单叶片离心泵空化诱导噪声特性.pdf
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1、 年 月 第 卷 第 期 郎涛单叶片离心泵空化诱导噪声特性郎涛,孙振新,金力成,陈刻强,徐恩翔(江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心,江苏 镇江 )收稿日期:;修回日期:;网络出版时间:网络出版地址:基金项目:江苏省重点研发计划项目()第一作者简介:郎涛(),男,浙江余杭人,副研究员,博士(),主要从事流体机械测控技术研究通信作者简介:孙振新(),男,江苏南通人,硕士研究生(),主要从事离心泵内部流场及空化噪声研究摘要:为研究单叶片离心泵空化诱导的噪声特性,准确判断空化进程,通过搭建试验台进行空化试验,分析泵在额定工况下的空化特性 针对单叶片离心泵在正常空化、初生空化和严重空化等 种运行状态
2、下进行噪声试验研究,通过水听器采集离心泵进出口噪声信号,对流致噪声和空化诱导噪声进行区分,并对进出口噪声信号进行时频分析 研究结果表明:单叶片离心泵空化诱导的噪声特性主要集中在进口端低频段杂波信号的变化,出口端噪声信号没有明显特征;对噪声信号进行分析能够更精确定位单叶片离心泵的空化状态,小波分析可以准确对空化诱导的噪声与流致噪声进行区分;在不同空化数下,进口端噪声信号的 能量熵值存在差异,能量熵值可作为一种有效的特征参数来区分离心泵不同的运行状态关键词:单叶片离心泵;空化诱导噪声;水听器;小波分析;能量熵中图分类号:;文献标志码:文章编号:():郎涛,孙振新,金力成,等 单叶片离心泵空化诱导噪
3、声特性 排灌机械工程学报,():,(),():(),(,):,排灌机械工程学报第 卷 :;单叶片离心泵因其较好的无堵塞性能被广泛应用于污水处理领域 与多叶片泵不同,单叶片离心泵采用非轴对称结构设计,运行中由于水力不平衡可导致径向力较大,在发生空化时还会引起管路共振、喘振等,进而产生噪声,对泵系统的水力性能和周围环境造成影响 因此,通过对运行时的振动、噪声、压力脉动等一系列信号特征进行分析,精准掌握离心泵的运行状态,识别出空化进程,进而及时调整泵的工作状态就显得尤为重要 目前已有许多学者对泵空化及噪声方面进行了研究 王勇等 基于泵产品测试系统及数据采集系统建立了离心泵空化试验系统,实现了泵性能参
4、数和内场噪声的同步采集 冯涛等 基于四端网络线性叠加模型对声源特性参数提取并测量了管道内的流动诱导噪声 司乔瑞等 基于 声类比理论,采用计算流体力学和计算声学相结合的算法对离心泵流动诱导噪声进行数值预测,结果表明,声场模拟和试验结果基本吻合,肯定了数值计算的预测作用 等 通过检测泵腔的声频信号,进行频域提取和相关性分析,再通过人工神经网络分类器准确判断离心泵的空化状态 等 采用水听器测量了水轮机导叶、机盖、尾水管等位置的声压信号,提出了一种有效的谱归一化方法,证明了空化强度与噪声频率之间的对应关系 等 对泵出口端振动信号进行 分解,从前 个固有模态函数中提取统计特征,然后在广义回归神经网络中进
5、行空化识别,达到了较高的准确率 离心泵内部空化诱导噪声虽然在国内外研究中获得了一些进展,但是由于泵型不同,用途各异,导致不同类型离心泵内部呈现不同的噪声特性,而针对单叶片离心泵的空化诱导噪声研究相对较少文中使用水听器采集单叶片离心泵内部噪声信号,采用小波分析和 变换相结合方法进行空化噪声信号分析,结合空化性能试验数据来判断水泵的运行状态,以获得离心泵在不同空化状态下的噪声信号特性以及相应 能量熵值的变化规律 空化噪声试验 离心泵模型单叶片离心泵由一枚大包角叶片包络形成单一流道,具有极佳的无堵塞性能,但由于径向力较大,泵内流动复杂,且发生空化时振动、噪声较大,影响泵的稳定运行 为了获得单叶片离心
