單動葉安裝角異常時軸流風(fēng)機(jī)的噪聲特性(1)

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以 OB-84 型單級動葉可調(diào)軸流石家莊風(fēng)機(jī)廠為研究對象，在大渦模擬基礎(chǔ)上， 引入 FW-H 聲學(xué)模型， 模擬得到了安裝角異常時石家莊風(fēng)機(jī)廠聲源強(qiáng)度分布和不同區(qū)域的氣動噪聲時頻特性，并與正常工況進(jìn)行了比較。
研究表明： 該石家莊風(fēng)機(jī)廠的主要噪聲源集中在吸力面葉片的前緣及葉頂附近時， 高強(qiáng)度噪聲源范圍擴(kuò)大， 聲功率級和聲壓級均有不同程度提高， 致使在異常葉片周邊流道內(nèi)形成高噪聲帶； 聲壓脈動區(qū)間和聲壓幅值受動葉偏離度影響較大， 且越靠近聲源的區(qū)域受影響程度愈顯著； 動葉安裝角異常增強(qiáng)了動葉區(qū)寬頻噪聲特性， 分散了其他區(qū)域在低頻段的離散峰值， 使其向高頻段轉(zhuǎn)移，而位于中高頻段的寬頻噪聲明顯提高。；當(dāng)動葉安裝角異常軸流石家莊風(fēng)機(jī)廠運行過程中，因動葉安裝角調(diào)整異常導(dǎo)致動葉可調(diào)軸流石家莊風(fēng)機(jī)廠出力不足或喘振現(xiàn)象時有發(fā)生，而這種現(xiàn)象往往伴隨石家莊市風(fēng)機(jī)廠噪聲的顯著提高，嚴(yán)重影響運行維護(hù)人員的身心健康。
因此，深入研究動葉異常時軸流石家莊風(fēng)機(jī)廠內(nèi)的氣動噪聲特性，對降低噪聲污染和保持其高效低噪運行至關(guān)重要。CFD 技術(shù)作為研究軸流石家莊風(fēng)機(jī)廠內(nèi)流特征和噪聲特性的一種重要手段，近年來得到廣泛應(yīng)用，并且其噪聲特性研究也備受重視。Crosini 和 Rispoli [1]模擬了彎掠和徑向非自由渦軸流風(fēng)扇的流場，指出前彎葉片可削弱二次流，并能控制失速區(qū)的發(fā)展。Liu 等 [2] 模擬得到了雙層轉(zhuǎn)子不同軸向間隙的頻譜特性， 確定了轉(zhuǎn)子間距的最佳范圍。 Fukano和Jang [3]在不同流量系數(shù)下對不同葉頂間隙的低壓軸流石家莊風(fēng)機(jī)廠進(jìn)行對比試驗，表明葉頂間隙泄漏渦相互干擾致使石家莊風(fēng)機(jī)廠噪聲增加。宋彥萍等分析了低速條件下大轉(zhuǎn)角壓氣機(jī)葉柵中采用帶切向孔葉片對葉柵性能的影響，發(fā)現(xiàn)切向孔布置在 80%軸向弦長以前時，可提高其做功能力并減小流動損失。Duquette 和Visse針對于小型軸流石家莊市風(fēng)機(jī)廠，研究了不同葉片數(shù)對石家莊風(fēng)機(jī)廠氣動特性的影響，得出隨葉片數(shù)增加石家莊風(fēng)機(jī)廠效率逐步提高。Nezym通過對帶附加導(dǎo)葉的軸流石家莊風(fēng)機(jī)廠的實驗研究，發(fā)現(xiàn)附加導(dǎo)葉的出氣角度和高度對其損失和噪聲具有很大影響。此外，一些學(xué)者 還專注于消聲、隔聲、吸聲和隔振等技術(shù)研究。
由于輪轂處動葉調(diào)節(jié)組件腐蝕損壞，葉片本身銹蝕卡澀等原因?qū)е聞尤~可調(diào)軸流石家莊風(fēng)機(jī)廠葉片大角度偏離現(xiàn)象屢見不鮮。針對于此，葉學(xué)民和李春曦等對動葉安裝角發(fā)生不同程度偏離時的石家莊風(fēng)機(jī)廠內(nèi)流特征、性能曲線進(jìn)行了三維數(shù)值研究，并通過簡單半經(jīng)驗噪聲預(yù)測模型模擬了該軸流石家莊風(fēng)機(jī)廠氣動噪聲聲功率分布。其中噪聲特性的研究僅利用寬頻噪聲源模型分析了動葉偏移時聲功率的分布特征，而對于葉片異常時的噪聲源分布和噪聲類別及其時頻特性分析尚未開展。目前，基于 Lighthill 聲類比的 FW-H 模型廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的噪聲特性分析，并且其與試驗研究結(jié)論一致，可信度高。陳安邦等 采用基于Lighthill 聲類比的 FW-H 模型，對貫流石家莊風(fēng)機(jī)廠的噪聲場進(jìn)行數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)該石家莊風(fēng)機(jī)廠的總體氣動性能及氣動噪聲場的預(yù)估結(jié)果均與實驗測試結(jié)果吻合良好。
李業(yè)等在大渦模擬(large eddy simulation，LES)基礎(chǔ)上，應(yīng)用 FW-H 模型對比研究了三種轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)聲壓級分布規(guī)律、時域及頻域特性，其中對E2 石家莊風(fēng)機(jī)廠進(jìn)行了遠(yuǎn)場噪聲實驗測試，E2 石家莊風(fēng)機(jī)廠噪聲聲壓級的預(yù)測值與試驗值相差 4.23 dB， 考慮到環(huán)境及人為誤差等因素，認(rèn)為數(shù)值模擬預(yù)測的結(jié)果可信。劉厚林等運用 CFD 技術(shù)及 Lighthill 聲類比理論研究離心泵3 個流量下由蝸殼及葉片表面偶極子聲源產(chǎn)生的水動力噪聲，采用直接邊界元法求解離心泵內(nèi)聲場，聲場計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度高，驗證了基于LES和Lighthill理論的流動噪聲數(shù)值模擬方法的可行性。
本文采用 LES 與基于 Lighthill 聲類比的 FW-H模型相結(jié)合的方法對軸流石家莊風(fēng)機(jī)廠進(jìn)行數(shù)值模擬。該方法考慮了運動物體邊界對聲源的影響及四極子源、偶極子源和單極子源疊加的相互作用，更具普遍適用性和可行性 [18] 。鑒于工程實際中，動葉可調(diào)軸流石家莊風(fēng)機(jī)廠單葉片安裝角正向偏離現(xiàn)象較為常見，為此，借助數(shù)值模擬研究單動葉安裝角偏離程度(簡稱偏離度)Δ β = 0°~50° 時聲功率級的變化，分析該軸流石家莊風(fēng)機(jī)廠的氣動噪聲分布特性，探討主要噪聲源的強(qiáng)度特征，獲得安裝角異常時石家莊風(fēng)機(jī)廠氣動噪聲的時域和頻域分布規(guī)律。