基于近場聲壓法的離心泵噪聲特性試驗研究

葉學(xué)民，裴建軍，李春曦，劉 茲

（1.華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室，保定071003；2.華能邯峰電廠，邯鄲056200）

泵在運行中往往伴隨著振動和噪聲，流場中的壓力波動、不穩(wěn)定的流動狀態(tài)以及機械方面的不平衡、不對中等都會引起振動和噪聲［1-3］.泵的振動和噪聲不僅影響其運行效率和壽命，也給周圍環(huán)境帶來噪聲污染.同時，泵的振動和噪聲的強弱及頻率特性也是泵運行中發(fā)生汽蝕和存在故障的重要因素［4］，因此對泵的振動和噪聲進行監(jiān)測和研究具有重要意義.

泵噪聲的測量方法包括直接法和間接法.直接法是通過在泵內(nèi)設(shè)置水聽器或在泵體外采用近場聲壓法直接測量離心泵的噪聲.間接法是通過測量泵內(nèi)固體表面的壓力間接計算得出固體界面的輻射噪聲［2］.袁壽其等［4］利用高頻壓力傳感器和水聽器分別采集離心泵出口脈動壓力和流動噪聲信號，通過時頻域和自功率譜分析表明：各工況下，壓力脈動和流動噪聲的主頻也是葉片通過頻率.但壓力傳感器或水聽器等深入泵體內(nèi)部的傳感器可能引起泵本體的振動［5］.而采用噪聲計測量泵體周圍的噪聲信號（即用近場聲壓法測量泵組噪聲）則無需在泵殼上打孔安裝傳感器，不會引起額外振動，具有簡便易行和造價低廉的優(yōu)點，特別適合應(yīng)用于各類中小型泵.Cudina［5-7］使用麥克風(fēng)和裝有聲卡的計算機測量了三臺不同形式、不同材質(zhì)的泵在汽蝕發(fā)生前后的噪聲，通過頻譜分析發(fā)現(xiàn)，汽蝕發(fā)生時每臺泵均有一特定頻率對應(yīng)的聲壓級發(fā)生顯著提高，其最大值比正常運行狀態(tài)下的相應(yīng)值高出近20dB，使得該方法在環(huán)境噪聲比較顯著時仍能得出汽蝕識別和診斷的正確結(jié)果.吳衛(wèi)東［8］同樣采用近場聲壓法采集泵的噪聲信號，通過小波分析法成功地檢測到初生汽蝕的噪聲特征，為泵汽蝕的檢測提供了新的手段.

綜上所述，目前有關(guān)全流量范圍內(nèi)正常運行工況下泵噪聲特性特別是其頻率特性方面的研究較少，而這方面研究對于減輕泵站運行帶來的噪聲污染具有重要意義.另外，在汽蝕工況下，泵的汽蝕特征頻率與泵結(jié)構(gòu)形式間的關(guān)系也有待進一步的試驗驗證.因此，筆者利用近場聲壓法對IS65-50-160A型離心泵進行不同流量下的噪聲特性試驗，在此基礎(chǔ)上，對恒流量情形下汽蝕發(fā)生前后的泵噪聲聲壓級和頻率進行測量，探討汽蝕和入口吸入空氣對泵噪聲性能的影響.

1 試驗裝置及過程

離心泵性能試驗臺為開式系統(tǒng)，布置如圖1所示.泵將吸水池2中的水吸入管路9，經(jīng)壓水管路13排入水箱14.在吸水管路和壓水管路上均裝有閥門.水泵入口真空值、出口壓強值、渦輪流量計所測流量值以及轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀測得的轉(zhuǎn)速和扭矩值均經(jīng)相應(yīng)傳感器送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).噪聲的聲壓級和頻率由聲級計記錄，噪聲測點依據(jù)JB／T 8098—1999《泵的噪聲測量與評價方法》選取，試驗室環(huán)境非常安靜，因此不必考慮背景噪聲對測得的噪聲值的影響.試驗所用儀表及精度見表1.

