變工況下動(dòng)葉安裝角異常對軸流風(fēng)機(jī)氣動(dòng)和噪聲特性的影響

李春曦， 尹 攀， 葉學(xué)民

（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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，保定071003）

動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)具有徑向尺寸小、重量輕、流量大、啟動(dòng)力矩小和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)．其通過改變動(dòng)葉安裝角不僅可以高效地實(shí)現(xiàn)工況調(diào)節(jié)，而且可避免小流量下容易進(jìn)入失速區(qū)的不足，是一種高效節(jié)能的運(yùn)行方式，因此正逐步成為大型鍋爐送風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)和其他通風(fēng)系統(tǒng)的主流選擇［1］．

隨著軸流風(fēng)機(jī)向大型化和精密化發(fā)展，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，運(yùn)行過程中出現(xiàn)了新的不安全因素，如變工況時(shí)動(dòng)葉安裝角發(fā)生非同步調(diào)整現(xiàn)象，由此誘發(fā)風(fēng)機(jī)異常振動(dòng)和噪聲增加，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)停機(jī)檢修．目前，對風(fēng)機(jī)的研究主要是針對離心風(fēng)機(jī)［2］，對軸流風(fēng)機(jī)的研究主要集中于葉片受力斷裂［3］、不同工況下的氣動(dòng)特性［4－6］、噪聲特性［7－9］、失速與喘振［1］等方面．有關(guān)動(dòng)葉安裝角異常對軸流風(fēng)機(jī)的影響，僅有葉學(xué)民等［10－11］對異常葉片安裝角正向偏離6°、12°和18°下的內(nèi)流特征和運(yùn)行性能進(jìn)行了研究．而在實(shí)際運(yùn)行中，因負(fù)荷調(diào)整需要，軸流風(fēng)機(jī)常處于變工況運(yùn)行，故易發(fā)生動(dòng)葉大角度偏離現(xiàn)象（圖1），由此改變了軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行性能并影響其安全運(yùn)行，而變工況下葉片安裝角大角度偏離對風(fēng)機(jī)內(nèi)流特征、噪聲和運(yùn)行性能的影響尚未見相關(guān)研究報(bào)道．因此，深入研究動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)變工況下葉片安裝角異常時(shí)的影響具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和參考價(jià)值．

圖1 單動(dòng)葉大角度偏離Fig．1 Larger drift of single blade installation angle

筆者以帶后導(dǎo)葉的OB－84型軸流風(fēng)機(jī)為研究對象，通過對多種工況下單動(dòng)葉安裝角發(fā)生不同程度偏離時(shí)風(fēng)機(jī)內(nèi)的流場特征進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析風(fēng)機(jī)全壓、效率、內(nèi)流和噪聲特征的變化，并與正常情形下進(jìn)行比較，以探討風(fēng)機(jī)內(nèi)流特征和宏觀性能的變化．

1 數(shù)值計(jì)算方法

1．1 幾何模型

以O(shè)B－84型軸流風(fēng)機(jī)為研究對象，幾何模型見圖2，其結(jié)構(gòu)包括集流區(qū)、動(dòng)葉區(qū)、導(dǎo)葉區(qū)和擴(kuò)壓區(qū)等4部分．風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200r／min，動(dòng)葉外徑D為1 500mm，葉片數(shù)為14，采用NACA翼型葉片，導(dǎo)葉數(shù)為15，動(dòng)葉與導(dǎo)葉沿圓周方向均勻分布，風(fēng)機(jī)輪轂比為0．6，葉頂間隙為5mm．該風(fēng)機(jī)動(dòng)葉安裝角定義為1／2葉高所在截面處的翼弦與圓周方向間的夾角，其初始值為32°（圖3）．圖3為動(dòng)葉安裝角正向和反向偏離時(shí)的動(dòng)葉位置示意圖．

圖2 OB－84型軸流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig．2 Structural diagram of an OB－84axial flow fan

