舰船科学技术  2019, Vol. 41 Issue (7): 77-83   PDF    
多级离心泵噪声特性的试验研究
霍幼文1, 王水平2, 李向阳3, 贺小峰4, 刘东升1, 潘再兵1     
1. 上海凯士比泵有限公司,上海 200245;
2. 海军驻上海电站辅机厂军事代表室,上海 200090;
3. 海军装备部驻上海地区军事代表局,上海 200031;
4. 华中科技大学 机械科学与工程学院,湖北 武汉 430074
摘要: 随着环保意识的增强以及设备技术性能要求的提高,降低噪声已成为一个重要的研究方向。对某型号多级离心泵先后进行了多次试验,在偏小流量工况以及额定流量工况下,测试泵组的噪声频带分布特性。通过对频谱图进行分析研究,并结合泵组运行的轴频、叶频等分析了离心泵产生噪声的主要原因,总结了离心泵的噪声特性的基本变化规律,噪声的构成及分类。发现噪声辐射的主要方向为泵的出口,指出了离心泵流噪声的3个主要来源,并提出具体改进措施。研究结果对于降低离心泵组的噪声水平,提高其整体性能具有重要意义。
关键词: 离心泵     噪声特性     频谱分析     降噪    
The experimental research on noise characteristics of multistage centrifugal pump
HUO You-wen1, WANG Shui-ping2, LI Xiang-yang3, HE Xiao-feng4, LIU Dong-sheng1, PAN Zai-bing1     
1. Shanghai KSB Pump Co., Ltd., Shanghai 200245, China;
2. Military Representative Office of the Navy in Shanghai Power Station Auxiliary Equipment Plant, Shanghai 200090, China;
3. Military Representative Bureau in Shanghai Area, Naval Armament Department, Shanghai 200031, China;
4. School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
Abstract: With the enhancement of environmental awareness and the improvement of equipment technical performance, and the decrease of noise has become an important research direction. The multi-stage centrifugal pump has been tested several times, under the small flow condition and the rated flow conditions, test the noise band distribution characteristics of the pump set. Through the analysis of the spectrum map, and according to the operation of pumps shaft frequency and blade frequency, the main reasons for the centrifugal pump noise were analyzed. Summarizes the basic change rule of the noise of the centrifugal pump characteristics, the composition and classification of noise. Found that the main direction of the pump’s export of noise radiation, pointed out three main sources of flow noise of a centrifugal pump, and put forward the concrete improvement measures. The research results to improve the state of centrifugal pump noise, it has important significance to improve the whole performance.
Key words: centrifugal pump     noise characteristics     spectrum analysis     noise reduction    
0 引 言

随着经济的发展,噪声污染已成为当今社会环境污染的三大公害之一,给人类健康带来极大的危害。机电设备的噪声越来越受到各行业的重视,降噪减振已成为许多厂家产品升级换代的研究方向。

离心泵广泛应用于水利电力、石油化工、矿山冶金、建筑环保、航天航空、舰船舰艇等各个领域。随着环保意识的增强及对技术性能要求的提高,有些用户对设备噪声的重视程度,甚至超过了节能降耗。如何有效降低泵组噪声,已成为提升其市场竞争能力的一个重要因素。泵类流体机械学科与其他学科的交叉越来越广泛,来自不同行业及不同专业的科研人员,进行跨学科的共同研究越来越普遍,逐步形成全要素、多领域、高效益的军民融合深度发展格局。

1 国内外研究综述

泵组噪声,主要包括离心泵噪声和电动机噪声。根据电动机噪声产生机理的不同方式,大致可分为三大类:电磁噪声、机械噪声、空气动力噪声,其中电磁噪声占很大比例。

引起离心泵运行噪声的因素有很多,除了泵组自身的电气结构和机械结构外,还包括流体动力学因素,运行的转速、流量和扬程等工况,以及输送介质等。离心泵的噪声分为机械噪声和流噪声,几乎全部来自于泵壳内部,与泵壳内流体的压力脉动直接相关[1]。机械噪声为机械结构振动的辐射噪声,所产生噪声的峰值频率通常为离心泵转速的倍数[2]。机械噪声主要来自轴承、机封、密封环、平衡鼓等摩擦以及连接螺栓、键销、管接头等的松动。机械噪声通常可以忽略不计,除非有严重的轴承机封磨损或转子擦碰等故障发生。

