船用舱底泵系统脉动压力抑制研究

蔡标华，丁 炜，俞 健，白亚鹤

(1.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064;2.上海船舶设备研究所，上海 200031)

船用舱底泵系统脉动压力抑制研究

蔡标华1，丁 炜2，俞 健1，白亚鹤1

(1.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064;2.上海船舶设备研究所，上海 200031)

船用舱底泵系统由于设备固有特性而存在脉动压力过大的问题，从而引起系统在输送流体过程中存在较大的振动和噪声。本文针对舱底泵压力脉动机理，提出了舱底泵系统脉动压力抑制的解决方案。系统改进前后对比试验表明，系统内部脉动压力得到了显著抑制，采用的脉动消减装置具有较好的应用前景。

舱底泵系统;脉动压力;装置

0 引言

船用舱底泵常用于执行排除舱底污水和其他使用任务，一般选用往复泵，其对输送小流量高扬程的介质具有一定优势，但由于活塞在往复运动过程中存在着流量不连续的固有特点，导致泵出口流量不均匀，从而引起系统管路的压力脉动，使系统在流体输送过程中出现不可避免的冲击和振动。这不仅可能会造成管路及其附件的损坏，管路振动还会通过各种连接件传递给船体，引起船体结构振动，导致船体的环境振动和环境噪声增大［1］。

1 舱底泵压力脉动机理

舱底泵的工作原理是容变，由水缸、活塞和阀箱等组成。阀箱内有吸入阀和排出阀，依靠阀门两边压差作用自动打开和关闭。活塞与吸入阀、排出阀之间的空间称为工作室。当活塞在水缸内往复运动时，工作室的容积发生变化，在吸、排水阀配合下吸、排液体［2］。图1为往复泵曲柄传动原理，图2为瞬时排量与曲柄转角的关系曲线。其中Qc表示平均排量。可以看出，活塞在上死点时，运动速度为0，瞬时排量为0;活塞运动到一半行程时，运动速度最大，瞬时排量也最大;活塞运动到下死点时，瞬时排量又为0。

可见，活塞在前半冲程作加速运动，后半冲程作减速运动，其排量不均匀。由于瞬时流量的不均匀性，流体在管路中的变加速运动会产生惯性力，其不仅作用于管内流体，且流体脉动反射波也作用于泵体。对泵组机械扰动力的分析发现，泵组上存在着颠覆力矩、往复惯性力和离心力，这些机械运动产生的不平衡力及流体脉动，均是系统产生压力脉动的主要原因。

2 脉动消减装置设计

针对舱底泵的压力脉动机理，可在系统管路中安装脉动消减装置，以抑制系统内部压力脉动的幅值。脉动消减装置主要由外筒、弹性体、隔水膜和外接法兰等组成，如图3所示。外接法兰提供对外接口，同时保持内部密封;隔水膜形成内部流道及膨胀腔体;弹性体为膨胀腔体提供回复力;外筒为隔水膜及弹性体提供约束，以保证其强度。工作原理为:不可压缩流体流经扩张室时，随着流体脉动压力的变化，扩张室的体积发生变化，流体压力脉动必将下降，即将气体的膨胀收缩反过来变成流体腔体的膨胀收缩，能降低流体中产生的脉动压力;能在轴向和径向上均产生一定的弹性变形，以衰减流体压力脉动和管路机械振动。

图3 脉动消减装置原理图Fig.3 Principle figure of fluatuation reduction device

3 脉动压力抑制效果计算

舱底泵系统的计算原理模型如图4所示，图中P为压力脉动，Q为流量脉动，Zp为脉动消减装置阻抗。计算模型时作如下假设:系统中安装装置后流量脉动不变，压力脉动改变;系统末端压力脉动不变，且P0=0。

图4 舱底泵系统压力波动模型Fig.4 Pressure fluctuation model of bilge system

由管路波动方程可得［3］:

式中:ω为脉动角频率;l为管路长度;a为流体介质中的声速;Zc为管路特性阻抗，Zc=ρa/A，ρ为流体密度，A为管路横截面积;Zp为脉动消减装置阻抗，Zp=Kv/jω，Kv为弹性体的体积刚度。

由式(1)和式(2)可得:

已知船用舱底泵系统出口管路通径为65 mm，舱底泵曲轴转速为170 r/min，水中声速为1 500 m/s，弹性的体积刚度Kv≈1 000 MPa/m3。则管路阻抗Zc=ρa/A=4.52e8，脉动角频率ω=2π·(4·170)/60=22.6π。假定管路长度l=5 m，并将上述数据代入式(5)，可计算压力脉动抑制效果为:

4 试验验证及结果分析

4.1 试验方法

试验系统主要由舱底泵组、脉动消减装置试验接口、截止阀、压力传感器等组成，如图5所示。调节出口截止阀(件号5)的开度，可改变系统压力。

图5 试验系统原理图Fig.5 Simulant experiment system principle figure

式中:n为计算频率范围内的频率点数;Pr为参考压力，取1.0 Pa;Pi为第i个频率点处的压力脉动值。

4.2 试验工况

试验时，先在试验管段安装一段刚性管，用动态信号分析仪记录系统压力脉动值;然后将试验段的刚性管换成脉动压力抑制装置，重复上述试验。安装脉动消减装置前/后测得的压力脉动总值之差即为脉动抑制效果，即:

试验仪器:动态信号分析仪，记录通过压力传感器记录压力脉动的时域曲线，通过FFT可获得频域线谱，并通过下式计算一定频率范围内的压力脉动总值。

4.3 试验结果分析

1)图6为动态压力传感器测得的安装脉动消减装置前后的时域对比曲线。可见，安装前系统脉动压力幅值可达0.35 MPa，安装脉动消减装置后，系统脉动压力一般低于0.05 MPa，安装系统内部的动态压力脉动显著下降。

2)根据式(6)和式(7)处理后得到的如图7所示的频域范围内的插入损失。在700 kHz以下的低频段，脉动消减装置对系统压力脉动抑制的效果相对较好，一般在15 dB以上。这是由于舱底泵往复工作引起的压力脉动主要是低频压力波动。

3)在10 Hz～8 kHz范围内，安装脉动消减装置均可抑制舱底泵系统压力脉动。安装前系统压力脉动值为103.4 dB，安装后压力脉动值为84.9 dB，可降低系统压力脉动18.5 dB，与计算结果基本吻合。

5 结语

船用舱底泵系统的压力脉动是由往复泵工作流量不连续的固有特性引起的。为了抑制系统压力脉动，本文主要从几个方面开展工作:

1)分析了疏水系统内部压力脉动的特性及其影响因素，确定了脉动压力抑制的主要技术方案和脉动消减装置设计方案。

2)根据研究方案，利用管路系统的压力波动方程，建立了疏水系统压力脉动的简化计算模型，并将舱底泵流量、压力脉动源，末端背压等作为已知条件，初步计算了压力脉动抑制效果。

3)针对系统的典型工况，进行试验验证，并对试验数据进行分析。本文研究表明，安装脉动消减装置可以显著抑制船用舱底泵系统的流体压力脉动，具有较好的应用前景。

［1］王强，胡明，姚本炎，等.船用往复泵管路减振技术研究［J］.船舶工程，2002，(1):27 －30.

WANG Qiang，HU Ming，YAO Ben-yan，et al.Study on vibration depression of pipeline of marine reciprocating pump［J］.Ship Engineering，2002，(1):27 －30.

［2］陈燎原，朱增宝.往复泵装置水力特性的仿真研究［J］.安徽理工大学学报(自然科学版)，2006，12(4):50－54.

CHEN Liao-yuan，ZHU Zeng-bao.Studies on the hydraulic characteristic simulation for reciprocating pump-unit［J］.Journal of Anhui University of Science and Technology(Natural Science)，2006，12(4):50 －54.

［3］KOJIMA E，MATSUBARA N，SUDO S.Generation and propagation of fluid-borne pressure ripple in fluid power system caused by a pump［J］.Transaction of the Tapan Society of Mechanical Engineering，1995，PartB，61.

Research on fluctuation pressure reduction of marine bilge system

CAI Biao-hua1，DING Wei2，YU Jian1，BAI Ya-he1
(1.Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China;2.Shanghai Marine Equipment Research Insitute，Shanghai 200031，China)

Due to the inherent characteristics of the reciprocating pump，the marine bilge system has the problem of excessive fluctuation pressure，which causes serious vibration and noise in the course of transmission fluid.According to the pressure plusation mechanism of bilge pump，this paper puts forward the solution of fluctuation pressure reduction.The contrast experiment shows that internal fluatuation pressure is significantly reduced and the fluctuation reduction device has great application prospect.

bilge system;fluctuation pressure;device

U664.9

A

1672－7649(2012)03－0065－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.03.013

2011－07－21;

2011－10－26

蔡标华(1980－)，男，工程师，主要从事船舶系统工程技术和海水系统减振降噪方面的研究工作。