单动叶安装角异常时轴流风机的噪声特性(4)

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2.2.3 频域特征声 压 时 域 分 布 经 快 速 傅 里 叶 (fast Fouriertransform ， FFT) 变换后即可得到监测点噪声频谱图， 可用于分析不同测点在各频段的噪声分布特性。以测点 1 为例，图 8(a) 为在设计流量下，石家庄市风机厂动叶区正常工况的噪声频谱图。该轴流石家庄市风机厂的基频 [24]f = 1 200 × 14/60 = 280 Hz ， 与噪声频谱图中基频位置一致，谐波频率位置也与频谱图中位置相符。而当频率大于 3 000 Hz 后，声压级变化并不明显，充分说明该石家庄市风机厂的气动噪声同时具备离散与宽频特性。各区域的噪声频谱图各具不同特征，但各接收点的声压级均随频率增加而下降，从噪声强度来看，基频最强，而高阶谐波逐渐减弱。噪声频谱特性一般分为 3 个频段： 小于 500 Hz 为低频噪声， 500~1 000 Hz 为中频噪声，大于 1 000 Hz 为高频噪声。动叶区基频和前 5 阶谐波比较明显，其他区域只有前 3 阶谐波处峰值特点突出，各测点的声压级最大值都分布在小于 500 Hz 的频率段， 由此可知该轴流通石家庄市风机厂的气动噪声主要为低频噪声，该频段噪声以具有离散峰值特征的旋转噪声为主，而这些低频峰值是由叶轮周期性脱落的旋涡所致 [25] 。气体流经叶片时将在其表面形成附面层，特别是吸力面上的附面层容易增厚，因附面层分离将产生许多旋涡；在尾迹区，气流压力与速度均大大低于主气流区内的数值，由此造成的横向气流运动促使尾涡形成；另外，叶片压力面与吸力面的横向压力梯度使气流从压力面流向吸力面，进而产生涡流。
因而，当工作轮旋转时，叶片出口区内气流不均匀性显著，这种不均匀性气流周期地作用于周围介质，产生各类旋涡引起压力脉动而形成噪声 [26] 。当轴流石家庄市风机厂单动叶安装角异常时，更加剧了石家庄市风机厂内部气流的不均匀性分布。以 ϕ = 0.25 为例，动叶轮出口流面的总压分布如图 9 所示。安装角正常 ( Δ β = 0 ° ) 时，叶轮出口总压沿周向呈对称分布，动叶安装角偏离后，异常叶片下游流域出现低压区，而其附近的叶顶区压力较高，随 Δ β 增加，低压区范围扩大，由叶高中上部向叶根部位发展。图 10 为动叶区 10% 叶高截面总压分布，从图中可以看出，正常工况下压力由叶片前缘向尾缘递增，随 Δ β 增加，动叶压力面较吸力面压差增大，叶片前缘低压区范围逐步扩张，且在叶片尾缘附近出现一个明显的低压旋涡。综上所述， 由于动叶安装角异常， 导致动叶区压力在径向、轴向的分布发生明显变化，随 Δ β 增大，石家庄市风机内部流场更加紊乱，气流不均匀性更加突出，从而加剧动叶区尾涡脱落、叶顶泄漏涡及紊流附面层的涡流脱落，以致呈现出更明显的宽频噪声特性。而基频和前 5 阶谐波处的峰值基本不变，表明单动叶偏移对动叶区旋转叶片与周围障碍物的相互作用没有较大影响。另外，其他各区域噪声频谱整体呈上升趋势，随 Δ β 增大，低频段离散的峰值特征渐弱，而位于中高频率段的宽频噪声显著提高，同时各区域高频段衍生出多个离散峰值，这说明单动叶安装角异常使石家庄市风机厂基频及其附近的声能分布到较宽的频带范围内，低频段噪声声谱由离散峰值的旋转噪声向宽频带的涡流噪声发展。A 声级适用于不随时间起伏变化的连续稳态噪声评价，能较准确反映人耳强度和频率的听力感受。
结合具有Ａ声级值的正常工况和单动片安装角异常下的 1/3 倍频程频谱图 ( 图 11) ，可直观反映石家庄市风机厂噪声频谱的变化。该轴流石家庄市风机的气动噪声主要为离散噪声掺杂着宽频噪声，其中具有高声能的基频和高阶谐波处的离散噪声占主要成分，除动叶区外其他各区域在小于 500 Hz 的低频段的离散峰值随Δ β 增大而逐渐消失，而位于中高频率段的 A 声级显著提高，并出现新的峰值特征。从各区域总声压级的变化 ( 图 12) 可看出，在各偏离度下，因各测点位置不同，靠近声源的总声压级较大，但随 Δ β 增加，动叶区总声压级变化并不明显，而其他区域总声压级均呈递增趋势，其中导叶区变化最为显著。结合噪声频谱图可知：随 Δ β增大，动叶区基频及高阶谐波处离散峰值几乎不变，宽频噪声特性更加明显，但增幅不大，并未引起总声压级明显变化；其他区域基频及其附近的主要噪声峰值向高频段分散，分散后峰值频率的幅值有一定程度的提高，同时中高频段的宽频噪声增强，致使总声压级均呈上升趋势。
3 结论
1 ）单动叶偏移导致异常叶片的周向相邻流道形成高噪声区，且从单流道向多流道，从叶高中上部向下部发展。最大声功率级随 Δ β 增大而升高，在 Δ β = 0 ° ~20 ° 时增强非常明显，而当 Δ β 增大到40 ° 以后，L wmax 维持在稳定的较高水平上。
2 ）吸力面叶片前缘及叶顶附近为主要噪声源，随 Δ β 增大，高强度噪声源区范围愈加明显，由旋转方向上游区域逐步波及下游相邻流道。流量对P rmsmax 的影响并不显著，而 Δ β 对 P rmsmax 的影响主要表现在 Δ β = 20 ° ~40 ° 间，在此区间 P rmsmax 随 Δ β增大而显著提高。3 ）叶片安装角偏离后，导叶区、扩压区和集流区的声压脉动形态和区间发生改变， 随 Δ β 增大，声压脉动范围向其相反区间移动。石家庄市风机厂各测点的声压幅值特征与距声源面的位置有关，靠近噪声源的区域受气流压力脉动影响较大，其声压幅值高，当叶片发生偏移时，对临近区域影响强度也大。
4 ）随 Δ β 增大，动叶区呈现明显的宽频噪声特性；其他区域对应基频和谐波处的峰值向高频段分散，而中高频段的宽频噪声均有所增加；各区域总声压级也呈上升趋势，相比之下，在动叶区单叶片异常对总声压级的改变要小得多。