不同叶片包角离心泵空化振动和噪声特性

为研究叶轮叶片包角对离心泵空化诱导振动噪声的影响,以1台单级单吸离心泵为研究对象,保持泵体和叶轮其他几何参数不变,将叶片包角从115°改为110°,120°和125°．在离心泵闭式试验台上测量了不同叶片包角模型泵在不同装置空化余量时的振动和噪声信号,并对信号进行处理和分析．试验结果表明:叶片包角变化对离心泵设计工况下空化性能的影响无明显规律,存在1个最优值;随着叶片包角的增大,各测点加速度传感器测得振动强度的变化规律各不相同,出口法兰测点的振动强度相对最小,振动强度均在10 m／s2以下;随着叶片包角的增大,模型泵在无空化状态下运行时,噪声信号轴频峰值减小,叶频峰值变化复杂;空化初生和发展时,轴频峰值均呈先增加后降低的趋势,1 750～2 250 Hz频段的能量峰值随空化程度的加剧先增大后减小．     

不同叶片数对离心泵流场诱导振动的影响

为了研究离心泵不同叶片数对振动的影响,在保证泵体和叶轮几何参数不变的情况下,将叶轮叶片数分别设计为6和7,从试验与数值计算2个方面就叶片数对离心泵流场诱导振动进行研究.采用RNG k-ε模型分别对2种叶片数的离心泵进行全流道稳态及非稳态数值模拟,分别获得2种叶片数离心泵的稳态速度、压力及非稳态压力脉动特性,对其进行对比分析,并试验测量了2种叶片数下模型泵机脚的振动信号,对振动信号数据进行了处理,从而验证数值计算结果的正确性及改变叶片数所产生的振动影响.结果表明：6叶片的叶轮及蜗室内各个监测点压力脉动较小,机脚振动在轴频下响应较小;叶片数为7时,轴频的二倍频与叶频的低倍频峰值变大,而叶频的高倍频幅值有所降低.结果对建立低振动低噪声离心泵水力设计方法具有重要的参考意义和指导作用.     

基于流动控制技术的低比转速离心泵叶轮研发

低比转速离心泵由于叶轮直径大,出口宽度小,流道扩散严重等原因,导致其效率偏低且很难改善.在计算流体动力学数值模拟和模型泵性能试验基础上,分析了低比转速离心泵效率与内部流动特性之间的关系,为改善泵内流动结构和提高效率提供依据.基于以控制边界层分离为目的的流动控制技术,提出了两种新型的离心泵叶片结构,研制了新的叶轮.为便于比较分析,对新叶轮在保证原模型泵叶轮直径、出口宽度和安装尺寸等主要几何参数不变的前提下进行加工制造,并分别将常规设计的叶片、分流叶片和两种新型叶片的叶轮在同一泵体内进行试验.试验结果表明：分流叶片提高了泵在大流量区域的效率但不能拓宽流量范围,引流叶片使水泵在更大流量范围内运行,并且在整个流量范围内都显著地提高了泵效率.流动控制技术成功地改善了低比转速离心泵内部流动结构并提高了泵性能.     

离心泵进水口形式设计及其对振动噪声的影响

为了研究离心泵进口形状对振动噪声的影响,在保证泵体和叶轮几何参数不变的情况下,改变离心泵进水口形式,从试验与数值模拟2个方面对进水口诱导离心泵振动进行研究．采用RNG k －ε模型分别对进口改进前后的离心泵进行全流道稳态及非稳态数值模拟,分别获得2种进口形式离心泵的稳态速度及非稳态压力脉动特性,对其进行对比分析,并测量了不同进水口形式下模型泵机脚的振动信号,对振动信号数据进行处理,以验证仿真结果及修改离心泵进水口所产生的振动影响．结果表明：改进离心泵进口,对其进口及叶轮蜗壳内压力速度分布有一定改善,直进式离心泵比预旋式离心泵对流场影响更小,叶轮及蜗室内各个监测点压力脉动也有所减小,经试验验证机脚振动响应减小了约5 dB．     

叶片载荷对离心泵内流动激励力及噪声的影响

基于大涡模拟技术和边界元方法分析离心泵内非定常流场及流动诱导的结构振动与噪声,研究叶片载荷对离心泵水力性能、流动激励力及流动噪声的影响.数值计算结果表明:相比于低叶片载荷的离心泵,高叶片载荷离心泵的水力效率提高了1.1%~2.9%,流场分布更均匀;相同工况下高叶片载荷离心泵的蜗舌压力脉动系数幅值比低叶片载荷泵高42.6%;叶轮受到的径向力脉动幅度也提高了7.63%;根据声场计算结果,蜗壳壁面振动速度在二阶叶频上最大,高叶片载荷离心泵蜗壳的最大振动速度是低叶片载荷离心泵的5~6倍;蜗壳振动向外辐射噪声的指向性分布也发生了变化,在10°~310°范围内高叶片载荷泵辐射的噪声声压级大于低叶片载荷泵.研究表明叶片载荷是影响离心泵内流动激励力和流动诱导振动与噪声的重要因素,低噪声低振动水泵的设计需综合考虑水力效率与泵内流动激励力.     

