液體射流泵空化噪聲與振動(dòng)試驗(yàn)

1、第25卷第4期2007年7月排灌機(jī)械D rainage and Irrigati on MachineryVol .25No .4July 2007液體射流泵空化噪聲與振動(dòng)試驗(yàn)龍新平1,2,王磊1,2(1.武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院,湖北武漢430072; 2.湖北省流體機(jī)械與動(dòng)力工程裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430072摘要:針對液體射流泵的空化噪聲與振動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究;運(yùn)用B&K 加速度儀和水聽器對射流泵各部位在不同工況下的空化噪聲與振動(dòng)進(jìn)行了測量。結(jié)果表明:(1射流泵空化噪聲以單極子聲源為主,隨著流速和紊流度的增大,偶極子作用逐漸增大;(2射流泵空化噪聲與振動(dòng)隨空化程度加劇而更強(qiáng)烈,最強(qiáng)烈

2、處也從喉管向擴(kuò)散管轉(zhuǎn)移;(3射流泵面積比越小,達(dá)到臨界空化前噪聲頻譜波動(dòng)越強(qiáng),臨界空化之后噪聲譜級趨于平穩(wěn),隨頻率增加而遞減;(4初生空化出現(xiàn)前后噪聲在整個(gè)頻域范圍內(nèi)都有一個(gè)較大的躍升,約510d B ,此躍升可作為判斷初生空化的參考方法;(5泵體3個(gè)正交方向振動(dòng)并不相同,徑向振動(dòng)較軸向更為明顯。關(guān)鍵詞:射流泵;空化噪聲;振動(dòng);頻譜分析;B&K 加速度儀中圖分類號:T V131;T B52文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1005-6254(200704-0001-05Experi m ent on cavit ati on noise and vi brati on i n li qui d jet

3、 pu mpLON G X in 2ping1,2,WAN G L ei1,2(1.School of Power and Mechanical Engineering,W uhan University,W uhan,Hubei 430072,China; 2.Hubei Pr ovincial Key Laborat ory of Fluid Machinery and Power Engineering Equi pment Technol ogy,W uhan,Hubei 430072,China Abstract:The experi m ental study on the noi

4、se and vibrati on in liquid jet pump was conducted .The B&K acceler ometer and hydr ophone were used for the measure ment of the cavitati on noise and vibrati on at dif 2ferent part of jet pu mp under different operating modes .The measured results reveal that:(1The p ri 2mary s ource of cavitati on

5、 noise in jet pump is monopole s ource and the effect of di pole s ource increaseswith the aug ment of vel ocity and intensity of turbulence;(2W ith the devel opment of cavitati on,the in 2tensity of noise and vibrati on increase and the most intensive p lace moves fr om thr oat tube t o diffuser;(3

6、Before critical cavitati on,the s maller the area rati o is,the str onger the fluctuati on of noise s pectrum is .I n post critical cavitati on stage,the noise s pectru m degree decreases s moothly with the increase of fre 2quency;(4W hen inci p ient cavitati on occurs,there is a shar p increase abo

7、ut 510dB at the whole s pectru m.This shar p increase can be adop ted as an indicat or of whether or not the inci p ient cavitati on oc 2curs;(5The vibrati ons in three orthogonal directi ons are in different modes .The vibrati on per pendicular t o the axial directi on over whel m s that t o the ax

8、ial directi on .Key words:jet pump;cavitati on noise;vibrati on;s pectrum analysis;B&K acceler ometer收稿日期:2007-05-17基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50579060作者簡介:龍新平(1967-,男,湖北監(jiān)利人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事流體機(jī)械及工程、噴射技術(shù)的理論及應(yīng)用方面的研究。王磊(1982-,男,湖北通城人,碩士,主要從事流體機(jī)械及工程、噴射技術(shù)的理論及應(yīng)用方面的研究。射流泵是一種利用湍射流的紊動(dòng)擴(kuò)散作用來傳遞能量與質(zhì)量的流體機(jī)械與混合反應(yīng)設(shè)備。典型的射流泵主要

