大流量三叶旋转活塞泵的噪声及流量的特性和分析

2013/10/17 17:12:23      点击:

摘 要

介绍大流量三叶旋转活塞泵的流量特性,内泄漏、外泄露、压力比对容积效率的影响.根据回流压力的变化规律,采取异型排液口、预进液结构等措施减小回流冲击.实例说明转子泵的液体动力性噪声、机械噪声,比较三叶与两叶旋转活塞泵的进液流量脉动,分析噪声产生原因及采取的降噪措施.
关键词

流量特性;容积效率;回流压力;液体动力性噪声

三叶旋转活塞泵是我国从国外引进开发的一种新型旋转活塞泵,运行稳定,液流脉动小,特别是大流量三叶旋转活塞泵,容积效率高、机械功率损失小,已经成为企业的关键设备.例如国内的二级生物污水处理厂曝液工艺使用旋转活塞泵送液;氯碱化工企业氢液处理工序使用大容量三叶旋转活塞泵输送氢液等.大容量三叶旋转活塞泵由于自身结构特点,工作时产生强烈噪声.
噪声控制在 国内外的相关研究中是通过试验进行的.例如,ChyangCS根据试验做出压力脉动随转子转速的变化曲线,讨论了脉动频率与空液流速的关的大流量三叶旋转活塞泵亟待解决的问题.
1 实例流量特性分析
1.1 内泄漏
国内生产的三叶旋转活塞泵以销齿圆弧(渐开线叶型为主.转子泵的容积效率 仇l5]受内泄漏流量Q 、外泄漏流量Q 、实际流量Q等参数影响.
以力华泵业有限公司生产的8om3/rain三叶旋转活塞泵为例进行分析.转子泵用JS116—6电动机驱动,电动机额定功率95kW.主、从动轴的固定端安装双列调心滚子轴承.、游动端安装圆柱滚子轴承.同步齿轮采用6级精度硬齿面斜齿圆柱齿轮,整体淬火后磨齿.同步齿轮转速975r/rain,采用浸油润滑.
转子泵运行时,排液腔压力P 远大于进液腔压力P,排液腔液体通过叶轮与叶轮、叶轮与机壳以及叶轮与墙板之间的间隙向进液腔泄露 ].叶轮与叶轮之间的间隙 、叶轮与机壳之间的间隙以对内泄漏流量Q 影响较大,是决定三叶旋转活塞泵内泄漏流量 的主要因素,笔者对8Om。/rain三叶旋转活塞泵内泄漏流量计算的结果如图 1所示.
图1 间隙值对内泄漏影响转子泵的压力比E、液体绝热指数k、内泄漏流量Q都影响温升 △f_7].转子泵运行时,较高的温升 △£引起主、从动轴的热胀冷缩.主、从动轴的固定端轴承安装在前墙板内,叶轮与前墙板之间的间隙 取一般较小的值;主、从动轴的游动端轴承安装在后墙板内,叶轮与后墙板之间的间隙 取较大的值,以适应转子泵温升引起的主、从动轴的热胀冷缩.叶轮与前、后墙板之间的间隙 对流量参数影响较小.渐开线叶型曲面、三叶叶轮外径及机壳镗孔的加工精度影响内泄漏流量Q和容积效率.
1.2 外泄漏
外泄漏流量 ,与转子泵的工作压力比e、排液压力有关.£、P 增大,外泄漏流量 ,随之增大.大流量三叶旋转活塞泵常采用组合密封结构,减小Q转子泵的实际流量
QS=QH-QE+QJ (1)
式中Q 一转子泵的理论流量,m。/rain
1.3 容积效率
三叶旋转活塞泵的容积效率
E=QS /QH (2)
三叶旋转活塞泵的径距比R /a对容积效率玑影响很大,笔者对80m。/rain三叶旋转活塞泵容积效率计算的结果如图2所示.
图2 容积效军与径距 比关系
对转子泵的面积利用系数 随径距比R,/a的变化,计算结果如图3所示.
工作转速一定时,80m。/rain三叶旋转活塞泵容积效率仇随压力比e的变化,计算结果如图4所示.
大流量转子泵工作转速较低,一般在 735~980r/ min之问.转子转速较高时容积效率玑也比较高.
图3 面积利用系数与径距比关系
图4 容积效率随压力比变化
2 回流压力
旋转活塞泵的回流压力变化影响转子泵的振动与噪声.旋转活塞泵运行时,转子泵的基圆容积与排液 口接通后,排液端的高压液体向基圆容积内回流,引起回流冲击,产生强烈噪声.回流缝隙的面积变化,在一定程度上反映回流冲击的强弱.
旋转活塞泵的回流过程中,亚临界状态回流与超I临界状态回流的临界压力比
E=(K+1 )/2 K*(K-1) (3)
式中是一液体绝热指数,介质是空液时,取k一1.4
转子泵的工作压力比E低于I临界压力比E 时,为亚临界流动;高于临界压力比Ef时,为超临界流动.不同流动状态下,流函数 (P)取不同值.基圆容积内的压力P()是回流面积F()、流函数 (P)的函数.

