一種離心泵壓力脈動衰減器的優化設計與試驗研究

沈正帆

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

裝備技術

一種離心泵壓力脈動衰減器的優化設計與試驗研究

沈正帆

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

針對離心泵壓力脈動頻頻率范圍寬的問題，設計出一種可以同時衰減離心泵軸頻脈動和葉頻脈動的衰減器。該衰減器由蓄能器組和亥姆霍茲衰減器組成，根據其工作原理，對蓄能器容積、蓄能器充氣壓力、蓄能器阻尼孔和亥姆霍茲衰減器阻尼孔等參數進行優化設計，并對研制出的樣機進行試驗研究。試驗結果表明，離心泵壓力脈動衰減器對軸頻脈動和葉頻脈動均有較好的衰減器效果，離心泵在工作壓力范圍內，出口管路壓力脈動均可衰減 5 dB 以上。

離心泵壓力脈動；衰減器；蓄能器；亥姆霍茲衰減器

0 引 言

離心泵廣泛應用于船舶領域，但由于離心泵的空間非對稱性結構，葉輪高速旋轉、葉輪和蝸殼的動靜干涉相互作用以及流體的高粘性，其內部流動呈現出復雜的非定常特性。這種非定常流動會引起流場的壓力脈動，當壓力脈動的流體遇到閥門、法蘭、彎頭等阻抗管路部件時，將產生一定隨時間周期變化的激振力，引發沖擊、振動和噪聲問題，從而影響管路及管路部件使用可靠性和船體結構的振動特性[1,2]。

在某些應用場合，需要有效控制泵組的壓力脈動。壓力脈動衰減器是控制管路壓力脈動的重要手段，在航空、石化、船舶等領域應用廣泛[3]。目前，蓄能器和赫姆霍茲衰減器是常見的用來衰減管路中的壓力脈動的衰減器。然而蓄能器只能針對低頻壓力脈動進行衰減[4–5]，而亥姆霍茲衰減器衰減的則是高頻壓力脈動[6–7]，二者均無法同時衰減離心泵輸出管路中的軸頻脈動和葉頻脈動。

本文針對離心泵輸出的壓力脈動特點，綜合蓄能器和赫姆霍茲水消聲器的有效工作頻段，將二者進行集成，設計出一種可以同時衰減離心泵軸頻脈動和葉頻脈動的衰減器，對相關參數進行優化并對樣機進行了相關試驗研究。

1 結構及工作原理

離心泵壓力脈動衰減器的結構如圖 1 所示，該衰減器將蓄能器組與亥姆霍茲衰減器進行集中化設計，結構緊湊、尺寸較小，其工作原理如下：

1）采用多個隔膜式蓄能器構成蓄能器組，衰減軸頻脈動。水由進口法蘭流入，經過低噪聲排水裝置，當水流壓力高于蓄能器充氣壓力時，隔膜收縮，高于平均流量的脈動部分被隔膜吸收；反之，當水流壓力低于蓄能器充氣壓力時，隔膜擴張，隔膜可以補充低于平均流量的脈動部分，從而實現水流壓力脈動的衰減，因其容積大，因而吸收壓力脈動效果好。

2）采用亥姆霍茲衰減器衰減葉頻壓力脈動。該衰減器屬旁支消聲器的一種，當水經過亥姆霍茲衰減器時，一部分會被反射回來，另一部分則分成 2 個分路，一路由亥姆霍茲衰減器阻尼孔流入其容腔中，另一路則留在主管中繼續傳播，形成透射波，由于管道交界處的阻抗不斷變化，故達到了衰減壓力脈動的目的。

2 參數及優化設計

本文針對某型離心泵進行衰減器的優化設計，其葉片數為 8，額定工作時揚程 30 m，額定轉速 2 900 r/min。輸出管路中會激發壓力脈動，且該壓力脈動在軸頻和葉頻處比較突出。本文研制的離心泵壓力脈動衰減器主要衰減上述頻率對應的壓力脈動。

2.1 蓄能器組參數設計

根據離心泵壓力脈動衰減器結構特點，可在 4 個面安裝 4 個蓄能器。針對不同的使用條件，由于泵組揚程為 30 m，輸出管路中壓力分別為 1.3 MPa，2.3 MPa，3.3 MPa，設計一個蓄能器針對 1.3 MPa 環境壓力的軸頻脈動、一個蓄能器針對 2.3 MPa 環境壓力的軸頻脈動、一個蓄能器針對 3.3 MPa 環境壓力的軸頻脈動；另外，設計一個蓄能器針對葉頻衰減其壓力脈動。

1）蓄能器容積計算

蓄能器的容積按照下式計算[8]：

式中：ΔV 為脈動一個周期內，瞬間流量高于平均流量；δ 為允許的壓力脈動率；k 為充氣氣體多變指數。

蓄能器的充氣壓力按照下式進行計算：

式中，P0為環境壓力。吸收軸頻脈動的蓄能器的初始容積 V0滿足式（3）：

經式（1）～式（3）計算，可設計蓄能器隔膜外形輪廓尺寸為 Φ130 mm × 50 mm。

2）蓄能器進水口參數設計

當蓄能器的固有頻率等于脈動頻率時，其吸收脈動的效果最好。蓄能器的固有頻率按下式計算：

式中：fAN為蓄能器的固有頻率；K 為氣體絕熱系數，取 K = 1.4；aA為蓄能器進水口截面積；p0為穩定狀態時蓄能器中氣體壓力；ρ 為水的密度；lA為蓄能器進水口長度；V0為穩定狀態時蓄能器中氣體容積。

