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。     

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.     

小流量工况下旋涡自吸泵流动降噪优化研究

为了研究旋涡自吸泵内部声场特性,减少旋涡自吸泵在小流量工况下运行时的噪声,采用CFD+Lighthill声类比理论对旋涡泵内部声场进行求解,并进行降噪优化。首先利用CFX软件提供的RNG k-ε模型,选取0.4Qd、0.8Qd及Qd3个流量点对旋涡泵进行非定常数值模拟,获得不同工况下旋涡自吸泵内部压力脉动情况。提取非定常计算所得的脉动力,导入声学软件ACTRAN中进行声场计算,得到不同工况下旋涡泵出口声压级的大小、泵体内部的声压分布以及泵内部主要噪声源分布。采用正弦调制叶片分布方式设计了调制角A为2°、4°、6°、8°的4种不同不等节距叶轮,通过对模型泵进行声场计算,最后选取降噪效果较好的调制角A=4°的不等节距叶轮进行3D打印,并对3D打印样品进行外特性和噪声试验验证。结果表明:旋涡泵内部流动诱导噪声与压力脉动密切相关,主要是由叶轮与泵体的动静干涉引起,其频率特性与压力脉动相似,2倍叶频时声压最大。流量越小,旋涡泵出口声压级越大,其噪声源主要分布在泵体流道及靠近流道出口隔舌处。调制角A=4°的不等节距叶片在小流量工况下对旋涡泵外特性性能影响不大,且能使小流量工况0.4Qd的噪声下降2 d B,设计工况噪声下降4 d B。     

旋涡自吸泵小流量工况下的流动噪声研究

为了研究旋涡自吸泵内部声场特性,减少旋涡自吸泵在小流量工况下运行时的噪声,采用CFD+Lighthill声类比理论对旋涡泵内部声场进行求解,并进行降噪优化。首先利用CFX软件提供的RNG k-ε模型,选取0.4Qd、0.8Qd及Qd三个流量点对旋涡泵进行非定常数值模拟,获得不同工况下旋涡自吸泵内部压力脉动情况。提取非定常计算所得的脉动力,导入声学软件ACTRAN中进行声场计算,得到不同工况下旋涡泵出口声压级的大小、泵体内部的声压分布以泵内部主要噪声源分布。采用正弦调制叶片分布方式设计了调制角A分别为2°、4°、6°、8°的4种不同不等节距叶轮,通过对模型泵进行声场计算,最后选取降噪效果较好的调制角A=4°的不等节距叶轮进行3D打印,并对3D打印样品进行外特性和噪声试验验证。结果表明:旋涡泵内部流动诱导噪声与压力脉动密切相关,主要是由叶轮与泵体的动静干涉引起,其频率特性与压力脉动相似,2倍叶频时声压最大。流量越小,旋涡泵出口声压级越大,其噪声源主要分布在泵体流道及靠近流道出口隔舌处。调制角A=4°的不等节距叶片在小流量工况下对旋涡泵外特性性能影响不大,且能使小流量工况0.4Qd的噪声下降2dB,设计工况噪声下降4dB。     

双吸泵作液力透平内部流动诱导噪声数值分析

为进一步研究双吸离心泵在液力透平工况下振动与噪声的变化规律,采用一种间接混合计算方法即计算流体力学CFD与LMS Virtual-Lab声学仿真软件相结合的方式对双吸泵内部声场进行求解.利用k-ε湍流模型对双吸泵进行三维非定常流场计算,并在分析出偶极子声源为流动噪声的主要噪声源后,提取蜗壳表面以及叶片的压力脉动作为偶极子声源.基于LMS Vir-tual-Lab声学仿真模块,利用直接边界元法(DBEM)对内声场的数值仿真计算分析,得出了声学边界元模型表面声压级分布,以及内部主要检测点的声压级频率响应函数.结果表明:叶片通过频率及其谐频是产生流动噪声的主频,在叶频处泵蜗壳进口和叶片的声压值最大;各谐频处流动噪声也出现了峰值,但随着频率的增大,流动噪声的声压值明显衰减.研究结果为泵作液力透平工况下减振降噪提供有益参考.     

