一种管路压力脉动抑制装置优化设计及试验分析

赵大为，罗小辉，杨 珍

（1.中国舰船研究设计中心，武汉430064；2.华中科技大学，武汉430074）

一种管路压力脉动抑制装置优化设计及试验分析

赵大为1，罗小辉2，杨 珍1

（1.中国舰船研究设计中心，武汉430064；2.华中科技大学，武汉430074）

针对船舶系统柱塞水泵等辅机设备管路压力脉动大的问题，设计出一种基于蓄能器吸能和孔板滤波原理的管路压力脉动抑制装置。根据压力脉动抑制装置工作原理，对蓄能器容积、蓄能器充气压力、开孔角度、开孔数量、孔径等参数进行优化设计，并对研制出的样机进行试验。试验结果表明：管路压力脉动抑制装置对不同频谱的压力脉动均具有较好的衰减效果，输出压力1 MPa～2.5 MPa时，柱塞泵出口管路压力脉动衰减率达50%以上。

振动与波；压力脉动；抑制装置；蓄能器；孔板

船舶系统柱塞水泵等辅机设备具有周期性吸排的工作特点，泵出口流量往往呈现较大的脉动特性。由于流量周期性脉动，与其连接管路内的压力也会在平均值上下宽幅波动，产生较大的压力脉动。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[1-2]，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。

流体脉动抑制装置是控制管路压力脉动的重要手段，在国内外航空、石化、船舶等领域应用比较广泛[3，4]，但相关设备多针对压力脉动波动幅度较小、频带较窄的脉动源设计，应用介质也多以液压油或压缩空气为主，与以水介质的船舶辅机系统柱塞水泵多工况使用时的压力脉动特性区别较大。

船舶辅机系统柱塞水泵在管路中产生压力脉动的基频与柱塞水泵的流量脉动频率一致，同时该基频脉动会产生较高频率的谐频脉动；另外，柱塞水泵根据工况不同，其排出压力也会不一样，即管路中压力脉动平均值会随着工况的改变而发生改变。

本文根据典型船舶辅机系统柱塞水泵产生的压力脉动的特点，设计出一种新型管路压力脉动抑制装置，优化相关设计参数，并开展压力脉动抑制效果试验研究。

1 结构及工作原理

管路压力脉动抑制装置结构如图1所示，主要由本体、蓄能器组、孔板等部件组成。该装置为对称结构，一端进水，另一端出水。

图1 压力脉动抑制装置结构示意图

管路压力脉动抑制装置工作原理如下：

（1）采用蓄能器组抑制低频压力脉动[5—7]。各蓄能器充装不同压力的氮气，当水流压力高于蓄能器充气压力时，水通过蓄能器孔进入到本体与隔膜形成的容腔中，隔膜收缩，吸收水流中高于平均流量的脉动部分；当水流压力低于蓄能器充气压力时，隔膜扩张，容腔中水流从蓄能器孔流入管道中，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。

（2）采用孔板抑制高频压力脉动[8，9]。一方面，孔板的阻力特性和结构特性可衰减部分水流压力脉动的分量；另一方面，两级孔板及其中间容腔形成了一个C形低通滤波器，低频波能够通过，而高频波不易通过。因此，当水流工作压力发生变化时，管路压力脉动抑制装置既能很好地吸收压力脉动，同时也能吸收压力脉动产生的高频谐波脉动。

2 参数设计优化

2.1 蓄能器组设计

蓄能器总容积按以下公式计算[10]

其中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为气体多变指数。

在压力脉动抑制装置的工作压力范围pmin～pmax内取N个压力点（pmin≤pc1＜pc2＜…＜pcN≤pmax），按建立的压力脉动数学方程计算每个压力点的充气压力和蓄能器容积，计算方法如下：

（1）第1个压力点及蓄能器参数计算[11]

