[发明专利]一种低比速离心泵低噪声水力设计方法

说明书

技术领域

本发明是水力机械设计中一种离心叶轮设计方法，适用于对噪声性能要求较高的离心泵水力部件设计，特指低比速离心泵降低流噪声的水力部件的设计方法。

背景技术

在国防反潜领域，由于声纳侦察技术的逐渐应用，进行机组振动噪声的主动控制和减振降噪技术手段的研究显得尤为重要。低比速离心泵是重要的能量转换装置和流体输送设备，具有流量小、扬程高的特点，因而广泛的应用于城市供水、锅炉给水、航天、石油化工、轻工、城市煤气输送、农业灌溉等国民经济的各个领域，也是船舰和航空航天等尖端科技领域的关键设备。由于低比速离心泵叶轮的轴面流道窄而长，泵内的不稳定流动现象和水力损失相当复杂，由这些流动现象产生的流噪声会沿管路传播，引起系统震荡，流噪声已成为工业、舰船及潜艇反潜领域需要控制的主要噪声源之一。

以往对低比速离心泵水力设计方面的研究大都针对效率的提高或轴功率无过载方面（如专利申请号200410014937.0所公开的技术内容），水力设计过程中对噪声方面的指标基本无从考虑。大多厂家在泵加工完成后进行一些结构噪声方面的控制（如消除共振）或水力部件的改造（进行叶轮的动静平衡处理）再交付用户使用，也有采用水消声器来进行流噪声控制方面的应用（专利申请号201110081306.0所公开的技术内容）。但这些措施大多会增加制造成本，并且主要是降低机械噪声方面的，降噪效果有限。因此，研究低噪声水力设计方法，制定设计过程中需要遵循的低噪声设计准则，是反潜领域低比速离心泵研制亟需解决的问题。

在低比速离心泵的水力设计方面，国内许多高校和科研单位都开展了相关的研究工作，如：江苏大学、清华大学、沈阳水泵研究所、扬州大学和浙江大学等。到目前为止，工程上实用的水力设计方法仍然是基于欧拉理论和一元理论以及流动相似理论基础上的模型换算法和速度系数法，大量可靠的资料和丰富的经验是水力设计成败的关键。离心泵的面积比原理和自由旋涡理论指出了决定泵性能的叶轮和泵体之间应存在明显的数学关系。此外，还出现了多种优化设计的方法，如：试验优化设计、速度系数法优化设计、损失极值法优化设计、三元流动计算及CAD优化设计、准则筛选法优化设计等。这些方法大多需要泵加工制造后进行性能试验，然后进行水力设计方面的调整，最后再考虑噪声是否合乎国家标准，不合理了再进行结构方面的调整，整个过程造成巨大的人力和物力浪费，且对流噪声没有形成可行的控制方法。关于流动诱导噪声产生的原因，国内外进行了大量相关的研究，叶轮与蜗壳隔舌动静干涉及流道内脱流、回流等形成的压力脉动在管道内的传播是泵远场流噪声形成的主要原因，但如何在水力设计过程中减小这种现象的产生还没相关报道。

经检索，关于低比速离心泵水力设计时本文所采用的流噪声优化方法以及叶轮极小直径法没有相关报道。

发明内容

本发明的目的是为低比转速离心泵水力设计过程中提供一种低噪声水力设计方法，在保证泵设计性能达标情况下，使设计的低比速离心泵产生的流噪声最低。且该方法能够较好地克服传统设计方法不能准确预估泵的各项性能指标，试验工作量大等缺点。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：（1），通过传统低比速泵设计方法得到离心泵叶轮及螺旋型压水室（蜗壳）的主要结构尺寸为：叶轮进口直径D_j、叶片进口安放角β₁、叶轮外径D₂、出口安放角β₂、叶片出口宽度b₂、叶片数Z、叶片包角叶片厚度、基圆直径D₃、涡室进口宽度b₃、涡室隔舌安放角隔舌螺旋角α₀及涡室断面面积等。传统低比速泵设计方法一般采用加大流量设计法，是用放大了的流量和比速来设计一台较大的泵，由于较大泵的效率曲线基本包括了较小泵的效率曲线（小流量区则相反），故能提高泵的最高效率和设计点效率；（2），采用计算流体力学（CFD）方法对泵内部流场进行计算，预测泵的性能，看是否达到设计要求并通过对定常流场的分析进行优化设计改进；（3），采用计算声学的方法对低比速泵流动诱导噪声进行预测，若流噪声指标合格则完成设计，不合格则进行后续步骤；（4），对设计基本达到性能要求的叶轮的直径进行优化，使叶轮与蜗壳隔舌之间的间隙不断扩大，并在叶片中间添加分流叶片来提高扬程及控制流动情况以保证效率。（5），对进行过叶轮改进设计的泵进行噪声预测，若流噪声指标合格则完成设计，不合格则从步骤（1）开始重复设计。