王松嶺，孔垂茂，張 磊，吳正人，戎 瑞

(華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室，河北 保定 071003)

0 引言

葉輪機械在低負(fù)荷運行狀態(tài)下，風(fēng)機葉輪內(nèi)普遍存在葉片的尾跡脫流甚至發(fā)生吸力面失速，是一種氣流的非對稱脈動的流場惡化現(xiàn)象，不但造成葉輪機械的流量和壓力波動，更為嚴(yán)重的是會引起葉輪劇烈震動，甚至導(dǎo)致葉片疲勞斷裂等重大事故的發(fā)生。因此，對旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象發(fā)生的機理深入研究與分析，對提高葉輪機械的運行穩(wěn)定性和運行安全性能具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者針對葉輪機械失速先兆的出現(xiàn)、發(fā)展過程和發(fā)生、演變機理作了大量相關(guān)理論與實驗研究[1，2]，在失速先兆的發(fā)生和預(yù)警等方面的也做了相關(guān)探索性研究工作，Emmons重點分析了旋轉(zhuǎn)失速周向傳播的規(guī)律并給出了合理的解釋，認(rèn)為周向不均勻的氣流擾動和葉輪機械的生產(chǎn)制造誤差是導(dǎo)致周向氣流分配不均的主要因素，對研究旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象的發(fā)生與發(fā)展特性具有重要的意義[3]。針對離心通風(fēng)機的結(jié)構(gòu)特點和工作特點，張磊對離心風(fēng)機的旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)下的流動特性做了系統(tǒng)性分析，深入研究了離心風(fēng)機旋轉(zhuǎn)失速的機理，認(rèn)為氣流的周向分布不均改變了氣流方向，從而影響葉輪流道的進口沖角，是失速加劇的原因之一，同時也是失速團傳播的重要原因[4]。

通風(fēng)機噪聲主要是由于空氣脈動和機械摩擦等引起的，主要分為氣動噪聲、機械噪聲和電磁噪聲。李林凌運用片條理論、非線性氣動理論，分析了作用在葉片上的力，推導(dǎo)出葉元體與氣流相互作用誘發(fā)葉元體尾部渦脫落引起的紊流噪聲模型，并實驗驗證了模型的正確性[5]。毛義軍、劉曉良等通過非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬方法計算了離心風(fēng)機內(nèi)部的氣動噪聲源，并對離心風(fēng)機的蝸殼寬度進行優(yōu)化，風(fēng)機在高效點運行的A聲級噪聲降低了 3～5 dB[6，7]。李春曦，張磊等則實驗研究了通過改造風(fēng)機內(nèi)部結(jié)構(gòu)降低噪聲的方法，取得了一定成效[8，9]。

針對現(xiàn)階段葉輪機械失速先兆研究過程中的問題，結(jié)合離心風(fēng)機幾何特點，對旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)下葉輪內(nèi)噪聲源的分布規(guī)律進行分析，對進一步研究葉輪機械在失速狀態(tài)下的運行特性和實現(xiàn)葉輪機械失速先兆發(fā)生的在線預(yù)警均具有重要意義。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 幾何模型

G4-73No．8D型離心風(fēng)機為電站機組常用鼓風(fēng)機，由一臺Y180M-4型三相異步電動機驅(qū)動，額定功率為18.5 kW。葉輪結(jié)構(gòu)包括弧形漸縮前盤、后盤和周向均勻分布的翼型葉片，葉片數(shù)為12，出口安裝角45°，葉輪入口內(nèi)徑56.8 cm，葉輪外徑80 cm，葉輪出口寬度20 cm;蝸殼軸向?qū)挾葹?2 cm，52 cm×72 cm矩形出口;出口管道直徑為60 cm，通風(fēng)機安裝了縮放型集流器和簡易碎渦器。如圖1所示。

1.2 網(wǎng)格劃分

采用有限體積法生成混合型計算網(wǎng)格。為控制生成網(wǎng)格的質(zhì)量和數(shù)量，采用“分區(qū)、分塊”技術(shù)將復(fù)雜的風(fēng)機模型分為入口管道、集流器、葉輪、蝸殼、擴壓氣室和出口管道等六個區(qū)。為提高計算精度，葉片表面劃分邊界層，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)化計算并與實驗結(jié)果對比，葉輪區(qū)劃分四面體網(wǎng)格127萬、蝸殼區(qū)劃分四面體網(wǎng)格45萬，入口和出口管道劃分六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)230萬;計算誤差低于2%，殘差絕對值小于0.001視為收斂。

