CN112254943B - 喷水推进泵外特性和噪声性能测量装置及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于空泡水筒的喷水推进泵外特性和噪声性能测量装置，其特征在于，包括空泡水筒，空泡水筒包括工作段及设于工作段上的收缩段；空泡水筒的工作段内设有测量管路，测量管路内设有喷水推进泵模型及流量控制单元；还包括噪声测量装置；数据采集分析系统与噪声测量装置和压力测量传感器电性连接。本发明的另一个技术方案是提供了一种基于空泡水筒的喷水推进泵外特性和噪声性能测试方法。本发明有机结合喷水推进泵综合性能试验台闭式循环系和空泡水筒两种类型的试验设施，实现内流场条件下喷水推进泵模型外特性和水中辐射噪声的测试，具有结构简洁、可操作性强、流量可控等特点。

Description

喷水推进泵外特性和噪声性能测量装置及测试方法
技术领域
本发明涉及一种空泡水筒中测试喷水推进泵外特性和噪声性能的测量装置和测试方法，实现内流场条件下喷水推进泵模型外特性和水中辐射噪声的测试，属于舰船推进技术领域。
背景技术
喷水推进泵模型噪声测试技术可以为喷水推进泵声学性能优化提供数据支撑。目前利用喷水推进泵综合性能试验台闭式循环系统测量喷水推进泵模型的外特性已经成熟，有相应的国标可循。对于测量喷水推进泵水下辐射噪声，常用或公开的方法包括：第一种方法、专利(ZL 201410648559.5)“基于非消声环境的喷水推进泵噪声测试系统及其测试方法”中描述的方法；第二种方法、在空泡水筒或循环水槽中，测量喷水推进泵辐射噪声。
对于上文所述的第一种方法，试验测量时，喷水推进泵的运行状态与在船上实际运行状态相似，但测量频率只覆盖较低频段。上文所述的第二种方法针对螺旋桨、导管桨的噪声测量比较成熟，对于喷水推进泵的噪声测量还不成熟，主要原因在专利(ZL201410648559.5)“基于非消声环境的喷水推进泵噪声测试系统及其测试方法”的背景技术中也进行了描述“流量作为喷水推进泵的关键参数之一，在上述装置中也较难测得”。
发明内容
本发明的目的是：解决空泡水筒或循环水槽测量喷水推进泵噪声技术不成熟、流量测量难度大的缺陷。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于空泡水筒的喷水推进泵外特性和噪声性能测量装置，其特征在于，包括空泡水筒，空泡水筒包括工作段及设于工作段上的收缩段，将收缩段的两端分别定义为端部一及端部二，端部一与工作段相接，则端部二的过流面积大于端部一的过流面积；
空泡水筒的工作段内设有测量管路，测量管路内设有喷水推进泵模型及流量控制单元；喷水推进泵模型的叶轮与穿设在空泡水筒内的动力驱动轴相联结，喷水推进泵模型的泵壳与测量管路密封连接；测量管路的管壁内设有多个位于不同位置的压力测量传感器；
还包括噪声测量装置，噪声测量装置包括声舱和位于声舱内的水听器，水听器所在竖直平面与喷水推进泵模型的叶轮盘面所在竖直平面一致；
数据采集分析系统与噪声测量装置和压力测量传感器电性连接。
优选地，所述收缩段的所述端部一的截面形状与所述测量管路相同，所述收缩段的所述端部二的截面形状与所述工作段相同。
优选地，所述收缩段位于所述端部一与所述端部二之间的部分采用曲面或斜面过渡。
优选地，所述测量管路的一端与所述收缩段的端部一相接，所述流量控制单元位于所述测量管路的另一端。
优选地，所述测量管路通过支撑结构固定在所述测量管路内。
优选地，所述测量管路包括与所述喷水推进泵模型的叶轮4进口连接的上游测量管路以及与所述喷水推进泵模型的导叶出口连接的下游测量管路。
优选地，所述流量控制单元进行流量控制包括以下步骤：
(1)测量流量：
运行空泡水筒至某一水速，借助安装于所述上游测量管路不同位置的所述压力测量传感器，结合伯努利方程和所述上游测量管路过流面积，利用压差法，得到当前工况下所述测量管路中的流量；
(2)如果步骤(1)得到的流量大于或小于目标工况流量，综合所述空泡水筒的水速控制和所述流量控制单元的控制，达到流量控制目的。
