加長(zhǎng)葉片對(duì)離心風(fēng)機(jī)性能及噪聲影響的實(shí)驗(yàn)研究（3）

    由圖 9 可知，葉輪葉片加長(zhǎng)后風(fēng)機(jī)的效率在整體上均略有下降。表 2 表明，大流量區(qū)各管路特性曲線的運(yùn)行工況點(diǎn)效率均有下降，該區(qū)域?qū)?yīng)原風(fēng)機(jī)的流量范圍為 79%~114% 最高效率點(diǎn)流量。當(dāng)葉輪葉片加長(zhǎng) 5% 時(shí)，運(yùn)行工況點(diǎn)效率下降 0.38%~2.9% ，平均下降 1.32% ；當(dāng)葉輪葉片加長(zhǎng) 10% 時(shí)，運(yùn)行工況點(diǎn)效率下降 0.95%~4.98% ，平均下降2.47% 。即葉輪葉片每加長(zhǎng) 5% ，風(fēng)機(jī)效率約下降1.3% 。利用表 2 中的數(shù)據(jù)可將葉輪葉片加長(zhǎng)前、后運(yùn)行工況點(diǎn)的參數(shù)關(guān)系整理成與切割定律類(lèi)似的形式。

式中上標(biāo)“' ”表示改造后風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)的參數(shù)。整理過(guò)程中對(duì)根據(jù)不同工況點(diǎn)參數(shù)計(jì)算所得的指數(shù)取了算術(shù)平均值。 由式 (7) 和 (8) 可知，隨加長(zhǎng)量的增加，流量和全壓比例式中的指數(shù)有增加的趨勢(shì)；而功率和效率比例式中指數(shù)則逐漸減少。與式 (1)~(6) 不同的是，式 (7) 和 (8) 揭示的是風(fēng)機(jī)葉輪葉片加長(zhǎng)后運(yùn)行工況點(diǎn)參數(shù)之間的關(guān)系，尤其是給出了效率變化關(guān)系，可直接用于工程實(shí)際中葉輪葉片加長(zhǎng)改造時(shí)加長(zhǎng)量的計(jì)算。
2.2 性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果與切割定律的比較
由風(fēng)機(jī)的加長(zhǎng)方式及圖 7 可知，風(fēng)機(jī)葉輪葉片加長(zhǎng)前后葉輪出口的寬度不變，適用的切割定律應(yīng)為式 (4)~(6) 。應(yīng)用式 (4)~(6) 將原始風(fēng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)獲得的工況點(diǎn)的流量和全壓數(shù)據(jù)進(jìn)行換算后繪制成曲線，并與葉輪葉片加長(zhǎng)后的實(shí)測(cè)性能曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖 10 所示。由圖可知，按切割定律 (4)~(6)計(jì)算所得結(jié)果與風(fēng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果差別較大。為此，又應(yīng)用式 (1)~(3) 將原始風(fēng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)換算后繪制成曲線，并與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，如圖 11 所示。

    圖 11 表明，在流量大于 5 m 3 /s ( 相當(dāng)于 83% 最高效率點(diǎn)流量 ) 的大流量區(qū)， 由切割定律 (1)~(3) 計(jì)算所得曲線與實(shí)測(cè)結(jié)果非常接近，其中葉輪葉片加長(zhǎng) 5%時(shí)，與實(shí)測(cè)結(jié)果相比，計(jì)算流量誤差小于 1% ，全壓誤差小于 2% ；葉輪葉片加長(zhǎng) 10% 時(shí)，計(jì)算流量誤差小于 1.5% ，全壓誤差小于 2.5% ；而在小流量區(qū)計(jì)結(jié)果的誤差較大，特別是葉輪葉片加長(zhǎng) 10%的情形，全壓誤差高達(dá) 5% 。由此可知，當(dāng)葉輪葉片按本文方式加長(zhǎng)，即加長(zhǎng)前、后葉輪出口的寬度不變時(shí)，適用的切割定律應(yīng)為式 (1)~(3) 而非式 (4)~(6) ， 并且切割定律更適合于大流量區(qū)相應(yīng)工況點(diǎn)性能參數(shù)的換算。
    風(fēng)機(jī)的切割定律是在假設(shè)葉輪切割或加長(zhǎng)前后葉片出口安裝角和風(fēng)機(jī)效率不變，且切割前后風(fēng)機(jī)出口速度三角形相似的前提下，由相似定律簡(jiǎn)化推導(dǎo)而來(lái) [1-2] 。 但實(shí)驗(yàn)過(guò)程表明， 葉輪葉片加長(zhǎng)后與原風(fēng)機(jī)相比，只有葉輪外徑和葉片長(zhǎng)度發(fā)生變化，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)并未改變，因此并不完全符合幾何相似條件。另外，利用風(fēng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制的無(wú)因次性能曲線 ( 圖 12) 也表明，葉輪葉片加長(zhǎng)后全壓和功率無(wú)因次性能曲線均與加長(zhǎng)前并不相重合，說(shuō)明葉輪葉片加長(zhǎng)后的風(fēng)機(jī)與原始風(fēng)機(jī)不滿(mǎn)足相似條件，因而以相似定律為基礎(chǔ)推導(dǎo)出的切割定律存在一定誤差。
    文獻(xiàn) [15] 建議通過(guò)模型試驗(yàn)來(lái)確定需要加長(zhǎng)葉片的風(fēng)機(jī)在不同加長(zhǎng)量下的實(shí)際性能曲線，然后再根據(jù)實(shí)際需要的參數(shù)確定加長(zhǎng)量，而不是由公式計(jì)算加長(zhǎng)量。因此，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的風(fēng)機(jī)葉輪葉片加長(zhǎng) 5% 和 10% 的無(wú)因次性能曲線可用來(lái)獲得G4–73 系列其他型號(hào)風(fēng)機(jī)葉輪葉片加長(zhǎng)后的性能曲線，并為工程實(shí)際中確定風(fēng)機(jī)葉片葉輪加長(zhǎng)量提供重要的參考依據(jù)。