流噪声包括水动力噪声和气动力噪声,也称为流体动力性噪声,主要由旋转噪声和湍流噪声组成。赵威[3]指出旋转噪声为离散噪声,与离心泵内部的动静干涉有关。而湍流噪声为宽频噪声,主要与流体与叶片的相互作用、漩涡的生成、扩散和溃灭,汽蚀以及粘性尾流等非定常现象有关。周心一等[4]指出流噪声的一般特点是频率覆盖域很宽的宽带连续谱噪声,其上也可叠加一些特征线谱。线谱噪声反映了离心泵的结构特征,主要表现为轴频、叶频及其倍频,与离心泵的动平衡、转速以及叶轮的叶片数相关。

蒋爱华等[5]提出对离心泵噪声进行全局性研究,包括管路、阀门等在内,研究其诱发的噪声对噪声总级的贡献。贺小峰等[6]指出水流通过的方向遇有面积变化的流道或阀口时,因剪切、摩擦及涡流现象而产生噪声。龚卫锋等[7]指出在多工况下运行的离心泵,采用变频器变速调节替代阀门节流调节,能够有效地降低离心泵的振动和噪声。张德满等[8]通过试验研究发现,变频调速时离心泵出口振动更小,因此通过变频调速,可以降低离心泵出口的振动和噪声。柯兵等[9]等强调在管路系统声学特性测试技术等方面,开展更深入、更细致的研究。

夏极等[10]针对典型的离心泵组,设计了蓄能器和亥姆赫兹消声器相结合的低噪声排水装置。周志杰等[11]对管路阀门阻力系数进行了研究,更准确地掌握管路系统的阻力特性,满足节能和低噪声需求。李志印等[12]对引起管路振动噪声的气流峰值频率进行了分析,提出了降低风管气流速度,关键部位采用双吊架结构隔振。赵大为、沈正帆、王勇、喻萌、蔡标华、孙营辉等[1318]在管路及系统的噪声、压力脉动及减振降噪方面取得了许多研究成果,包括管路压力脉动抑制装置、隔振通舱管件、弹性隔振器、管路约束方式、管路弹性支撑以及液压系统等,对管路系统研究及声波传递特性的研究渐趋成熟。

目前国内外离心泵噪声特性的研究,主要侧重于单级离心泵,对于大功率高扬程多级离心泵,则不多见。多级离心泵的计算模型,大多未充分考虑密封环、平衡鼓、回水管、轴承、轴向力等多个因素之间的耦合作用,无法满足多级离心泵在大流量、高扬程及多转速下的计算需求。流场计算时通常只计算出叶轮转动几周或十几周的瞬态流场结果,对更长运转时间的结果缺少分析和验证。多级离心泵噪声特性的试验研究,对于降低离心泵组噪声水平,提高其整体性能具有重要意义。

2 试验介绍

某型号泵组由多级离心泵、电机、变频器、控制箱等组成。根据设计要求,离心泵有3个运行工况,分别为小流量工况、额定流量工况、大流量工况。在每个运行工况下,测试离心泵的噪声特性。

离心泵配用两极三相异步电动机,电流频率50 Hz。测试点工况为额定流量工况和小流量工况,小流量工况运行流量为额定工况的0.5倍。泵组的轴频50 Hz,首级叶轮叶频250 Hz,次级叶轮叶频350 Hz。

该泵设计为径向吸入和径向排出结构,水力部件通过导轴承支撑,并通过联轴器与电机连接。采取节段式壳体设计,具有多个扭曲叶片的闭式离心式叶轮。滑动轴承采用高分子复合材料。机械密封采用集装式,用于输送清洁或含泥沙颗粒的淡水、海水。为了降低整个泵组的噪声,在泵的结构上采取了高强度高精度的设计,优化设计了叶轮、导叶及压水室等流道结构。

2.1 试验台系统

试验台系统由离心泵、电机、进出口阀门、管路、水箱、压力表、压力变送器、流量计等组成,如图1所示。水流从水箱流出,经过泵进口阀到达泵的进口,在离心泵内加压后从出口流出,经过泵出口阀、管路、流量计等回到水箱内,构成一个闭式循环。

图 1 试验台系统示意图 Fig. 1 Schematic diagram of test system

主要测试仪器:噪声振动多分析系统、声级校准器、传声器组、标准激励器、压力表、压力变送器、流量计等。

试验台系统:用于水泵性能测试的闭式试验台,其测试不确定度小于0.5%。设备仪器仪表标定证书符合GB/T 3216及GJB 4058的精度要求。

2.2 噪声试验环境及测点布置

试验环境:多级离心泵为立式结构,采取腰部支撑弹性安装于试验支架上,支架与基础平台刚性连接,进出口管路采用弹性安装。在进出管路及阀门部位包上吸音棉,以减轻干扰。出口阀门在管路上距离泵10 m以外,可以忽略其噪声对测试结果的影响。测试现场背景噪声A声级不超过45 dB,低于被测设备A声级10 dB以上,本次测试数据无需修正。实验室内空间高大宽阔,室内空气流速小于1 m/s,除地面反射外,周边墙体及顶棚距离较远反射可忽略不计,是比较理想的声学测量环境。

