某款天井机水泵喘振噪声分析与结构优化设计

董术海 李 彬 梁卫雄（珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070）

某款天井机水泵喘振噪声分析与结构优化设计

董术海 李 彬 梁卫雄
（珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070）

某款天井机制冷状态下，水泵排水时会频繁出现不连续的喘振噪声，常遭到客户投诉。本文通过研究此机型水泵的内部构造和工作原理，分析了水泵喘振噪声的产生原因；并根据理论分析，对水泵结构提出了合理的优化设计方案。

天井机；水泵；喘振噪声；叶片

公司售后反馈某款天井机水泵排水时的噪声过大，严重影响了客户的生活。实验室复测同款样机发现，样机在稳定运行时噪声值约在23dB（A），没有异常噪声，在合理范围内；然而在排水过程中水泵会短时间产生令人心烦的喘振噪声，最大声压级达到了40.42dB（A），出现明显异常，如图1。

1 水泵结构及工作原理

此款样机采用的是三花水泵，其内部结构如图2。水泵主要由电机组件、上泵体、叶轮、下泵体等部件组成。电机组件包括交流电机及固定部分；上泵体负责传递电机旋转运动到叶轮上；叶轮内部有四片对称分布的径向叶片，高度3mm，叶轮工作时的速度为2400r/min，在高速旋转过程中产生负压，完成吸水动作；下泵体完成排水动作。水路由下泵体和叶轮组成，叶轮前是进水口，长15mm；叶轮后为出水口；叶轮与下泵体之间的空腔为加速甩水腔。

水泵工作时，电机带动叶轮高速旋转，将吸水腔分割成沿叶片圆周内的强漩涡流和沿叶片圆周外部的自由漩涡流。强涡流内水质点的切向速度随着半径的增大而增加，速度梯度随半径的增大而减小。由于水的密度比空气密度大，在离心力的作用下，水流被强制甩出旋转中心，在旋转中心形成负压，从而克服水的重力将进水口内的水吸入叶轮内。而在叶片圆周外围的自由漩涡内，水质点的切向速度随着半径的增大而减小，速度梯度随着半径的增大而增大，在叶轮边沿形成强旋流场，最后将叶轮内的水流和部分空气以一定的压力和速度甩出加速甩水腔。同时出水口略低于叶轮圆周，所以叶轮甩出来的水刚好进入到出水通道，在水压的作用下克服自身重力，排出水泵。

2 水泵喘振声机理

水泵正常工作时，吸水通道内水位很高，水泵内流体都为液态水，叶轮高速运行产生的吸排力能够克服管道阻力及自重将水排出。水泵能够

稳定运行，噪声在合理范围内。

在吸排水过程中，进水管内水位迅速降低到叶轮以下，高速旋转的叶轮产生的吸力不足以吸入低水位的水。从而水泵叶轮内会吸入大量空气，此时水泵内流道为气液两相流，水泵排水压力急剧降低，水泵扬程大幅缩减[1]。此外，被高速叶轮甩出来的水，进入下泵体的出水道后，水通道突然扩大，也会造成压力损失。从动能公式P=1/2mv2可知，当吸水量不足时，动能下降。所以吸水通道出来的水因压力不足以克服排水管道的阻尼和自重将水排出。排水管内水堆积到一定的高度时，重力势能大于水的压能，水将倒回至甩水腔体内，从而产生喘振噪声，如图3。水回落到下泵体内，又会升高吸水通道内的水位，水泵重新平稳工作，直到水位下降到临界值后，又重复吸水不足的现象，导致出现周期性的喘振噪声。

此外，叶片与壳体有约5mm的间隙，从吸水口挤上来的水可以多角度与叶片碰击产生击水噪声。水质点越远离中心轴径向速度越大，靠近叶尾的水质点排出速率大于叶头的水质点，因此水质点的分布比较分散，质量也分散，故此产生的动能也相对稍低，不利于水排出。

3 水泵改进建议

根据水泵排水需要的动力，水泵扬程的能量由三大部分组成[2]：

分析公式（1）可知，右边第一项，由于水泵转速恒定，只能保持吸水腔处于满水状态来维持水泵的压能不变。右边第二项，水流速度越大动能越大，但是在总扬程相同的条件下，该项能量不宜过大，可对水泵出口采用收缩口来增大此项数据。右边第三项解释了叶片流道开度的影响，若把径向叶片变为后向性叶片，可以提高此项数据。

图1 水泵运行噪声频谱图

图2 三花水泵内部结构图

图3 水泵叶轮及吸排水路示意图

图4 壳体式叶轮水泵

图5 后向叶片结构设计图

根据以上分析，目前使用水泵可以通过以下途径来完善设计：

第一，在水泵叶片上加设一个和叶片一体的壳体，如图4。这样的结构使得吸水腔形成了一个“保压区”，叶轮内不易吸入空气，增大了水泵的压力；同时也使得吸水口挤上来的水一律从叶头流向叶尾，这样水质点就不会随意分散到叶片中，保证了水质量的集中，使动能得到最大化。此款水泵排水时，实验室测试噪声值明显低于原水泵噪声值。

第二，缩小水泵排水出口直径，增加动能。在不可压缩流动下，根据流体连续方程可知，缩小水泵的排水直径可以增加水的流速，从而增加了水泵的动能，提高扬程[3]。

第三，把径向叶片改为后向叶片，加大压能，如图5。这种结构提高了叶轮的吸水、保压能力，从而增大水泵的压能。此外，增加叶轮叶片数可以增加水流和叶片的接触面积，在叶片边界层水流粘性的作用下，增大水的吸附能力，从而增大水泵的压力，提高扬程。

4 总结

（1）水泵吸排水过程中，水位较低时，水泵会吸入空气，使得排水管出口端出现空心气柱，压能不足以克服水的重力势能和管道阻尼，导致排水管中前端积聚的水倒流，从而产生喘振噪声。

（2）水泵采用叶片与壳体整体结构设计，可以增大叶轮吸水压力；同时保证水流的各向同性，增大水的动能。

（3）通过缩小排水口的直径、采用后向叶片结构以及增加叶片数量可以增大水的压能，有利于提高水泵扬程，改善水泵喘振噪声。

[1] 徐会，肖美男. 水力旋流器单相和两相流实验研究[J]. 辽宁科技大学学报,2009,03:252-255.

[2] 金树德，陈次昌.现代水泵设计方法 [M]. 北京: 兵器工业出版社,1993.5.

[3] 刘晓敏，檀润华，蒋明虎，王尊策. 水力旋流器结构形式及参数关系研究[J]. 机械设计,2005,02:26-29.

The surge noise analysis and structural optimization design of a patio air conditioning pump

DONG Shuhai LI Bin LIANG Weixiong
(Gree Electric Appliances Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070)

A patio air conditioning pump will generate discontinuous surge noise frequently when drainage water under the cooling mode which often complaint by the customer. In this paper, the internal structure and working principle of the pump has been studied, and the causes of the pump surge noise have been analyzed. Finally, according to the theoretical analysis，the reasonable optimized design schemes of the pump structure have been proposed.

Patio air conditioning; Pump; Surge noise; Blade