摘要 ：以G4-73No.8D型離心式風(fēng)機(jī)為研究對象，采用CFD(computational fluid dynamics)技術(shù)對風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)的空氣動力學(xué)特征進(jìn)行了三維數(shù)值模擬， 分析了旋渦的產(chǎn)生和演化過程以及旋渦噪聲產(chǎn)生的機(jī)理， 并在此基礎(chǔ)上加裝圓筒形和圓錐筒形2種防渦圈。加裝防渦圈后的模擬結(jié)果顯示，風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)空氣動力學(xué)特性得到明顯改善，大尺度旋渦得以有效破碎。加裝防渦圈后的噪聲和頻譜實(shí)驗(yàn)表明，風(fēng)機(jī)的A聲級和頻譜噪聲均有所下降，2種防渦圈對降低風(fēng)機(jī)旋渦噪聲是有效的；而且，在大尺度旋渦破碎和噪聲降低方面，圓錐筒形均優(yōu)于圓筒形防渦圈。
關(guān)鍵詞 ：熱能動力工程；離心風(fēng)機(jī)；防渦圈；空氣動力學(xué)特征；數(shù)值模擬；旋渦噪聲
0 引言
    風(fēng)機(jī)噪聲就其性質(zhì)和來源可分為氣動噪聲、耦合噪聲(即氣體和固體彈性系統(tǒng)相互作用產(chǎn)生的噪聲)、機(jī)械結(jié)構(gòu)噪聲和電機(jī)噪聲 4 部分。其中氣動噪聲一般占主要部分，且最難以治理 [1-6] 。目前，國內(nèi)外大部分學(xué)者對離心風(fēng)機(jī)噪聲的研究工作著眼于蝸舌處(由于蝸舌的存在對葉輪出口氣流的干擾而形成旋轉(zhuǎn)噪聲)， 而對離心風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)部的旋渦噪聲研究則為數(shù)不多。降低風(fēng)機(jī)噪聲的途徑一般有 2 種：
①利用氣動聲學(xué)原理來設(shè)計低噪聲風(fēng)機(jī)；②采用消聲、隔聲或吸聲等措施。前者難度比較大，國內(nèi)外都已開展了不少工作，但是尚不成熟。后者則存在著某些缺陷，如低頻噪聲無法消除 [1-2] 。
氣動聲源主要為寬帶噪聲和離散噪聲。離散噪聲也稱旋轉(zhuǎn)噪聲，是旋轉(zhuǎn)的葉片周期性地打擊空氣質(zhì)點(diǎn)或臨近部位(如蝸舌)引起空氣的壓力脈動所產(chǎn)生的離散頻率噪聲。寬帶噪聲也稱旋渦噪聲，是葉輪在旋轉(zhuǎn)過程中，葉輪葉片與氣體相互作用、耦合所輻射的寬頻帶噪聲，包括來流紊流噪聲、紊流邊界層噪聲、尾緣渦流脫落噪聲和葉尖渦流噪聲。目前，雖然在離心風(fēng)機(jī)的噪聲產(chǎn)生機(jī)理、結(jié)構(gòu)和氣流參數(shù)對噪聲的影響、降噪措施以及噪聲理論評估方法等方面進(jìn)行了大量的研究，但是其氣動聲學(xué)研究落后于軸流風(fēng)機(jī) [1-3] 。
    離心風(fēng)機(jī)旋渦噪聲產(chǎn)生于葉輪中和蝸殼內(nèi)，但由于離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部是一個高度復(fù)雜的三維流場，因此，對其噪聲直接進(jìn)行理論研究相對較難，對噪聲直接進(jìn)行氣動聲學(xué)計算也尚未成熟 [4] 。而蝸殼內(nèi)的空氣動力學(xué)特性則與旋渦噪聲有著密切聯(lián)系，因此本文利用 CFD 技術(shù)對風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場的氣體動力學(xué)特性進(jìn)行三維數(shù)值模擬，研究風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)部旋渦的產(chǎn)生及其演化過程，據(jù)此分析旋渦噪聲的產(chǎn)生原因并開展降低噪聲的實(shí)驗(yàn)研究。
1 空氣動力學(xué)特性模擬
1.1 物理模型和控制方程組
    G4-73 型系列離心風(fēng)機(jī)是廣泛用于 200 MW 和300 MW 火力發(fā)電機(jī)組的鍋爐送、引風(fēng)機(jī)，因此對其進(jìn)行研究具有廣泛的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用價值。本文以 G4-73No.8D 型離心式風(fēng)機(jī)為研究對象，其內(nèi)部自帶簡易防渦圈，其結(jié)構(gòu)及尺寸如圖 1 所示。對風(fēng)機(jī)按實(shí)際尺寸劃分網(wǎng)格如圖 2 所示，網(wǎng)格總數(shù)約 80 萬個。

1.2 空氣動力學(xué)特征
