王鳳華, 楊愛玲, 戴 韌, 徐小龍, 陳康民, 楊燕麗

(上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,上海 200093)

軸流泵廣泛地用于化工行業(yè)給排水、水電站及市政工程等方面,其運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲極大地影響著人們的工作和生活,也越來越引起人們的關(guān)注.軸流泵運(yùn)行過程中含有各種噪聲源,其中由流體工質(zhì)壓強(qiáng)脈動產(chǎn)生的噪聲是主要的,其他噪聲(如機(jī)械噪聲和電磁噪聲等)在軸流泵正常運(yùn)行條件下噪聲值相對較小.相關(guān)研究表明,在軸流泵中水動力噪聲源按頻譜特性可分為兩類:離散噪聲和寬頻噪聲[1].軸流泵離散噪聲源有兩個:一個是隨轉(zhuǎn)子葉片運(yùn)動的壓力場引起的螺旋槳式的噪聲;另一個是干涉引起的葉片脈動力噪聲.寬頻噪聲包括流動分離噪聲、尾渦脫落噪聲和紊流噪聲等.根據(jù)軸流泵產(chǎn)生噪聲的頻譜分析,其特點(diǎn)為在寬頻帶上疊加離散頻率的頻帶,因而泵的噪聲有兩種產(chǎn)生機(jī)理:離散峰值的旋轉(zhuǎn)噪聲和寬頻帶的湍流噪聲.

改變?nèi)~片成型規(guī)律是控制噪聲的方法之一.彎掠葉片的設(shè)計(jì)思想最早來源于人們在航空領(lǐng)域中對機(jī)翼的研究.在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域,彎掠葉片技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn),許多研究機(jī)構(gòu)和制造廠家都對此進(jìn)行了大量研究[2],證實(shí)了彎掠葉片在提高氣動效率、擴(kuò)大穩(wěn)定工作范圍、降低氣動噪聲等方面具有顯著的效果.目前,彎掠葉片技術(shù)已逐漸應(yīng)用于工業(yè)葉輪機(jī)械領(lǐng)域,上海交通大學(xué)渦輪機(jī)研究所在中、低壓軸流通風(fēng)機(jī)上應(yīng)用了周向前彎技術(shù)[3],從而使熱效率提高3%～4%,噪聲降低2～3 dB,穩(wěn)定工作范圍擴(kuò)大近20%.許多學(xué)者對低壓軸流風(fēng)扇的氣動噪聲進(jìn)行了研究.蔡娜[4]的研究亦揭示出前彎動葉可使穩(wěn)定工作范圍擴(kuò)大20%.Carolus和Beiler對一種前彎動葉GV 55K進(jìn)行了試驗(yàn)研究,該葉輪根部后彎-5°,葉頂處前彎55°,重心沿葉高的積迭線呈“C”型,結(jié)果表明該葉片的無因次壓力-流量曲線與徑向直葉片的曲線相近,但總噪聲級卻低得多,最大相差16 dB.

對于流動分離引起的寬頻噪聲,Lichtblau通過對某帶導(dǎo)葉的高壓比風(fēng)機(jī)的研究揭示了前彎動葉擴(kuò)大穩(wěn)定工作范圍的作用,其結(jié)果顯示,在徑向直葉片已失速的情況下,前彎葉片仍工作在穩(wěn)定區(qū)域,采用前彎葉片最多可以降低寬頻噪聲達(dá)12 dB.由于各種原因,對軸流泵周向彎曲葉片的研究目前還相對較少.