导叶叶片数对多级离心泵压力脉动的影响

为了研究叶轮叶片数与导叶叶片数有无最大公约数对多级离心泵内部压力脉动的影响,在保证设计点外特性基本不变的前提下设计了4种不同叶片数的导叶,基于标准k-ε方程,应用CFX软件对M120多级离心泵的设计点工况进行定常和非定常计算,得到次级泵体叶轮和导叶内各监测点的压力脉动时域图和频域图.结果表明:数值模拟结果与外特性试验结果相吻合,证实了数值模拟的可行性.叶轮与导叶叶片数存在最大公约数的匹配方式对多级离心泵内部静压分布有影响,主要表现为正导叶进口边周向压力分布呈现周期性分布规律.导叶内部压力脉动主要受叶轮叶片数的影响,叶频在流动诱导振动中起主导作用.导叶叶片数对多级离心泵内部压力脉动影响较大,导叶内部压力脉动幅值随导叶叶片数的增加而增大.     

离心泵压力脉动对流动噪声影响的试验研究

为了研究离心泵内部压力脉动和流动噪声在不同工况下的变化规律及其关系,采用试验方法,用高频压力传感器和水听器分别采集离心泵出口脉动压力和流动噪声信号,并进行时频域和自功率谱分析.结果表明：各工况下,叶片通过频率是压力脉动和流动噪声的主频,这是由叶轮和蜗舌之间的动静干涉引起的,而流动噪声在轴频二倍频（44.8 Hz）和224.8 Hz处也有明显峰值,这是由叶轮叶片数和蜗壳壳体振动引起的.小流量和设计流量下,流动噪声频谱与压力脉动频谱形状比较相符,流动噪声可以近似看作是由压力脉动引起的;随着流量的增大,流动噪声频谱除了包括压力脉动的主频外,还包括汽蚀和湍流等引起的500 Hz以上的高频部分.     

射流离心泵动静叶栅匹配的水力与声学性能优化设计

为提高射流离心泵叶轮和导叶水力设计水平,优化动静干涉对泵的水力性能及其声学响应特性影响,采用正交试验方法结合CFD/CFA(计算流体动力学/计算流体声学)技术对叶轮与正导叶的动静叶栅匹配进行多目标优化设计,试验设计统筹考虑叶轮和正导叶相关结构参数,分析叶轮叶片数、叶轮叶片型线、导叶叶片数、导叶叶片型线及动静叶栅间隙对射流离心泵扬程、水力效率和动静叶栅内部流体动力噪声的影响规律,采用矩阵分析法确定多目标优化方案,获得综合性能最优的动静叶栅匹配组合。结果表明:优化后,额定工况下泵的扬程不变,水力效率提高0. 5个百分点,动静叶栅内的整体噪声明显降低,其中叶轮诱导噪声降低7. 1%,导叶诱导噪声提高2. 2%,验证了权矩阵分析法确定多指标优化方案的可行性;低噪声射流离心泵设计的关键是合理确定动静叶栅间隙及动静叶栅的叶片数;动静叶栅的不同匹配方案对射流离心泵扬程的影响比对其水力效率的影响更加敏感,对导叶诱导噪声的影响比对叶轮诱导噪声的影响更加敏感;压力脉动引起具有偶极子特性的流体动力噪声,导叶诱导噪声的频谱特性与压力脉动的频谱特性基本一致,但叶轮诱导噪声的频谱特性与压力脉动的频谱特性有较明显的区别。     

高扬程离心泵振动特性的试验研究

针对一台小流量高扬程离心泵组,通过调节流量和转速等手段对离心泵进行变工况振动测试研究,分析了泵组振动的基本特性,探讨了与泵组振动相关的内部流动形态,并借助泵组出口旁通阀进行分流抑制泵组振动测试研究,研究了系统小流量运行工况下控制泵组振动水平的方法.测试及研究结果表明:随着流量的增大,泵组总振级呈先减小后增大趋势,设计流量下泵组总振级最低,相比关死点工况,总振级低约9 dB,且尤其体现在1倍叶频和1.5~3 kHz宽频段,这主要与泵组不同流量下内部流动激励有关;泵组总振级随转速的增大呈增大趋势,且在1倍轴频和低频10~315 Hz范围内振级影响更显著;泵组振动强度随旁通流量的增大呈先减小后保持稳定的趋势,最佳旁通流量下总振级降低约2 dB,这说明对于系统要求在小流量工况运行的泵组,可通过合理控制旁通流量有效缓解和控制离心泵组振动.     

