離心泵流噪聲實(shí)驗(yàn)研究

張 浩，馮 濤，劉碧龍，劉 克

（1.中國(guó)科學(xué)院 噪聲與振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（聲學(xué)研究所），北京 100190；2.北京工商大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048）

泵是水管路系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿υ?，同時(shí)也是重要的噪聲源。研究水泵流噪聲特性對(duì)管路系統(tǒng)降噪具有重要意義。水泵流噪聲是流體介質(zhì)與泵機(jī)葉輪、蝸殼等結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生的，機(jī)理比較復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)方法則是研究水泵流噪聲特性較為直接和有效的方法。

1995年，Morgenroth[1]建立了離心泵流噪聲測(cè)試系統(tǒng)，研究了蝸舌形狀與水泵流噪聲的關(guān)系。2000年，Rzentkowski等人[2]給出了離心泵傳遞矩陣的預(yù)測(cè)模型。Bardeleben[3]使用雙端口模型[4]測(cè)量了離心泵的流噪聲特性。馮濤等人[5―7]建立了離心泵流噪聲測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)離心泵流噪聲與其水力學(xué)參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并指出高傳遞損失情況下雙端口模型可以簡(jiǎn)化為單端口模型。2010年，吳瑞[8,9]對(duì)基于聲相似律測(cè)量旋轉(zhuǎn)機(jī)械流噪聲的方法進(jìn)行了改進(jìn)，并用這種方法測(cè)量了軸流風(fēng)扇和離心泵的流噪聲。王秋陽(yáng)[10]、鐘榮等[11,12]分別以泵在不運(yùn)行狀態(tài)下的散射矩陣為基礎(chǔ)，根據(jù)雙端口模型，得到了離心泵的聲源特性。熊海芳等[13]、蔣愛(ài)華等人[14]對(duì)國(guó)內(nèi)外離心泵流噪聲的產(chǎn)生機(jī)理、數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了總結(jié)。但是尚未見(jiàn)到有關(guān)水泵上下游聲壓級(jí)差與水泵各項(xiàng)參數(shù)的變化關(guān)系的研究。

本文對(duì)TQWH40-100型離心泵的流噪聲進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。直接測(cè)量了五種不同尺寸葉輪的離心泵在不同轉(zhuǎn)速時(shí)上下游的流噪聲，研究了泵的上下游聲壓級(jí)差與泵轉(zhuǎn)速以及輪舌間隙的關(guān)系，并分析了其產(chǎn)生的原因。

1 離心泵流噪聲測(cè)試系統(tǒng)

圖1、圖2分別是管路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理圖和實(shí)物圖。實(shí)驗(yàn)選用上海天泉泵業(yè)TQWH 40-100型離心泵。泵流量12.5 m3/h，揚(yáng)程32 m，額定功率3 kW，轉(zhuǎn)速2 900 r/min，進(jìn)水口和出水口口徑均為0.04 m，閉式葉輪，有5個(gè)葉片。額定工況下管道中水的流速為2.76 m/s，遠(yuǎn)小于水中的聲速，因此可以忽略水的流動(dòng)對(duì)流噪聲的影響。離心泵的電機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng)，可以穩(wěn)定地調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速。管道系統(tǒng)內(nèi)徑為0.04 m。為了抑制流噪聲與管壁振動(dòng)的耦合作用影響，系統(tǒng)使用厚度為0.02 m的不銹鋼管。水罐用以分隔水泵上游和下游的輻射噪聲。

圖1 管路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of experiment setup

圖2 管路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2 A photo of experiment setup

圖3 是離心泵流噪聲測(cè)試系統(tǒng)示意圖。在離心泵前后各布置兩個(gè)水聽(tīng)器，1#、2#水聽(tīng)器分別距離離心泵入口1.2 m和0.62 m，3#、4#水聽(tīng)器分別距離離心泵出口0.62 m和2.51 m。水聽(tīng)器型號(hào)為中科院聲學(xué)所研發(fā)的CS-3型水聽(tīng)器。水聽(tīng)器信號(hào)通過(guò)B ＆ K PULSE 3560C采集進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。

2 離心泵流噪聲測(cè)試結(jié)果分析

2.1 額定工況

圖4表示離心泵在額定工況運(yùn)行時(shí)，四個(gè)水聽(tīng)器測(cè)量得到的流噪聲自譜。橫軸代表頻率，縱軸代表流噪聲聲壓級(jí)。離心泵流噪聲表現(xiàn)為寬帶噪聲和葉頻及其倍頻處的離散噪聲疊加。如圖4中標(biāo)注所示，頻譜的最高點(diǎn)在第一階葉片通過(guò)頻率（BPF）處。離散噪聲的幅值比寬帶噪聲高20～40 dB，集中了流噪聲的大部分能量。