圖3 動(dòng)葉異常偏轉(zhuǎn)示意圖Fig．3 Schematic diagram of installation angle deviation

1．2 控制方程及邊界條件

控制方程采用雷諾時(shí)均方程和雙方程Realizable k－ε湍流模型．因Realizable k－ε湍流模型可準(zhǔn)確地模擬旋轉(zhuǎn)流計(jì)算、帶方向壓強(qiáng)梯度的邊界層計(jì)算和分離流等問題，因此適合OB－84型軸流風(fēng)機(jī)的數(shù)值計(jì)算．采用有限體積法離散控制方程，壓力－速度耦合采用Simplec方法．方程中的變量和黏性參數(shù)采用二階迎風(fēng)格式離散，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)．為提高計(jì)算精度，對流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)分別采用二階迎風(fēng)差分格式．以集流器進(jìn)口截面和擴(kuò)壓器出口截面作為模擬區(qū)域的進(jìn)口和出口，進(jìn)口邊界條件為速度進(jìn)口，出口邊界條件為自由出流．

對總網(wǎng)格數(shù)分別為120萬、196萬、246萬和312萬等情形進(jìn)行了模擬和對比，殘差要求小于10－4．結(jié)果表明，網(wǎng)格數(shù)為120萬和196萬時(shí)的計(jì)算結(jié)果精度不高，246萬網(wǎng)格與312萬網(wǎng)格時(shí)的流動(dòng)特征基本相同，但計(jì)算量顯著減小，因此采用246萬網(wǎng)格進(jìn)行模擬．風(fēng)機(jī)整體取非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其中動(dòng)葉區(qū)和導(dǎo)葉區(qū)分別為91萬和48萬網(wǎng)格，對葉頂間隙進(jìn)行網(wǎng)格加密處理．圖4給出了風(fēng)機(jī)全壓的模擬結(jié)果與原試驗(yàn)值的比較．由圖4可知，模擬值與試驗(yàn)值吻合良好，在模擬范圍內(nèi)的最大偏差和平均偏差分別為2．61%和1．44%，設(shè)計(jì)工況下的偏差僅為0．18%，表明所用計(jì)算模型和網(wǎng)格數(shù)可準(zhǔn)確地反映該風(fēng)機(jī)的性能，保證了數(shù)值模擬的可靠性．

圖4 風(fēng)機(jī)全壓的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)值的比較Fig．4 Comparison of fan total pressure between simulated and experimental results

1．3 聲場預(yù)估

采用寬帶噪聲源模型模擬葉輪區(qū)域的噪聲源分布．因噪聲沒有固定的頻率，在涉及寬頻噪聲的情形下，通過求解雷諾時(shí)均方程得到湍流參數(shù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分布，并采用聲學(xué)類比的方法獲得寬帶噪聲源的分布．聲功率W 和聲功率級(jí)LW的表達(dá)式分別為

式中：ρ0為氣體密度，kg／m3；a0為聲速，m／s；l為湍流尺度，m；u為氣流速度，m／s；c為常數(shù)；W0為基準(zhǔn)聲功率，其值為10－12W．

2 計(jì)算結(jié)果及分析

為研究變工況下異常動(dòng)葉安裝角偏離度Δβ的影響，假定某單動(dòng)葉發(fā)生正向偏離度Δβ＝10°、Δβ＝20°、Δβ＝30°、Δβ＝40°、Δβ＝50°和反向偏離度 Δβ＝－10°、Δβ＝－20°、Δβ＝－30°等情形，Δβ＝0°表示正常狀態(tài)．變工況取流量系數(shù)φ為0．20、0．223、0．25和0．27的情形進(jìn)行研究，其中φ＝0．223為設(shè)計(jì)流量．