9、由噴嘴、吸入室、喉管和擴(kuò)散管等部件組成,其工作原理是:高壓工作流體通過噴嘴射入泵內(nèi),使泵內(nèi)形成低壓將被吸流體吸入泵內(nèi),兩股流體在喉管內(nèi)混合,通過紊動(dòng)擴(kuò)散作用進(jìn)行能量與質(zhì)量的交換,再通過擴(kuò)散管將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能把流體輸送出去。與其他類型泵相比,其主要特點(diǎn)是沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件,因而具有以下優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單,加工容易,成本低廉,便于推廣;工作可靠,密封性好,特別適合于輸送有毒、易爆、易燃和放射性介質(zhì);便于綜合利用,除作為輸送機(jī)械使用外,還可兼作混合反應(yīng)設(shè)備,各種有壓能源(廢水、廢氣都可作為工作動(dòng)力而直接利用。與其他類型泵一樣,液體射流泵也存在汽蝕(即空化,Cavitati on問題的困擾。當(dāng)射流泵喉管入口處或

10、喉管內(nèi)壓力降低到液體汽化壓力時(shí),溶解于液體中的氣體逸出,形成零星的微小氣泡隨水流向下游運(yùn)動(dòng)。隨著出口壓力的降低(或工作壓力的提高,工作射流與被抽吸液體間剪切層內(nèi)產(chǎn)生較大的脈動(dòng)壓力,該處出現(xiàn)零星的空化泡,此時(shí)為空化的初生階段;隨著出口壓力的進(jìn)一步降低,空化泡增多,形成形狀基本穩(wěn)定的空化云?？栈蓦S主流進(jìn)入喉管末端及擴(kuò)散管,空化處于發(fā)展階段;進(jìn)一步降低出口壓力,則大量空化泡在喉管后端聚集,空化云面積增大,有效過水?dāng)嗝婕眲p小,導(dǎo)致局部流速增加,阻力增大,此時(shí)吸入流量不再隨出口壓力降低而增加,達(dá)到極限值;同時(shí),空泡進(jìn)入擴(kuò)散管時(shí)大量潰滅,產(chǎn)生很大的沖擊和振動(dòng),消耗液流的大量能量,使泵的性能和運(yùn)行效率急

11、劇下降。此工況為射流泵的極限空化工況。長期在此工況下運(yùn)行會(huì)縮短泵的使用壽命,甚至危及整個(gè)輸運(yùn)系統(tǒng)的安全,導(dǎo)致事故的發(fā)生。因此,對射流泵的振動(dòng)和噪聲,特別是空化時(shí)的振動(dòng)和噪聲進(jìn)行深入的研究,顯得十分必要。1試驗(yàn)研究1.1試驗(yàn)裝置與儀器試驗(yàn)裝置如圖1所示5。試驗(yàn)時(shí),工作水流Q0由離心泵加壓后從噴嘴高速射出,使泵內(nèi)形成低壓,并將被吸入水流Qs從水箱中吸入泵內(nèi),混合后的水流Q+Q s通過擴(kuò)散管將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓能,然后輸出于射流泵。一平板將水箱分隔為兩部分,同時(shí)它起溢流的作用,與補(bǔ)水的調(diào)節(jié)閥門配合,使水箱內(nèi)被抽吸水的水位保持恒定。射流泵工作水流與混合水流的流量分別由閥門14和1控制并由電磁流量計(jì)13和

12、2來測定。試驗(yàn)采用15個(gè)壓力傳感器測量射流泵進(jìn)、出口及喉管至擴(kuò)散管各處的壓力。另有一塊壓力表安裝于射流泵工作水流進(jìn)水管上,用于監(jiān)控工作水射流的壓力p 。圖1裝置示意圖射流泵泵體采用有機(jī)玻璃制作,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。從吸入口至擴(kuò)散管,共分布12個(gè)測壓點(diǎn),從左向右依次編號為測點(diǎn)112。在喉管部分加裝方形水盒,便于盛水后觀察空化現(xiàn)象。噴嘴采用黃銅制作,并可更換。試驗(yàn)共采用了出口內(nèi)徑分別為11.91,16.0,17.93mm的3種噴嘴。射流泵喉管的內(nèi)徑為40mm。因此,它們可以裝配成面積比分別為11.28,6.25,4.98的3種射流泵 。圖2射流泵結(jié)構(gòu)圖(喉管和擴(kuò)散管下端小圓柱為測壓孔,即測點(diǎn)。從左向