圖3 流噪聲測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.3 Layout for measurement of pump noise

圖4 額定工況下離心泵的流噪聲Fig.4 Flow noise of pump running under standard condition

2.2 流噪聲與轉(zhuǎn)速、葉輪尺寸的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)采用了原型葉輪和四種不同半徑的改型葉輪進(jìn)行流噪聲測(cè)試，具體的尺寸在表1中給出。圖5是四種改型葉輪的照片。

表1 葉輪的尺寸Tab.1 Dimensions of impellers

圖5 改型葉輪Fig.5 Modified Impellers

圖6 和圖7表示水泵下游3#水聽(tīng)器流噪聲總聲壓級(jí)和BPF聲壓級(jí)與離心泵轉(zhuǎn)速的關(guān)系。橫坐標(biāo)表示離心泵的轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)代表聲壓級(jí)。不同標(biāo)注的線代表不同葉輪半徑的變化情況。圖6和圖7可以看出，離心泵下游的流噪聲BPF聲壓級(jí)和總聲壓級(jí)均隨離心泵轉(zhuǎn)速的增加而增加。這是因?yàn)樗昧髟肼暤囊粋€(gè)主要來(lái)源是葉輪和蝸舌的干涉作用引發(fā)的偶極子聲源。當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速增加時(shí)，聲源強(qiáng)度也隨之增加。同樣，當(dāng)葉輪半徑增加導(dǎo)致輪舌間隙減小時(shí)，聲源強(qiáng)度也會(huì)隨著增加，這一點(diǎn)在圖6和圖7中也有所反應(yīng)。圖6和圖7中原型葉輪在最高轉(zhuǎn)速均有一個(gè)下降，這可能是由于測(cè)量誤差引起的。

圖6 離心泵下游3#水聽(tīng)器總聲壓級(jí)Fig.6 Total sound pressure levels of 3#Hydrophone

圖7 離心泵下游3#水聽(tīng)器BPF聲壓級(jí)Fig.7 BPF sound pressure levels of 3#Hydrophone

圖8 和圖9表示水泵上游2#水聽(tīng)器流噪聲的總聲壓級(jí)和BPF聲壓級(jí)隨離心泵轉(zhuǎn)速的變化。圖中只給出了四種改型泵的測(cè)量結(jié)果。水泵上游的總聲壓級(jí)隨泵轉(zhuǎn)速增加而略有增加，并且輪舌間隙的改變對(duì)聲壓級(jí)的改變很小。當(dāng)轉(zhuǎn)速在2 000r/min以下時(shí)，水泵上游BPF聲壓級(jí)隨轉(zhuǎn)速增加改變不大，高于2 000r/min時(shí)，BPF聲壓級(jí)先明顯下降，然后逐漸上升。產(chǎn)生這種情況的原因可能是因?yàn)樵陔x心泵轉(zhuǎn)速較小的條件下，產(chǎn)生BPF流噪聲的偶極子聲源可能并不占絕對(duì)的主要地位，總聲壓級(jí)還會(huì)受到單極子聲源和四極子聲源的影響；因此，才會(huì)導(dǎo)致總聲壓級(jí)隨轉(zhuǎn)速稍有增加，而B(niǎo)PF聲壓級(jí)則沒(méi)有類(lèi)似明顯的規(guī)律。

圖8 離心泵上游2#水聽(tīng)器總聲壓級(jí)Fig.8 Total sound pressure levels of 2#Hydrophone

圖9 離心泵上游2#水聽(tīng)器BPF聲壓級(jí)Fig.9 BPF sound pressure levels of 2#Hydrophone

2.3 水泵上下游流噪聲聲壓級(jí)差

從上節(jié)可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中水泵下游的流噪聲聲壓級(jí)要高于上游，下面具體分析水泵兩側(cè)的聲壓級(jí)差的變化規(guī)律及其產(chǎn)生的原因。

