非均勻葉輪對多翼離心風機氣動性能和噪聲的影響**

（華中科技大學能源與動力工程學院）

0 引言

多翼離心風機具有尺寸小、流量、壓力系數(shù)高和噪聲低的優(yōu)勢，被廣泛應用于空調(diào)調(diào)節(jié)、通風換熱等場合。在其正常運行時，葉輪周期性旋轉產(chǎn)生的氣動噪聲遠大于風機的機械噪聲和電磁噪聲，故對氣動噪聲展開研究具有十分重要的意義。風機氣動噪聲按照頻率特性分析可以定義為離散噪聲和寬頻噪聲。據(jù)相關文獻分析，多翼離心風機的主要噪聲源是葉輪處的離散噪聲，針對多翼離心風機的降噪研究，李爍[1]等人采用偏心葉輪的優(yōu)化設計方案，促進風機噪聲降低，劉小民[2]等人應用仿生葉片在不改變風機氣動性能的情況下,有效地降低風機氣動噪聲，楊昕[3]等人用試驗的方法改變?nèi)~輪與蝸殼相對安裝位置來降低風機噪聲等。葉輪處產(chǎn)生的離散噪聲，除了葉片結構、葉輪安裝位置對其有影響，葉片周向角均勻布置也會產(chǎn)生離散噪聲，降低葉輪離散噪聲的有效手段就是破壞這種均勻布置即葉片非均勻分布。

不少國內(nèi)外學者針對葉輪機械非均勻問題展開了相關研究。吳大轉[4]等研究了非均勻葉片對微型混流式風機氣動噪聲的影響。劉志超[5]等人發(fā)現(xiàn)非均勻葉片分布對旋渦自吸泵穩(wěn)態(tài)性能有一定影響。馬建峰[6]等人根據(jù)文獻[7]進行葉輪的非均勻設計，發(fā)現(xiàn)非均勻葉片可以降低離心通風機基頻噪聲的峰值。劉敏[8]等人發(fā)現(xiàn)采用非均勻葉片布置在同轉速下可以降低貫流風機在葉輪和蝸舌處的BPF噪聲。

上述研究均說明，葉片非均勻分布在葉輪機械降噪方面有較好的應用效果，但鮮有學者將其應用到多翼風機的節(jié)能降噪研究中。因此，本文按照正弦曲線和隨機分布對某多翼風機葉片進行非均勻調(diào)制，基于數(shù)值和實驗手段得出非均勻分布對風機性能和氣動噪聲的影響規(guī)律。

1 研究對象

實驗風機為一雙吸多翼離心風機，其幾何模型如圖1所示，主要由外部風道、蝸殼、葉輪、出風罩四部分組成。葉輪外徑D2=236mm，輪轂比υ=0.847，葉輪進口角β1=58°，出口角β2=163°，葉片數(shù)Z=60，轉速為1 200r/min，氣流由外部風道下方進入，分別從葉輪前后段進入風機。由于葉輪后段內(nèi)部安裝電機，進氣狀態(tài)受到影響，氣體主要通過前進風口進入風機。

圖1 試驗風機模型圖Fig.1 Experimental fan model

2 葉片非均勻方案設計

2.1 正弦調(diào)制

葉輪設計要保證自身的動平衡[9]，以保證風機安全穩(wěn)定的運行。葉片非均勻設計的關鍵是以轉子自平衡理論為基礎。本文所述葉片非均勻即葉片之間的夾角沿周向不相等，主要通過葉片夾角按正弦分布和隨機分布規(guī)律對葉輪進行非均勻調(diào)制。所述正弦調(diào)制，即葉片分布角按正弦調(diào)制曲線分布，正弦調(diào)制函數(shù)為：

其中，A為調(diào)制的幅度；n為調(diào)制量的循環(huán)次數(shù)；k為葉片位置；θ為均勻葉片間隔角；θ'為非均勻葉片間隔角。

調(diào)制前葉片轉角:

調(diào)制后葉片轉角:

A值大，諧波振幅愈大，對應葉片節(jié)距的分布愈不均勻，即過大的A值會影響氣動性能的變化。A值的變化將影響風機的氣動性能。因此，本文定義非均勻調(diào)制度φ對葉片非均勻程度進行控制。

本文基于正弦調(diào)制函數(shù)，根據(jù)參數(shù)φ和n的不同設計四種新的葉片分布方案A,B,C和方案D。表1為四種方案的具體參數(shù)。

表1 四種非均勻葉片分布方案參數(shù)表Tab.1 4 kinds of non-uniform impellers parameters

2.2 隨機分布

本文所述葉片隨機分布即葉片之間的夾角沿周向疏密相間分布。在保證φ=8%的前提下，選取每6個葉片為一組，每一組內(nèi)的葉片夾角相等，設置調(diào)制循環(huán)周期為5，對應方案E。

圖2為原型機與葉片非均勻分布五種方案葉片之間的夾角示意θ沿周向的分布曲線。圖3為對應的幾何示意圖。

圖2 各方案夾角分布圖Fig.2 Angle distribution of each scheme

圖3 各方案幾何示意圖Fig.3 Geometric schematic of each scheme

3 數(shù)值方法及實驗驗證

3.1 數(shù)值方法

如圖4所示，數(shù)值分析時將計算流域劃分為外部方腔、葉輪、蝸殼、出口罩和出口延長段五個部分，各個流域間通過interface連接。葉輪采用結構化網(wǎng)格，其它區(qū)域采用非結構化網(wǎng)格。交界面上的網(wǎng)格尺寸大小保持一致，葉輪區(qū)域和蝸舌區(qū)域進行網(wǎng)格加密。對網(wǎng)格進行無關性驗證，確定葉輪網(wǎng)格數(shù)量為300萬，蝸殼網(wǎng)格數(shù)量為135萬，整機計算域網(wǎng)格數(shù)量555萬。

圖4 計算域示意圖Fig.4 Computational domain diagram

流場計算采用FLUENT軟件進行計算，給定壓力進口、壓力出口邊界條件，風機轉速為1 200rpm。旋轉區(qū)域采用MRF多參考坐標系模型。湍流模型采用SSTκ-ω，速度-壓力耦合選用SIMPLE算法，湍流耗散項、湍流動能和動量方程的離散均采用二階迎風格式。

3.2 試驗測量

分別對五種方案機進行性能試驗，以驗證葉片非均勻程度對風機氣動性能的影響?？諝庑阅茉囼炁_參照《GB/T 1236-2000工業(yè)通風機用標準化風道進行性能實驗》[10]中設置，圖5為性能試驗臺示意圖。

圖5 性能試驗臺示意圖Fig.5 Performance experiment station diagram

試驗時，試驗裝置使用同一個蝸殼、進風口、進氣管道、電機和同一套測量系統(tǒng)，區(qū)別只在于更換不同的葉輪，即原型機與非均勻葉片風機之間只是葉輪不同。另外在試驗中，風機電機為交流電機，出風口通過連接器與空氣性能試驗裝置的十字整流器連接，氣流依次通過連接器、十字整流器和擴散段后進入減壓筒和擴散段后進入減壓筒。通過變換減壓筒下游孔板的開孔直徑，測得每一個工況點的動態(tài)測試數(shù)據(jù)，并通過計算得出空氣性能試驗結果。試驗應有足夠的持續(xù)時間，以獲得一致的結果和達到預期的試驗精度。每測一個流量點應有一定的時間間隔，并應同時測量流量、全壓、靜壓、轉速和軸功率。試驗從零流量開始，是在變轉速條件下測試，為方便與數(shù)值模擬結果對比，現(xiàn)換算成同一轉速n=1 200r/min。噪聲測點位置在葉輪旋轉軸方向，距離風機進口1m處。

