加裝防渦圈的離心風機蝸殼內空氣動力學特征和降噪研究(1)

摘要 ：以G4-73No.8D型離心式風機為研究對象，采用CFD(computational fluid dynamics)技術對風機蝸殼內的空氣動力學特征進行了三維數值模擬， 分析了旋渦的產生和演化過程以及旋渦噪聲產生的機理， 并在此基礎上加裝圓筒形和圓錐筒形2種防渦圈。加裝防渦圈后的模擬結果顯示，風機蝸殼內空氣動力學特性得到明顯改善，大尺度旋渦得以有效破碎。加裝防渦圈后的噪聲和頻譜實驗表明，風機的A聲級和頻譜噪聲均有所下降，2種防渦圈對降低風機旋渦噪聲是有效的；而且，在大尺度旋渦破碎和噪聲降低方面，圓錐筒形均優于圓筒形防渦圈。
關鍵詞 ：熱能動力工程；離心風機；防渦圈；空氣動力學特征；數值模擬；旋渦噪聲
0 引言
    風機噪聲就其性質和來源可分為氣動噪聲、耦合噪聲(即氣體和固體彈性系統相互作用產生的噪聲)、機械結構噪聲和電機噪聲 4 部分。其中氣動噪聲一般占主要部分，且最難以治理 [1-6] 。目前，國內外大部分學者對離心風機噪聲的研究工作著眼于蝸舌處(由于蝸舌的存在對葉輪出口氣流的干擾而形成旋轉噪聲)， 而對離心風機蝸殼內部的旋渦噪聲研究則為數不多。降低風機噪聲的途徑一般有 2 種：
①利用氣動聲學原理來設計低噪聲風機；②采用消聲、隔聲或吸聲等措施。前者難度比較大，國內外都已開展了不少工作，但是尚不成熟。后者則存在著某些缺陷，如低頻噪聲無法消除 [1-2] 。
氣動聲源主要為寬帶噪聲和離散噪聲。離散噪聲也稱旋轉噪聲，是旋轉的葉片周期性地打擊空氣質點或臨近部位(如蝸舌)引起空氣的壓力脈動所產生的離散頻率噪聲。寬帶噪聲也稱旋渦噪聲，是葉輪在旋轉過程中，葉輪葉片與氣體相互作用、耦合所輻射的寬頻帶噪聲，包括來流紊流噪聲、紊流邊界層噪聲、尾緣渦流脫落噪聲和葉尖渦流噪聲。目前，雖然在離心風機的噪聲產生機理、結構和氣流參數對噪聲的影響、降噪措施以及噪聲理論評估方法等方面進行了大量的研究，但是其氣動聲學研究落后于軸流風機 [1-3] 。
    離心風機旋渦噪聲產生于葉輪中和蝸殼內，但由于離心風機內部是一個高度復雜的三維流場，因此，對其噪聲直接進行理論研究相對較難，對噪聲直接進行氣動聲學計算也尚未成熟 [4] 。而蝸殼內的空氣動力學特性則與旋渦噪聲有著密切聯系，因此本文利用 CFD 技術對風機內部流場的氣體動力學特性進行三維數值模擬，研究風機蝸殼內部旋渦的產生及其演化過程，據此分析旋渦噪聲的產生原因并開展降低噪聲的實驗研究。
1 空氣動力學特性模擬
1.1 物理模型和控制方程組
    G4-73 型系列離心風機是廣泛用于 200 MW 和300 MW 火力發電機組的鍋爐送、引風機，因此對其進行研究具有廣泛的現實意義和工程應用價值。本文以 G4-73No.8D 型離心式風機為研究對象，其內部自帶簡易防渦圈，其結構及尺寸如圖 1 所示。對風機按實際尺寸劃分網格如圖 2 所示，網格總數約 80 萬個。

1.2 空氣動力學特征