噪声测点布置见图2,其中1~5号测点为噪声测点。各测点离泵组表面的距离均为1 m。5号测点布置在泵组正上方1 m处。其中1~4号测点布置在泵组的前后左右,离地面基础平台的高度为1.5 m。

图 2 噪声测点布置示意图 Fig. 2 Schematic diagram of noise measuring point arrangement
2.3 噪声测量系统

噪声测量系统及流程见图3。通过5个测点的传声器取得信号,经过放大分析计算后,分别输出5个噪声数据,然后计算平均值。根据泵组不同频带的空气噪声A计权声压级,绘成频谱图。

图 3 噪声测量系统框图 Fig. 3 Block diagram of noise measurement system
3 试验内容及步骤

泵组空气噪声的测量包括,空气噪声A计权声压级(20 Hz~10 kHz)和空气噪声1/3倍频程频带声压级(20 Hz~10 kHz)。离心泵配用变频水冷电机,在模拟负载下单独测得的水冷电机的空气噪声A计权声压级较低,相对于离心泵的噪声而言可忽略不计。

3.1 试验内容

对于同一台多级离心泵,在不同运行条件下分别进行了3次噪声测试。测试单位、人员和地点都相同。泵运行时没有汽蚀现象发生,对噪声的影响可以忽略。噪声测试时,泵的进口阀门全开,出口阀门开度根据工况调整。

第1次试验测试时,泵组仅仅经过数小时的性能试验及汽蚀试验,为全新的状态。第2次试验测试时,泵组已完成了连续3个多月的清水运行试验及1个多月的泥沙运行试验,为轻微磨损状态。第3次试验测试时,泵组已进行了拆检清洗,叶轮和导叶的流道再次打磨,经修复还原配合间隙。

3.2 试验步骤

1)检查试验场地环境是否符合要求,检查电机、变频器、控制柜接线是否正确。

2)完全打开泵进口阀门并关闭出口阀门,通电点动试运转,检查电机旋向是否正确。选择低速启动,然后缓慢调节转速,逐步上升到额定值。最后逐渐打开出口阀门使流量扬程到额定工况点。泵组应始终平稳运行,没有异常振动或噪声。

3)测量泵的进出口压力、转速、流量、电流、电压及空气噪声等。

4 试验结果及分析

泵组在小流量工况和额定流量工况分别做了3次测试,得到了多组噪声频谱数据。每组数据各不相同,但是发现了共同的变化趋势。由于电机噪声和离心泵机械噪声在这里忽略不计,因此从离心泵流噪声的角度来对试验结果进行分析。

4.1 小流量工况

泵组的空气噪声A计权声压级,第1次测试为较优水平,比常规产品低3 dB以上。第2次测试比第1次高出2 dB。第3次测试最好,比第1次低2 dB。总体噪声水平第2次最高,第3次最低,与泵组的实际运行状态相符合。在全部5个测点中,经过多次测量统计分析,在泵的出口方向测点3的声压级最高,与之相对在泵的出口背后测点1的声压级最低,相差2个多分贝。可以看出噪声辐射的主要方向为泵的出口。

泵组的空气噪声1/3倍频程频带声压级,3次测试的频谱图变化趋势基本相同,可以归纳为三峰两谷(见图4)。将3次测试的声压级平均值绘成1条曲线,则空气噪声1/3倍频程频带声压级的变化趋势,更加清晰明朗(见图5)。

图 4 1/3 Oct频带声压级频谱图 Fig. 4 1/3 Oct band sound pressure level spectrum

图 5 1/3 Oct频带声压级均值频谱图 Fig. 5 1/3 Oct band sound pressure level average spectrum

第1个波峰的频率为50 Hz,为泵组的轴频,与振动的频谱图高度吻合,同为第1个波峰。主要是由于转子的几何中心与质量中心不一致引起的噪声,与泵转子和电机转子的动平衡质量有密切关联。离心泵转子轴系的不平衡,在制造及运行过程中需要高度重视。蒋劲等[19]指出,转子不平衡包括转子系统的质量偏心,以及运行中转子部件出现的缺损或变形造成新的质量偏心。陈炯等[20]通过频谱分析,发现汽轮机和发电机的轴频较为突出,指出要重视整机轴系的动平衡。第1个波谷的频率为100 Hz,恰好是交流电频率的2倍,为电磁噪声和装配不对中导致零件碰擦引起的摩擦噪声,其幅值较小,一方面是电机轴和泵轴的对中非常好,另一个方面是电机采用了水冷结构,噪声通过水体衰减较大。

