兩級(jí)動(dòng)葉異常偏離下的軸流風(fēng)機(jī)性能和內(nèi)流特征

葉學(xué)民，王 豐，李春曦

（華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定071003）

動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)因運(yùn)行效率高和變工況性能優(yōu)越而廣泛應(yīng)用于大型電站鍋爐的煙、風(fēng)道系統(tǒng)，其通過調(diào)節(jié)動(dòng)葉安裝角來改變風(fēng)機(jī)本身的性能曲線，以適應(yīng)復(fù)雜的鍋爐配風(fēng)需要.然而，由于其復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)部件、液壓調(diào)節(jié)裝置和傳動(dòng)裝置的加入，致使該類風(fēng)機(jī)的運(yùn)行可靠性不高，多表現(xiàn)在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)異常振動(dòng)、失速喘振、軸承損壞、葉片斷裂及動(dòng)葉安裝角偏離等［1-3］.運(yùn)行中，因滑塊磨損、葉片非工作面積灰導(dǎo)致葉柄卡滯等原因造成的風(fēng)機(jī)單葉片或多動(dòng)葉安裝角非同步調(diào)整的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生［4-5］.

電站鍋爐風(fēng)機(jī)功耗大，難以采用試驗(yàn)方法進(jìn)行性能研究，采用CFD 技術(shù)進(jìn)行模擬成為研究風(fēng)機(jī)性能、內(nèi)流特征及噪聲特性的重要手段，并已取得豐富的研究成果［6-9］.就大型軸流風(fēng)機(jī)而言，李春曦等［10-12］模擬了OB-84型單級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)特性，分析了單動(dòng)葉、相鄰和相間兩動(dòng)葉及相鄰三動(dòng)葉異常偏離時(shí)風(fēng)機(jī)的性能變化、內(nèi)流特征和熵產(chǎn)分布，并預(yù)估了噪聲，研究表明葉片異常偏離對(duì)風(fēng)機(jī)性能和流場(chǎng)的影響較大，且隨著偏離度的增大，性能惡化加劇.石匯林等［13］針對(duì)某動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，模擬了不同進(jìn)氣箱結(jié)構(gòu)時(shí)的三維流場(chǎng)，分析了內(nèi)部損失產(chǎn)生的原因.黃超［14］針對(duì)某脫硫增壓風(fēng)機(jī)，研究了改變風(fēng)機(jī)性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)的風(fēng)機(jī)性能與流動(dòng)特性.然而，上述研究針對(duì)的是單級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，對(duì)于兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，僅葉學(xué)民等［15-17］利用Fluent對(duì)某600 MW 機(jī)組配套的兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行了全三維定常數(shù)值模擬，給出了第一級(jí)導(dǎo)葉不同結(jié)構(gòu)形式和排列方式對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響，并探討了第一級(jí)葉輪單動(dòng)葉異常時(shí)風(fēng)機(jī)性能、內(nèi)流特征及噪聲分布的變化.

實(shí)踐表明，作為一次風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，動(dòng)葉安裝角異常調(diào)整的概率較高［4-5］，而關(guān)于兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)兩級(jí)葉片均發(fā)生異常偏離時(shí)的研究還未見報(bào)道.為此，筆者針對(duì)某兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，采用CFD 方法模擬在兩級(jí)葉輪上、同一周向位置處各有一葉片發(fā)生異常偏離時(shí)（簡(jiǎn)稱兩級(jí)動(dòng)葉異常）的風(fēng)機(jī)性能，并與兩級(jí)葉輪分別發(fā)生單動(dòng)葉安裝角異常調(diào)整進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而分析風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能、葉輪做功能力和噪聲特征的變化.

1 計(jì)算模型

以某兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，該風(fēng)機(jī)配有兩級(jí)后置導(dǎo)葉，兩級(jí)葉輪動(dòng)葉數(shù)均為24個(gè)，轉(zhuǎn)速為1 490r／min，導(dǎo)葉數(shù)為23個(gè)，其中第一級(jí)導(dǎo)葉為長(zhǎng)短復(fù)合式葉片相間布置.在設(shè)計(jì)工況下，動(dòng)葉安裝角為＋3°，體積流量為82.4 m3／s，全壓為11 865Pa，下文以此工況進(jìn)行模擬.數(shù)值模擬采用Fluent軟件，將風(fēng)機(jī)模型劃分為集流區(qū)、兩級(jí)動(dòng)葉區(qū)、兩級(jí)導(dǎo)葉區(qū)和擴(kuò)壓區(qū)等6 個(gè)分區(qū).網(wǎng)格使用結(jié)構(gòu)／非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在動(dòng)葉區(qū)，尤其葉頂間隙及葉片表面等結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)進(jìn)行局部加密.以集流器入口截面和擴(kuò)壓器出口截面作為整個(gè)模擬區(qū)域的進(jìn)口和出口，進(jìn)口邊界條件為速度入口，出口邊界條件為自由出流.