优选地，步骤(2)中，采用如下方案中任一方案达到流量控制目的：
方案a、若所述空泡水筒水速不变，通过所述流量控制单元，降低或增加所述测量管路中的流量，直至目标工况流量；
方案b、若所述流量控制单元状态不变，降低或升高所述空泡水筒的流速，达到降低或升高收缩段出口的速度的目的，从而达到降低或升高所述测量管路中流量的目的，直至目标工况流量；
方案c、结合方案a及方案b两种方式达到降低或升高所述测量管路中流量的目的，直至目标工况流量。
优选地，所述喷水推进泵模型的泵壳与所述测量管路的连接处设置有法兰，用以安装密封。
本发明的另一个技术方案是提供了一种基于空泡水筒的喷水推进泵外特性和噪声性能测试方法，采用上述的测量装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，按照测试要求安装测量管路和喷水推进泵模型；
步骤二，按照预定位置，将压力测量传感器安装于测量管路上；
步骤三，按照空泡水筒试验规程，开启空泡水筒，运转一段时间，排除空泡水筒中的游离气泡，达到试验要求的状态；
步骤四，将噪声测量装置安装至预定位置，排除噪声测量装置中的气泡，通过肉眼观察，保证无可见气泡存在；
步骤五，对整套系统进行联合调试，保证系统结构稳固，水听器、压力测量传感器、数据采集分析系统工作正常；
步骤六，通过调整流量控制单元，使得流量达到预定工况，利用噪声测量装置和压力测量传感器，测量噪声和压力数据；
步骤七，测量完成后，利用数据采集分析系统得到喷水推进泵模型的外特性和噪声性能；
步骤八，重复步骤六和七，可以得到喷水推进泵模型在不同流量工况下的外特性和噪声性能；同时也可以针对某一工况进行重复性测试，分析系统的重复性误差；
步骤九，测试结束后将所有设备依次关闭。
本发明提供了一种基于空泡水筒的喷水推进泵外特性和噪声性能测量装置及测试方法，有机结合喷水推进泵综合性能试验台闭式循环系和空泡水筒两种类型的试验设施，实现内流场条件下喷水推进泵模型外特性和水中辐射噪声的测试，具有结构简洁、可操作性强、流量可控等特点。
采用本发明所提供的技术方案，具体能够达到如下有益效果：
1、机结合喷水推进泵综合性能试验台闭式循环系和空泡水筒两种类型的试验设施，实现内流场条件下喷水推进泵模型外特性和水中辐射噪声的测试，具有结构简洁、可操作性强、流量可控等特点；
2、测试管路和泵壳采用有机玻璃制成，可用于空泡观测、PIV、LDV等流场观测试验。
附图说明
图1为基于空泡水筒的喷水推进泵外特性和噪声性能测量装置剖面图；
图中，1为空泡水筒的动力驱动轴；2为空泡水筒的收缩段；3为用于喷水推进外特性和噪声性能测量的测量管路；4为叶轮；5为导叶；6为空泡水筒的工作段；7为测量管路的支撑结构；8为流量控制单元；9为压力传感器；10为声舱；11为水听器；12为数据采集分析系统；13为法兰；14为泵壳；
图2a及图2b为两种结构形式的收缩段剖面图；
图3为数据采集分析系统组成及数据采集和处理流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1及图2所示，本发明提供的一种基于空泡水筒的喷水推进泵外特性和噪声性能测量装置包括空泡水筒的工作段6，空泡水筒的收缩段2，测量管路3及支撑结构7，包括叶轮4、导叶5及泵壳14的喷水推进泵模型，流量控制单元8，包括声舱10及水听器11的噪声测量装置，压力测量传感器9，数据采集分析系统12。
噪声测量装置包括声舱10和水听器11，有两种形式，一种是位于空泡水筒工作段下方消声水舱中的单水听器或水声阵列；一种是位于空泡水筒侧面简易消声挂舱中的单水听器。本实施例中，声舱10中充满水，并确保肉眼观察无可见气泡。声舱10为矩形结构，侧面开口，与空泡水筒工作段6观察窗壁面水密贴合。声舱10内有水听器11，水听器11所在竖直平面与喷水推进泵模型叶轮4盘面所在竖直平面一致。水听器11与数据分析系统12电性连接。