歐陽華等[5]研究了葉輪機(jī)械氣動噪聲源的產(chǎn)生機(jī)理及其發(fā)展現(xiàn)狀,同時還研究了彎、扭、掠動葉降噪技術(shù)在葉輪機(jī)械氣動噪聲領(lǐng)域的應(yīng)用.結(jié)果表明:動葉彎掠技術(shù)可以較大幅度地提高氣動效率和降低氣動噪聲;前彎葉片角度的推薦范圍為8°～10°.另外,彎角和葉型積迭線是彎扭葉片的2個主要參數(shù).張輝等[6]通過前掠、后掠及徑向小型軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)子流場的數(shù)值分析,研究了掠動葉對轉(zhuǎn)子氣動和聲學(xué)特性的影響及其作用機(jī)理,并給出了由轉(zhuǎn)子尾緣旋渦脫落而誘發(fā)的紊流噪聲的聲壓值分布.筆者采用與時間相關(guān)的瞬態(tài)流分析理論及大渦模擬(LES)方法,研究了軸流泵內(nèi)部的非定常流動,從而得到了泵內(nèi)水壓力脈動的結(jié)果和聲源數(shù)據(jù);以周向前彎角(0°和9°)的葉輪作為研究對象,分析了葉片前彎角對軸流泵內(nèi)流動噪聲的影響;采用邊界元方法(BEM)和結(jié)構(gòu)振動耦合,求解了軸流泵外場的聲輻射分布情況.

1 流場的數(shù)值模擬

1.1 幾何模型

本文研究的是立式軸流水泵模型,其主要參數(shù)如下:轉(zhuǎn)速 n=1 000 r/min,功率 p0=15 kW,葉輪直徑D=350mm,輪轂直徑D hub=179mm,葉片數(shù)4個,后導(dǎo)葉數(shù)7個,工作流量Q s=1 030 m3/h等.

模型泵的葉輪葉片是沿徑向線積迭而成的扭葉片.利用重心積迭線不同的彎曲位置改變周向彎角.在不改變各葉高處葉型參數(shù)及扭曲規(guī)律的前提下,按圖1所示重新設(shè)計(jì)了一種新的積迭規(guī)律.在葉根處,積迭線與徑向線相切,而在葉頂處,積迭線的頂點(diǎn)和葉輪圓心的連線與徑向線間的夾角為9°,即徑向線向葉輪旋轉(zhuǎn)方向偏轉(zhuǎn)了9°,積迭線中間是二次曲線過渡.按新的積迭規(guī)律獲得的新葉輪葉片見圖1.在下文中,將新葉輪與原葉輪分別稱為周向彎曲9°和 0°的葉輪 .

圖1 重心積迭線Fig.1 Stacking lines

1.2 數(shù)值模擬方法

首先對軸流泵流動區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為了簡化模型,忽略了葉頂間隙(δ＜＜r).考慮到軸流泵回流的影響,進(jìn)出口各延長了一倍的葉輪直徑.模型如圖2所示,劃分的網(wǎng)格數(shù)量為220萬.

定常流場計(jì)算基于雷諾平均Navier-Stokes方程組和k-εRNG模型,速度與壓力耦合,采用Simp le算法對軸流泵葉輪內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬.然后,利用與時間相關(guān)的瞬態(tài)流場分析理論及大渦模擬方法研究軸流泵內(nèi)部的非定常流動,從而得到泵內(nèi)水壓力脈動的結(jié)果和聲源數(shù)據(jù).非定常流場的計(jì)算時間步長設(shè)為0.000 166 7 s,根據(jù)轉(zhuǎn)速可計(jì)算出旋轉(zhuǎn)一個周期所需的時間步數(shù)為360步,即在每一個物理時間步內(nèi)葉輪旋轉(zhuǎn)1°,當(dāng)各物理量最大殘差小于10-4時,認(rèn)為在各時間步內(nèi)計(jì)算收斂.同時,在非定常計(jì)算過程中,將動葉片表面的壓力脈動作為聲源并將其導(dǎo)出,作為下一步聲場計(jì)算的載荷激勵條件.

圖2 軸流泵幾何模型Fig.2 Axial pump geom etry

進(jìn)口邊界條件給定質(zhì)量流量,出口邊界條件給定靜壓.前后延長段結(jié)構(gòu)、彎管及導(dǎo)葉部分流體相對靜止,葉輪流道部分流體旋轉(zhuǎn),這樣動靜結(jié)合面處生成兩個重合面,設(shè)置區(qū)域邊界時將其分別設(shè)為interface面,使得計(jì)算流場時能夠順利完成動靜交界面間的數(shù)據(jù)傳遞.采用商業(yè)軟件Fluent進(jìn)行流場數(shù)值模擬.