13、右依次為測點(diǎn)1至12本試驗(yàn)使用丹麥B rel&Kjr公司生產(chǎn)的B&K 加速度儀,型號為type7521,3個(gè)加速度傳感器型號2排灌機(jī)械第25卷均為type3022;水聽器為壓電式,型號為type8103。壓力傳感器型號為:CY3018G BP M3H,輸出電流為:4 20mA,精度為0.5%。試驗(yàn)使用Nova-Str obe DA 型便攜式數(shù)字頻閃儀觀察射流泵內(nèi)的空化情況。試驗(yàn)裝置的進(jìn)、出口段分別安裝口徑為50和80mm 的I FS4000型電磁流量計(jì)。試驗(yàn)中還用到溶解氧分析儀和溫度計(jì)等儀器。1.2試驗(yàn)過程與測試工況的選取試驗(yàn)中,通過閥門的調(diào)節(jié),使每種面積比的射流泵分別工作在無空化、初生空化、

14、極限空化和過極限空化等4個(gè)典型工況下。其中,初生空化和極限空化工況是兩個(gè)最重要的工況。保持工作壓力穩(wěn)定,控制射流泵出口閥門,若觀察到噴嘴出口有零星空化泡隨射流向下游運(yùn)動(dòng),則此時(shí)達(dá)到初生空化工況。繼續(xù)開大出口閥門,空化逐漸發(fā)展,當(dāng)出口流量不隨出口壓力的降低而增加時(shí),則達(dá)到極限空化工況。初生空化與極限空化之間為空化發(fā)展工況,極限空化之后為過極限空化工況。使用B&K水聽器測量喉管軸向67個(gè)不同位置(從喉管部分測點(diǎn)28中選取,見圖2的聲輻射,并使用3個(gè)B&K加速度計(jì)測量喉管前端與擴(kuò)散管前端(測點(diǎn)3與10兩處3個(gè)正交方向上的振動(dòng)加速度。試驗(yàn)時(shí),先使射流泵在低壓無空化工況下穩(wěn)定運(yùn)行,測量此時(shí)的振動(dòng)與噪聲,

15、作為對比的基本噪聲與振動(dòng)信號;再選用3個(gè)典型工作壓力,對每種面積比射流泵分別進(jìn)行4種典型空化工況下的噪聲與振動(dòng)測量。1.3測試結(jié)果分析利用B&K加速度儀Pulse系統(tǒng)的7700型聲學(xué)與振動(dòng)分析軟件對測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。該軟件包括FFT,CP B(1/n倍頻程分析和總級值分析。分析結(jié)果可以用時(shí)域圖、頻域圖、CP B頻程圖等顯示。限于篇幅,僅從大量測量結(jié)果中選取噴嘴出口內(nèi)徑為16.0mm的射流泵在工作壓力p=0.36 MPa時(shí)的測試結(jié)果來進(jìn)行分析。為了揭示噪聲變化趨勢,將空化過程中不同工況、不同測點(diǎn)的噪聲頻域和時(shí)域信號都顯示在同一張頻域圖或時(shí)域圖中。圖36為射流泵在不同空化階段下各測點(diǎn)噪聲頻域圖

16、。為了剔除背景噪聲的影響,從極限空化工況的噪聲信號減去無空化工況的噪聲信號,即可得到完全由于空化產(chǎn)生的噪聲信號,如圖7所示。圖89為射流泵在不同空化階段下各測點(diǎn)噪聲時(shí)域圖。為了揭示不同測點(diǎn)在不同方向上的振動(dòng)特性,將兩測點(diǎn)在各個(gè)空化工況下3個(gè)正交方向的振動(dòng)時(shí)域性能分別放在圖1015中 。圖3p=0.36MPa 無空化喉管各測點(diǎn)噪聲頻域圖圖4p=0.36M Pa 初生空化喉管各測點(diǎn)噪聲頻域圖圖5p=0.36M Pa 極限空化喉管各測點(diǎn)噪聲頻域圖圖6p=0.36MPa 過極限空化喉管各測點(diǎn)噪聲頻域圖圖7p=0.36M Pa 空化噪聲頻譜變化趨勢圖圖8p=0.36M Pa 初生空化喉管各測點(diǎn)噪聲時(shí)域圖