    為有效消除或減小旋渦噪聲， 采用 Fluent 對原有帶簡易防渦圈的風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，計算過程采用 3-D SIMPLE 方法，一階迎風(fēng)差分格式，收斂以所有變量的殘差絕對值小于 10 -3 作為判據(jù)，計算結(jié)果以流場軸向剖面圖表示。
    圖 3 給出了帶簡易防渦圈的風(fēng)機(jī)內(nèi)的空氣動力學(xué)特征。 結(jié)果表明， 由于離心風(fēng)機(jī)的蝸殼寬度較大，氣流進(jìn)入蝸殼后擴(kuò)壓度變大，氣體從葉輪出口到機(jī)殼通道經(jīng)歷了減速擴(kuò)壓過程。在葉片通道出口處，由于氣流流過葉片時在葉片表面形成邊界層，特別是吸力面邊界層更容易加厚， 因此在葉片的尾緣處，壓力面和吸力面的邊界層匯合形成尾跡區(qū)。在尾跡區(qū)內(nèi)，氣流速度遠(yuǎn)低于主氣流區(qū)內(nèi)的數(shù)值；在葉片通道出口處，沿周向氣流壓力和速度具有很大的不均勻性。因此可清楚地看到葉輪出口存在著尾流–射流痕跡， 在葉輪出口附近形成紊流邊界層及脫體，引起氣流壓力的脈動產(chǎn)生。
而且，圖 3 表明從葉輪出口到風(fēng)機(jī)出口的不同空間位置，存在不同尺度和不同旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的旋渦，從而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)效率下降和噪聲增加。旋渦的產(chǎn)生對能量消耗、效率降低和噪聲產(chǎn)生有著重要影響。由噪聲理論可知，受邊界層增加的影響，蝸殼中產(chǎn)生的噪聲主要為低頻段的旋渦噪聲 [6] 。在葉輪中邊界層速度要比主流區(qū)的小，因而葉輪中主流區(qū)域中的脈動占主要地位。主流區(qū)的高速流動所產(chǎn)生的脈動通常對應(yīng)于較高頻率的噪聲級，所以葉輪中主要產(chǎn)生中頻段旋渦噪聲 [8] 。
    顯然，如果能減小旋渦的尺度并降低其旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度，勢必會改善內(nèi)部流場，從而降低旋渦噪聲和提高風(fēng)機(jī)效率。受風(fēng)機(jī)制造工藝和安全性能的要求，不可能完全消除旋渦。但是，如果能消除或減小部分大尺度的旋渦， 可有效提高風(fēng)機(jī)效率并降低噪聲。文獻(xiàn)[2,9-10]介紹了在風(fēng)機(jī)蝸殼中添加不同類型的石家莊風(fēng)機(jī)防渦圈可以提高風(fēng)機(jī)的效率并降低噪聲。為深入分析和驗(yàn)證防渦圈的節(jié)能降噪效果，對參考文獻(xiàn)中的設(shè)計，在上述 G4-73No.8D 型離心式風(fēng)機(jī)模型基礎(chǔ)上分別添加 2 種防渦圈。一種為圓筒形，其母線與機(jī)殼垂直；另一種為圓錐筒形。由圖 1 可看出在機(jī)殼、簡易防渦圈外與前盤之間空間很小，且蝸殼上、下不對稱，為不影響風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，選用圓筒形防渦圈母線長為 280 mm， 即防渦圈與葉輪前盤之間有 5 mm的間隙； 圓錐筒型防渦圈母線長為 291 mm，與機(jī)殼成 74°角，防渦圈與葉輪前盤之間的間隙仍然是 5 mm。加裝防渦圈后的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。將加裝了上述 2 種防渦圈的風(fēng)機(jī)模型分別重新進(jìn)行模擬計算，得到加裝防渦圈后的風(fēng)機(jī)內(nèi)部動力學(xué)特征，如圖 5 所示。
    圖 5 表明，與風(fēng)機(jī)原自帶簡易防渦圈的內(nèi)部流場相比，在加裝圓筒形和圓錐筒形防渦圈后，其內(nèi)部流場的均勻性得到顯著改善，大尺度旋渦被有效破碎，氣體流動比較均勻。并且在葉輪出口處的射流所引起的旋渦尺度也有所減小，尤其在風(fēng)機(jī)的下部表現(xiàn)得更為突出。另外，通過比較這 2 種防渦圈，可看出，對加裝圓筒形防渦圈的風(fēng)機(jī)，在進(jìn)氣口、機(jī)殼和葉輪前盤三者之間的空間區(qū)域仍存在較弱的流場不均勻現(xiàn)象，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度較大，而對加裝圓錐筒形防渦圈的風(fēng)機(jī)，在上述區(qū)域幾乎不存在這種現(xiàn)象，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度較小。這說明在破碎大尺度旋渦和降低旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度方面，圓錐筒形優(yōu)于圓筒形防渦圈，對于改善風(fēng)機(jī)內(nèi)部動力學(xué)特征具有更好的效果。