一種管路壓力脈動(dòng)抑制裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)分析

趙大為，羅小輝，楊 珍

（1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢430064；2.華中科技大學(xué)，武漢430074）

一種管路壓力脈動(dòng)抑制裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)分析

趙大為1，羅小輝2，楊 珍1

（1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢430064；2.華中科技大學(xué)，武漢430074）

針對(duì)船舶系統(tǒng)柱塞水泵等輔機(jī)設(shè)備管路壓力脈動(dòng)大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種基于蓄能器吸能和孔板濾波原理的管路壓力脈動(dòng)抑制裝置。根據(jù)壓力脈動(dòng)抑制裝置工作原理，對(duì)蓄能器容積、蓄能器充氣壓力、開孔角度、開孔數(shù)量、孔徑等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)研制出的樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：管路壓力脈動(dòng)抑制裝置對(duì)不同頻譜的壓力脈動(dòng)均具有較好的衰減效果，輸出壓力1 MPa～2.5 MPa時(shí)，柱塞泵出口管路壓力脈動(dòng)衰減率達(dá)50%以上。

振動(dòng)與波；壓力脈動(dòng)；抑制裝置；蓄能器；孔板

船舶系統(tǒng)柱塞水泵等輔機(jī)設(shè)備具有周期性吸排的工作特點(diǎn)，泵出口流量往往呈現(xiàn)較大的脈動(dòng)特性。由于流量周期性脈動(dòng)，與其連接管路內(nèi)的壓力也會(huì)在平均值上下寬幅波動(dòng)，產(chǎn)生較大的壓力脈動(dòng)。當(dāng)壓力脈動(dòng)的流體遇到閥門、法蘭、彎頭等阻抗管路部件時(shí)，將產(chǎn)生一定隨時(shí)間周期變化的激振力，引發(fā)沖擊、振動(dòng)和噪聲問(wèn)題[1-2]，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(dòng)特性。

流體脈動(dòng)抑制裝置是控制管路壓力脈動(dòng)的重要手段，在國(guó)內(nèi)外航空、石化、船舶等領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛[3，4]，但相關(guān)設(shè)備多針對(duì)壓力脈動(dòng)波動(dòng)幅度較小、頻帶較窄的脈動(dòng)源設(shè)計(jì)，應(yīng)用介質(zhì)也多以液壓油或壓縮空氣為主，與以水介質(zhì)的船舶輔機(jī)系統(tǒng)柱塞水泵多工況使用時(shí)的壓力脈動(dòng)特性區(qū)別較大。

船舶輔機(jī)系統(tǒng)柱塞水泵在管路中產(chǎn)生壓力脈動(dòng)的基頻與柱塞水泵的流量脈動(dòng)頻率一致，同時(shí)該基頻脈動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較高頻率的諧頻脈動(dòng)；另外，柱塞水泵根據(jù)工況不同，其排出壓力也會(huì)不一樣，即管路中壓力脈動(dòng)平均值會(huì)隨著工況的改變而發(fā)生改變。

本文根據(jù)典型船舶輔機(jī)系統(tǒng)柱塞水泵產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種新型管路壓力脈動(dòng)抑制裝置，優(yōu)化相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，并開展壓力脈動(dòng)抑制效果試驗(yàn)研究。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

管路壓力脈動(dòng)抑制裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由本體、蓄能器組、孔板等部件組成。該裝置為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，一端進(jìn)水，另一端出水。

圖1 壓力脈動(dòng)抑制裝置結(jié)構(gòu)示意圖

管路壓力脈動(dòng)抑制裝置工作原理如下：

（1）采用蓄能器組抑制低頻壓力脈動(dòng)[5—7]。各蓄能器充裝不同壓力的氮?dú)猓?dāng)水流壓力高于蓄能器充氣壓力時(shí)，水通過(guò)蓄能器孔進(jìn)入到本體與隔膜形成的容腔中，隔膜收縮，吸收水流中高于平均流量的脈動(dòng)部分；當(dāng)水流壓力低于蓄能器充氣壓力時(shí)，隔膜擴(kuò)張，容腔中水流從蓄能器孔流入管道中，補(bǔ)充低于平均流量的脈動(dòng)部分，從而實(shí)現(xiàn)水流壓力脈動(dòng)的衰減。