叶片不等间距对离心泵水动力噪声的影响

以一台六叶片单级单吸立式离心泵为研究对象,研究了叶片不等间距对离心泵流体诱导噪声的影响。首先基于转子自动平衡理论建立了3种叶片不等间距叶轮模型,并对模型泵全流场进行了CFD数值计算,以提取蜗壳及泄露流道壁面偶极子声源。通过振动试验与基于模态响应的振动计算结果对比,验证了模型泵振动噪声数值预测的可行性,并进一步借助直接边界元法完成了水动力噪声计算。对比叶片不等间距叶轮与原叶轮模型计算结果,分析表明:叶片不等间距布置后泵总声功率级与声压级频谱均整体明显降低,但各不等间距模型总声功率级差距较小,最大仅为0.5%;除原叶频及谐频处声压级峰值外,叶片不等间距模型在145 Hz及其谐频上产生了新的声压级峰值,噪声能量更分散,噪声频谱更平稳;最小角间距θmin=50°时模型更能兼顾叶频和145 Hz处辐射噪声特性,噪声性能更优。     

基于流声耦合法的超低比转数离心泵空化特性研究

为研究离心泵不同空化状态下噪声特性的变化规律,以及空化的发展对水动力噪声的影响,首先以一台超低比转数离心泵为研究对象,搭建闭式试验台,基于泵产品测试系统及数据采集系统建立了离心泵空化噪声的试验测试系统,实现了泵性能参数和内场噪声信号的同步采集。其次,分别应用不同空化模型对模型泵空化性能曲线进行预测,并与试验值进行对比,选择合适的空化模型。在此基础上将整个空化过程划分为未空化阶段、空化初生阶段、特征空化阶段及严重空化阶段,结合声学边界元法将流场信息转化为声场信息,并通过比较各空化阶段噪声预测值与试验值相对误差,发现模拟信号与实际信号吻合度较高,充分验证了预测方法的可行性。最后,基于流声耦合法研究空化对内部声场的影响。研究发现:针对超低比转数离心泵空化,Zwart模型比Kunz模型具有更好的适用性。内场噪声信号随空化的发展变化规律比较复杂。在中低频段,由于空化对动静干涉的抑制作用,使得叶频及其倍频特征值离散分量声压级随空化的发展呈现逐渐下降趋势,而轴频分量呈现增大趋势;而高频宽频噪声随空化系数的降低呈现先缓慢减小、然后急剧上升的规律,逐渐将高频特征值分量淹没在宽频带中,高频段声压级的增高造成总声压级的升高。     

离心泵水力诱导激振试验研究

离心泵的水力诱导激振影响泵的安全稳定运行。为了揭示离心泵水力诱导激振特性,以一台单叶片离心泵为试验对象,采用两个垂直布置的涡电流位移传感器测量离心泵空转及抽水时叶轮口环的瞬态位移,获得了叶轮口环瞬态位移的时域图、频域图以及口环位移轨迹图。基于霍尔感应器的键相信息,采用华科水力机械综合测试仪获得了离心泵在不同流量工况的水力诱导激振特性。试验结果表明,离心泵空转及抽水时时域图、频域图相似,波形均为周期性重复的畸变正弦曲线,主频均为叶轮转频,口环位移轨迹图均为畸变的椭圆形,但抽水时口环位移幅值有所减小。离心泵的水力诱导口环位移轨迹图在不同流量工况下均为畸变的椭圆形,在210°~300°之间出现一个突变区域,水力诱导激振在小流量工况显著增强,在额定工况及大流量工况水力诱导激振基本不变。     

交错叶片对双吸离心泵性能影响的数值分析

为减小压力脉动对双吸离心泵性能的影响,设计常规双吸叶轮的ES350-585型双吸离心泵进行外特性试验和数值模拟,再将原双吸叶轮两侧叶片交错布置进行数值模拟,交错角度分别为0°,10°,20°,30°.采用Gridpro软件划分结构网格,应用CFX软件对5种方案的双吸离心泵模型进行不同工况下三维非定常数值计算,得到泵内部流场静压分布和压力脉动特性.计算结果表明:采用两侧叶片交错布置的双吸叶轮可以有效降低离心泵内压力脉动;随着交错角度的增大,压力脉动幅值呈递减趋势;当交错角度为30°时,压水室内压力脉动幅值最小,此时压水室内静压分布最均匀.     

