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1、液体射流泵空化噪声与振动试验（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑 完整版实用资料，欢迎下载）第25卷第4期2007年7月排灌机械D rainage and Irrigati on MachineryVol .25No .4July 2007液体射流泵空化噪声与振动试验龙新平1,2,王磊1,2(1.武汉大学动力与机械学院,湖北武汉430072; 2.湖北省流体机械与动力工程装备技术重点实验室,湖北武汉430072摘要:针对液体射流泵的空化噪声与振动进行了试验研究;运用B&K 加速度仪和水听器对射流泵各部位在不同工况下的空化噪声与振动进行了测量。结果表明:(1射流泵空化噪声以单极子声源为主,随
2、着流速和紊流度的增大,偶极子作用逐渐增大;(2射流泵空化噪声与振动随空化程度加剧而更强烈,最强烈处也从喉管向扩散管转移;(3射流泵面积比越小,达到临界空化前噪声频谱波动越强,临界空化之后噪声谱级趋于平稳,随频率增加而递减;(4初生空化出现前后噪声在整个频域范围内都有一个较大的跃升,约510d B ,此跃升可作为判断初生空化的参考方法;(5泵体3个正交方向振动并不相同,径向振动较轴向更为明显。关键词:射流泵;空化噪声;振动;频谱分析;B&K 加速度仪中图分类号:T V131;T B52文献标识码:A 文章编号:1005-6254(200704-0001-05Experi m ent on cav
3、it ati on noise and vi brati on i n li qui d jet 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,Ch
4、ina Abstract:The experi m ental study on the noise 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 rev
5、eal that:(1The p ri 2mary s ource of cavitati on 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
6、 p lace moves fr om thr oat tube t o diffuser;(3Before 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 c
7、avitati on occurs,there is a shar p increase about 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 th
8、e axial directi on over whel m s that t o the axial 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基金项目:国家自然科学基金资助项目(50579060作者简介:龙新平(1967-,男,湖北监利人,博士,教授,博士生导师,主要从事流体机械及工程、喷射技术的理论及应用方面的研究。王磊(1982-,男,湖北通城人,硕士,主要从事流体机械及工程、喷射技术的理论及应用方面的研究
9、。射流泵是一种利用湍射流的紊动扩散作用来传递能量与质量的流体机械与混合反应设备。典型的射流泵主要由喷嘴、吸入室、喉管和扩散管等部件组成,其工作原理是:高压工作流体通过喷嘴射入泵内,使泵内形成低压将被吸流体吸入泵内,两股流体在喉管内混合,通过紊动扩散作用进行能量与质量的交换,再通过扩散管将动能转化为压能把流体输送出去。与其他类型泵相比,其主要特点是没有转动部件,因而具有以下优点:结构简单,加工容易,成本低廉,便于推广;工作可靠,密封性好,特别适合于输送有毒、易爆、易燃和放射性介质;便于综合利用,除作为输送机械使用外,还可兼作混合反应设备,各种有压能源(废水、废气都可作为工作动力而直接利用。与其他
