离心风机旋转失速状态下的噪声特性预估.pdf

第 3 9卷第 6期 2 0 1 2年 1 1月 华 北 电 力 大 学 学 报 J o u r n a l o f No rt h C h in a El e c t r ic P o we r U n iv e r s it y V0 l _ 39 NO 6 No v2 0l 2 离心风机旋转 失速状态下 的噪声特性预估 王松岭 ，孔垂茂 ，张 磊 ，吴正人 ，戎 瑞 ( 华北 caT J 大学 电站设 备状 态监 测与控制教育部重点实验室 ，河北 保定 0 7 1 0 0 3 ) 摘要 ：基 于 N a v i e r S t o k e s方程 和节流阀函数 ，对 G 4 7 3型 离心通风机 的吸 力面旋转失速现 象进行 了三维非稳 态数值模拟 。结果表 明：设计 工况和 失速 先兆发 生时叶轮 中间截面的声功率级分布和相对速度场云 图的具有 相似性 ，呈接近 中心对称 分布 ；完全失速状 态下 ，高噪区主要 分布在部 分叶轮 流道 ，其分布和传播 特性与 失 速 团的分布位置、周向传播特 性完全相 同；旋转失速导致叶轮 内噪 声水平提 高，叶轮 内最 大声功 率级提 高 2 3 d B 。预估叶轮 内声场的分布特性 ，有助 于达到预测风机声 学性 能的 目的 。 关键词 ：离心风机 ； 旋转 失速 ；数值 模拟 ； 噪 声特性 ；预估 中图分 类号 ：T H 4 ；O 3 5 5 文献标识码 ：A 文章编 号 ：1 0 0 7 2 6 9 1( 2 0 1 2 )0 6 0 0 8 4 0 5 Ac o u s t ic c ha r a c t e r is t ic s p r e d ic t io n o f a s t a l l c e n t r if ug a l f a n W ANG S o ng l in g， KONG Ch ui- ma o， ZHANG L e i， W U Z he n g - r e n， RONG Ru i ( K e y L a b o r a t o r y o f C o n d i t i o n Mo n it o r in g a n d C o n t r o l f o r P o we r P l a n t E q u i p me n t o f Min i s t r y o f E d u c a t i o n， No a h C h in a E l e c t r i c P o w e r U n i v e r s it y ，B a o d i n g 0 7 1 0 0 3，C h in a ) Abs t r ac t： Ba s e d on t he Na v ie r S t o k e s e q u a t io n a n d t h e t hr o t t l e v a l v e f u nc t io n，3 D u ns t e a d y n ume r ic a l s imu l a t io n is c a r r ie d o u t a b o ut t he s u c t io n s u rfa c e r o t a t in g s t a l l o f a G4 7 3 t y p e c e nt r if ug a l f a n Th e r e s u l t s s h o w t ha t it is s imil a r t ha t t he d is t ri b ut io n s it ua t io n o f a c o us t ic p o we r l e v e l a nd r e l a t iv e v e l o c it y o f t he mid d l e o f impe l l e r s e c t io n whe n d e s ig n c o n d it io ns o r t he s t a l l inc e p t io n o c c u r s ，whic h is c l o s e t o t he c e n t e r o f s y mme t r ic dis t r ibu t io nW h e n it is c o mpl e t e s t a l l c o n dit io n s，h ig h n o is e a r e a s a r e ma in l y d is t r ibu t e d in pa rts o f impe l l e r p a s s a g e s I t s d is t r ibu t io n，p r o p a g a t io n c ha r a c t e r is t ic s a n d c ir c u mf e r e n t ia l s p r e a d p r o p e r t ie s a l mo s t t h e s a me a s t h e s t a l l c e l l ，r o t a t in g s t a l l c a u s es t h e r is e o f imp e l l e r in t e r io r n o is e l e v e l ，t he ma x imu m a c o u s t ic p o we r l e v e l is in c r e a s e d b y 23 d BPr e d ic t io n o f a c o us t ic c h a r a c t e r is t ic s in imp e l l e r c o n t r ib u t e d t o t he r e s e a r c h o f a c o us t ic p e rfo r man c e o f c e n t r if ug a l f a n s Ke y wo r ds： c e nt ri f u g a l f a n；r o t a t in g s t a l l ；n u me r ic a l s imul a t io n；a c o us t ic c h a r a c t e ri s t ic s；pr e dic t io n 0 引 言 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 一种 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 ：2 0 1 20 50 7 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 ， E m mo n s 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 8 5 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一 ，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 d B 。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 了一 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 ，对进一步 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 G 4 7 3 N o 8 D型离 心风 机 为 电站 机 组 常用 鼓 风机 ，由一 台 Y 1 8 0 M- 4型三相异步 电动机驱动 ， 额定功率为 1 8 5 k w。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 l 2 ，出 口安装 角 4 5 。 ，叶轮入 口 内径 5 6 8 cm，叶 轮外径 8 0 e m，叶轮出口宽度 2 0 e m；蜗壳轴向宽 度为 5 2 cm，5 2 cm7 2 cm矩形出 口；出口管道 直径为 6 0 e m，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 1 2 7万、蜗壳 区划分 四面体网格 4 5万 ，入 口和 出 口管 道划 分 六 面体 网格 ，网格 总数 2 3 0 图 1 离心 风 机 几何 模 型 Fi g 1 Ge o me t r y mod e l o f ce n t r i f ug a l f a n 万；计算误差低于 2 ，残差绝对值 小于 0 0 0 1 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 F l u e n t软 件 求 解 三 维 稳 态 雷 诺 时 均 N a v i e r S t o k e s 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 R e a l i z a b l e k 一 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 P a ，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 4 5 0 r mi n ；在稳态 和非稳态计算阶 段 ，分别采用多参考系模型 ( MR F )和滑移 网格 模型( Mo v i n g Me s h )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( B r o a d b a n d N o i s e S o u r ce s Mo d e 1 )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 5 W= c p 。 f 1 ( 1 ) 、 ， a 0 1 L = 1 0 1 g ( 2 ) 0 式中： P 。 为气体密度 ，k g m一； a 。为声速 ，m s ；z 为湍流尺度 ，m；M为气流速度 ，m s ； 8 6 华 北 电 力 大 学 学 报 c为常数 ； 为基 准声 功率 ，1 0 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 PS out = + u ( 3 ) 式 中 ： P s 叭 n为 出 口背压 ； P i 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 Cr o s s s e c t io n p e r p e nd ic ul a r t o a x ia l o f t h e f a n 2 1 风机 的 失速特 性 图 3为 数值计算 与实验得 到全压 一流量 曲 线。全压 一流量 曲线表 明：数值模拟与实验值存 在一定误差 ，主要原因如下 ：第一 ，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 一模拟数据 +实验数据 图3 离心风机 全压 一流量性 能曲线 Fig 3 Re l a t io n o f f u l l p r e s s ur e a n d fl ux 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一定的 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 一 定 的误 差。考虑以上 因素，认为数值模拟结果 与实验测 量结果基本一致。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 8 9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 一 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 8 9时 ，风机在一段时间内似乎 要获得一个收敛解 ，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 了一个 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 _ 卜 _k l = 0 9 k l = 0 8 9 图 4 两 种 阀 门开 度 下 风 机 流 量 随 时 问 的 变化 曲线 Fig 4 Fl o wr a t e v a r ia t io ns wit h t ime o n t wo v a l v e o pe n ing 图 4横 坐 标 以 叶 轮 旋 转 一 圈 为 一 个 转 子 周 期。可知 ，从失速先兆出现到发展为成熟的失速 团经历 了大概 5 0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 2 2 0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 5 8 8转 ，叶轮 区存在一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 1 0 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 8 8 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 6 2 9 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 1 2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 6 0 9 0 d B；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 1 1 2 d B，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 一 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 d B，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 9 5 d B左右 。 对比离心风机未发生旋转失速现象的流场可 知 ，失速状态下流场和声功率级分布特性均发生 了较 大 变化并 具有 一 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 。 参考文献 ： 1K a mm e r N，R a u t e n b e r g MA d i s t i n c t i o n b e t w e e n d i f - f e r e n t t y p e s o f s t a l l in a c e n t r if ug a l c o mp r e s s o r s t a g e J J o u r n a l o f E n g i n e e r in g f o r G a s T u r b in e s a n d P o w e r ，1 9 8 6，1 0 8 ( 1 )：8 39 2 2聂超群 ，陈静宜 ，蒋浩康 ， 等低速轴流压气机旋转 失速先兆特征 的实验 分析 J 工 程 热物 理学 报 ， 1 9 9 8，1 9 ( 3) ：2 9 32 9 8 3E mm o n s H W，P e a r s o n C E