（工程热物理专业论文）前弯前掠低压噪轴流风机的气动计算的研究.pdf

、， ad i s s e r t a t i o ni ne n g i n e e r i n gt h e r m op h y s i c s a e r o d y n a m i c c a l c u l a t i o ns t u d y o ff o r w a r d s k e w e d - s w e p t a x i a lf a n so fl o wp r e s s u r ea n d l o wnoiseowo l s e b yl i u r u i s u p e r v i s o r ：v i c e - p r o f e s s o rc h a n g z e z h o u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 ， -卜，lr rlr 、 r 、 i l 东北大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导f 完成的。论文中取得的研究成果除 加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人 为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 朝碧零 日 期：7 p 6 蜂7 怠 国 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：知鬈书导师签名： 答- te tn ： 知爸刮伞7 国7g签字日期：力弦移年7 怠7 国 一 ， ， t , i 东北大学硕士学位论文摘要 摘要 本文进行了弯掠动叶的设计，选取合理的参数，运用孤立翼型理论开展叶片的空气 动力计算设计出叶片的构造。而且分析了不同弯掠角度值以及不同重心型线对动叶气动 性能的影响，如何选取弯掠角度值和重心型线。 继承了尾迹涡流噪声是低压轴流通风机的主要噪声源的观点，以t f u k a n 0 等人提 出的声功率公式作为物理模型。在满足通风机设计参数条件下，以低压轴流通风机噪声 声功率为目标函数，以通风机的全压、流量、雷诺数、叶顶圆周速度等为约束条件，建 立了低压轴流通风机噪声流型的数学模型。本文采用最优化理论和数值计算方法，应用 v b 高级语言与e x c e l 电子表格相结合，进行低压轴流通风机噪声流型的优化设计计算。 并且对降低噪音进行了系统的分析。 在相同的条件下，按照本文提出的设计方法，设计并试制了一台j y f z 一1 n 0 1 6 a 纺织 轴流风机，与老产品f z - 1 1 型风机性能比较，噪音降低，生产的成本降低，工作的范围 加宽。 关键字：弯掠变环量噪声扭曲规律 i l ， ， 、 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a e r o d y n a m i c c a l c u l a t i o ns t u d yo ft h ef o r w a r d s k e w e d s w e p t a x i a lf a n so fl o wp r e s s u r ea n d l o wn o i s e a b s t r a c t t h ed e s i g ni sc a r r i e do u tf o rt h es k e w e d s w e p tr o t o rb l a d e s ，c h o o s i n gr e a s o n a b l em a i n p a r a m e t e r sa n dw o r k i n go u tt h es t l u c 嘶o f r o t o rb l a d e sb ym e a n so fa e r o d y n a m i cc a l c u l a t i o n u s i n gt h et h e o r yo fi s o l a t e da i r f o i l s m o r e o v e r ，i ti sd i s c u s s e dw i t he m p h a s i so np r o p e r s e l e c t i o no ft h es k e w e d - s w e p ta n g l ea n db a s el i n e so ft h ea i rf o i lg r a v i t yc e n t r e t h i sp a p e ri n h e r i t st h es t a n d p o i n tt h a tt h ew a k ev o r t e xn o i s ei st h ei m p o r t