2．1 異常葉片正向偏離

2．1．1 變工況下Δβ對風(fēng)機(jī)性能的影響

表1給出了葉片安裝角正常和5種異常正向偏離情形下的全壓和效率．由表1可知，當(dāng)流量系數(shù)φ一定時(shí)，隨著Δβ增大，全壓和效率總體呈降低趨勢．當(dāng)Δβ＝10°時(shí)，與Δβ＝0°時(shí)相比，雖然全壓在φ＝0．25和φ＝0．27工況下明顯提高，但效率卻有所降低．當(dāng)Δβ＝20°時(shí)，全壓和效率均顯著降低，與Δβ＝0°時(shí)相比，φ為0．20、0．223、0．25和0．27工況下全壓分別降低46%、37%、22%和10%，效率分別降低30%、25%、18%和13%，即大流量下全壓和效率的降低幅度相對較?。?dāng)Δβ≥30°時(shí)，全壓與效率的降低幅度有所減緩，表明隨著Δβ增大，Δβ的影響逐漸減?。?dāng)Δβ＝40°和Δβ＝50°時(shí)，各工況下的全壓和效率約為正常風(fēng)機(jī)的50%左右，此時(shí)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行性能已經(jīng)嚴(yán)重惡化．值得注意的是，當(dāng)Δβ＝0°時(shí)，設(shè)計(jì)流量下的效率最高，而當(dāng)Δβ＝10°和Δβ＝20°時(shí)，最高效率點(diǎn)ηmax位于φ＝0．25和φ＝0．27等大流量區(qū)，當(dāng)Δβ≥30°時(shí)，ηmax又逐漸恢復(fù)到設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，其中Δβ＝40°對應(yīng)的ηmax位于φ＝0．20的小流量區(qū)．

表1 正向偏離下的風(fēng)機(jī)全壓和效率Tab．1 Total pressure and efficiency of fan under cocurrent deviation

當(dāng)動(dòng)葉安裝角偏離嚴(yán)重時(shí)，即Δβ≥20°，因沖角增大引起邊界層分離以及尾渦損失、沖擊損失和二次流損失等顯著增大，由此改變風(fēng)機(jī)內(nèi)的流場和壓力場，從而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)全壓和效率均迅速降低．隨著Δβ進(jìn)一步增大，異常葉片引起的能量損失的增加幅度有限，因此全壓和效率下降幅度減小，但與正常情形相比，已嚴(yán)重影響了風(fēng)機(jī)性能，并使風(fēng)機(jī)不穩(wěn)定工作區(qū)擴(kuò)大，容易造成機(jī)組運(yùn)行的不穩(wěn)定．

2．1．2 動(dòng)葉出口截面處的總壓分布

為分析變工況下沿周向和徑向上風(fēng)機(jī)內(nèi)流特征及異常葉片對其他周向流道的影響，取距離葉片后緣50mm處的動(dòng)葉出口截面上的總壓分布作為研究對象．此截面處，流動(dòng)特征受動(dòng)、靜葉的相互作用，且流動(dòng)發(fā)展較為充分，可在一定程度上反映當(dāng)?shù)貎?nèi)流特征的典型變化．圖5給出了正向偏離下出口截面處的總壓分布，圖中標(biāo)出了異常葉片投影區(qū)和葉輪旋轉(zhuǎn)方向．盡管異常葉片對整個(gè)周向流場均有影響，但其影響主要集中在異常葉片周向下游的若干流道，因此圖5僅給出總壓變化比較劇烈的區(qū)域．

由圖5（a）表明，當(dāng)動(dòng)葉調(diào)節(jié)處于正常狀態(tài)時(shí)，周向上的總壓基本上呈現(xiàn)周期性分布．小流量φ＝0．20下，各流道內(nèi)均存在一顯著高壓區(qū)，此時(shí)對應(yīng)的風(fēng)機(jī)全壓最高，其原因?yàn)樵谌~輪轉(zhuǎn)速保持不變的情況下，通過風(fēng)機(jī)的流量越小，單位質(zhì)量流體獲得的機(jī)械能越多，因此其總壓越高．隨著流量增加，總壓總體呈降低趨勢，且葉頂間隙處的低壓區(qū)也趨于明顯，總壓變化與表1中數(shù)據(jù)反映的趨勢一致．當(dāng)某一葉片安裝角發(fā)生偏離時(shí)，異常葉片擾亂了總壓在周向上的周期性分布，在異常葉片附近呈現(xiàn)非周期性分布（見圖5（b）～圖5（f）），其影響主要集中在異常葉片周向下游的多個(gè)流道，這與動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)方向保持一致．與圖5（a）進(jìn)行比較可知，雖然Δβ增大使對應(yīng)的總壓峰值均高于Δβ＝0°時(shí)的情形，但在異常葉片的周向相鄰流道形成塊狀的低壓區(qū)或涵蓋周向多個(gè)流道的低壓帶，因此，總體上總壓仍呈降低趨勢．