10、类型泵一样,液体射流泵也存在汽蚀(即空化,Cavitati on问题的困扰。当射流泵喉管入口处或喉管内压力降低到液体汽化压力时,溶解于液体中的气体逸出,形成零星的微小气泡随水流向下游运动。随着出口压力的降低(或工作压力的提高,工作射流与被抽吸液体间剪切层内产生较大的脉动压力,该处出现零星的空化泡,此时为空化的初生阶段;随着出口压力的进一步降低,空化泡增多,形成形状基本稳定的空化云。空化泡随主流进入喉管末端及扩散管,空化处于发展阶段;进一步降低出口压力,则大量空化泡在喉管后端聚集,空化云面积增大,有效过水断面急剧减小,导致局部流速增加,阻力增大,此时吸入流量不再随出口压力降低而增加,达到极限值;
11、同时,空泡进入扩散管时大量溃灭,产生很大的冲击和振动,消耗液流的大量能量,使泵的性能和运行效率急剧下降。此工况为射流泵的极限空化工况。长期在此工况下运行会缩短泵的使用寿命,甚至危及整个输运系统的安全,导致事故的发生。因此,对射流泵的振动和噪声,特别是空化时的振动和噪声进行深入的研究,显得十分必要。A.A.Kudirka and M. A.Decoster1对高温水射流泵的空化特性进行了研究。陆宏圻2通过对泵内流场的压力谱和能量谱的分析对射流泵的噪声进行了实验研究,但对空化噪声的研究不够深入。李福天3用水听器测试了喉管入口、喉管中部和喉管出口附近的声学特性,他发现无论射流泵是在正常工况还是在极限
12、工况下运行,其声波频谱变化很平缓未发现有明显的尖峰。龙新平等4等对不同空化阶段的特征进行了研究。总之,关于射流泵空化噪声的研究还很不充分,很多成果互相冲突,这些都需要进行更深入的研究。为此,笔者利用B&K加速度仪及水听器测量了射流泵在不同部位及不同空化工况下的噪声与振动情况,再利用Pulse声学软件中的频谱分析和傅立叶变换等声学分析技术,对测量数据进行处理和分析,揭示了射流泵内噪声的发声机理、声场特性和振动的变化规律。1试验研究1.1试验装置与仪器试验装置如图1所示5。试验时,工作水流Q0由离心泵加压后从喷嘴高速射出,使泵内形成低压,并将被吸入水流Qs从水箱中吸入泵内,混合后的水流Q+Q s通
13、过扩散管将部分动能转换为压能,然后输出于射流泵。一平板将水箱分隔为两部分,同时它起溢流的作用,与补水的调节阀门配合,使水箱内被抽吸水的水位保持恒定。射流泵工作水流与混合水流的流量分别由阀门14和1控制并由电磁流量计13和2来测定。试验采用15个压力传感器测量射流泵进、出口及喉管至扩散管各处的压力。另有一块压力表安装于射流泵工作水流进水管上,用于监控工作水射流的压力p 。图1装置示意图射流泵泵体采用有机玻璃制作,其结构如图2所示。从吸入口至扩散管,共分布12个测压点,从左向右依次编号为测点112。在喉管部分加装方形水盒,便于盛水后观察空化现象。喷嘴采用黄铜制作,并可更换。试验共采用了出口内径分别
14、为11.91,16.0,17.93mm的3种喷嘴。射流泵喉管的内径为40mm。因此,它们可以装配成面积比分别为11.28,6.25,4.98的3种射流泵 。图2射流泵结构图(喉管和扩散管下端小圆柱为测压孔,即测点。从左向右依次为测点1至12本试验使用丹麦B rel&Kjr公司生产的B&K 加速度仪,型号为type7521,3个加速度传感器型号2排灌机械第25卷均为type3022;水听器为压电式,型号为type8103。压力传感器型号为:CY3018G BP M3H,输出电流为:4 20mA,精度为0.5%。试验使用Nova-Str obe DA 型便携式数字频闪仪观察射流泵内的空化情况。试验
15、装置的进、出口段分别安装口径为50和80mm 的I FS4000型电磁流量计。试验中还用到溶解氧分析仪和温度计等仪器。1.2试验过程与测试工况的选取试验中,通过阀门的调节,使每种面积比的射流泵分别工作在无空化、初生空化、极限空化和过极限空化等4个典型工况下。其中,初生空化和极限空化工况是两个最重要的工况。保持工作压力稳定,控制射流泵出口阀门,若观察到喷嘴出口有零星空化泡随射流向下游运动,则此时达到初生空化工况。继续开大出口阀门,空化逐渐发展,当出口流量不随出口压力的降低而增加时,则达到极限空化工况。初生空化与极限空化之间为空化发展工况,极限空化之后为过极限空化工况。使用B&K水听器测量喉管轴向