a n tn o i s es o u r c eo f t h el o wp r e s s u r ea x i a lf a n ，a n du s e st h es o l dp o w e rf o r m u l at h a tt f u k a n oh a sb r o u g h tf o r p h y s i c a lm o d e l i nt h ef a n ss a t i s f i e dd e s i g np a r a m e t e rc o n d i t i o n , i tm a d et h em a t h e m a t i c s m o d e lo ft h en o i s ef l o w - t y p eo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h el o wp r e s s u r ea x i a lf a nt h a tt a k en o i s e s o u n dp o w e ro ft h ef a na st h eo b j e c t i v ef u n c t i o na n dt a k eg l o b a lp r e s s u r e ，f l o w , r e y n o l d s n u m b e ra n dr o t a t i o n a ls p e e do ft h et i pr o t o ra sc o n s t r a i n tc o n d i t i o n s i ti sa b o u tl o wp r e s s u r e a x i a lf a n sn o i s ef l o w - t y p eo p t i m i z a t i o nd e s i g nw h i c ha d o p t s o p t i m i z a t i o nt h e o r ya n d n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o dw i t hv i s u a lb a s i cp r o g r a ml a n g u a g ea n dm i c r o s o f te x c e l a n d a n a l y s i so ft h er e a s o n sf o rr e d u c i n gt h en o i s e u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s ，i na c c o r d a n c e 研t l lt h ed e s i g nm e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e r , i d e s i g na n dp r e p a r a t i o no faj z 1 6a - 1t e x t i l ea x i a lf a n c o m p a r e dt ot h eo l dp r o d u c t f z - 11f a ni ti sl o w e rn o i s e ，l o w e rp r o d u c t i o nc o s t s ，w i d e n i n gt h es c o p eo f t h ew o r k 。 k e yw o r d s ：s k e w e d - s w e p t ；a r b i t r a r yv e r t e xf l o w ；n o i s e ：t w i s tr u l e i i i ， r 、 篮2 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录 第一章绪论1 1 1 概述1 1 1 1 通风机的发展1 1 1 2 通风机的分类l 1 1 3 主要研究方向和产品“三化 2 1 2 前弯前掠轴流风机国内外的最近研究状况：3 1 3 研究的目的和意义5 1 4 论文的主要工作内容安排6 第二章前弯前掠风机的声学性能的分析8 2 1 前弯前掠轴流风机叶片的结构特点：8 2 2 弯曲叶片对二次流动和损失的影响8 2 3 轴流风机噪声的产生1 0 2 3 1 宽带噪声1 0 2 3 2 离散噪声1 1 2 4 轴流风机噪声特性1 2 2 5 前弯前掠风机降低噪音机理的分析：1 2 第三章前弯前掠轴流风机的气动计算1 4 3 1 轴流通风机典型结构1 4 3 2 轴流风机翼型和叶栅及其主要几何参数和气流参数1 5 3 2 1 轴流通风机常用翼型1 5 3 2 2 翼型几何参数15 3 2 3 叶栅几何参数1 7 3 。