混流泵水力模型空化诱导振动与噪声特性试验研究

刘腾岩，冯 超，杨孟子，陶 金，朱华伦

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

0 引言

空化的产生不仅会导致泵的扬程和效率的降低，还会引起严重的振动和强烈的辐射噪声［1-5］，同时长时间的严重汽蚀还会损害叶轮、导叶等过流部件，造成不可挽回的损失［6］。空化现象对泵的安全稳定运行极为不利，因此空化问题已成为泵研究设计及工程运用中面临的重要问题，得到国内外学者的广泛关注。

对于各类推进泵空化诱导［7］时的振动与噪声问题，张德胜等［8］利用高频压力传感器及振动加速度传感器研究轴流泵水力模型的压力脉动及振动特性，发现试验泵不同位置处的振动以流体诱导的低频信号和转子系统质量不均匀诱导的轴频及其倍频为主要特征信号。CUDINA［9］利用噪声信号对汽蚀进行了研究，研究表明在半倍叶频位置，汽蚀初生噪声与完全发展的汽蚀噪声之间信噪比足够高。胡芳芳等［10］对导叶式混流泵的振动噪声进行了试验研究，结果表明压力脉动及其引起的振动和噪声主要是由叶轮与导叶之间的动静干涉引起的，压力脉动对混流泵入口噪声的辐射具有重要的影响。振动噪声变化规律与压力脉动变化规律一致，因而可通过监测压力脉动变化规律了解泵的中低频和入口噪声辐射情况。李忠等［11］对轴流泵模型不同空化程度时的振动加速度进行了动态多点测量和分析，得到了振动加速度的特征频率随汽蚀余量的变化规律。王勇等［12］进行了离心泵非设计工况空化振动噪声试验研究，结果表明不同流量下，随着NPSH 的下降，振动加速度和声压级先保持不变然后明显升高，可以初步判断泵的初生空化余量，为进一步分析空化初生机理提供了一定的参考。

尽管目前国内外学者对各类推进泵内的噪声及振动开展了诸多的研究工作，取得了一些阶段性的成果，但其研究往往只单独研究泵某一特定位置的振动特性或者噪声特性，由于混流泵内振动与噪声有着密切的联系，了解混流泵内振动与噪声的关系将有助于控制、降低振动与辐射噪声，从而达到提高混流泵运行稳定性的目的［13-15］。因此，本文通过对混流模型泵的辐射噪声及振动特性进行同步动态测量，重点对各主要测点的噪声及振动加速度随空化诱导的变化规律进行分析，研究混流泵在空化发展过程中诱导辐射噪声与振动的变化规律及特点，建立空化诱导混流泵辐射噪声信号与振动信号之间的联系，为混流泵的空化监测、有效预防及工程设计提供实际参考依据。

1 试验装置及试验方法

试验在某研究院喷水推进泵闭式试验台上开展。该模型泵额定转速n=1 450 r/min，额定流量Qopt=0.43 m3/s，叶轮叶片数Z=6，将2 支B&K 8103水听器通过齐平安装方式安装于泵进口及出口的4 倍管径处，3 只KISTLER 8688A50 加速度传感器分别位于：进口管1#、静动间法兰2#以及出口管3#，如图1 所示，其中加速度传感器的进口及出口位置位于泵进口及出口的4 倍管径处，与水听器位于同一截面。

在试验过程中，模型泵运行稳定后，启动真空泵，降低汽蚀筒内压力，逐渐减小有效汽蚀余量NPSHa，每次变化均保证试验过程中模型泵的运行流量保持不变，至泵扬程下降3%得到临界汽蚀余量NPSH3，并使用SIEMENS LMS 采集器同步高频采集噪声及振动信号。