圖5 正向偏離下動(dòng)葉出口截面處的總壓分布Fig．5 Total pressure distribution on exit surface under cocurrent deviation

由圖5（b）可知，當(dāng)Δβ＝10°時(shí)，異常葉片周向下游流道的總壓分布十分紊亂；φ＝0．20時(shí)，在周向下游流道的葉高中部和頂部形成2個(gè)明顯低壓區(qū)，在其附近的葉頂和葉根處存在一較小的高壓區(qū)；隨著流量增加，異常葉片周向相鄰流道的低壓區(qū)逐漸擴(kuò)大（φ＝0．223和φ＝0．25時(shí)），在φ＝0．27時(shí)低壓區(qū)演變?yōu)橹袎簠^(qū)，而遠(yuǎn)離異常葉片的低壓區(qū)隨流量增加先演變?yōu)橹袎簠^(qū)（φ＝0．223和φ＝0．25時(shí)），而后演變?yōu)楦采w范圍較大的低壓區(qū)（φ＝0．27時(shí)）．由圖5（c）可知，當(dāng)Δβ＝20°時(shí)，異常葉片周向下游流道的低壓區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，尤其是φ＝0．223和φ＝0．27時(shí)，低壓區(qū)演變?yōu)榘ㄖ芟驍?shù)個(gè)流道的低壓帶，嚴(yán)重惡化了其內(nèi)流特征，從而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)全壓與效率迅速降低；當(dāng)Δβ≥30°時(shí)，低壓區(qū)逐步演變?yōu)榈蛪簬?，且隨流量增加，其影響區(qū)域沿旋轉(zhuǎn)方向從葉高中下部擴(kuò)展至葉高中上部．由圖5（e）和圖5（f）可知，Δβ＝40°和Δβ＝50°對應(yīng)的低壓帶沿徑向進(jìn)一步擴(kuò)大，其范圍覆蓋整個(gè)流道的大部分并延長至周向多個(gè)流道，且低壓區(qū)的總壓也有所降低，這一特征在φ＝0．27時(shí)表現(xiàn)得更為明顯．

異常葉片安裝角的偏離改變了周向總壓的周期性分布，其影響主要集中在沿旋轉(zhuǎn)方向的周向下游流道，這是因?yàn)楫惓?dòng)葉使進(jìn)入該流道內(nèi)的氣體總量減小，排擠的流量在葉輪旋轉(zhuǎn)作用下分配給下游多個(gè)流道，從而影響其周向下游流道流動(dòng)特征，遠(yuǎn)離異常葉片的周向下游流道及其上游流道則幾乎不受影響．而且偏離程度和風(fēng)機(jī)流量越大，其影響越顯著，具體表現(xiàn)為隨Δβ增大，異常葉片誘發(fā)的相鄰流道內(nèi)的低壓區(qū)逐漸演變?yōu)榘ㄖ芟蚨鄠€(gè)流道的低壓帶，并隨流量增加，其影響范圍沿旋轉(zhuǎn)方向從葉高中下部擴(kuò)展至葉高中上部，低壓帶的總壓值進(jìn)一步減小，由此導(dǎo)致全壓和效率降低．