2 4 气流参数18 i v 东北大学硕士学位论文目录 3 3 气流在级中的流动19 3 3 1 轴流通风机方案选择1 9 3 3 2 速度三角形1 9 3 3 3 简单径向平衡方程2 1 3 3 4 等环量流型和变环量流型2 2 3 4 孤立翼型和平面直列叶栅理论2 3 3 5 前弯前掠风机气动计算研究的假设条件2 3 3 6 前弯曲角度和前倾角度的选择2 4 3 7 前掠角度的选择2 6 3 8 叶片对气体的加功量2 7 3 8 1 对叶片流型的设计2 7 3 8 2 求出流型中的未知数2 8 第四章前弯前掠风机的噪音计算和数学模型的建立3 1 4 1 通风机噪声的主要物理量3 1 4 2 通风机噪声的评价及有关标准3 3 4 2 1 噪声级3 3 4 2 2a 声级与比a 声级3 4 4 2 3 声功率级和比声功率级3 5 4 2 4 通风机噪声测量方法和噪声限值3 6 4 3 目标函数3 7 4 4 约束条件4 0 第五章实例验证与结果分析4 3 5 1 按照上述气动计算方法设计j y f z 1 n 0 1 6 a 轴流风机4 3 5 1 1 确定基本的气动参数4 4 5 1 2 确定计算截面4 5 5 1 3 叶片的弯掠角度的确定：4 7 5 2j y f z 一1 n _ 0 1 6 a 与f z 11 n _ 1 6 a 风机气动性能比较4 9 5 2 1 叶片安装角1 1 。、电机功率2 2 k w 时4 9 5 2 2 叶片安装角1 4 。、电机功率3 0 k w 时5 0 5 2 3 叶片安装角1 7 。、电机功率3 0 k w 时5 1 v t 东北大学硕士学位论文 目录 v i 5 6 o 5 c j 6 沦 结献 一 章文谢 六考 第参致 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 概述 1 1 1 通风机的发展 第一章绪论 通风机是广泛应用于国民经济各个行业的一种通用机械。普遍应用于空气调节、机 械烘干冷却、谷物粉末输送、锅炉引风、矿井通风、船舶、气体输送、地铁通风、纺织 厂通风、防腐防爆和一般通风等石油、化工、动力、冶金、采矿及国防等工业部门。 通风机的发展历史，经历了三个主要阶段【l l ： 第一个阶段：1 9 世纪中叶。由于受科学研究水平和工业生产水平的限制，许多试验 未达到预期的效果，主要是效率太低，实用价值不大，故未能真正得到应用。 第二个阶段：2 0 世纪初期。由于航空工业的飞速发展，有关风机的理论和试验研究 的工作的开展，以及气体动力学方面许多理论工作上的突破，对改善风机的性能和完善 设计方法起到了巨大的促进作用。 第三个阶段：自2 0 世纪6 0 年代至今。由于测试手段的现代化及电子计算机技术的 发展，又进一步使通风机的理论研究、试验及设计工作日臻完善。 解放前，我国风机的研究起步比较晚，只有少数工厂生产过一些小型的离心鼓风机 及一般的通风机。解放后，这方面进展很快，特别是离心压缩机的生产已具有一定的水 平与较大的规模。 1 1 2 通风机的分类 通风机是用来输送气体的机械，从能量的观点看，它是传递和转换能量的机械，从 外部输入的机械能，在风机中传递给气体，转化为气体的压力能，以克服流动阻力。它 的种类繁多，有着多种不同的分类方式，这里介绍几种常用的分类方法【2 】： 1 ) 按产生的风压高低分类 a ) 通风机：在标准进气状态下，风机的全压小于1 5m p a 的称为通风机： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 b ) 鼓风机：在标准进气状态下，风机的出口表压力在1 5 - - 0 2 m p a 之间的称 为鼓风机； c ) 压缩机：在标准进气状态下，风机的出口表压力大于0 2 m p a 的为压缩机。 2 ) 按照气流在风机叶轮中的运动方向分类 曲轴流式通风机：在轴向剖面上，气流在叶轮流道中沿大致平行于通风机旋 转轴的方向流动。 b ) 离心式通风机：在轴向剖面上，气流在叶轮流道中沿大致垂直于通风机旋 转轴的方向流动。 混流式通风机：它的情况介于前两者之间，其气体流动方向与通风机旋转 轴成某一角度。 3 ) 通风机按所产生的风压的大小又可以分为： 幻低压离心通风机：在标准进气状态下，通风机的全压小于1m p a 的离心通 风机。 b ) 中压离心通风机：在标准进气状态下，通风机的全压在1 3m p a 之间的离 心通风机。 c ) 高压离心通风机：在标准进气状态下，通风机的全压介于3 - - 1 5m p a 之间 的离心通风机。 d ) 低压轴流通风机：在标准进气状态下，通风机的全压小于0 5m p a 的轴流 通风机。 e ) 高压轴流通风机：在标准进气状态下，通风机的全压介于0 5 1 5m p a 之 间的轴流通风机。 4 ) 按用途分类通风机分为：引风机、纺织风机、烧结风机、消防排烟风机、排尘 风机等。 