CN108547797A - 一种抑制离心泵射流源压力脉动的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种抑制离心泵射流源压力脉动的装置，包括第一法兰、第一变径管、减压锥、第一分支管、封头、活塞、电磁阻尼器、第二分支管、第二变径管、第二法兰，第一法兰连接第一变径管，第一变径管底端安装减压锥，第一变径管的另一端连接第一分支管，第一分支管连接封头，活塞放置在封头内，封头的另一端安装电磁阻尼器，第二分支管的一端连接封头，第二分支管的另一端连接第二变径管，第二变径管的另一端连接第二法兰；该抑制离心泵射流源压力脉动的装置，利用电磁阻尼器和活塞机构，将压力脉动导致的动能转化为热能，进而被管道中的水介质吸收，从而消除离心泵射流源的压力脉动，相比橡胶制成的避震喉和不锈钢软接头，具有一定的流动调节和稳定能力。

Description

一种抑制离心泵射流源压力脉动的装置

技术领域

本发明涉及一种抑制离心泵射流源压力脉动的装置，属于声学测量领域。

背景技术

在以水为传输媒质的管道辐射噪声测量过程中，多以立式离心泵作为管道中流体的推进设备，即射流源。立式离心泵、潜水泵等均是以电机为构造的泵体，在吸水、排水的过程中，叶轮的周期性旋转会在管道中产生周期性的压力脉动，此压力脉动会产生声波，从而使得管道中的水听器接收到单频和倍频的线谱噪声，此辐射噪声的信号幅度极大，对研究充水管道的射流噪声或分析充水管道的声传输特性是一种极大的干扰。

为消除这种压力脉动的影响，一般采用橡胶制成的避震喉或钢材制成的不锈钢软接头。避震喉是利用橡胶的阻尼特性，达到降低压力脉动的目的。这种结构在实际使用时存在的问题是：橡胶表面流阻大，多个组合使用时，造成管道的流阻增加，从而消耗离心泵的功率，造成管道内流速下降。不锈钢软接头的优点是易于弯曲，而且采用金属材质，流阻小，不会造成管道内流速的降低，但是不锈钢软接头的刚度大，决定了其伸缩性要弱于橡胶，使得对压力脉动的吸收能力要弱于橡胶。

针对管道中由离心泵或柱塞泵造成的压力脉动问题，也有采用空气弹簧原理制成的蓄能器(见朱万方，基于柱塞泵动力源的水射流噪声特性研究，华中科技大学硕士论文，2012)来吸收压力脉动，该装置以空气的压缩系数远小于水介质的压缩系数，将水介质的压力脉动转变为空气介质的压缩和扩张，达到降低压力脉动的目的。但是在使用该蓄能装置时，需要根据蓄能器的位置设置不同的初始充气压力，同时需要多个不同位置的蓄能器配合使用，才能达到良好的效果，因此，该装置在实际使用中较为繁琐。

综上所述，目前还没有较好的抑制离心泵射流源压力脉动的装置。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种抑制离心泵射流源压力脉动的装置。

本发明的目的是这样实现的：包括第一法兰、第一变径管、第二变径管、第二法兰，第一变径管和第二变径管均由变截面段、圆柱段、设置在圆柱段端部的底座构成，第一法兰的端部和第一变径管的变截面段连接，第一变径管的底座的外端面设置有由第一分支管组成的分支管圆周阵列，所述分支管圆周阵列的每周的第一分支管的直径从圆心到边缘的方向逐渐增大，所述第一变径管的底座的内端面均匀设置有减压锥，且减压锥位于相邻两周的第一分支管之间，每个第一分支管的端部连接有一封头，每个封头的外侧面设置有空心圆盘，空心圆盘的上下部分别连接有第二分支管，第二分支管的端部均与第二变径管的底座的外端面连接，第二变径管的变截面端与第二法兰连接，每个封头内设置有一活塞，活塞还连接有电磁阻尼器，第二变径管的顶端设置有放气阀。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述第一分支管为渐缩管结构。