4 結果與分析

4.1 風機氣動性能對比

圖6為五種方案數(shù)值模擬得到的風機靜壓和效率對比曲線?？梢婋S著A值的增大，風機呈現(xiàn)靜壓和效率下降趨勢，即過大的A值會影響氣動性能的變化。

方案A和B相比，在葉片調(diào)制周期相同的條件下，A值越小，出口靜壓及效率值越高。同時，方案C和D也表現(xiàn)出一樣的規(guī)律。與原風機相比，五種方案對應風機的靜壓和效率降低。方案A和C在相同調(diào)制度φ時，調(diào)制程度φ越小，循環(huán)次數(shù)n越少，風機靜壓和效率越大。隨機分布方案E與正弦調(diào)制方案A，B，C和D相比較，靜壓和效率均較低，這說明正弦調(diào)制方案對風機氣動性能的影響優(yōu)于隨機分布方案。

總體上，原風機和葉片非均勻分布方案對應的風機靜壓和效率相差不大，因此，葉片非均勻分布不會明顯降低風機氣動性能。根據(jù)上述模擬結果分析對比，本文推薦葉片在非均勻調(diào)制時，φ小于20%。

圖7為原型機與5種新型方案試驗測得氣動性能曲線。結果表明5種方案氣動性能相差不大，相對原型機，靜壓及效率略有下降。方案D和方案E性能下降幅度最大，方案B和方案C次之，且方案C略優(yōu)于方案B，方案A性能最接近原型機。造成這5種方案的氣動性能不同是由于葉片疏密程度不同導致的葉道阻塞系數(shù)不同。

將實驗結果與數(shù)值模擬結果進行比較發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬與實驗測量得到的性能曲線趨勢基本一致，吻合良好。

4.2 葉片分布對噪聲的影響

根據(jù)數(shù)值模擬與試驗得到的氣動性能結果表明，方案A,B和C與原風機的氣動性能相差不大，故分析此三種方案的噪聲性能。圖8為非均勻方案A,B和C的噪聲曲線，可見在風機全工況范圍內(nèi)，三種方案噪聲均降低，方案C的降噪效果最好，噪聲降低2～4dB。在Qv＞10.8m3/min工況，方案A的噪聲小于方案C約1.5dB；在Qv＜10.8m3/min工況，反之。綜上，調(diào)制幅度A值越大，相應的諧波振幅下降值也愈大，風機噪聲越低。總的來說，在適當?shù)恼{(diào)制程度下，葉片非均勻布置可以使多翼離心風機噪聲降低1～4dB。

圖6 數(shù)值計算結果性能對比Fig.6 Performance comparison of numerical calculation results

圖7 試驗風機性能曲線對比Fig.7 Comparison of experimental fan performance curves

5 結論

本文采用數(shù)值模擬與試驗手段研究了五種葉片非均勻分布方式對多翼離心風機性能及噪聲的影響，得到以下結論：

1）當葉片非均勻調(diào)制度φ小于20%時，原風機與葉片非均勻分布方案對應的風機氣動性能相差不大。

2）基于葉片正弦分布和隨機分布的非均勻方案對應的數(shù)值模擬和實驗對比分析，結果表明隨機分布的氣動性能會差于正弦分布。

3）本文提出5種葉片非均勻方案模型，其風機氣動性能變化較小，其中方案A的氣動性能最優(yōu)且最接近于原型機，方案C和方案D的氣動性能最差。

圖8 風機噪聲性能對比Fig.8 Fan noise performance comparison

4）在保證氣動性能的條件下，選擇方案A,B,C進行噪聲試驗，發(fā)現(xiàn)在相同的轉速下可以降低多翼離心風機的總離散噪聲A聲級2～4dB。其中，方案B的噪聲性能最好，說明調(diào)制幅度A值越大，相應的諧波振幅下降值也愈大，風機噪聲越低。