一种离心泵压力脉动衰减器的优化设计与试验研究

沈正帆

(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

装备技术

一种离心泵压力脉动衰减器的优化设计与试验研究

沈正帆

(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

针对离心泵压力脉动频频率范围宽的问题，设计出一种可以同时衰减离心泵轴频脉动和叶频脉动的衰减器。该衰减器由蓄能器组和亥姆霍兹衰减器组成，根据其工作原理，对蓄能器容积、蓄能器充气压力、蓄能器阻尼孔和亥姆霍兹衰减器阻尼孔等参数进行优化设计，并对研制出的样机进行试验研究。试验结果表明，离心泵压力脉动衰减器对轴频脉动和叶频脉动均有较好的衰减器效果，离心泵在工作压力范围内，出口管路压力脉动均可衰减 5 dB 以上。

离心泵压力脉动；衰减器；蓄能器；亥姆霍兹衰减器

0 引 言

离心泵广泛应用于船舶领域，但由于离心泵的空间非对称性结构，叶轮高速旋转、叶轮和蜗壳的动静干涉相互作用以及流体的高粘性，其内部流动呈现出复杂的非定常特性。这种非定常流动会引起流场的压力脉动，当压力脉动的流体遇到阀门、法兰、弯头等阻抗管路部件时，将产生一定随时间周期变化的激振力，引发冲击、振动和噪声问题，从而影响管路及管路部件使用可靠性和船体结构的振动特性[1,2]。

在某些应用场合，需要有效控制泵组的压力脉动。压力脉动衰减器是控制管路压力脉动的重要手段，在航空、石化、船舶等领域应用广泛[3]。目前，蓄能器和赫姆霍兹衰减器是常见的用来衰减管路中的压力脉动的衰减器。然而蓄能器只能针对低频压力脉动进行衰减[4–5]，而亥姆霍兹衰减器衰减的则是高频压力脉动[6–7]，二者均无法同时衰减离心泵输出管路中的轴频脉动和叶频脉动。

本文针对离心泵输出的压力脉动特点，综合蓄能器和赫姆霍兹水消声器的有效工作频段，将二者进行集成，设计出一种可以同时衰减离心泵轴频脉动和叶频脉动的衰减器，对相关参数进行优化并对样机进行了相关试验研究。

1 结构及工作原理

离心泵压力脉动衰减器的结构如图 1 所示，该衰减器将蓄能器组与亥姆霍兹衰减器进行集中化设计，结构紧凑、尺寸较小，其工作原理如下：

1）采用多个隔膜式蓄能器构成蓄能器组，衰减轴频脉动。水由进口法兰流入，经过低噪声排水装置，当水流压力高于蓄能器充气压力时，隔膜收缩，高于平均流量的脉动部分被隔膜吸收；反之，当水流压力低于蓄能器充气压力时，隔膜扩张，隔膜可以补充低于平均流量的脉动部分，从而实现水流压力脉动的衰减，因其容积大，因而吸收压力脉动效果好。

2）采用亥姆霍兹衰减器衰减叶频压力脉动。该衰减器属旁支消声器的一种，当水经过亥姆霍兹衰减器时，一部分会被反射回来，另一部分则分成 2 个分路，一路由亥姆霍兹衰减器阻尼孔流入其容腔中，另一路则留在主管中继续传播，形成透射波，由于管道交界处的阻抗不断变化，故达到了衰减压力脉动的目的。

2 参数及优化设计

本文针对某型离心泵进行衰减器的优化设计，其叶片数为 8，额定工作时扬程 30 m，额定转速 2 900 r/min。输出管路中会激发压力脉动，且该压力脉动在轴频和叶频处比较突出。本文研制的离心泵压力脉动衰减器主要衰减上述频率对应的压力脉动。