2.所述电磁阻尼器包括与活塞连接的动子、与封头通过螺纹连接的定子、缠绕在定子外侧的铜导线、设置在定子端的盖板、设置在动子与盖板之间的限位弹簧。

3.位于相邻两周的第一分支管之间的减压锥的数量根据相邻两周的第一分支管之间的距离而定，即数量为一个、两个、三个或四个。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：首先，减压锥是一种流动控制技术，能够很好的减缓来流的湍流脉动压力，而且圆锥形的渐变结构可往边界层内注入能量，抑制边界层分离，提高管道内流体抗空化能力，并进一步减少流动分离产生的辐射噪声；

其次，第一分支管是由不同口径的圆管制成，中间圆管的内径小，两侧圆管的内径大，因此，第一分支管具有很好的流动调节能力，使得充水管道中的流速更加均匀；

再次，封头中水射流速度最大的位置为封头喷口处的轴线位置，而封头两侧的射流速度相对较小，因此，当封头内的水受到离心泵压力脉动的作用时，将推动活塞进行运动，该运动被电磁阻尼器衰减；

最后，利用电磁阻尼器对活塞的运动进行衰减，快速消耗因压力脉动而产生的能量，其原理是：电磁阻尼器中的定子以及线圈在动子的运动过程中产生涡流，因电阻的存在，此涡流会转变为热能，产生的热能传递至活塞和封头，进而被封头内的水介质吸收，多余的动能将被限位弹簧吸收；当第一次压力脉动完成后，电磁阻尼器中的限位弹簧将进行复位，释放其吸收的能量，进而推动电磁阻尼器的动子进行运动，推动活塞复位，此时电磁阻尼器中的定子以及线圈在动子的运动过程中产生涡流，因电阻的存在，此涡流会转变为热能，产生的热能传递至活塞和封头，进而被封头内的水介质吸收，当电磁阻尼器及限位弹簧完成复位后，第二次压力脉动到来，重复上述过程，周而复始，从而达到消耗压力脉动的目的。

由于水的比热容特别大，而压力脉动的能量相对较小，由压力脉动生成的热能对管中水介质造成的温升有限，加上管道中的水是流动的，散热性能良好，故此，由压力脉动生成的热效应可以忽略；

本发明的有益之处还在于：首先，该抑制离心泵射流源压力脉动的装置是由金属制成的，流动在光滑的金属管中进行，流动阻力要比橡胶避震喉和不锈钢软接头(波纹管)小；

其次，由封头、活塞、电磁阻尼器制成的机构，当脉动压力大时，活塞的运动幅度就比较大，限位弹簧压缩量就大；当脉动压力小时，活塞的运动幅度就比较小，限位弹簧压缩量就小。由于活塞与电磁阻尼器之间是紧密接触，电磁阻尼器的动子与限位弹簧之间是紧密接触，活塞的运动会造成电磁阻尼器中动子的运动和压缩限位弹簧的长度，进而使得电磁阻尼器和限位弹簧能够跟踪脉动压力的变化情况，当脉动压力大时，提供较大的阻尼力，当脉动压力小时，提供较小的阻尼力，因此，该抑制离心泵射流源压力脉动的装置具有很好的自适应能力；