2.3 風(fēng)機(jī)葉輪葉片加長(zhǎng)后的噪聲實(shí)驗(yàn)
    噪聲測(cè)量遵循 GB 2888—2008 《風(fēng)機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)量方法》[16] ，選用近場(chǎng)測(cè)聲法使用AWA6270A 型噪聲頻譜分析儀對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲 A 聲級(jí)與頻譜進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)得到葉輪葉片加長(zhǎng)前、后通風(fēng)機(jī)的 A 聲級(jí)噪聲與風(fēng)機(jī)流量間的關(guān)系曲線如圖 13 所示。
    圖 13 表明，與原通風(fēng)機(jī)相比，葉輪葉片加長(zhǎng)后的通風(fēng)機(jī)各流量下的噪聲均有所上升。當(dāng)葉輪葉片加長(zhǎng) 5% 時(shí)，通風(fēng)機(jī)噪聲增加 1.3~1.9 dB，平均增加了 1.6 dB ；當(dāng)葉輪葉片加長(zhǎng) 10% 時(shí)，通風(fēng)機(jī)噪聲增加 2~2.8 dB ，平均增加了 2.3 dB 。在流量小于6 m 3 /s ( 最高效率點(diǎn)流量 )時(shí)， 葉輪葉片加長(zhǎng) 10% 后風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲高于葉輪葉片加長(zhǎng) 5% 的噪聲；在流量大于 6 m 3 /s 時(shí)葉輪葉片加長(zhǎng) 10% 后風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲與葉輪葉片加長(zhǎng) 5% 后風(fēng)機(jī)的噪聲相差不大。對(duì)于離心式通風(fēng)機(jī)，葉輪與蝸殼間存在著一定距離 t，t 過(guò)小會(huì)使風(fēng)機(jī)噪聲升高，t 過(guò)大又會(huì)使風(fēng)機(jī)性能下降。文獻(xiàn) [17] 認(rèn)為該距離與葉輪外徑的比值 t / d = 0.125 時(shí)噪聲最小。本研究中，原始風(fēng)機(jī)葉輪與蝸舌之間的距離為 100 mm ，葉輪外徑為800mm ，二者比值正是最佳值；當(dāng)葉輪外徑加長(zhǎng)到840 mm 時(shí)，t 減小到 80 mm ，t / d = 0.095 ；當(dāng)葉輪外徑加長(zhǎng)到 880 mm 時(shí)， t減小到 60 mm， t / d = 0.068 。隨著 t / d 的不斷減小，噪聲水平不斷升高。圖 14 為實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)流量為 6.6 m 3 /s 時(shí)的噪聲頻譜圖。噪聲變化的總趨勢(shì)是隨頻率的增加逐漸下降，但頻率在 250~300 Hz 之間出現(xiàn)噪聲峰值， 該峰值是旋轉(zhuǎn)噪聲和旋渦噪聲相互混雜的結(jié)果。號(hào) 1,2,3, ，其中 i = 1 為基頻，從噪聲強(qiáng)度看，基頻最強(qiáng)； i = 2,3,4, 為高次諧音， 其總趨勢(shì)是逐漸減弱的。對(duì)實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī) n = 1 450 r/min ，Z = 12 ，因此可計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)噪聲基頻為：f r  = 290 Hz ，因此在 250~300 Hz 之間風(fēng)機(jī)噪聲以旋轉(zhuǎn)噪聲為主，總噪聲為旋轉(zhuǎn)噪聲、旋渦噪聲及振動(dòng)噪聲的疊加。對(duì)實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)葉輪葉片加長(zhǎng)前、后的風(fēng)機(jī)噪聲進(jìn)行頻譜對(duì)比可知，在 31.5~300 Hz 的低頻段，葉輪葉片加長(zhǎng)致使噪聲增加迅速。當(dāng)葉輪葉片加長(zhǎng)5% 時(shí)，平均增加了 2.1 dB ；當(dāng)葉輪葉片加長(zhǎng) 10% 時(shí)，平均增加了 3.5 dB 。在大于 500 Hz 的中高頻段，原風(fēng)機(jī)噪聲與葉片加長(zhǎng)后風(fēng)機(jī)噪聲相差很小，當(dāng)葉輪葉片加長(zhǎng) 5% 時(shí)，噪聲幾乎與原始風(fēng)機(jī)重合。

