离心泵作透平流体诱发噪声特性理论数值与试验研究

摘要

离心泵作透平目前已成为液体能量回收的一种主要技术，广泛应用于石油、化工等重要领域。为了提高能量回收效率，离心泵作透平正逐步向大功率化方向发展，而流体诱发的噪声是影响其可靠运行的关键问题之一。流体诱发噪声包含偶极子声源作用下的流动噪声和流激噪声，涉及水动力流体载荷、结构响应和声振耦合等复杂问题。因此，研究离心泵作透平流体诱发噪声特性及降噪手段，掌握流动噪声和流激噪声产生的机理及传播规律，分辨内外噪声能量的主体，能够为降低离心泵作透平噪声提供理论基础和技术支撑，同时也能够为其他叶轮机械的相关研究提供重要参考。
　　本文采用理论分析、数值计算和试验验证相结合的研究方法，围绕余压能量回收装置离心泵作透平流体诱发噪声问题，对壳体结构的振动响应和流体激励作用下的声振特性进行了系统深入的研究，并对透平水力性能和声学性能综合优化设计进行了有益探索。主要工作和创造性成果如下:
　　1.系统地总结了国内外流动与流激噪声预测方法的研究进展，分析了基于声类比理论的声学边界元与有限元的优缺点、适用范围以及声振耦合问题的处理方法，确定了适合离心泵作透平内外场噪声的求解思路，并对兼顾水力与声学性能的多目标优化方法做了较为全面的概括。
　　2.开展了离心泵作透平流体诱发噪声特性试验，揭示了进口至出口的流体噪声特性及传递规律。试验表明:流体噪声主要集中在中低频段，小流量流体噪声的低频宽带谱特性增强，流体噪声在内部水介质中更易于向出口传播。首次引入试验模态分析法，对离心泵作透平转子及壳体结构的模态参数进行了识别。在采用模态置信准则对试验识别精度校验的基础上，获得了结构完整准确的模态信息，验证了有限元模型的准确性。结果表明，计算与试验振型近似，固有频率平均相对误差小于5.12％，为基于结构模态的声振特性分析提供了参考。
　　3.将Richardson外推法应用于湍流模型和网格尺度的误差分析，确定了全流道流场计算策略，分析了诱发噪声的压力脉动、激励力特性以及动静部件间流动周向分布不匀与水力激励力的关系。初步探明，离心泵作透平叶轮内压力脉动周期与叶轮转动周期相同，蜗壳内压力脉动周期与叶片数有关;流体粘性减弱了作用于叶轮和壳体壁面的径向力，而叶轮流道侧以及叶轮与壳体间隙内的流动使其有所增强;静压和速度的周向分布不均是导致非定常水力激励力不平衡的主要原因。
　　4.首次建立了离心泵作透平内外场流动噪声以及流激噪声的分析模型，识别出了不同性质噪声源的频谱特征及其在内外场噪声中的贡献。相对于以往采用间接边界元对内外声场同时求解的方法，该模型考虑了壳体内外介质不同的特性，在处理外场无界物理域时更具优势。研究表明，流体激励壳体振动在透平内辐射的流激噪声小于流体自身偶极子源产生的流动噪声;而外场情况下，流体激励壳体振动辐射的流激噪声贡献较大。同时开展试验研究，证实了考虑结构振动壳体声源作用的流动噪声能够体现多声源的共同作用，计算与试验频谱曲线吻合较好，叶频及其倍频下最大误差仅为6.9％，由此来预测内场噪声从定性和定量上是可行的。
　　5.建立了一种基于试验设计和响应面的离心泵作透平水力和声学性能多目标优化方法，即在对比分析叶轮几何参数对透平性能和噪声影响的基础上，根据灵敏度筛选出对噪声影响显著的关键参数，进而以效率不降低和总声压级最小为响应目标，构造显著变量与多目标函数的响应面多元回归模型，兼顾性能与噪声确定最优参数组合，分析影响效率与噪声的参数间交互作用。研究得知，叶轮进口直径、叶片出口宽度、叶片数及叶片包角对噪声影响显著;经试验验证优化后透平效率平均提高了1.98个百分点，1/3倍频程总声压级降低了4.95dB(A)。
　　6.从同相位脉动水动力作用面积与辐射噪声之间的关系出发，基于叶片和隔舌的相对倾斜关系，建立了叶片与隔舌异向倾斜角度关系式，提出了在保证性能前提下倾斜叶片、隔舌以及添加分流叶片的主动控制降噪方法。研究表明，倾斜叶片可以保持离心泵作透平的原有水力性能，倾斜隔舌使得全流量范围效率均有所增加，添加分流叶片使得大流量区效率增加;倾斜叶片、隔舌及添加分流叶片均能降低整体频段的总声能。三组不同组合型式试验表明，所提降噪方法能够同时提升透平的水力性能和噪声性能，三者联合作用下的效果最佳。

