泵空化诱导振动噪声试验研究

泵空化诱导振动噪声试验研究

泵是一种通用的通用机械，广泛应用于经济和各个部门，起着非常重要的作用。泵的运行中产生的振动和噪声不仅影响设备和系统的性能，缩短运行时间，而且恶化工作条件，损害人类的健康和精神状态。随着社会和经济的发展，有必要尽可能减少泵的振动和噪声。泵的振动噪声有两种。一是机械振动引起的系统振动噪声，二是由流量诱导引起的振动和噪声。后者主要由机械设计和制造引起，主要由内部控制技术有效解决。后者主要由流量机械的内部不稳定流引起，如旋转失速、动静干扰、进出口回流等不稳定现象。其机理仍需进一步研究。因此，对泵内流动诱导振动噪声的研究有利于提高我国泵振动、噪声的主导控制技术水平，延长设备的使用寿命，为低振动低噪声泵的设计、操作故障的诊断和监控提供理论基础。离心泵流动诱导振动噪声的研究是国内外的研究热点和前沿.PerottiR.B.等应用一简单声学模型模拟了离心泵部分载荷时叶片与隔舌的相互作用,并与试验数据对比,表明这种相互作用是离心泵流量的函数.JiangY.Y.等采用大涡模拟和有限元计算研究了泵共振噪声的产生和传播机理.AndreasL.等应用PIV和CFD技术研究了失速工况下离心泵内的压力脉动的变化规律.倪永燕应用非定常数值计算研究了叶轮蜗壳动静干涉对叶轮不同半径处压力脉动的影响.吴仁荣等从理论上对降低离心泵振动噪声的水力设计方法进行了分析,并给出了相关参数的取值范围.水力优化设计是降低泵流动诱导振动噪声的根本方法,但目前这方面的研究还不够深入,尚未形成完善的低振动低噪声离心泵水力设计方法.为此,文中以一台单级单吸离心泵为研究对象,通过试验研究叶片数对离心泵流动诱导振动和噪声的影响,为建立低振动低噪声离心泵水力设计方法提供一定的参考.1试验系统1.1.试验装置图1为闭式试验台装置示意图.试验在江苏大学流体机械工程技术研究中心闭式试验台上进行.试验装置由汽蚀筒、稳压罐、进出水管路、阀门、真空泵、电动机、压力变送器、高频传感器、水听器、泵产品测试系统、虚拟仪器数据采集系统等组成.1.2振动噪声信号的显示和采集模型泵在稳定运行状态下产生的噪声信号和振动信号由美国NI公司的PXI-4472B动态信号采集模板采集,振动信号和噪声信号分别用加速度传感器和水听器测量.加速度传感器采用美国PBC公司生产的MA352A60,使用频率为5Hz~70kHz.水听器的型号为ST70,使用频率范围为50Hz~70kHz,接收声压灵敏度为-204dB.传感器的输出信号通过采集模板硬件转换输入到虚拟仪器驱动程序中,应用LabVIEW软件中的DAQAssistant功能实现振动噪声信号的显示和采集.水听器采用齐平式安装方式,直接安装在管壁上,其探头与测压点周围的壁面处于“齐平”的状态,直接测量管内的流体噪声,水听器测点布置在模型泵出口4倍管径处.4个加速度传感器分别安装在泵体、进出口法兰和泵脚上,其具体位置和标号如图2所示.模型泵和电机的测量参数由江苏大学自主开发的泵产品测试系统进行数据采集,并通过自带的测试分析软件进行数据处理,计算得到泵额定转数下的流量、扬程和效率.测量参数包括模型泵的进口压力、出口压力、流量、转速以及电机的电压、电流和功率等7个参数.进、出口压力变送器的量程分别为-100~100kPa和0~600kPa.涡轮流量计的型号为LW-80,流量计系数为11.1346.转速由转速传感器测量.根据奈奎斯特采样定理和振动噪声的测试范围确定采集模块的采样时间间隔和采样数,一般取采样频率为最高有用频率的3~4倍.确定采样时间间隔Δt=0.5×10-6s,采样数N=20000.