李謙益楊睿，張偉宮武旗

（1.陜西省天然氣股份有限公司；2.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

高速離心風(fēng)機(jī)前緣傾斜葉片擴(kuò)壓器的降噪機(jī)理研究

李謙益1楊睿1，2張偉2宮武旗2

（1.陜西省天然氣股份有限公司；2.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

采用噪聲試驗(yàn)及定常和非定常數(shù)值模擬方法，研究了一高速離心風(fēng)機(jī)前緣傾斜葉片擴(kuò)壓器的降噪機(jī)理。對(duì)比研究的兩種葉片擴(kuò)壓器為前緣無(wú)傾斜和前緣有傾斜的圓弧葉片擴(kuò)壓器。通過(guò)研究離心風(fēng)機(jī)葉片擴(kuò)壓器進(jìn)口斜切對(duì)氣流脈動(dòng)壓力的影響揭示其降噪機(jī)理。結(jié)果表明，所研究的150°前緣傾斜擴(kuò)壓器，既提高了風(fēng)機(jī)性能，又有顯著降噪效果。所研究高速離心風(fēng)機(jī)，其離散頻噪聲占主導(dǎo)地位，集中在葉片通過(guò)頻率及其二次諧波頻率處。無(wú)傾斜的原始擴(kuò)壓器表面脈動(dòng)壓力主要特征是，波動(dòng)幅值大，不同幾何點(diǎn)之間基本同相位，脈動(dòng)壓力疊加效果顯著，所以產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲大。150°前緣傾斜擴(kuò)壓器，由于前緣傾斜切割，為葉輪盤側(cè)出來(lái)的高速氣流留出緩沖空間，在擴(kuò)壓器葉片前緣面上的氣流沖擊很快衰減，盤側(cè)表面脈動(dòng)壓力幅值大大下降，這是其噪聲降低的主要原因。前緣傾斜擴(kuò)壓器，由于前緣傾斜切割，各幾何點(diǎn)之間的脈動(dòng)壓力存在相位差，所以疊加效果不明顯，這是其氣動(dòng)噪聲下降的次要原因。

離心風(fēng)機(jī)；葉片擴(kuò)壓器；前緣傾斜；降噪；脈動(dòng)壓力；數(shù)值模擬

0 引言

離心風(fēng)機(jī)的噪聲主要是氣動(dòng)噪聲，其葉輪與擴(kuò)壓器（或蝸舌）之間的強(qiáng)烈相互作用是氣動(dòng)噪聲的重要來(lái)源之一[1]。對(duì)于有葉片擴(kuò)壓器的離心風(fēng)機(jī)，葉輪與擴(kuò)壓器葉片之間的無(wú)葉過(guò)渡區(qū)是動(dòng)靜相干作用最強(qiáng)烈區(qū)域，這里產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲極為復(fù)雜。Jeon等[2-3]的試驗(yàn)研究表明，有葉擴(kuò)壓器與無(wú)葉擴(kuò)壓器的離心風(fēng)機(jī)噪聲頻譜存在較大不同。有葉擴(kuò)壓器的離心風(fēng)機(jī)，其離散噪聲中除了基頻外，其二次至四次諧波處的聲壓級(jí)仍非常顯著，甚至高于基頻處的聲壓級(jí)。葉輪與葉片擴(kuò)壓器之間相干作用的主要方面是葉輪出口氣流在下游擴(kuò)壓器葉片前緣面上的沖擊效應(yīng)，前緣幾何形狀對(duì)該沖擊效應(yīng)有著重要影響。因此，對(duì)有葉擴(kuò)壓器的離心風(fēng)機(jī)，降噪方法之一就是尋求合適的擴(kuò)壓器葉片進(jìn)口前緣幾何形狀，以降低由于葉輪與擴(kuò)壓器之間動(dòng)靜相干作用產(chǎn)生的噪聲。

