叶片数对离心泵振动噪声性能的影响

叶片数是离心泵的主要几何参数之一。为研究叶片数对离心泵振动噪声性能的影响,以比转速为97的离心泵为例,对比了不同叶片数下的水力和振动噪声性能,并采用FEMBEM声振耦合计算方法对流动激励下的振动及其声辐射噪声进行了数值模拟,同时与试验数据进行对比分析。结果表明:提出的数值模拟方法可用于预测泵的流动诱导振动和声辐射性能,且在模拟中考虑口环泄漏的影响能够提高计算精度,有口环方案预测得到的振幅较无口环方案的预测精度提高了13.5%。随着叶片数的增加,扬程和轴功率均逐渐增大,最大增幅分别为15.9%和14.1%;效率随叶片数的增加呈先增大后减小再增大的趋势。离心泵蜗壳的压力脉动幅值随叶片数的减小而增大。由于叶轮蜗壳动静干涉的作用,蜗壳隔舌处、第1到第2断面间和扩压管壁面等3个区域的压力脉动幅值相对较高。随着叶片数的减少,蜗壳壁面的振动位移有所增大,最大位移主要发生蜗壳第8断面处。振动速度随着叶片数的增大后减小,与振动位移的规律有一定的差异,振动高速区主要集中在隔舌、蜗壳的第4与第6断面之间和靠近扩压管的第8断面处。设计工况下,泵在叶频对应的声压级和声强随着叶片数的增加先增大后减小,高声压级区域主要出现在泵出口附近的高振动速度引起的垂直方向。综合考虑水力和振动噪声性能,确定该模型泵的最佳叶片数为6。     

叶片出口安放角对离心泵作透平噪声的影响

为研究叶片出口安放角对离心泵作透平内外场噪声的影响,运用声学边界元法(boundary element method,BEM)分析透平在叶轮和壳体壁面偶极子作用下产生的内场流动噪声,基于声学有限元的自动匹配层技术(finite element method/automatically matched layer,FEM/AML)计算考虑结构振动壳体声源作用的外场噪声,并验证了内场噪声计算方法和壳体结构有限元模型的准确性。结果表明,壳体偶极子作用的流动噪声能够体现多声源的共同作用,基于BEM法计算与试验频谱曲线吻合较好,叶频处误差仅为3.7%。效率随出口安放角的增加在全流量范围内均降低;以1/3倍频程A计权总声压级和总声功率级为评价指标,叶片出口安放角对透平噪声有一定影响;综合考虑水力性能和噪声,叶片出口安放角为30°透平综合性能较优。该文为后续噪声控制的研究提供了参考。     

离心泵非设计工况空化振动噪声的试验测试

在离心泵闭式试验台上,基于虚拟仪器数据采集系统和泵产品测试系统建立了离心泵空化诱导振动噪声的试验测试系统,实现了泵性能参数和空化诱导振动噪声信号的同步采集。以一台单级单吸离心泵为研究对象,测量了模型泵在不同流量下,空化余量(NPSH)变化时的振动和噪声信号并对其进行了处理,得到了不同流量下振动加速度和噪声声压级随NPSH变化的曲线图。试验结果表明:不同流量下,随NPSH的下降,振动加速度和声压级先保持不变然后明显升高,据此可以初步判断泵的初生空化余量;泵体的振动强度高于其他测点;除轴向振动变化规律复杂外,其余测点随着流量的增加振动加强。     

泵作透平振动噪声机理分析与试验

为了深入了解泵作透平不同流量不同转速下的振动噪声情况,在离心泵作透平开式试验台上,基于INV3020C数据采集系统和透平测试系统建立了泵作透平振动噪声试验测试系统,实现了性能参数和振动噪声信号的同步采集。为研究泵反转作透平振动和水动力激励诱发的进出口噪声特性,以一台单级单吸离心泵作透平为研究对象,利用加速度传感器和水听器测量了泵作透平在不同转速及流量下的振动和噪声。试验结果表明:随着转速的增加,泵作透平的扬程增大,高效区范围增加,效率有所提高且最高效率点向大流量偏移,同时,泵体加速度的总有效值和进出口噪声总声压级也随转速的增加而增加;随流量的增加,各测点的振动加速度和声压级逐渐升高;泵体的振动强度高于其他测点,各测点的振动强度主要反映于水平向;相同流量下出口噪声的声压级高于进口。该研究可为泵作透平减振降噪提供参考。     

