离心风机旋转失速状态下的噪声特性预估

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叶轮机械在低负荷运行状态下，风机叶轮内普遍存在叶片的尾迹脱 流甚 至发生 吸力面失速，是-种气流的非对称脉动的流场恶化现象 ，不但造成叶轮机械的流量和压力波动 ，更为严重的是会引起叶轮剧烈震动，甚至导致叶片疲劳断裂等重大事故的发生。因此，对旋转失速现象发生的机理深入研究与分析，对提高叶轮机械的运行稳收稿日期：2012-05-07定性和运行安全性能具有重要意义。

近年来 ，国内外专 家学者针对 叶轮机械失速先兆的出现 、发展过程和发生 、演变机理作 了大量相关理论与实验研究 ，在失速先兆的发生和预警 等方 面 的也做 了相关 探索 性研 究 工 作 ，Emmons重点分析了旋转失速周向传播的规律并给出了合理的解释，认为周向不均匀的气流扰动和叶轮机械的生产制造误差是导致周向气流分配不均的主要因素，对研究旋转失速现象的发生与发展特性具有重要的意义 。针对离心通风机的结构特点和工作特点，张磊对离心风机的旋转失速状态下的流动特性做了系统性分析，深入研究了离心风机旋转失速的机理，认为气流的周向分第6期 王松岭，等：离心风机旋转失速状态下的噪声特性预估 85布不均改变了气流方向，从而影响叶轮流道的进口冲角，是失速加剧的原因之-，同时也是失速团传播的重要原因 。

通风机噪声主要是由于空气脉动和机械摩擦等引起的，主要分为气动噪声、机械噪声和电磁噪声。李林凌运用片条理论、非线性气动理论，分析了作用在叶片上的力，推导出叶元体与气流相互作用诱发叶元体尾部涡脱落引起的紊流噪声模型，并实验验证了模型的正确性 。毛义军、刘晓良等通过非稳态数值模拟方法计算了离心风机内部的气动噪声源，并对离心风机的蜗壳宽度进行优化，风机在高效点运行的 A声级噪声降低了3～5 dB 。李春曦，张磊等则实验研究了通过改造风机内部结构降低噪声的方法，取得了-定成效 。

针对现阶段叶轮机械失速先兆研究过程 中的问题，结合离心风机几何特点，对旋转失速状态下叶轮内噪声源的分布规律进行分析，对进-步研究叶轮机械在失速状态下的运行特性和实现叶轮机械失速先兆发生的在线预警均具有重要意义。

1 数值模拟方法1.1 几何模型G4.73No.8D型离心风机为电站机组 常用鼓风机，由-台 Y180M-4型三相异步电动机驱动，额定功率为18.5 kw。叶轮结构包括弧形渐缩前盘、后盘和周向均匀分布的翼型叶片，叶片数为l2，出口安装角 45。，叶轮入 口内径 56.8 cm，叶轮外径80 em，叶轮出口宽度20 em；蜗壳轴向宽度为52 cm，52 cm×72 cm矩形出口；出口管道直径为 60 em，通风机安装了缩放型集流器和简易碎涡器 。如图 1所示 。

1.2 网格划分采用有限体积法生成混合型计算网格。为控制生成网格的质量和数量，采用 分区、分块”技术将复杂的风机模型分为入 口管道、集流器、叶轮、蜗壳、扩压气室和出口管道等六个区。为提高计算精度，叶片表面划分边界层，经网格无关化计算并与实验结果对比，叶轮区划分四面体网格 127万、蜗壳区划分四面体网格 45万，入口和出口管道划分六面体网格，网格总数 230图 1 离心风机 几何模 型Fig.1 Geometry model of centrifugal fan万；计算误差低于 2%，残差绝对值小于 0.001视为收敛。

1.3 数值计算模型针对离心风机内流场的总体特征，采用商业化 Fluent软件求解 三维稳态雷诺 时均 Navier。

Stokes方程，假定流体的温度及密度为定值，采用适用于旋转流动、流动分离、二次流等问题的Realizable k-8模型 ，壁面附近采用加强壁面函数法，对流项和扩散项分别采用二阶迎风差分和中心差分格式进行离散 。

风机模型设置入 口和 出口压力边界条件 ，设定进 口总压为 0 Pa，风机出 口设置为压力 出 口边界条件，设定出口背压值；在近失速位置时在风机出口加上节流阀模型。叶轮区模拟选用旋转坐标系，转速1 450 r/min；在稳态和非稳态计算阶段，分别采用多参考系模型 (MRF)和滑移网格模型 (Moving Mesh)模型耦合计算旋转区和静止区。

1.4 声场预估和节流阀模型应 用 宽 带 噪 声 源 模 型 (Broadband NoiseSources Mode1)数值模拟叶轮区域的噪声源分布。

由于噪声没有固定的频率，在涉及宽频噪声的情况下，求解雷诺时均方程得到湍流参数的统计学分布和声学类 比的方法 ，可 以解 释宽带噪声源 。

声功率的计算式和声功率级的计算式如下：3 5Wcp。f 1 (1) 、，a01/L 101g (2)0式中：P。为气体密度，kg·m-；a。为声速，m·s～；z为湍流尺度，m；M为气流速度，m·s～；86 华 北 电 力 大 学 学 报c为常数 ； 为基准声功率 ，10 W。