（2）采用孔板抑制高頻壓力脈動(dòng)[8，9]。一方面，孔板的阻力特性和結(jié)構(gòu)特性可衰減部分水流壓力脈動(dòng)的分量；另一方面，兩級(jí)孔板及其中間容腔形成了一個(gè)C形低通濾波器，低頻波能夠通過(guò)，而高頻波不易通過(guò)。因此，當(dāng)水流工作壓力發(fā)生變化時(shí)，管路壓力脈動(dòng)抑制裝置既能很好地吸收壓力脈動(dòng)，同時(shí)也能吸收壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的高頻諧波脈動(dòng)。

2 參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 蓄能器組設(shè)計(jì)

蓄能器總?cè)莘e按以下公式計(jì)算[10]

其中ΔV為脈動(dòng)一個(gè)周期內(nèi)，瞬間流量高于平均流量；δ為允許的壓力脈動(dòng)率；k為氣體多變指數(shù)。

在壓力脈動(dòng)抑制裝置的工作壓力范圍pmin～pmax內(nèi)取N個(gè)壓力點(diǎn)（pmin≤pc1＜pc2＜…＜pcN≤pmax），按建立的壓力脈動(dòng)數(shù)學(xué)方程計(jì)算每個(gè)壓力點(diǎn)的充氣壓力和蓄能器容積，計(jì)算方法如下：

（1）第1個(gè)壓力點(diǎn)及蓄能器參數(shù)計(jì)算[11]

最低壓力點(diǎn)為第1點(diǎn)，即pc1=pmin，該點(diǎn)的第1個(gè)蓄能器的容積為

脈動(dòng)體積δVm1為

蓄能器吸收壓力脈動(dòng)時(shí)，第1個(gè)蓄能器的充氣壓力pAq1為

式中pc1為計(jì)算的第1個(gè)壓力點(diǎn)(Pa)。

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)蓄能器處于第一個(gè)工作壓力點(diǎn)時(shí)，其有效工作容積VAr為

式中VAq1為第1個(gè)蓄能器初始充氣壓力。

如果輸出壓力大于pmin，蓄能器總有效工作容積不低于VAr，則壓力脈動(dòng)均能被充分吸收。

（2）第2個(gè)壓力點(diǎn)及蓄能器參數(shù)計(jì)算

由于輸出壓力為pc1=pmin時(shí)，蓄能器有效工作容積為VAr，因此第2個(gè)蓄能器的充氣壓力pAq2必須為

假定第2個(gè)壓力點(diǎn)為pc2，此時(shí)第1個(gè)蓄能器也在該壓力點(diǎn)吸收壓力脈動(dòng)，因此pc2滿足下列方程

式（7）可變換得

（3）第i（i＞2）個(gè)壓力點(diǎn)及蓄能器參數(shù)計(jì)算

按照第1點(diǎn)充氣壓力的選取方式，可得第i個(gè)蓄能器的充氣壓力為

第i個(gè)壓力點(diǎn)pci方程

式（10）可變換得

根據(jù)公式pAqi和公式pci反復(fù)計(jì)算，直至滿足下列條件

經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算分析，蓄能器的數(shù)量為20個(gè)，每個(gè)蓄能器容積為0.075 L，每個(gè)蓄能器的充氣壓力如表1所示。

表1 蓄能器組充氣壓力和充氣容積

2.2 孔板設(shè)計(jì)

采用GAMBIT軟件對(duì)壓力脈動(dòng)抑制裝置進(jìn)行幾何建模和網(wǎng)格劃分，采用Realizable K-ε模型，對(duì)孔板間距、孔板厚度、開孔數(shù)量、開孔尺寸、開孔角度等對(duì)壓力脈動(dòng)抑制效果的影響進(jìn)行了仿真。

仿真計(jì)算邊界條件設(shè)置為：進(jìn)口條件設(shè)置為速度入口，ν=1.7(1+ζsin(2πft))，其中ζ為流量脈動(dòng)率，ζ取0.1；f取100Hz～800 Hz；出口條件采用壓力出口邊界條件，在壓力脈動(dòng)抑制裝置出口50 mm處設(shè)置監(jiān)測(cè)面。計(jì)算分析結(jié)果如下：

