串列叶片式前向离心风机气动与噪声特性的优化研究(1)

.www.sjzfengji.com摘要: 对采用串列叶片的某前向离心风机内部三维非定常流动进行了数值计算, 重点研究了串列叶片不同叶片相对长度和不同叶片相对周向位置两个参数对风机气动性能及气动噪声的影响。通过响应面方法对数值结果进行二次回归拟合, 得到两个参数与风机效率和 A 声级间的函数关系,并进行了优化分析。数值结果表明: 两个参数对串列叶片式前向离心风机效率和 A 声级均有较大影响, 合理的串列叶片设计能够在保持气动性能基本不变的情况下降低风机的气动噪声。将可靠的 CFD 数值技术与响应面方法结合起来用于指导离心风机的改进及试验设计是可行的, 本文的研究结果可为串列式离心风机在节能与降噪的总体设计方面提供参考。
关键词: 串列叶片; 气动性能; 气动噪声; 前向离心风机; 响应面方法

1  引  言
前向离心风机叶轮通道中的流动扩压度较大,容易产生气流分离, 特别是叶轮后部的吸力面附近分离现象严重, 导致叶轮出口周向气流的分布很不均匀。由于叶轮转速较高, 不均匀的叶轮出口气流会与周围非轴对称分布的静止部件产生强烈的非定常干涉, 这是产生离心风机气动噪声, 特别是离散噪声的主要原因之一, 并对风机的气动性能带来不利影响。国内外对离心风机气动性能和气动噪声的研究大都着眼于改变蜗舌的倾角、 蜗壳形状、 叶片形状及数量等方面。近年来国内外的一些研究表明, 合理的布置串列叶片能使离心叶轮出口流动参数沿周向分布比采用单列叶片更加均匀, 对降低叶轮与静止部件间的非定常冲击损失及气动噪声有利。
到目前为止, 串列叶片对离心风机整机的气动性能和气动噪声二者影响的研究还比较匮乏。另外, 气动性能和气动噪声还常常存在着相互制约的关系,一方的提升有时会带来另一方的下降, 能够同时改善离心风机气动性能和气动噪声的方法是当前研究所追求的主要目标。因此, 本文在综合考虑气动性能和气动噪声的前提下, 采用串列叶片结构对某单列叶片式前向离心风机进行了改进研究。本文采用数值方法对串列叶片的相对长度和相对周向位置两个参数对该前向离心风机气动性能和气动噪声的影响同时进行了研究。使用 FLUENT软件计算风机内部的非定常流动来获取流场和声源信息, 分别利用效率公式和 FW -H 方程求得风机的效率和离散噪声, 并采用响应面方法 ( ResponseSurface Methodology, RSM) 拟合得到两个参数与石家庄风机气动性能和气动噪声的函数关系式, 通过优化分析, 寻找两个参数的最佳组合点, 在保持风机原有良好气动性能的情况下, 使气动噪声降低, 为串列叶片式离心风机的优化设计提供参考。

2  前向离心风机的几何参数
被改进的原单列叶片式前向离心风机( 后文中简称原风机) 叶轮进口直径 D 1 = 156mm, 叶片出口直径 D 2 = 400mm, 无叶旋转扩压器出口直径 D 3 =460mm, 叶片数Z = 12, 叶片进口安装角 B 1A = 38b,出口安装角 B 2A = 126 b, 叶轮进口宽度 b 1 = 70mm,叶轮出口宽度 b 2 = 36mm, 蜗壳宽度 B = 64mm, 设计转速 n = 2900rpm。
图 1 给出改进后的串列叶片式离心风机结构示意图。 串列叶片结构及相关参数如图 2 所示。 图 2中, 若把后排短叶片去掉, 将前排长叶片加上图中虚线部分, 就得到原风机的叶型。 后排短叶片的叶型与改进前叶片后部的叶型完全相同。 符号 a 表示后排叶片的弦长, b 表示改进前原单列叶片的弦长, l s 表示前后排叶片重叠形成的缝道长度, H为后排叶片相对前排叶片沿叶轮旋转方向转动的角度。 定义叶片相对长度因子€ l = a/ b; 叶片相对周向位置因子 € H= H / $ H , $ H= 30 b为叶轮单个叶道所占的周向角度。文献[ 3 -4] 指出短叶片在靠近长叶片压力面一侧,对改善离心风机气动性能和气动噪声更有利。 本文在保持 l s / b = 1/ 20 不变, 分别选取相对长度因子€ l 为 2/ 20、 3/ 20、 4/ 20、 5/ 20, 相对周向位置因子 € H为1/ 15、 2/ 15、 3/ 15、 4/ 15, 并根据样本点的设计方案,计算在不同组合下的风机气动性能和气动噪声。

