单叶片离心泵空化诱导噪声特性

郎涛,孙振新,金力成,陈刻强,徐恩翔

(江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心,江苏 镇江 212013)

单叶片离心泵因其较好的无堵塞性能被广泛应用于污水处理领域[1-3].与多叶片泵不同,单叶片离心泵采用非轴对称结构设计,运行中由于水力不平衡可导致径向力较大,在发生空化时还会引起管路共振、喘振等,进而产生噪声,对泵系统的水力性能和周围环境造成影响[4-5].因此,通过对运行时的振动、噪声、压力脉动等一系列信号特征进行分析,精准掌握离心泵的运行状态,识别出空化进程,进而及时调整泵的工作状态就显得尤为重要[6-9].

目前已有许多学者对泵空化及噪声方面进行了研究.王勇等[10]基于泵产品测试系统及数据采集系统建立了离心泵空化试验系统,实现了泵性能参数和内场噪声的同步采集.冯涛等[11]基于四端网络线性叠加模型对声源特性参数提取并测量了管道内的流动诱导噪声.司乔瑞等[12]基于Lighthill声类比理论,采用计算流体力学和计算声学相结合的算法对离心泵流动诱导噪声进行数值预测,结果表明,声场模拟和试验结果基本吻合,肯定了数值计算的预测作用.ARENDRA等[13]通过检测泵腔的声频信号,进行频域提取和相关性分析,再通过人工神经网络分类器准确判断离心泵的空化状态.BRANKO 等[14]采用水听器测量了水轮机导叶、机盖、尾水管等位置的声压信号,提出了一种有效的谱归一化方法,证明了空化强度与噪声频率之间的对应关系.AZIZI 等[15]对泵出口端振动信号进行EMD分解,从前6个固有模态函数中提取统计特征,然后在广义回归神经网络中进行空化识别,达到了较高的准确率.离心泵内部空化诱导噪声虽然在国内外研究中获得了一些进展,但是由于泵型不同,用途各异,导致不同类型离心泵内部呈现不同的噪声特性,而针对单叶片离心泵的空化诱导噪声研究相对较少.

文中使用水听器采集单叶片离心泵内部噪声信号,采用小波分析和HHT变换相结合方法进行空化噪声信号分析,结合空化性能试验数据来判断水泵的运行状态,以获得离心泵在不同空化状态下的噪声信号特性以及相应EMD能量熵值的变化规律.

1 空化噪声试验

1.1 离心泵模型

单叶片离心泵由一枚大包角叶片包络形成单一流道,具有极佳的无堵塞性能,但由于径向力较大,泵内流动复杂,且发生空化时振动、噪声较大,影响泵的稳定运行.为了获得单叶片离心泵在额定工况下的空化噪声信号,文中选取一台某型号单叶片离心泵为研究对象,该泵主要设计性能参数分别为流量Qd=20 m3/h,扬程H=14.2 m,转速n=2 940 r/min,比转数ns=109,轴功率P=2.2 kW;主要设计几何参数分别为叶轮进口直径D1=45 mm,叶轮出口直径D2=125 mm,叶轮出口宽度b2=30 mm,叶片出口安放角β2=18°,叶片包角φ=360°,蜗壳进口直径D3=135 mm,蜗壳进口宽度b3=46 mm.图1为泵体和叶轮三维模型.

图1 泵体与叶轮三维模型

1.2 搭建试验台

为获得空化后离心泵噪声信号信息,搭建单叶片离心泵闭式试验台,如图2所示.试验台主要由管路系统和测试系统两部分组成,其中管路系统包括罐体、进出口管路、真空泵、电动机、电磁流量计、阀门等,测试系统包括进出口压力传感器、流量计、水听器、计算机、DH5922D信号采集装置等.

图2 单叶片离心泵闭式试验台示意图

试验选用四端网络模型(双端口模型)作为泵内液载噪声的测试模型[16].采用的水听器型号为RHC-13,灵敏度为-210 dB,频率范围宽,可用于100 kHz以内标准水听器使用.水听器的安装位置如图3所示,其中H1和H2分别安装在距离泵进口6倍管径和4倍管径处,H3和H4分别安装在距离泵出口4倍管径和6倍管径处.