圖1 離心風(fēng)機幾何模型Fig.1 Geometry model of centrifugal fan

1.3 數(shù)值計算模型

針對離心風(fēng)機內(nèi)流場的總體特征，采用商業(yè)化Fluent軟件求解三維穩(wěn)態(tài)雷諾時均Navier-Stokes方程，假定流體的溫度及密度為定值，采用適用于旋轉(zhuǎn)流動、流動分離、二次流等問題的Realizable k-ε模型，壁面附近采用加強壁面函數(shù)法，對流項和擴散項分別采用二階迎風(fēng)差分和中心差分格式進行離散。

風(fēng)機模型設(shè)置入口和出口壓力邊界條件，設(shè)定進口總壓為0 Pa，風(fēng)機出口設(shè)置為壓力出口邊界條件，設(shè)定出口背壓值;在近失速位置時在風(fēng)機出口加上節(jié)流閥模型。葉輪區(qū)模擬選用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)速1 450 r/min;在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)計算階段，分別采用多參考系模型 (MRF)和滑移網(wǎng)格模型 (Moving Mesh)模型耦合計算旋轉(zhuǎn)區(qū)和靜止區(qū)。

1.4 聲場預(yù)估和節(jié)流閥模型

應(yīng)用寬帶噪聲源模型 (Broadband Noise Sources Model)數(shù)值模擬葉輪區(qū)域的噪聲源分布。由于噪聲沒有固定的頻率，在涉及寬頻噪聲的情況下，求解雷諾時均方程得到湍流參數(shù)的統(tǒng)計學(xué)分布和聲學(xué)類比的方法，可以解釋寬帶噪聲源。聲功率的計算式和聲功率級的計算式如下:

式中:ρ0為氣體密度，kg·m－3;a0為聲速，m·s－1;l為湍流尺度，m;u為氣流速度，m·s－1;c為常數(shù);W0為基準(zhǔn)聲功率，10－12W。

采用節(jié)流閥模型對離心風(fēng)機進行數(shù)值模擬，考慮到風(fēng)機內(nèi)部流動為不可壓縮流動，對節(jié)流閥基本模型改進，得到節(jié)流閥模型的函數(shù)表達式為

式中:Psout為出口背壓;Piin為環(huán)境大氣壓力;k0為常數(shù);k1為閥門開度;ρ為空氣密度;U為出口軸向氣流速度。

2 計算結(jié)果分析

圖2為離心風(fēng)機1/2葉高處軸向截面圖。為便于分析，本文后面提到的葉輪與蝸舌的相對位置均與此圖對應(yīng)。

圖2 風(fēng)機垂直于軸向截面示意圖Fig.2 Cross section perpendicular to axial of the fan

2.1 風(fēng)機的失速特性

圖3 離心風(fēng)機全壓－流量性能曲線Fig.3 Relation of full pressure and flux

圖3為數(shù)值計算與實驗得到全壓－流量曲線。全壓－流量曲線表明:數(shù)值模擬與實驗值存在一定誤差，主要原因如下:第一，數(shù)值模擬的結(jié)果受到網(wǎng)格數(shù)量、質(zhì)量和數(shù)值求解模型的選擇等因素的影響;第二，風(fēng)機生產(chǎn)制造時，葉輪和葉片的實際參數(shù)和安裝參數(shù)與設(shè)計值存在一定的誤差;第三，風(fēng)機實驗過程中，部分參數(shù)波動導(dǎo)致測量誤差，測量設(shè)備的精度也會引起一定的誤差?？紤]以上因素，認(rèn)為數(shù)值模擬結(jié)果與實驗測量結(jié)果基本一致。在小流量工況下，數(shù)值計算的風(fēng)機總壓和流量發(fā)生規(guī)律性波動現(xiàn)象，且隨著閥門開度的減小，風(fēng)機出口背壓升高，波動范圍也逐漸擴大。

圖4為閥門開度 k1分別為0.9和0.89時風(fēng)機流量隨時間的變化曲線。由圖可知，當(dāng)閥門開度為0.9時，離心風(fēng)機可以沿著節(jié)流線逐步逼近一個穩(wěn)定收斂解，其并沒有發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速。當(dāng)減小閥門開度k1=0.89時，風(fēng)機在一段時間內(nèi)似乎要獲得一個收斂解，但隨著時間的增加，進口流量和出口背壓波動幅度逐漸增大，進入旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)，經(jīng)歷了一個過渡過程之后，失速狀態(tài)由先兆逐步發(fā)展為穩(wěn)定地失速團，保持在新的周期性穩(wěn)定工況。

圖4 兩種閥門開度下風(fēng)機流量隨時間的變化曲線Fig.4 Flowrate variations with time on two valve opening