最低压力点为第1点，即pc1=pmin，该点的第1个蓄能器的容积为

脉动体积δVm1为

蓄能器吸收压力脉动时，第1个蓄能器的充气压力pAq1为

式中pc1为计算的第1个压力点(Pa)。

当第一个蓄能器处于第一个工作压力点时，其有效工作容积VAr为

式中VAq1为第1个蓄能器初始充气压力。

如果输出压力大于pmin，蓄能器总有效工作容积不低于VAr，则压力脉动均能被充分吸收。

（2）第2个压力点及蓄能器参数计算

由于输出压力为pc1=pmin时，蓄能器有效工作容积为VAr，因此第2个蓄能器的充气压力pAq2必须为

假定第2个压力点为pc2，此时第1个蓄能器也在该压力点吸收压力脉动，因此pc2满足下列方程

式（7）可变换得

（3）第i（i＞2）个压力点及蓄能器参数计算

按照第1点充气压力的选取方式，可得第i个蓄能器的充气压力为

第i个压力点pci方程

式（10）可变换得

根据公式pAqi和公式pci反复计算，直至满足下列条件

经过优化计算分析，蓄能器的数量为20个，每个蓄能器容积为0.075 L，每个蓄能器的充气压力如表1所示。

表1 蓄能器组充气压力和充气容积

2.2 孔板设计

采用GAMBIT软件对压力脉动抑制装置进行几何建模和网格划分，采用Realizable K-ε模型，对孔板间距、孔板厚度、开孔数量、开孔尺寸、开孔角度等对压力脉动抑制效果的影响进行了仿真。

仿真计算边界条件设置为：进口条件设置为速度入口，ν=1.7(1+ζsin(2πft))，其中ζ为流量脉动率，ζ取0.1；f取100Hz～800 Hz；出口条件采用压力出口边界条件，在压力脉动抑制装置出口50 mm处设置监测面。计算分析结果如下：

（1）单个孔板通流面积

若压力脉动抑制装置允许压力损失为Δp，则单个孔板允许压力损失为0.5Δp。根据孔口流量计算公式，可得到孔板最小通流面积Amin为

式中q为通过压力脉动抑制装置的流量；Cd为通过孔板的流量系数；ρ为流体密度。

（2）孔板间距

取f=800 Hz，分析孔板间距对压力脉动抑制效的果影。当孔板间距小于100 mm时，间距越大压力脉动抑制效果越好；孔板间距大于100 mm后，间距对间距压力脉动抑制效果影响不大，故孔板间距取100 mm。

（3）孔板厚度

取f=800 Hz，分析孔板厚度对压力脉动的抑制效果的影响。当孔板厚度小于20 mm时，孔板越厚，抑制效果越好；当孔板厚度大于20 mm时，厚度对抑制效果影响不大。故孔板厚度取20 mm。

（4）开孔数量

取f=800 Hz，在通流面积Amin不变的情况下，改变开孔的尺寸，分析开孔数量对压力脉动抑制效果的影响。压力脉动抑制效果随开孔数量增多而增大，但增大趋势缓和。综合考虑孔板通流面积和加工工艺，开孔数量确定为12个。

（5）开孔尺寸

取f=800 Hz，分析开孔尺寸对压力脉动抑制效果的影响。当外孔直径从10 mm～15 mm变化时，孔板消声器对压力脉动的抑制效果无明显影响。由于开孔尺寸增加，通流面积增大，压力损失会减少，在考虑加工工艺的情况下，孔板外孔直径取15 mm，内孔直径取10 mm。

（6）开孔角度

取f=800 Hz，分析开孔角度对压力脉动抑制效果的影响。当角度在0°～25°之间变化时，随着开孔角度增大，压力脉动抑制效果也相应增大，但压力损失也会增大，为保证管路压力脉动抑制装置的压力损失不大于5%，较佳的开孔角度为5°。

（7）不同脉动频率下孔板抑制压力脉动效果

根据上述获得的优化尺寸，在流量相等的情况下，取f=100 Hz～800 Hz，分析流量脉动频率对抑制效果的影响。孔板对低频压力脉动抑制效果较差，甚至会增加压力脉动率，但对于高频段（400 Hz～800 Hz），具有较好的抑制效果。

3 试验及结果分析

建立图2所示的压力脉动抑制装置性能试验系统，压力脉动抑制装置安装在柱塞水泵出口部位，管路压力采用节流阀加载，压力传感器布置在压力脉动抑制装置出口处。试验系统中各设备和测试仪器型号及性能如表2所示。

图2 压力脉动抑制试验系统

试验时，通过节流阀调节管路压力分别为1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa，在安装压力脉动抑制装置和不安装（用相同的长直管代替）两种试验条件下，测量输出管路中的压力脉动值，以获取两种试验条件下输出管道中压力的平均波峰值、波谷值、平均值，并按下列公式计算出压力脉动衰减比

式中δinp、δoutp为衰减前、后的压力脉动率；

pinmax、poutmax为衰减前、后的压力平均波峰值；

表2 试验设备和测试仪表

pinmin、poutmin为衰减前、后的压力平均波谷值；

pin、pout为衰减前、后的压力平均值；

λ为压力脉动衰减比。

试验结果如表3和图3、图4所示：

由表3可以看出，当输出压力为1 MPa～2.5 MPa时，柱塞水泵压力脉动率高达20%～40%。加装压力脉动抑制装置后，压力脉动率下降至10%～20%，衰减率高达50%以上，效果明显；另外，压力脉动抑制装置产生了约0.045 MPa的压力损失，满足使用要求。