2．1．3 變工況下Δβ對風(fēng)機(jī)噪聲的影響

異常葉片對軸流風(fēng)機(jī)的另一宏觀影響表現(xiàn)為噪聲變化．表2給出了不同工況下Δβ對風(fēng)機(jī)最大聲功率級(jí)LWmax的影響．由表2可知，隨流量增加，LWmax總體呈增大趨勢，大流量φ＝0．27下的LWmax總體最高，其值基本在135～143dB．Δβ的影響在不同工況下有所不同，在φ＝0．223和φ＝0．25工況下，LWmax隨Δβ增大而增大；在φ＝0．20工況下，LWmax在Δβ＝0°～40°內(nèi)逐漸增大，而在 Δβ＝50°時(shí)略有減??；當(dāng)φ＝0．27時(shí)，LWmax的最大值出現(xiàn)在 Δβ＝20°時(shí)，而隨Δβ的進(jìn)一步增大，LWmax則減小．對比各工況下的噪聲可知，Δβ的影響主要體現(xiàn)在φ＝0．20～0．25內(nèi)LWmax的增大．另外，與全壓和效率的變化類似，Δβ對噪聲的影響在10°～30°時(shí)相對顯著，而在40°～50°時(shí)較有限，但LWmax仍保持在130dB以上．

為進(jìn)一步研究變工況下異常葉片安裝角偏離度對動(dòng)葉區(qū)噪聲分布的影響，圖6給出了動(dòng)葉中間截面處的聲功率級(jí)分布．由圖6（a）可知，正常情形下，各工況下流道內(nèi)的聲功率級(jí)均呈周期性分布，最大噪聲源集中在葉頂和葉片表面的較小區(qū)域，其值為85dB，這與氣流流經(jīng)葉片時(shí)由邊界層分離及漩渦破碎等引起的葉頂間隙與葉片表面的流動(dòng)變化有關(guān)．流道中部存在一顯著低噪?yún)^(qū)，隨流量增加，低噪?yún)^(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大且靠近葉片吸力面，這是由葉輪旋轉(zhuǎn)效應(yīng)所導(dǎo)致的．

表2 正向偏離下的聲功率級(jí)Tab．2 Acoustic power level under cocurrent deviation dB

隨Δβ增大，在異常葉片的周向相鄰流道形成高噪?yún)^(qū)，或在周向下游多個(gè)流道形成高噪帶，而低噪?yún)^(qū)的范圍逐漸減小或消失，使得風(fēng)機(jī)噪聲總體呈增大趨勢．當(dāng)Δβ＝10°（圖6（b））時(shí)，異常葉片壓力面附近產(chǎn)生一聲功率級(jí)為100dB的高噪?yún)^(qū)（φ＝0．20），隨流量增加，該高噪?yún)^(qū)逐漸變小直至消失（φ＝0．25～0．27），低噪?yún)^(qū)的范圍較圖6（a）有所減小，但其數(shù)值有所增大，此時(shí)異常葉片的影響主要集中在其周向相鄰流道．當(dāng)Δβ＝20°（圖6（c））、φ＝0．20～0．223時(shí)，形成了延續(xù)周向下游多個(gè)流道、位于葉高中上部的高噪帶；當(dāng)φ＝0．25和φ＝0．27時(shí)，高噪帶退化為只影響異常葉片周向相鄰流道的高噪?yún)^(qū)．當(dāng)Δβ＝30°（圖6（d））時(shí)，雖然聲功率級(jí)峰值與Δβ＝20°時(shí)相同，但與圖6（c）相比，在φ＝0．20～0．25內(nèi)均形成高噪帶，且其范圍沿徑向進(jìn)一步變寬，φ＝0．27時(shí)的高噪?yún)^(qū)也擴(kuò)展至周向下游2個(gè)流道．當(dāng)Δβ＝40°和Δβ＝50°時(shí)，高噪帶的影響區(qū)域基本不變，但與圖6（d）相比，周向下游相鄰流道內(nèi)的高噪?yún)^(qū)進(jìn)一步擴(kuò)展至整個(gè)徑向流道，而且上游流道內(nèi)的葉高中上部也存在一個(gè)明顯的高噪?yún)^(qū)．由此猜測，因異常角度增大導(dǎo)致邊界層脫離區(qū)范圍擴(kuò)大，造成脫落的渦流與流道內(nèi)主流的相互作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)噪聲增大．