2 聲場計(jì)算思路

利用直接邊界元法求解聲場,聲學(xué)分析是應(yīng)用商業(yè)軟件LMS Virtual.lab中的聲學(xué)模塊來完成的.首先,由流場計(jì)算結(jié)果輸出聲學(xué)數(shù)據(jù),并利用軟件Nastran獲得泵的結(jié)構(gòu)模態(tài);然后,將聲源數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)模態(tài)導(dǎo)入聲學(xué)計(jì)算模塊,利用直接邊界元方法與結(jié)構(gòu)模態(tài)耦合來獲取泵內(nèi)的聲場和泵殼上的振動;最后,將泵殼上的振動作為邊界條件計(jì)算出外部聲場的聲壓分布.可見,本文的聲場計(jì)算實(shí)際上分為泵內(nèi)水動力噪聲和泵外空氣噪聲計(jì)算2個環(huán)節(jié),這2個環(huán)節(jié)所采用的聲學(xué)方程和解法均相同,僅是邊界條件發(fā)生了變化.以外部空氣噪聲計(jì)算為例,在外部聲學(xué)空間V中,任意一點(diǎn)A(x,y,z)的聲壓p(x,y,z)滿足亥姆霍茲方程:

式中:p為聲壓;k=ω/c為聲波數(shù);ω為角速度;c為聲速.

圖3為外部聲場輻射圖,其中Ωa為聲源邊界,在本文中指泵殼表面的振動.對于外部聲場問題,聲波在一個無界的空間里傳播,因此一個補(bǔ)充條件是必須的,即聲壓在遠(yuǎn)場無反射且為0.

圖3 外部聲場輻射Fig.3 Acoustic radiation of outer field

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 流場結(jié)果分析

筆者對周向前彎角0°和9°的葉輪泵進(jìn)行了對比.圖4給出了不同工況下定常流場計(jì)算的性能曲線.當(dāng)實(shí)際流量/固定流量(Q/Q s)=1.117 3時,水力效率達(dá)到了最大值.隨著流量的增加,揚(yáng)程逐漸降低.通過對比可以看出,前彎9°的葉輪葉片泵的揚(yáng)程和水力效率均偏低.

圖4 性能曲線Fig.4 Performance curvesof pump

軸流泵的壓力脈動是影響穩(wěn)定性的一個重要因素.在固定流量Q=286 kg/s時,對周向前彎角0°和9°的葉輪泵進(jìn)行了非定常流場的分析,得到2個泵模型的水動力壓強(qiáng)分布.

在軸流泵的7個截面(依次為:葉輪葉片進(jìn)口截面、葉輪葉片壓力面、葉輪葉片吸力面、葉輪葉片出口截面、后導(dǎo)葉壓力面、后導(dǎo)葉吸力面、后導(dǎo)葉出口截面)上設(shè)置了14個觀測點(diǎn),每個截面上的2個點(diǎn)都是從輪轂到輪緣設(shè)置,見圖5所示.

圖5 測量點(diǎn)的分布Fig.5 A rrangement of measu rement poin ts

聲傳播的實(shí)質(zhì)是傳遞壓力脈動.測試壓力脈動分布有利于分析流動聲源產(chǎn)生的位置.通過傅里葉變換將監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動由時域值轉(zhuǎn)換為頻域值,得出了0°葉輪葉片軸流泵的14個點(diǎn)在頻域內(nèi)的壓力脈動幅值(圖6).通過對比可看出,壓力脈動的峰值出現(xiàn)在葉輪區(qū)域,表明最強(qiáng)的脈動出現(xiàn)在此區(qū)域.

