离心风机旋转失速演化过程的气动噪声特性(3)

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2.2 设计工况下的噪声特性图 4 为设计流量下 Z =38.5 截面的声功率级分布云图与相对速度矢量图。由图可知，蜗舌区域附近声功率级较大，为高噪区。这是由于气流通过叶片时，在叶片表面上形成附面层，特别是吸力面的附面层容易加厚。在叶片尾缘处，吸力面与压力面的附面层汇合形成尾迹区。在尾迹区内，气流的压力和速度大大低于主流区内的数值，因此叶片出口区域内气流具有很大的不均匀性，当旋转叶片通过蜗舌时，蜗舌区域出现周期性的压力和速度脉动，这种脉动会产生较高的蜗舌噪声，该噪声与蜗舌附近叶片分离涡引起的旋涡噪声叠加成复杂的噪声场。因此，蜗舌是设计工况下产生气动噪声的主要原因之一。从图中还可看出，在设计流量下，叶轮出口沿周向均匀分布 12 个较高噪声区域，噪声级约为72~90 dB ，这是由于靠近叶片出口吸力侧存在较小区域的分离涡，形成脉动压力，产生旋涡噪声。另外，叶片进口处存在声功率级最大值，这是由于流动分离及气流撞击叶片引起的，但由于该区域面积较小，因此对风机噪声水平影响较小。叶轮内部轮毂附进区域速度分布均匀，速度梯度较小，因此声功率级较低。
2.3 失速先兆产生过程的噪声特性随着流量的减小，当阀门开度 k 1 =0.89 、第 140个旋转周期时 ( 代表 k 1 为 0.89 时还没有发生旋转失速的状态 ) 叶轮不同轴向截面声功率级分布云图如图 5 所示。其中 Z =31 、 Z =38.5 和 Z =46 分别表示靠近前盘、 1/2 叶高及靠近后盘的轴向截面。由图可知，图 5(a) 中叶轮出口的高噪带覆盖了整个叶轮出口截面，几乎形成了一个环状高噪区，叶片入口出现了 12 个均匀分布的高噪区；图 5(b) 中叶轮出口的高噪区面积在周向上约为叶轮出口面积的一半，但沿径向方向发展至 1/2 弦长处，而图 5(c) 中该区域消失，声功率级分布比较均匀，且叶轮出口的声功率级较低，约为 60 dB 。这是由于 Z =31 截面靠近前盘和叶轮进气边，气流从轴向突然转为径向流动，使得靠近前盘处的相对速度偏低，叶片进口冲角大，且在吸力侧发生边界层分离，产生分离涡，沿轴向从 Z =31 到 Z =46 截面冲角逐渐减小， 流场逐步改善。观察图 5(a) 、 (b) 和 (c) 可知，在不同的轴向截面，蜗壳中的声功率级分布不同，这是由于蜗壳中存在呈“ S ”状螺旋向前推进的大尺度旋涡，该噪声级分布反映了气流在蜗壳内扩压流动时由于二次流所产生的宽频噪声。由图 5(a) 和 5(b) 可知，蜗舌附近的 3 个叶轮流道出口的高噪区面积及声源强度均大于其他叶轮流道。这是由于靠近蜗舌的叶轮流道中分离涡面积较大，此时蜗舌对叶轮内部流动及噪声特性的影响开始逐步增大。比较图 4(a) 与图 5(b) 可知，叶轮出口沿周向分布的 12 个较高噪声区域面积明显增大，且声功率级略有提高，这是由于随着流量的减小，正冲角逐渐增大，叶片吸力侧的分离涡面积增大，引起旋涡噪声的提高。同时，由于叶轮出口射流尾流结构的增强、速度梯度的增大，叶轮流道旋转通过蜗舌附近气动噪声明显提高，由旋涡噪声和蜗舌噪声二者共同作用造成蜗壳区域的高噪带面积显著增大。图 6 为第 170 个旋转周期时 ( 代表阀门开度为0.89 时旋转失速先兆出现时的状态 ) 叶轮不同轴向截面的声功率级分布云图。 由图可知， 与图 5 相比，靠近蜗舌的叶轮流道出口处声源强度及高噪区面积继续增大，蜗舌附近声功率级大于 85 dB 的区域面积明显扩大，尤其在 Z =31 截面该区域占据了整个叶轮出口通道，而其他叶轮通道出口处的高噪区面积较图 5 减小，这是由于此时靠近蜗舌的叶轮通道流场恶化，率先发生堵塞现象，风机产生失速先兆，而其他流道的通流状况得到一定的改善。