16、67个不同位置(从喉管部分测点28中选取,见图2的声辐射,并使用3个B&K加速度计测量喉管前端与扩散管前端(测点3与10两处3个正交方向上的振动加速度。试验时,先使射流泵在低压无空化工况下稳定运行,测量此时的振动与噪声,作为对比的基本噪声与振动信号;再选用3个典型工作压力,对每种面积比射流泵分别进行4种典型空化工况下的噪声与振动测量。1.3测试结果分析利用B&K加速度仪Pulse系统的7700型声学与振动分析软件对测量结果进行数据处理。该软件包括FFT,CP B(1/n倍频程分析和总级值分析。分析结果可以用时域图、频域图、CP B频程图等显示。限于篇幅,仅从大量测量结果中选取喷嘴出口内径为16
17、.0mm的射流泵在工作压力p=0.36 MPa时的测试结果来进行分析。为了揭示噪声变化趋势,将空化过程中不同工况、不同测点的噪声频域和时域信号都显示在同一张频域图或时域图中。图36为射流泵在不同空化阶段下各测点噪声频域图。为了剔除背景噪声的影响,从极限空化工况的噪声信号减去无空化工况的噪声信号,即可得到完全由于空化产生的噪声信号,如图7所示。图89为射流泵在不同空化阶段下各测点噪声时域图。为了揭示不同测点在不同方向上的振动特性,将两测点在各个空化工况下3个正交方向的振动时域性能分别放在图1015中 。图3p=0.36MPa 无空化喉管各测点噪声频域图图4p=0.36M Pa 初生空化喉管各测点
18、噪声频域图图5p=0.36M Pa 极限空化喉管各测点噪声频域图图6p=0.36MPa 过极限空化喉管各测点噪声频域图图7p=0.36M Pa 空化噪声频谱变化趋势图图8p=0.36M Pa 初生空化喉管各测点噪声时域图图9p=0.36M Pa极限空化喉管各测点噪声时域图3第4期龙新平等:液体射流泵空化噪声与振动试验 图10p 0 =0.36MPa 初生空化喉管测点3 处振动时域图图11p 0=0.36MPa 初生空化喉管测点10 处振动时域图图12p 0=0.36MPa 极限空化喉管测点3 处振动时域图图13p 0=0.36MPa 极限空化喉管测点10 处振动时域图图14p 0=0.36M
19、Pa 过极限空化喉管测点3 处振动时域图图15p 0=0.36MPa 过极限空化喉管测点10处振动时域图2结果分析2.1噪声分析从图36中可以看出,射流泵辐射出的噪声,不论空化与否,均在低频范围(5kHz 以下表现显著,说明单极子声源起主要作用。在空化出现后,1015kHz 间出现频率波峰,声级要比附近的频率高,说明偶极子声源作用逐渐增强6,7。比较射流泵初生空化前后噪声情况,即图3和图4,发现空化出现前后噪声在整个频域范围内都有一个较大的跃升,约有510dB 。这个跃升可作为判断初生空化的参考方法。从图8的初生空化噪声声压时域图中可发现:空化初生各处声压产生较大的脉动,但均值依然平稳而无波动
20、,而空化初生时测点3处声压变为最大。比较图5和图6可以看出,达到极限空化后,若空化进一步发展,20kHz 以上频率范围的噪声声压级开始上升,但是20kHz 以下频率范围的噪声声压级反而略微有所降低。在时域图上,如图9,可以看出此时已经充分空化,各测点声压脉动强烈,特别是空泡聚集的喉管后段(即测点68,溃灭后辐射出强烈的噪声,声压脉动异常剧烈。另外,过极限空化工况下噪声声压明显较极限空化工况低,而且可观察到喷射泵喉管后半段聚集大量空泡,形成空化云。此现象验证了空化云噪声的干涉效应8,即:随着空化云出现,大量空泡聚集在一起,空泡溃灭时辐射出的声波相互间发生干涉,使得空化云辐射出的总噪声略有减弱。比
21、较图36发现,在空化不充分时,声压级总体上随频率增加而降低,但在515kHz 间存在波动,变化趋势不甚明显,如图34所示;而当空化充分发展达到极限空化后,可以明显地看出声压级在低频区随频率增长达到峰值后在很大的频域内随频率增长而降低。此外,图7比较清晰地显示了完全由空化诱发噪声的变化趋势,验证了文献9中空化噪声频谱变化趋势的结论,即:随着频率由低频向高频逐渐转移,谱级以612d B /倍频程的速率增加,达到一峰值之后在很宽的频域内以6d B /倍频程的速率下降。在空化发展的其他阶段如此分析,可进一步发现:不论空化程度如何,低频范围基本上都存在谱级以612dB /倍频程的速率增加直到达到峰值;达
22、到峰值后,当空化不充分时,谱级在1020kHz 间有波动,只有空化充分发展时才在很广的频域内以6d B /倍频程的速率下降。峰值并非定值,受射流泵工作压力和空化程度的影响,但基本在500Hz 1kHz 间。至于图6,20kHz 以上频率范围的噪声声压级开始上升,由于仪器测量范围限制在25.6kHz 以下,其上的频率范围变化趋势无从知晓,有待进一步深入分析研究。4排灌机械第25卷2.2振动分析比较图1011可见,初生空化时两测点3个方向的振动趋势基本相似,相比之下,由于测点3处出现空化初生,脉动较大,竖直方向犹为明显。图12 13中两测点振动总体上仍然相似,3个方向上均显示出比较明显的波动性,但
