叶轮隔舌间隙对离心泵性能和流动噪声影响的试验研究

司乔瑞， 袁寿其， 袁建平

(江苏大学 国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江　212013)



叶轮隔舌间隙对离心泵性能和流动噪声影响的试验研究

司乔瑞， 袁寿其， 袁建平

(江苏大学 国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江212013)

摘要：搭建了离心泵流动诱导噪声测试台，采用四端网络法声学测试模型，试验研究了离心泵性能和流动噪声随流量的变化规律，分析了空化发生时的流动噪声特性。通过研究不同叶轮切割量对模型泵外特性、流动噪声声压级和空化性能的影响，提出叶轮和隔舌之间的最佳间隙值。研究结果表明：在高效区运行时，模型泵进出口流动诱导噪声均随流量先减小，至效率最高工况点达到最小，然后上升；各流量下，随着空化余量的减小，模型泵进口噪声总声压级先缓慢增加，再迅速上升，达到极值后缓慢下降；随着叶轮切割量的增加，模型泵扬程跟叶轮直径的平方成正比，最高效率点向小流量工况偏移，临界空化余量变小；综和性能和流动噪声考虑，模型泵叶轮和隔舌的最佳间隙率为15%；在间隙值小于最佳值时，切割叶轮能显著降低噪声并提高模型泵的临界空化余量，并且对模型泵出口流动噪声的影响比进口明显。

关键词：离心泵；流动噪声；性能；空化；叶轮隔舌间隙

离心泵广泛应用于国民经济的各个部门，由于内部流动结构复杂，其运行过程中常伴有强烈的噪声，已成为重要的环保问题控制对象[1-2]。以往对离心泵水力设计方面的研究多注重于性能和成本，而对产品的噪声控制不够重视。在客户需求不断提高、环境标准日益严格的背景下，通过优化几何参数提高离心泵的水力性能并降低离心泵的噪声水平，已成为亟待解决的问题。

国内外学者针对离心泵噪声的产生和传播特性进行了大量的研究，大多认为离心泵流动诱导噪声在其噪声等级评定中起着决定性作用，是实现系统“安静型”设计的关键[3-7]。Chu等[8-9]通过粒子位移测速技术确定了离心泵内流场分布，并计算得到压力场，结果显示叶片和蜗壳隔舌间的相互作用以及叶轮出口的不均匀流动是引起远场流动噪声的主要原因。Srivastav等[10]通过测试不同叶轮直径模型泵泵体的振动加速度和辐射噪声声压级大小，得出离心泵的振动和噪声水平随其叶轮与隔舌间隙的增大而降低的结论。冯涛[11]采用四端网络模型对离心泵流动噪声声源特性进行了描述，研究了其声压级随模型泵转速和出口压力之间的关系。引起离心泵流动不稳定的一个重要原因是空化，空化不但降低泵的水力性能，还将使叶轮表面产生空蚀破坏，降低泵的使用寿命。空化发生后，气泡在高压区时会发生溃灭，进而产生高频脉冲，引起剧烈的振动和噪声[12-13]。段向阳等[14-15]基于声压测量和振动分析对离心泵空化现象的监测进行了研究，结果表明空化发生后离心泵监测点的总声压级和振动加速度级均有显著的提高，能量主要集中在5~12.5 kHz的高频频带内。综上可知：叶轮和隔舌间隙对离心泵性能和流动噪声具有重要影响，但到目前为止还无文献综合性能和噪声两方面进行考虑给出最佳间隙值，该间隙对离心泵空化性能影响方面的研究也很少涉及。

本文搭建了离心泵流动诱导噪声测试试验台，采用无源四端网络声学模型对某IS65-50-165型低比速离心泵的进、出口流动噪声进行描述，并研究了叶轮和隔舌间隙的变化对模型泵外特性、流动噪声和空化性能的影响。由于改变蜗壳隔舌的难度比较大，同时叶轮切割也是工程中经常用来改变性能、扩大使用范围的方法，本文通过改变叶轮直径的方式来进行研究。

