心泵空化的發生，并將額定流量、額定轉速條件下離心泵揚程下降3%時的裝置空化余量(NPSHa)定義為泵必需空化余量(NPSHr)，這也是通用的判斷離心泵空化特征的值。

4.1不同空化條件下原型泵的流動噪聲聲壓級

圖5　模型泵噪聲聲壓級隨NPSHa變化Fig.5 Sound pressure level variation with different NPSHa

圖5為四種流量下進口流動噪聲的聲壓級隨NPSHa的變化曲線，圖中的(?)對應的NPSHa為模型泵的NPSHr值。由圖可知：流動噪聲的聲壓級隨空化系數的減小而逐漸增大，當NPSHa降低到一定程度后，空化噪聲聲壓級迅速增加并在NPSHa大于NPSHr后達到極值，之后隨著NPSHa的進一步降低，空化噪聲聲壓級出現下降；原型泵在低于設計流量工況運行時，空化聲壓隨著空化系數減小一直增大，無極值點出現，這可能是因為此流量下由于試驗用真空泵的限制，試驗時NPSHa降低的不夠。關于空化噪聲存在極值的原因很多學者進行了探索[18-19]，本文認為空化噪聲聲壓級出現極值存在兩個方面的原因：當流量不變時，進口管內的流速也不變，隨著空化系數的減小，葉輪進口的壓力降低，空泡數增加使得噪聲增強；同時，進口壓力的下降導致了空泡潰滅的速度相應降低，這又造成空化噪聲聲壓級變小的趨勢。因此，相互作用的兩個因素使得空化噪聲出現了前述變化規律。

圖6　切割葉輪外徑對模型泵空化性能的影響Fig.6 Influence from cutting the impeller diameter to cavitation performance of the model pump

4.2四種方案葉輪模型泵的空化性能

前文試驗驗證了通過切割葉輪可以減小葉輪和隔舌間的動靜干涉作用從而降低離心泵流動噪聲，然而葉輪外徑切割對離心泵空化性能影響的報道并不多。本文從試驗角度分析葉輪外徑的變化對離心泵空化性能曲線的改變，探討動靜干涉作用對離心泵空化性能的影響。三種流量下四種葉輪外徑方案模型泵的空化性能曲線以及四種葉輪外徑模型泵的泵臨界凈正吸頭隨流量的變化圖如圖6所示。由于試驗時直接獲得揚程下降3%的NPSHa值比較困難，文中采用拉格朗日插值法進行轉換。

由圖6可知：由空化誘導的揚程下降趨勢在4組葉輪模型泵上的表現不一樣，對葉輪外徑進行切割會影響離心泵的空化性能；從圖中給出各葉輪切割方案模型泵3種流量下的揚程下降比值可以發現，4種模型泵揚程下降1%以前的變化情況比較復雜，切割葉輪以后模型泵的NPSHa值與原型泵相比時小時大，且不同流量下的變化規律也不同，不易用來比較；揚程下降至2%后，下降規律趨于穩定，已經可以將其作為離心泵空化性能優劣的判據標準；若以揚程下降3%對應的NPSHa來判斷各葉輪空化性能的優劣，可以認為葉輪切割能提高模型泵的空化性能。由圖6(d)可以看出葉輪第一次切割時，各流量點的NPSHa均大幅降低，隨著葉輪外徑繼續減小，各流量點NPSHa降低的幅度變小，切割量為5%和10%的葉輪在空化性能上差異不大。因此，葉輪和隔舌間隙率大于15%以后，其對空化性能的影響也不再顯著。

5結論

本文搭建了離心泵流動誘導噪聲測試臺，分析了葉輪隔舌間隙對模型泵性能和流動誘導噪聲的影響，結論如下:

(1)離心泵的主要噪聲源更靠近出口位置，更易于向下游傳播。模型泵流動噪聲聲壓級在小流量保持較高的水平，流量大于0.6Qd時，聲壓級先隨流量的增大而減小，在Qd~1.2Qd(最高效率點)之間達到最小，然后增大。

(2)隨著葉輪切割量的增加，模型泵揚程跟葉輪直徑成正比；當切割量為2.5%時，模型泵的最高效率值增加，最高效率工況點不變；隨著切割量加大，泵的最高效率點向小流量工況偏移，值變小，且高效區變窄。

(3)對模型泵上游噪聲來說，葉輪切割對其影響不大，對泵下游來說，當葉輪切割量為2.5%時，降噪效果最明顯，隨著切割量的進一步增大，其噪聲聲壓級進一步減小，但降噪效果不再明顯，至葉輪隔舌間隙率為15%時噪聲聲壓級達到最小，其后隨著間隙進一步擴大，噪聲聲壓級略有回升；對空化性能來說，當切割量為2.5%時能顯著提高模型泵的NPSHr值，葉輪和隔舌間隙率大于15%以后，其對空化性能的影響也不再顯著。

(4)綜合揚程、效率、噪聲和空化性能考慮，模型泵切割量為2.5%時效果最佳，僅考慮模型泵的降噪，葉輪隔舌間隙率保持在15%較好。

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Experimental study on the influence of impeller-tongue gap on the performance and flow-induced noise characteristics of centrifugal pumps

SIQiao-rui,YUANShou-qi,YUANJian-ping

(Jiangsu University National Research Center of Pumps, Zhenjiang 212013, China)

Abstract:A test rig for investigating the flow-induced noise of centrifugal pumps was built based on passive four terminal network method to collect sound signals in various operating conditions including different flowrates and cavitating status. With the increases of flow rate, the sound pressure level initially decreases when the flow rate is greater than 0.6 Qd, reaches the minimum between 1.0 Qd and 1.2 Qd, and then subsequently increases. As the cavitation coefficient is reduced, the overall sound pressure level of flow-induced noise gradually increases, and then decreases after reaching a maximum. Then optimum value of impeller-tongue gap is 15% of the impeller radius in order to achieve a minium sound level. Cutting the impeller circumference could significantly reduce the noise level especially at the pump outlet and improve the cavitation performance of the model pump when the gap is less than the optimum.

Key words:centrifugal pump; flow-induced noise; performance; cavitation; impeller-tongue gap

中圖分類號:Th111

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.03.026

通信作者袁壽其 男，研究員，博士生導師，1963年生

收稿日期：2014-12-26修改稿收到日期：2015-02-13

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51509108)；江蘇省自然科學基金(SBK2015042921)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目；流體及動力機械重點實驗室(西華大學)開放課題資助項目(SZJJ2015-016)；江蘇大學高級人才基金資助項目(15JDG048)

第一作者 司喬瑞 男，博士，助理研究員，1986年生

郵箱：shouqiy@ujs.edu.cn