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原文传递船用磁力离心泵振动噪声特性的数值模拟与试验研究

论文题名：	船用磁力离心泵振动噪声特性的数值模拟与试验研究
关键词：	船舶磁力离心泵;振动特性;噪声特性;数值模拟
摘要：	根据舰船用离心泵低振动噪声的要求，本文设计研发了船用磁力离心泵，具有尺寸小、重量轻、高耐压性、无泄漏、低振动、低噪声等特点。　　船用磁力离心泵机组的设计采用了上机下泵的立式结构，叶轮通过圆筒形磁力驱动器驱动，以隔离套对内外磁钢隔离，能够有效避免输运介质的泄漏。隔离套冷却系统采用外循环方式，并增加过滤系统，提升了船用磁力离心泵运行可靠性，延长了其使用寿命。泵主轴导轴承采用石墨轴承，设有的内表面润滑槽能有效提升冷却效果和润滑性能。　　本文运用理论分析、数值计算和试验验证相结合的方法，对船用磁力离心泵总体结构、水力性能、内外声场噪声性能和机组振动性能等关键技术以及相关问题进行研究。搭建了能够同步采集水力性能、内外声场噪声和机组振动参数的综合试验台，并对数值模拟结果进行了试验验证，为今后相关领域的研究提供了有益的参考。主要工作内容和创造性成果如下：　　1.设计研发的125CLB-42型船用磁力离心泵机组，创新性地将船用磁力离心泵和驱动电机合为一体，设置冷却水套，通过水冷方式对驱动电机进行连续冷却，代替了传统的风叶空气冷却，从而能有效地规避了冷却风扇运转时带来的风噪声和机械噪声。按照国家标准，该船用磁力离心泵振动和噪声指标均优于A级。　　2.建立了较高精度的船用磁力离心泵全流场数值模型，开展了网格无关性验证；选择四种不同湍流模型对船用磁力离心泵进行数值模拟，经实型样机试验发现采用SST k-ω湍流模型的模拟结果更接近试验值；在设计流量140m3/h工况下，扬程相对误差为1.52%。　　3.选取四组不同叶片出口安放角模型，对其径向力和压力脉动进行了数值模拟和试验验证，提出了减小径向力和压力脉动、降低振动烈度的有效措施。随着叶片出口安放角的减小，径向力和压力脉动也随之减小。在不同流量工况下，叶片径向力合力的均方根值是叶轮径向力的30%左右，叶轮和叶片径向力波动的主频均为轴频APF(Axial passing frequency)，而叶轮转矩波动的主频是叶频BPF(Blade passing frequency)。样机振动和脉动试验表明：模型25和模型35在0.4Q流量工况下，测点位置处的振动烈度值最大；在1.0Q和1.2Q流量工况下，振动烈度值最小。相同流量工况下，蜗壳断面IV测点位置径向振动烈度值最大。模型25的机组振动烈度相比模型35较小，在不同流量工况下，两模型的振动烈度最大值均小于1.25mm/s，模型25振动烈度最大值仅为0.97mm/s。蜗壳隔舌附近测点压力脉动主频为BPF，蜗壳断面测点和出口测点的主频均为BPF，而叶轮内各测点压力脉动主频均为2APF。在设计流量140m3/h工况下，模型25和模型35的压力脉动模拟值和试验值相对误差均低于6.5%。　　4.建立了船用磁力离心泵内声场流动噪声和外声场流激噪声数值模型，由船用磁力离心泵内部流场的非定常模拟提取的壳体偶极子噪声源，作为内声场和外声场辐射声源边界值，揭示了船用磁力离心泵内声场声压级和外声场噪声指向性分布规律。分析结果表明：在不同流量工况下，在BPF和叶频倍频处，进口和出口监测点的声压级分别有明显的5个和6个峰值，在BPF处声压级峰值最大。船用磁力离心泵内声场噪声辐射向进口和出口方向传播，且向出口方向传播更明显。不同叶片出口安放角下，相同声场平面上外声场噪声指向性在各方向趋势相同，极值方向基本一致。