图3 水听器测点位置

试验在机械工业排灌机械产品质量检测中心(镇江)的闭式试验台上进行,试验台按照GB/T 3216—2016《回转动力泵水力性能验收试验1级,2级和3级》标准进行搭建,试验台精度为1级.图4为试验得到的单叶片离心泵外特性曲线.

图4 单叶片离心泵外特性试验曲线

1.3 空化试验步骤

空化试验具体步骤如下:

1) 启动试验装置,把进出口阀门调至全开状态.

2) 调节出口阀门将流量调节至额定工况,待泵运行稳定之后,记录此时的大气压.

3) 关闭泄压阀,打开真空泵开始抽真空.

4) 使进口压力不断下降,诱发试验泵发生空化,采集不同进口压力下的流量、转速、出口压力等试验数据,同时调节出口阀门,使流量保持在额定工况,用DH5922D信号采集装置(采样频率20 kHz)记录试验过程的噪声信号.

5) 待扬程急剧下降则停止试验,关闭真空泵,打开泄压阀,使罐内压力恢复至大气压.

1.4 空化性能曲线

根据单叶片离心泵空化性能试验数据绘制空化性能曲线,如图5所示,图中横坐标σ为空化数.

图5 额定流量工况下的空化试验曲线

由图5可以看出,在单叶片离心泵空化试验过程中,随着空化系数不断降低,扬程会逐渐降低,当空化数为0.135,扬程下降超过3%的临界点时,会出现陡降的趋势,此后扬程开始急剧下降,当扬程下降6%即σ=0.079时,处于严重空化状态.

2 噪声信号分析

2.1 时域分析

文中主要通过对进口压力逐渐降低过程中的噪声信号进行分析,进而建立泵空化的阶段与空化诱导噪声特征信号之间的对应关系,以准确定位空化的阶段.根据空化性能曲线,分别截取空化数σ=0.365,0.135,0.079阶段历时0.5 s的噪声信号.3种空化数的选择既保证能够反映整个空化过程的变化规律,又使不同阶段均有相应空化数对应.

由于距离泵进出口端4倍管径和6倍管径的水听器采集到的噪声信号差别较小,因此仅选取距离泵进出口端6倍管径水听器H1和H4采集的噪声信号进行研究.图6为不同空化数下水听器H1和H4的噪声时域图,图中Lp为声压级.

由图6a可以看出:随着空化进程的发展,离心泵进口端水听器H1采集的噪声信号不断发生变化;当空化数σ=0.365时,水听器H1采集的噪声信号幅值较为稳定,峰值约为170 dB;当空化数σ=0.135时,噪声信号的幅值波动增大,波形更加不规则,频率有所降低,此时泵腔内的流态已经发生了变化;当空化数σ=0.079时,此时扬程降低,进口端流速下降,噪声信号的声压级却显示大幅度减小的特征.

由图6b可以看出:随着空化进程的发展,离心泵出口端水听器H4采集的噪声信号幅值变化不大,峰值均在180 dB左右,这是由于空泡主要集中在泵腔内以及进口端,当空泡溃灭时,噪声信号极少传递到出口端,而且出口端水流冲击弯管导致振动较大,即使有部分空泡信号,但影响也较小.

图6 不同空化数下水听器H1和H4的时域波形图

2.2 频域分析

由于时域分析法对非平稳信号分析具有局限性,因此,采用傅里叶变换可以将非平稳的时域信号转换为频域信号进行分析.

图7为3种不同空化数下水听器H1和H4的频域波形图.

图7 不同空化数下水听器H1和H4的频域波形图

由图7a可以看出:当空化数σ=0.365时,进口端噪声信号以49 Hz的叶频为主,幅值为35 dB,倍频信号幅值逐渐衰减,低频信号较少,说明试验环境较为理想,干扰较小;当空化数σ=0.135时,一阶叶频的幅值下降,此时低频噪声信号增多,这是由于随着进口压力的降低,进口端的空泡逐渐增多引起进口端流态产生变化,大量空泡撞击管壁将能量传递给水听器;当空化数σ=0.079时,一阶叶频及倍频信号幅值又逐渐增大,低频噪声信号幅值稍有降低,这是由于此时泵已进入严重空化阶段,内部空气占比增大,进口端的内部流态虽然有改变,但只是介质的转变,空泡溃灭引起的低频噪声信号仍然存在.