綜合以上計算和分析，4 個蓄能器結構參數如表 1 所示。

表 1 蓄能器結構參數Tab. 1 Structural parameters of accumulator

2.2 赫姆霍茲水衰減器參數確定

1）赫姆霍茲水衰減器容腔容積確定

根據低噪聲管路排水裝置結構尺寸，赫姆霍茲水衰減器容腔總容積可約取為 5 L。

2）赫姆霍茲水衰減器進水口參數確定

亥姆霍茲衰減器主要針對離心泵輸出的葉頻壓力脈動，其頻率為 387 Hz，其固有頻率按下式計算：

式中：fHN為赫姆霍茲水消聲器的固有頻率；βe為水的體積彈性模量；aH為赫姆霍茲水消聲器進水口截面積；lH為赫姆霍茲水消聲器進水口長度；VH為赫姆霍茲水消聲器的有效容積。

根據離心泵輸出的葉頻脈動特點及衰減器的結構參數，可設計約 8 個 Φ4.4 mm × 10 mm 的阻尼孔。

3 仿真分析

3.1 模型建立及參數設置

按照圖 2 所示的系統圖，采用液壓仿真軟件建立如圖 3 所示的衰減器工作的仿真模型，計算其吸收軸頻和葉頻脈動效果。離心泵輸入參數：輸入流量q = 2 500 + 125（sin303.5t+ sin2 430.4t）L/min。

3.2 計算結果及分析

設定離心泵組進水管路壓力分別為 1 MPa，2 MPa，3 MPa，4.5 MPa，調節節流閥，使離心泵組輸出揚程30 m，調節輸入流量的脈動頻率，使之為軸頻、葉頻，經圖 3 模型仿真計算，得出在各個工況下，離心泵壓力脈動衰減器對軸頻脈動和葉頻脈動均有較好的衰減效果，如圖 4和圖 5 所示。

4 試驗及結果分析

搭建如圖 6 所示的離心泵壓力脈動衰減器試驗系統。衰減器位于離心泵出口處，離心泵入口通過空壓機加載背壓，試驗系統中各設備和測試儀器型號及參數如表 2 所示。

試驗過程中，用空壓機進行入口背壓調節，在安裝衰減器和替代直管路的情況下進行試驗，測量輸出的壓力值，根據式（6）計算 2 種情況下的壓力分貝值及其衰減分貝值，計算結果如表 3 所示。

式中Pref為參考壓力值，取 10–6Pa。

由表 3 可看出，離心泵在工作壓力范圍內，出口壓力脈動均可以衰減 5 dB 以上，效果明顯。

表 2 試驗設備和測量儀表Tab. 2 Test equipments and measuring instruments

表 3 壓力脈動衰減器試驗效果Tab. 3 Test result of pressure pulsation attenuator

5 結 語

1）針對離心泵輸出管路中的壓力脈動頻率范圍寬的問題，設計出一種可以同時衰減軸頻壓力脈動和葉頻壓力脈動的衰減器，其優化參數為：4 個蓄能器容積為 0.47 L，充氣壓力為 0.9 MPa，1.8 MPa，2.7 MPa，0.9 MPa，阻尼孔直徑和長度分別為 13 mm，9.5 mm，8 mm，40 mm 和 5 mm，5 mm，5 mm，2 mm，亥姆霍茲衰減器總容積為 5 L，阻尼孔數量共 8 個，尺寸為 Φ 4.4 mm ×10 mm。

2）壓力脈動衰減器仿真和試驗結果表明，該裝置對軸頻脈動和葉頻脈動均有較好的衰減器效果，離心泵出口管路壓力脈動均可衰減 5 dB 以上。

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[8]雷天覺. 新編液壓工程手冊[M]. 北京: 北京理工大學出版社, 1998.

The optimization of a centrifugal pump pressure pulsation attenuator design and experimental study

SHEN Zheng-fan
(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Focusing on the wide range of pulse frequency of centrifugal pump, a pressure impulses pulsation attenuator is designed , which can attenuate the centrifugal pump shaft frequency and blade frequency pulse. The attenuator is made up of accumulators and helmholtz attenuators. According to its working principle, many design parameters such as the accumulator volume, accumulator charging pressure, damping hole dimensions of accumulator and helmholtz attenuator are optimized. Prototype is developed, experiments are carried out and studied. The test results show that it has good attenuating effect on minimizing shaft frequency and blade frequency pulse, the export pipeline pressure pulsation can be reduced by more than 5 db attenuation, within the scope of working pressure of centrifugal pump.

centrifugal pump pressure pulsation；attenuator；accumulator；helmholtz attenuator

U664.84

A

1672–7619(2017)03–0078–04

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.03.016

2016–04–13；

2016–05–17

沈正帆(1981–)，男，工程師，研究方向為船舶系統技術及其應用。