2.1 蓄能器组参数设计

根据离心泵压力脉动衰减器结构特点，可在 4 个面安装 4 个蓄能器。针对不同的使用条件，由于泵组扬程为 30 m，输出管路中压力分别为 1.3 MPa，2.3 MPa，3.3 MPa，设计一个蓄能器针对 1.3 MPa 环境压力的轴频脉动、一个蓄能器针对 2.3 MPa 环境压力的轴频脉动、一个蓄能器针对 3.3 MPa 环境压力的轴频脉动；另外，设计一个蓄能器针对叶频衰减其压力脉动。

1）蓄能器容积计算

蓄能器的容积按照下式计算[8]：

式中：ΔV 为脉动一个周期内，瞬间流量高于平均流量；δ 为允许的压力脉动率；k 为充气气体多变指数。

蓄能器的充气压力按照下式进行计算：

式中，P0为环境压力。吸收轴频脉动的蓄能器的初始容积 V0满足式（3）：

经式（1）～式（3）计算，可设计蓄能器隔膜外形轮廓尺寸为 Φ130 mm × 50 mm。

2）蓄能器进水口参数设计

当蓄能器的固有频率等于脉动频率时，其吸收脉动的效果最好。蓄能器的固有频率按下式计算：

式中：fAN为蓄能器的固有频率；K 为气体绝热系数，取 K = 1.4；aA为蓄能器进水口截面积；p0为稳定状态时蓄能器中气体压力；ρ 为水的密度；lA为蓄能器进水口长度；V0为稳定状态时蓄能器中气体容积。

综合以上计算和分析，4 个蓄能器结构参数如表 1 所示。

表 1 蓄能器结构参数Tab. 1 Structural parameters of accumulator

2.2 赫姆霍兹水衰减器参数确定

1）赫姆霍兹水衰减器容腔容积确定

根据低噪声管路排水装置结构尺寸，赫姆霍兹水衰减器容腔总容积可约取为 5 L。

2）赫姆霍兹水衰减器进水口参数确定

亥姆霍兹衰减器主要针对离心泵输出的叶频压力脉动，其频率为 387 Hz，其固有频率按下式计算：

式中：fHN为赫姆霍兹水消声器的固有频率；βe为水的体积弹性模量；aH为赫姆霍兹水消声器进水口截面积；lH为赫姆霍兹水消声器进水口长度；VH为赫姆霍兹水消声器的有效容积。

根据离心泵输出的叶频脉动特点及衰减器的结构参数，可设计约 8 个 Φ4.4 mm × 10 mm 的阻尼孔。

3 仿真分析

3.1 模型建立及参数设置

按照图 2 所示的系统图，采用液压仿真软件建立如图 3 所示的衰减器工作的仿真模型，计算其吸收轴频和叶频脉动效果。离心泵输入参数：输入流量q = 2 500 + 125（sin303.5t+ sin2 430.4t）L/min。

3.2 计算结果及分析

设定离心泵组进水管路压力分别为 1 MPa，2 MPa，3 MPa，4.5 MPa，调节节流阀，使离心泵组输出扬程30 m，调节输入流量的脉动频率，使之为轴频、叶频，经图 3 模型仿真计算，得出在各个工况下，离心泵压力脉动衰减器对轴频脉动和叶频脉动均有较好的衰减效果，如图 4和图 5 所示。

4 试验及结果分析

搭建如图 6 所示的离心泵压力脉动衰减器试验系统。衰减器位于离心泵出口处，离心泵入口通过空压机加载背压，试验系统中各设备和测试仪器型号及参数如表 2 所示。

试验过程中，用空压机进行入口背压调节，在安装衰减器和替代直管路的情况下进行试验，测量输出的压力值，根据式（6）计算 2 种情况下的压力分贝值及其衰减分贝值，计算结果如表 3 所示。