1 1 3 主要研究方向和产品“三化 从透平机械的发展方向看，轴流通风机的主要目标是提高其经济性、可靠性和实用 性，主要发展趋势是： 1 ) 高效化。由于通风机耗电量大，是各种工业设备中的主要耗能装置，目前国内 外节能呼声日益高涨，提高通风机效率以提高其经济性是具有重大意义的现实 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 问题。 2 ) 高压化。对于轴流通风机，如何提高其压力，也是今后的主要问题之一。 3 ) 低噪音化。通风机的噪声较大，直接影响到人们的工作、生活和健康，近年来 越来越引起人们的重视。噪音水平的高低已成为衡量通风机性能好坏的一项重 要经济指标。 轴流通风机应用面广泛，品种繁多，要最大限度的满足用户的需要，同时又要尽可 能减少品种，缩短生产周期，提高产品质量，降低成本，这就对轴流通风机提出“三化 要求，即系列化、通用化和标准化。这不但是节省人力、物力和缩短设计与制造周期的 一种先进工业生产管理方法，而且能集中力量，研究少量的基本叶型、叶轮与元件，提 高通风机效率与各种性能，以更快地、有效地提高通风机质量和发展新产品。 1 2 前弯前掠轴流风机国内外的最近研究状况： 6 0 年代美国的s m i t h 提出了将弯掠叶片应用于压气机中。弯掠叶片是非常规叶轮形 式之一。非常规叶轮指的是沿径向叶型各截面重心的连线不在径向方向或不在旋转平面 上。8 0 年代比利时的b r e u g e l m a n s 3 】利用实验研究了低展弦比的n a c a 6 5 系列平面扩压 叶栅的弯掠对二次流损失的影响，得出如下结论：当量倾角增大时，上半叶高的二次流损 失和叶栅出口总压损失明显减少，下半叶高有所增加。9 0 年代美国的c h a h 以及 a j w e i l l l e r s 们m 【4 】对跨音速的压气机弯掠动叶的内部流场进行了研究，发现采用弯掠新 型叶片设计出的动叶表现出十分优良的气动性能。在弯掠叶片的流场中，二次流的分布 优于直叶片的二次流分布，而且叶顶的撞击损失明显降低1 9 9 9 年德国的m t 2 b e i l e r 和 t h c a r o l u s 5 】利用数值分析研究了弯叶片轴流风机内的三维流动状况，并结合实验研究， 得出如下结论：采用前弯叶片有助于提高风机的性能，出口处的流体分布相对均匀，这样 就减少了冲撞损失。而且前弯叶片的采用改善了声学性能，必将得到更广泛地使用。 国内很多专家学者也对此做了大量的研究。哈尔滨工业大学的赵桂杰，陈浮，宋彦 萍，卞兆喜，王仲刮6 】对直叶片、前掠叶片、后掠叶片及弯掠( 正弯+ 前掠) 叶片组成的四 种不同平面扩压叶栅叶片表面及端壁静压分布进行了实验研究，分析了型面静压分布对 附面层发展、吸力面角区低能流体迁移的影响，对进一步理解掠、弯叶片改善压气机栅 内流动状况、提高喘振裕度的机理进行了探索。华中科技大学的游斌，吴克启【7 】对在不 改变斜流转子叶型中弧线出口角的前提下，对常规斜流转子的叶根和叶项部分进行前缘 弯掠( 扭) 设计，寻求扩大斜流转子的喘振裕度和高负荷，改善低流量时的旋转失速状态。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 上海交通大学动力与能源工程学院的欧阳华，钟芳源【8 】重点介绍了前弯动叶降噪技术在 叶轮机械气动噪声研究领域的应用，结果表明动叶前弯技术可以较大幅度提高气动效 率、降低气动噪声。此外还考察了不同前弯角度和叶片重心积迭线对气动性能的影响， 得出了一些有益的结论。1 9 9 9 年蔡娜【9 】进行非模化区域内气动声学相似理论的研究， 首次将弯掠动叶移植到民用电器中的小型风扇上，首次建立了适于工程实际应用的非自 模化区域内气动一声学相似性准则，建立低噪高效小型风扇的设计体系。并且通过理论 和实验工作，她得到弯掠动叶拓展运行范围2 0 以上和降低噪声的事实。 此外，王建民、韦俊、李中等人也作了大量的实践和理论研究工作。其中，王建民 首次提出了采用简单实用的“双激盘模型对弯掠叶片进行计算，并结合改进的h o w e l l 损失模型，并且通过实验证实了此方法的可行性。弯掠动叶风机和径向动叶风机相比效 率提高，噪声降低，但同样最高效率点的压头有所降低。已有的研究成果表明了在提高 效率、降低噪声、扩大稳定工作范围方面，弯掠动叶有很大的潜力可挖。要揭示弯掠叶 栅扩稳机理，内部流场的研究是极重要的，必不可少。叶轮机械内部流动十分复杂，主 要是由于流道复杂的几何形状，高速旋转以及动静叶栅之间的非定常气流效应所引起 的。虽然计算流体力学己经广泛应用到叶轮机械的数值计算和模拟实际的流动现象中， 不过要使模拟真实并不容易。 随着对轴流压气机内部流场和损失机理层层深入的认识，叶片的设计工作取得了长 足的进步和显著的成绩。理论和实验研究的发展，使弯掠叶片产生并登上了舞台。 弯掠叶片的设计思想最早来源于人们在航空领域中对机翼的研究。