离心泵叶片参数对磨损规律影响的试验研究

针对离心泵过流件磨损问题，进行了叶片几何参数对磨损影响的试验研究。并就固－液两相流泵的叶片参数选择提出了见解。     

叶轮出口宽度对离心泵噪声辐射影响的分析与试验

为研究叶轮出口宽度对离心泵在水动力激励下泵壳振动辐射噪声的影响,该文以一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,运用FEM\BEM（finite element method\boundary element method）声振耦合计算和试验测量方法进行了叶轮出口宽度分别为10、8和12 mm的噪声辐射分析。采用大涡模拟方法对离心泵内部瞬态流场进行计算,得到蜗壳壁面偶极子声源。在对泵壳体结构进行模态分析的基础上,利用LMS Virtual Lab的间接边界元IBEM声振耦合模块计算非定常流动引起的离心泵内部噪声,并进行了试验验证,在此基础上,对离心泵外场噪声及其声辐射进行计算,并研究了叶轮出口宽度对离心泵外场噪声辐射的影响。结果表明,离心泵叶片通过频率处的辐射声功率随着叶轮出口宽度的增大而增大;叶轮出口宽度存在一个合适的取值范围,使得各流量工况下外场噪声声压级较小;综合考虑离心泵能量性能与外场噪声,叶轮出口宽度为10 mm时,离心泵综合性能较优。研究结果可为低振动低噪声离心泵的水力优化设计提供参考。     

诱导轮时序位置对离心泵水力性能的影响

对带有诱导轮的离心泵而言,诱导轮相对叶轮的时序位置非常关键。为探讨时序位置对整台离心泵性能的影响,该文以某单级离心泵为研究对象,采用三维黏性非定常数值方法,对诱导轮相对叶轮的3种不同时序位置下离心泵的内部流动进行了模拟,并分析了其外特性、振动特性、空化特性随时序位置的变化。结果表明:随诱导轮时序位置的变化,离心泵的扬程和效率都是先增大后减小,扬程变化达1.3%,效率变化达1.32%;诱导轮叶片尾部压力面的漩涡逐渐消失。时序效应对叶轮与径向导叶间的动静干涉有影响,从而影响叶轮所受径向力的分布及叶轮内部和径向导叶头部的压力脉动特性;合理的时序位置可以改善离心泵的空化性能。     

基于相空间重构离心泵基础振动的研究

确定离心泵基础振动主要影响参数的数量,有利于对基础振动影响参数进行分级并进一步指导低振动离心泵基础的设计。通过隔离电机、管道振动的离心泵试验台架,测试了基础上4个测点的振动位移;运用Tisean3.0通过Fraser互信息算法得出了各测点振动位移时间序列的最佳延迟时间,基于该延迟时间通过伪最近邻点法确定各测点振动时间序列的嵌入维数;最后基于所得最佳延迟时间与嵌入维数对离心泵基础振动时间序列进行了相空间重构,以确定所得延迟时间与嵌入维数的准确性。结果表明,虽然离心泵基础上同一平面内不同测点的振动位移时间序列时域信号不同,但在相空间的重构中具有相同的延迟时间与嵌入维数;不同长度的振动位移序列数据段得到相同的相空间重构参数,表明通过振动位移序列进行相空间重构以确定离心泵基础振动影响因素个数具有稳定性;离心泵基础振动位移时间序列在重构的相空间中具有明显吸引子存在,表明离心泵及其基础所组成系统具有确定的振动规律存在;所建立离心泵试验台基础振动的嵌入维数为4,表明其主要影响参数小于或等于4。     

