離心風機旋轉失速演化過程的氣動噪聲特性(3)

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2.2 設計工況下的噪聲特性圖 4 為設計流量下 Z =38.5 截面的聲功率級分布云圖與相對速度矢量圖。由圖可知，蝸舌區域附近聲功率級較大，為高噪區。這是由于氣流通過葉片時，在葉片表面上形成附面層，特別是吸力面的附面層容易加厚。在葉片尾緣處，吸力面與壓力面的附面層匯合形成尾跡區。在尾跡區內，氣流的壓力和速度大大低于主流區內的數值，因此葉片出口區域內氣流具有很大的不均勻性，當旋轉葉片通過蝸舌時，蝸舌區域出現周期性的壓力和速度脈動，這種脈動會產生較高的蝸舌噪聲，該噪聲與蝸舌附近葉片分離渦引起的旋渦噪聲疊加成復雜的噪聲場。因此，蝸舌是設計工況下產生氣動噪聲的主要原因之一。從圖中還可看出，在設計流量下，葉輪出口沿周向均勻分布 12 個較高噪聲區域，噪聲級約為72~90 dB ，這是由于靠近葉片出口吸力側存在較小區域的分離渦，形成脈動壓力，產生旋渦噪聲。另外，葉片進口處存在聲功率級最大值，這是由于流動分離及氣流撞擊葉片引起的，但由于該區域面積較小，因此對風機噪聲水平影響較小。葉輪內部輪轂附進區域速度分布均勻，速度梯度較小，因此聲功率級較低。
2.3 失速先兆產生過程的噪聲特性隨著流量的減小，當閥門開度 k 1 =0.89 、第 140個旋轉周期時 ( 代表 k 1 為 0.89 時還沒有發生旋轉失速的狀態 ) 葉輪不同軸向截面聲功率級分布云圖如圖 5 所示。其中 Z =31 、 Z =38.5 和 Z =46 分別表示靠近前盤、 1/2 葉高及靠近后盤的軸向截面。由圖可知，圖 5(a) 中葉輪出口的高噪帶覆蓋了整個葉輪出口截面，幾乎形成了一個環狀高噪區，葉片入口出現了 12 個均勻分布的高噪區；圖 5(b) 中葉輪出口的高噪區面積在周向上約為葉輪出口面積的一半，但沿徑向方向發展至 1/2 弦長處，而圖 5(c) 中該區域消失，聲功率級分布比較均勻，且葉輪出口的聲功率級較低，約為 60 dB 。這是由于 Z =31 截面靠近前盤和葉輪進氣邊，氣流從軸向突然轉為徑向流動，使得靠近前盤處的相對速度偏低，葉片進口沖角大，且在吸力側發生邊界層分離，產生分離渦，沿軸向從 Z =31 到 Z =46 截面沖角逐漸減小， 流場逐步改善。觀察圖 5(a) 、 (b) 和 (c) 可知，在不同的軸向截面，蝸殼中的聲功率級分布不同，這是由于蝸殼中存在呈“ S ”狀螺旋向前推進的大尺度旋渦，該噪聲級分布反映了氣流在蝸殼內擴壓流動時由于二次流所產生的寬頻噪聲。由圖 5(a) 和 5(b) 可知，蝸舌附近的 3 個葉輪流道出口的高噪區面積及聲源強度均大于其他葉輪流道。這是由于靠近蝸舌的葉輪流道中分離渦面積較大，此時蝸舌對葉輪內部流動及噪聲特性的影響開始逐步增大。比較圖 4(a) 與圖 5(b) 可知，葉輪出口沿周向分布的 12 個較高噪聲區域面積明顯增大，且聲功率級略有提高，這是由于隨著流量的減小，正沖角逐漸增大，葉片吸力側的分離渦面積增大，引起旋渦噪聲的提高。同時，由于葉輪出口射流尾流結構的增強、速度梯度的增大，葉輪流道旋轉通過蝸舌附近氣動噪聲明顯提高，由旋渦噪聲和蝸舌噪聲二者共同作用造成蝸殼區域的高噪帶面積顯著增大。圖 6 為第 170 個旋轉周期時 ( 代表閥門開度為0.89 時旋轉失速先兆出現時的狀態 ) 葉輪不同軸向截面的聲功率級分布云圖。 由圖可知， 與圖 5 相比，靠近蝸舌的葉輪流道出口處聲源強度及高噪區面積繼續增大，蝸舌附近聲功率級大于 85 dB 的區域面積明顯擴大，尤其在 Z =31 截面該區域占據了整個葉輪出口通道，而其他葉輪通道出口處的高噪區面積較圖 5 減小，這是由于此時靠近蝸舌的葉輪通道流場惡化，率先發生堵塞現象，風機產生失速先兆，而其他流道的通流狀況得到一定的改善。