5 0 年代以后， 随着航空工业进入喷气式时代，后掠机翼已成为现代飞机最主要的特点之一；而近年来， 由于对战斗机亚音速机动性的要求越来越高，前掠机翼技术有了较大的发展，并已在俄 罗斯新型s u 3 7 战机上得到了成功的应用。此外，在航空发动机领域，弯掠叶片技术 已成为目前的研究热点，包括n a s al e w i s 研究中心、v o nk a r m a n 研究中心、h p 、g e 、 r r 在内的许多研究机构和制造厂家都对此进行了大量研究【l o t1 1 】，证实了弯掠叶片在 提高气动效率、扩大稳定工作范围、降低气动噪声等方面具有显著的效果。目前，叶片 弯掠技术已逐渐应用于工业叶轮机械领域，上海交通大学涡轮机研究所在中低压轴流通 风机上应用周向前弯技术，取得了提高热效率3 4 ，降低噪声2 - - 3 d b ，扩大稳定 工作范围近2 0 的良好效果【1 2 】。 美国普惠为装备波音7 7 7 飞机所研制的p w 4 0 8 4 发动机的一级风扇叶片、七级低压 和十一级高压压气机的静子导流叶片全部采用具有可控扩散叶型的三维弯曲造型的端 东北大学硕士学位论文第一章绪论 弯叶片，实验证明壁面的扩散损失减小，推力由原来3 2 2 k n 提高到3 9 7 k n ，效果是明 显的【1 3 1 。日本的东芝公司为了降低叶片两端的二次流损失，将在大型蒸汽汽轮机机组的 高压机中采用了弯导叶。实验证明在较大的速比范围内，采用弯导叶的设计均具有较高 的级效率【1 4 1 。1 9 9 2 年德国u n t e r w e s e r 核电站1 3 0 m w 汽轮机在低压部分装入了由西门 子公司研制的弯叶片。装入新的末级后，机组的总效率提高了4 ，约5 0 m w 1 5 j 。横跨 三大洲的国际合作涡扇发动机v 2 5 0 0 ，是国际航空发动机公司的先进产品，压气机叶片 设计采用了端部弯曲的可控扩散涡叶型。叶片端部弯曲的叶型适于低速环形附面层气 流，可减少二次流，并控制涡系的形成。试验表明，效率提高了l ，高压压气机喘振 边界提高了6 t 1 6 1 。 弯掠叶片在国内外的发展状况由于弯掠叶片在这些方面突出的优点，它受到了国内 外学者和用户的重视。迄今为止，弯掠叶片在国内外己取得了令人瞩目的成绩。沈阳航 空发动机制造公司、沈阳发动机研究所、北航和o n 基地第二设计所也将端弯叶片应用 于航空发动机的压气机叶栅中，取得了很好的效果【1 7 1 。既然采用弯掠叶片能够提高效率， 降低损失和噪声，以及扩大稳定工作范围，那么就需要进一步开展对采用弯掠叶片的叶 轮机械的研究，仔细分析其内部流场，全面掌握弯掠叶片扩大稳定工作范围的机理，从 而使弯掠叶片在叶轮机械中得到更广泛的运用。 1 3 研究的目的和意义： 通风机在实际应用中，不同用途的风机在众多的指标当中，以下几个为主要追求指 标： 1 ) 高效率；2 ) 低噪声；3 ) 小尺寸低重量；4 ) 高转速；5 ) 低成本， 前弯前掠轴流风机能带来的好处有： 1 ) 降低噪音： 噪声问题极大地影响了人们的工作和生活环境，越来越引起人们的关注。有多种多 样的噪声源在人们周围：汽车、火车、飞机开过的声音，建筑工地的轰鸣声，排气扇的嗡 嗡声，车间的机床切削声等等。切切实实地解决噪声问题，降低噪声，是提高环境质量 的重要方面。许多国家都制定了噪声指标的国家标准。风机的噪声问题到目前为止还未 能彻底解决，特别是对于高压风机，取得的进展有限，这是由目前的计算气动声学水平 和计算机硬件条件决定的，其关键问题是要计算包围风机外1 米范围内每一点随时间变 化的流场( 从启动至稳定) ，这样的计算工作量难以完成。但是，对于低压小型风机，已 气 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 经可以使其噪声达到很低水平，因为在这种情况下，可以采取许多行之有效的简化与假 定，人们熟知的空调风机就是一个例子。研究风机，不但要研究提高其性能的方法，还 要尽量减少其噪声，以使其使用更环保、更舒适。 前弯前掠动叶降低气动噪声的优点与前弯前掠的气动性能的改善密切相关。由于采 用了前弯前掠的叶片，叶片的边界层动叶的出口尾迹的宽度减薄了许多，降低了涡流噪 声。叶片的重心线的连线是弯曲的，降低了总声压级。采用前弯前掠叶片减少了叶片的 数量，叶片是影响噪声的一个重要的因素。叶片的数量减少了，噪音自然就要降低了。 2 ) 降低成本： ， 加宽叶片，减小轮毂比，最大限度的避免了根部附面层分离。充分的利用叶片顶部 的较大的圆周速度，降低叶片的数量，减少了材料的数量，同时也减少了加工叶片的费 用，在资源紧缺的今天可以为国家节约很多的原材料，也成为企业追求低成本创造最大 利润的有效手段。对于用户来说，降低成本可以使用户少花很多钱。但是，叶片扭曲过 大，从而增加了制造的难度，单个叶片的成本也许会提高。 