17、圖9p=0.36M Pa極限空化喉管各測點(diǎn)噪聲時(shí)域圖3第4期龍新平等:液體射流泵空化噪聲與振動(dòng)試驗(yàn) 圖10p 0 =0.36MPa 初生空化喉管測點(diǎn)3 處振動(dòng)時(shí)域圖圖11p 0=0.36MPa 初生空化喉管測點(diǎn)10 處振動(dòng)時(shí)域圖圖12p 0=0.36MPa 極限空化喉管測點(diǎn)3 處振動(dòng)時(shí)域圖圖13p 0=0.36MPa 極限空化喉管測點(diǎn)10 處振動(dòng)時(shí)域圖圖14p 0=0.36M Pa 過極限空化喉管測點(diǎn)3 處振動(dòng)時(shí)域圖圖15p 0=0.36MPa 過極限空化喉管測點(diǎn)10處振動(dòng)時(shí)域圖2結(jié)果分析2.1噪聲分析從圖36中可以看出,射流泵輻射出的噪聲,不論空化與否,均在低頻范圍(5kHz 以下表現(xiàn)顯著,

18、說明單極子聲源起主要作用。在空化出現(xiàn)后,1015kHz 間出現(xiàn)頻率波峰,聲級要比附近的頻率高,說明偶極子聲源作用逐漸增強(qiáng)6,7。比較射流泵初生空化前后噪聲情況,即圖3和圖4,發(fā)現(xiàn)空化出現(xiàn)前后噪聲在整個(gè)頻域范圍內(nèi)都有一個(gè)較大的躍升,約有510dB 。這個(gè)躍升可作為判斷初生空化的參考方法。從圖8的初生空化噪聲聲壓時(shí)域圖中可發(fā)現(xiàn):空化初生各處聲壓產(chǎn)生較大的脈動(dòng),但均值依然平穩(wěn)而無波動(dòng),而空化初生時(shí)測點(diǎn)3處聲壓變?yōu)樽畲?。比較圖5和圖6可以看出,達(dá)到極限空化后,若空化進(jìn)一步發(fā)展,20kHz 以上頻率范圍的噪聲聲壓級開始上升,但是20kHz 以下頻率范圍的噪聲聲壓級反而略微有所降低。在時(shí)域圖上,如圖9,可

19、以看出此時(shí)已經(jīng)充分空化,各測點(diǎn)聲壓脈動(dòng)強(qiáng)烈,特別是空泡聚集的喉管后段(即測點(diǎn)68,潰滅后輻射出強(qiáng)烈的噪聲,聲壓脈動(dòng)異常劇烈。另外,過極限空化工況下噪聲聲壓明顯較極限空化工況低,而且可觀察到噴射泵喉管后半段聚集大量空泡,形成空化云。此現(xiàn)象驗(yàn)證了空化云噪聲的干涉效應(yīng)8,即:隨著空化云出現(xiàn),大量空泡聚集在一起,空泡潰滅時(shí)輻射出的聲波相互間發(fā)生干涉,使得空化云輻射出的總噪聲略有減弱。比較圖36發(fā)現(xiàn),在空化不充分時(shí),聲壓級總體上隨頻率增加而降低,但在515kHz 間存在波動(dòng),變化趨勢不甚明顯,如圖34所示;而當(dāng)空化充分發(fā)展達(dá)到極限空化后,可以明顯地看出聲壓級在低頻區(qū)隨頻率增長達(dá)到峰值后在很大的頻域內(nèi)隨頻

20、率增長而降低。此外,圖7比較清晰地顯示了完全由空化誘發(fā)噪聲的變化趨勢,驗(yàn)證了文獻(xiàn)9中空化噪聲頻譜變化趨勢的結(jié)論,即:隨著頻率由低頻向高頻逐漸轉(zhuǎn)移,譜級以612d B /倍頻程的速率增加,達(dá)到一峰值之后在很寬的頻域內(nèi)以6d B /倍頻程的速率下降。在空化發(fā)展的其他階段如此分析,可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn):不論空化程度如何,低頻范圍基本上都存在譜級以612dB /倍頻程的速率增加直到達(dá)到峰值;達(dá)到峰值后,當(dāng)空化不充分時(shí),譜級在1020kHz 間有波動(dòng),只有空化充分發(fā)展時(shí)才在很廣的頻域內(nèi)以6d B /倍頻程的速率下降。峰值并非定值,受射流泵工作壓力和空化程度的影響,但基本在500Hz 1kHz 間。至于圖6,20