綜上所述，Δβ＝10°時(shí)對噪聲分布的影響僅局限在異常葉片周向附近的單個(gè)流道，Δβ＝20°和Δβ＝30°時(shí)的影響擴(kuò)展至周向多個(gè)流道，并形成狹長的高噪帶，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)噪聲提高，Δβ＝40°和Δβ＝50°時(shí)的高噪帶進(jìn)一步變寬，且其影響范圍逆旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)一個(gè)流道．在同一Δβ下，隨流量增加，高噪帶有減小趨勢．

圖6 正向偏離下中間截面的聲功率級(jí)分布Fig．6 Acoustic power level distribution on middle surface under cocurrent deviation

2．2 異常葉片反向偏離

2．2．1 變工況下Δβ對風(fēng)機(jī)性能的影響

表3給出了動(dòng)葉反向異常偏離時(shí)風(fēng)機(jī)全壓和效率的變化．由表3可知，反向偏離時(shí)全壓和效率均低于正常值，且隨Δβ增大，全壓和效率均呈現(xiàn)降低趨勢．與異常葉片正向偏離時(shí)類似，當(dāng)Δβ＝－10°時(shí)，全壓和效率約下降10%，而當(dāng)Δβ＝－20°和Δβ＝－30°時(shí)，全壓和效率則急劇下降，嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行．與正向偏離不同的是，Δβ＝－10°～－30°時(shí)，在整個(gè)流量范圍內(nèi)全壓和效率均低于正常情形下的值，且效率最高點(diǎn)ηmax大多處于設(shè)計(jì)流量下（Δβ＝－10°時(shí)對應(yīng)的ηmax位于φ＝0．25下）．當(dāng)Δβ＝－20°時(shí)，在整個(gè)流量范圍內(nèi)全壓降低24．6%～28．7%，效率降低18%～19%，且小流量區(qū)所受的影響大于大流量區(qū)所受影響．

表3 反向偏離下的風(fēng)機(jī)全壓和效率Tab．3 Total pressure and efficiency of fan under countercurrent deviation

與表1相比可知，異常葉片反向偏離時(shí)的影響總體小于正向偏離時(shí)，這是由于異常葉片正向偏離時(shí)，因沖角增大導(dǎo)致沖擊損失和二次流損失增大，尤其安裝角偏離度Δβ較大（如圖1）的情形，異常葉片會(huì)使流道中產(chǎn)生顯著的漩渦損失和沖擊損失，并堵塞兩側(cè)流道，使通過此流道的流體被排擠到相鄰流道，同時(shí)伴隨葉輪的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，進(jìn)一步加劇了異常葉片引起的流場畸變對周向下游流場的影響．而在反向偏離情形下，沖角變化引起的內(nèi)流損失相對較小，異常葉片并未嚴(yán)重堵塞流道，受排擠的流體量也較少，在一定程度上削弱了異常葉片對下游流場的影響，因此正向偏離情形下對風(fēng)機(jī)性能的惡化程度大于反向偏離情形．

為比較異常葉片在相同偏離程度、不同偏轉(zhuǎn)方向時(shí)的影響，表4給出了相同Δβ下同向和反向偏離時(shí)全壓和效率的差值．由表4可知，Δβ＝10°對應(yīng)的全壓和效率在φ＝0．223、φ＝0．25和φ＝0．27時(shí)均高于Δβ＝－10°時(shí)，且隨流量增加，其差值增大；當(dāng)偏離20°時(shí)，僅在φ≥0．25內(nèi)正向偏離時(shí)的全壓高于反向偏離，而效率僅在φ≥0．27時(shí)才呈現(xiàn)正向偏離時(shí)的值較高；當(dāng)偏離30°時(shí)，在幾乎整個(gè)流量范圍內(nèi)，正向偏離下的全壓和效率均低于反向偏離下，即隨偏離程度的增大，異常葉片反向偏離下的值總體大于正向偏離下的值．