（1）單個(gè)孔板通流面積

若壓力脈動(dòng)抑制裝置允許壓力損失為Δp，則單個(gè)孔板允許壓力損失為0.5Δp。根據(jù)孔口流量計(jì)算公式，可得到孔板最小通流面積Amin為

式中q為通過(guò)壓力脈動(dòng)抑制裝置的流量；Cd為通過(guò)孔板的流量系數(shù)；ρ為流體密度。

（2）孔板間距

取f=800 Hz，分析孔板間距對(duì)壓力脈動(dòng)抑制效的果影。當(dāng)孔板間距小于100 mm時(shí)，間距越大壓力脈動(dòng)抑制效果越好；孔板間距大于100 mm后，間距對(duì)間距壓力脈動(dòng)抑制效果影響不大，故孔板間距取100 mm。

（3）孔板厚度

取f=800 Hz，分析孔板厚度對(duì)壓力脈動(dòng)的抑制效果的影響。當(dāng)孔板厚度小于20 mm時(shí)，孔板越厚，抑制效果越好；當(dāng)孔板厚度大于20 mm時(shí)，厚度對(duì)抑制效果影響不大。故孔板厚度取20 mm。

（4）開孔數(shù)量

取f=800 Hz，在通流面積Amin不變的情況下，改變開孔的尺寸，分析開孔數(shù)量對(duì)壓力脈動(dòng)抑制效果的影響。壓力脈動(dòng)抑制效果隨開孔數(shù)量增多而增大，但增大趨勢(shì)緩和。綜合考慮孔板通流面積和加工工藝，開孔數(shù)量確定為12個(gè)。

（5）開孔尺寸

取f=800 Hz，分析開孔尺寸對(duì)壓力脈動(dòng)抑制效果的影響。當(dāng)外孔直徑從10 mm～15 mm變化時(shí)，孔板消聲器對(duì)壓力脈動(dòng)的抑制效果無(wú)明顯影響。由于開孔尺寸增加，通流面積增大，壓力損失會(huì)減少，在考慮加工工藝的情況下，孔板外孔直徑取15 mm，內(nèi)孔直徑取10 mm。

（6）開孔角度

取f=800 Hz，分析開孔角度對(duì)壓力脈動(dòng)抑制效果的影響。當(dāng)角度在0°～25°之間變化時(shí)，隨著開孔角度增大，壓力脈動(dòng)抑制效果也相應(yīng)增大，但壓力損失也會(huì)增大，為保證管路壓力脈動(dòng)抑制裝置的壓力損失不大于5%，較佳的開孔角度為5°。

（7）不同脈動(dòng)頻率下孔板抑制壓力脈動(dòng)效果

根據(jù)上述獲得的優(yōu)化尺寸，在流量相等的情況下，取f=100 Hz～800 Hz，分析流量脈動(dòng)頻率對(duì)抑制效果的影響?？装鍖?duì)低頻壓力脈動(dòng)抑制效果較差，甚至?xí)黾訅毫γ}動(dòng)率，但對(duì)于高頻段（400 Hz～800 Hz），具有較好的抑制效果。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

建立圖2所示的壓力脈動(dòng)抑制裝置性能試驗(yàn)系統(tǒng)，壓力脈動(dòng)抑制裝置安裝在柱塞水泵出口部位，管路壓力采用節(jié)流閥加載，壓力傳感器布置在壓力脈動(dòng)抑制裝置出口處。試驗(yàn)系統(tǒng)中各設(shè)備和測(cè)試儀器型號(hào)及性能如表2所示。

圖2 壓力脈動(dòng)抑制試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)節(jié)流閥調(diào)節(jié)管路壓力分別為1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa，在安裝壓力脈動(dòng)抑制裝置和不安裝（用相同的長(zhǎng)直管代替）兩種試驗(yàn)條件下，測(cè)量輸出管路中的壓力脈動(dòng)值，以獲取兩種試驗(yàn)條件下輸出管道中壓力的平均波峰值、波谷值、平均值，并按下列公式計(jì)算出壓力脈動(dòng)衰減比