2 试验结果与分析

取振动加速度信号时间T 内信号幅值的均方根RMS 代表单位时间内的平均功率表征信号强度，均方根值XRMS定义为：

式中，Xi为振动加速度信号测量值，m/s2。

声压级的计算式如下：

式中，p 为声压的有效值，Pa；p0为基准声压，Pa，在水中的基准声压为1×10-6Pa。

通过试验及计算得到了5 种工况（0.8Qopt，0.9Qopt，1.0Qopt，1.1Qopt，1.2Qopt）下各测点的声压级、振动加速度级随汽蚀余量NPSH 的变化情况。

图2 示出各流量点下临界汽蚀余量试验曲线，可以发现随着流量的逐渐增大，临界汽蚀余量逐渐减小，抗空化能力逐渐增强。

图2 各流量下临界汽蚀余量曲线Fig.2 Curve of critical cavitation allowance at each flow rate

2.1 进出口噪声分析

图3 示出额定转速为1 450 r/min 时，额定流量为0.43 m3/s 下进口及出口处的噪声声压有效值谱（0～300 Hz）。

图3 进、出口噪声声压有效值谱Fig.3 Effective value spectrum of inlet and outlet noise sound pressure

从图3 可以看出，在频段0～300 Hz 范围内，泵进口处的噪声声压要远小于出口处的噪声声压，且数值相差较大，说明混流泵的主要噪声源更靠近出口位置并沿着水流方向传播，进口与出口处噪声均在轴频及其倍频处出现峰值，该泵额定转速为1 450 r/min 时，对应得到的轴频约为24 Hz，进口及出口噪声在1 倍轴频处出现最大值，同时在轴频的6 倍频（1 倍叶频）处有明显的峰值，进口及出口噪声有效值谱谱线变化趋势较为相似。

图4 示出在不同流量下进、出口处总声压级随汽蚀余量变化曲线（以额定流量下声压级作为参考进行归一化处理）。

图4 进、出口总声压级随汽蚀余量变化Fig.4 Change of total sound pressure level at inlet and outlet with NPSH

从图4（a）中可见，在不同流量下，进口处噪声总声压级的变化规律较为相似，随着压力的逐渐减小，汽蚀余量逐渐减小，进口处的辐射噪声先逐渐增大，达到极值后呈现减小的趋势。经分析发现，在0.8Qopt，0.9Qopt，1.0Qopt时汽蚀余量比常压时下降约25%出现辐射噪声极值，而随着流量的增大，在1.1Qopt，1.2Qopt时汽蚀余量比常压时下降约20%出现辐射噪声极值。随着压力的逐渐减小至达到临界汽蚀余量时，进口处的辐射噪声一直呈现减小趋势，且下降趋势较为明显。从图4（b）中可以发现，出口处噪声总声压级明显高于进口处噪声总声压级，在不同流量下出口处噪声总声压级的变化规律较为相似，随着压力的逐渐减小，汽蚀余量逐渐减小，出口处的辐射噪声先逐渐增大，达到极值后呈减小趋势，后又逐渐增大。在不同流量下，出口处噪声总声压级均在汽蚀余量比常压时下降30%～40%的范围内出现第一次峰值。在0.9Qopt，1.0Qopt流量下在第二次达到峰值后总声压级还出现了下降趋势，第二次峰值出现在汽蚀余量比常压时下降约50%处。在临界汽蚀余量时与常压时出口处的辐射噪声声压级相差5～10 dB，相较于进口处声压级变化较小，但变化规律比较明显，因此，进口处与出口处辐射噪声均可用于监测泵的空化现象。