第2个波峰的频率为250 Hz,为泵组首级叶轮的叶频(叶频f=n*Z/60),降低叶轮出口的流速,减小对导叶的冲击,可以消减该波峰。泵组次级叶轮的叶频为350 Hz,该点处于高位但未形成波峰,噪声影响没有首级叶频大。由于多级离心泵的叶轮在键槽加工及转子装配上,为避免叶轮叶片旋转过程产生低倍频激励,采取了相邻叶轮的叶片在圆周方向角度均匀错开布置方案,使得多个次级叶轮叶频噪声的峰值在时间上并不同步,削弱了其叠加峰值。

第3个波峰的频率为1 250 Hz,则是轴频、叶轮叶频、导叶叶频等多次谐波以及泵组或零部件的固有频率的叠加,成因比较复杂。从均值来看是最高的一个波峰,而且该波峰的频率有一定的波动性,每次测试并不固定,第3次测试时是1 000 Hz。第3个波峰过后噪声频谱曲线迅速下行,而同时测得的机脚振动加速度频谱曲线,则是继续上行,说明高频噪声在传播途中迅速衰减。

第2次测试的曲线与第1次对比,发现1 000 Hz以上频率的声压级普遍增加,1 000 Hz以下的则有升有降。泵组修复后第3次测试的曲线与第2次测试对比,发现500 Hz以上频率的声压级普遍降低,500 Hz以下的则有升有降。说明高频噪声在泵组长时间运行磨损后会增大,主要原因在于磨损后主要零件的配合间隙增大。

第3次测试是在泵组修复后进行的,测试的曲线与第1次测试对比,同样也发现500 Hz以上频率的声压级普遍降低。泵组修复后主要零件的配合间隙减小,还原到了初始状态。但叶轮和泵体的流道,经过含泥沙水1个多月的冲刷磨损后,表面粗糙度降低,说明高频噪声降低与泵组的流道表面粗糙度降低密切关联。李环等[21对表面粗糙度做了详细的研究,表面粗糙度降低则高频噪声随之降低,表面粗糙度噪声在高频水动力噪声中占重要地位。总体说来,泵组长时间运行磨损后,因配合间隙增大噪声会增大。经修复还原配合间隙后,因流道表面粗糙度降低噪声又会降低,甚至低于第1次出厂时的状态。

4.2 额定流量工况

以上的频谱图及数据分析,是基于运行流量为额定流量0.5倍的小流量工况下做出的。在运行流量为额定流量的工况下,得到的结论也是相似的。3个典型波峰的频率依旧分别是50 Hz,250 Hz,1 250 Hz,只是幅度有所降低。频率1 250 Hz的噪声声压级基本没有变化,轴频50 Hz的噪声声压级降低了约2个分贝,叶频250 Hz的噪声声压级降低了最多,约4个分贝(见图6),工况1表示0.5倍的额定流量下的小流量工况,工况2表示额定流量工况。

图 6 1/3 Oct频带声压级均值对比频谱图 Fig. 6 1/3 Oct band average sound pressure levelcomparison spectrum

在额定流量工况下,泵组的效率最高,噪声要低于小流量工况。在小流量工况或大流量工况下,叶轮出口的水流与导叶或者隔舌间的冲击损失很大,并且在流道内会形成有害涡流,使叶频及其谐波分量有所增加,造成了较大的振动和噪声。另外大流量工况下由于流速增加,还会加大湍流噪声。赵威等[22]通过研究得出,离心泵在流量小于额定工况时,偏离额定工况越大,噪声越大。在孙霖等[23]的研究中,也印证了该现象。在同一转速下,设计工况的噪声水平低于非设计工况,非设计工况下的较强的压力脉动和不稳定流动加剧了噪声水平。

海尔曼[24](Dieter-Heinz Hellmann)在其专著《离心泵大全》中指出,在无空化状态下运行时,离心泵有10–9~10–6的功率需求量被转化成噪声级。噪声类型包括固体声、液体声和空气声。不论是处于节能,还是处于减振降噪等原因,都应使水泵经常在最佳效率工况点下运行,这样,额定转速下的噪声辐射程度最小。