由图7b可以看出:当空化数σ=0.365时,出口端采集到的噪声信号以49 Hz的叶频为主频,进口端的倍频信号幅值逐渐衰减,而出口端倍频信号的规律性不明显,低频噪声信号幅值较大,出口端噪声信号复杂,低频噪声信号较多;当空化数σ=0.135时,低频噪声信号幅值增大;当空化数σ=0.079时,一阶叶频的幅值降低,倍频增多,这主要是由于空泡集中在泵腔和进口端,对出口端的影响较小,低频噪声信号变化不大,出口压力降低导致扬程下降,流速减缓,幅值降低.

随着空化的发展,泵内空泡逐渐增多,水听器采集到的杂波信号也会发生相应的变化,如图8所示.

图8 不同空化数下进出口端杂波峰值变化图

由图8可以看出:当空化数由0.466下降至0.365时,进出口端杂波峰值保持平稳,此时离心泵处于正常运行阶段;当空化数由0.365下降至0.232时,进口端杂波峰值随着空化数的降低保持高速增长,此阶段只是零星空泡随着空化数的降低逐渐增多,σ=0.232可以认定为初生空化点;当空化数由0.232降低至0.135时,进口端杂波峰值的增速放缓,空泡已经增加到足以影响泵的扬程,此时离心泵已经进入空化发展阶段;当空化数由0.135降至0.079时,杂波峰值出现断崖式下跌,此时离心泵已经进入严重空化阶段;整个阶段出口端杂波峰值变化较小,没有明显特征.

因此,通过对进口端杂波峰值变化的分析,能够更准确判断空化状态.

2.3 小波时频分析

离心泵内部噪声主要包含流致噪声和空化诱导噪声,其中流致噪声主要指离心泵因叶轮转动而导致的非定常流动直接产生的辐射噪声,空化诱导噪声是离心泵内部气泡的聚集、流动、分裂、溃灭过程中产生的噪声信号.由于泵内部噪声的复杂性,对于空化阶段的判断,可以通过小波时频分析捕捉空化诱导噪声信号的变化.结合杂波峰值变化,文中选取空化数σ=0.365,0.232,0.079阶段的进口端噪声信号进行小波时频分析.

图9为不同空化数下水听器H1的噪声信号小波时频分析,图中I为噪声信号频率强度.

图9 不同空化数下水听器H1小波分析时频图

由图9可以看出:在相同的噪声频率强度标尺下,当空化数σ=0.365时,进口端采集到的噪声信号以一阶叶频信号为主,低频噪声信号较少,此时流致噪声以一阶叶频信号为主,杂波信号较少;当空化数σ=0.232时,一阶叶频信号逐渐减弱,流致噪声信号逐渐被淹没,低频噪声信号增强,杂波增多,此时泵内空泡增多;随着空化数进一步降低,当空化数σ=0.079时,空泡发生溃灭,空泡逐渐减少,一阶叶频信号逐渐显现,但与空化数σ=0.365比较,仍然有部分低频噪声信号,而且一阶叶频信号也相对较弱.

流致噪声信号以一阶叶频为主,基本无杂波信号,空化所诱导的噪声信号中杂波信号较多.通过小波时频分析可以更直观找出正常运行阶段、初生空化阶段以及严重空化阶段之间的差异,也能够准确区分流致噪声和空化诱导噪声的信号.

2.4 HHT时频分析及特征提取

在不同的运行状态下,水听器采集的进出口噪声信号不同,杂波干扰较多,由于出口采集的噪声信号变化规律较小,结合前述的时域以及频域分析,进口端采集的噪声信号变化更为明显,因此采用希尔伯特-黄(HHT)变换对进口端采集的噪声信号进行处理.首先采用EMD分解,自适应分成几个本征模态函数(IMF),然后将各个IMF分量进行希尔伯特-黄变换来提取信号特征,通过计算不同状态下的EMD能量熵的变化进而判断离心泵的运行状态.

