離心風(fēng)機(jī)蝸殼壁面動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試及分析

彭杉，趙博，代學(xué)昌，周璞

（1.海軍駐704所軍代表室，上海 200031；2.上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031)

離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部邊界層分離、二次流、射流尾跡等不穩(wěn)定流動(dòng)的存在，以及葉輪與蝸殼的動(dòng)、靜部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，造成了離心風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)部的流動(dòng)十分復(fù)雜[1―3]。對(duì)其內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)機(jī)理的研究可為以后的設(shè)計(jì)、改進(jìn)提供重要的試驗(yàn)依據(jù),具有很重要的學(xué)術(shù)意義。通過穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)獲得內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，改善離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)，往往可以起到提高效率，降低噪聲及振動(dòng)的作用，但對(duì)噪聲及振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理，只有通過動(dòng)態(tài)測(cè)試才能去揭示[4―8]。

因此本文針對(duì)離心通風(fēng)機(jī)，測(cè)試了設(shè)計(jì)流量工況離心風(fēng)機(jī)壁面蝸舌位置的動(dòng)態(tài)壓力，以此來分析設(shè)計(jì)流量工況下，風(fēng)機(jī)壁面蝸舌位置動(dòng)態(tài)壓力變化規(guī)律，并初步分析了產(chǎn)生原因。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 離心風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

如圖1所示，離心風(fēng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、底座、扭矩儀、軸承座、蝸殼支架、離心風(fēng)機(jī)、進(jìn)出口管道以及相關(guān)的測(cè)試儀器組成。試驗(yàn)風(fēng)機(jī)為翼型葉輪，常規(guī)蝸舌，單層機(jī)殼，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速2 920 r/min，設(shè)計(jì)流量10 000 m3/h。

圖1 離心風(fēng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)示意圖

離心風(fēng)機(jī)為閉式后彎葉輪（圖2）。其葉輪主要幾何參數(shù)為：葉輪葉片進(jìn)口直徑D1=318.72 mm，出口直徑D2=480 mm，葉片進(jìn)口高度b1=144 mm，出口高度b2=96 mm，厚度δ=3 mm，葉片個(gè)數(shù)Z=12。

圖2 葉輪幾何參數(shù)

1.2 動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)

此次動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)由Kulite高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器、標(biāo)準(zhǔn)電源、放大器、信號(hào)采集器、信號(hào)采集分析系統(tǒng)組成。試驗(yàn)儀器連接如圖3所示。為降低測(cè)量誤差，此次試驗(yàn)在壓力傳感器與采集儀之間增加了信號(hào)放大器，設(shè)置放大倍數(shù)200倍。試驗(yàn)采樣頻率為40 960 Hz，采樣時(shí)間為0.4 s。

1.3 測(cè)量位置

試驗(yàn)測(cè)量風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)流量工況下蝸舌部位4個(gè)位置動(dòng)態(tài)壓力脈動(dòng)，4個(gè)位置沿風(fēng)機(jī)軸向成一條直線。測(cè)量位置沿風(fēng)機(jī)周向如圖4所示，與風(fēng)機(jī)出口成200夾角。

圖3 測(cè)試儀器連接圖

圖4 蝸殼壁面周向測(cè)量位置

離心風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)葉輪前蓋板附不穩(wěn)定流動(dòng)較嚴(yán)重，葉輪出口次之，其它位置較弱，為探究這一流動(dòng)規(guī)律，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位置選取如圖5所示，沿軸向4個(gè)測(cè)量位置的位置可由Z/B分別表示為：0.17、0.27、0.34、0.75（B為蝸殼軸向?qū)挾?，Z為測(cè)量孔距蝸殼后側(cè)板軸向距離）。Z/B=0.17、0.27、0.34的三個(gè)測(cè)點(diǎn)位置位于葉輪出口范圍內(nèi)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 壓力脈動(dòng)隨時(shí)間變化圖

圖5 蝸殼壁面軸向測(cè)量位置

主要目的為觀察壓力脈動(dòng)變化情況，實(shí)際測(cè)量得到的壓力信號(hào)壓力值較大，不利于分析觀察，因此將試驗(yàn)采集時(shí)間0.4 s內(nèi)的16 384個(gè)壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行去平均處理，即用各時(shí)間點(diǎn)壓力值減去0.4 s時(shí)間內(nèi)平均值。

式中pi——去平均處理后每一時(shí)間點(diǎn)壓力脈動(dòng)；

Pi——原始采集壓力信號(hào)每一時(shí)間點(diǎn)壓力。

設(shè)計(jì)流量工況下，由圖6可以看Z/B=0.75位置壓力脈動(dòng)幅值很小，變化平緩，葉輪正上方3個(gè)位置壓力脈動(dòng)大，波動(dòng)明顯。

圖6 設(shè)計(jì)流量工況下蝸舌部位壓力脈動(dòng)隨時(shí)間變化圖

2.2 壓力脈動(dòng)平均值、壓力脈動(dòng)相對(duì)值

為分析各位置間壓力脈動(dòng)大小變化規(guī)律，對(duì)各位置0.4 s時(shí)間段內(nèi)壓力脈動(dòng)取絕對(duì)值后平均，可得各位置壓力脈動(dòng)平均值。壓力脈動(dòng)平均值可在一定程度上反映此位置壓力信號(hào)波動(dòng)大小。