    葉輪與蝸舌耦合產(chǎn)生的主要是旋轉(zhuǎn)噪聲 [18] ， 實(shí)驗(yàn)中 2 次葉輪葉片加長(zhǎng)造成葉輪與蝸舌間的距離減少， 偏離最佳值， 因而造成各頻率下旋轉(zhuǎn)噪聲增加，尤其以基頻下增加得最為顯著。但從圖 14 中可以看出在 100 Hz 以下的超低頻區(qū)， 噪聲增加得更為顯著。這是因?yàn)?2 次葉輪葉片加長(zhǎng)不僅減小了葉輪與蝸舌之間的距離，更為重要的是改變了葉輪與蝸殼之間的適配關(guān)系，造成蝸殼內(nèi)流動(dòng)惡化，使渦流噪聲大幅度增加的緣故。在工程實(shí)際中， G4–73 型風(fēng)機(jī)的噪聲問(wèn)題已引起了廣泛關(guān)注 [19] ， 如果為滿(mǎn)足生產(chǎn)需要而進(jìn)行加長(zhǎng)葉片的改造，則噪聲的增加有可能超過(guò)相關(guān)環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。在這種情況下，在對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行加長(zhǎng)葉片改造的同時(shí)，需增加相應(yīng)的降噪措施，如在葉片流道中增設(shè)整流網(wǎng)格，或裝設(shè)消音器等。
3 結(jié)論
    利用 FLUENT 軟件對(duì) G4–73 № .8D 離心通風(fēng)機(jī)葉輪葉片加長(zhǎng)前、后的內(nèi)流特征進(jìn)行了數(shù)值模擬，比較加長(zhǎng)前后內(nèi)部流場(chǎng)的變化，分析了風(fēng)機(jī)做功能力提高的機(jī)制。在此基礎(chǔ)上對(duì)葉輪葉片加長(zhǎng)前后離心通風(fēng)機(jī)進(jìn)行了性能和噪聲實(shí)驗(yàn)。由此可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：
1 ）當(dāng)風(fēng)機(jī)葉輪葉片加長(zhǎng) 5% 和 10% 時(shí)，運(yùn)行工況點(diǎn)的流量平均增加 4.9% 和 10.5% ， 全壓平均提高10% 和 22.1% ， 軸功率平均增大 15.7%和 30.2% ； 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理得到了實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)在葉輪葉片加長(zhǎng)前后運(yùn)行工況點(diǎn)的變化規(guī)律及風(fēng)機(jī)的無(wú)因次性能曲線，可為工石家莊風(fēng)機(jī)程中風(fēng)機(jī)的葉片加長(zhǎng)改造提供參考依據(jù)。
2 ）當(dāng)風(fēng)機(jī)葉輪葉片加長(zhǎng)前、后葉輪出口寬度不變時(shí)，適用的切割定律應(yīng)為式 (1)~(3) 而非式 (4)~(6) ， 且切割定律更適合大流量區(qū)相應(yīng)工況點(diǎn)性能參數(shù)的換算。
3 ）當(dāng)風(fēng)機(jī)葉輪葉片加長(zhǎng) 5% 和 10% 時(shí)， A 聲級(jí)平均提高了 1.6 和 2.3 dB 。頻譜分析表明，加長(zhǎng)葉輪葉片減少了葉輪與蝸舌間的距離，增加了旋轉(zhuǎn)噪聲；同時(shí)使蝸殼內(nèi)流動(dòng)惡化，渦流噪聲增加。噪聲的增加可通過(guò)相應(yīng)的降噪措施加以改善。