通過(guò)優(yōu)化擴(kuò)壓器前緣幾何形狀來(lái)提高離心風(fēng)機(jī)性能、降低其氣動(dòng)噪聲的研究已有少量報(bào)導(dǎo)。Kenny[4]、Yoshinaga等[5]分別將前緣帶凹槽，帶三角形豁口的擴(kuò)壓器葉片應(yīng)用于離心壓縮機(jī)中，獲得了高的性能，但未涉及對(duì)噪聲的影響。Ohta[6-10]等將擴(kuò)壓器前緣自壓力面向吸力面方向傾斜切割，使離心壓縮機(jī)總噪聲降低了14.2dB。這種改進(jìn)主要是減少了葉輪出口氣流在擴(kuò)壓器葉片前緣上沖擊的接觸面積，從而降低了葉片通過(guò)頻率處的離散噪聲；并且通過(guò)流場(chǎng)的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)擴(kuò)壓器前緣的脫落渦尺寸減小以及湍流強(qiáng)度降低，從而也降低了其寬頻噪聲。但是，這種切割方式在變工況下的降噪效果不夠理想，性能下降也顯著。Murakami等[11]在離心風(fēng)機(jī)低稠度擴(kuò)壓器前緣的葉根和葉頂處開槽，使得葉片通過(guò)頻率處噪聲下降了5dB，而風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能沒(méi)有明顯下降。

對(duì)擴(kuò)壓器葉片前緣的改進(jìn)，實(shí)踐證明能較顯著地降低風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲。由于噪聲降低與氣流脈動(dòng)壓力變化有著密切聯(lián)系，所以，有必要對(duì)改進(jìn)前后的擴(kuò)壓器表面脈動(dòng)壓力變化開展研究，并由此揭示葉輪機(jī)械氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生及降低的機(jī)理。本課題組以前開展了離心風(fēng)機(jī)葉片擴(kuò)壓器進(jìn)口傾斜角對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能及噪聲影響的研究工作[12]，結(jié)果表明，在采用前緣傾斜葉片擴(kuò)壓器（ILEVD，inclined leading edge vaned diffuser）下，風(fēng)機(jī)性能略有提高，且氣動(dòng)噪聲降低效果明顯。在設(shè)計(jì)工況附近，總噪聲水平降低約4dB(A)，離散噪聲降低約17dB(A)。然而，對(duì)傾斜葉片擴(kuò)壓器周圍的流動(dòng)特點(diǎn)，特別是前緣表面氣流脈動(dòng)壓力的變化情況目前還不清楚，影響了對(duì)其降噪機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

本文采用試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)一高速離心風(fēng)機(jī)開展研究，研究?jī)A斜前緣與非前緣傾斜擴(kuò)壓器葉片表面的氣流脈動(dòng)壓力變化情況，并揭示其與風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲變化之間的關(guān)系，由此探索研究前緣傾斜擴(kuò)壓器引起噪聲降低的原因。

1 試驗(yàn)風(fēng)機(jī)參數(shù)

表1 風(fēng)機(jī)主要性能參數(shù)表Tab.1Main performace parameters of the test fan

所研究離心風(fēng)機(jī)的主要性能參數(shù)范圍如表1所示，葉輪與擴(kuò)壓器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)ISO 5801-2008進(jìn)行，主要測(cè)量了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、流量，全壓升和噪聲等參數(shù)。試驗(yàn)裝置，測(cè)量方法和測(cè)試儀器系統(tǒng)描述見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。前緣傾斜擴(kuò)壓器是在原始擴(kuò)壓器基礎(chǔ)上，對(duì)擴(kuò)壓器葉片前緣按一定角度切削而成。定義切削傾斜角θ為擴(kuò)壓器葉片前緣與輪盤面之間的夾角，如圖1所示。圖1(a)為原始擴(kuò)壓器葉片，無(wú)斜切，θ=90°；圖1(b)為一傾斜擴(kuò)壓器葉片，斜切角θ=150°。

