離心泵作透平流體誘發(fā)噪聲特性理論數(shù)值與試驗研究.pdf

1、離心泵作透平目前已成為液體能量回收的一種主要技術(shù)，廣泛應用于石油、化工等重要領(lǐng)域。為了提高能量回收效率，離心泵作透平正逐步向大功率化方向發(fā)展，而流體誘發(fā)的噪聲是影響其可靠運行的關(guān)鍵問題之一。流體誘發(fā)噪聲包含偶極子聲源作用下的流動噪聲和流激噪聲，涉及水動力流體載荷、結(jié)構(gòu)響應和聲振耦合等復雜問題。因此，研究離心泵作透平流體誘發(fā)噪聲特性及降噪手段，掌握流動噪聲和流激噪聲產(chǎn)生的機理及傳播規(guī)律，分辨內(nèi)外噪聲能量的主體，能夠為降低離心泵作透平噪聲提

2、供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，同時也能夠為其他葉輪機械的相關(guān)研究提供重要參考。
　　本文采用理論分析、數(shù)值計算和試驗驗證相結(jié)合的研究方法，圍繞余壓能量回收裝置離心泵作透平流體誘發(fā)噪聲問題，對殼體結(jié)構(gòu)的振動響應和流體激勵作用下的聲振特性進行了系統(tǒng)深入的研究，并對透平水力性能和聲學性能綜合優(yōu)化設計進行了有益探索。主要工作和創(chuàng)造性成果如下:
　　1.系統(tǒng)地總結(jié)了國內(nèi)外流動與流激噪聲預測方法的研究進展，分析了基于聲類比理論的聲學邊界元與有限

3、元的優(yōu)缺點、適用范圍以及聲振耦合問題的處理方法，確定了適合離心泵作透平內(nèi)外場噪聲的求解思路，并對兼顧水力與聲學性能的多目標優(yōu)化方法做了較為全面的概括。
　　2.開展了離心泵作透平流體誘發(fā)噪聲特性試驗，揭示了進口至出口的流體噪聲特性及傳遞規(guī)律。試驗表明:流體噪聲主要集中在中低頻段，小流量流體噪聲的低頻寬帶譜特性增強，流體噪聲在內(nèi)部水介質(zhì)中更易于向出口傳播。首次引入試驗模態(tài)分析法，對離心泵作透平轉(zhuǎn)子及殼體結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)進行了識別。在采

4、用模態(tài)置信準則對試驗識別精度校驗的基礎(chǔ)上，獲得了結(jié)構(gòu)完整準確的模態(tài)信息，驗證了有限元模型的準確性。結(jié)果表明，計算與試驗振型近似，固有頻率平均相對誤差小于5.12％，為基于結(jié)構(gòu)模態(tài)的聲振特性分析提供了參考。
　　3.將Richardson外推法應用于湍流模型和網(wǎng)格尺度的誤差分析，確定了全流道流場計算策略，分析了誘發(fā)噪聲的壓力脈動、激勵力特性以及動靜部件間流動周向分布不勻與水力激勵力的關(guān)系。初步探明，離心泵作透平葉輪內(nèi)壓力脈動周期與葉

5、輪轉(zhuǎn)動周期相同，蝸殼內(nèi)壓力脈動周期與葉片數(shù)有關(guān);流體粘性減弱了作用于葉輪和殼體壁面的徑向力，而葉輪流道側(cè)以及葉輪與殼體間隙內(nèi)的流動使其有所增強;靜壓和速度的周向分布不均是導致非定常水力激勵力不平衡的主要原因。
　　4.首次建立了離心泵作透平內(nèi)外場流動噪聲以及流激噪聲的分析模型，識別出了不同性質(zhì)噪聲源的頻譜特征及其在內(nèi)外場噪聲中的貢獻。相對于以往采用間接邊界元對內(nèi)外聲場同時求解的方法，該模型考慮了殼體內(nèi)外介質(zhì)不同的特性，在處理外場無

6、界物理域時更具優(yōu)勢。研究表明，流體激勵殼體振動在透平內(nèi)輻射的流激噪聲小于流體自身偶極子源產(chǎn)生的流動噪聲;而外場情況下，流體激勵殼體振動輻射的流激噪聲貢獻較大。同時開展試驗研究，證實了考慮結(jié)構(gòu)振動殼體聲源作用的流動噪聲能夠體現(xiàn)多聲源的共同作用，計算與試驗頻譜曲線吻合較好，葉頻及其倍頻下最大誤差僅為6.9％，由此來預測內(nèi)場噪聲從定性和定量上是可行的。
　　5.建立了一種基于試驗設計和響應面的離心泵作透平水力和聲學性能多目標優(yōu)化方法，即

7、在對比分析葉輪幾何參數(shù)對透平性能和噪聲影響的基礎(chǔ)上，根據(jù)靈敏度篩選出對噪聲影響顯著的關(guān)鍵參數(shù)，進而以效率不降低和總聲壓級最小為響應目標，構(gòu)造顯著變量與多目標函數(shù)的響應面多元回歸模型，兼顧性能與噪聲確定最優(yōu)參數(shù)組合，分析影響效率與噪聲的參數(shù)間交互作用。研究得知，葉輪進口直徑、葉片出口寬度、葉片數(shù)及葉片包角對噪聲影響顯著;經(jīng)試驗驗證優(yōu)化后透平效率平均提高了1.98個百分點，1/3倍頻程總聲壓級降低了4.95dB(A)。
　　6.從同相

8、位脈動水動力作用面積與輻射噪聲之間的關(guān)系出發(fā)，基于葉片和隔舌的相對傾斜關(guān)系，建立了葉片與隔舌異向傾斜角度關(guān)系式，提出了在保證性能前提下傾斜葉片、隔舌以及添加分流葉片的主動控制降噪方法。研究表明，傾斜葉片可以保持離心泵作透平的原有水力性能，傾斜隔舌使得全流量范圍效率均有所增加，添加分流葉片使得大流量區(qū)效率增加;傾斜葉片、隔舌及添加分流葉片均能降低整體頻段的總聲能。三組不同組合型式試驗表明，所提降噪方法能夠同時提升透平的水力性能和噪聲性能，