23、是由于此时空化主要在喉管内产生并溃灭,因此,测点3处脉动较为强烈,特别是竖直与水平方向。图1415中3个方向振动都很剧烈,但竖直和水平方向的幅值更大。此时,由于大量空泡在扩散管溃灭,使得测点10处的振动比测点3处更为剧烈。分析振动时域图发现:各处加速度在初生空化时稳定在某一固定均值附近作微小脉动,随着空化的发展,均值开始产生较大波动,但脉动变化不大。在极限空化工况下脉动变得剧烈,加速度呈现出非常强烈的脉动性和波动性,但仍然稳定在某一范围内,即由初生空化向极限空化转变过程中,形成由静态稳定向动态稳定的转变。此外,振动呈现出很强的方向性,竖直和水平方向,即喉管径向振动比轴向振动强烈。射流泵内流动由
24、初生空化向极限空化转变的过程中,振动也是逐渐增强,振动主要在低频最为显著,振动最强烈处也从喉管向扩散管转移。3结论通过前面的分析,结合其他试验成果,可以得出如下结论。(1射流泵噪声的主要声源形式为单极子声源,随着流速和紊流度的增大,偶极子声源的作用逐渐增大。(2初生空化出现前后,噪声在整个频域范围内都有一个较大的跃升,约510dB。这个跃升可作为判断初生空化的参考方法。(3射流泵内由初生空化向极限空化转变的过程中,噪声与振动的波动性越来越明显,空化噪声逐渐增强,且噪声最强处由喉管前端沿流动方向逐渐向末端移动,引起的振动也是逐渐增强,振动主要在低频最为显著,振动最强烈处也从喉管向扩散管转移。泵体
25、三个相互垂直方向的振动并不相同,水平方向与竖直方向(即径向振动较为明显。(4对于不同喷嘴的射流泵,喷嘴直径越大,即面积比越小,在极限空化之前,射流噪声频谱的波动性越强。到达极限空化之后,噪声频谱都趋于平稳地随频率增加而递减。(5达到极限空化后空化进一步发展时,20 kHz以下频率范围噪声声压级反而略有降低,此现象验证了空化云噪声的干涉效应:随着空化云的出现,大量空泡聚集在一起,空泡溃灭辐射出的声波间发生干涉,使得空化云辐射的总噪声略有减弱。(6验证了文献10中空化噪声频谱变化趋势的结论,即:随着频率由低频向高频逐渐转移,谱级以612dB/倍频程的速率增加,达到峰值后在很广的频域内以6dB/倍频
26、程的速率下降。不论空化程度如何,低频范围谱级都以612dB/倍频程的速率增加达到峰值。此外,本实验发现:在峰值后,当空化不充分时谱级在1020kHz间有波动,只有空化充分时才在很广的频域内以6dB/倍频程的速率下降。峰值并非定值,它受工作压力、空化程度的影响而略有变化,但基本在500Hz1kHz间。致谢:感谢国家自然科学基金项目50579060的资助。感谢蒋劲、李廷浩老师以及姚昊、郭志伟同学对本实验的大力帮助。参考文献(References1Kudirka A A,Decoster M A.Jet pu mp cavitati on witha mbient and high te mpera
27、ture waterJ.J Fluids engi2neering,1979,101:93-99.2陆宏圻.喷射技术理论及应用M.武汉:武汉大学出版社,2004.3李福天.液态喷射泵汽蚀流量比的质疑与验证J.舰船科学技术,1992(5:53-59.4龙新平,何培杰.射流泵汽蚀问题研究综述J.水泵技术,2003(4:33-38.5王磊.射流泵空化噪声与振动试验研究D.武汉:武汉大学,2006.6D罗斯(美.水下噪声原理M.北京:海洋出版社,1983.7戚定满,鲁传敬,姜揖.空化噪声特性实验研究J.上海交通大学学报,1998,32(12:60-63. 8戚定满,鲁传敬,何友声.空化噪声谱特性研究J.振动与冲击,1999,18(3:32-36.9Christ opher Earls B rennen.CAV I T ATI O N AND BUB2BLE DY NAM I CSM.Ne w York:Oxf ord UniversityPress,1995.10马大猷.现代声学理论基础M.北京:科学出版社,2004.11黄继汤.空化与空蚀的原理及应用M.北京:清华大学出版社,1991.(责任编辑张文涛5第4期龙新平等:液体射流泵空化噪声与振动试验