試驗(yàn)表明，傾斜擴(kuò)壓器在保持風(fēng)機(jī)性能不降低的情況下，獲得了較顯著的降噪效果[13]。為了研究擴(kuò)壓器前緣斜切對(duì)擴(kuò)壓器葉片表面脈動(dòng)壓力變化的影響，本文選擇原始擴(kuò)壓器和降噪效果最顯著的θ=150°傾斜擴(kuò)壓器進(jìn)行對(duì)比研究。

表2 風(fēng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)表Tab.2Main structure parameters of the test fan

圖1 擴(kuò)壓器葉片F(xiàn)ig.1Diffuser vane

2 試驗(yàn)結(jié)果

風(fēng)機(jī)的流量系數(shù)φ、壓升系數(shù)ψ和有用功Ne分別定義為

其中，Qv是風(fēng)機(jī)進(jìn)口體積流量；p0和p分別是風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口靜壓；u2是葉輪邊緣圓周速度。

圖2給出了試驗(yàn)測(cè)試的風(fēng)機(jī)壓升系數(shù)和有用功隨流量系數(shù)的變化曲線。效率曲線與有用功曲線變化趨勢(shì)幾乎完全一致，所以這里省略了效率曲線。對(duì)原始擴(kuò)壓器風(fēng)機(jī)，有用功在設(shè)計(jì)工況φ=0.087下取得最大值，此工況點(diǎn)也為最高效率點(diǎn)。用150°傾斜擴(kuò)壓器葉片代替原始擴(kuò)壓器葉片后，有用功性能曲線和效率曲線均向大流量方向偏移，且數(shù)值增大。相對(duì)于原始擴(kuò)壓器風(fēng)機(jī)，150°傾斜擴(kuò)壓器在設(shè)計(jì)流量φ=0.087下，風(fēng)機(jī)的壓力系數(shù)提高了約13.3%，大流量下提高更顯著。

圖2風(fēng)機(jī)性能曲線Fig.2Fan performance curves

圖3 為風(fēng)機(jī)A聲級(jí)總噪聲聲壓級(jí)（Overall SPL）以及頻調(diào)噪聲聲壓級(jí)（Tonal SPL）隨流量系數(shù)的變化曲線。頻調(diào)噪聲指在葉片通過(guò)頻率(3.65kHz)及其諧波頻率的噪聲總和，計(jì)算公式為

其中，Li是在葉片通過(guò)頻率及其諧波頻率上的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，i=1，2，3和4。

由圖3可見(jiàn)，風(fēng)機(jī)總噪聲在設(shè)計(jì)流量下達(dá)到最小值，偏離該流量噪聲會(huì)增加，而頻調(diào)噪聲隨流量系數(shù)變化比較平坦。在φ=0.087處，150°傾斜擴(kuò)壓器比原始擴(kuò)壓器風(fēng)機(jī)的總噪聲降低了約4.0dB(A)，且頻調(diào)噪聲下降更大，約為17dB(A)?？梢?jiàn)，前緣傾斜擴(kuò)壓器可以降低風(fēng)機(jī)噪聲。圖4表示了原始擴(kuò)壓器和傾斜擴(kuò)壓器風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)流量下的A聲壓頻譜。由圖可見(jiàn)，150°傾斜擴(kuò)壓器風(fēng)機(jī)的第1至第4階頻調(diào)噪聲，與原始擴(kuò)壓器風(fēng)機(jī)相比下降顯著，噪聲的連續(xù)譜也有顯著下降。Ohta等[10-13]提出的從吸力面向壓力面斜切的葉片擴(kuò)壓器，能有效降低風(fēng)機(jī)噪聲，但是，風(fēng)機(jī)壓升系數(shù)也有所下降，且工況范圍縮小。本文研究的擴(kuò)壓器傾斜形式，既能提高風(fēng)機(jī)性能，還能降低風(fēng)機(jī)噪聲。