采用节流阀模型对离心风机进行数值模拟，考虑到风 机内部流 动为不可 压缩 流动 ，对 节流阀基本模 型改进 ，得到节 流 阀模 型 的函数表达式为PSout㈩ u (3)式 中：Ps叭n为出口背压 ；Pi 为环境大气压力；k。

为常数；k 为阀门开度；P为空气密度；U为出口轴 向气流速度。

2 计算结果分析图2为离心风机 1/2叶高处轴向截面图。为便于分析 ，本文后面提到的叶轮与蜗舌 的相对位置均与此 图对应。

图 2 风机垂 直于轴 向截 面示意图Fig.2 Cross section perpendicular to axial of the fan2.1 风机的失速特性图3为数值计算与实验得到全压 -流量曲线。全压 -流量曲线表明：数值模拟与实验值存在-定误差，主要原因如下：第-，数值模拟的3 5 4.0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7.0 7 5体积流量/m3.S- 模拟数据 实验数据图3 离心风机 全压 -流量性 能曲线Fig.3 Relation of full pressure and flux结果受到网格数量、质量和数值求解模型的选择等因素的影响；第二 ，风机生产制造时 ，叶轮和叶片的实际参数和安装参数与设计值存在-定的误差；第三，风机实验过程中，部分参数波动导致测量误差 ，测量设备 的精度也会引起-定的误差〖虑以上因素，认为数值模拟结果与实验测量结果基本-致。在小流量工况下，数值计算的风机总压和流量发生规律性波动现象 ，且随着阀门开度的减小，风机出口背压升高，波动范围也逐渐扩大。

图 4为阀门开度 k 分别 为 0.9和 0.89时风机流量随时间的变化曲线。由图可知，当阀门开度为 0.9时，离心风机可以沿着节流线逐步逼近- 个稳定收敛解 ，其并没有发生旋转失速。当减小阀门开度j 0.89时，风机在-段时间内似乎要获得-个收敛解，但随着时间的增加，进口流量和出口背压波动幅度逐渐增大，进入旋转失速状态，经历了-个过渡过程之后 ，失速状态由先兆逐步发展为稳定地失速团，保持在新的周期性稳定工况。

非稳态计算转数- .kl0 9 -- kl0 89图 4 两种阀 门开度下风机流量随时问的 变化 曲线Fig.4 Flowrate variations with time on two valve opening图 4横 坐标 以叶轮旋 转- 圈为-个 转 子周期∩知，从失速先兆出现到发展为成熟的失速团经历了大概 50个转子周期，在这个过渡过程中，流量的波动范围呈现出渐进型的增长。第220个转子周期之后，风机进入稳定失速状态，计算可知：失速团的旋转周期为 1.588转，叶轮区存在-个发展成熟的失速团。

对于该型号离心风机旋转失速状态下的频谱分析及流场的详细分析在文献 [10]中已有详细叙述，这里不做过多叙述。

姗瑚 咖 咖 啪 瑚2 2 2 2 l l 1 l l d，幽踊嚣区88 华 北 电 力 大 学 学 报6(a) ～6(c)可知，高噪区始终存在于失速团所在 的 3个叶轮流道 内，且高噪区周 向移动 的速度与失速团的移动速度相等，为 0.629 W 。

综上所述 ，离心 风机 旋转 失速 现象 发 生前后 ，声场也相应的发生规律性 的变化。通过研究风机内稳态或非稳态流场的特性，可预估叶轮内声场的分布特性 ，从而达到预测风机声学性能 的目的。

3 结 论离心风机未发生旋转失速状态下，叶轮内靠近前盘的位置周 向均匀分布 12个较小 的边界层脱流区，这些区域速度梯度较大，声功率级较高；随着风机负荷的降低，具有较高声功率级的区域扩大 ，是叶轮内的主要声源，强度为 60-90dB；叶尖对空气有分流作用，速度梯度较大，附近同时存在较强的声源，强度为 112 dB，由于其所占区域较 小，对 整个 叶轮 的声压 强度影 响不大。

完全失速状态下 ，具有较大速度梯度 的区域面积增大且分布集中在某些连续的流道 出口和人口区，叶轮 内形成-个稳定 的失速 团和高 噪区；发展成熟的失速团占据了叶轮流道，对应的高噪区存在于这叶轮流道及出口、人 口附近区域；高噪区的声功率级最大值增加 2～3 dB，失速团和高噪区以相同的速度旋转，高噪带存在于失速发生的区域强度增加到 95 dB左右 。

对比离心风机未发生旋转失速现象的流成知，失速状态下流惩声功率级分布特性均发生了较大变化并具有-定的规律性 ，鉴于风机叶轮内部流场测量存在的困难 ，利用风机本身 的噪声特性参数研究其流动特性，有助于预测风机叶轮内失速现象的发生 。