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離心風(fēng)機(jī)作為火力發(fā)電廠煙風(fēng)系統(tǒng)的動(dòng)力源，其運(yùn)行狀況直接關(guān)系到電廠的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。旋轉(zhuǎn)失速是發(fā)生在離心石家莊風(fēng)機(jī)小流量工況下的一種非定常流動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象。離心石家莊風(fēng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)下，葉輪內(nèi)存在一個(gè)或幾個(gè)失速團(tuán)，沿著與葉輪相反的旋轉(zhuǎn)方向(相對(duì)坐標(biāo)系)傳播，傳播速度一般為20%~70%葉輪旋轉(zhuǎn)速度。由于失速團(tuán)存在與葉輪之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)石家莊風(fēng)機(jī)偏離設(shè)計(jì)工況進(jìn)入失速區(qū)后，會(huì)破壞葉輪內(nèi)部流場(chǎng)，增加氣動(dòng)噪聲，產(chǎn)生額外氣動(dòng)載荷，嚴(yán)重時(shí)可能誘發(fā)葉片高應(yīng)力點(diǎn)處的疲勞、斷裂問(wèn)題。因此，對(duì)離心風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象的流體力學(xué)機(jī)制以及由非定常流場(chǎng)引發(fā)的氣動(dòng)噪聲和應(yīng)力特性進(jìn)行研究具有重要的科學(xué)意義和理論價(jià)值。旋轉(zhuǎn)失速與葉片動(dòng)力學(xué)行為相關(guān)，系統(tǒng)的失穩(wěn)是其流動(dòng)崩潰的結(jié)果，而葉輪內(nèi)的流動(dòng)本身才是發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速等失穩(wěn)現(xiàn)象的內(nèi)因和機(jī)制所在。目前關(guān)于葉輪機(jī)械旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象的研究主要集中于失速的發(fā)生機(jī)制以及對(duì)旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象的主動(dòng)控制方面。
Sano對(duì)有葉擴(kuò)壓器內(nèi)部的不穩(wěn)定流動(dòng)如旋轉(zhuǎn)失速、交替葉片失速和不對(duì)稱失速等進(jìn)行了詳細(xì)研究。Nicolas G 研究了失速狀態(tài)下，壓氣機(jī)葉輪流道內(nèi)的壓力和速度等參數(shù)的周期性波動(dòng)規(guī)律。國(guó)內(nèi)學(xué)者聶超群、 吳艷輝 、李清鵬等在軸流壓氣機(jī)的旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象及主動(dòng)控制方面都取得了令人矚目的研究成果。關(guān)于離心石家莊風(fēng)機(jī)失速現(xiàn)象的研究， 王松嶺在國(guó)內(nèi)首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了電站用離心石家莊風(fēng)機(jī)的兩類旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了弱失速階段的失速能量間歇現(xiàn)象，頻率特征及在弱失速階段對(duì)調(diào)節(jié)作用的敏感性。 張磊利用數(shù)值方法研究了該石家莊風(fēng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)下的流體動(dòng)力學(xué)特征及發(fā)生機(jī)制。石家莊風(fēng)機(jī)噪聲主要是由于空氣脈動(dòng)和機(jī)械摩擦等引起的， 主要分為氣動(dòng)噪聲、 機(jī)械噪聲和電磁噪聲。
近年來(lái)，隨著數(shù)值模擬技術(shù)的高速發(fā)展，一些學(xué)者利用數(shù)值方法對(duì)氣動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究。Diaz 提出一種噪聲預(yù)測(cè)方法，針對(duì)一個(gè)單級(jí)軸流石家莊風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并證明了方法的可靠性。毛義軍通過(guò)非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬方法計(jì)算了離心石家莊風(fēng)機(jī)內(nèi)部的氣動(dòng)噪聲源。 蔡建程利用數(shù)值方法研究了某離心石家莊風(fēng)機(jī)蝸殼在非定常氣動(dòng)力作用下的蝸殼振動(dòng)響應(yīng)及其噪聲。 