圖1 離心泵性能試驗裝置圖Fig.1 Experimental setup for performance test of centrifugal pump

表1 試驗所用儀表及精度Tab.1 Precision of instruments used in performance tests

試驗臺所用離心泵型號為IS65-50-160A，葉輪名義直徑為160mm，葉片數(shù)為6個.該泵廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市排水及消防等場合.離心泵設(shè)計參數(shù)見表2.

表2 離心泵設(shè)計參數(shù)Tab.2 Design parameters of the centrifugal pump

2 不同流量下的噪聲特性

首先對泵在不同流量下的噪聲進行了測定，同時由于噪聲與泵的水力性能密切相關(guān)，也測定了泵的揚程和效率等水力性能參數(shù).試驗過程中保持泵吸水管路上的閥門開度不變，調(diào)節(jié)壓水管路上的閥門開度，得到不同流量下A 聲級、泵的揚程和效率與流量的關(guān)系曲線（見圖2）.

圖2 A 聲級LA、揚程H 和泵效率η 與流量qV 的關(guān)系曲線Fig.2 Relation curves of LA，H andηwith qV

由圖2可知，A 聲級噪聲最低值72.98dB出現(xiàn)在小流量區(qū)，對應(yīng)流量為1.3m3／h，隨著流量的增加，A 聲級噪聲先增大隨后又急劇減小.在流量為15.8～20.4m3／h的范圍內(nèi)（圖2中部的4個工況點），A 聲級噪聲達到第一個峰值，約為78dB.由流量為21.4m3／h開始（圖2右數(shù)第4個工況點），A聲級噪聲則顯著下降.當流量為22.57 m3／h 和23.46m3／h時（圖2右數(shù)第3和第2個工況點），A聲級噪聲降至較低值，為74.2dB和74.02dB.此后A 聲級噪聲又開始增大，當流量為24.46m3／h時，A 聲級噪聲達到第二個峰值77.48dB，較流量為23.46m3／h時增加約3.5dB.結(jié)合圖2中泵效率曲線可知，A 聲級噪聲在第一個峰值附近的工況點均位于高效率區(qū)，流量18.8m3／h時為最佳泵效率點，對應(yīng)泵效率為56.58%.

觀察圖2中揚程與流量的關(guān)系可知，隨流量增加，泵的揚程逐漸下降，特別是圖中最右側(cè)2個工況點，流量僅增加1m3／h，但揚程卻從23.88m 下降到17.33 m，下降幅度為27%，同時泵效率也從53.4%迅速降至40.7%.考慮到這2個工況位于大流量區(qū)，揚程和效率的顯著下降及噪聲的急劇增加可能是泵內(nèi)發(fā)生汽蝕所致，為此圖3給出了該泵的A 聲級與有效汽蝕余量NPSHa的關(guān)系.由圖3可知，流量 為23.46 m3／h 和24.46 m3／h的工況點，其NPSHa值已低于該泵的必須汽蝕余量（見表2），因此可確定泵內(nèi)確實已經(jīng)發(fā)生嚴重汽蝕.

