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离心泵噪声研究现状及未来发展(一)

来源:泵业·中国 秩名 2016-03-14 浏览
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本文主要回顾了离心泵噪声研究的国内外现状。首先总结了离心泵噪声的来源,并对离心泵噪声来源的研究进行分类评述:机械结构影响离心泵噪声的研究,包括蜗壳几何形状与叶轮影响离心泵噪声的研究;流体动力影响离心泵噪声的研究,包括对汽蚀、流固耦合与湍流诱发噪声的研究。而后从离心泵诱发噪声的数学模型推导、数值计算与试验研究三个方面对研究离心泵噪声所使用的方法进行了总结;最后讨论了目前研究存在的一些问题和今后的研究方向。

离心泵

离心泵是广泛应用于工业与日常生活中的通用机械,由于它复杂的结构、不同类型和形状的进出口管道以及流动的工作介质,其运动过程中常伴有宽频的噪声,尤其是近年来高速离心泵的使用使得离心泵的噪声成为了非常显著的问题。对离心泵噪声进行研究不仅可以通过噪声对离心泵的运行状态进行监控,还可以减小噪声对工业环境与日常生活的影响,减小由噪声引起的机械结构疲劳,且有利于离心泵的设计改进。

对离心泵噪声产生机理的研究已经得到了广泛的关注,但对这些研究的总结还较少。本文的目的是对这些研究以及在这些研究中所用的方法作一个总结,同时指出离心泵噪声研究中还需要作进一步研究的领域,为以后的研究打下基础。

1.离心泵噪声的来源及研究

离心泵系统中噪声的来源很多,运行过程中泵的各个部件和内部流动介质无论是在正常工况下或故障工况下都会产生不同程度的噪声。对离心泵的噪声按照产生的机理可以分为机械结构振动的辐射噪声与流体动力学噪声。机械结构的噪声常常是由于转动零件的不对称、转动部件的不对中引起结构振动而产生的辐射噪声,所产生噪声的峰值频率常常为离心泵转速的倍数。流体动力学噪声主要包括汽蚀、运动流体与固体边界的耦合、水锤以及流体内部的湍流、流动分离与流动失稳等所引起,而按照发声机理来分,流体动力学噪声主要包括体积变化诱发声(单极子源)、表面振荡力诱发的声(偶极子源)以及自由湍流诱发的声(四极子源),由流体动力学诱发的声不仅包含宽频的噪声,还包含了与叶片通过频率成倍数的离散噪声。

1.1机械结构影响离心泵噪声的研究

转子的不对称与不对中诱发的振动与噪声已经在动力学中有了深入的研究,而直接以离心泵的转子诱发1噪声的研究相对较少,特别是从机械结构因振动而辐射噪声的机理上来研究离心泵因为转子不对称或不对中而诱发噪声的文献基本没有,而研究各零部件影响离心泵噪声的研究相对较多。现有文献主要集中于通过噪声信号来诊断离心泵转轴故障、蜗壳几何形状对噪声的影响、叶轮对噪声的影响,此外,基座尺寸对离心泵噪声的影响也有少量研究。其中通过噪声诊断转轴不对中属于故障诊断的内容,并得到了较完整的论述,本文主要对蜗壳几何形状与叶轮影响离心泵噪声的研究情况进行总结。

1.1.1蜗壳几何形状影响离心泵噪声的研究

人们很早以前就开始关注蜗壳对离心风机产生噪声的影响,早在1963年Embleton等人就尝试通过改变蜗舌几何形状的方式来降低离心风机的噪声,例如改变蜗舌与叶片顶部的相对角度等,1976年W.Neise在确定真空清洁器噪声源的研究中对改变蜗舌形状的方式的来减小叶轮机械噪声方法做了进一步总结。离心风机与离心泵同属于叶轮机械,他们在性质上有很多相似之处,包括噪声产生的机理,所以后来在离心泵产生噪声的研究中,蜗壳几何形状也成为了研究的重点之一。

1985年Tourret等人就测试了带有涡壳的离心泵的噪声并发现发生压力脉动最严重的地方是离心泵的蜗舌,而结构表面的压力脉动与结构辐射有着确定的对应关系。1992年Dong等和1993年Chu等也通过试验研究对离心泵的蜗壳中不同部分的特征对流场的影响作了研究,这为1997年 Dong改变离心泵蜗舌与叶轮的几何尺寸来试验研究离心泵的噪声打下了基础。Dong在他的研究中指出,当蜗舌与叶轮的之间的间隙较大时,离心泵中叶轮的尾迹对离心泵噪声贡献不显著,唯一对离心泵噪声有贡献的是蜗舌的振动,而蜗舌的振动与其刚度有关。因此,要通过改变蜗壳形状来降低离心泵结构的辐射噪声,可以通过加大蜗舌与叶轮之间的间隙、增加蜗舌的刚度、在蜗舌处贴阻尼贴片等方式来完成。在蜗舌形状对离心泵噪声的重要性确定以后,Langthjem等人在2004年建立了离心泵的二维数学模型对离心泵的几何形状与噪声源的关系进行了研究。虽然Langthjem的研究是基于二维数学模型的基础之上,但他的结果符合Dong的实验研究结果,为建立三维数学模型打下了基础。现在,对离心泵蜗壳形状对噪声的影响集中于数值模拟的研究。

1.1.2水泵叶轮影响离心泵噪声的研究

作为离心泵中核心的工作部件,叶轮以及安装于叶轮上的叶片对离心泵噪声的影响至关重要,对他们的研究集中于叶轮与叶片的几何形状、尺寸以及其表面非定常力对噪声的影响。Embleton在研究蜗壳对离心风机噪声影响的同时,也对不同叶轮尺寸下的噪声进行了研究,他通过在叶片上开槽等方法来降低噪声;1997年Dong在他的研究中也把叶轮的尺寸对离心泵噪声的影响作为了研究的内容之一,并根据所测得的流场的数据在叶片之间安装更短的叶片以降低噪声;2006年耿少娟等人还通过数值方法研究了无短叶片、有长短叶片和短短叶片三种叶轮的离心泵非定常流情况下的全三维流场,以用于离心泵噪声的研究。 1991年Howe通过从流体中旋涡的角度分析得知离心泵的噪声会由于叶片与流体旋涡耦合而间接产生,当漩蜗中心靠近叶片前缘时,耦合作用将在叶片上产生非定常力,该力引起叶片的振动而产生低频噪声;Langthjem、Ardizzon等人在Howe的基础上所作的流动噪声研究也表明,离心泵噪声的主要成因之一就是叶轮叶片表面所受非定常力。2004年吴仁荣等人也论述了叶轮进口直径、叶轮叶片进口安放角、叶轮叶片数、叶轮出口宽度等对离心泵噪声的影响。

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