3 ) 工作稳定： 采用前弯前掠的叶片可以改善风机内部的流动状况，可以采取较小的轮毂比，在大 流量处，特性曲线比较平坦，在相同的转速时，前弯前掠风机的最高压点和最高效率点 十分接近，可以设计成为一点，扩大了风机的工作区域。使轴流通风机工作更加的稳定， 可以更有效的防止喘振。 4 ) 。低重量： 由于叶片减少了，轴流风机的重量就会减轻，对于需要经常搬运的通风机有很明显 的优点。重量轻也方便与厂家和用户之间的运输。 到目前为止，在公开发表的文献中没有提出具体的前掠前弯轴流风机设计方法，本 文综合了前弯前掠的叶片的特点和风机设计理论提出了一种简单有效的设计方法，以达 到低压轴流风机的降噪和节约成本的目的。通过对其气动计算的研究使前掠前弯轴流风 。 机的设计有了比较合理的理论基础，对该型式风机的设计和研究有着一定的参考意义。 1 4 论文的主要工作内容安排 本文主要研究内容和章节结构简要说明如下： 第一章，绪论。对风机的发展和分类以及目前国内外对低压低噪轴流风机的研究作 一下简介。简单的叙述了本文的目的和研究意义。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第二章，介绍了前弯前掠风机叶片的特点及这种叶片对二次流动的影响和轴流风机 噪音的特性及其产生。分析了前弯前掠叶片低噪的原因。 第三章，在传统的风机设计方法的基础上提出前弯前掠叶片的设计方法，对前弯前 掠风机的各个参数进行了分析和选择。 第四章，轴流通风机噪声模型的建立及求解。在孤立翼型理论和直列叶栅理论基础 之上，进行低压轴流通风机的噪声流型优化设计。通过调节变环量设计指数，在满足风 机全压、流量、以及叶顶圆周速度等约束条件下，在寻求轴流通风机最低噪声的条件下， 进而确定所求的风机几何参数。 第五章，实验结果分析和验证。将采用本文气动计算方法设计出的风机，在叶轮直 径、转速，电机功率相同的情况下，与实际生产运行中的风机进行试验对比验证。 第六章，结论。 最后，是参考文献和致谢部分。 东北大学硕士学位论文第二章前弯前掠风机的声学性能的分析 第二章前弯前掠风机的声学性能的分析 2 1 前弯前掠轴流风机叶片的结构特点 如图2 1 所示的s t r 为径向叶片，叶片的弯曲分为前弯和后弯，前弯是指向叶片旋 转方向弯曲一定的角度，如图2 1 所示s w b 为前弯叶片，后弯是指叶片向旋转反方向 弯曲一定的角度，如图2 1 所示中的s w f 。叶片的中心连线向来流方向倾斜一定的角度 称作前掠，如果叶片前弯的同时中心连线向来流方向倾斜一定的角度就叫前弯前掠叶 片，如图2 1 所示s c b 。 l 缝 虢霉 锾参。 s 。觞 图2 1 几种弯掠叶片的形状 f i 9 2 1s h a p eo fs e v e r a ls k e w e d s w e p tv a n e s 2 2 弯曲叶片对二次流动和损失的影响 二十世纪六十年代提出弯曲叶片以来，中外学者分别对不同类型的弯曲叶片叶栅进 行了广泛深入地研究，并对当前弯曲叶片的研究结果进行了很好地综述【1 8 】，下面简要介 绍如下。对于透平叶栅来讲，不同折转角叶栅的弯曲叶片的研究结果不同。王仲奇等人 对小折转角透平叶栅弯曲作用进行了大量研究，结果表明在直叶栅出口流场中通道涡较 弱，高损失区位于端部附近，端部损失在叶栅总损失中占较大比例。叶片正弯曲( 叶片 压力面与上下端壁成锐角) 可以在叶片表面特别是叶片吸力面产生一个沿叶高方向的 “c 型静压分布，有助于将端部低能流体吸入主流；随着叶片正弯曲角的增大，叶栅 端部损失迅速减少，叶栅中部损失逐渐增加，使叶栅总损失迅速降低；当叶片正弯曲角 东北大学硕士学位论文 第二章前弯前掠风机的声学性能的分析 增加至2 0 。左右时，叶栅总损失最小；当正弯曲角继续增大时，由于叶栅端部损失变化 很小而叶栅中部损失仍继续增加，使叶栅总损失提高。另外，同直叶栅相比，采用正弯 曲叶片可以削弱端部二次流动。并推测采用反弯曲叶片，会出现相反的现象【1 9 j 。不过， 有关的研究表明，如果采用无尾板设置，气流从叶栅出口截面排向大气会伴有很强的散 射，对小折转角透平叶栅通道涡和端部损失影响非常大。比较有尤尾板的叶片弯曲作用 的结果发现，虽然安装尾板后，叶片弯曲作用的结果相同，均能够降低叶栅损失，但弯 叶片降低损失的比例大大降低【2 0 1 。对于中等折转角透平叶栅弯曲作用，结果表明在直叶 栅出口流场中高损失区位于端部l 4 叶高附近，由于叶片正弯产生的向叶展中部的径向， 二次流将引起上、下通道涡的汇合，而叶片反弯曲又将引起两通道涡与端壁附面层在吸 力面壁角相互作用，无论正弯和反弯都不能减少叶栅本身的损失，叶片弯曲的作用不明 显【2 l 】。对于大折转角透平叶栅弯曲作用，有关研究表明，在直叶栅的出口流场中， 通道涡很强，并且卷吸了大量的低能流体，并向叶展中部发展。叶栅上下通道涡在 叶栅中汇合，并相互作用引起叶栅中部流动损失的剧增，高损失区位于叶栅中部。