圖3 A 聲級LA 與有效汽蝕余量NPSHa的關(guān)系曲線Fig.3 Relation curve of LA with NPSHa

以上試驗結(jié)果表明，當流量小于20.4m3／h時，泵內(nèi)未發(fā)生汽蝕，泵的A 聲級噪聲隨流量增加而增大，且在高效率區(qū)達到最大值.袁壽其等［4］觀察到類似現(xiàn)象，并給出產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因：在小流量下，A聲級噪聲主要為水動力噪聲，可近似認為是由壓力脈動引起的；當流量變大時，其流場的流態(tài)相對于小流量時更不穩(wěn)定，泵壓力脈動變化加劇；在高效率區(qū)時，由于接近最佳效率點，流場變化趨于穩(wěn)定，泵壓力脈動達到最大值.而在流量分別為21.4 m3／h、22.57m3／h和23.46m3／h等工況點時，有效汽蝕余量與必須汽蝕余量之差很小，僅為1 m 左右，由于泵內(nèi)流場很不穩(wěn)定，此時泵內(nèi)局部區(qū)域可能已經(jīng)發(fā)生了輕微汽蝕，有少量氣泡生成并相互撞擊、內(nèi)裂，引起氣液兩相流動，噪聲能量被兩相流削弱和吸收，從而引起A 聲級噪聲明顯下降.當發(fā)生深度汽蝕后，葉輪流道被氣泡嚴重“阻塞”，泵內(nèi)空化程度加劇，湍流、二次流及渦流等不穩(wěn)定流動使得氣泡生成和潰滅加速，紊流噪聲迅速增大，導(dǎo)致A 聲級噪聲急劇增加.

3 噪聲的頻率特性

為進一步研究離心泵噪聲的頻率特性，利用聲級計測定了不同流量下噪聲的頻譜，得到不同頻率下聲壓級與流量的關(guān)系（圖4）和不同流量下聲壓級與頻率的關(guān)系（圖5）.

圖4 不同頻率f 下聲壓級Lp-流量qV 曲線Fig.4 Lp-qVcurves at different frequencies

圖5 不同流量qV 下聲壓級Lp-頻率f 曲線Fig.5 Lp-fcurves at different flow rates

由圖4可知，在31.5～500 Hz的低頻區(qū)，隨流量增加，泵的聲壓級變化并未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律；其中，頻率為31.5Hz和63 Hz的極低頻聲壓級始終在50～58dB 內(nèi)上下波動，而該泵的總噪聲水平為72dB以上，因此這兩個極低頻率對總噪聲水平貢獻不大.而在1 000～8 000Hz的高頻區(qū)，泵聲壓級隨流量增加呈現(xiàn)先增后降的趨勢，與A 聲級噪聲的變化趨勢基本一致.特別是頻率為1 000 Hz 和2 000Hz的2條聲壓級曲線（其中頻率為1 000 Hz的曲線最顯著），在流量小于15m3／h的區(qū)域，與其他頻率相比聲壓級并無明顯優(yōu)勢，而在流量大于15 m3／h的區(qū)域，其聲壓級顯著高于其他頻率相應(yīng)流量下的數(shù)值，并隨流量增加逐漸增強直至達到峰值；在汽蝕初生時，1 000Hz和2 000Hz對應(yīng)的聲壓級急劇下降，汽蝕嚴重發(fā)生后，噪聲又顯著提高.由此可知，變流量工況下，與汽蝕相關(guān)的噪聲屬于高頻信號，這與文獻［8］中的試驗結(jié)果吻合.

由圖5可知，隨頻率增加，各流量下的聲壓級均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，絕大多數(shù)流量下的聲壓級在250Hz和1 000Hz時出現(xiàn)峰值.已有研究表明［2］，泵噪聲的形成有機械結(jié)構(gòu)方面的原因，其噪聲峰值常為轉(zhuǎn)速的倍數(shù)；也有水動力學(xué)方面的原因，其頻率既包含寬頻成分，也包含與葉片通過頻率相關(guān)的成分.為此，計算試驗用泵的葉片通過頻率

式中：n為泵轉(zhuǎn)速，n＝2 900r／min；z為葉片數(shù)，z＝6；i為諧波序號，i＝1，2，3，…….

由式（1）可知，該泵葉片通過頻率的基頻（i＝1時）為290Hz，與試驗得到的250Hz處的泵噪聲峰值相吻合，試驗中1 000Hz處的泵噪聲峰值與i＝3時的高次諧波比較接近.