式中Pref为参考压力值，取 10–6Pa。

由表 3 可看出，离心泵在工作压力范围内，出口压力脉动均可以衰减 5 dB 以上，效果明显。

表 2 试验设备和测量仪表Tab. 2 Test equipments and measuring instruments

表 3 压力脉动衰减器试验效果Tab. 3 Test result of pressure pulsation attenuator

5 结 语

1）针对离心泵输出管路中的压力脉动频率范围宽的问题，设计出一种可以同时衰减轴频压力脉动和叶频压力脉动的衰减器，其优化参数为：4 个蓄能器容积为 0.47 L，充气压力为 0.9 MPa，1.8 MPa，2.7 MPa，0.9 MPa，阻尼孔直径和长度分别为 13 mm，9.5 mm，8 mm，40 mm 和 5 mm，5 mm，5 mm，2 mm，亥姆霍兹衰减器总容积为 5 L，阻尼孔数量共 8 个，尺寸为 Φ 4.4 mm ×10 mm。

2）压力脉动衰减器仿真和试验结果表明，该装置对轴频脉动和叶频脉动均有较好的衰减器效果，离心泵出口管路压力脉动均可衰减 5 dB 以上。

[1]LANGTHJEM M A, OLHOFF N. A numerical study of flowinduced noise in a two-dimensional centrifugal pump Part 1: Hydrodynamics[J]. Journal of the Fluids and Structures. 2004

[2]窦雨淋, 张涛. 舰船管路流体脉动衰减器的性能研究[J]. 中国舰船研究, 2008, 3(4): 40–44. DOU Yu-lin, ZHANG Tao. The performance of ship piping fluid pulsation attenuator research[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2008, 3(4): 40–44.

[3]胡跃华, 钱文臣. 管系振动问题的分析及消振处理措施[J]. 石油化工设计, 2008, 25(1): 22–26. HU Yao-hua, QIAN Wen-cheng. Piping vibration analysis and damping treatment measures[J]. Petrochemical Design, 2008, 25(1): 22–26.

[4]LUO X, SHI Z, HU J, et al. Semi-active accumulator absorbing pressure pulsation in high-pressure water-jet propulsion system[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2011, 225(9): 2052–2061.

[5]谭娟, 胡军华, 石兆存, 等. 蓄能器组吸收水压泵压力脉动机理与试验研究[J]. 噪声与振动控制, 2010, 30(5): 39–42. TAN Juan, HU Jun-hua, SHI Zhao-cun, etc. Experimental study on the mechanism of pulsation reduction of a seawater piston pump by using accumulators[J]. Noise and Vibration Control, 2010, 30(5): 39–42.

[6]刘博想, 冯健美, 王玉莉, 等. 利用亥姆霍兹共鸣器衰减压缩机阀腔内压力脉动的研究[J]. 西安交通大学学报, 2012(5): 85–90.

[7]张京明, 刘文文, 崔双双. 赫姆霍兹消声器共振腔结构形状对消声性能的影响[J]. 四川兵工学报, 2010(9): 79–82.

[8]雷天觉. 新编液压工程手册[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 1998.

The optimization of a centrifugal pump pressure pulsation attenuator design and experimental study

SHEN Zheng-fan
(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Focusing on the wide range of pulse frequency of centrifugal pump, a pressure impulses pulsation attenuator is designed , which can attenuate the centrifugal pump shaft frequency and blade frequency pulse. The attenuator is made up of accumulators and helmholtz attenuators. According to its working principle, many design parameters such as the accumulator volume, accumulator charging pressure, damping hole dimensions of accumulator and helmholtz attenuator are optimized. Prototype is developed, experiments are carried out and studied. The test results show that it has good attenuating effect on minimizing shaft frequency and blade frequency pulse, the export pipeline pressure pulsation can be reduced by more than 5 db attenuation, within the scope of working pressure of centrifugal pump.

centrifugal pump pressure pulsation；attenuator；accumulator；helmholtz attenuator

U664.84

A

1672–7619(2017)03–0078–04

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.03.016

2016–04–13；

2016–05–17

沈正帆(1981–)，男，工程师，研究方向为船舶系统技术及其应用。