圖6 0°葉輪葉片軸流泵各點(diǎn)處的壓力脈動幅值Fig.6 Amplitude of pressu re flu ctuation(0°impeller pump)

對于前彎 0°葉輪葉片和9°葉輪葉片,選擇葉輪區(qū)域的2個有代表性的點(diǎn)4(葉輪葉片壓力面)和點(diǎn)6(葉輪葉片吸力面)進(jìn)行對比,如圖7～圖10所示.由圖7～圖10可知:各點(diǎn)的壓力脈動值按規(guī)律進(jìn)行周期性地變化.從整體來看,頻域下的壓力脈動最大幅值均出現(xiàn)在基頻位置,前彎0°與前彎 9°葉輪葉片引起的壓力脈動的變化規(guī)律基本相似.由點(diǎn)4和點(diǎn)6的壓力脈動值可以明顯看出,周向前彎9°葉輪軸流泵的脈動幅值低于周向前彎0°葉輪軸流泵的脈動幅值.

圖7 周向前彎0°葉輪葉片在點(diǎn)4處的壓力脈動圖Fig.7 Pressure fluctuation at point 4(0°im peller blade)

3.2 聲場結(jié)果分析

將CFD數(shù)值模擬得到的葉片表面的偶極子聲源與Nastran模擬得到的結(jié)構(gòu)模態(tài)導(dǎo)入Virtual.lab軟件進(jìn)行聲振耦合分析,獲得水泵殼體內(nèi)表面的聲壓級分布和殼體表面的振動位移與速度.

圖11給出了周向前彎0°和周向前彎9°葉片軸流泵殼體內(nèi)表面的聲壓值分布.從軸流泵內(nèi)場聲振耦合計(jì)算結(jié)果可以看出,前彎9°葉片比前彎0°葉片軸流泵的聲壓值降低了3 dB.

圖8 周向前彎9°葉輪葉片在點(diǎn)4處的壓力脈動圖Fig.8 Pressu re fluctuation at poin t 4(9°impeller blade)

圖9 周向前彎0°葉輪葉片在點(diǎn)6處的壓力脈動圖Fig.9 Pressu re fluctuation at poin t 6(0°impeller blade)

圖10 周向前彎9°葉輪葉片在點(diǎn)6處的壓力脈動圖Fig.10 Pressu re fluctuation at poin t 6(9°impeller blade)

為了分析軸流泵殼體振動引起的空氣噪聲分布情況,在泵周圍設(shè)置了2個方形觀察平面,一個是y=0 mm平面(邊長為2 500 mm),另一個是z=-30 mm平面(邊長為 3 000mm),如圖 12(a)和圖12(b)所示.

圖13給出了周向前彎0°和前彎9°葉片軸流泵外部聲場聲壓輻射分布.由圖13可見,由泵殼體振動引起的結(jié)構(gòu)噪聲并不大.前彎0°葉輪葉片泵和前彎9°葉輪葉片泵的外部聲場輻射分布規(guī)律基本相似,偶極子源是軸流泵的主要噪聲源.通過對比y=0mm平面和z=-30 mm平面的聲壓分布可知:在相同的數(shù)值分布下,前彎9°葉輪葉片軸流泵的噪聲值低于前彎0°葉輪葉片軸流泵的噪聲值,這意味著前彎9°葉輪葉片軸流泵的噪聲輻射得到了一定改善,起到了降噪的作用.

圖11 泵殼內(nèi)場聲壓值分布Fig.11 Sound pressure level of inner field in pump casing

圖12 外場觀察平面Fig.12 Observing plane of ou ter field

圖13 泵外觀測平面上的聲壓等值分布Fig.13 Sound pressu re level of outer field on observing plane

4 結(jié) 論

(1)采用瞬態(tài)流動分析及大渦模擬方法研究了軸流泵內(nèi)的非定常流動,得到軸流泵內(nèi)不同位置處的水動力脈動情況.結(jié)果表明:最大的壓力脈動出現(xiàn)在葉輪區(qū)域.

(2)研究了周向前彎9°和前彎0°葉輪葉片對噪聲輻射的影響.結(jié)果表明:周向前彎9°葉輪葉片比周向前彎0°葉輪葉片產(chǎn)生的噪聲降低了3 dB左右,表明前彎9°葉型可以降低水動力噪聲.

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