若干压力测量传感器9安装于测量管路3上，安装方式：可以采用打通孔，将压力测量传感器9利用硅胶固定在通孔中；如果压力测量传感器9带螺纹，则可以在测量管路3上设置螺纹孔，将压力测量传感器9与测量管路3螺纹连接。上述两种安装方式均应保证压力测量传感器9的敏感面与测量管路3内壁避免齐平，不影响流场。压力测量传感器9的安装位置根据测量需求确定，亦可根据GB/T 18149《离心泵、混流泵和轴流泵水力性能试验规范》中有关压力测量位置的规定确定。压力测量传感器9与数据分析系统12电性连接。
收缩段2的两端过流面积不同，两端的中间过渡可采用曲面和斜面等形式，如图2a及图2b所示。
喷水推进泵模型包括叶轮4、导叶5和泵壳14，与测量管路3通过法兰13水密连接。泵壳14采用有机玻璃制成，具有良好的透声透光性能，保证喷水推进泵模型运转过程中产生的噪声传输至噪声测量装置中。叶轮4的转速由空泡水筒驱动轴1转速决定。
测量管路3包括两部分，与叶轮4进口连接的部分为上游测量管路，与导叶5出口连接的部分为下游测量管路。测量管路3采用有机玻璃制成，该有机玻璃选用高强度无障碍透明材料精密制作，方便观察内部流动状态。
流量控制单元8可以采用多种方式，例如流量调节阀门、收缩喷口、格栅等。流量控制包括以下两步：
(1)测量流量。运行由收缩段2及工作段6组成的空泡水筒至某一水速(空泡水筒包括循环水槽)，借助安装于上游测量管路不同位置的压力测量传感器9，结合伯努利方程和上游测量管路过流面积，利用压差法，得到当前工况下测量管路3中的流量；
(2)如果步骤(1)得到的流量大于(小于)目标工况流量，可以综合空泡水筒水速控制和流量控制单元8控制，达到流量控制目的。本步骤具体可以如下方案中任选其一：
方案a、若空泡水筒水速不变，通过流量控制单元8(以流量调节阀门为例)，可以通过调小(调大)流量调节阀门开度，降低(增加)测量管路中的流量，直至目标工况流量。
方案b、若流量控制单元8状态不变，降低(升高)空泡水筒流速，由于收缩段2是固定结构，降低(升高)来流速度，即可降低(升高)收缩段2出口的速度，达到降低(升高)测量管路3中流量的目的，直至目标工况流量。
方案c、结合方案a、方案b两种方式达到降低(升高)测量管路中流量的目的，直至目标工况流量。
收缩段2固定于空泡水筒上。流量控制单元8通过法兰连接，固定在测量管路3上，法兰连接处应保证水密。测量管路3、导叶5、泵壳14、流量控制单元8整体由支撑结构7支撑并固定于空泡水筒的工作段6底部。测量管路3与收缩段2可以通过法兰连接，并保证连接面水密。
数据采集分析系统12包括信号调理器、多通道数据采集器、计算机和数据分析系统。所述信号调理器输入端与所述水听器11输出端通过BNC接口连接，所述信号调理器的输出端与所述多通道数据采集器的输入端相连接，所述多通道数据采集器输出端与所述计算机通过以太网电缆连接，并将最终数据传输到数据分析系统中。
基于空泡水筒的喷水推进泵外特性和噪声性能测试方法，采用上述的喷水推进泵外特性和噪声性能测量装置，包括如下步骤：
步骤一，按照测试要求安装测量管路3和喷水推进泵模型；
步骤二，按照预定位置，将压力测量传感器9安装于测量管路3上；
步骤三，按照空泡水筒试验规程，开启空泡水筒，运转一段时间，排除空泡水筒中的游离气泡，达到试验要求的状态；
步骤四，将噪声测量装置安装至预定位置，排除噪声测量装置中的气泡，通过肉眼观察，保证无可见气泡存在；
步骤五，对整套系统进行联合调试，保证系统结构稳固，水听器11、压力测量传感器9、数据采集分析系统12工作正常；
步骤六，通过调整流量控制单元8，使得流量达到预定工况，利用噪声测量装置和压力测量传感器9，测量噪声和压力数据；
步骤七，测量完成后，利用数据采集分析系统12得到喷水推进泵模型的外特性和噪声性能；
步骤八，重复步骤六和七，可以得到喷水推进泵模型在不同流量工况下的外特性和噪声性能。同时也可以针对某一工况进行重复性测试，分析系统的重复性误差；
步骤九，测试结束后将所有设备依次关闭。

Claims (7)