最后，第一分支管对管道内的流动进行了整流，第二分支管的管径相对较小，能够增加流动的稳定性，对提高管道内流动的稳定性具有一定的效果。

附图说明

图1为一种抑制离心泵射流源压力脉动装置的剖面图；

图2为封头和活塞连接的示意图；

图3为电磁阻尼器示意图；

图4为封头、活塞和电磁阻尼器连接示意图；

图5为第一分支管在第一变径管安装的结构示意图；

图6为第二分支管在第二变径管安装的结构示意图；

其中，1为第一法兰、2为第一变径管、21为底座、22为变截面段、23为圆柱段、31为减压锥、32为减压锥、33为减压锥、34为减压锥、35为减压锥、36为减压锥、37为减压锥、38为减压锥、39为减压锥、310为减压锥、311为减压锥、312为减压锥、41为第一分支管、42为第一分支管、43为第一分支管、44为第一分支管、45为第一分支管、46为第一分支管、47为第一分支管、48为第一分支管、49为第一分支管、51为封头、52为封头、53为封头、54为封头、55为封头、56为封头、57为封头、58为封头、59为封头、511为圆盘、6为活塞、611为活塞环、612为活塞环、613为螺纹孔、710为盖板、711为动子、712为定子、713为线圈、714为螺栓、715为限位弹簧、81为第二分支管、82为第二分支管、9为第二变径管、91为底座、92为变截面段、93为圆柱段、10为第二法兰、11为放气阀。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图6，本发明提供一种抑制离心泵射流源压力脉动的装置，包括第一法兰1、第一变径管2、减压锥、第一分支管4、封头5、活塞6、电磁阻尼器7、第二分支管8、第二变径管9、第二法兰10、放气阀11，第一法兰1连接第一变径管2，减压锥安装在第一变径管2的底座21上，第一分支管4一端连接第一变径管2，第一分支管4的另一端连接封头5，活塞6放置在封头5内，活塞6的一端连接电磁阻尼器7的动子711，动子711的一端连接限位弹簧715，第二分支管8的一端连接封头5，第二分支管8的另一端连接第二变径管9，第二变径管9连接第二法兰10，放气阀11安装在第二变径管9的顶端；减压锥与第一分支管的管口交错排列；第一分支管是由不同内径的圆管组成，以第一变径管的轴心为中心，圆管内径由内向外是逐渐增大的。

第一法兰1的公称通径为80，在第一法兰1的外侧有8个通孔，利用螺栓和螺母可将第一法兰1安装在管道之中；

第一变径管2由底座21、变截面段22和圆柱段23组成；底座21的内径为第一法兰1内径的四倍，变截面段22和圆柱段23的长度为第一法兰1内径长度的两倍，在底座21的内部安装减压锥3，在底座21的外部安装第一分支管4，减压锥3与第一分支管4和底座21形成的通孔交错排列；

减压锥3由减压锥31、减压锥32、减压锥33、减压锥34、减压锥35、减压锥36、减压锥37、减压锥38、减压锥39、减压锥310、减压锥311和减压锥312组成，减压锥3的形状为圆锥形，内部实心；

分支管阵列4由第一分支管41、第一分支管42、第一分支管43、第一分支管44、第一分支管45、第一分支管46、第一分支管47、第一分支管48和第一分支管49组成，各个分支管均为渐缩结构；

封头5是一种渐变结构，在封头5的内部安装活塞6，封头5的侧面为空心的圆盘511，在圆盘511的上部连接第二分支管81、在圆盘511的下部连接第二分支管82，在封头5右侧的外侧攻设螺纹；

活塞6的两侧开槽，以放置活塞环611和活塞环612，实现与封头5的密封；在活塞6的中部开洞，攻设螺纹；

电磁阻尼器7由动子711和定子712组成，动子711采用圆柱形稀土强磁体，型号：NdFeB48，在动子711的中心有通孔，籍助于长螺栓714和螺栓孔613，将动子711与活塞6紧固在一起；定子712采用导电率高的T2紫铜管，在定子712的外侧缠绕铜导线713，在定子712左侧的内侧攻设螺纹，该螺纹与封头5底部外侧的螺纹配合，可将定子712与封头5紧固；在定子712右侧的外侧攻设螺纹，内部放置限位弹簧715，在定子712右侧的外侧利用带螺纹的盖板710将限位弹簧715固定；

第二分支管8由第二分支管81和第二分支管82组成，第二分支管81和第二分支管82的一端连接封头5，第二分支管81和第二分支管82的另一端连接底座91；第二分支管81与第二分支管82相对排列；第二分支管8的内径满足如下关系：由第二分支管8的内径计算的截面积的总和等于由第一法兰1内径计算的截面积的四倍；

第二变径管9由底座91、变截面段92和圆柱段93组成；底座91的直径为第一法兰1内径的四倍，变截面段92和圆柱段93的长度为第一法兰1内径长度的两倍；

第二法兰10的公称通径为80，在第二法兰10的外侧有八个通孔，利用螺栓和螺母可将第二法兰10安装在管道之中；

组装方法：将第一法兰1与第一变径管2的变截面段22的一端焊接在一起，变截面段22的另一端焊接圆柱段23的一端；在底座21的两侧分别焊接减压锥和第一分支管4，确保减压锥3在底座21的位置与第一分支管4在底座21所成的通孔交叉排列，底座21焊接在圆柱段23的另一端；电磁阻尼器7的动子711与活塞6相连，活塞6放置在封头5内；电磁阻尼器7的定子712与封头5的一端紧固；第二分支管8的一端焊接在封头5的圆盘处，第二分支管8的另一端焊接在底座91上；底座91的另一端焊接圆柱段93，圆柱段93的另一端焊接变截面段92，变截面段92焊接第二法兰10；将第一分支管与封头5的另一端焊接在一起；