圖3 風(fēng)機(jī)噪聲的A聲級(jí)Fig.3The A-sound pressure level of the fan noise

圖4 風(fēng)機(jī)A聲級(jí)噪聲頻譜(φ=0.087)Fig.4The spectrum of the A-sound pressure level of the fan noise(φ=0.087)

3 數(shù)值計(jì)算方案

為分析擴(kuò)壓器前緣傾斜對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)的影響，采用數(shù)值方法研究離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部定常及非定常三維流動(dòng)問(wèn)題。計(jì)算區(qū)域由葉輪和擴(kuò)壓器流道構(gòu)成，先由葉輪進(jìn)口軸向進(jìn)氣，然后由擴(kuò)壓器出口徑向排入大氣環(huán)境，沒(méi)有蝸殼，計(jì)算區(qū)域如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)化計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格Fig.5Structured grid of computational domain

計(jì)算求解雷諾時(shí)均N-S方程組，采用S-A湍流模型?？刂品匠痰目臻g離散采用有限體積法，選用具有二階截差的中心差分格式對(duì)控制方程對(duì)流項(xiàng)和耗散項(xiàng)進(jìn)行離散。采用四階顯式Runge－Kutta法實(shí)現(xiàn)時(shí)間推進(jìn)求解。邊界條件為：進(jìn)口給定總壓為大氣壓，沿轉(zhuǎn)子軸向進(jìn)氣；出口給定質(zhì)量流量靜壓。所有固體壁面假設(shè)為絕熱條件，固體壁面流動(dòng)滿足無(wú)滑移條件。

計(jì)算網(wǎng)格采用高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖5所示。數(shù)值試驗(yàn)表明，計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為66萬(wàn)時(shí)，計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格的相關(guān)性已明顯降低，基本達(dá)到了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求。這時(shí)，葉輪單流道內(nèi)網(wǎng)格數(shù)為34萬(wàn)，含葉輪進(jìn)口前計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格；擴(kuò)壓器單流道內(nèi)網(wǎng)格數(shù)為32萬(wàn)，含擴(kuò)壓器葉片出口下游無(wú)葉區(qū)網(wǎng)格。邊界層采用壁面函數(shù)法確定速度分布，最底層網(wǎng)格無(wú)量綱尺度為y+≈1～10。求解中，動(dòng)靜交界面進(jìn)行數(shù)據(jù)信息動(dòng)態(tài)傳遞。為加速求解過(guò)程的收斂性，采用了多重網(wǎng)格法、當(dāng)?shù)貢r(shí)間步長(zhǎng)和隱式殘差光順?lè)ǖ取?/p>

首先進(jìn)行定常計(jì)算，計(jì)算收斂后，以定常計(jì)算的收斂解作為初值進(jìn)行非定常計(jì)算。非定常計(jì)算中，以一個(gè)葉輪葉片通過(guò)擴(kuò)壓器流道周期的1/90作為時(shí)間步長(zhǎng)，即Δt=3.01×10-6s進(jìn)行計(jì)算。以擴(kuò)壓器葉片前緣表面脈動(dòng)壓力作為監(jiān)測(cè)參量，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力獲得周期性時(shí)，非定常計(jì)算結(jié)束。

4 結(jié)果分析

將穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬的風(fēng)機(jī)性能結(jié)果表示在圖2中，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比，靜壓升系數(shù)和內(nèi)功率的變化趨勢(shì)相似，但模擬結(jié)果的數(shù)值偏大。這是因?yàn)橛?jì)算模擬中沒(méi)有將泄漏損失、輪阻損失等因素考慮進(jìn)去，而該風(fēng)機(jī)流道狹窄，這些損失占比較大。此外，采用150°前緣傾斜擴(kuò)壓器葉片時(shí)，風(fēng)機(jī)靜壓升系數(shù)和內(nèi)功率在φ＞0.104的大流量范圍均有顯著提高。由于該風(fēng)機(jī)的效率與內(nèi)功率變化趨勢(shì)一致，所以風(fēng)機(jī)效率也有提高。