圖4橫坐標(biāo)以葉輪旋轉(zhuǎn)一圈為一個轉(zhuǎn)子周期?？芍?，從失速先兆出現(xiàn)到發(fā)展為成熟的失速團經(jīng)歷了大概50個轉(zhuǎn)子周期，在這個過渡過程中，流量的波動范圍呈現(xiàn)出漸進型的增長。第220個轉(zhuǎn)子周期之后，風(fēng)機進入穩(wěn)定失速狀態(tài)，計算可知:失速團的旋轉(zhuǎn)周期為1.588轉(zhuǎn)，葉輪區(qū)存在一個發(fā)展成熟的失速團。

對于該型號離心風(fēng)機旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)下的頻譜分析及流場的詳細(xì)分析在文獻[10]中已有詳細(xì)敘述，這里不做過多敘述。

2.2 流場與聲場耦合分析

對于單個離心葉輪，氣動噪聲源主要是葉片尾部脫落渦導(dǎo)致的表面壓力脈動[11]。根據(jù)閥門開度k1=0.89時的數(shù)值計算結(jié)果，分析失速先兆發(fā)生與發(fā)展過程中相應(yīng)的吸力側(cè)邊界層或脫落渦數(shù)據(jù)，可以得到聲場在葉輪區(qū)域的數(shù)據(jù)分布。為研究離心通風(fēng)機旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)下的聲場特性，對設(shè)計流量、近失速狀態(tài)和完全失速狀態(tài)下的相對速度場和聲場進行分析，取截面z=38(1/2葉高截面附近)為分析對象。

圖5(a)和圖5(b)分別為閥門開度k1=2(接近設(shè)計工況)和k1=0.89近失速狀態(tài)下z=38截面的聲場與相對速度場分布云圖。分析相對速度場可知:葉輪內(nèi)葉片吸力側(cè)尾部周向均勻分布12個低速脫落渦，脫落點存在較大的速度梯度，同時在聲場云圖對應(yīng)的位置明顯存在較高噪聲區(qū)域，強度在60～90 dB。對比兩圖還可知，在設(shè)計條件下，葉輪內(nèi)流場分布均勻，葉片尾部的旋渦脫落現(xiàn)象不明顯，對應(yīng)的聲源所占區(qū)域也較小，聲功率級較低，局部區(qū)域達到75～85 dB，最高聲功率級110 dB;風(fēng)機處于近失速狀態(tài)時，葉輪內(nèi)部流場周向分布較均勻，但葉片尾部旋渦脫落現(xiàn)象嚴(yán)重，形成了較強且占較大區(qū)域較大的聲源，部分區(qū)域強度增加到80～90 dB，最高聲功率級上升到112 dB。另外，存在較大速度梯度的區(qū)域還包括葉尖和蝸舌附近區(qū)域，在這些區(qū)域噪聲源強度也較高，分別約為112 dB和85 dB，葉尖區(qū)速度梯度最大，聲功率級最高，但是由于其覆蓋區(qū)域小，對整個風(fēng)機的聲學(xué)性能影響不大。

圖5 兩種閥門開度下聲場與相對速度場分布Fig.5 Sound field and the relative velocity distribution of two valve opening

圖6是失速團發(fā)展成熟后z=38截面3個時刻的聲場與速度場云圖，時間間隔為0.25個轉(zhuǎn)子周期。隨著風(fēng)機進入穩(wěn)定失速狀態(tài)，葉輪內(nèi)流體的分布嚴(yán)重不均勻化，失速團的存在幾乎完全阻塞了這部分葉輪流道，失速團在葉輪內(nèi)的周向遷移導(dǎo)致風(fēng)機全壓和流量達到并穩(wěn)定在該閥門開度下的最大波動值。高噪?yún)^(qū)也集中分布在失速團所在的葉輪流道及周邊;由于受到失速團引起的高噪?yún)^(qū)的強烈影響，輪轂周圍區(qū)域的聲場也高度畸形。

在離心風(fēng)機葉輪旋轉(zhuǎn)過程中，失速團順時針每旋轉(zhuǎn)一圈需要經(jīng)過1.588轉(zhuǎn)。如圖6(a)所示，發(fā)展成熟的失速團占據(jù)了3個葉輪流道，對應(yīng)的高噪?yún)^(qū)存在于這3個葉輪流道，高噪?yún)^(qū)的聲功率級最大值增加2～3 dB。隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，失速團順時針移動，高噪?yún)^(qū)也隨之移動，對比圖6(a) ～6(c)可知，高噪?yún)^(qū)始終存在于失速團所在的3個葉輪流道內(nèi)，且高噪?yún)^(qū)周向移動的速度與失速團的移動速度相等，為0.629 wr。