6、泵在额定工况下的空化噪声信号,文中选取一台某型号单叶片离心泵为研究对象,该泵主要设计性能参数分别为流量 ,扬程 ,转速 ,比转数 ,轴功率 ;主要设计几何参数分别为叶轮进口直径 ,叶轮出口直径 ,叶轮出口宽度 ,叶片出口安放角 ,叶片包角 ,蜗壳进口直径 ,蜗壳进口宽度 图 为泵体和叶轮三维模型图 泵体与叶轮三维模型 搭建试验台为获得空化后离心泵噪声信号信息,搭建单叶片离心泵闭式试验台,如图 所示 试验台主要由管路系统和测试系统两部分组成,其中管路系统包括罐体、进出口管路、真空泵、电动机、电磁流量计、阀门等,测试系统包括进出口压力传感器、流量计、水听器、计算机、信号采集装置等图 单叶片离心泵闭
7、式试验台示意图 试验选用四端网络模型(双端口模型)作为泵 第 期郎涛,等单叶片离心泵空化诱导噪声特性内液载噪声的测试模型 采用的水听器型号为 ,灵敏度为 ,频率范围宽,可用于 以内标准水听器使用 水听器的安装位置如图 所示,其中 和 分别安装在距离泵进口 倍管径和 倍管径处,和 分别安装在距离泵出口 倍管径和 倍管径处图 水听器测点位置 试验在机械工业排灌机械产品质量检测中心(镇江)的闭式试验台上进行,试验台按照 回转动力泵水力性能验收试验 级,级和 级 标准进行搭建,试验台精度为 级 图 为试验得到的单叶片离心泵外特性曲线图 单叶片离心泵外特性试验曲线 空化试验步骤空化试验具体步骤如下:)启
8、动试验装置,把进出口阀门调至全开状态)调节出口阀门将流量调节至额定工况,待泵运行稳定之后,记录此时的大气压)关闭泄压阀,打开真空泵开始抽真空)使进口压力不断下降,诱发试验泵发生空化,采集不同进口压力下的流量、转速、出口压力等试验数据,同时调节出口阀门,使流量保持在额定工况,用 信号采集装置(采样频率 )记录试验过程的噪声信号)待扬程急剧下降则停止试验,关闭真空泵,打开泄压阀,使罐内压力恢复至大气压 空化性能曲线根据单叶片离心泵空化性能试验数据绘制空化性能曲线,如图 所示,图中横坐标 为空化数图 额定流量工况下的空化试验曲线 由图 可以看出,在单叶片离心泵空化试验过程中,随着空化系数不断降低,扬
9、程会逐渐降低,当空化数为 ,扬程下降超过 的临界点时,会出现陡降的趋势,此后扬程开始急剧下降,当扬程下降 即 时,处于严重空化状态 噪声信号分析 时域分析文中主要通过对进口压力逐渐降低过程中的噪声信号进行分析,进而建立泵空化的阶段与空化诱导噪声特征信号之间的对应关系,以准确定位空化的阶段 根据空化性能曲线,分别截取空化数 ,阶段历时 的噪声信号 种空化数的选择既保证能够反映整个空化过程的变化规律,又使不同阶段均有相应空化数对应由于距离泵进出口端 倍管径和 倍管径的水听器采集到的噪声信号差别较小,因此仅选取距离泵进出口端 倍管径水听器 和 采集的噪声信号进行研究 图 为不同空化数下水听器 和的噪
10、声时域图,图中 为声压级由图 可以看出:随着空化进程的发展,离心泵进口端水听器 采集的噪声信号不断发生变化;当空化数 时,水听器 采集的噪声信号幅值较为稳定,峰值约为 ;当空化数 时,噪声信号的幅值波动增大,波形更加不规则,频率有所降低,此时泵腔内的流态已经发生了变化;当空化数 时,此时扬程降低,进口端流速下降,噪声信号的声压级却显示大幅度减小的特征由图 可以看出:随着空化进程的发展,离心泵出口端水听器 采集的噪声信号幅值变化不大,峰值均在 左右,这是由于空泡主要集中在泵腔内以及进口端,当空泡溃灭时,噪声信号极少传递到出口端,而且出口端水流冲击弯管导致振动较大,即使有部分空泡信号,但影响也较小
11、 排灌机械工程学报第 卷图 不同空化数下水听器 和 的时域波形图 频域分析由于时域分析法对非平稳信号分析具有局限性,因此,采用傅里叶变换可以将非平稳的时域信号转换为频域信号进行分析图 为 种不同空化数下水听器 和 的频域波形图图 不同空化数下水听器 和 的频域波形图 由图 可以看出:当空化数 时,进口端噪声信号以 的叶频为主,幅值为 ,倍频信号幅值逐渐衰减,低频信号较少,说明试验环境较为理想,干扰较小;当空化数 时,一阶叶频的幅值下降,此时低频噪声信号增多,这是由于随着进口压力的降低,进口端的空泡逐渐增多引起进口端流态产生变化,大量空泡撞击管壁将能量传递给水听器;当空化数 时,一阶叶频及倍频信
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