本文主要研究擴(kuò)壓器前緣傾斜對(duì)非定常脈動(dòng)壓力變化的影響，采用非定常數(shù)值模擬方法，通過(guò)對(duì)脈動(dòng)壓力時(shí)域和頻域信號(hào)的分析來(lái)進(jìn)行[14]。

4.1 擴(kuò)壓器葉片監(jiān)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力時(shí)域特征

圖6(a)和圖6(b)分別為原始擴(kuò)壓器和前緣傾斜擴(kuò)壓器的幾何形狀，圖6(c)為擴(kuò)壓器葉片前緣切割前后的形狀，均為矩形。為了監(jiān)測(cè)前緣脈動(dòng)壓力，在原始擴(kuò)壓器和前緣傾斜擴(kuò)壓器的前緣面上，沿葉高方向均勻布置7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖6(c)所示。以P1為參考零點(diǎn)，在盤側(cè)面上，P1～P7各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)z/b分別為0，0.159，0.329，0.505，0.676，0.848和1.0，這里b為擴(kuò)壓器流道寬度，z為軸向位置坐標(biāo)。

圖6擴(kuò)壓器葉片網(wǎng)格及監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.6Grid and monitoring points on diffuser

圖7 (a)為原始擴(kuò)壓器在設(shè)計(jì)工況(φ=0.087)下，其擴(kuò)壓器葉片前緣面監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1～P7上靜壓在一個(gè)葉輪葉道通過(guò)周期內(nèi)的變化過(guò)程。由圖可見(jiàn)，原始擴(kuò)壓器的前緣靜壓脈動(dòng)幅值在2 000～3 000Pa之間，盤側(cè)幅值較大一些。點(diǎn)P1～P7上的靜壓在一個(gè)周期內(nèi)變化趨勢(shì)基本一致，相位基本同步，其相互疊加效果顯著，會(huì)產(chǎn)生高的頻調(diào)噪聲。

圖7擴(kuò)壓器前緣靜壓時(shí)域信號(hào)(φ=0.087)Fig.7Static pressure of diffuser leading edge in time domain(φ=0.087)

圖7 (b)所示為150°前緣傾斜擴(kuò)壓器葉片上的靜壓變化過(guò)程，其脈動(dòng)幅度在500～1 000Pa之間，相比于原始擴(kuò)壓器顯著下降，這是最顯著的變化特征，與噪聲降低直接相關(guān)。此外，前緣面上各點(diǎn)壓力的相位不同，這是因?yàn)閿U(kuò)壓器前緣由于斜切割，使得前緣面不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)不再處于同一個(gè)半徑位置上，這樣葉輪出口氣流沖擊擴(kuò)壓器前緣面會(huì)產(chǎn)生時(shí)間差，表現(xiàn)為脈動(dòng)壓力出現(xiàn)相位差。有相位差的脈動(dòng)壓力波疊加效果較差，甚至?xí)窒粢徊糠?，這有助于降低頻調(diào)噪聲。這與離心風(fēng)機(jī)中傾斜蝸舌降噪[13，15]機(jī)理類似，Kishokanna對(duì)離心風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的研究[16]也表明擴(kuò)壓器葉片前緣優(yōu)化能夠降低其壓力脈動(dòng)，以及葉輪與擴(kuò)壓器相互干涉的湍流強(qiáng)度等。

4.2 擴(kuò)壓器葉片監(jiān)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力主要頻率分量特征

脈動(dòng)壓力時(shí)域信號(hào)經(jīng)傅立葉分析，可以得到其功率譜密度，如圖8所示。分析可見(jiàn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頻譜主要有基頻BPF（Basic passing frequency）、2階、3階和4階諧波共四個(gè)主要離散分量，其中BPF分量與2階分量能量占主導(dǎo)地位。用150°傾斜擴(kuò)壓器代替原始擴(kuò)壓器時(shí)，這些離散分量幅值很快衰減。

