沈正帆

(中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064)

裝備技術(shù)

一種離心泵壓力脈動衰減器的優(yōu)化設(shè)計與試驗研究

沈正帆

(中國艦船研究設(shè)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(shè)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(jù)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(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并對研制出的樣機(jī)進(jìn)行試驗研究。試驗結(jié)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(nèi)，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(yīng)用于船舶領(lǐng)域，但由于離心泵的空間非對稱性結(jié)構(gòu)，葉輪高速旋轉(zhuǎn)、葉輪和蝸殼的動靜干涉相互作用以及流體的高粘性，其內(nèi)部流動呈現(xiàn)出復(fù)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(dāng)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(chǎn)生一定隨時間周期變化的激振力，引發(fā)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(jié)構(gòu)的振動特性[1,2]。

在某些應(yīng)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(lǐng)域應(yīng)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(jìn)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(jìn)行集成，設(shè)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(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化并對樣機(jī)進(jìn)行了相關(guān)試驗研究。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

離心泵壓力脈動衰減器的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，該衰減器將蓄能器組與亥姆霍茲衰減器進(jìn)行集中化設(shè)計，結(jié)構(gòu)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(gòu)成蓄能器組，衰減軸頻脈動。水由進(jìn)口法蘭流入，經(jīng)過低噪聲排水裝置，當(dāng)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(dāng)水流壓力低于蓄能器充氣壓力時，隔膜擴(kuò)張，隔膜可以補充低于平均流量的脈動部分，從而實現(xiàn)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(dāng)水經(jīng)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(xù)傳播，形成透射波，由于管道交界處的阻抗不斷變化，故達(dá)到了衰減壓力脈動的目的。

2 參數(shù)及優(yōu)化設(shè)計

本文針對某型離心泵進(jìn)行衰減器的優(yōu)化設(shè)計，其葉片數(shù)為 8，額定工作時揚程 30 m，額定轉(zhuǎn)速 2 900 r/min。輸出管路中會激發(fā)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(yīng)的壓力脈動。

2.1 蓄能器組參數(shù)設(shè)計

根據(jù)離心泵壓力脈動衰減器結(jié)構(gòu)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(shè)計一個蓄能器針對 1.3 MPa 環(huán)境壓力的軸頻脈動、一個蓄能器針對 2.3 MPa 環(huán)境壓力的軸頻脈動、一個蓄能器針對 3.3 MPa 環(huán)境壓力的軸頻脈動；另外，設(shè)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(nèi)，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(shù)。

蓄能器的充氣壓力按照下式進(jìn)行計算：

式中，P0為環(huán)境壓力。吸收軸頻脈動的蓄能器的初始容積 V0滿足式（3）：

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

2）蓄能器進(jìn)水口參數(shù)設(shè)計

當(dāng)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(shù)，取 K = 1.4；aA為蓄能器進(jìn)水口截面積；p0為穩(wěn)定狀態(tài)時蓄能器中氣體壓力；ρ 為水的密度；lA為蓄能器進(jìn)水口長度；V0為穩(wěn)定狀態(tài)時蓄能器中氣體容積。

綜合以上計算和分析，4 個蓄能器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 1 所示。

表 1 蓄能器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab. 1 Structural parameters of accumulator

2.2 赫姆霍茲水衰減器參數(shù)確定

1）赫姆霍茲水衰減器容腔容積確定

根據(jù)低噪聲管路排水裝置結(jié)構(gòu)尺寸，赫姆霍茲水衰減器容腔總?cè)莘e可約取為 5 L。

2）赫姆霍茲水衰減器進(jìn)水口參數(shù)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(jìn)水口截面積；lH為赫姆霍茲水消聲器進(jìn)水口長度；VH為赫姆霍茲水消聲器的有效容積。

根據(jù)離心泵輸出的葉頻脈動特點及衰減器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可設(shè)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(shù)設(shè)置

按照圖 2 所示的系統(tǒng)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?yún)?shù)：輸入流量q = 2 500 + 125（sin303.5t+ sin2 430.4t）L/min。

3.2 計算結(jié)果及分析

設(shè)定離心泵組進(jìn)水管路壓力分別為 1 MPa，2 MPa，3 MPa，4.5 MPa，調(diào)節(jié)節(jié)流閥，使離心泵組輸出揚程30 m，調(diào)節(jié)輸入流量的脈動頻率，使之為軸頻、葉頻，經(jīng)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(jié)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(tǒng)。衰減器位于離心泵出口處，離心泵入口通過空壓機(jī)加載背壓，試驗系統(tǒng)中各設(shè)備和測試儀器型號及參數(shù)如表 2 所示。

試驗過程中，用空壓機(jī)進(jìn)行入口背壓調(diào)節(jié)，在安裝衰減器和替代直管路的情況下進(jìn)行試驗，測量輸出的壓力值，根據(jù)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(jié)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(nèi)，出口壓力脈動均可以衰減 5 dB 以上，效果明顯。

表 2 試驗設(shè)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(jié) 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(shè)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(yōu)化參數(shù)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?cè)莘e為 5 L，阻尼孔數(shù)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(jié)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。

[1]LANGTHJEM M A, OLHOFF N. A numerical study of flowinduced noise in a two-dimensional centrifugal pump Part 1: Hydrodynamics[J]. Journal of the Fluids and Structures. 2004

[2]竇雨淋, 張濤. 艦船管路流體脈動衰減器的性能研究[J]. 中國艦船研究, 2008, 3(4): 40–44. DOU Yu-lin, ZHANG Tao. The performance of ship piping fluid pulsation attenuator research[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2008, 3(4): 40–44.

[3]胡躍華, 錢文臣. 管系振動問題的分析及消振處理措施[J]. 石油化工設(shè)計, 2008, 25(1): 22–26. HU Yao-hua, QIAN Wen-cheng. Piping vibration analysis and damping treatment measures[J]. Petrochemical Design, 2008, 25(1): 22–26.

[4]LUO X, SHI Z, HU J, et al. Semi-active accumulator absorbing pressure pulsation in high-pressure water-jet propulsion system[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2011, 225(9): 2052–2061.

[5]譚娟, 胡軍華, 石兆存, 等. 蓄能器組吸收水壓泵壓力脈動機(jī)理與試驗研究[J]. 噪聲與振動控制, 2010, 30(5): 39–42. TAN Juan, HU Jun-hua, SHI Zhao-cun, etc. Experimental study on the mechanism of pulsation reduction of a seawater piston pump by using accumulators[J]. Noise and Vibration Control, 2010, 30(5): 39–42.

[6]劉博想, 馮健美, 王玉莉, 等. 利用亥姆霍茲共鳴器衰減壓縮機(jī)閥腔內(nèi)壓力脈動的研究[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報, 2012(5): 85–90.

[7]張京明, 劉文文, 崔雙雙. 赫姆霍茲消聲器共振腔結(jié)構(gòu)形狀對消聲性能的影響[J]. 四川兵工學(xué)報, 2010(9): 79–82.

[8]雷天覺. 新編液壓工程手冊[M]. 北京: 北京理工大學(xué)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(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用。