在设计流量140m3/h工况下，BPF和2BPF处Y=0平面的外声场声压级显著小于X=0和Z=0平面的声压级，在BPF处的外声场最大声压级相差分别为7.2dB(A)和8.0dB(A)，在2BPF处的外声场最大声压级相差分别为7.6dB(A)和6.4dB(A)。经样机试验表明：模型25比模型35的测点处外声场声压级整体要低；随着流量的增加，模型25的外声场声压级曲线波动变化较小，模型35的内声场1/3倍频程总声压级变化较小。在设计流量140m3/h工况下，模型35的外声场辐射噪声最大值为73.2dB(A)，最小值为71.5dB(A)；模型25的外声场辐射噪声最大值为72.8dB(A)，最小值仅为71.1dB(A)；模型25的外声场辐射噪声最大值和最小值比模型35均降低0.4dB(A)。　　5.根据单因素分析，筛选出对水力性能和噪声性能影响敏感度高的变量因素，并采用多目标响应曲面优化方法，以船用磁力离心泵效率和内声场噪声为目标，得到拟合性较优的效率和总声压级回归方程，并确定出了叶轮出口直径D2、出口宽度b2、叶片包角Φ、叶片数z四项参数的最优组合。经样机试验表明：响应面优化后的模型效率为77.2%，比原模型效率提升0.8%；优化后的模型内声场1/3倍频程总声压级为143.2dB(A)，比原模型总声压级降低4.4dB(A)。以往文献中，叶轮主要几何参数变量取值范围大，设计时有较大的不确定性，难以使设计的泵振动和噪声性能达到最佳。通过响应面优化研究可以较为具体地明确叶轮主要参数变量的取值，经响应面优化得到的模型在噪声和效率方面均有所突破，可以有效地指导低噪声船用磁力离心泵的研发设计。　　6.根据机翼叶型减阻原理，采用近似机翼叶型设计船用磁力离心泵叶片的创新方案，经样机试验表明：在设计流量140m3/h工况下，近似机翼叶型叶片与原叶片模型相比，扬程为44.1m，提升1.3m；效率为78.6%，提高1.1%；内声场1/3倍频程总声压级为144.5dB(A)，降低1.9dB(A)；外声场辐射噪声最大值和最小值分别降低1.1dB(A)和1.3dB(A)。近似机翼叶型叶片和原叶片模型的外声场辐射噪声最大值分别为72.1dB(A)和73.2dB(A)，最小值分别为70.2dB(A)和71.5dB(A)；结果表明：采用近似机翼叶型叶片能够使船用磁力离心泵的水力性能和噪声性能同步得到较大提升，噪声处于行业领先水平。　　7.验证了双蜗壳隔板延伸和机组减振垫材料硬度方案，对船用磁力离心泵的水力性能和振动噪声的影响。经样机试验表明：在设计流量140m3/h工况下，蜗壳隔板延伸180与延伸100模型相比，扬程为42.8m，提升0.3m；效率为77.5%，提高1.5%；内声场1/3倍频程总声压级为146.4dB(A)，降低2.1dB(A)；外声场辐射噪声最大值和最小值分别降低3.9dB(A)和2.3dB(A)。延伸180和延伸100模型的外声场辐射噪声最大值分别为73.2dB(A)和77.1dB(A)，最小值分别为71.5dB(A)和73.8dB(A)；结果表明：隔板延伸使船用磁力离心泵的水力性能和噪声性能均有提高趋势。减振垫硬度相同的情况下，随着厚度的增加，相同测点位置处的外声场声压级和振动烈度值随之减小；减振垫厚度相同的情况下，随着硬度的降低，相同测点位置处的外声场声压级和振动烈度值随之减小；55HA-20方案下各测点位置处的外声场声压级和振动烈度值均为最小；在设计流量140m3/h工况下，55HA-20方案外声场辐射噪声最大值为72.3dB(A)，最小值仅为70.5dB(A)；振动烈度最大值仅为0.93mm/s；振动烈度处于行业领先水平。
作者：	张洪利
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	孔繁余
授予学位：	博士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2021