4 汽蝕試驗中的噪聲特性

泵噪聲不僅與流量有關(guān)，還與是否發(fā)生汽蝕有關(guān).為單獨分析汽蝕對噪聲的影響，需保持流量恒定，使流動從無汽蝕狀態(tài)逐漸過渡到嚴重汽蝕狀態(tài)，同時對汽蝕試驗中的噪聲進行測量.試驗中，通過關(guān)小泵入口閥門提高入口真空值，使泵發(fā)生汽蝕，同時相應(yīng)開大出口閥門使泵流量保持不變.圖6和圖7分別給出了流量為17.02m3／h和21.01m3／h時的噪聲頻譜曲線.

由圖6和圖7可以看出，汽蝕發(fā)生前，泵揚程和A 聲級噪聲基本保持穩(wěn)定值；在汽蝕完全發(fā)生后，泵揚程急劇下降，同時A 聲級噪聲也下降約3dB.這是因為試驗中泵入口真空度過高，由吸水池液面吸入少量空氣，緩沖了汽蝕導(dǎo)致的氣泡內(nèi)裂，從而吸收和抑制了壓力脈動能量向外界的傳播，導(dǎo)致聲壓級下降［9-10］.同時，試驗中也觀察到泵入口真空較高時，吸水池液面上的大量漩渦等不穩(wěn)定流動現(xiàn)象，因此本試驗中并未觀察到汽蝕導(dǎo)致A 聲級噪聲升高的現(xiàn)象.

根據(jù)ISO 9906—1999規(guī)定，在保持恒定流量條件下，揚程下降達到3%時的汽蝕余量值為臨界汽蝕余量NPSHr，如圖6和圖7中所標工況所示，對應(yīng)的NPSHa為1.68m 和1.34m；另外美國電力研究所認為，汽蝕開始時零揚程降對應(yīng)的NPSH約為3%揚程降下NPSH的1.5倍［11］，因此圖6和圖7中汽蝕開始時的汽蝕余量約為2.5m 和2.0m，即圖6和圖7中右數(shù)第3個工況點左側(cè)的所有工況均為汽蝕已經(jīng)發(fā)生的狀態(tài).觀察這些汽蝕狀態(tài)工況點對應(yīng)的噪聲變化可知，隨汽蝕余量減小，部分頻率下噪聲存在先升后降的現(xiàn)象，如圖6中250 Hz、500 Hz和1 000 Hz，圖7中250Hz；部分頻率下噪聲存在先略降后升高再降低的現(xiàn)象，如圖6中的31.5 Hz、63 Hz和2 000Hz，圖7中的31.5Hz和1 000Hz，這些頻率下的噪聲變化與典型汽蝕狀態(tài)下的聲壓級變化相吻合［12］，有研究者認為汽蝕噪聲存在極值是因為汽蝕噪聲的強度取決于空泡產(chǎn)生的數(shù)量和空泡潰滅速度這2個因素［13］.當流速不變時，隨泵入口真空的提高，一方面空泡數(shù)增加使得噪聲增強，另一方面，空泡潰滅的速度相應(yīng)降低，使得汽蝕噪聲強度減弱.在這2個因素的相互影響下，汽蝕噪聲出現(xiàn)了上述變化規(guī)律.而部分頻率下在汽蝕并不嚴重時聲壓級略降低的現(xiàn)象可能是由于吸入空氣的影響，吸入的空氣在入口管道中以氣泡形式存在，在泵葉輪入口由于真空提高，因而氣泡長大，經(jīng)葉輪做功后，這些氣泡并未潰滅而是體積略微縮小后仍以氣泡形式隨水流流出，在吸入空氣量較少時，空氣泡緩沖了汽蝕導(dǎo)致的氣泡內(nèi)裂，使該頻率下的聲壓級略降低.另外還注意到，還有一些頻率下（如圖6和圖7中的4 000 Hz和8 000Hz）的聲壓級隨汽蝕余量降低整體表現(xiàn)為下降的趨勢，當上述汽蝕導(dǎo)致部分頻率聲壓級出現(xiàn)峰值時，這些頻率下的聲壓級位于最小值或接近最小值，使得此時泵的A 聲級噪聲較低.