笔者对80m。/rain三叶旋转活塞泵回流压力随开启角F的变化计算后,结果如图5所示.
图5 回流压力随开启角的变化
回流冲击的强弱,反映了转子泵基元容积内压力P(F)的变化.
3 转子泵的减噪
旋转活塞泵产生的噪声,主要是液体动力性噪声和机械噪声.
3.1 液体动力性噪声
大流量三叶旋转活塞泵的液体动力性噪声,包括旋转噪声、涡流噪声和共鸣声,噪声的强弱反映了转子泵的流体特性.
(1)旋转噪声与液流脉动.叶轮旋转时,转子泵的进排液腔容积不断发生由大变小、由小变大的周期性变化,进、排液流动具有脉动性,笔者对8Om /min三叶旋转活塞泵进液流量脉动计算的结果如图6所示.
图6 三叶旋转活塞泵的进液流量脉动
液流脉动作用于周围介质,引起压力脉动 .叶轮逐个扫过进、排液口,对液流产生干扰,也引起压力脉动.当基圆容积与排液口接通时,回流冲击造成剧烈的150 压力脉动.这些周期性压力脉动产生旋转噪声.旋转噪声基频
f=Z ·n/30(Hz) (4)
式中Z一叶轮头数
n一 转速,r/min
三叶旋转活塞泵的液流脉动小于两叶旋转活塞泵,所以其振动、噪声小于两叶旋转活塞泵.对 80m。/min两叶旋转活塞泵进液流量脉动计算的结果如图7所示.
图7 两叶旋转活塞泵的进液流量脉动
(2)涡流噪声(紊流噪声).在叶轮及机壳流道表面,使液流突然减速或方向发生突变的地方,形成漩涡.漩涡在流动过程中进一步分裂成一系列更小的涡流.涡流变化频率很高,具有随机性.涡流噪声具有中高频性质,表现出连续宽频特性.
(3)共鸣声.由于叶轮旋转和液体涡流运动等因素的影响,液体压力在很宽的频率范围内脉动.这种脉动与进、排液腔发生声学共振,产生共鸣声.
3.2 机械噪声控制
大流量三叶旋转活塞泵的机械噪声包括齿轮啮合噪声、轴承噪声和电动机噪声.
同步齿轮工作于高速重载条件下,可以采用硬齿面、磨齿加工,提高同步齿轮精度,减小啮合噪声;适当提高转子的动平衡精度,减小转子的惯性力、惯性力矩引起的振动、噪声;选择合适的轴承类型,装在前墙板内的固定端轴承选择双列调心滚子轴承,增加叶轮部件刚度,减小振动.
3.3 实例测试分析
力华泵业有限公司在水泥干法生产线对3台不同型号大流量三叶旋转活塞泵进行噪声测试,实测的噪声倍频带声压级曲线 ,如图8所示.
图8 买测倍频带声压级与频军关系对实测噪声倍频带声压级曲线分析可知,大流量旋转活塞泵的噪声是一个较宽频带范围内的稳定噪声,以中低频为主.中、小流量的转子泵噪声峰值出现在低中频段,大流量转子泵低频声强向高频转移,在高频段的几个倍频程里也保持一个波峰.从 3台转子泵的噪声频谱看,低频峰值出现在63Hz,中频峰值出现在500Hz,从1000Hz开始,随频率的增加,声压级逐步降低,每倍频程衰减量约为10dB.进液口的噪声频谱特性与转子泵本身的噪声频谱特性是一致的,是一个低频噪声源.力华泵业有限公司采用安装消声器、基础减振、围护隔音等措施降噪.采用消声器控制液体动力性噪声简单有效.在大流量三叶旋转活塞泵的进液口或排液管道安装消声器,可以大幅度降低从进液口辐射、或管道中传播的噪声.
4 结语
根据以上对大流量三叶旋转活塞泵的流量特性及噪声分析、计算可知:
(1)在不发生齿形干涉的前提下,采用较大的径距比R /a和面积利用系数 ,能够有效提高旋转活塞泵的容积效率 适当提高叶轮与机壳的加工精度,减小转子间隙通流面积 .也可以减小内泄漏、提高容积效率E .
(2)常规三叶旋转活塞泵的排液口为矩形,可以采用异型排液口减小回流冲击、噪声.转子泵的开启角在最初开启的10。范围内,回流面积变化比较平缓,回流压力变化也比较平缓.回流冲击主要发生在开启角的10~25。之间.在开启角 转过30。后,基元容积内的压力等于排液压力 .对于回流冲击噪声,转子泵的减噪设计(如预进液结构、渐扩缝隙结构等)应从排液 口边缘算起的30。范围内考虑.
(3)根据对国内转子泵试验、运行情况调查,大容量转子泵采取综合措施降噪,效果较好.高质量的大容量三叶旋转活塞泵必有较好的的流量特性、温度特性、较高的全绝热效率和低噪声.提高转子泵的热力学性能,已经成为促进转子泵行业发展的研究新内容.
参考文献
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