采用 反弯曲叶片，在流道内形成两端低中间高的反“c 型静压分布，叶片附面层由叶栅中 部向两端流动，遏制了通道涡向中部的发展，削弱了通道涡强度，避免了通道涡在叶栅 中部汇合，因此在叶栅中部的二次涡强度和损失明显降低，叶栅总损失下降。采用正弯 曲叶片，得到相反的结果【2 2 1 。在扩压叶栅弯曲叶片的研究中，透平叶栅中的研究结果不 能简单地移植过来。这是由于扩压叶栅中气流的减速扩压流动使附面层迅速增厚并易于 分离：叶片折转角小，气流的离心力小，由它产生的径向压力梯度小，吸收端壁附面层 的能力也就小；同时扩压叶栅叶片的叶型损失比较大，低能流体吸到主流后对主流区的 影响比较大。因此，扩压叶栅采用弯蓝叶片的结果和透平叶栅不完全相同。钟兢军等人 研究了n a c a 6 5 扩压叶栅，实验结果表明，采用倾斜叶片可以降低正倾斜侧的二次流 损失，但叶栅中部和负倾斜侧的损失急剧增加，叶栅总损失明显增大。采用正弯曲叶片， ， 叶栅两端损失下降，而中部损失有所增大，叶栅总损失变化不大。对该叶栅进行了叶片 。 反弯曲作用的实验研究结果表明，在该扩压叶栅中采用反弯曲叶片，可有效地控制叶栅 中的压力分布，改善叶栅内的气流旋涡结构，从而降低叶栅二次流损失，改善叶栅的气 动性能四】。然而，在同一实验台上，对同一扩压叶栅叶片弯曲作用的实验研究中，在实 验测量中添加了尾板，却得出了完全相反的结论【2 4 】。同直叶片叶栅相比，正弯曲叶片叶 栅流场改善，二次流得到有效控制，叶栅总损失下降。而反弯曲叶片则效果相反。可以 说弯曲叶片在扩压叶栅中的研究刚刚开始，目前还没有公认的结论，在扩压流动中采用 东北大学硕士学位论文第二章前弯前掠风机的声学性能的分析 弯曲叶片的研究工作离工程实际应用还有一段距离【2 5 】。 2 3 轴流风机噪声的产生 研究风机噪声的目的在于识别各种噪声的机理和将系统物理参数与声源强度联系 起来。有了这些知识，就有可能对一特定的风机在其设计阶段，与气动性能一起考虑其 声学性能。风机噪声的研究有一特殊问题，就是除识别噪声源性质外，还必须考虑噪声 能量离开风机的方式。对于自由运行的风机和螺旋桨，这一问题不困难，因为可以认为 声辐射出后不遇到障碍物或反射表面。但对于管道风机和压气机，由于管道壁、进气喇 叭口等的存在，离开风机后的空间声能分部、甚至在某种场合下的的声源强度均会受到 影响。因此一个完整的风机噪声分析必须包括多种声传播的条件。尽管如此，在不规定 传播条件的详细效应的条件下，通过对风机进口处的自由场的观察，还是可能得到相当 多的风机内噪声源特性和性质的信息，可以在改变激励而保持传播条件不变的条件下进 行相对测量。例如，可以改变冲撞在风机上的来流紊流强度或尺度而保持平均流动条件 和几何参数不变。更进一步，如果声辐射具有较高频率，也就是反射表面的代表性尺寸 大于或等于四分之一波长，则尽管辐射强度的空间分布与方向有关，但可近似地认为辐 射总功率与反射表面的方向无关。风机噪声的一般性质显示在频谱上，研究表明，频谱 可以分为宽带噪声和离散噪声。宽带噪声有较宽的频率范围，离散噪声频率峰值是在叶 片通过频率基频及多次谐波处。宽带噪声和离散频率噪声的相对强度值随风机类型的不 同而异。通常，低叶尖速度的通风用风机噪声几乎完全是宽带，而大多数高速多级航空 用压气机则存在一个离散频率噪声。在这个一般分类中包括螺旋桨噪声，它几乎完全由 离散频率噪声组成，而在低叶尖速度时宽带噪声是重要的。因此，一般的讨论风机噪声 问题，必须同时讨论这两种噪声。研究表明，风机总噪声级与叶片速度的六次方成正比。 根据量纲分析，风机噪声源基本上是偶极子性质的，进一步可推出，噪声是由于叶片作 用于流过风机的空气上脉动力所引起的。在讨论这些力的产生方式时，分别考虑频谱中 这两种分量是有利的。 2 3 1 宽带噪声 频谱中的宽带分量主要由于有随机特性的脉动力所引起的。至少可列出三种形成这 类脉动力的机理。在运动流体中，表面上的随机脉动力的一种形式是紊流边界层引起的 、 东北大学硕士学位论文 第二章前弯前掠风机的声学性能的分析 表面压力场。这样产生的局部力可作为一个声源。因此可合理地认为风机中紊流边界层 是一个可能的噪声源。第二种形式的脉动力是在运动流体中物体表面的旋涡脱落所引起 的。典型的例子为卡门涡街，即在小雷诺数下，钝体后周期性旋涡的脱落，它诱导出相 应的环量变化，即升力变化。这样严格规定的现象当然在风机叶片的流线型叶型上是不 可能发生的( 除非在特大攻角情况下也许能发生) 。但是叶片尾缘涡脱落的随机脉动确实 会引起局部升力的脉动。第三种脉动力是当叶片在原来是紊流的流体中运动时产生的。 在叶片表面的每一点上，冲角是由平均速度和损失脉动速度的总和所确定的。如果像紊 流流动中的那样，脉动速度是随机变化的，则冲角的脉动和由此引起的升力脉动也是随 机的。 2 3 2 离散噪声 随机性脉动力形成了噪声的宽谱分量，而一些周期性脉动力作用于通过风机的气流 上，产生了噪声的离散频率分量。