離心風機旋轉失速演化過程的氣動噪聲特性(5)

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失速團沿周向傳播過程的噪聲特性
假定第 250 個旋轉周期的計算結果位于第 0 時刻，以 1/12 個旋轉周期為一個時刻單位，采集計算結果。圖 10 和圖 11 分別為閥門開度 k 1 =0.89 、完全失速狀態下 Z =38.5 截面第 14~17 時刻的相對速度矢量圖和聲功率級分布云圖，每個時刻時間差為1/12 個旋轉周期。 由圖 10(a) 可知， 失速團占據了葉輪的 3 個流道，失速團尾部位于蝸舌附近，對應的聲功率級分布云圖 11(a) 顯示高噪區主要位于阻塞較嚴重的 3 個流道，同時失速團對應的旋渦噪聲與蝸舌噪聲疊加，形成了一個 80~105 dB 的高噪帶。隨著時間的增長，失速團尾部逐漸遠離蝸舌，失速團和蝸舌疊加作用產生的高噪帶也隨之移動并逐漸被拉長和消弱，連接部分的聲功率級降低至80~85 dB 。 在第 17 時刻， 失速團附近的旋渦噪聲與蝸舌噪聲各自對應的高噪區基本分離，兩者之間的聲功率級降低至 80 dB 以下。蝸殼和葉輪區域在第14 時刻聲功率級平均值分別為 45.15 和 54.87 dB ，而在第 17 時刻分別為 45.11 和 53.89 dB ，因此可預測第 17 時刻石家莊風機的氣動噪聲小于第 14 時刻的噪聲值。由圖 11 可知，葉輪沿順時針旋轉了 3 個葉輪流道，而高噪區沿順時針旋轉通過了兩個葉輪流道。說明從絕對坐標參考系看，旋轉失速狀態下，葉輪內約占據 3 個流道的高噪區沿與葉輪相同的方向傳播，而從相對坐標參考系看，高噪區沿與葉輪相反的方向進行傳播。
另外，從圖中還可看出，輪轂附近的兩個低噪聲區域也保持與高噪區相同的速度沿周向傳播。由圖 10 可知，高噪區沿周向的傳播速度與失速團傳播速度相等。在石家莊風機葉輪旋轉過程中，失速團沿順時針每旋轉一圈需要經過1.6 個葉輪轉子周期，因此高噪區沿順時針旋轉一周的時間也為 1.6 個葉輪轉子周期。圖 12 為完全失速狀態下風機聲功率級平均值隨時間的變化曲線， 數據采集時間間隔為 1/12 個旋轉周期。由圖可知，聲功率級平均值變化曲線類似于正弦曲線，波動周期約為通過 19 個葉輪流道所需要的時間，與高噪區旋轉一周的時間相同，說明失速團及對應高噪區沿周向的傳播對旋轉失速狀態下石家莊風機的氣動噪聲具有重要影響。需要說明的是，旋轉失速狀態下，只有葉輪內失速團對應的高噪區沿周向傳播，且沿周向不同位置高噪區大小和聲功率級強度不同， 而其他位置 ( 如蝸殼、 失速團沒有占據的葉輪通道 ) 聲功率級變化不大。
為了說明失速團沿周向傳播過程中對風機氣動噪聲的影響規律，以聲功率級平均值來定性的表示這種規律，但聲功率級的變化幅值不具備任何實際意義。以第一個波動周期為例，第 8 時刻聲功率級平均值最高，對應的聲功率級分布如圖 13 所示。前面分析可知，失速狀態下風機內部主要包含兩個高噪帶，一個是失速團引起的旋渦噪聲對應的高噪帶， 另外一個是蝸舌區域對應的高噪區， 由圖可知，此時失速團沿周向旋轉到蝸舌區域，兩個高噪帶合并疊加成一個分布面積最大、聲功率級最高的區域。因此，雖然失速狀態下氣動噪聲以旋渦噪聲為主，但蝸舌對于失速狀態下的噪聲特性也具有重要的作用。
結論1 ）設計工況下，風機內部氣動噪聲源以蝸舌噪聲為主；旋轉失速發生前，隨著流量的減小，各葉輪流道內由于分離渦面積的增大，旋渦噪聲所占比重逐漸增加。2 ）詳細分析了失速先兆演化為失速團過程中風機內部的氣動噪聲特性。葉輪附近旋渦噪聲對應的高噪區經歷了沿徑向、周向和軸向的三維非定常演化過程，高噪區從兩個變為一個。失速發生后，葉輪內存在一個覆蓋約 3 個流道的高噪區，其他葉輪流道內的噪聲較低，且分布均勻。3 ）研究了失速團沿周向傳播過程中的風機內部氣動噪聲特性。失速發生后，旋渦噪聲占主要部分，且高噪區保持與失速團相同的速度沿周向傳播。說明了旋轉失速對小流量工況下風機的噪聲特性具有重要影響。4 ）失速狀態下，風機聲功率級平均值隨時間發生變化， 類似于正弦曲線。 當失速團通過蝸舌時，由于旋渦噪聲與蝸舌噪聲的疊加，達到了瞬時聲功率級最大值。揭示了旋轉失速狀態下失速團與蝸舌對石家莊風機氣動噪聲的影響機制。