混流泵压力脉动特性及其对流动诱导噪声的影响

为了研究不同工况下混流泵内部压力脉动特性及其对流动诱导噪声的影响,基于RANS方程和SST k-ω湍流模型,对混流泵进行非定常数值计算,在此基础上取叶片表面非定常压力脉动作为声源,采用间接边界元法对由叶片旋转偶极子源所引起的外场噪声进行数值计算。结果表明:混流泵叶轮进出口处的压力脉动幅值均是沿着轮缘到轮毂逐渐减小,叶轮进口处压力系数的最大值是出口处的2倍;沿着蜗壳周向,隔舌部位处压力脉动最为剧烈,随着监测点的位置远离隔舌,其压力脉动情况逐步改善;不同工况下,混流泵内各处的压力脉动主频均保持叶片通过频率不变;混流泵叶轮和蜗壳之间的动静干涉作用是引发流动诱导噪声的主要原因;流动诱导噪声的主频是由压力脉动主频以及泵体结构的固有频率综合决定的;不同工况下,混流泵内部压力脉动程度越强,该工况对应的流动诱导噪声辐射水平越强。该文对混流泵机组的稳定运行以及流动诱导噪声的控制提供了参考。     

叶轮进口条件对串并联离心泵无过载特性的影响

为了阐明叶轮进口条件对串并联离心泵无过载性能的影响,该文从速度三角形理论出发,引入进口速度加权平均角度(θ),推导了单级模型泵无压直管叶轮进口条件的最大轴功率,以及相对应的流量的计算公式。在此基础上,研究了串并联离心泵分别应用无压半螺旋和有压半螺旋2种不同叶轮进口条件对无过载性能的影响。结合(computational fluid dynamics,CFD)技术,对各模型泵外特性曲线进行了数值模拟,并搭建试验台分别对单级模型泵和串并联离心泵进行试验。分析表明:计算结果与试验结果能够较好地吻合,在设计工况下,扬程误差和功率误差均在5%以内,从而验证了数值模拟结果的正确性。结果证明:不同叶轮进口条件下,得到的轴向速度分布均匀度变化不大,均匀度较好;而流动偏移角(γ)值有较大的差异,γ值越大越有利于无过载性能的实现。该研究结果为串并联离心泵的无过载研究和开发提供了一定的依据。     

高效低噪无过载离心泵多目标水力优化设计

为了整体提高离心泵水力设计水平,以叶频噪声声压级、扬程、效率和轴功率这4个指标作为判断标准,首次采用权矩阵方法借助数值模拟技术对离心泵叶轮进行了多目标优化设计。各指标的数值计算采用CFD/CA(computational fluid dynamics/computational acoustic,计算流体力学和计算声学)相结合的方法进行。基于L9(34)正交试验,深入研究了叶轮直径、叶片出口安放角、叶片出口宽度和进口安放角对离心泵扬程、效率、轴功率和流动噪声的影响规律,并根据权重分析获得了一组最佳几何参数组合。通过进行优化叶轮与原型叶轮的性能对比试验,发现该优化方案全部达标,设计流量下扬程提高2.5%,效率提高3.8%,轴功率下降3.3%,出口声压级降低1.2%,验证了权矩阵数值优化方法的可行性。粒子图像测速法内流场对比试验说明:优化方案无明显"射流-尾迹"流动结构的存在,其最大速度比原型泵小6.7%,低速区的面积比原型泵大,且由于减小了叶轮外径,叶轮和隔舌间的动静干涉作用也有所减弱;高效率低噪声离心泵叶轮设计的关键是选择合理的叶轮和隔舌间隙,以减弱叶轮出口的尾流脉动。该研究为实现高效、无过载、低噪声离心泵水力设计提供了参考。     