    為有效消除或減小旋渦噪聲， 采用 Fluent 對原有帶簡易防渦圈的風機模型進行了數值模擬，計算過程采用 3-D SIMPLE 方法，一階迎風差分格式，收斂以所有變量的殘差絕對值小于 10 -3 作為判據，計算結果以流場軸向剖面圖表示。
    圖 3 給出了帶簡易防渦圈的風機內的空氣動力學特征。 結果表明， 由于離心風機的蝸殼寬度較大，氣流進入蝸殼后擴壓度變大，氣體從葉輪出口到機殼通道經歷了減速擴壓過程。在葉片通道出口處，由于氣流流過葉片時在葉片表面形成邊界層，特別是吸力面邊界層更容易加厚， 因此在葉片的尾緣處，壓力面和吸力面的邊界層匯合形成尾跡區。在尾跡區內，氣流速度遠低于主氣流區內的數值；在葉片通道出口處，沿周向氣流壓力和速度具有很大的不均勻性。因此可清楚地看到葉輪出口存在著尾流–射流痕跡， 在葉輪出口附近形成紊流邊界層及脫體，引起氣流壓力的脈動產生。
而且，圖 3 表明從葉輪出口到風機出口的不同空間位置，存在不同尺度和不同旋轉強度的旋渦，從而導致風機效率下降和噪聲增加。旋渦的產生對能量消耗、效率降低和噪聲產生有著重要影響。由噪聲理論可知，受邊界層增加的影響，蝸殼中產生的噪聲主要為低頻段的旋渦噪聲 [6] 。在葉輪中邊界層速度要比主流區的小，因而葉輪中主流區域中的脈動占主要地位。主流區的高速流動所產生的脈動通常對應于較高頻率的噪聲級，所以葉輪中主要產生中頻段旋渦噪聲 [8] 。
    顯然，如果能減小旋渦的尺度并降低其旋轉強度，勢必會改善內部流場，從而降低旋渦噪聲和提高風機效率。受風機制造工藝和安全性能的要求，不可能完全消除旋渦。但是，如果能消除或減小部分大尺度的旋渦， 可有效提高風機效率并降低噪聲。文獻[2,9-10]介紹了在風機蝸殼中添加不同類型的石家莊風機防渦圈可以提高風機的效率并降低噪聲。為深入分析和驗證防渦圈的節能降噪效果，對參考文獻中的設計，在上述 G4-73No.8D 型離心式風機模型基礎上分別添加 2 種防渦圈。一種為圓筒形，其母線與機殼垂直；另一種為圓錐筒形。由圖 1 可看出在機殼、簡易防渦圈外與前盤之間空間很小，且蝸殼上、下不對稱，為不影響風機旋轉，選用圓筒形防渦圈母線長為 280 mm， 即防渦圈與葉輪前盤之間有 5 mm的間隙； 圓錐筒型防渦圈母線長為 291 mm，與機殼成 74°角，防渦圈與葉輪前盤之間的間隙仍然是 5 mm。加裝防渦圈后的風機結構如圖 4 所示。將加裝了上述 2 種防渦圈的風機模型分別重新進行模擬計算，得到加裝防渦圈后的風機內部動力學特征，如圖 5 所示。
    圖 5 表明，與風機原自帶簡易防渦圈的內部流場相比，在加裝圓筒形和圓錐筒形防渦圈后，其內部流場的均勻性得到顯著改善，大尺度旋渦被有效破碎，氣體流動比較均勻。并且在葉輪出口處的射流所引起的旋渦尺度也有所減小，尤其在風機的下部表現得更為突出。另外，通過比較這 2 種防渦圈，可看出，對加裝圓筒形防渦圈的風機，在進氣口、機殼和葉輪前盤三者之間的空間區域仍存在較弱的流場不均勻現象，旋轉強度較大，而對加裝圓錐筒形防渦圈的風機，在上述區域幾乎不存在這種現象，旋轉強度較小。這說明在破碎大尺度旋渦和降低旋轉強度方面，圓錐筒形優于圓筒形防渦圈，對于改善風機內部動力學特征具有更好的效果。