（華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

0 引言

多翼離心風(fēng)機(jī)具有尺寸小、流量、壓力系數(shù)高和噪聲低的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于空調(diào)調(diào)節(jié)、通風(fēng)換熱等場(chǎng)合。在其正常運(yùn)行時(shí)，葉輪周期性旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲遠(yuǎn)大于風(fēng)機(jī)的機(jī)械噪聲和電磁噪聲，故對(duì)氣動(dòng)噪聲展開(kāi)研究具有十分重要的意義。風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲按照頻率特性分析可以定義為離散噪聲和寬頻噪聲。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)分析，多翼離心風(fēng)機(jī)的主要噪聲源是葉輪處的離散噪聲，針對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)的降噪研究，李爍[1]等人采用偏心葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，促進(jìn)風(fēng)機(jī)噪聲降低，劉小民[2]等人應(yīng)用仿生葉片在不改變風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的情況下,有效地降低風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲，楊昕[3]等人用試驗(yàn)的方法改變?nèi)~輪與蝸殼相對(duì)安裝位置來(lái)降低風(fēng)機(jī)噪聲等。葉輪處產(chǎn)生的離散噪聲，除了葉片結(jié)構(gòu)、葉輪安裝位置對(duì)其有影響，葉片周向角均勻布置也會(huì)產(chǎn)生離散噪聲，降低葉輪離散噪聲的有效手段就是破壞這種均勻布置即葉片非均勻分布。

不少國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)葉輪機(jī)械非均勻問(wèn)題展開(kāi)了相關(guān)研究。吳大轉(zhuǎn)[4]等研究了非均勻葉片對(duì)微型混流式風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的影響。劉志超[5]等人發(fā)現(xiàn)非均勻葉片分布對(duì)旋渦自吸泵穩(wěn)態(tài)性能有一定影響。馬建峰[6]等人根據(jù)文獻(xiàn)[7]進(jìn)行葉輪的非均勻設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)非均勻葉片可以降低離心通風(fēng)機(jī)基頻噪聲的峰值。劉敏[8]等人發(fā)現(xiàn)采用非均勻葉片布置在同轉(zhuǎn)速下可以降低貫流風(fēng)機(jī)在葉輪和蝸舌處的BPF噪聲。

上述研究均說(shuō)明，葉片非均勻分布在葉輪機(jī)械降噪方面有較好的應(yīng)用效果，但鮮有學(xué)者將其應(yīng)用到多翼風(fēng)機(jī)的節(jié)能降噪研究中。因此，本文按照正弦曲線和隨機(jī)分布對(duì)某多翼風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行非均勻調(diào)制，基于數(shù)值和實(shí)驗(yàn)手段得出非均勻分布對(duì)風(fēng)機(jī)性能和氣動(dòng)噪聲的影響規(guī)律。

1 研究對(duì)象

實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)為一雙吸多翼離心風(fēng)機(jī)，其幾何模型如圖1所示，主要由外部風(fēng)道、蝸殼、葉輪、出風(fēng)罩四部分組成。葉輪外徑D2=236mm，輪轂比υ=0.847，葉輪進(jìn)口角β1=58°，出口角β2=163°，葉片數(shù)Z=60，轉(zhuǎn)速為1 200r/min，氣流由外部風(fēng)道下方進(jìn)入，分別從葉輪前后段進(jìn)入風(fēng)機(jī)。由于葉輪后段內(nèi)部安裝電機(jī)，進(jìn)氣狀態(tài)受到影響，氣體主要通過(guò)前進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入風(fēng)機(jī)。

圖1 試驗(yàn)風(fēng)機(jī)模型圖Fig.1 Experimental fan model

2 葉片非均勻方案設(shè)計(jì)

2.1 正弦調(diào)制

葉輪設(shè)計(jì)要保證自身的動(dòng)平衡[9]，以保證風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。葉片非均勻設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是以轉(zhuǎn)子自平衡理論為基礎(chǔ)。本文所述葉片非均勻即葉片之間的夾角沿周向不相等，主要通過(guò)葉片夾角按正弦分布和隨機(jī)分布規(guī)律對(duì)葉輪進(jìn)行非均勻調(diào)制。所述正弦調(diào)制，即葉片分布角按正弦調(diào)制曲線分布，正弦調(diào)制函數(shù)為：

其中，A為調(diào)制的幅度；n為調(diào)制量的循環(huán)次數(shù)；k為葉片位置；θ為均勻葉片間隔角；θ'為非均勻葉片間隔角。

調(diào)制前葉片轉(zhuǎn)角:

調(diào)制后葉片轉(zhuǎn)角:

A值大，諧波振幅愈大，對(duì)應(yīng)葉片節(jié)距的分布愈不均勻，即過(guò)大的A值會(huì)影響氣動(dòng)性能的變化。A值的變化將影響風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能。因此，本文定義非均勻調(diào)制度φ對(duì)葉片非均勻程度進(jìn)行控制。

本文基于正弦調(diào)制函數(shù)，根據(jù)參數(shù)φ和n的不同設(shè)計(jì)四種新的葉片分布方案A,B,C和方案D。表1為四種方案的具體參數(shù)。

表1 四種非均勻葉片分布方案參數(shù)表Tab.1 4 kinds of non-uniform impellers parameters

2.2 隨機(jī)分布

本文所述葉片隨機(jī)分布即葉片之間的夾角沿周向疏密相間分布。在保證φ=8%的前提下，選取每6個(gè)葉片為一組，每一組內(nèi)的葉片夾角相等，設(shè)置調(diào)制循環(huán)周期為5，對(duì)應(yīng)方案E。

圖2為原型機(jī)與葉片非均勻分布五種方案葉片之間的夾角示意θ沿周向的分布曲線。圖3為對(duì)應(yīng)的幾何示意圖。

圖2 各方案夾角分布圖Fig.2 Angle distribution of each scheme

圖3 各方案幾何示意圖Fig.3 Geometric schematic of each scheme

3 數(shù)值方法及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 數(shù)值方法

如圖4所示，數(shù)值分析時(shí)將計(jì)算流域劃分為外部方腔、葉輪、蝸殼、出口罩和出口延長(zhǎng)段五個(gè)部分，各個(gè)流域間通過(guò)interface連接。葉輪采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其它區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。交界面上的網(wǎng)格尺寸大小保持一致，葉輪區(qū)域和蝸舌區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，確定葉輪網(wǎng)格數(shù)量為300萬(wàn)，蝸殼網(wǎng)格數(shù)量為135萬(wàn)，整機(jī)計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)量555萬(wàn)。

圖4 計(jì)算域示意圖Fig.4 Computational domain diagram

流場(chǎng)計(jì)算采用FLUENT軟件進(jìn)行計(jì)算，給定壓力進(jìn)口、壓力出口邊界條件，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200rpm。旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用MRF多參考坐標(biāo)系模型。湍流模型采用SSTκ-ω，速度-壓力耦合選用SIMPLE算法，湍流耗散項(xiàng)、湍流動(dòng)能和動(dòng)量方程的離散均采用二階迎風(fēng)格式。

3.2 試驗(yàn)測(cè)量

分別對(duì)五種方案機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，以驗(yàn)證葉片非均勻程度對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響?？諝庑阅茉囼?yàn)臺(tái)參照《GB/T 1236-2000工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)》[10]中設(shè)置，圖5為性能試驗(yàn)臺(tái)示意圖。

圖5 性能試驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.5 Performance experiment station diagram

試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)裝置使用同一個(gè)蝸殼、進(jìn)風(fēng)口、進(jìn)氣管道、電機(jī)和同一套測(cè)量系統(tǒng)，區(qū)別只在于更換不同的葉輪，即原型機(jī)與非均勻葉片風(fēng)機(jī)之間只是葉輪不同。另外在試驗(yàn)中，風(fēng)機(jī)電機(jī)為交流電機(jī)，出風(fēng)口通過(guò)連接器與空氣性能試驗(yàn)裝置的十字整流器連接，氣流依次通過(guò)連接器、十字整流器和擴(kuò)散段后進(jìn)入減壓筒和擴(kuò)散段后進(jìn)入減壓筒。通過(guò)變換減壓筒下游孔板的開(kāi)孔直徑，測(cè)得每一個(gè)工況點(diǎn)的動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)，并通過(guò)計(jì)算得出空氣性能試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)應(yīng)有足夠的持續(xù)時(shí)間，以獲得一致的結(jié)果和達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)精度。每測(cè)一個(gè)流量點(diǎn)應(yīng)有一定的時(shí)間間隔，并應(yīng)同時(shí)測(cè)量流量、全壓、靜壓、轉(zhuǎn)速和軸功率。試驗(yàn)從零流量開(kāi)始，是在變轉(zhuǎn)速條件下測(cè)試，為方便與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，現(xiàn)換算成同一轉(zhuǎn)速n=1 200r/min。噪聲測(cè)點(diǎn)位置在葉輪旋轉(zhuǎn)軸方向，距離風(fēng)機(jī)進(jìn)口1m處。