應(yīng)用Realizablek-ε湍流模型對(duì)三維雷諾時(shí)均N-S方程組進(jìn)行封閉，采用Simplec算法求解方程組，控制方程中的對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)及黏性參數(shù)均采用二階迎風(fēng)格式離散.進(jìn)口湍動(dòng)能和湍流耗散率通過經(jīng)驗(yàn)公式確定，壁面為無滑移邊界條件，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)［15-16］.動(dòng)葉區(qū)域使用多重參考坐標(biāo)系模型進(jìn)行模擬，葉片及輪轂為旋轉(zhuǎn)壁面，不同計(jì)算區(qū)域的交界面采用interface進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.

模型通過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，網(wǎng)格數(shù)約510萬.圖1為安裝角β＝＋3°下，不同體積流量下數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比.由圖1可知，風(fēng)機(jī)性能曲線的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，效率和全壓模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均相對(duì)偏差分別為-3.81%和4.32%，滿足對(duì)數(shù)值模擬精度的要求.

圖1 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比Fig.1 Comparison between simulation and experimental results

規(guī)定異常葉片向動(dòng)葉開度增大的方向偏轉(zhuǎn)為正偏離，對(duì)應(yīng)圖2中逆時(shí)針方向偏離，即Δβ＞0°；反之為負(fù)偏離，Δβ＜0°；圖2中，偏離度Δβ＝0°表示葉片處于正常狀態(tài)，即所有動(dòng)葉安裝角均為＋3°.以下就兩級(jí)葉輪均發(fā)生葉片同角度偏離與單級(jí)葉輪單動(dòng)葉偏離（分別對(duì)應(yīng)圖2中1號(hào)和2號(hào)同角度異常、1號(hào)異常、2號(hào)異常），且Δβ＝±5°、±8°、±10°、±12°時(shí)進(jìn)行對(duì)比，分析風(fēng)機(jī)性能曲線、葉輪做功能力、導(dǎo)葉性能及噪聲特征的變化.

圖2 異常動(dòng)葉位置示意圖Fig.2 Location of abnormal blades

2 性能曲線分析

圖3和圖4給出了動(dòng)葉異常正、負(fù)偏離下的風(fēng)機(jī)全壓和效率曲線.其中，下角標(biāo)“1”、“2”和“1＆2”分別表示第一級(jí)、第二級(jí)葉輪單動(dòng)葉異常和兩級(jí)動(dòng)葉同角度異常的情形.對(duì)比圖3和圖4可知，Δβ＝±5°時(shí)，風(fēng)機(jī)性能變化較小，甚至部分異常工況下全壓和效率高于正常情形，這是因?yàn)楫惓Ｈ~片排擠氣流產(chǎn)生的全壓增加值大于其造成的流動(dòng)損失；隨著Δβ的增大，風(fēng)機(jī)性能顯著惡化；此外，該軸流風(fēng)機(jī)兩級(jí)動(dòng)葉異常偏離時(shí)，大體積流量工況下全壓和效率的降低幅度相對(duì)較小，這與單級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)動(dòng)葉異常時(shí)的性能變化趨勢(shì)一致［12］.

圖3 Δβ＞0°時(shí)的風(fēng)機(jī)性能曲線Fig.3 Performance curves underΔβ＞0°

圖4 Δβ＜0°時(shí)的風(fēng)機(jī)性能曲線Fig.4 Performance curves underΔβ＜0°

從圖3可以看出，Δβ1＆2＞0°時(shí)，風(fēng)機(jī)全壓和效率整體均低于單動(dòng)葉正偏離情形下.Δβ1＆2＝5°時(shí)，全壓和效率僅小幅低于單動(dòng)葉異常情形下；隨著Δβ1＆2的增大，風(fēng)機(jī)性能下降顯著，不穩(wěn)定工況區(qū)擴(kuò)大，全壓呈更為明顯的駝峰形曲線，設(shè)計(jì)工況點(diǎn)也進(jìn)入失速區(qū)，且失速點(diǎn)對(duì)應(yīng)體積流量增大，進(jìn)一步縮小了穩(wěn)定工況區(qū)，這與實(shí)際運(yùn)行中因異常葉片偏離導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出現(xiàn)失速的現(xiàn)象相一致.與正常情形和單動(dòng)葉正偏離工況相比，Δβ1＆2＞0°時(shí)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)明顯的失速區(qū)，設(shè)計(jì)體積流量附近運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)性能嚴(yán)重惡化，僅Δβ2＝12°與Δβ1＆2＝12°時(shí)風(fēng)機(jī)失速點(diǎn)體積流量與失速區(qū)范圍相近.以Δβ＝12°為例，在設(shè)計(jì)體積流量82.4 m3／s 下，Δβ1＝12°時(shí)全壓和效率分別下降16.16%和12.24%，Δβ2＝12°時(shí)分別下降22.10%和17.79%，而Δβ1＆2＝12°時(shí)分別下降24.33%和19.71%.結(jié)果表明，兩級(jí)動(dòng)葉異常時(shí)的影響更為顯著.

