離心風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速演化過程的氣動噪聲特性(1)

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離心風(fēng)機(jī)作為火力發(fā)電廠煙風(fēng)系統(tǒng)的動力源，其運行狀況直接關(guān)系到電廠的安全與經(jīng)濟(jì)運行。旋轉(zhuǎn)失速是發(fā)生在離心石家莊風(fēng)機(jī)小流量工況下的一種非定常流動失穩(wěn)現(xiàn)象。離心石家莊風(fēng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)下，葉輪內(nèi)存在一個或幾個失速團(tuán)，沿著與葉輪相反的旋轉(zhuǎn)方向(相對坐標(biāo)系)傳播，傳播速度一般為20%~70%葉輪旋轉(zhuǎn)速度。由于失速團(tuán)存在與葉輪之間的相對運動，當(dāng)石家莊風(fēng)機(jī)偏離設(shè)計工況進(jìn)入失速區(qū)后，會破壞葉輪內(nèi)部流場，增加氣動噪聲，產(chǎn)生額外氣動載荷，嚴(yán)重時可能誘發(fā)葉片高應(yīng)力點處的疲勞、斷裂問題。因此，對離心風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象的流體力學(xué)機(jī)制以及由非定常流場引發(fā)的氣動噪聲和應(yīng)力特性進(jìn)行研究具有重要的科學(xué)意義和理論價值。旋轉(zhuǎn)失速與葉片動力學(xué)行為相關(guān)，系統(tǒng)的失穩(wěn)是其流動崩潰的結(jié)果，而葉輪內(nèi)的流動本身才是發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速等失穩(wěn)現(xiàn)象的內(nèi)因和機(jī)制所在。目前關(guān)于葉輪機(jī)械旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象的研究主要集中于失速的發(fā)生機(jī)制以及對旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象的主動控制方面。
Sano對有葉擴(kuò)壓器內(nèi)部的不穩(wěn)定流動如旋轉(zhuǎn)失速、交替葉片失速和不對稱失速等進(jìn)行了詳細(xì)研究。Nicolas G 研究了失速狀態(tài)下，壓氣機(jī)葉輪流道內(nèi)的壓力和速度等參數(shù)的周期性波動規(guī)律。國內(nèi)學(xué)者聶超群、 吳艷輝 、李清鵬等在軸流壓氣機(jī)的旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象及主動控制方面都取得了令人矚目的研究成果。關(guān)于離心石家莊風(fēng)機(jī)失速現(xiàn)象的研究， 王松嶺在國內(nèi)首次通過實驗研究了電站用離心石家莊風(fēng)機(jī)的兩類旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了弱失速階段的失速能量間歇現(xiàn)象，頻率特征及在弱失速階段對調(diào)節(jié)作用的敏感性。 張磊利用數(shù)值方法研究了該石家莊風(fēng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)下的流體動力學(xué)特征及發(fā)生機(jī)制。石家莊風(fēng)機(jī)噪聲主要是由于空氣脈動和機(jī)械摩擦等引起的， 主要分為氣動噪聲、 機(jī)械噪聲和電磁噪聲。
近年來，隨著數(shù)值模擬技術(shù)的高速發(fā)展，一些學(xué)者利用數(shù)值方法對氣動噪聲預(yù)測進(jìn)行了研究。Diaz 提出一種噪聲預(yù)測方法，針對一個單級軸流石家莊風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)場噪聲進(jìn)行了預(yù)測，并證明了方法的可靠性。毛義軍通過非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬方法計算了離心石家莊風(fēng)機(jī)內(nèi)部的氣動噪聲源。 蔡建程利用數(shù)值方法研究了某離心石家莊風(fēng)機(jī)蝸殼在非定常氣動力作用下的蝸殼振動響應(yīng)及其噪聲。 李春曦研究了單動葉安裝角深度異常對軸流石家莊風(fēng)機(jī)性能及噪聲的影響。以上分析表明，關(guān)于旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象的研究主要集中于旋轉(zhuǎn)失速的理解、預(yù)報和傳播機(jī)制等方面，且石家莊風(fēng)機(jī)噪聲特性的研究集中于設(shè)計工況，目前國內(nèi)外還未見到離心石家莊風(fēng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)下的噪聲特性研究。本文基于并行計算平臺，在全場尺度下對G4−73 型離心石家莊風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，深入研究失速先兆發(fā)展為失速團(tuán)的三維非定常演化過程及失速團(tuán)沿周向傳播時的離心石家莊風(fēng)機(jī)氣動噪聲特性，進(jìn)一步豐富和完善旋轉(zhuǎn)失速的相關(guān)理論研究。
1 數(shù)值計算方法
1.1 幾何模型G4−73 型系列離心石家莊風(fēng)機(jī)被廣泛應(yīng)用于 200 和300 MW 級火力發(fā)電機(jī)組。以 G4−73No.8D 型離心通石家莊風(fēng)機(jī)為研究對象，其主要結(jié)構(gòu)包括集流器、旋轉(zhuǎn)葉輪、矩形截面蝸殼。蝸殼內(nèi)部自帶簡易防渦圈，結(jié)構(gòu)尺寸如圖1 所示。 葉輪結(jié)構(gòu)包括弧形漸縮前盤、后盤和周向均勻分布的后向翼型葉片，葉片數(shù)為12，出口安裝角 45°，葉輪外徑 800 mm，葉輪出口寬度 200 mm；蝸殼矩形出口尺寸為 520 mm×720 mm。
1.2 網(wǎng)格劃分策略離心石家莊風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，葉片型線為翼型且沿葉高厚度不均勻。此外，蝸殼中的流動為螺旋形向前推進(jìn)的流動，且葉輪中存在邊界層分離及二次流，因此，石家莊風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流動是極其復(fù)雜的。即使在葉輪和蝸殼中使用六面體的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格也不會和流線成一條直線，如果流線斜穿網(wǎng)格還會導(dǎo)致數(shù)值耗散。基于以上分析，本文采用分塊劃分網(wǎng)格的方法，在進(jìn)口管、集流器和出口管中使用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而在流場較為復(fù)雜的葉輪和蝸殼體內(nèi)使用適用性更好的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。由于葉片表面易發(fā)生邊界層分離，且蝸舌對石家莊風(fēng)機(jī)性能具有重要影響，因此在葉片表面和蝸殼壁面布置邊界層，確保壁面與第一層網(wǎng)格節(jié)點之間距離的數(shù)量級在 y + <1 的范圍。為了確保計算精度，在流場參數(shù)變化比較大的關(guān)鍵區(qū)域，如葉輪區(qū)域和蝸舌區(qū)域使用尺寸函數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格加密。文獻(xiàn)[19]進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)化計算并與實驗結(jié)果對比，計算模型各體內(nèi)的網(wǎng)格數(shù)量分別為：進(jìn)氣段15.7 萬，葉輪區(qū)域 164.78 萬，蝸殼及出口管區(qū)域120.4 萬，石家莊風(fēng)機(jī)網(wǎng)格總數(shù)為 300.88 萬個。
1.3 旋轉(zhuǎn)失速數(shù)值模擬方法控制方程包括連續(xù)性方程、非定常雷諾時均Navier-Stokes 方程，紊流模型選取 Realizable k- ε 模型，壁面附近采用增強(qiáng)的壁面函數(shù)。通過在石家莊風(fēng)機(jī)出口設(shè)置節(jié)流閥模型使石家莊風(fēng)機(jī)逐漸進(jìn)入數(shù)值失速狀態(tài)。關(guān)于節(jié)流閥模型、邊界條件設(shè)置等已進(jìn)行過詳細(xì)介紹。