文中建立的数据采集系统实现了泵性能参数与振动噪声信号的同步采集,提高了测试精度.1.3叶轮几何参数的确定模型泵为一单级单吸离心泵,其主要几何参数分别为叶片数Z=5,叶轮进口直径D1=71mm,出口直径D2=168mm,出口宽度b2=10mm,叶片出口角β2=33°,蜗壳基圆直径D3=184mm,蜗壳进口宽度b3=20mm,泵进口直径Din=65mm,泵出口直径Dout=50mm.模型泵的性能参数分别设计流量Q=50m3/h,扬程H=32m,转速n=2900r/min.为研究叶片数对离心泵内部流动诱导振动噪声的影响,保持模型泵泵体和叶轮其他几何参数不变,将叶片数改为4,6,7,并采用快速成型的方法加工4个试验叶轮,试验用叶轮如图3所示.2试验结果及分析2.1模型泵性能对比试验时首先打开模型泵进口管路上的蝶阀,关闭模型泵出口蝶阀,因为离心泵流量为0时功率最小,所以关阀启动离心泵.调节阀门逐步增大模型泵的流量,使零流量到最大流量之间有13个以上的运行工况点,并在设计工况点附近较为密集.待模型泵在每个工况点运行稳定后,应用泵产品测试系统和虚拟仪器动态信号采集模板同步采集模型泵的性能参数和振动噪声信号.图4为不同叶片数叶轮模型泵的性能曲线.可以看出:在设计工况下,5叶片叶轮的模型泵效率最高,4叶片叶轮的模型泵效率最低;7叶片叶轮的模型泵扬程最高,4叶片叶轮的模型泵扬程最低.2.2流量为4个叶片时的振动取振动信号的均方根值T表征振动的平均能量.均方根值T的表达式为式中:Xk为振动信号的测量值,k=1,2,…,n.图5为不同叶轮叶片数模型泵在不同流量下各测点振动能量的变化曲线.为了与相同工况下模型泵的运行效率进行比较,在图中增加了效率曲线.可以看出:不同叶片数模型泵4个测点的振动强度随流量增加的变化规律相似,且测点3(泵体)上的振动最为剧烈,测点4(泵脚)次之,测点1(泵体进口法兰)和测点2(泵体出口法兰)振动相差不大且最弱;模型泵叶轮为4叶片时,随着流量的增大,4个测点的振动先逐步增大,但幅度不大,到Q=42m3/h时又开始减弱,至Q=55m3/h时达到极小值,而后又明显加强;模型泵叶轮为5叶片时,随着流量的增大,4个测点的振动强度变化较为复杂,在流量小于55m3/h时,振动强度一直波动,流量大于55m3/h时,振动强度开始增大;模型泵叶轮为6和7叶片时,4个测点的振动强度随着流量的增大,开始保持不变,当流量大于50m3/h时,振动强度开始增大;模型泵叶轮为5叶片时,4个测点的振动强度较大,测点3的振动加速度最大为1.75m/s2.4种模型泵在大流量时振动强度的增大是由于泵内部流场的空化引起的,由于测点3在泵体第8断面处,该叶轮流道流量较大,容易发生空化,所以振动强度高于其他3个测点.叶片数为7时模型泵4个测点的振动强度较小,说明叶轮流道内的流动最为均匀,但是排挤较为严重,泵的效率较低,空化性能较差.2.3模型泵离散噪声的影响图6为不同叶片数的模型泵在流量分别为30,40,50和55m3/h工况下水听器测得的噪声信号功率谱图.可以看出:噪声信号主要集中在0~2000Hz频段内,轴频和叶频是引起模型泵离散噪声的主要原因;4叶片模型泵的噪声信号随着流量的增大,轴频及叶频的能量峰值减小;5叶片模型泵的噪声信号随着流量的增大,在500~900Hz频段内的能量峰值逐步减小,而轴频和叶频的能量峰值依次增大;6叶片模型泵的噪声信号随着流量的增大,轴频和叶频的能量峰值先减小后增大,在Q=50m3/h时达到最小值;7叶片模型泵噪声信号随着流量的增大,轴频和叶频峰值依次减小;随着叶片数的增多,流量为30,40和50m3/h时模型泵轴频的峰值呈现递增趋势,流量为55m3/h时,6叶片模型泵轴频的峰值能量最大.3振动噪声信号的同步采集1)基于泵产品测试系统和虚拟仪器数据采集系统,在离心泵闭式试验台上建立了泵流动诱导振动噪声测试系统,实现了泵性能参数和流动诱导振动噪声信号的同步采集,提高了测试精度.2)4