從圖4可以看出，與正偏離時(shí)相似，Δβ1＆2＜0°時(shí)，全壓和效率大體上低于單動(dòng)葉負(fù)偏離情形下，且隨著Δβ1＆2增大，失速區(qū)也有明顯擴(kuò)大，設(shè)計(jì)體積流量附近的工況對(duì)應(yīng)的全壓顯著低于單動(dòng)葉異常情形下.此外，Δβ＜0°時(shí)風(fēng)機(jī)性能曲線還存在如下特征：（1）Δβ2＜0°時(shí)，隨著Δβ增大，在研究體積流量范圍內(nèi)風(fēng)機(jī)全壓和效率下降幅度均較小，且Δβ2為-5°、-8°、-12°時(shí)的風(fēng)機(jī)性能均好于Δβ1＆2＝-5°時(shí)；（2）除了Δβ＝-12°時(shí)，在qV＝85m3／s附近，Δβ1＆2＜0°時(shí)的全壓高于Δβ1＜0°時(shí)；在整個(gè)體積流量范圍內(nèi)，Δβ1＆2＜0°時(shí)風(fēng)機(jī)全壓整體低于Δβ1＜0°時(shí)，以qV＝80m3／s為例，Δβ＝-12°時(shí)，兩級(jí)動(dòng)葉異常時(shí)風(fēng)機(jī)全壓下降幅度是第一級(jí)單動(dòng)葉異常時(shí)的2.38 倍；（3）在設(shè)計(jì)體積流量附近，Δβ1＆2＜0°時(shí)的風(fēng)機(jī)效率高于Δβ1＜0°時(shí)，且隨著Δβ增大，該體積流量范圍擴(kuò)大，并向大體積流量側(cè)移動(dòng).

對(duì)比圖3和圖4可知，在一定體積流量范圍內(nèi)，僅Δβ1＆2＝±5°時(shí)的風(fēng)機(jī)全壓和效率曲線與正常情形下變化趨勢(shì)一致，且Δβ1＆2＝5°時(shí)的全壓和效率均高于Δβ1＆2＝-5°時(shí).隨著Δβ1＆2增大，設(shè)計(jì)體積流量下，Δβ1＆2＞0°時(shí)的全壓和效率均低于Δβ1＆2＜0°時(shí)，以全壓為例，在Δβ1＆2＝8°時(shí)全壓降低了3.58%，而Δβ1＆2＝-8°時(shí)降低了2.72%.此外，Δβ1＆2較大（±8°、±12°）時(shí)，風(fēng)機(jī)全壓性能曲線呈駝峰形，對(duì)應(yīng)的失速區(qū)顯著擴(kuò)大，且正偏離時(shí)失速區(qū)范圍更加顯著.兩級(jí)動(dòng)葉正、負(fù)偏離時(shí)，風(fēng)機(jī)性能曲線存在交點(diǎn)，當(dāng)運(yùn)行工況點(diǎn)體積流量小于交點(diǎn)處體積流量時(shí)，Δβ1＆2＞0°下風(fēng)機(jī)性能較差，且隨Δβ1＆2的增大，交點(diǎn)向大體積流量側(cè)移動(dòng)；在Δβ＝12°時(shí)，幾乎在整個(gè)體積流量范圍內(nèi)，Δβ1＆2＜0°時(shí)的風(fēng)機(jī)效率均高于Δβ1＆2＞0°時(shí).

3 總壓升系數(shù)

為探討葉片不同異常情形下葉輪做功能力的變化，引入反映葉輪做功能力強(qiáng)弱的總壓升系數(shù)krt＝（p2t-p1t）／0.5ρu2，其中p1t、p2t分別為葉輪進(jìn)、出口總壓，Pa；ρ為空氣密度，kg／m3；u為葉輪圓周速度，m／s.以設(shè)計(jì)工況下第一級(jí)葉輪總壓升系數(shù)為基準(zhǔn)值1，計(jì)算可得第二級(jí)葉輪相對(duì)總壓升系數(shù)為1.024，葉片不同異常情形下兩級(jí)葉輪總壓升系數(shù)相對(duì)值列于表1.圖5和圖6分別為葉片正、負(fù)偏離時(shí)徑向總壓升系數(shù)的分布，圖中橫坐標(biāo)（r-rh）／（Rrh）為相對(duì)半徑，r為從輪轂到輪緣任意半徑；rh、R分別為輪轂和輪緣半徑.

表1 葉片異常偏離時(shí)葉輪總壓升系數(shù)Tab.1 Total pressure rise coefficients with abnormal blade deviation

