單動葉安裝角異常時軸流風機的噪聲特性(1)

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以 OB-84 型單級動葉可調軸流石家莊風機廠為研究對象，在大渦模擬基礎上， 引入 FW-H 聲學模型， 模擬得到了安裝角異常時石家莊風機廠聲源強度分布和不同區域的氣動噪聲時頻特性，并與正常工況進行了比較。
研究表明： 該石家莊風機廠的主要噪聲源集中在吸力面葉片的前緣及葉頂附近時， 高強度噪聲源范圍擴大， 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形成高噪聲帶； 聲壓脈動區間和聲壓幅值受動葉偏離度影響較大， 且越靠近聲源的區域受影響程度愈顯著； 動葉安裝角異常增強了動葉區寬頻噪聲特性， 分散了其他區域在低頻段的離散峰值， 使其向高頻段轉移，而位于中高頻段的寬頻噪聲明顯提高。；當動葉安裝角異常軸流石家莊風機廠運行過程中，因動葉安裝角調整異常導致動葉可調軸流石家莊風機廠出力不足或喘振現象時有發生，而這種現象往往伴隨石家莊市風機廠噪聲的顯著提高，嚴重影響運行維護人員的身心健康。
因此，深入研究動葉異常時軸流石家莊風機廠內的氣動噪聲特性，對降低噪聲污染和保持其高效低噪運行至關重要。CFD 技術作為研究軸流石家莊風機廠內流特征和噪聲特性的一種重要手段，近年來得到廣泛應用，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扇的流場，指出前彎葉片可削弱二次流，并能控制失速區的發展。Liu 等 [2] 模擬得到了雙層轉子不同軸向間隙的頻譜特性， 確定了轉子間距的最佳范圍。 Fukano和Jang [3]在不同流量系數下對不同葉頂間隙的低壓軸流石家莊風機廠進行對比試驗，表明葉頂間隙泄漏渦相互干擾致使石家莊風機廠噪聲增加。宋彥萍等分析了低速條件下大轉角壓氣機葉柵中采用帶切向孔葉片對葉柵性能的影響，發現切向孔布置在 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機廠，研究了不同葉片數對石家莊風機廠氣動特性的影響，得出隨葉片數增加石家莊風機廠效率逐步提高。Nezym通過對帶附加導葉的軸流石家莊風機廠的實驗研究，發現附加導葉的出氣角度和高度對其損失和噪聲具有很大影響。此外，一些學者 還專注于消聲、隔聲、吸聲和隔振等技術研究。
由于輪轂處動葉調節組件腐蝕損壞，葉片本身銹蝕卡澀等原因導致動葉可調軸流石家莊風機廠葉片大角度偏離現象屢見不鮮。針對于此，葉學民和李春曦等對動葉安裝角發生不同程度偏離時的石家莊風機廠內流特征、性能曲線進行了三維數值研究，并通過簡單半經驗噪聲預測模型模擬了該軸流石家莊風機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 模型廣泛應用于旋轉機械的噪聲特性分析，并且其與試驗研究結論一致，可信度高。陳安邦等 采用基于Lighthill 聲類比的 FW-H 模型，對貫流石家莊風機廠的噪聲場進行數值研究，發現該石家莊風機廠的總體氣動性能及氣動噪聲場的預估結果均與實驗測試結果吻合良好。
李業等在大渦模擬(large eddy simulation，LES)基礎上，應用 FW-H 模型對比研究了三種轉速下旋轉區內聲壓級分布規律、時域及頻域特性，其中對E2 石家莊風機廠進行了遠場噪聲實驗測試，E2 石家莊風機廠噪聲聲壓級的預測值與試驗值相差 4.23 dB， 考慮到環境及人為誤差等因素，認為數值模擬預測的結果可信。劉厚林等運用 CFD 技術及 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生的水動力噪聲，采用直接邊界元法求解離心泵內聲場，聲場計算結果與試驗結果吻合度高，驗證了基于LES和Lighthill理論的流動噪聲數值模擬方法的可行性。
本文采用 LES 與基于 Lighthill 聲類比的 FW-H模型相結合的方法對軸流石家莊風機廠進行數值模擬。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，動葉可調軸流石家莊風機廠單葉片安裝角正向偏離現象較為常見，為此，借助數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機廠的氣動噪聲分布特性，探討主要噪聲源的強度特征，獲得安裝角異常時石家莊風機廠氣動噪聲的時域和頻域分布規律。