式中pj——去平均處理后每一時(shí)間點(diǎn)壓力脈動(dòng)；

隨著位置以及流量的不同，各位置平均壓力會(huì)隨同壓力脈動(dòng)同樣變化。單一分析壓力脈動(dòng)的變化可能會(huì)造成對(duì)流動(dòng)形式的片面分析，因此需要分析壓力脈動(dòng)相對(duì)平均壓力的變化，從整體變化上來分析壓力脈動(dòng)的變化。將壓力脈動(dòng)相對(duì)值定義為：壓力脈動(dòng)平均值與原始?jí)毫ζ骄当戎怠?/p>

式中——各位置壓力脈動(dòng)相對(duì)值；

Pj——原始采集壓力信號(hào)每一時(shí)間點(diǎn)壓力脈動(dòng)。

由圖7可以看出由于受到風(fēng)機(jī)葉輪的影響，葉輪正上方3個(gè)測(cè)量位置壓力脈動(dòng)平均值遠(yuǎn)大于Z/B=0.75位置；葉輪前蓋板附近Z/B=0.34位置，由于受到氣流轉(zhuǎn)折分離，以及射流-尾跡等不穩(wěn)定流動(dòng)的影響壓力脈動(dòng)大，壓力脈動(dòng)平均值大于Z/B=0.17、Z/B=0.27位置；Z/B=0.17位置因?yàn)榇嬖谌~輪與蝸殼后側(cè)板之間的干涉，不穩(wěn)定流動(dòng)也強(qiáng)，此位置壓力脈動(dòng)平均值也大于Z/B=0.27位置。

圖7 設(shè)計(jì)流量工況下蝸舌部位壓力脈動(dòng)平均值

圖8 設(shè)計(jì)流量工況下蝸舌部位壓力脈動(dòng)相

由圖8可以看出各位置壓力脈動(dòng)相對(duì)值變化規(guī)律與壓力脈動(dòng)平均值不同，Z/B=0.17位置壓力脈動(dòng)相對(duì)值大于Z/B=0.34位置，這是由于靠近葉輪后蓋板Z/B=0.17位置主流壓力強(qiáng)度小于葉輪前蓋板附近Z/B=0.34位置引起。

2.3 基頻幅值、低頻最大幅值

信號(hào)隨時(shí)間的變化是基本的，除了隨時(shí)間變化之外，信號(hào)最重要的表示就是頻率。通過快速傅里葉變換得出設(shè)計(jì)流量工況下蝸舌部位各測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域譜。

離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲主要為渦流噪聲與基頻噪聲，分別由渦流脈動(dòng)和基頻脈動(dòng)引起。本此試驗(yàn)所用離心風(fēng)機(jī)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下基頻脈動(dòng)頻率（葉片通過頻率）為584 Hz。渦流脈動(dòng)雖然有很寬的頻率變化范圍，但主要存在于中低頻頻率。為此本文選取各位置基頻來分析基頻脈動(dòng)；通過低頻最大幅值（在低頻區(qū)域選取最大幅值）來分析各位置不穩(wěn)定流動(dòng)情況以及渦流脈動(dòng)的強(qiáng)度。

Z/B=0.75位置整體頻率幅值小，低頻幅值大與基頻幅值，葉輪正上方3個(gè)位置由于受到葉輪周期性轉(zhuǎn)動(dòng)影響，低頻幅值小，基頻幅值大且存在倍頻幅值。

由圖9可以看出，Z/B=0.75、Z/B=0.27位置低頻最大幅值小；Z/B=0.34位置由于受到葉輪前蓋板附近不穩(wěn)定流動(dòng)影響，低頻最大幅值大；Z/B=0.17位置存在葉輪與蝸殼相互干涉影響，低頻大幅值與Z/B=0.34位置相當(dāng)。

圖9 設(shè)計(jì)流量工況下蝸舌部位低頻最大幅值

由圖10可以看出，葉輪正上方3個(gè)位置基頻幅值遠(yuǎn)大于Z/B=0.75位置，Z/B=0.34、Z/B=0.17位置基頻幅值也大于Z/B=0.27位置，這可能是因?yàn)閆/B=0.34、Z/B=0.17位置附近不穩(wěn)定流動(dòng)中存在于基頻頻率相同脈動(dòng)。

圖10 設(shè)計(jì)流量工況下蝸舌部位基頻幅值

3 結(jié)語

通過以上試驗(yàn)、分析可以看出：離心風(fēng)機(jī)壁面蝸舌部位，葉輪正上方位置由于受到葉輪周期性旋轉(zhuǎn)影響壓力脈動(dòng)大于其他位置，且主要為基頻脈動(dòng)；葉輪前、后蓋板附近壓力脈動(dòng)大于葉輪中間部位，且主要是渦流脈動(dòng)。在以后設(shè)計(jì)、改造中應(yīng)重點(diǎn)考慮離心風(fēng)機(jī)葉輪前、后蓋板附近的氣動(dòng)優(yōu)化。

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