2.2 泵体及进出口管道振动强度分析

定义三向振动加速度传感器的X 轴为泵垂直径向、Y 轴为泵水平径向、Z 轴为泵轴向，每个方向相互垂直。泵体静动间、进口、出口处各方向振动加速度强度用无量纲系数S 表示，其随着NPSH变化情况如图5 所示。从图5 中可见，在泵体振动最强烈的静动间处各方向振动强度变化趋势一致，但泵垂直径向的振动强度最大、轴向次之、水平径向振动最弱，说明泵体静动间处的垂直径向振动和轴向均可以作为空化诱导现象的监测方向，变化较为明显。随着空化诱导流体压力脉动强度增大导致泵内产生流态不稳定因素，累积至一定程度后使泵静动间等部位发生剧烈振动，并与空泡溃灭、转子振动等混合使泵体各部分振动产生明显变化。进出口处的各方向振动强度与泵体静动间处存在明显差异，进口处的各向振动强度明显小于出口处，进口处各方向振动变化趋势较为相似，均为先增大到峰值后逐渐减弱，这是因为叶轮对液流的抽吸作用在叶片吸力面形成较大范围的低压区，气、液两相流向叶轮出口方向运动，进口处流场受到空化诱导影响较小，并且随着空化的逐步发展，气体累积干扰了振动向壳体壁面的传导，当空化发展到叶轮整个旋转周期都处于空化区内时，进口处振动强度逐渐减弱。而在出口处振动能量主要集中在轴向，垂直径向与水平径向的振动强度明显小于轴向且强度变化不明显，所以在出口位置选择轴向作为监测方向较为合适，因此选择混流泵空化振动监测方向时，需要根据不同位置确定其振动监测方向。出口处振动强度的变化情况与进口处变化趋势比较相似，各方向振动强度先逐渐增大到极值后又逐渐减小。

图5 额定流量下各测点各方向振动强度随NPSH 变化Fig.5 Change of vibration acceleration intensity coefficient S with NPSH in all directions at each measuring point at rated flow rate

不同流量下不同测点位置振动强度随汽蚀余量变化如图6 所示。

图6 不同流量下不同测点位置振动强度随汽蚀余量变化Fig.6 Change of vibration intensity at different measuring points with NPSH at different flow rates

从图6 可以发现，在不同流量下混流泵发生空化现象时，同一位置相同方向的振动强度变化趋势基本保持一致，说明空化状态下各测点振动强度的变化规律一致，泵体静动间处由于空化诱导使泵体静动间发生剧烈振动，并与空泡溃灭、转子振动等混合，所以振动呈现逐渐增大趋势。在进口处垂直径向上，与进口处噪声变化规律一致，在0.8Qopt，0.9Qopt，1.0Qopt时汽蚀余量比常压时下降约25%出现振动强度极值，在1.1Qopt，1.2Qopt时汽蚀余量比常压时下降约20%出现振动强度极值，说明进口处振动与噪声高度相关，进口处振动与噪声变化规律一致，可以通过振动来反映噪声的变化趋势。而在出口轴向上，不同流量下均在汽蚀余量比常压时下降约40%～50%出现振动强度极值，与出口处噪声变化规律存在一定差异，振动强度峰值出现时汽蚀余量要小于出口处噪声声压级强度出现峰值时的汽蚀余量。对比进口和出口处的振动与噪声可以发现，进口处比出口处更适宜用来评价混流泵的空化诱导现象。

3 结 论

（1）混流泵出现空化诱导时，进、出口处噪声分别在1 倍轴频24 Hz 和1 倍叶频145 Hz 处出现峰值。进口处的辐射噪声先逐渐增大，在扬程下降约1%处达到极值后呈现减小趋势。出口处的辐射噪声先逐渐增大，达到极值后呈减小趋势，之后又逐渐增大。

（2）泵体振动最强烈的静动间处泵垂直径向的振动强度最大、轴向次之，在进口处垂直径向振动强度最大，在出口处轴向振动强度最大，因此选择混流泵空化振动监测方向时，需要根据不同位置确定其振动监测方向。

（3）进口处振动与噪声变化规律一致，在汽蚀余量比常压时下降20%～25%处出现极大值，可以通过振动来反映噪声的变化趋势。出口处振动与噪声变化规律存在一定差异，振动强度峰值出现时汽蚀余量要小于出口处噪声声压级强度出现峰值时的汽蚀余量。进口处比出口处更适宜用来评价混流泵的空化诱导现象。