5 噪声特性

从电机轴端输出的能量主要用于流体的输送,较少部分转化为热能,极少部分以振动噪声等形式向外辐射传播。通常效率高的离心泵,振动和噪声都会相对比较小,其水力设计、机械设计及产品制造装配等都会处于较优的水平。但振动和噪声相对较小的离心泵,其效率不一定高。例如采用切割叶轮增大叶轮和蜗壳隔舌之间间隙的离心泵,通过牺牲效率来减振降噪,以及采用阻尼机架及隔振吸音材料的离心泵,其测得的振动和噪声会比较小,但效率则是高低参差不齐。

在离心泵的研究领域。噪声振动和效率是2个独立的研究课题,但彼此又存在交集。噪声源于振动,振动源于力的作用,都随着时间的变化而变化,不停地向四周扩散,体现了能量的传递与转化。正如效率与汽蚀难以兼顾一样,效率与噪声也难以兼顾,必要时牺牲效率来降低噪声。

多级离心泵的流噪声来源主要有三点:一是隔舌部位,末级叶轮出水对压水室隔舌部位的冲击引起,也是最大的噪声源。受叶轮出口射流尾迹流动和叶片与隔舌动静干涉作用的双重影响,在能量转换的过程中,其内部流动很不均匀。二是导叶的进口边部位,首级叶轮和次级叶轮出水对导叶进口边的冲击引起。三是密封环及平衡鼓间隙部位,由高压水流的回流扩散引起。

水流的速度及压力急剧变化的部位,最容易产生脱流、漩涡、汽蚀等复杂流态,最容易诱发振动引起噪声。转子不平衡或与电机轴心线不对中,以及运行时偏额定工况产生的较大径向力,都会引起轴心线弯曲偏移,加大上述噪声。另外轴承和机封的磨损以及连接螺栓和键销等松动,也会诱导间隙振动引起高频噪声。

噪声在传播的过程中,受流体不均匀分布和边界的影响和制约,存在反射、折射和干涉等现象,会产生声线弯曲、信号起伏和畸变,并且高频噪声易被流体吸收。噪声源及传播路径存在多样化,某一时刻测量的噪声值实际上来自多个相近时刻的噪声源。一部分噪声是通过泵壳体向空气中传播,另一部分是先通过水流传播,再通过管壁及阀门等向空气中传播。在金属壳体中、水中及空气中的声速各不相同,并且差异很大。另外部分噪声由高速旋转的叶轮产生,噪声源在高速运动中,传播时可能产生多普勒频移现象。

6 主动降噪措施

降低离心泵组的噪声水平,对于保障战术技术性能增强战斗力,提高舰船的声隐身能力,及改善工作环境具有重要的作用。在离心泵主动降噪方面,有如下几点改进措施:

1)应用双流道蜗壳或带导叶扩散体,减小泵的径向力,减轻轴承的磨损;

2)提高转子部件的刚度及动平衡精度、提高电机轴和泵轴的对中精度;

3)提高零件加工精度减小装配间隙、尽可能降低流道表面的粗糙度;

4)选择合理的叶轮与导叶进口边或与蜗壳隔舌的间隙、合理的密封环间隙;

5)提高螺栓连接及键销连接的装配精度、控制螺栓连结的预紧力矩;

6)优化电机的电磁方案及结构设计、确保磁力中心线与机械中心线重合;

7)选用优质的低噪声轴承、采用变频调速电机及水冷方案;

8)避免泵组出现共振诱发噪声,最好的解决方法是改变固有频率[25],调整泵组质量或机架刚度,使泵组及其零部件的固有频率与振动源的频率错开;

9)运行时优先选择额定转速和流量下的高效工况点等。

7 结 语

本文回顾了国内外离心泵噪声特性研究的技术特点及发展趋势,总结了离心泵的噪声特性及来源,并提出了具体的降噪措施。探索声振,动中求静。离心泵噪声振动是泵行业的研究热点和前沿,并且将持续发展。

在多次测试多级离心泵的噪声特性基础上,发现噪声辐射的主要方向为泵的出口,最大噪声源在于压水室隔舌部位。分析了某型号多级离心泵声压级在各种频率下的变化趋势。典型特征是在频谱图上出现了3个较大的波峰,对应的噪声频率是轴频、叶频等多种特征频率的叠加。在额定流量工况下,泵组的噪声要低于小流量工况,主要是叶频噪声降低较多。高频噪声在泵组长时间运行后,随着因磨损密封间隙的增大而增大,导致泵组的总体噪声增大。

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