21、kHz 以上頻率范圍的噪聲聲壓級開始上升,由于儀器測量范圍限制在25.6kHz 以下,其上的頻率范圍變化趨勢無從知曉,有待進(jìn)一步深入分析研究。4排灌機(jī)械第25卷2.2振動(dòng)分析比較圖1011可見,初生空化時(shí)兩測點(diǎn)3個(gè)方向的振動(dòng)趨勢基本相似,相比之下,由于測點(diǎn)3處出現(xiàn)空化初生,脈動(dòng)較大,豎直方向猶為明顯。圖12 13中兩測點(diǎn)振動(dòng)總體上仍然相似,3個(gè)方向上均顯示出比較明顯的波動(dòng)性,但是由于此時(shí)空化主要在喉管內(nèi)產(chǎn)生并潰滅,因此,測點(diǎn)3處脈動(dòng)較為強(qiáng)烈,特別是豎直與水平方向。圖1415中3個(gè)方向振動(dòng)都很劇烈,但豎直和水平方向的幅值更大。此時(shí),由于大量空泡在擴(kuò)散管潰滅,使得測點(diǎn)10處的振動(dòng)比測點(diǎn)3處更為劇烈

22、。分析振動(dòng)時(shí)域圖發(fā)現(xiàn):各處加速度在初生空化時(shí)穩(wěn)定在某一固定均值附近作微小脈動(dòng),隨著空化的發(fā)展,均值開始產(chǎn)生較大波動(dòng),但脈動(dòng)變化不大。在極限空化工況下脈動(dòng)變得劇烈,加速度呈現(xiàn)出非常強(qiáng)烈的脈動(dòng)性和波動(dòng)性,但仍然穩(wěn)定在某一范圍內(nèi),即由初生空化向極限空化轉(zhuǎn)變過程中,形成由靜態(tài)穩(wěn)定向動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)變。此外,振動(dòng)呈現(xiàn)出很強(qiáng)的方向性,豎直和水平方向,即喉管徑向振動(dòng)比軸向振動(dòng)強(qiáng)烈。射流泵內(nèi)流動(dòng)由初生空化向極限空化轉(zhuǎn)變的過程中,振動(dòng)也是逐漸增強(qiáng),振動(dòng)主要在低頻最為顯著,振動(dòng)最強(qiáng)烈處也從喉管向擴(kuò)散管轉(zhuǎn)移。3結(jié)論通過前面的分析,結(jié)合其他試驗(yàn)成果,可以得出如下結(jié)論。(1射流泵噪聲的主要聲源形式為單極子聲源,隨著流速和紊

23、流度的增大,偶極子聲源的作用逐漸增大。(2初生空化出現(xiàn)前后,噪聲在整個(gè)頻域范圍內(nèi)都有一個(gè)較大的躍升,約510dB。這個(gè)躍升可作為判斷初生空化的參考方法。(3射流泵內(nèi)由初生空化向極限空化轉(zhuǎn)變的過程中,噪聲與振動(dòng)的波動(dòng)性越來越明顯,空化噪聲逐漸增強(qiáng),且噪聲最強(qiáng)處由喉管前端沿流動(dòng)方向逐漸向末端移動(dòng),引起的振動(dòng)也是逐漸增強(qiáng),振動(dòng)主要在低頻最為顯著,振動(dòng)最強(qiáng)烈處也從喉管向擴(kuò)散管轉(zhuǎn)移。泵體三個(gè)相互垂直方向的振動(dòng)并不相同,水平方向與豎直方向(即徑向振動(dòng)較為明顯。(4對于不同噴嘴的射流泵,噴嘴直徑越大,即面積比越小,在極限空化之前,射流噪聲頻譜的波動(dòng)性越強(qiáng)。到達(dá)極限空化之后,噪聲頻譜都趨于平穩(wěn)地隨頻率增加而遞減。(5達(dá)到極限空化后空化進(jìn)一步發(fā)展時(shí),20 kHz以下頻率范圍噪聲聲壓級反而略有降低,此現(xiàn)象驗(yàn)證了空化云噪聲的干涉效應(yīng):隨著空化云的出現(xiàn),大量空泡聚集在一起,空泡潰滅輻射出的聲波間發(fā)生干涉,使得空化云輻射的總噪聲略有減弱。(6驗(yàn)證了文獻(xiàn)10中空化噪聲頻譜變化趨勢的結(jié)論,即:隨著頻率由低頻向高頻逐漸轉(zhuǎn)移,譜級以612dB/倍頻程的速率增加,達(dá)到峰值后在很廣的頻域內(nèi)以6dB/倍頻程的速率下降。不論空化程度如何,低頻范圍譜級都以612dB/倍頻程的速率增