2.4.1 EMD分解原理及步骤

EMD方法根据噪声信号的特征尺度,按照频率高低将噪声信号自适应分解成多个IMF分量和一个残留项,且这些IMF分量是窄带信号.可以理解为EMD分解是将信号平稳化的过程[17].本征模态函数(IMF)是EMD处理分析的基本函数,是EMD分析的基础,必须具备以下条件:

1) 在整段信号极值点的个数与过零点个数相同或最多相差1个.

2) 在任意时刻,局部极大值点构成的上包络线与局部极小值点构成的下包络线的平均值为0.

2.4.2 EMD分解结果

以额定流量下空化数σ=0.232为例,对噪声信号进行EMD分解,如图10所示.

图10 空化数σ=0.232时水听器H1的EMD分解

由图10可以看出,不同运行状态下,对离心泵噪声信号进行EMD分解得到的IMF分量幅值有所不同,即能量是有差别的.此特征可以说明,IMF1—4层幅值相对较小,幅值变化较小,高频信号较少,能量较小,而IMF5—8层幅值较大,幅值变化较大,低频信号较多.因此,IMF5—8层分量可以用来作为识别离心泵运行状态特征.

2.4.3 EMD能量熵特征

不同空化数下,单叶片离心泵噪声信号的能量有所不同.通过EMD能量熵来区分离心泵所处的不同空化状态,当信号经EMD分解后,n个IMF分量c1(t),c2(t),c3(t),…,cn(t)包含了不同的频率成分,n个IMF分量的能量分别为E1,E2,E3,…,En,形成了信号在频域内的一种划分.

定义EMD能量熵为

(1)

式中:pi为第i个IMF分量的能量占整个信号能量的百分比,pi=Ei/E(i=1,2,…,n),其中E为整个信号的能量,E=∑Ei.

EMD能量熵用来描述信号能量随着频率变化的情况[18],根据式(1),计算出不同空化数下各组数据的EMD能量熵,如表1所示.可以看出:当空化数由σ=0.466下降至σ=0.232,EMD能量熵值逐渐增大;当空化数由σ=0.232下降至σ=0.135,熵值增速放缓;当空化数由σ=0.135下降至σ=0.072,熵值快速下跌,由于此时杂波幅值下降,一阶叶频逐渐显现,能量熵值会出现回弹现象.结合表中数据来看,在同一工况下,EMD能量熵值只在小幅度范围内波动.

图11为不同空化数下EMD能量熵值与信号峰值变化曲线,可以看出:EMD能量熵值曲线与进口端杂波曲线在趋势上有一定吻合,当空化数由σ=0.365下降至σ=0.232时,进口端一阶叶频信号的幅值较大,熵值曲线和进口端杂波幅值曲线都处于高速增长阶段;当空化数由σ=0.232下降至σ=0.135时,由于此时的一阶叶频信号幅值逐渐减小,进口端杂波峰值较大,杂波峰值曲线和熵值曲线也是高度吻合,增速都放缓;当空化数由σ=0.135下降至σ=0.079时,杂波峰值曲线和熵值曲线都出现了断崖式下跌,一阶叶频信号幅值迅速上升,此阶段处于一阶叶频幅值上升,低频杂波幅值下降的时刻,导致熵值不稳定,出现回弹现象.

表1 不同空化数下的EMD能量熵值

图11 不同空化数下的EMD能量熵值与信号峰值变化图

综上所述,随着空化不断发展,EMD能量熵值先逐渐升高,然后大幅下降,初生空化阶段EMD能量熵值最大,EMD能量熵值能够反映不同阶段的空化状态.

3 结 论

通过对单叶片离心泵进行空化试验,使用水听器采集噪声信号,并采用小波分析与HHT变换相结合的方法对采集的噪声信号进行分析,得到结论如下:

1) 单叶片离心泵内部空化诱导的噪声信号特性主要集中在进口端低频段杂波信号的变化,出口端噪声信号没有明显特征.

2) 使用水听器采集单叶片离心泵内噪声信号并进行分析,可以定位离心泵所处的空化状态.采用小波分析可以对空化诱导噪声与流致噪声进行区分.

3) EMD能量熵值可作为一种有效的特征参数来区分单叶片离心泵不同的运行状态.在整个离心泵运行过程中,初生空化阶段EMD能量熵值最大,EMD能量熵值先逐渐升高,而后大幅下降.