1.一种基于空泡水筒的喷水推进泵外特性和噪声性能测量装置，其特征在于，包括空泡水筒，空泡水筒包括工作段及设于工作段上的收缩段，将收缩段的两端分别定义为端部一及端部二，端部一与工作段相接，则端部二的过流面积大于端部一的过流面积；
空泡水筒的工作段内设有测量管路，测量管路内设有喷水推进泵模型及流量控制单元；喷水推进泵模型的叶轮与穿设在空泡水筒内的动力驱动轴相联结，喷水推进泵模型的泵壳与测量管路密封连接；测量管路的管壁内设有多个位于不同位置的压力测量传感器；
所述测量管路包括与所述喷水推进泵模型的叶轮进口连接的上游测量管路以及与所述喷水推进泵模型的导叶出口连接的下游测量管路；所述流量控制单元进行流量控制包括以下步骤：
(1)测量流量：
运行空泡水筒至某一水速，借助安装于所述上游测量管路不同位置的所述压力测量传感器，结合伯努利方程和所述上游测量管路过流面积，利用压差法，得到当前工况下所述测量管路中的流量；
(2)如果步骤(1)得到的流量大于或小于目标工况流量，综合所述空泡水筒的水速控制和所述流量控制单元的控制，达到流量控制目的；
步骤(2)中，采用如下方案中任一方案达到流量控制目的：
方案a、若所述空泡水筒水速不变，通过所述流量控制单元，降低或增加所述测量管路中的流量，直至目标工况流量；
方案b、若所述流量控制单元状态不变，降低或升高所述空泡水筒的流速，达到降低或升高收缩段出口的速度的目的，从而达到降低或升高所述测量管路中流量的目的，直至目标工况流量；
方案c、结合方案a及方案b两种方式达到降低或升高所述测量管路中流量的目的，直至目标工况流量；
还包括噪声测量装置，噪声测量装置包括声舱和位于声舱内的水听器，水听器所在竖直平面与喷水推进泵模型的叶轮盘面所在竖直平面一致；
数据采集分析系统与噪声测量装置和压力测量传感器电性连接。
2.如权利要求1所述的一种基于空泡水筒的喷水推进泵外特性和噪声性能测量装置，其特征在于，所述收缩段的所述端部一的截面形状与所述测量管路相同，所述收缩段的所述端部二的截面形状与所述工作段相同。
3.如权利要求1所述的一种基于空泡水筒的喷水推进泵外特性和噪声性能测量装置，其特征在于，所述收缩段位于所述端部一与所述端部二之间的部分采用曲面或斜面过渡。
4.如权利要求1所述的一种基于空泡水筒的喷水推进泵外特性和噪声性能测量装置，其特征在于，所述测量管路的一端与所述收缩段的端部一相接，所述流量控制单元位于所述测量管路的另一端。
5.如权利要求1所述的一种基于空泡水筒的喷水推进泵外特性和噪声性能测量装置，其特征在于，所述测量管路通过支撑结构固定在所述测量管路内。
6.如权利要求1所述的一种基于空泡水筒的喷水推进泵外特性和噪声性能测量装置，其特征在于，所述喷水推进泵模型的泵壳与所述测量管路的连接处设置有法兰，用以安装密封。
7.一种基于空泡水筒的喷水推进泵外特性和噪声性能测试方法，采用权利要求1所述的测量装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，按照测试要求安装测量管路和喷水推进泵模型；
步骤二，按照预定位置，将压力测量传感器安装于测量管路上；
步骤三，按照空泡水筒试验规程，开启空泡水筒，运转一段时间，排除空泡水筒中的游离气泡，达到试验要求的状态；
步骤四，将噪声测量装置安装至预定位置，排除噪声测量装置中的气泡，通过肉眼观察，保证无可见气泡存在；
步骤五，对整套系统进行联合调试，保证系统结构稳固，水听器、压力测量传感器、数据采集分析系统工作正常；
步骤六，通过调整流量控制单元，使得流量达到预定工况，利用噪声测量装置和压力测量传感器，测量噪声和压力数据；
步骤七，测量完成后，利用数据采集分析系统得到喷水推进泵模型的外特性和噪声性能；
步骤八，重复步骤六和七，可以得到喷水推进泵模型在不同流量工况下的外特性和噪声性能；同时也可以针对某一工况进行重复性测试，分析系统的重复性误差；
步骤九，测试结束后将所有设备依次关闭。
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