表4 不同偏離方向下全壓和效率差值的比較Tab．4 Comparison of total pressure and efficiency under different deviations of installation angle

2．2．2 動(dòng)葉出口截面處的總壓分布

異常葉片反向偏離造成流場畸變，形成與正向偏離有所不同的內(nèi)流特征．圖7給出了反向偏離下出口截面處的總壓分布．由圖7（a）可以看出，Δβ＝－10°時(shí)，隨流量增加，動(dòng)葉出口截面處的總壓降低很快，這與全壓變化趨勢一致，異常葉片對周向下游流道總壓的影響十分明顯，且異常葉片兩側(cè)壓差有所減?。ㄅc圖5（b）相比），從而可減小該葉片的葉頂泄漏損失．另外，流道內(nèi)形成的高壓區(qū)零散地分布在異常葉片周向附近及下游的2個(gè)流道內(nèi)（φ＝0．20），隨流量增加，高壓區(qū)逐漸減小直至消失，并衍生出零散的小范圍低壓區(qū)（φ＝0．25）和覆蓋整個(gè)周向相鄰流道的低壓區(qū)（φ＝0．27）．當(dāng)Δβ＝－20°時(shí)，在φ＝0．20和φ＝0．223下葉根區(qū)形成狹長的低壓帶，延伸至異常葉片周向下游的多個(gè)流道；在φ＝0．25和φ＝0．27時(shí)，低壓帶進(jìn)一步畸變，造成異常葉片周向下游流場嚴(yán)重紊亂，且低壓帶由葉根部逐步擴(kuò)散到葉頂區(qū)．當(dāng)Δβ＝－30°時(shí)，低壓帶的影響區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，主要集中在葉根區(qū)，異常葉片周向下游相鄰流道內(nèi)的低壓區(qū)幾乎占據(jù)整個(gè)流道．

圖7 反向偏離下出口截面處的總壓分布Fig．7 Total pressure distribution on exit surface under countercurrent deviation

對比圖7中的總壓分布可知，隨Δβ增大，雖然高壓區(qū)峰值逐漸增大，但其作用范圍十分有限，與此同時(shí)，低壓區(qū)對應(yīng)的總壓值卻明顯減小，且低壓帶的影響范圍十分顯著，因此，隨Δβ增大，風(fēng)機(jī)全壓和效率大幅降低．

2．2．3 變工況下Δβ對風(fēng)機(jī)噪聲的影響

表5給出了異常葉片反向偏離時(shí)的風(fēng)機(jī)最大聲功率級(jí)LWmax．由表5可知，在φ＝0．20～0．25內(nèi)，隨Δβ增大，LWmax呈增大趨勢；在φ＝0．27時(shí)，Δβ＝－10°和Δβ＝－20°對應(yīng)的LWmax基本不變，LWmax最小值出現(xiàn)在 Δβ＝－30°，且低于正常情形下的LWmax．在Δβ＝－20°下，與 Δβ＝0°相比，φ 為0．2、0．223、0．25和0．27下LWmax分別增大了8．50dB、5．24dB、4．8dB和1．15dB．另外，與表2相比可知，在偏離度均為10°和20°時(shí)，正向偏離對風(fēng)機(jī)噪聲的影響大于反向偏離；在偏離度均為30°時(shí)，反向偏離對風(fēng)機(jī)噪聲的影響更顯著．