1试验模型

本文所选离心泵原型的水力设计参数如表1所示，经式1计算可知其设计比转速ns为65.56，属于低比速泵。为了保证叶轮切割前后的几何相似条件，参考文献[16]取其最大切割量为10%。叶轮切割方案如表2所示，试验过程中逐次增大叶轮切割量，最终叶轮和隔舌间隙率δ达到21%。

表1　原型泵水力参数

表2　叶轮切割方案

(1)

2测试系统

本文通过改造江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心闭式试验台，搭建了离心泵流动诱导噪声测试系统，如图1所示。该系统主要过流部件均采用不锈钢制造，在进行水泵性能试验和空化试验时，测试精度优于GB/T3216.2005(1级)。设置稳压罐的目的是对模型泵出流进行稳压，增加系统的稳定性，同时还起到隔声和消声的效果，以去除水循环系统下游装置的发声(涡轮流量计和阀)对模型泵流动噪声测量的干扰。

图1　离心泵流动诱导噪声试验台和测试系统Fig.1 Test rig and measuring system

数据采集系统可分为模型泵性能参数采集和动态信号采集系统两部分。试验中采用江苏大学自主开发的泵参数测量仪对模型泵运行过程中的流量、转速、进出口总压和电机电参数进行测量，经过计算可得其性能曲线。进、出口管路的流动诱导噪声信号采用丹麦B&K公司的8103型水听器来测量。依据标准GB/T3216.2005[17]对离心泵进行水力性能和空化性能测试，并在试验的过程中待每一个工况稳定后采集泵运行过程中的流动诱导噪声信号。动态信号采集系统基于LabVIEW程序平台，采用PXI-6251多功能信号采集卡进行采集，采样频率为20 kHz，采样时间为20 s。模型泵的进出口声源特性采用如图2所示的无源四端网络声学模型描述。该方法选择沿管道正向和反向传播的两列行波的声压作为端口变量，推导出式2所示的关系形式。式中不包含声源项，[S]为传递矩阵，Pi+和Pi-为入水管管道中方向相反的两列行波，Po+和Po-为出水管管道中方向相反的两列行波。

(2)

在1、2、3、4处分别布置测点测声压，经过推导可得模型泵进出口入射波与反射波的表达式如式3和4所示。式中s为水听器之间的距离，取为250 mm，k为波数。测点2距离模型泵进口的距离为150 mm，测点3距离模型泵出口的距离为150 mm。试验过程中，通过对信号进行多次采集后可以完成系统四端网络参数的识别以及进出口声波的分离[11]。

(3)

(4)

图2　四端网络法示意图Fig.2 Schematic diagram of four-terminal network method

3非空化条件下叶轮切割对离心泵性能和流动噪声的影响

3.1性能测试结果

通过性能试验所得原型泵和各切割方案模型泵的扬程效率曲线如图3所示。由图可知：原型泵的最高扬程流量点不在关死点处，流量扬程关系曲线在0.6Qd附近出现了驼峰，因此模型泵在小流量存在运行不稳定区域；由效率流量关系曲线可以看出原型泵的最高效率点在1.2Qd，这主要是因为设计该低比速泵时为了拓宽高效区范围，采用了加大流量设计法；试验所得扬程随着叶轮直径的减小而降低，扬程值遵循切割定律，即扬程与叶轮直径的平方成正比；在叶轮切割量为2.5%时，模型泵效率比原型泵略有增加，但高效点位置变化不大，随着叶轮进一步切割，模型泵的最高效率点向小流量工况偏移，最高效率值变小，高效区变窄。

图3　模型泵的外特性曲线Fig.3 Performance curves of model pumps

3.2计算域及网格划分

试验中采用声压级Lp表示噪声的大小，采用前文提出的无源四端网络法对测试声压进行处理，将计算得到的入射波和反射波的声压数据导入LabVIEW软件的振动噪声模块进行相应的声压级求解。声压级计算公式如下：

(5)