3  数值计算方法
3 11  三维非定常流场的数值计算方法
采用 FLUENT 软件计算风机内部的非定常流动来获取流场和声源信息。 风机计算区域主要分为三个部分: 进气段、 叶轮( 包括旋转扩压器) 和蜗壳。为了提高收敛速度, 忽略了进风口和旋转叶轮套接部分的内泄漏流动。 为适应风机内部结构的复杂性,采用多块网格生成方法生成高质量网格。 考虑到不同流动区域的不同重要性, 对叶轮内部、 蜗舌壁面附近的网格节点进行了加密控制和非等距处理。 为方便, 取叶轮旋转轴中心线为 Z 坐标轴, 进口气流沿 Z轴正向流向 Z 轴负向, 轮盘内壁面为坐标 Z = 0 平面。 各部位的具体网格节点数分别为: 进气部分约 6万个, 叶轮部分约 61 万个, 蜗壳部分约 23 万个。 整机网格节点总数约 90 万个。 风机的计算网格模型如图 3、 图 4 所示。
非定常计算的控制方程采用三维雷诺守恒型N-S 方程, 湍流模型采用 RealizableJ -E模型, 取标准壁面函数。 由于风机内部流动马赫数很低, 认为气体不可压缩且粘性系数为常数。 离散方程采用隐式分离方求解, 压力修正采用 SIMPLE 算法。 对流项采用二阶迎风格式离散, 扩散项采用二阶中心格式离散, 时间项离散采用二阶隐式格式。
由于叶片在叶轮内沿圆周均布且认为转速恒定, 所以叶轮流道和蜗壳之间的耦合呈周期性关系,在计算中时间步长确定为式中: K 为一个非定常计算周期的时间步数, K =30; n为叶轮转速, n=2900rpm; Z 为叶片排数, Z =12。 通过上式计算得到时间步长为计算给定进口速度边界条件, 依据流量计算管道进口速度, 且假设进口速度均匀分布; 给定蜗壳出口压力边界为标准大气压; 壁面采用无滑移条件; 计算中取进口体积流量 q v = 27 17m 3 # min - 1 。3 1 2  气动性能和气动噪声的计算方法效率是衡量风机气动性能的主要参数之一, 风机效率的计算可确定为其中: P 1 和 P 2 为风机进口和出口的总压; M 表示叶轮施加给流体的作用力 Z 转轴的力矩; X表示叶轮旋转的角速度。 计算中上述各参数均采用国际标准单位。 由于在不同时刻(叶片和蜗舌处在不同相对位置), 计算所得的效率不同, 为了便于比较, 下文中所给出的效率为 360 个非定常时间步(叶轮旋转一周) 的时均值。
声压级是衡量风机噪声大小的常用物理量之一, 本文运用三维非定常流场数值计算的结果, 采用FW -H 方程对风机的离散噪声进行计算 [ 5] , 其表达式为(利用自由空间格林函数求解 FW -H 方程, 其完备解是由面积分和体积分组成的。 面积分部分表示的是单极子和偶极子声源, 以及部分四极子声源的作用, 而体积分部分表示的是在声源面以外的四极子声源。 对于所研究的前向离心风机, 其内部流动属于低亚音速不可压缩流动, 当声源区包含在声源面内时, 单极子和四极子声源对声场的贡献可以忽略,因此有这里: c 0 为声速; x i 为观察点坐标; y i 为声源坐标; R为声源到观察点的距离; t 为接受时间; M R 为声源在声传播方向的运动马赫数; 方括号表示积分时方括号内的量是相应延迟时间 S时的值, S= t- R/ c 0 。 因篇幅所限, 式(3) 和式(4) 中其它各符号的意义详见文献[ 6, 8] 。
由于蜗舌部位的偶极子声源是产生该风机噪声的主要声源, 因此仅以蜗壳部分作为声源区域采用 FW -H 方程进行声压的计算。 对声压进行快速傅立叶变换, 并经过A 计权获得风机出口1m 处的A声级(L a )。