立式管道泵流动噪声特性与仿生降噪研究

为了研究立式管道泵内部声场特性,减少管道泵运行时的噪声,基于CFD+Lighthill声类比理论对管道泵内部流场与声场进行仿真求解,并借鉴猫头鹰羽毛端部锯齿结构进行仿生优化,以期达到降噪目标。针对0.8Qd、Qd及1.2Qd3个运行工况,选用RNG k-ε模型分别对立式管道泵进行非定常数值模拟,获得3个工况下管道泵内部压力脉动数据。提取非定常计算所得的脉动力,导入声学软件LMS Virtual.lab中进行声场计算,得到各工况下管道泵进、出口声压级、泵体内部的声压分布及主要噪声源分布。结果表明:管道泵内部流动诱导噪声与压力脉动密切相关,主要是由叶轮与泵体的动静干涉引起,其频率特性与压力脉动相似,声压分布集中在轴频、叶频及其倍频,叶频时声压级最大。流量越大,管道泵进、出口声压级越大。基于仿生学原理,参考猫头鹰体表覆羽样本利用相似准则设计仿生锯齿叶片,展开仿生降噪研究,选择齿距、齿宽、齿高3个因素,设计了16组正交试验模型,计算得到各工况下泵内部流场和声场数据。选取最优降噪模型与原模型进行对比分析,结果表明:仿生叶片尾缘锯齿结构能够起到降低压力脉动、稳定流场、降低噪声的作用,其中设计工况下噪声降幅明显,叶频处噪声降低8 d B。     

管道泵流动噪声特性及仿生降噪研究

为了研究立式管道泵内部声场特性,减少管道泵运行时的噪声,基于CFD+Lighthill声类比理论对管道泵内部流场与声场进行仿真求解,并借鉴猫头鹰羽毛端部锯齿结构进行仿生优化,以期达到降噪目标。针对0.8Qd、Qd及1.2Qd三个运行工况,选用RNG k-ε模型分别对立式管道泵进行非定常数值模拟,获得3个工况下管道泵内部压力脉动数据。提取非定常计算所得的脉动力,导入声学软件LMS Virtual.lab中进行声场计算,得到各工况下管道泵进、出口声压级的大小、泵体内部的声压分布及主要噪声源分布。结果表明:管道泵内部流动诱导噪声与压力脉动密切相关,主要是由叶轮与泵体的动静干涉引起,其频率特性与压力脉动相似,声压分布集中在轴频、叶频及其倍频,叶频时声压级最大。流量越大,管道泵进、出口声压级越大。基于仿生学原理,参考猫头鹰翅膀样本利用相似准则设计仿生锯齿叶片,展开仿生降噪研究,选择齿距、齿宽、齿高3个因素,设计了16组正交试验模型,计算得到各工况下泵内部流场和声场数据。选取最优降噪模型与原模型进行对比分析,结果表明:仿生叶片尾缘锯齿结构能够起到降低压力脉动、稳定流场、降低噪声的作用,其中设计工况下噪声降幅明显,叶频处噪声降低高达8d B。     

单叶片离心泵水动力噪声特性数值分析

基于LIGHTHILL声类比理论,根据FW-H方程,采用计算流体力学与计算声学相结合的方式对单叶片离心泵的内部噪声进行求解,探究其不同流量工况下内部流场的声源特性.采用混合数值模拟的方法,运用SST k-ω湍流模型对离心泵进行非定常模拟,并导出声源信息,对其进行声学计算求解,同时分析不同流量下的单叶片离心泵的内场噪声,比较其影响.研究结果表明：单叶片离心泵压力脉动的能量主要集中在叶频及其低频段谐频处,内部噪声的能量主要集中在低频段,并且在叶频及其谐频处噪声的能量较高;随着流量的增加,蜗壳与叶轮流道内流态逐渐改善,二次流、流动分离现象减少,导致低频段的谐频噪声呈现明显的下降趋势.根据不同流量下的声功率级频谱分析可以发现,压力脉动的分布特性对于单叶片离心泵的内部水动力噪声有直接的影响.     