式中δinp、δoutp為衰減前、后的壓力脈動(dòng)率；

pinmax、poutmax為衰減前、后的壓力平均波峰值；

表2 試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試儀表

pinmin、poutmin為衰減前、后的壓力平均波谷值；

pin、pout為衰減前、后的壓力平均值；

λ為壓力脈動(dòng)衰減比。

試驗(yàn)結(jié)果如表3和圖3、圖4所示：

由表3可以看出，當(dāng)輸出壓力為1 MPa～2.5 MPa時(shí)，柱塞水泵壓力脈動(dòng)率高達(dá)20%～40%。加裝壓力脈動(dòng)抑制裝置后，壓力脈動(dòng)率下降至10%～20%，衰減率高達(dá)50%以上，效果明顯；另外，壓力脈動(dòng)抑制裝置產(chǎn)生了約0.045 MPa的壓力損失，滿足使用要求。

圖3為柱塞水泵輸出壓力2.5 MPa時(shí)，壓力脈動(dòng)的頻譜曲線。根據(jù)圖3，可得出壓力脈動(dòng)抑制裝置、蓄能器組、孔板分別作用時(shí)產(chǎn)生的衰減效果，如圖4所示。由圖4（a）可以看出，加裝壓力脈動(dòng)抑制裝置后，在基頻20 Hz左右，壓力脈動(dòng)降低了約10 dB，在諧頻的高頻段（300 Hz～1 000 Hz），壓力脈動(dòng)也有明顯的降低；根據(jù)圖4（b）和圖4（c），可以看出，蓄能器組在低頻段（300 Hz以下）具有較好的壓力脈動(dòng)抑制效果，而孔板在諧頻的高頻段（300 Hz～1 000 Hz）具有較明顯的壓力脈動(dòng)抑制效果。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）針對(duì)船舶輔機(jī)柱塞水泵變工況條件下的壓力脈動(dòng)特性，設(shè)計(jì)出了一種新型管路壓力脈動(dòng)抑制裝置，其優(yōu)化參數(shù)為：每個(gè)蓄能器容積為0.075 L，各蓄能器充氣壓力分別為0.6 MPa×8、0.9 MPa×5、1.5 MPa×5和2.0 MPa×2，孔板間距為100 mm，開孔角度為5°，開孔數(shù)量為12個(gè)，內(nèi)孔孔徑為10 mm，外孔孔徑為15 mm，孔板厚度為20 mm；

（2）壓力脈動(dòng)抑制裝置試驗(yàn)結(jié)果表明：管路壓力脈動(dòng)抑制裝置可使柱塞水泵出口管路中的壓力脈動(dòng)率降低10%～20%，壓力脈動(dòng)衰減比達(dá)50%以上，并且對(duì)不同頻段的壓力脈動(dòng)均具有較好的抑制效果。

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表3 壓力脈動(dòng)抑制裝置試驗(yàn)結(jié)果

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圖4 壓力脈動(dòng)抑制裝置衰減效果

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Optimal Design and TestingAnalysis of a Pressure Fluctuation Suppression Device for Pipelines

ZHAO Da-wei1,LUO Xiao-hui2,YANG Zhen1

(1.China Ship Development and Design Center,Wuhan 430064,China; 2.Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

∶The plunger pump pipeline of a marine auxiliary system has the problem of excessive pressure fluctuation.A new type pressure fluctuation suppression device is designed based on energy absorbing principal of the accumulator and filtering principal of the orifice plate.The design parameters,including volume and inflation pressure of the accumulator, flow area,spacing,hole angle,hole number,hole diameter of the orifice plate,are optimized according to the working principle of the pressure fluctuation suppression device.The sample device is made and tested.Results of the testing show that the pressure fluctuation suppression device has good attenuation effects for different spectrums.When the outlet pressure is between 1 MPa and 2.5 MPa,the pressure fluctuation of the plunger pump pipeline can be reduced by 50%.

∶vibration and wave;pressure fluctuation;suppression device;accumulator;orifice plate

P733.21+6；TK413.4+7< class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.042

1006-1355(2014)06-0188-04+219

2014-03-07

趙大為（1982-），男，工程師，主要研究方向：船舶系統(tǒng)。

E-mail∶zdw1811@163.com