為了更全面的反映擴(kuò)壓器前緣面上脈動(dòng)壓力頻譜的變化特征，對(duì)前緣面上每一計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)的脈動(dòng)壓力均進(jìn)行采集，然后進(jìn)行傅里葉分析，獲得各點(diǎn)的功率譜密度，將其繪制成前緣面功率譜密度分布圖。圖9為原始擴(kuò)壓器葉片前緣面上的脈動(dòng)壓力功率譜密度，其中圖9(a)為脈動(dòng)壓力功率譜密度總和，圖9(b)和圖9(c)分別為脈動(dòng)壓力基頻和二次諧波處的功率譜密度分布圖。由圖9可見(jiàn)，原始擴(kuò)壓器前緣面上脈動(dòng)壓力功率譜密度分布在輪盤側(cè)顯著高于輪蓋側(cè)，總和最大值2 200Pa2位于輪盤側(cè)靠近吸力面一側(cè)。各分量最大值與總和最大值分布位置類似。

圖10為150°傾斜擴(kuò)壓器前緣面上的脈動(dòng)壓力功率譜密度分布圖。由圖可見(jiàn)，傾斜擴(kuò)壓器前緣面上脈動(dòng)壓力功率譜密度分布在輪盤側(cè)大大低于原始擴(kuò)壓器的數(shù)值，譜密度總和的最大值600Pa2只有原始擴(kuò)壓器最大值2 200Pa2的27.3%。原始擴(kuò)壓器與前緣傾斜擴(kuò)壓器前緣面上壓力脈動(dòng)的變化趨勢(shì)與圖4中試驗(yàn)測(cè)試的噪聲頻譜變化結(jié)果完全吻合，也與試驗(yàn)測(cè)試的噪聲水平降低相一致。

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)P4脈動(dòng)壓力的功率譜密度Fig.8PSDoffluctuatingpressureattheobservingpointP4

圖9 原始擴(kuò)壓器前緣面上的脈動(dòng)壓力功率譜密度Fig.9PSD of fluctuating pressure on the leading edge of the original diffuser

擴(kuò)壓器葉片由于傾斜切割了靠近輪盤側(cè)的前緣部分，這里產(chǎn)生了較大的徑向間隙，因此從葉輪出來(lái)的高速氣流在該區(qū)域經(jīng)緩沖減速，且變得均勻，因此氣流對(duì)擴(kuò)壓器的沖擊有很大下降，擴(kuò)壓器內(nèi)的流動(dòng)也得到改善。Qin[17]的研究結(jié)果表明干涉作用是影響擴(kuò)壓器流道內(nèi)壓力波動(dòng)的主要因素。前緣傾斜擴(kuò)壓器減輕了葉輪與擴(kuò)壓器之間的干涉，擴(kuò)壓器的前緣面上壓力脈動(dòng)下降明顯。如果對(duì)擴(kuò)壓器流道內(nèi)的其它壓力面和吸力面上壓力脈動(dòng)進(jìn)行分析，可以得到類似結(jié)論。另外，擴(kuò)壓器前緣面上還由于傾斜面產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力相位差，也有助于其壓力脈動(dòng)進(jìn)一步降低?？梢?jiàn)，傾斜擴(kuò)壓器葉片由于進(jìn)行了斜切割，使其葉片表面上的脈動(dòng)壓力功率譜密度大大下降了，對(duì)降噪產(chǎn)生較大貢獻(xiàn)。