Δβ＝5°時(shí)，在所有異常情形下，葉輪總壓升系數(shù)均小幅度增大，這是由異常葉片排擠氣流產(chǎn)生的當(dāng)?shù)貕荷哂谄鋷淼牧鲃?dòng)損失所致；隨著Δβ增大，總壓升系數(shù)逐漸減小.Δβ＜0°時(shí)，異常葉輪的做功能力均低于正常情形下；Δβ＝-5°、-8°時(shí)，總壓升系數(shù)降低幅度大于正偏離時(shí)；隨著Δβ的進(jìn)一步增大，負(fù)偏離下的做功能力高于同角度正偏離下，尤其Δβ＝-12°時(shí)較為顯著，這是因?yàn)榇蠼嵌日x時(shí)，異常葉片所在流道產(chǎn)生較大的阻塞，且范圍大于負(fù)偏離情形，流動(dòng)損失更大，因此大角度正偏離時(shí)葉輪做功能力低于負(fù)偏離時(shí)［17］.此外，兩級(jí)動(dòng)葉異常偏離時(shí)總壓升系數(shù)均小于同角度單動(dòng)葉異常時(shí)，前者對(duì)葉輪做功能力的影響大于后者，這與風(fēng)機(jī)性能曲線的分析結(jié)果一致；且兩級(jí)動(dòng)葉異常時(shí)，第二級(jí)葉輪做功能力的降低幅度大于第一級(jí)葉輪.單動(dòng)葉小角度偏離（±5°，±8°）時(shí)，異常葉片所在葉輪的做功能力雖然受到影響，但因異常葉片對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)，正常葉輪的總壓升系數(shù)有小幅增大；隨著Δβ增大，正常葉輪的總壓升系數(shù)開始減小，當(dāng)Δβ＝±12°時(shí)，異常葉片對(duì)正常葉輪做功能力的影響增大，與對(duì)異常葉輪的影響相當(dāng).

由圖5可知，Δβ1＆2＞0°下的總壓升系數(shù)總體上分別低于Δβ1＞0°和Δβ2＞0°時(shí).第一級(jí)葉輪的總壓升系數(shù)krt1沿徑向呈先增后減趨勢(shì)，葉片中上部是主要做功部位，Δβ1＆2＝5°與Δβ1＝5°時(shí)，第一級(jí)葉輪的總壓升系數(shù)與正常情形下相近；隨著Δβ增大，2種異常情形下，krt1逐漸減小，且Δβ1＆2＞0°時(shí)降幅較大；Δβ1＆2＝12°時(shí)，在相對(duì)半徑（r-rh）／（R-rh）＞0.4時(shí)第一級(jí)葉輪的做功能力高于Δβ1＝12°時(shí).正常情形下，krt2在相對(duì)半徑（r-rh）／（R-rh）＝0.25～0.85處保持穩(wěn)定，僅在（r-rh）／（R-rh）＝0.9處由于葉頂泄漏損失而有所減??；Δβ1＆2＝5°與Δβ2＝5°時(shí)，krt2與正常情形下相差不大；隨著Δβ增大，2 種異常情形下krt2均減小，且靠近輪緣部位總壓升系數(shù)減小更為劇烈；Δβ＝12°時(shí)，在第二級(jí)葉輪相對(duì)半徑為0.96處2種異常情形下的總壓升系數(shù)最小，相對(duì)正常情形下分別降低34%和55%，表明動(dòng)葉大角度正偏離加劇了第二級(jí)葉輪的葉頂泄漏損失.

圖5 Δβ＞0°時(shí)葉輪徑向總壓升系數(shù)分布Fig.5 Radial distribution of total pressure rise coefficients underΔβ＞0°

圖6 Δβ＜0°時(shí)葉輪徑向總壓升系數(shù)分布Fig.6 Radial distribution of total pressure rise coefficients underΔβ＜0°

由圖6可知，Δβ1＆2＜0°與Δβ1＜0°相比，第一級(jí)葉輪的徑向總壓升系數(shù)分布相差不大，整體以相對(duì)半徑（r-rh）／（R-rh）＝0.5處為分界點(diǎn)，Δβ1＆2＜0°時(shí)，（r-rh）／（R-rh）＜0.5 時(shí)總壓升系數(shù)較大，而（r-rh）／（R-rh）＞0.5時(shí)總壓升系數(shù)較小.Δβ1＆2＜0°時(shí)的krt2小于Δβ2＜0°時(shí)，隨著Δβ增大，2種異常情形下krt2均減小，且靠近輪緣部位krt2減小更劇烈.

對(duì)比圖5與圖6可知，葉片正、負(fù)偏離時(shí)兩級(jí)葉輪徑向總壓升系數(shù)的分布相似，但負(fù)偏離時(shí)krt下降幅度明顯較小.Δβ1＝-12°與Δβ1＆2＝-12°時(shí)，krt1下降幅度均低于6%，而相同情形正偏離時(shí)，krt1下降幅度最大處均達(dá)到12%，平均降幅均達(dá)到8%；Δβ1＆2＝-12°與Δβ2＝-12°時(shí)，krt2下降幅度均低于13%，而相同情形正偏離時(shí)，krt2平均下降幅度分別為26%和19%，降幅最大處達(dá)到55%和34%.

4 導(dǎo)葉效率

動(dòng)葉異常偏離不僅影響葉輪自身做功能力，而且其引起的流場(chǎng)變化對(duì)導(dǎo)葉性能的影響也不容忽視.風(fēng)機(jī)后置導(dǎo)葉的作用是將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能，定義導(dǎo)葉效率如下：ηg＝Δps／Δpd，其中Δps、Δpd分別表示導(dǎo)葉進(jìn)、出口的靜壓升和動(dòng)壓降，Pa.導(dǎo)葉效率降低表示導(dǎo)葉區(qū)流動(dòng)損失增大.以設(shè)計(jì)工況下第一級(jí)導(dǎo)葉的效率為基準(zhǔn)值1，此時(shí)風(fēng)機(jī)第二級(jí)導(dǎo)葉相對(duì)效率為0.982，不同異常情形下兩級(jí)導(dǎo)葉效率的相對(duì)值列于表2.