有一个关于亚音速螺旋桨离散频率噪声的理论，其理 论分析结果与实验结果吻合很好。离散频率噪声实质上是螺旋桨附近固定点上空气的基 元面积的周期性激励引起的。当基元叶片及其压力场通过基元面积时，该基元面积就受 到一次力的脉动，因此整个螺旋桨盘可用偶极子源分布代替，其强度和作用于螺旋桨叶 片上的推力和扭矩相关。激励的基本频率是叶片通过固定点的频率，也就等于转动频率 与叶片数的乘积。除基频外，还有基频的各次谐波分量存在，其幅值取决于激励的形状 和脉冲时间与周期的比值。在管道内源组辐射强度的空间分布与自由场情况下同样源组 的空间分布不一样，然而可以假定总能量是相等的。可是还不肯定螺旋桨噪声理论是否 适用于与螺旋桨有很大差别的旋转叶片结构，与这种结构相比较，螺旋桨叶片数多，展 弦比大。而风机转子叶片间距紧凑，很可能产生各个叶片压力场之间、尾迹之间的干涉。 况且，管道对脉动流动的约束及较小的展弦比都有可能使沿展向的源分布及源强度与螺 旋桨有较大差别。即使转子产生的离散噪声是由于螺旋桨噪声机理，至今所得到的数据 还不足以表明管道的存在引起噪声的增加，是由于产生了更好的阻抗匹配，还是产生了 更大的气动力。 可以认为风机离散频率噪声源有两个，一个是随着转子叶片运动的压力场引起的螺 旋桨式的噪声，另一个是气动干涉引起的叶片脉动力的噪声。现在的问题是如何评价两 者的相对重要性。动、静叶之间的距离是干涉噪声的重要参数。当这一距离很小，位流 东北大学硕士学位论文 第二章前弯前掠风机的声学性能的分析 和尾迹的变化都会产生影响。叶片也有可能作为声屏障，而加强邻近叶片列的叶片上的 升力脉动产生的声辐射。这个影响取决于与升力脉动有关的声波波长与作为屏障的叶片 尺寸之比。在该比值大于2 的频率范围内，由于这个影响引起的辐射强度的变化是最显 著的。对一个辐射噪声的叶片，其上下游叶片列具有相同叶片数，且这个两列叶片中的 每一个叶片同时与一个转子叶片相遇，因而在源的两边构成声障时，这个影响将会更强。 当动静叶之间的距离增加，位流的干涉影响减小将比尾迹速度变化的影响快得多，也可 预料叶片作为声障的作用也会随着距离的增加而减小。因此，至少有三个参数影响干涉 噪声的大小，即速度场波形的叶片形状( 也就是叶片载荷) 、叶片列之间的距离和作为声 源的叶片辐射面积非常小的间距可能产生两个声学影响。如果静叶干涉场在动叶上建立 力脉动，使动叶成为一声源，则动叶就作为源，而静叶则是声障。 2 4 轴流风机噪声特性 轴流风机噪声一般具有以下特性： 1 ) 风机噪声具有偶极子性质，并由宽带噪声和离散噪声组成。 2 ) 离散频率噪声出现转子叶片通过频率基频及多次谐波。 3 ) 宽带噪声主要由尾缘处涡脱落而作用于叶片的升力脉动所引起的，但叶片前任 何大尺度紊流将产生附加升力脉动，从而使宽带噪声辐射明显增加。 4 ) 对多列叶片风机离散噪声主要是由动叶与静叶之间气动干涉产生升力脉动所引 起，其强度在很大程度上依赖于动静叶之间的间距。 2 5 前弯前掠风机降低噪音机理的分析 ( 1 ) 弯曲叶片对离散噪音的影响： 离散噪声方面，m i k k e l s o n i 冽研究了由升力和阻力引起的叶片定常力造成的单独转 子噪声，结果表明：对于高叶尖速度的风机，前弯叶片的采用可以大大降低此项噪声，文 中采用“条片相位差旧理论解释了其机理；s t u t z 进一步指出：对于低速通风机而言， 采用前弯动叶对此项噪声影响不【2 8 2 9 1 大。c u m m i n g ，h a y d e n 研究了周期性非定常力干涉 噪声，指出叶片前弯对此项噪声影响较大为了有效地减少该噪声，叶片的弯角必须与前 列叶栅粘性尾迹的谐波相匹配，以形成合适的相位差，从c u m m i n g 文中所给出的实验 结果可以发现，采用“c 型的叶片积迭线匹配较好，可以较好地形成有助于减少噪声谐 波分量的相位差，这一结果与王炜的计算结果一致。k e s c h e n ，e n v ia 3 0 3 1 ，3 2 】系统地研究 东北大学硕士学位论文 第二章前弯前掠风机的声学性能的分析 了弯角的选择及其引起的相【2 刀位差对降噪的作用。 ( 2 ) 弯曲叶片对宽频噪音的影响： 宽频噪声方面，w r i g h t l 3 4 1 首先研究了弯掠动叶对紊流边界层脉动引起的宽频噪声 的影响j ；k e i t h 3 5 j 进一步给出了紊流边界层厚度与噪声的相关曲线，表明紊流边界层压力 脉动噪声是与边界层厚度成正比的；w r i g h t 【3 6 】揭示了动叶前弯对边界层流动的影响一前 弯叶片约束了沿翼展低能量流体的流动，使边界层厚度减薄，从而降低了气动噪 声；a d k i n s ”】的研究表明，后弯叶片可以减少进口紊流干涉噪声，但同时却增加了尾涡脱 落的宽频噪声，而前弯动叶两者都可以减少。对于粘性尾迹干涉引起的宽频噪声， w i l l i a m s 38 】通过对平板出口尾流噪声的研究揭示了弯掠对降低此项噪声的作 用，b r o w