李春曦研究了單動(dòng)葉安裝角深度異常對(duì)軸流石家莊風(fēng)機(jī)性能及噪聲的影響。以上分析表明，關(guān)于旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象的研究主要集中于旋轉(zhuǎn)失速的理解、預(yù)報(bào)和傳播機(jī)制等方面，且石家莊風(fēng)機(jī)噪聲特性的研究集中于設(shè)計(jì)工況，目前國(guó)內(nèi)外還未見到離心石家莊風(fēng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)下的噪聲特性研究。本文基于并行計(jì)算平臺(tái)，在全場(chǎng)尺度下對(duì)G4−73 型離心石家莊風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，深入研究失速先兆發(fā)展為失速團(tuán)的三維非定常演化過(guò)程及失速團(tuán)沿周向傳播時(shí)的離心石家莊風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲特性，進(jìn)一步豐富和完善旋轉(zhuǎn)失速的相關(guān)理論研究。
1 數(shù)值計(jì)算方法
1.1 幾何模型G4−73 型系列離心石家莊風(fēng)機(jī)被廣泛應(yīng)用于 200 和300 MW 級(jí)火力發(fā)電機(jī)組。以 G4−73No.8D 型離心通石家莊風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，其主要結(jié)構(gòu)包括集流器、旋轉(zhuǎn)葉輪、矩形截面蝸殼。蝸殼內(nèi)部自帶簡(jiǎn)易防渦圈，結(jié)構(gòu)尺寸如圖1 所示。 葉輪結(jié)構(gòu)包括弧形漸縮前盤、后盤和周向均勻分布的后向翼型葉片，葉片數(shù)為12，出口安裝角 45°，葉輪外徑 800 mm，葉輪出口寬度 200 mm；蝸殼矩形出口尺寸為 520 mm×720 mm。
1.2 網(wǎng)格劃分策略離心石家莊風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，葉片型線為翼型且沿葉高厚度不均勻。此外，蝸殼中的流動(dòng)為螺旋形向前推進(jìn)的流動(dòng)，且葉輪中存在邊界層分離及二次流，因此，石家莊風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)是極其復(fù)雜的。即使在葉輪和蝸殼中使用六面體的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格也不會(huì)和流線成一條直線，如果流線斜穿網(wǎng)格還會(huì)導(dǎo)致數(shù)值耗散?；谝陨戏治?，本文采用分塊劃分網(wǎng)格的方法，在進(jìn)口管、集流器和出口管中使用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而在流場(chǎng)較為復(fù)雜的葉輪和蝸殼體內(nèi)使用適用性更好的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。由于葉片表面易發(fā)生邊界層分離，且蝸舌對(duì)石家莊風(fēng)機(jī)性能具有重要影響，因此在葉片表面和蝸殼壁面布置邊界層，確保壁面與第一層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間距離的數(shù)量級(jí)在 y + <1 的范圍。為了確保計(jì)算精度，在流場(chǎng)參數(shù)變化比較大的關(guān)鍵區(qū)域，如葉輪區(qū)域和蝸舌區(qū)域使用尺寸函數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格加密。文獻(xiàn)[19]進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)化計(jì)算并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，計(jì)算模型各體內(nèi)的網(wǎng)格數(shù)量分別為：進(jìn)氣段15.7 萬(wàn)，葉輪區(qū)域 164.78 萬(wàn)，蝸殼及出口管區(qū)域120.4 萬(wàn)，石家莊風(fēng)機(jī)網(wǎng)格總數(shù)為 300.88 萬(wàn)個(gè)。
1.3 旋轉(zhuǎn)失速數(shù)值模擬方法控制方程包括連續(xù)性方程、非定常雷諾時(shí)均Navier-Stokes 方程，紊流模型選取 Realizable k- ε 模型，壁面附近采用增強(qiáng)的壁面函數(shù)。通過(guò)在石家莊風(fēng)機(jī)出口設(shè)置節(jié)流閥模型使石家莊風(fēng)機(jī)逐漸進(jìn)入數(shù)值失速狀態(tài)。關(guān)于節(jié)流閥模型、邊界條件設(shè)置等已進(jìn)行過(guò)詳細(xì)介紹。