双蜗壳离心泵空化流动对隔舌处压力脉动特性的影响

应用数值计算方法分析了双蜗壳离心泵内空化流动影响隔舌部位压力脉动特性情况,以进一步明晰空化流动诱导泵振动噪声机理.采用SST k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对设计工况下的泵内空化流动和无空化流动进行了非定常数值模拟,数值模拟结果表明:SST k-ω湍流模型能准确预测双蜗壳离心泵的能量特性指标;泵内空化的空泡初始产生于叶轮叶片进口吸力面根部,随着装置空化余量的降低,空泡云沿着叶轮叶片吸力面向叶片出口和前盖板方向发展,叶轮内部空泡的发展并不均匀,加剧了叶轮内部流动的不稳定性.对比叶轮旋转一周在空化和无空化流动状态下发现,2个隔舌处各个监测点的压力脉动具有明显周期性,在无空化状态下,隔板进口处监测点的压力脉动主频为2倍叶频,其他监测点压力脉动主频均为叶频;空化状态下2个隔舌处各个监测点的压力脉动主频均为叶频,压力脉动幅值明显增大.     

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.     

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.     

多级离心泵内部级间影响及压力脉动特征

为了研究多级离心泵内级间相互影响及流道内的瞬时流动特征,对一两级泵内部流动进行了三维定常与非定常数值计算,获得并分析了不同流量工况条件下流道内各个监测点的压力脉动特征.研究表明:首级导叶的存在是导致次级叶轮入口截面上不均匀流动状态的关键因素;在每级叶轮的出口与导叶进口联结处均存在剧烈的动静耦合作用;尽管整体流道的几何形状复杂,叶片通过频率仍支配着该两级泵内全流道的特征压力脉动,而导叶叶片数对压力脉动特征的影响较弱;叶轮内与叶频对应的压力脉动幅值自叶轮进口到叶轮出口逐渐增大,且在叶轮出口处达到极大值,导叶中的相应变化规律则与之相反;偏离最优流量工况,叶频仍占据统治地位,但整个流道内的压力脉动幅值增大,该趋势在小流量工况下尤为明显.     

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．     

单、双出口双蜗壳泵的压力脉动及径向力特性

为研究两种不同双蜗壳型式离心泵的水力特性,采用RNG k-ε湍流模型和滑移网格技术,对单出口双蜗壳及双出口双蜗壳离心泵进行了不同工况下三维非定常湍流数值模拟,得到不同型式双蜗壳泵内压力脉动情况,同时对两种型式泵的径向力进行定常计算对比分析.结果表明:单出口双蜗壳泵内压力脉动高于双出口双蜗壳泵内的压力脉动;在设计工况和非设计工况下,两种型式泵的隔舌及出口处压力脉动的频率均以叶片通过频率为主;在小流量工况下,单出口双蜗壳泵的出口及隔板起始端位置处频率以叶轮转频为主;两种型式双蜗壳离心泵在不同工况下都能有效地平衡径向力,由于单出口双蜗壳泵内存在较为明显的压力脉动,导致其叶轮受到的径向力较大.     

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.     

叶片数及分流叶片对离心泵流场和空化性能的影响

对一低比转数离心泵模型,在叶片数分别为3个长叶片,3长3短(3/3)分流叶片,6个长叶片的三组叶轮方案下,对离心泵内部三维定常湍流空化流场进行数值模拟,计算不同叶轮方案下的外特性曲线和空化特性预测曲线。结果表明:在空化充分发展的工况下,叶片数少的叶轮方案扬程对NPSH降低较敏感;随着叶片数的降低,叶轮进口低压区面积减小,叶片的载荷增大。采用分流叶片,不仅减轻了叶轮进口处因叶片太多带来的排挤严重现象,而且提高了泵的扬程,离心泵空化性能也得到改善。随着叶片数的增加,叶片表面载荷逐渐减小,对于带分流叶片的叶轮,长叶片载荷在径向位置大约为分流叶片进口直径处下降曲线变陡。模拟结果能较好地反映不同叶轮方案下叶片数对离心泵内空化发生的影响,为空化特性的研究奠定了一定的理论基础。     