圖6 完全失速狀態(tài)聲場與相對速度場隨葉輪旋轉(zhuǎn)變化Fig.6 Sound field and the relative velocity changes with the impeller rotation after completed stall

綜上所述，離心風(fēng)機旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象發(fā)生前后，聲場也相應(yīng)的發(fā)生規(guī)律性的變化。通過研究風(fēng)機內(nèi)穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)流場的特性，可預(yù)估葉輪內(nèi)聲場的分布特性，從而達到預(yù)測風(fēng)機聲學(xué)性能的目的。

3 結(jié)論

離心風(fēng)機未發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)下，葉輪內(nèi)靠近前盤的位置周向均勻分布12個較小的邊界層脫流區(qū)，這些區(qū)域速度梯度較大，聲功率級較高;隨著風(fēng)機負(fù)荷的降低，具有較高聲功率級的區(qū)域擴大，是葉輪內(nèi)的主要聲源，強度為60～90 dB;葉尖對空氣有分流作用，速度梯度較大，附近同時存在較強的聲源，強度為112 dB，由于其所占區(qū)域較小，對整個葉輪的聲壓強度影響不大。

完全失速狀態(tài)下，具有較大速度梯度的區(qū)域面積增大且分布集中在某些連續(xù)的流道出口和入口區(qū)，葉輪內(nèi)形成一個穩(wěn)定的失速團和高噪?yún)^(qū);發(fā)展成熟的失速團占據(jù)了葉輪流道，對應(yīng)的高噪?yún)^(qū)存在于這葉輪流道及出口、入口附近區(qū)域;高噪?yún)^(qū)的聲功率級最大值增加2～3 dB，失速團和高噪?yún)^(qū)以相同的速度旋轉(zhuǎn)，高噪帶存在于失速發(fā)生的區(qū)域強度增加到95 dB左右。

對比離心風(fēng)機未發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象的流場可知，失速狀態(tài)下流場和聲功率級分布特性均發(fā)生了較大變化并具有一定的規(guī)律性，鑒于風(fēng)機葉輪內(nèi)部流場測量存在的困難，利用風(fēng)機本身的噪聲特性參數(shù)研究其流動特性，有助于預(yù)測風(fēng)機葉輪內(nèi)失速現(xiàn)象的發(fā)生。

[1]Kammer N，Rautenberg M．A distinction between different types of stall in a centrifugal compressor stage[J]．Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，1986，108(1):83 －92．

[2]聶超群，陳靜宜，蔣浩康，等．低速軸流壓氣機旋轉(zhuǎn)失速先兆特征的實驗分析[J]．工程熱物理學(xué)報，1998，19(3):293－298．

[3]Emmons H W，Pearson C E，Grant H P．Compressor surge and stall propagation[J]．Trans．ASME，1955，77(4):455－469．

[4]張磊．離心風(fēng)機多目標(biāo)優(yōu)化及旋轉(zhuǎn)失速機理研究[D]．保定:華北電力大學(xué)，2011．

[5]李林凌，黃其柏，喬宇鋒．軸流風(fēng)機葉片紊流噪聲模型機其特性研究[J]．中國機械工程，2006，17(10):1056－ 1059．

[6]毛義軍，祁大同，劉曉良，等．離心風(fēng)機氣動噪聲的數(shù)值模擬[J]．西安交通大學(xué)學(xué)報，2009，43(3):65－59．

[7]劉曉良，祁大同，馬健峰，等．改變蝸殼寬度對離心風(fēng)機氣動噪聲影響的數(shù)值計算與試驗研究[J]．西安交通大學(xué)學(xué)報，2008，42(11):1429－1434．

[8]李春曦，雷泳，王松嶺，等．加裝防渦圈的離心風(fēng)機蝸殼內(nèi)空氣動力學(xué)特征和降噪研究[J]．中國電機工程學(xué)報，2006，26(17):117－121．

[9]張磊，王松嶺，吳正人，等．離心風(fēng)機蝸殼內(nèi)加裝旋渦破碎裝置的實驗研究[J]．中國電機工程學(xué)報，2009，29(11):86－91．

[10]張磊，王松嶺，張倩，等．離心風(fēng)機旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)下的流體動力學(xué)特征[J]．中國電機工程學(xué)報，2012，32(14):95－102．

[11]王巍雄，李嵩，黃東濤，等．空調(diào)離心葉輪尾流噪聲的數(shù)值預(yù)估[J]．工程力學(xué)，2008，25(7):217－222．