由表2可知，兩級(jí)動(dòng)葉異常時(shí)的兩級(jí)導(dǎo)葉效率均低于單動(dòng)葉異常時(shí).Δβ＝±5°、±8°時(shí)，兩級(jí)導(dǎo)葉效率變化較小，降幅均在2%以內(nèi)；隨著Δβ增大，導(dǎo)葉效率顯著降低，且正偏離時(shí)降幅更大，表明葉片異常正偏離對(duì)風(fēng)機(jī)流場(chǎng)影響較大，導(dǎo)葉區(qū)流動(dòng)損失更加顯著.結(jié)合表1對(duì)葉輪總壓升系數(shù)的分析可知，兩級(jí)動(dòng)葉異常時(shí)，風(fēng)機(jī)葉輪做功能力和導(dǎo)葉效率均低于單動(dòng)葉異常情形，因此兩級(jí)動(dòng)葉異常時(shí)的風(fēng)機(jī)全壓和效率更低，這與風(fēng)機(jī)性能曲線的分析相符.兩級(jí)動(dòng)葉異常時(shí)，Δβ1＆2＝5°、8°時(shí)，第一級(jí)導(dǎo)葉效率高于同角度負(fù)偏離情形下，隨著Δβ1＆2增大，負(fù)偏離時(shí)第一級(jí)導(dǎo)葉效率較高；Δβ1＆2＜0°時(shí)，第二級(jí)導(dǎo)葉效率始終高于Δβ1＆2＞0°時(shí)，且Δβ1＆2越大，Δβ1＆2＜0°時(shí)導(dǎo)葉效率高于Δβ1＆2＞0°時(shí)的程度更加明顯.

表2 葉片異常偏離時(shí)的導(dǎo)葉效率Tab.2 Efficiency of the first-and second-stage guide vane with abnormal blade deviation

5 噪聲預(yù)估

動(dòng)葉安裝角異常偏離不僅擾亂了內(nèi)部流場(chǎng)，而且加劇了旋轉(zhuǎn)部件的葉頂泄漏和動(dòng)靜干涉，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)噪聲增加.采用寬帶噪聲源模型，通過求解雷諾時(shí)均方程得到湍流參數(shù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分布并進(jìn)行聲學(xué)類比，以獲得風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的聲功率級(jí)分布，并以此研究風(fēng)機(jī)內(nèi)部噪聲分布.聲功率級(jí)的計(jì)算式為

式中：LW為聲功率級(jí)，dB；W為聲功率，W；W0為基準(zhǔn)聲功率，10-12W；ρ0為氣體密度，kg／m3；α0為聲速，m／s；l為湍流尺度，m；u為氣流速度，m／s；c為常數(shù).

圖7和圖8為異常工況下風(fēng)機(jī)的最大聲功率級(jí)LWmax曲線.由圖7和圖8可知，總體上，隨著Δβ增大，風(fēng)機(jī)噪聲呈升高趨勢(shì).圖7中，3種異常情形下，Δβ＝5°時(shí)LWmax隨體積流量變化較小，隨Δβ增大，小體積流量下LWmax的升高幅度顯著大于大體積流量工況，但隨著Δβ增大該差距逐漸減小.Δβ1＆2＝5°時(shí)，除qV＜81m3／s外，其LWmax介于2種單動(dòng)葉異常情形之間，且Δβ1＝5°時(shí)LWmax最低；Δβ1＆2＝8°時(shí)，qV＜85m3／s時(shí)，其LWmax高于單動(dòng)葉異常情形，qV＞85m3／s時(shí)，Δβ2＝8°下LWmax較高；Δβ1＆2＝10°、12°時(shí)的LWmax顯著升高，整體高于另2種單動(dòng)葉異常情形下.僅qV＝83～89.5 m3／s時(shí)，Δβ1＝12°下LWmax顯著高于Δβ2＝12°情形，其他異常情形下，Δβ2＞0°時(shí)的LWmax高于Δβ1＞0°時(shí).

由圖8可知，Δβ2＜0°時(shí)，LWmax隨Δβ增大而緩慢升高，且升高幅度總體低于Δβ1＆2＝-5°時(shí)，這與風(fēng)機(jī)性能曲線相一致.Δβ1＜0°和Δβ1＆2＜0°時(shí)LWmax曲線存在交點(diǎn)，Δβ＝-5°時(shí)，當(dāng)體積流量小于84.7 m3／s時(shí)，Δβ1＆2＜0°的LWmax較高，大于84.7m3／s時(shí)則相反；Δβ1＝-8°和Δβ1＆2＝-8°下的LWmax曲線存在2個(gè)交點(diǎn)（qV＝83.7m3／s、91.1m3／s），在83.7～91.1m3／s內(nèi)，Δβ1＆2＜0°的LWmax較大；Δβ＝-10°、-12°時(shí)，交點(diǎn)處體積流量分別為86.8m3／s和88.3 m3／s，體積流量大于交點(diǎn)處流量時(shí)，Δβ1＆2＜0°的LWmax較高.

