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前向離心風(fēng)機(jī)葉輪通道中的流動擴(kuò)壓度較大,容易產(chǎn)生氣流分離, 特別是葉輪后部的吸力面附近分離現(xiàn)象嚴(yán)重, 導(dǎo)致葉輪出口周向氣流的分布很不均勻。由于葉輪轉(zhuǎn)速較高, 不均勻的葉輪出口氣流會與周圍非軸對稱分布的靜止部件產(chǎn)生強(qiáng)烈的非定常干涉, 這是產(chǎn)生離心風(fēng)機(jī)氣動噪聲, 特別是離散噪聲的主要原因之一, 并對風(fēng)機(jī)的氣動性能帶來不利影響。國內(nèi)外對離心風(fēng)機(jī)氣動性能和氣動噪聲的研究大都著眼于改變蝸舌的傾角、蝸殼形狀、葉片形狀及數(shù)量等方面 。近年來國內(nèi)外的一些研究表明, 合理的布置串列葉片能使離心葉輪出口流動參數(shù)沿周向分布比采用單列葉片更加均勻, 對降低葉輪與靜止部件間的 非定常沖擊損 失及氣動 噪聲有利 。到目前為止, 串列葉片對離心風(fēng)機(jī)整機(jī)的氣動性能和氣動噪聲二者影響的研究還比較匱乏。另外, 氣動性能和氣動噪聲還常常存在著相互制約的關(guān)系,一方的提升有時會帶來另一方的下降 , 能夠同時改善離心風(fēng)機(jī)氣動性能和氣動噪聲的方法是當(dāng)前研究所追求的主要目標(biāo)。因此, 本文在綜合考慮氣動性能和氣動噪聲的前提下, 采用串列葉片結(jié)構(gòu)對某單列葉片式前向離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)研究。本文采用數(shù)值方法對串列葉片的相對長度和相對周向位置兩個參數(shù)對該前向離心風(fēng)機(jī)氣動性能和氣動噪聲的影響同時進(jìn)行了研究。使用 F L UENT軟件計算風(fēng)機(jī)內(nèi)部的非定常流動來獲取流場和聲源信息, 分別利用效率公式和 FW H 方程求得風(fēng)機(jī)的-效率和 離 散 噪聲, 并 采 用響 應(yīng) 面 方 法 ( ResponseSurface Met hodo logy, RSM ) 擬合得到兩個參數(shù)與風(fēng)機(jī)氣動性能和氣動噪聲的函數(shù)關(guān)系式, 通過優(yōu)化分析, 尋找兩個參數(shù)的*佳組合點, 在保持風(fēng)機(jī)原有良好氣動性能的情況下, 使氣動噪聲降低, 為串列葉片式離心風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

前向離心風(fēng)機(jī)的幾何參數(shù)

被改進(jìn)的原單列葉片式前向離心風(fēng)機(jī)( 后文中簡稱原風(fēng)機(jī)) 葉輪進(jìn)口直徑 D1 = 156m m, 葉片出口直徑 D2 = 400mm, 無葉旋轉(zhuǎn)擴(kuò)壓器出口直徑 D3 =460m m, 葉片數(shù) Z = 12, 葉片進(jìn)口安裝角 B = 38b,1A出口安裝角 B = 126 葉輪進(jìn)口寬度 b1 = 70m m,2Ab,葉輪出口寬度 b2 = 36mm , 蝸殼寬度 B = 64mm, 設(shè)計轉(zhuǎn)速 n = 2900rpm。圖 1 給出改進(jìn)后的串列葉片式離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。串列葉片結(jié) 構(gòu)及相關(guān)參數(shù)如圖 2 所示。 2圖中, 若把后排短葉片去掉, 將前排長葉片加上圖中虛線部分, 就得到原風(fēng)機(jī)的葉型。后排短葉片的葉型與改進(jìn)前葉片后部的葉型完全相同。符號 a 表示后排葉片的弦長, b 表示改進(jìn)前原單列葉片的弦長, ls 表示前后排葉片 重疊形成的縫道長度, H為后 排葉片相對前排葉片沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動的角度。定義葉片相對長度因子€ a/ b; 葉片相對周向位置因子 €l=H= H $, $/ H H= 30 為葉輪單個葉道所占的周向角度。b文獻(xiàn)[ 3 4] 指出短葉片在靠近長葉片壓力面一側(cè),-對改善離心風(fēng)機(jī)氣動性能和氣動噪聲更有利。本文在保持 ls / b = 1/ 20 不變, 分別選取相對長 度因子l為€ 2/ 20、 20、 20、 20, 相對周向位置因子 €3/4/5/H為1/ 15、 15、 15、 15, 并根據(jù)樣本點的設(shè)計方案,2/3/4/計算在不同組合下的風(fēng)機(jī)氣動性能和氣動噪聲。