使用方法：确保放气阀11处于最高点；

值得注意的是：除动子711和定子712以及导线713外，其余各部件的材质均为304不锈钢(奥氏体不锈钢)，焊接过程需在氩气的保护下完成；动子711与定子712之间的间隙控制在1mm以下，若需增加阻尼力，则增加动子711和定子712之间的长度，或者在定子712的内侧安装永磁体；若需减小阻尼力，则可换磁场强度弱一点的动子711；

限位弹簧715的刚度由如下公式计算得到：

K＝m·(2πf₀)² (1)

其中，m为动子711和活塞6的质量，f₀为离心泵的叶频，等于离心泵的转数(转/分)乘以叶片数除以60。在得到限位弹簧715的刚度后，便可以根据公式：

其中，G为弹簧材料的切变模量，d为弹簧线径，D为弹簧的中径，n为弹簧的圈数。根据公式(2)便可以确定需要弹簧的各个参数。

若增大流速，可以适当增加第二分支管8的数量，但要求成对增加，且两两相对。

本发明的减压锥在整个圆截面内都有，与第一分支管的管口交错排列；由于第一分支管的管径是变化的，当相邻两周的第一分支管之间的间隙能够放置一个减压锥时，则放置一个；若能放置两个，则放置两个；若能放置三个，则放置三个，以此类推。

综上，一种抑制离心泵射流源压力脉动的装置，包括第一法兰、第一变径管、减压锥、第一分支管、封头、活塞、电磁阻尼器、第二分支管、第二变径管、第二法兰，第一法兰连接第一变径管，第一变径管底端安装减压锥，第一变径管的另一端连接第一分支管，第一分支管连接封头，活塞放置在封头内，封头的另一端安装电磁阻尼器，第二分支管的一端连接封头，第二分支管的另一端连接第二变径管，第二变径管的另一端连接第二法兰；该抑制离心泵射流源压力脉动的装置，利用电磁阻尼器和活塞机构，将压力脉动导致的动能转化为热能，进而被管道中的水介质吸收，从而消除离心泵射流源的压力脉动，相比橡胶制成的避震喉和不锈钢软接头，具有一定的流动调节和稳定能力。

Claims (5)

1.一种抑制离心泵射流源压力脉动的装置，其特征在于：包括第一法兰、第一变径管、第二变径管、第二法兰，第一变径管和第二变径管均由变截面段、圆柱段、设置在圆柱段端部的底座构成，第一法兰的端部和第一变径管的变截面段连接，第一变径管的底座的外端面设置有由第一分支管组成的分支管圆周阵列，所述分支管圆周阵列的每周的第一分支管的直径从圆心到边缘的方向逐渐增大，所述第一变径管的底座的内端面均匀设置有减压锥，且减压锥位于相邻两周的第一分支管之间，每个第一分支管的端部连接有一封头，每个封头的外侧面设置有空心圆盘，空心圆盘的上下部分别连接有第二分支管，第二分支管的端部均与第二变径管的底座的外端面连接，第二变径管的变截面端与第二法兰连接，每个封头内设置有一活塞，活塞还连接有电磁阻尼器，第二变径管的顶端设置有放气阀。

2.根据权利要求1所述的一种抑制离心泵射流源压力脉动的装置，其特征在于：所述第一分支管为渐缩管结构。

3.根据权利要求1或2所述的一种抑制离心泵射流源压力脉动的装置，其特征在于：所述电磁阻尼器包括与活塞连接的动子、与封头通过螺纹连接的定子、缠绕在定子外侧的铜导线、设置在定子端的盖板、设置在动子与盖板之间的限位弹簧。

4.根据权利要求1或2所述的一种抑制离心泵射流源压力脉动的装置，其特征在于：位于相邻两周的第一分支管之间的减压锥的数量根据相邻两周的第一分支管之间的距离而定，即数量为一个、两个、三个或四个。

5.根据权利要求3所述的一种抑制离心泵射流源压力脉动的装置，其特征在于：位于相邻两周的第一分支管之间的减压锥的数量根据相邻两周的第一分支管之间的距离而定，即数量为一个、两个、三个或四个。