圖7 Δβ＞0°時(shí)的噪聲預(yù)估數(shù)值Fig.7 Numerical prediction of noise level underΔβ＞0°

圖9為設(shè)計(jì)體積流量下兩級(jí)葉輪中間截面上的聲功率級(jí)分布.由圖9可知，第一級(jí)葉輪上聲功率級(jí)呈周向?qū)ΨQ分布，而第二級(jí)葉輪上聲功率級(jí)分布則不如第一級(jí)葉輪理想，這是因?yàn)榻?jīng)過第一級(jí)葉輪旋轉(zhuǎn)做功和第一級(jí)長(zhǎng)短復(fù)合式導(dǎo)葉增壓后，第二級(jí)葉輪入口氣流的速度分布均勻性變差.兩級(jí)葉輪中間截面上沿葉高增加方向，聲功率級(jí)呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)；最大噪聲源集中在葉頂間隙處靠近吸力面的狹小區(qū)域，第一、第二級(jí)葉輪噪聲最大值分別為105 dB和115dB，第二級(jí)葉輪的高噪聲區(qū)范圍較大；葉輪流道中部為低噪聲區(qū)，第一、第二級(jí)葉輪噪聲最小值分別為20dB和50dB；總體來看，第二級(jí)葉輪中間截面的聲功率級(jí)整體高于第一級(jí)葉輪.

圖8 Δβ＜0°時(shí)的噪聲預(yù)估數(shù)值Fig.8 Numerical prediction of noise level underΔβ＜0°

圖9 Δβ＝0°時(shí)葉輪中間截面上的聲功率級(jí)Fig.9 Contours of acoustic source power level at mid-section underΔβ＝0°

圖10和圖11分別給出了正、負(fù)偏離時(shí)異常葉輪中間截面上的聲功率級(jí)分布.圖10 中，Δβ1＞0°時(shí)，異常葉片吸力面?zhèn)热~高中上部產(chǎn)生小范圍高噪聲區(qū)，僅Δβ1＝12°時(shí)，高噪聲區(qū)范圍顯著擴(kuò)大，同時(shí)異常葉片逆旋轉(zhuǎn)方向第4～第9個(gè)流道處的聲功率級(jí)顯著升高［17］.Δβ2＝5°、8°時(shí)，僅異常葉片吸力面?zhèn)犬a(chǎn)生均勻的高噪聲區(qū)，且逆旋轉(zhuǎn)方向2個(gè)流道內(nèi)葉頂位置處的高噪聲區(qū)增大；Δβ2＝10°時(shí)，第二級(jí)葉輪中間截面噪聲分布被擾亂，高噪聲區(qū)擴(kuò)散至異常葉片逆旋轉(zhuǎn)方向第1～第4個(gè)流道的葉頂部位，聲功率級(jí)顯著增大，最大值為140dB；Δβ2＝12°時(shí)，異常葉片的作用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，逆旋轉(zhuǎn)方向第5～第12個(gè)流道被高噪聲區(qū)占據(jù)，葉輪整體噪聲等級(jí)顯著增加.

Δβ1＆2＝5°、8°時(shí)，聲功率級(jí)的分布與單級(jí)葉輪異常情形相似，僅Δβ1＆2＝8°時(shí)第二級(jí)葉輪聲功率級(jí)變化大于Δβ2＝8°時(shí)，高噪聲區(qū)范圍擴(kuò)展至異常葉片逆旋轉(zhuǎn)方向6個(gè)流道位置.Δβ1＆2＝10°時(shí)，第一級(jí)葉輪的高噪聲區(qū)擴(kuò)展至異常葉片順旋轉(zhuǎn)方向第7～第14個(gè)流道，其中第9～第11個(gè)流道中部低噪聲區(qū)演變?yōu)楦咴肼晠^(qū)，聲功率級(jí)達(dá)到115dB；第二級(jí)葉輪中間截面整體聲功率級(jí)分布被擾亂，截面上70%流道的聲功率級(jí)顯著提高，順旋轉(zhuǎn)方向第5～第13個(gè)流道衍生出明顯的高噪聲區(qū)，順旋轉(zhuǎn)方向最大噪聲源由葉頂部位移動(dòng)至流道中部，其聲功率級(jí)達(dá)到140dB.Δβ1＆2＝12°時(shí)，聲功率級(jí)峰值不變，但高噪聲區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，兩級(jí)葉輪噪聲最大位置均演變至異常葉片逆旋轉(zhuǎn)方向葉片流道；第一級(jí)葉輪中間截面85%流道被高噪聲區(qū)覆蓋，其噪聲值高于100dB，逆旋轉(zhuǎn)方向第3～第5 個(gè)流道整體被高噪聲區(qū)占據(jù)；第二級(jí)葉輪中間截面聲功率級(jí)整體提高，逆旋轉(zhuǎn)方向第2～第8個(gè)流道演變成高噪聲區(qū).