4 結(jié)果與分析

4.1 風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能對(duì)比

圖6為五種方案數(shù)值模擬得到的風(fēng)機(jī)靜壓和效率對(duì)比曲線?？梢?jiàn)隨著A值的增大，風(fēng)機(jī)呈現(xiàn)靜壓和效率下降趨勢(shì)，即過(guò)大的A值會(huì)影響氣動(dòng)性能的變化。

方案A和B相比，在葉片調(diào)制周期相同的條件下，A值越小，出口靜壓及效率值越高。同時(shí)，方案C和D也表現(xiàn)出一樣的規(guī)律。與原風(fēng)機(jī)相比，五種方案對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)的靜壓和效率降低。方案A和C在相同調(diào)制度φ時(shí)，調(diào)制程度φ越小，循環(huán)次數(shù)n越少，風(fēng)機(jī)靜壓和效率越大。隨機(jī)分布方案E與正弦調(diào)制方案A，B，C和D相比較，靜壓和效率均較低，這說(shuō)明正弦調(diào)制方案對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響優(yōu)于隨機(jī)分布方案。

總體上，原風(fēng)機(jī)和葉片非均勻分布方案對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)靜壓和效率相差不大，因此，葉片非均勻分布不會(huì)明顯降低風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能。根據(jù)上述模擬結(jié)果分析對(duì)比，本文推薦葉片在非均勻調(diào)制時(shí)，φ小于20%。

圖7為原型機(jī)與5種新型方案試驗(yàn)測(cè)得氣動(dòng)性能曲線。結(jié)果表明5種方案氣動(dòng)性能相差不大，相對(duì)原型機(jī)，靜壓及效率略有下降。方案D和方案E性能下降幅度最大，方案B和方案C次之，且方案C略優(yōu)于方案B，方案A性能最接近原型機(jī)。造成這5種方案的氣動(dòng)性能不同是由于葉片疏密程度不同導(dǎo)致的葉道阻塞系數(shù)不同。

將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的性能曲線趨勢(shì)基本一致，吻合良好。

4.2 葉片分布對(duì)噪聲的影響

根據(jù)數(shù)值模擬與試驗(yàn)得到的氣動(dòng)性能結(jié)果表明，方案A,B和C與原風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能相差不大，故分析此三種方案的噪聲性能。圖8為非均勻方案A,B和C的噪聲曲線，可見(jiàn)在風(fēng)機(jī)全工況范圍內(nèi)，三種方案噪聲均降低，方案C的降噪效果最好，噪聲降低2～4dB。在Qv＞10.8m3/min工況，方案A的噪聲小于方案C約1.5dB；在Qv＜10.8m3/min工況，反之。綜上，調(diào)制幅度A值越大，相應(yīng)的諧波振幅下降值也愈大，風(fēng)機(jī)噪聲越低。總的來(lái)說(shuō)，在適當(dāng)?shù)恼{(diào)制程度下，葉片非均勻布置可以使多翼離心風(fēng)機(jī)噪聲降低1～4dB。

圖6 數(shù)值計(jì)算結(jié)果性能對(duì)比Fig.6 Performance comparison of numerical calculation results

圖7 試驗(yàn)風(fēng)機(jī)性能曲線對(duì)比Fig.7 Comparison of experimental fan performance curves

5 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)手段研究了五種葉片非均勻分布方式對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)性能及噪聲的影響，得到以下結(jié)論：

1）當(dāng)葉片非均勻調(diào)制度φ小于20%時(shí)，原風(fēng)機(jī)與葉片非均勻分布方案對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能相差不大。

2）基于葉片正弦分布和隨機(jī)分布的非均勻方案對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，結(jié)果表明隨機(jī)分布的氣動(dòng)性能會(huì)差于正弦分布。

3）本文提出5種葉片非均勻方案模型，其風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能變化較小，其中方案A的氣動(dòng)性能最優(yōu)且最接近于原型機(jī)，方案C和方案D的氣動(dòng)性能最差。

圖8 風(fēng)機(jī)噪聲性能對(duì)比Fig.8 Fan noise performance comparison

4）在保證氣動(dòng)性能的條件下，選擇方案A,B,C進(jìn)行噪聲試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在相同的轉(zhuǎn)速下可以降低多翼離心風(fēng)機(jī)的總離散噪聲A聲級(jí)2～4dB。其中，方案B的噪聲性能最好，說(shuō)明調(diào)制幅度A值越大，相應(yīng)的諧波振幅下降值也愈大，風(fēng)機(jī)噪聲越低。