叶片形状对离心泵作透平性能影响研究

为了更好的研究叶轮出口形状对离心泵作透平性能的影响,以一台比转数为65的离心泵作为研究对象,结合数值模拟和模型试验对比分析了不同叶片形状（叶片出口倒圆、叶片出口修挫等）对于泵作透平性能的影响。通过对比原模型计算结果与试验结果对比可知,所采用的数值计算方法具有较高的精度,在设计工况附近,预测值的相对误差为3%,而在小流量工况和大流量工况分别为5%以及8%,且能够准确地模拟出不同流量下的外特性变化情况;通过对比不同叶片形状模型计算结果可知,各个流量下叶片出口修挫的模型扬程和效率都最高,而原模型获得的扬程和效率最低。     

蜗壳隔舌半径对离心泵性能及水力载荷特性的影响

为研究蜗壳隔舌半径对离心泵性能及水力载荷特性的影响,针对同一叶轮匹配5种不同隔舌半径的离心泵进行非定常数值计算.通过计算获得了不同泵的水力性能、压力脉动特征、叶片载荷及叶轮上的径向力分布,并且与试验结果进行对比分析,验证了采用的数值计算方法具有较高的正确性.研究结果表明:隔舌半径对扬程的影响较小,随隔舌半径的增大,各工况下效率呈先增大后减小的趋势;当隔舌与基圆半径之比TR取值为0.09~0.24时,叶片工作面与背面的载荷差值有最小值,即此时叶片受力沿进口至出口的变化最小;随着隔舌半径的增大,泵内的压力脉动水平逐渐降低,TR=0.03时,叶频处的压力脉动幅值约为TR=0.3时的2倍;隔舌半径对叶轮径向力的大小影响显著,在设计工况下,径向力随隔舌半径的增大而增大,且TR=0.3时的径向力约为TR=0.03时的2.5倍.     

基于正交试验及CFD的多级离心泵叶轮优化设计

以某一典型悬臂式多级离心泵为研究对象,在原模型的基础上,对叶轮进行优化设计以提高水泵的水力性能.选择叶片出口宽度、叶轮出口直径、叶片数、叶片出口角等4个参数为因素,每个因素取3个水平,基于正交试验和数值计算对叶轮进行优化,应用计算流体动力学软件CFX 14.5对多级离心泵内三维定常流动进行数值计算.结果表明:不同工况下,多级离心泵原模型的外特性试验与数值计算结果相吻合,证明了数值预测水泵性能的正确性和可靠性.按照L₉(3⁴)正交表,计算9组叶轮设计方案的额定工况时的扬程和效率,利用极差分析研究几何参数对水泵性能的影响,最终得到优化模型.通过优化模型与原模型的数值计算结果对比,证明其扬程、效率性能得到提高,并从内部流动分析提高的原因,即泵体内部无旋涡和回流,静压梯度大,流动损失小,使得泵水力性能得到提升.     

斜流泵叶轮和导叶叶片数对压力脉动的影响

为了研究斜流泵叶轮和导叶由于动静相干作用(RSI)而引起的压力脉动规律,基于标准k-ε湍流模型、SIMPLEC算法和滑移网格技术,根据叶轮和导叶叶片数及其叶片厚度设计了多种计算方案,并对不同方案的斜流泵模型进行了非定常数值模拟．采用叶轮进口、叶轮出口和导叶内部布点监测压力的方法获得了压力脉动曲线,并基于时域图分析了叶轮叶片数、导叶叶片数及其厚度对斜流泵内部压力脉动特性的影响．数值计算结果表明:斜流泵叶轮叶片动静干涉对整个流场的压力脉动影响较大,叶轮叶片数越少,叶轮进、出口压力脉动幅值越大;在设计工况下,导叶内部的压力脉动波形主要受叶轮叶片数影响,而导叶厚度对导叶内部压力脉动影响较小．研究结论将为斜流泵的设计和稳定运行提供参考．