液下泵内部非定常流动及噪声特性

为研究液下泵内部流动的非定常特性及噪声规律,通过采用计算流体动力学软件ANSYS CFX15.0与LMS Virtual.lab声学仿真软件相结合的一种间接混合计算方法,对液下泵内部流场及其声场进行求解.在该计算方法中,对流场进行求解得到监测点的非定常压力脉动,从而获得非稳态的压力脉动频域特性规律;基于声学边界元法,对液下泵蜗壳偶极子内场噪声和叶片偶极子内场噪声进行求解,获得了边界元表面的声压级分布以及典型场点的声压频率曲线.计算结果表明:叶片扫掠过程中与蜗壳隔舌的相互作用产生较大的压力脉动,隔舌附近的噪声是流动噪声的主要噪声源;声压级在叶片通过频率及其谐频时达到极大值,随频率的增大,声压级极大值都呈现衰减状态.研究结果可为液下泵的后续降噪分析提供一定的理论基础.     

离心泵叶片出口边倾斜角对压力脉动的影响

为研究叶片出口边倾斜角对叶轮与蜗壳由动静干涉作用而引起压力脉动的影响,在保证叶轮基本参数和叶片安放角变化规律不变的情况下,通过改变叶片出口边倾斜角而设计了2种计算方案.采用SST湍流模型、SIMPLEC算法和滑移网格技术,分别对不同叶片出口边倾斜角的叶轮匹配同一蜗壳的离心泵进行全流道非稳态数值模拟,得到不同叶片出口边倾斜角的离心泵外特性及压力脉动特性,并对其进行分析.计算结果表明：随着叶片出口边倾斜角的减小,泵高效区加宽;在小流量工况至设计流量工况时模型1,2的扬程流量曲线接近,在设计流量工况至大流量工况时模型2的扬程增大;2种叶片出口边倾斜角的离心泵中监测点处的压力脉动规律相同,呈周期性变化;较小叶片出口边倾斜角的离心泵中蜗壳内及隔舌处的压力脉动波动幅度减小,高频脉动成分减小.分析结果可为离心泵叶轮的设计提供理论参考.     

叶片进口边位置对离心泵性能的影响

为了研究叶片进口边位置对离心泵外特性能、内流场的影响规律,在原型泵的基础上,设计了叶片进口边位置不同的5种叶轮,基于SST k-ω湍流模型和Zwart空化模型,分别对5种叶轮的离心泵在清水和含沙水介质下进行三维全流道定常数值计算.结果表明:针对低比转数离心泵,叶片进口排挤严重,使叶片进口边向出口方向延伸可以使叶片进口处的流动更加均匀,液流的流动速度减小,叶片表面的压力变大,从而改善空化性能;在一定范围内变动叶片的进口边位置对离心泵的扬程、效率影响不大,但是当叶片的进口边位置向出口方向延伸过多会导致叶片对液流的做功能力下降,从而使离心泵的扬程明显下降;当离心泵在相同工况下运行时,离心泵进口沙粒含量的增大会使离心泵的扬程、效率降低,且会使流道内空化核的数量增大,从而导致空化性能变差.     

低比转数离心泵内部流动特性和外特性试验

为研究分流叶片对低比转数离心泵内部流动和性能的影响,在原型泵叶轮(具有4长4短叶片)基础上,设计了8长叶片的叶轮模型.基于雷诺时均Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras湍流模型对各模型泵内的流场进行三维定常数值模拟计算,得到了泵内部流动特性.同时对原型泵进行外特性试验,并将计算结果与试验结果进行对比验证.数值计算结果表明:离心泵蜗壳内的周向速度大于径向速度,流体呈周向流动;径向速度随着周向角度的增大缓缓变大;8长叶片的叶轮相对于4长4短叶片叶轮在设计流量工况下具有更高的扬程和效率,8长叶片的叶轮比4长4短叶轮具有更好的水力性能;8长叶轮的叶片进口处具有更大的相对低压区;叶轮内部都存在旋涡,相对于4长4短叶片的叶轮,8长叶片的叶轮具有更大的涡.试验结果验证了数值计算的正确性.