式中：pref为基准声压，水中取值为10-6Pa[11]；Δfi=0.25 Hz；根据奈斯奎采样定律，fmax=10 000 Hz。

四种叶轮直径下模型泵进出口流动噪声声压级随流量的变化曲线如图4所示，由图可知：原型泵出口的流动噪声声压级要高于进口，说明离心泵的主要噪声源更靠近出口位置，易于向下游传播；原型泵在小流量不稳定工况下运行时，流动诱导噪声的声压级较大；流量大于0.6Qd以后，模型泵进出口声压级均随流量的增大，先减小，并在Qd~1.2Qd之间达到最小，然后增加；模型泵进口的流动噪声声压级随叶轮半径的减小没有显著的变化，而出口的流动噪声声压级随着叶轮半径的减小而显著降低，再次说明离心泵主要流动声源的位置更靠近出口；当叶轮切割量为2.5%时，模型泵的降噪效果最为明显，随着切割量的进一步增大，其噪声声压级进一步减小，但降噪效果不再明显，至叶轮和隔舌间隙率为15%时噪声声压级达到最小，其后随着间隙进一步扩大，噪声声压级略有回升。因此，对模型泵叶轮切割前后的性能与声场对比分析，基于泵效率、扬程与降噪效果等诸方面的综合考虑，原型泵叶轮的切割量为2.5%时效果最为理想，而对重视噪声指标的离心泵设计来说，叶轮和隔舌间隙率保持在15%是较好的选择。

图4　模型泵流动噪声声压级变化曲线Fig.4 Sound pressure level variation of model pump

4叶轮切割对离心泵空化噪声的影响

空化不但降低泵的水力性能，还将使叶轮表面产生空蚀破坏，空化发生后，气泡在高压区时会发生溃灭，进而产生高频脉冲，诱发系统的振动和噪声。本文在离心泵流动诱导噪声测试台上采用进口抽真空的方法来模拟离心泵空化的发生，并将额定流量、额定转速条件下离心泵扬程下降3%时的装置空化余量(NPSHa)定义为泵必需空化余量(NPSHr)，这也是通用的判断离心泵空化特征的值。

4.1不同空化条件下原型泵的流动噪声声压级

图5　模型泵噪声声压级随NPSHa变化Fig.5 Sound pressure level variation with different NPSHa

图5为四种流量下进口流动噪声的声压级随NPSHa的变化曲线，图中的(•)对应的NPSHa为模型泵的NPSHr值。由图可知：流动噪声的声压级随空化系数的减小而逐渐增大，当NPSHa降低到一定程度后，空化噪声声压级迅速增加并在NPSHa大于NPSHr后达到极值，之后随着NPSHa的进一步降低，空化噪声声压级出现下降；原型泵在低于设计流量工况运行时，空化声压随着空化系数减小一直增大，无极值点出现，这可能是因为此流量下由于试验用真空泵的限制，试验时NPSHa降低的不够。关于空化噪声存在极值的原因很多学者进行了探索[18-19]，本文认为空化噪声声压级出现极值存在两个方面的原因：当流量不变时，进口管内的流速也不变，随着空化系数的减小，叶轮进口的压力降低，空泡数增加使得噪声增强；同时，进口压力的下降导致了空泡溃灭的速度相应降低，这又造成空化噪声声压级变小的趋势。因此，相互作用的两个因素使得空化噪声出现了前述变化规律。

图6　切割叶轮外径对模型泵空化性能的影响Fig.6 Influence from cutting the impeller diameter to cavitation performance of the model pump

4.2四种方案叶轮模型泵的空化性能

前文试验验证了通过切割叶轮可以减小叶轮和隔舌间的动静干涉作用从而降低离心泵流动噪声，然而叶轮外径切割对离心泵空化性能影响的报道并不多。本文从试验角度分析叶轮外径的变化对离心泵空化性能曲线的改变，探讨动静干涉作用对离心泵空化性能的影响。三种流量下四种叶轮外径方案模型泵的空化性能曲线以及四种叶轮外径模型泵的泵临界净正吸头随流量的变化图如图6所示。由于试验时直接获得扬程下降3%的NPSHa值比较困难，文中采用拉格朗日插值法进行转换。