由圖11可知，異常葉輪中間截面上的聲功率級(jí)分布未被擾亂，動(dòng)葉異常引起的高噪聲區(qū)范圍和聲功率級(jí)最大值均低于正偏離時(shí)的情形.Δβ1＜0°時(shí)，異常葉片壓力面?zhèn)刃纬瑟M窄的高噪聲區(qū)，且隨著Δβ的增大，該區(qū)域由葉頂向葉根方向擴(kuò)展，此外，逆旋轉(zhuǎn)方向2個(gè)流道的聲功率級(jí)分布也受到顯著影響，流道中部的低噪聲區(qū)范圍逐漸減小，直至消失［17］.Δβ2＜0°時(shí)，第二級(jí)葉輪中間截面噪聲分布與正常情形相差很小，僅異常葉片壓力面?zhèn)燃澳嫘D(zhuǎn)方向相鄰2～3個(gè)流道葉頂部位的聲功率級(jí)有所升高，表明第二級(jí)單動(dòng)葉異常對(duì)風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的影響較小，這與圖4和圖8的分析結(jié)果一致.

圖10 Δβ＞0°時(shí)異常葉輪中間截面聲功率級(jí)分布Fig.10 Contours of acoustic source power level at mid-section underΔβ＞0°

Δβ1＆2＜0°時(shí)，第一級(jí)葉輪中間截面上的聲功率級(jí)分布與Δβ1＜0°時(shí)相似，但同一Δβ下，Δβ1＆2＜0°時(shí)，第一級(jí)葉輪中間截面上被擾亂的流道數(shù)量較Δβ1＜0°時(shí)多一個(gè).Δβ1＆2＜0°時(shí)，第二級(jí)葉輪中間截面上噪聲分布變化顯著，首先，與Δβ2＜0°時(shí)相似，在異常葉片壓力面?zhèn)刃纬瑟M窄高噪聲區(qū)；其次，異常葉片逆旋轉(zhuǎn)方向上部分流道的聲功率級(jí)分布被擾亂，且隨著Δβ的增大，受影響的流道數(shù)增加，Δβ＝-12°時(shí)，異常葉片逆旋轉(zhuǎn)方向第2～第4流道的聲功率級(jí)分布整體被擾亂，噪聲等級(jí)顯著升高，第5～第8流道葉頂高噪聲區(qū)向葉根方向擴(kuò)展，影響范圍逐漸擴(kuò)大至全流道的20%～30%，其噪聲最大值也增大至140dB，流道低噪聲區(qū)被排擠向葉根方向移動(dòng).與Δβ1＆2＞0°時(shí)相比，Δβ1＆2＜0°時(shí)葉輪中間截面噪聲分布變化較小，且動(dòng)葉異常的影響范圍僅為異常葉片壓力面及逆旋轉(zhuǎn)方向部分流道；而Δβ1＆2＞0°時(shí)，葉輪中間截面噪聲分布的變化更為顯著，Δβ較大時(shí)其影響范圍波及整個(gè)流道.

圖11 Δβ＜0°時(shí)異常葉輪中間截面聲功率級(jí)分布Fig.11 Contours of acoustic source power level at mid-section underΔβ＜0°

6 結(jié) 論

（1）兩級(jí)動(dòng)葉異常時(shí)，葉輪做功能力低于同角度單動(dòng)葉異常時(shí)，且導(dǎo)葉區(qū)流動(dòng)損失較高，風(fēng)機(jī)全壓和效率低于單動(dòng)葉異常時(shí).隨著Δβ1＆2的增大，風(fēng)機(jī)性能顯著下降，不穩(wěn)定工況區(qū)擴(kuò)大，全壓呈明顯的駝峰形曲線，失速點(diǎn)對(duì)應(yīng)體積流量移向大體積流量側(cè)，且葉片正偏離下的失速區(qū)范圍大于負(fù)偏離時(shí).

（2）Δβ1＆2＝±5°時(shí)，正偏離下的風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能好于負(fù)偏離時(shí)；隨著Δβ1＆2的增大，負(fù)偏離下風(fēng)機(jī)性能和噪聲特性的惡化程度小于正偏離時(shí).此外，兩級(jí)動(dòng)葉異常時(shí)，第二級(jí)葉輪做功能力的降低幅度大于第一級(jí)葉輪.

（3）Δβ＝-5°、-8°時(shí)，葉輪做功能力低于同角度Δβ＞0°情形；隨著Δβ增大，Δβ＜0°時(shí)葉輪做功能力惡化程度低于Δβ＞0°情形，尤其Δβ＝-12°時(shí)較為顯著.Δβ較小時(shí)，正、負(fù)偏離對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的影響程度相近，隨著Δβ增大，葉片異常正偏離對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的影響整體大于同角度Δβ＜0°情形，表現(xiàn)為導(dǎo)葉區(qū)效率較低，流動(dòng)損失大.

（4）隨著Δβ的增大，風(fēng)機(jī)噪聲總體呈升高趨勢(shì)，小體積流量下LWmax升高幅度較大，葉片正偏離對(duì)異常葉輪噪聲分布的影響大于負(fù)偏離；兩級(jí)動(dòng)葉異常時(shí)的LWmax以及異常葉輪中間截面上高噪聲區(qū)的范圍和數(shù)值均高于單動(dòng)葉異常時(shí).

［1］郝尚勇.影響電站軸流風(fēng)機(jī)可靠性的因素及防范對(duì)策［J］.熱電技術(shù)，2010（3）：52-53.