图3为柱塞水泵输出压力2.5 MPa时，压力脉动的频谱曲线。根据图3，可得出压力脉动抑制装置、蓄能器组、孔板分别作用时产生的衰减效果，如图4所示。由图4（a）可以看出，加装压力脉动抑制装置后，在基频20 Hz左右，压力脉动降低了约10 dB，在谐频的高频段（300 Hz～1 000 Hz），压力脉动也有明显的降低；根据图4（b）和图4（c），可以看出，蓄能器组在低频段（300 Hz以下）具有较好的压力脉动抑制效果，而孔板在谐频的高频段（300 Hz～1 000 Hz）具有较明显的压力脉动抑制效果。

4 结语

（1）针对船舶辅机柱塞水泵变工况条件下的压力脉动特性，设计出了一种新型管路压力脉动抑制装置，其优化参数为：每个蓄能器容积为0.075 L，各蓄能器充气压力分别为0.6 MPa×8、0.9 MPa×5、1.5 MPa×5和2.0 MPa×2，孔板间距为100 mm，开孔角度为5°，开孔数量为12个，内孔孔径为10 mm，外孔孔径为15 mm，孔板厚度为20 mm；

（2）压力脉动抑制装置试验结果表明：管路压力脉动抑制装置可使柱塞水泵出口管路中的压力脉动率降低10%～20%，压力脉动衰减比达50%以上，并且对不同频段的压力脉动均具有较好的抑制效果。

[1]蔡标华，丁炜，余健，等.船用舱底泵系统压力脉动抑制研究[J].舰船科学技术，2012，34（3）：65-67.

[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.

[3]谢坡岸，王强.蓄能器对管路流体脉动消减作用的研究

表3 压力脉动抑制装置试验结果

[J].噪声与振动控制，2000，4（8）：2-5.

图4 压力脉动抑制装置衰减效果

[4]胡跃华，钱文臣.管系振动问题的分析及消振处理措施[J].石油化工设计技术，2008，25（1）：22-28.

[5]谭娟，胡军华，石兆存，等.蓄能器组吸收压力脉动机理与试验研究[J].噪声与振动控制，2010，5（10）：39-42.

[6]冀宏，张玲珑，杨建新，等.油压驱动海水往复泵的流量脉动与控制[J].液压与气动，2010，9：84-87.

[7]Luo X,Shi Z,Hu J.Semi-active accumulator absorbing pressure pulsation in high-pressure water-jet propulsion system,Pro.instn mech.engrs,part C∶[J].Mechanical Engineering Science,2011(225)∶2052-2061.

[8]党锡淇，陈守五，夏永源.孔板消减气流脉动机理研究[J].西安交通大学学报，1979，2：49-60.

[9]郭文涛.脉动抑制装置在往复机运行中的作用[J].压缩机技术，2010，1：39-45.

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

[11]罗小辉.高速射流喷水推进机理及舱底疏水泵试验研究[D].武汉：华中科技大学博士后研究工作报告，2011.

Optimal Design and TestingAnalysis of a Pressure Fluctuation Suppression Device for Pipelines

ZHAO Da-wei1,LUO Xiao-hui2,YANG Zhen1

(1.China Ship Development and Design Center,Wuhan 430064,China; 2.Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

∶The plunger pump pipeline of a marine auxiliary system has the problem of excessive pressure fluctuation.A new type pressure fluctuation suppression device is designed based on energy absorbing principal of the accumulator and filtering principal of the orifice plate.The design parameters,including volume and inflation pressure of the accumulator, flow area,spacing,hole angle,hole number,hole diameter of the orifice plate,are optimized according to the working principle of the pressure fluctuation suppression device.The sample device is made and tested.Results of the testing show that the pressure fluctuation suppression device has good attenuation effects for different spectrums.When the outlet pressure is between 1 MPa and 2.5 MPa,the pressure fluctuation of the plunger pump pipeline can be reduced by 50%.

∶vibration and wave;pressure fluctuation;suppression device;accumulator;orifice plate

P733.21+6；TK413.4+7< class="emphasis_bold">文献标识码：ADOI编码：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.042

1006-1355(2014)06-0188-04+219

2014-03-07

赵大为（1982-），男，工程师，主要研究方向：船舶系统。

E-mail∶zdw1811@163.com