目录

声明

摘要

主要符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 流体诱发噪声研究现状

1．2．1 流动噪声机理及研究方法

1．2．2 流激噪声机理及研究方法

1．3 水力性能和声学性能综合优化研究现状

1．3．1 水力性能的优化

1．3．2 声学性能的优化

1．3．3 水力性能和声学性能的综合多目标优化

1．4 论文主要研究思路和内容

第二章 离心泵作透平流动与流激噪声理论及方法

2．1 流动噪声分析方法

2．1．1 流动噪声数值解法

2．1．2 基于物理原理的声学数学模型

2．2 考虑流体载荷的结构辐射噪声分析方法

2．2．1 结构-声场耦合的声辐射理论

2．2．2 内声场声学边界元与结构有限元的耦合

2．2．3 外声场FEM／AML分析方法

2．3 噪声评估方法

2．4 本章小结

第三章 离心泵作透平流体诱发噪声与模态试验研究

3．1 水力性能与流体噪声同步测试

3．1．1 试验回路系统

3．1．2 数据采集系统

3．1．3 试验步骤

3．1．4 试验结果与分析

3．2 转子及壳体结构的振动模态特性分析

3．2．1 模态试验方案设计

3．2．2 模态试验测试系统

3．2．3 模态试验测试过程

3．2．4 试验模态验证

3．2．5 有限元模型验证

3．3 本章小结

第四章 离心泵作透平流场计算及水动力特性分析

4．1 CFD数值计算的验证与确认

4．1．1 验证和确认

4．1．2 验证规程

4．1．3 确认规程

4．2 定常流动计算的验证与确认

4．2．1 计算模型及网格划分

4．2．2 水头效率的验证和确认

4．3 非定常数值计算与声源识别

4．4 诱发噪声的激励力特性分析

4．4．1 激励力特性

4．4．2 激励力与叶轮进口流态的关系

4．5 本章小结

第五章 离心泵作透平声振特性及内外场贡献分析

5．1 离心泵作透平内声场声源贡献分析

5．1．1 内场噪声预测模型

5．1．2 内声场声学数值计算方法

5．1．3 基于BEM的叶轮旋转偶极子内场流动噪声

5．1．4 基于BEM和FEM／BEM的壳体声源内场噪声

5．1．5 数值计算与试验结果对比

5．2 离心泵作透平外声场声源贡献分析

5．2．1 基于FEM／AML的外声场声学计算

5．2．2 叶轮旋转偶极子作用的外场流动噪声

5．2．3 壳体偶极子作用的外场流动噪声

5．2．4 壳体偶极子作用的外场流激噪声

5．3 本章小结

第六章 离心泵作透平水力和噪声性能优化研究

6．1 叶轮主要几何参数影响及敏感性分析

6．1．1 叶片进口安放角

6．1．2 叶片出口安放角

6．1．3 叶片出口宽度

6．1．4 叶片包角

6．1．5 叶轮进口直径

6．1．6 叶片数

6．1．7 单因素敏感性分析

6．2 基于响应面的水力和噪声多目标优化

6．2．1 响应面分析法

6．2．2 响应面试验设计

6．2．3 影响效率的参数间交互作用

6．2．4 影响噪声的参数间交互作用

6．3 响应面优化结果及其验证

6．3．1 多目标优化数学模型

6．3．2 多目标优化结果

6．4 本章小结

第七章 离心泵作透平主动控制降噪技术

7．1 噪声主动控制理论

7．2 倾斜叶片降噪技术

7．2．1 倾斜叶片对水力性能的影响

7．2．2 倾斜叶片对噪声特性的影响

7．3 倾斜隔舌降噪技术

7．3．1 倾斜隔舌对水力性能的影响

7．3．2 倾斜隔舌对噪声特性的影响

7．4 分流叶片降噪技术

7．4．1 分流叶片对水力性能的影响

7．4．2 分流叶片对噪声特性的影响

7．5 诱发噪声的激励力特性

7．6 试验验证

7．7 本章小结

第八章 总结与展望

8．1 研究总结

8．2 研究展望

参考文献

作者在攻读博士学位期间取得的科研成果

致谢