HAO Shangyong.Preventive measures and influencing factors on reliability of axial flow fan in power stations［J］.Cogeneration Power Techonology，2010（3）：52-53.

［2］汪光明，周義蓮.風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障診斷綜述［J］.安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，23（1）：64-68.

WANG Guangming，ZHOU Yilian.Survey on faults diagnosis of fan vibration［J］.Journal of Anhui University of Technology：Natural Science，2006，23（1）：64-68.

［3］曹暉.軸流風(fēng)機(jī)葉片斷裂原因分析及改進(jìn)措施［J］.流體機(jī)械，2007，35（8）：39-42.

CAO Hui.Blade fracture analysis of an axial air compressor and its modification［J］.Fluid Machinery，2007，35（8）：39-42.

［4］宋波.雙級(jí)軸流一次風(fēng)機(jī)葉片漂移原因分析［J］.電氣技術(shù)，2009（11）：67-69.

SONG Bo.Cause analysis of two-grades axial-flow primary fan blades drifting［J］.Electrical Engineering，2009（11）：67-69.

［5］陳宜振，尹民權(quán).動(dòng)葉可調(diào)軸流通風(fēng)機(jī)機(jī)械故障原因分析［J］.風(fēng)機(jī)技術(shù)，2008（4）：68-73.

CHEN Yizhen，YIN Minquan.Reason analysis on mechanical fault in axial-flow fan with adjustable moving blade［J］.Compressor Blower ＆Fan Technology，2008（4）：68-73.

［6］KHELLADI S，KOUIDRI S，BAKIR F，etal.Predicting tonal noise from a high rotational speed centrifugal fan［J］.Journal of Sound and Vibration，2008，313（1／2）：113-133.

［7］LI Chunxi，WANG Songling，JIA Yakui.The performance of a centrifugal fan with enlarged impeller［J］.Energy Conversion and Management，2011，52（8／9）：2902-2910.

［8］LI Yang，LIU Jie，OUYANG Hua，etal.Internal flow mechanism and experimental research of low pressure axial fan with forward-skewed blades［J］.Journal of Hydrodynamics，Ser B，2008，20（3）：299-305.

［9］WANG Songling，ZHANG Lei，ZHANG Qian，etal.Numerical investigation of entropy generation and optimization on a centrifugal fan［J］.Advanced Science Letters，2011，4（6／7）：2240-2245.

［10］李春曦，尹攀，葉學(xué)民.單動(dòng)葉安裝角深度異常對(duì)軸流風(fēng)機(jī)性能及噪聲影響的數(shù)值模擬［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（35）：122-129.

LI Chunxi，YIN Pan，YE Xuemin.Simulation on performance and acoustic characteristics with deeply abnormal installation angle of single blade in a variable pitch axial fan［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32（35）：122-129.

［11］葉學(xué)民，李春曦，尹攀.動(dòng)葉安裝角異常反向偏離對(duì)軸流風(fēng)機(jī)性能的影響［J］.動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2013，33（9）：702-710.

YE Xuemin，LI Chunxi，YIN Pan.Effect of abnormal blade reverse deviation on performance of the axial fan［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2013，33（9）：702-710.

［12］李春曦，尹攀，葉學(xué)民.變工況下動(dòng)葉安裝角異常對(duì)軸流風(fēng)機(jī)氣動(dòng)和噪聲特性的影響［J］.動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2013，33（7）：530-538.

LI Chunxi，YIN Pan，YE Xuemin.Influence of abnormal blade installation angle on aerodynamic and acoustic characteristics of axial flow fan under variable working conditions［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2013，33（7）：530-538.

［13］石匯林，劉飛，吳克啟.軸流引風(fēng)機(jī)進(jìn)氣箱不同配置的性能比較［J］.流體機(jī)械，2007，35（6）：41-44.

SHI Huilin，LIU Fei，WU Keqi.Performance comparison of different configuration on inlet box of axial induced draft fan［J］.Fluid Machinery，2007，35（6）：41-44.

［14］黃超.大型動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬與實(shí)際工況比較研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2011.

［15］葉學(xué)民，李新穎，李春曦.兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)內(nèi)流特征的數(shù)值模擬［J］.動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2013，33（11）：871-877.

YE Xuemin，LI Xinying，LI Chunxi.Numerical simulation on internal flow field of a two-stage variable vane axial flow fan［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2013，33（11）：871-877.

［16］葉學(xué)民，李新穎，李春曦.第一級(jí)導(dǎo)葉改進(jìn)對(duì)兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)性能的影響［J］.動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2014，34（3）：228-235.

YE Xuemin，LI Xinying，LI Chunxi.Effects of firststage guide vane improvement on performance of twostage variable vane axial flow fan［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2014，34（3）：228-235.

［17］葉學(xué)民，李新穎，李春曦.第一級(jí)葉輪單動(dòng)葉安裝角異常對(duì)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)性能的影響［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（14）：2297-2306.

YE Xuemin，LI Xinying，LI Chunxi.Effect of the first-stage impeller with single abnormal blade on the performance of a variable pitch axial fan［J］.Proceedings of the CSEE，2014，34（14）：2297-2306.