數(shù)值計算方法

三維非定常流場的數(shù)值計算方法

采用 F L UENT 軟件計算風(fēng)機(jī)內(nèi)部的非定常流動來獲取流場和聲源信息。風(fēng)機(jī)計算區(qū)域主要分為三個部分: 進(jìn)氣段、葉輪( 包括旋轉(zhuǎn)擴(kuò)壓器) 和蝸殼。為了提高收斂速度, 忽略了進(jìn)風(fēng)口和旋轉(zhuǎn)葉輪套接部分的內(nèi)泄漏流動。為適應(yīng)風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,采用多塊網(wǎng)格生成方法生成高質(zhì)量網(wǎng)格。考慮到不同流動區(qū)域的不同重要性, 對葉輪內(nèi)部、蝸舌壁面附近的網(wǎng)格節(jié)點進(jìn)行了加密控制和非等距處理。為方便, 取葉輪旋轉(zhuǎn)軸中心線為 Z 坐標(biāo)軸, 進(jìn)口氣流沿 Z軸正向流向 Z 軸負(fù)向, 輪盤內(nèi)壁面為坐標(biāo) Z = 0 平面。各部位的具體網(wǎng)格節(jié)點數(shù)分別為: 進(jìn)氣部分約 6萬個, 葉輪部分約 61 萬個, 蝸殼部分約 23 萬個。整機(jī)網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)約 90 萬個。風(fēng)機(jī)的計算網(wǎng)格模型如圖 3、 4 所示。圖

- S 方程, 湍流模型采用 RealizableJ E模型, 取標(biāo)準(zhǔn)-壁面函數(shù)。由于風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動馬赫數(shù)很低, 認(rèn)為氣體不可壓縮且粘性系數(shù)為常數(shù)。離散方程采用隱式分離方法求解, 壓力修正采用 SIMP LE 算法。對流項采用二階迎風(fēng)格式離散, 擴(kuò)散項采用二階中心格式離散, 時間項離散采用二階隱式格式。由于葉片在葉輪 內(nèi)沿圓周均布且認(rèn)為轉(zhuǎn)速恒定, 所以葉輪流道和蝸殼之間的耦合呈周期性關(guān)系,在計算中時間步長確定為$t =60/nK Z( 1)式中: K 為一個非定常計算周 期的時間步數(shù), K =30; n 為葉輪轉(zhuǎn)速, n = 2900rpm; Z 為葉片排數(shù), Z =12。通過上式計算得到時間步長為$t = 5 747 @ 10 s1計算給定進(jìn)口速度邊界條件, 依據(jù)流量計算管-5道進(jìn)口速度, 且假設(shè)進(jìn)口速度均勻分布; 給定蝸殼出口壓力邊界為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓; 壁面采用無滑移條件; 計算中取進(jìn)口體積流量 qv = 27 7m 3 # min- 1 。1321氣動性能和氣動噪聲的計算方法效率是衡量風(fēng)機(jī)氣動性能的主要參數(shù)之一, 風(fēng)機(jī)效率的計算可確定為

             ( P2 - P1) qv( 2)G=MX其中: P1 和 P 2 為風(fēng)機(jī)進(jìn)口和出口的總壓; M 表示葉輪施加給流體的作用力對 Z 轉(zhuǎn)軸的力矩; X 表示葉輪旋轉(zhuǎn)的角速度。計算中上述各參數(shù)均采用國際標(biāo)準(zhǔn)單位。由于在不同時刻( 葉片和蝸舌處在不同相對位置) , 計算所得的效率不同, 為了便于比較, 下文中所給出的效率為 360 個非定常時間步( 葉輪旋轉(zhuǎn)一周) 的時均值。聲壓級是衡量風(fēng)機(jī)噪聲大小的常用物 理量之一, 本文運用三維非定常流場數(shù)值計算的結(jié)果, 采用FW H 方程對風(fēng)機(jī)的離散噪聲進(jìn)行計算 [ 5] , 其表達(dá)-式為1 52255( 2 2 - ý )p =[ QD f ) ] -([ F iD f ) ] +(c0 5t5t5x i5 2 [ T ij H ( f ) ]5x i 5x j利用自由空間格林函數(shù)求解 FW H 方程, 其完-備解是由面積分和體積分組成的。面積分部分表示的是單極子和偶極子聲源, 以及部分四極子聲源的作用, 而體積分部分表示的是在聲源面以外的四極子聲源。對于所研究的前向離心風(fēng)機(jī), 其內(nèi)部流動屬于低亞音速不可壓縮流動, 當(dāng)聲源區(qū)包含在聲源面內(nèi)時, 單極子和四極子聲源對聲場的貢獻(xiàn)可以忽略。

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常州市文順風(fēng)機(jī)有限公司

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