由图6可知：由空化诱导的扬程下降趋势在4组叶轮模型泵上的表现不一样，对叶轮外径进行切割会影响离心泵的空化性能；从图中给出各叶轮切割方案模型泵3种流量下的扬程下降比值可以发现，4种模型泵扬程下降1%以前的变化情况比较复杂，切割叶轮以后模型泵的NPSHa值与原型泵相比时小时大，且不同流量下的变化规律也不同，不易用来比较；扬程下降至2%后，下降规律趋于稳定，已经可以将其作为离心泵空化性能优劣的判据标准；若以扬程下降3%对应的NPSHa来判断各叶轮空化性能的优劣，可以认为叶轮切割能提高模型泵的空化性能。由图6(d)可以看出叶轮第一次切割时，各流量点的NPSHa均大幅降低，随着叶轮外径继续减小，各流量点NPSHa降低的幅度变小，切割量为5%和10%的叶轮在空化性能上差异不大。因此，叶轮和隔舌间隙率大于15%以后，其对空化性能的影响也不再显著。

5结论

本文搭建了离心泵流动诱导噪声测试台，分析了叶轮隔舌间隙对模型泵性能和流动诱导噪声的影响，结论如下:

(1)离心泵的主要噪声源更靠近出口位置，更易于向下游传播。模型泵流动噪声声压级在小流量保持较高的水平，流量大于0.6Qd时，声压级先随流量的增大而减小，在Qd~1.2Qd(最高效率点)之间达到最小，然后增大。

(2)随着叶轮切割量的增加，模型泵扬程跟叶轮直径成正比；当切割量为2.5%时，模型泵的最高效率值增加，最高效率工况点不变；随着切割量加大，泵的最高效率点向小流量工况偏移，值变小，且高效区变窄。

(3)对模型泵上游噪声来说，叶轮切割对其影响不大，对泵下游来说，当叶轮切割量为2.5%时，降噪效果最明显，随着切割量的进一步增大，其噪声声压级进一步减小，但降噪效果不再明显，至叶轮隔舌间隙率为15%时噪声声压级达到最小，其后随着间隙进一步扩大，噪声声压级略有回升；对空化性能来说，当切割量为2.5%时能显著提高模型泵的NPSHr值，叶轮和隔舌间隙率大于15%以后，其对空化性能的影响也不再显著。

(4)综合扬程、效率、噪声和空化性能考虑，模型泵切割量为2.5%时效果最佳，仅考虑模型泵的降噪，叶轮隔舌间隙率保持在15%较好。

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Experimental study on the influence of impeller-tongue gap on the performance and flow-induced noise characteristics of centrifugal pumps

SIQiao-rui,YUANShou-qi,YUANJian-ping

(Jiangsu University National Research Center of Pumps, Zhenjiang 212013, China)

Abstract:A test rig for investigating the flow-induced noise of centrifugal pumps was built based on passive four terminal network method to collect sound signals in various operating conditions including different flowrates and cavitating status. With the increases of flow rate, the sound pressure level initially decreases when the flow rate is greater than 0.6 Qd, reaches the minimum between 1.0 Qd and 1.2 Qd, and then subsequently increases. As the cavitation coefficient is reduced, the overall sound pressure level of flow-induced noise gradually increases, and then decreases after reaching a maximum. Then optimum value of impeller-tongue gap is 15% of the impeller radius in order to achieve a minium sound level. Cutting the impeller circumference could significantly reduce the noise level especially at the pump outlet and improve the cavitation performance of the model pump when the gap is less than the optimum.

Key words:centrifugal pump; flow-induced noise; performance; cavitation; impeller-tongue gap

中图分类号:Th111

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.03.026

通信作者袁寿其 男，研究员，博士生导师，1963年生

收稿日期：2014-12-26修改稿收到日期：2015-02-13

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51509108)；江苏省自然科学基金(SBK2015042921)；江苏高校优势学科建设工程资助项目；流体及动力机械重点实验室(西华大学)开放课题资助项目(SZJJ2015-016)；江苏大学高级人才基金资助项目(15JDG048)

第一作者 司乔瑞 男，博士，助理研究员，1986年生

邮箱：shouqiy@ujs.edu.cn