表5 反向偏離下的聲功率級(jí)Tab．5 Acoustic power level under countercurrent deviation dB

圖8給出了異常葉片反向偏離時(shí)不同工況下的聲功率級(jí)分布．與正向偏離時(shí)相比，反向偏移時(shí)的聲功率級(jí)分布存在明顯差異．由圖8（a）可知，當(dāng)Δβ＝－10°時(shí)，除φ＝0．25外，在異常葉片周向上下游流道內(nèi)形成占據(jù)流道近80%的低噪?yún)^(qū)；當(dāng)φ＝0．25時(shí)，流道內(nèi)的低噪?yún)^(qū)相對較小且靠近葉高中下部，周向上的聲功率級(jí)整體較高，因此與Δβ＝0°時(shí)相比，其噪聲顯著提高（見表5）；當(dāng)φ＝0．27時(shí)，流道內(nèi)的低噪?yún)^(qū)有進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢．由圖8（b）可知，當(dāng)Δβ＝－20°時(shí)，異常葉片使得周向下游多個(gè)流道內(nèi)的低噪?yún)^(qū)消失或顯著減小，在周向下游第二個(gè)流道出現(xiàn)一個(gè)明顯高噪?yún)^(qū)，周向下游處的整體噪聲級(jí)明顯提高；隨流量增加，此高噪?yún)^(qū)變小，且在異常葉片吸力面相鄰流道出現(xiàn)一個(gè)高、低噪?yún)^(qū)的交界區(qū)域，隨流量增加此交界區(qū)域延伸至軸轂．由圖8（c）可知，當(dāng)Δβ＝－30°、φ＝0．20時(shí)，在葉頂形成一個(gè)狹長高噪帶，且隨流量增加該高噪帶有減小的趨勢．與圖8（b）相比，由左側(cè)標(biāo)尺值可知，Δβ＝－30°時(shí)的聲功率級(jí)整體高于Δβ＝－20°時(shí)，因此風(fēng)機(jī)噪聲隨Δβ增大呈升高趨勢，這與表4中所給數(shù)據(jù)的變化趨勢一致．

圖8 反向偏離下中間截面的聲功率級(jí)分布Fig．8 Acoustic power level distribution on middle surface under countercurrent deviation

3 結(jié) 論

（1）異常葉片正向偏離時(shí)，隨Δβ增大，全壓和效率總體呈降低趨勢，且Δβ≥20°時(shí)全壓和效率迅速降低；當(dāng)Δβ≤20°時(shí)，小流量下全壓和效率的降低幅度相對顯著，而Δβ≥30°時(shí)，對大流量下的風(fēng)機(jī)性能影響明顯．異常葉片對內(nèi)流特征的影響主要集中在沿旋轉(zhuǎn)方向的周向下游流道，并引起流場不同程度畸變，隨Δβ增大，異常葉片誘發(fā)的周向相鄰流道內(nèi)的低壓區(qū)逐漸演變?yōu)榘ㄖ芟蚨鄠€(gè)流道的低壓帶；隨流量增加，其影響范圍沿旋轉(zhuǎn)方向從葉高中下部擴(kuò)展至葉高中上部，低壓帶總壓值進(jìn)一步減小．Δβ對風(fēng)機(jī)噪聲的影響主要體現(xiàn)在φ＝0．20～0．25內(nèi)；Δβ＝10°時(shí)對噪聲分布的影響僅局限在異常葉片附近的周向單個(gè)流道，Δβ＝20°和Δβ＝30°時(shí)的影響擴(kuò)展至周向多個(gè)流道，并形成狹長的高噪帶，加劇了風(fēng)機(jī)噪聲的提高，Δβ＝40°和Δβ＝50°時(shí)高噪帶進(jìn)一步變寬．

（2）異常葉片反向偏離時(shí)對全壓和效率的影響總體小于正向偏離時(shí)．隨Δβ增大，形成集中在葉根區(qū)的低壓帶，隨流量增加該低壓帶有所拓寬．總壓分布中，雖然高壓區(qū)峰值隨Δβ增大逐漸增大，但范圍有限，而低壓區(qū)總壓值卻顯著減小，且影響范圍較大．對最大聲功率級(jí)的影響，在偏離程度為10°和20°時(shí)，正向偏離對噪聲的影響大于反向偏離；在偏離程度為30°時(shí)，反向偏離的影響更顯著，且隨流量增加，高噪帶呈減小趨勢．與正向偏離時(shí)相比，反向偏離時(shí)的聲功率級(jí)分布有顯著不同．

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