多级离心泵圆周弯扭式导叶设计及性能试验

为开发一种紧凑式多级泵,研究配套的一种圆周弯扭式导叶,其设计思路源自扭曲离心叶轮设计方法。通过固定导叶顶端曲线,将导叶底端曲线沿圆周方向向前延伸,形成弯扭式曲面。该导叶结构具有2个优点。首先,导叶底端沿圆周向前延伸后保证了较大的喉部进水区域面积。其次,利用底端向前延伸的部分与下一个叶片的圆柱部分自然形成扩压器状的过流通道,增强了导叶的扩压能力。在二次开发技术的基础上开发出该结构的水力设计系统。利用该系统设计出多组方案,同时利用CFD计算分析,经过不同方案的比较,最终获得了优化的导叶模型,并通过样机试验验证该模型具有较好的水力性能。该设计方法将有利于多级泵的节能,同时该方法也为紧凑式多级泵开发提供了有益的参考。     

离心泵进口来流速度扰动不确定性对水力性能及流场的影响

离心泵运行过程中其进口来流速度随时间的波动对泵的水力性能具有不可忽略的影响,该研究采用非嵌入式多项式混沌（non-intrusive polynomial chaos, NIPC）方法对进口来流速度扰动的不确定性进行量化分析,探究其对离心泵水力性能的影响。结果表明：随机来流速度对泵的水力性能具有较大影响,且不确定度越大,其影响越大;进口来流速度扰动会引起泵叶片压力面尾缘与吸力面上压力分布及叶轮流道内流场的变化,从而造成泵的扬程及效率的波动且波动范围较大;同时,来流不确定性的影响在叶轮内流场中的传播是非对称且非均匀的。不同工况下来流速度随时间的扰动对泵性能的影响有所差异,大部分工况下来流速度扰动会造成泵性能的下降,其中不确定度为5%时,扬程最大可下降0.4 m,效率下降3%。对不同工况下泵的进口流速不确定性进行量化分析,能够对离心泵在整个运行工况下的稳健性进行综合评定,为泵稳健性设计提供一定的基础。     

离心泵能量性能预测的对比

简述了离心泵性能预测的研究现状。分别采用流场计算法和水力损失法对10台离心泵的设计点工况进行了性能预测并详细比较两种方法的预测结果。流场计算采用FLUENT,在双参考坐标系下,选用标准k-ε湍流模型,SIMPLEC方法对叶轮蜗壳进行耦合相对定常求解。预测了各模型的总效率和扬程并与试验值做了比较;计算了理论扬程以及叶轮和蜗壳内的水力损失。对比研究结果表明,基于FLUENT的流场计算法具有比较高的预测精度,其中扬程预测精度平均高0.98%,效率预测精度平均高1.51%。分析了两种方法预测差异的原因。     

离心泵压水室内部定常和非定常流动PIV测量

为研究离心泵压水室内的流动特性,利用PIV技术在内同步和外同步模式下分别测量了其内部的定常和非定常流场,详细分析了压水室内部流动现象和流动规律。结果表明,压水室内速度沿轴向分布均匀,随圆周角增大而减小;在叶轮和压水室的交界处,存在清晰的速度分界线;受蜗舌的分流作用,部分流体回流入叶轮流道,扩散管入口处速度显著降低;压水室内部周期性非定常流动规律明显,第VIII断面上,速度的大小和波动幅度沿径向均呈减小趋势,周向速度的波动与叶轮流道内部高速流区的位置有关,而径向速度的波动主要受叶片干扰和哥氏力的影响。研究结果为压水室设计以及离心泵内部流动的试验研究提供了借鉴。     

离心泵内部非定常压力场的数值研究

为研究离心泵内部压力随叶轮旋转的变化,采用FLUENT提供的滑移网格技术对设计工况下离心泵内的非定常流动进行了数值计算,分析了离心泵内部非定常流动的规律。结果表明：离心泵内部流动的非对称特性和非定常特性明显;离心泵出口和叶片进口压力的波动对离心泵性能影响较大;在蜗壳中部截面S2和蜗壳出口截面S3上,静压的波动主要受叶片和蜗舌相对位置的影响,而动压的波动主要受叶片和截面相对位置的影响;两截面上沿蜗壳径向静压增大,动压减小;沿蜗壳周向静压随圆周角的增大而增大,而动压略成下降趋势。该分析为研究离心泵内流现象,降低离心泵的汽蚀、振动和噪声提供了有益的借鉴。