圖10表示離心泵兩端總聲壓級(jí)之差與離心泵轉(zhuǎn)速的關(guān)系。圖中顯示總聲壓級(jí)差隨著離心泵轉(zhuǎn)速的增加而增加，并且葉輪半徑越大，總聲壓級(jí)差也就越大。對(duì)比圖6和圖8可以發(fā)現(xiàn)，雖然泵的上游和下游的聲壓級(jí)均會(huì)隨著轉(zhuǎn)速增加而增加，但是下游的增加速度要大于上游。水泵下游的流噪聲聲壓級(jí)會(huì)隨著葉輪半徑的增加而增加，而上游的流噪聲聲壓級(jí)幾乎與葉輪半徑?jīng)]有明顯的變化關(guān)系。說(shuō)明離心泵的主要噪聲源更靠近泵的出口位置，更易于向下游傳播，而由于離心泵殼體和旋轉(zhuǎn)葉輪對(duì)聲波的阻隔作用，不易于向上游傳播，因此才導(dǎo)致離心泵下游聲壓級(jí)要高于上游。

圖10 離心泵3#水聽(tīng)器與2#水聽(tīng)器總聲壓級(jí)之差Fig.10 Total sound pressure level differences of 3#Hydrophone and 2#Hydrophone

3.結(jié)語(yǔ)

本文在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)TQWH40-100型離心泵的流噪聲特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。直接測(cè)量了水泵上下游各兩點(diǎn)的聲壓，觀察了流噪聲聲壓級(jí)與水泵轉(zhuǎn)速以及葉輪尺寸的變化關(guān)系，探討了水泵上下游聲壓級(jí)差產(chǎn)生的原因。

研究結(jié)果表明：離心泵流噪聲表現(xiàn)為寬帶噪聲和離散噪聲的疊加，在葉片通過(guò)頻率及其倍數(shù)頻率處，集中了大部分能量；離心泵的流噪聲會(huì)隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加而增加，隨著輪舌間隙的減小而增加。由于離心泵流噪聲主要來(lái)源于更靠近水泵出口位置的輪舌干涉作用，并且輻射噪聲受到殼體和旋轉(zhuǎn)葉輪的阻隔，因此離心泵下游的聲壓級(jí)要高于上游的聲壓級(jí)，兩者的聲壓級(jí)差大致隨著泵轉(zhuǎn)速的增加而增加，隨著輪舌間隙的減小而增加。

[1]Morgenroth.Sound generation by a centrifugal volute pump at blade pass frequency[D].Hamilton,McMaster University,1995.

[2]G. Rzentkowski and S. Zbroja. Experimental characterization of centrifugal pumps as an acoustic source at the blade passing frequency[J].Journal of Fluids and Structures,,2000,14:529-558.

[3]Bardeleben.Acoustic characterization of a centrifugal pump using a two port model[D].Hamilton,McMaster University,2004.

[4]Lavrentjev J,?bom M,Bodén,H.A measurement method for determining the source data of acoustic two-port sources[J].Journal of Sound and Vibration,1995,183(3):517-531.

[5]馮 濤，劉 克，等.離心泵水動(dòng)力噪聲測(cè)試系統(tǒng)的研制[J].流體機(jī)械，2005，33(4)：27-30.

[6]王 晶，馮 濤，等.離心泵流動(dòng)噪聲與其水力學(xué)參數(shù)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械，2007，35(5)：8-11.

[7]杜 鑫，馮 濤，等.高傳遞損失條件下雙端口模型的簡(jiǎn)化[C].2009全國(guó)環(huán)境聲學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，中國(guó)北海，2009年12月，93-97.

[8]吳 瑞，馮 濤，耿少娟，劉 克，聶超群.一種基于聲相似律的旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械噪聲聲源分離方法[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，2010，35(2)：119-125.

[9]吳 瑞.旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械流動(dòng)噪聲源特性研究[D].北京，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所，2010.

[0]王秋陽(yáng).離心式海水泵流噪聲仿真與實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010.

[1]鐘 榮，等.管路聲源雙端口模型及源參數(shù)提取的測(cè)試分析方法[C].第十二屆船舶水下噪聲學(xué)術(shù)討論會(huì)，中國(guó)長(zhǎng)沙，2009年10月，290-297.

[2]鐘 榮，等.水泵的水動(dòng)力噪聲源特性測(cè)試[C].第十三屆船舶水下噪聲學(xué)術(shù)討論會(huì)，中國(guó)鷹潭，2011年8月，302-307.

[3]熊海芳，等.離心泵內(nèi)部流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲的研究[J].水泵技術(shù)，2007，3：7-9.

[4]蔣愛(ài)華，等.離心泵噪聲研究的綜述和展望[J].振動(dòng)與沖擊，2011，30(2)：77-84.