5 結(jié)論

本文就離心風(fēng)機(jī)葉片擴(kuò)壓器進(jìn)口斜切形狀對(duì)噪聲及氣流脈動(dòng)壓力的影響機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。研究的兩種葉片擴(kuò)壓器為：進(jìn)口無(wú)傾斜的圓弧葉片擴(kuò)壓器；進(jìn)口有傾斜的圓弧葉片擴(kuò)壓器。在這兩種擴(kuò)壓器下，對(duì)該風(fēng)機(jī)進(jìn)行了噪聲試驗(yàn)、定常和非定常數(shù)值模擬研究。通過(guò)擴(kuò)壓器葉片前緣脈動(dòng)壓力的時(shí)域及頻域分析，揭示了傾斜前緣的降噪機(jī)理。主要結(jié)論有：

1）所研究150°前緣傾斜擴(kuò)壓器，既提高了風(fēng)機(jī)性能，拓寬了穩(wěn)定工況范圍，又有顯著降噪效果。

2）所研究高速離心風(fēng)機(jī)中離散頻噪聲占主導(dǎo)地位，主要集中在葉片通過(guò)頻率及其二次諧波頻率處。

3）無(wú)傾斜的原始擴(kuò)壓器表面脈動(dòng)壓力主要特征是，波動(dòng)幅值大，不同幾何點(diǎn)之間相位基本相同，脈動(dòng)壓力疊加效果顯著，所以產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲大。

4）150°前緣傾斜擴(kuò)壓器，由于前緣傾斜切割，為葉輪盤側(cè)出來(lái)的高速氣流留出緩沖空間，在擴(kuò)壓器葉片上的氣流沖擊大幅衰減，盤側(cè)表面脈動(dòng)壓力波動(dòng)幅值大大下降，這是噪聲降低的主要原因。

5）150°前緣傾斜擴(kuò)壓器，由于前緣傾斜切割，各幾何點(diǎn)之間的脈動(dòng)壓力存在相位差，疊加效果不明顯，這是氣動(dòng)噪聲下降的次要原因。

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Noise Reduction Mechanism of a Vaned Diffuser with Inclined Leading Edge in a High-speed Centrifugal Fan

Qian-yi Li1Rui Yang1,2Wei Zhang2Wu-qi Gong2
（1.Shaanxi Provincial Natural Gas Co.Ltd；2.School of Energy and Power Engineering,Xi’an Jiaotong University）

Noise measurements and steady and unsteady numerical simulations were performed to study the noise reduction mechanism of an inclined leading edge vaned diffuser(ILEVD)in a high-speed centrifugal fan.An arc vaned diffuser with and without inclined leading edge is studied to reveal the noise reduction mechanism.The inclined leading edge influences the fluctuating pressure on the diffuser vane.The results show that the 150 degree inclined diffuser cannot only improve the fan performance,but also has a significant noise reduction effect.For the high speed centrifugal fan,discrete frequency components dominate the noise spectra,which are mainly the blade passing frequency and the second harmonicfrequency.For the vaned diffuser without inclined leading edge,the amplitude of the pressure fluctuations on the leading edge of the diffuser is very large.Since the phase difference between various monitoring points on the leading edge is basically identical,the superposition effect of the fluctuating pressure is remarkable,such that the aerodynamic noise amplitude becomes large.For the diffuser with a 150 degree inclined leading edge,the inclined cut vane sets aside a buffer space for the high-speed airflow from the disk side impeller output,so the impingement of the airflow on the leading edge of the diffuser blade is attenuated,and the amplitude of the pressure fluctuations is strongly reduced.This is the main mechanism of the aerodynamic noise reduction.For the inclined leading edge vaned diffuser,a phase difference in the fluctuating pressure exists between various points on the leading edge,so that no superposition of pressure amplitudes occurs.which is the secondary mechanism for the noise reduction.

centrifugal fan，vaned diffuser，inclined leading edge，noise reduction，fluctuating pressure，numerical simulation

TH432；TK05

1006-8155-(2017)03-0054-07

A

10.16492/j.fjjs.2017.03.0010

2016-10-25陜西西安710016