圖6 流量qV＝17.02m3／h時噪聲頻譜曲線Fig.6 Noise spectrum curve at qV＝17.02m3／h

圖7 流量qV＝21.01m3／h時的噪聲頻譜曲線Fig.7 Noise spectrum curve at qV＝21.01m3／h

Cudina基于安裝于閉式系統(tǒng)泵的噪聲試驗結(jié)果表明［5-7］，總有某個頻率下的聲壓級在汽蝕發(fā)生后升高最明顯，與未發(fā)生汽蝕時的聲壓級相比，該頻率下峰值噪聲可升高近20dB，并且該特征頻率隨葉輪開閉形式與泵的類型而發(fā)生變化，可能為幾百赫茲，也可能為幾千赫茲.在圖6和圖7中，發(fā)生汽蝕后聲壓級存在峰值，且在250Hz下聲壓級比汽蝕前顯著升高.由圖6可知，當流量為17.02 m3／h 時，250Hz頻率下的聲壓級隨汽蝕余量減小整體呈升高趨勢，汽蝕后的噪聲峰值比汽蝕前升高了16.4 dB.由圖7可知，當流量為21.01 m3／h 時，250 Hz頻率下的聲壓級在汽蝕前基本保持平穩(wěn)，汽蝕后的噪聲峰值比汽蝕前升高了5.9dB.因此可知，250 Hz為本試驗用泵的汽蝕特征頻率.本試驗用泵的比轉(zhuǎn)速與Cudina所進行試驗［5］中的閉式葉輪離心泵比轉(zhuǎn)速十分接近，葉片數(shù)均為6個，轉(zhuǎn)速均為2 900 r／min，因此本試驗用泵的葉片通過頻率與文獻［5］中相同，所得汽蝕特征頻率也較為接近（Cudina所得特征頻率為147 Hz），均低于泵葉片通過頻率的基頻，這或許表明低比轉(zhuǎn)速下具有閉式葉輪泵的特征頻率均分布在低頻區(qū).而本研究中，變流量工況下受汽蝕影響顯著的聲壓級所對應(yīng)高頻分別為1 000 Hz和2 000Hz，但只有2 000 Hz的聲壓級曲線在流量為17.02m3／h時（圖6），汽蝕發(fā)生后聲壓級峰值較未發(fā)生汽蝕時增加約2.4dB，其余情形下聲壓級在汽蝕發(fā)生后甚至略有下降，表明這些高頻信號在大流量區(qū)噪聲顯著提高不僅與汽蝕有關(guān)，還與流量增大有關(guān).

5 結(jié) 論

（1）在汽蝕發(fā)生前，泵的A 聲級噪聲隨流量增加而增大，并在高效率區(qū)達到最大值.當泵內(nèi)汽蝕初生時，A 聲級噪聲出現(xiàn)顯著下降現(xiàn)象，當泵內(nèi)汽蝕完全發(fā)生后，隨流量增加，噪聲則顯著提高.

（2）在變流量情形下，以1 000 Hz和2 000 Hz為代表的高頻聲壓級對整體A 聲級噪聲的形成貢獻較大，其變化與泵的整體A 聲級噪聲變化一致；各流量下的聲壓級均呈現(xiàn)隨頻率增加而逐漸上升的趨勢，大多數(shù)流量下的聲壓級分別在250 Hz 和1 000Hz時出現(xiàn)峰值，這2個噪聲峰值頻率均與葉片通過頻率相關(guān).

（3）在恒流量情形下，汽蝕發(fā)生前，A 聲級噪聲幾乎不變，汽蝕發(fā)生后，受泵入口吸入空氣影響，A聲級噪聲顯著下降；250Hz為本試驗用泵的汽蝕特征頻率，發(fā)生汽蝕后該頻率下的聲壓級存在峰值且比汽蝕前升高了5.9～16.4dB.

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