雙凹槽葉頂軸流風機噪聲預估及葉片靜力結構分析

李鵬敏，葉學民，李春曦

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

雙凹槽葉頂軸流風機噪聲預估及葉片靜力結構分析

李鵬敏，葉學民，李春曦

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

葉頂結構型式對軸流風機性能、噪聲及葉片靜力特性等均有一定影響。以OB-84型帶后置導葉的軸流式通風機為對象，采用Fluent數值模擬軟件及Ansys有限元分析模塊，通過比較開槽前后風機軸功率的變化探討雙凹槽葉頂結構的節能效果，分析了原葉頂及雙凹槽葉頂下風機噪聲及葉片的靜力結構特性。研究表明:雙凹槽葉頂下風機軸功率有所下降，設計工況下軸功率較原葉頂時下降了3.96%，可在一定程度下降低風機的能耗;雙凹槽葉頂下風機噪聲有較大幅度提高，設計工況下噪聲較原葉頂時增長約14.88%，給風機正常運行帶來不利影響;不同葉頂下葉片的靜強度校核結果均滿足要求，即采用雙凹槽葉頂結構不會引起葉片的變形及斷裂失效。

軸流風機;雙凹槽葉頂;軸功率;噪聲;靜力分析

0 引言

隨電站機組容量的不斷增加，動葉可調軸流式通風機以其高比轉速、大流量等優點成為發展趨勢。風機耗電量約占廠用電總量的25%～30%。因此對風機進行節能改造，對降低廠總耗電量具有重要的現實意義。已有研究表明適當改變葉頂結構，可有效改善葉輪性能。Mischo等［1］探討了葉頂結構對渦輪性能的影響，提出一種改進的凹槽狀葉頂，改進后渦輪效率提高了0.38個百分點。Parkash［2］在傳統凹槽狀葉頂基礎上對葉頂進行優化得到一種壓力邊傾斜壁凹槽葉頂結構，此葉頂結構下渦輪效率較傳統凹槽狀葉頂情形提高0.1～0.25個百分點。高杰和鄭群［3］研究了平葉頂及三種不同類型的凹槽狀葉頂對渦輪性能的影響，雙凹槽葉頂下渦輪效率最高，較平葉頂時提高了0.41個百分點。

葉頂間隙流動對葉輪機械的噪聲存在重要影響。適當減小葉頂間隙可有效提高風機性能同時降低噪聲［4－6］。吳克啟［7］探討了不同工況下葉頂間隙大小對葉輪噪聲的影響。實驗表明，設計工況下，間隙大小對噪聲影響較大，當間隙尺寸超過某一值時噪聲隨間隙的增大明顯上升;而在非設計工況下，間隙尺寸的變化對噪聲影響不大。王立紅等［8］模擬了不同間隙大小下風扇內部渦流及噪聲分布，表明葉頂間隙及泄漏渦流直接影響風扇的氣動性能及噪聲特性，該研究為風扇的優化設計及降噪處理提供了理論依據。陳慶光等［9］采用數值方法研究了軸流風機葉頂間隙內的流場分布，驗證了泄漏渦的存在，并利用寬頻聲源模型模擬得到了葉片表面的聲功率分布，得到了葉頂間隙對氣動噪聲的影響;模擬結果表明泄漏渦的生成演化過程是渦流噪聲產生的主要原因。Neise［10］的試驗研究表明，寬頻噪聲隨葉頂間隙的增大而升高，旋轉葉片周圍的不穩定流動是形成葉頂間隙處渦流和噪聲的根源。Kameier和Neise［11］在葉頂間隙內安置紊流發生器后風機的全壓和效率分別提高了14%和7%，聲功率級降低了11dB，這主要是因紊流發生器的存在干擾了間隙中的二次流所致。

目前，關于電廠中風機存在的主要問題及節能改進技術的研究較多。馬少棟等［12］針對電廠中軸流風機失速和喘振問題，分析和總結了發生失速和喘振的原因及相應的處理措施，并歸納了預防措施。童家麟等［13］比較了引風機和增壓風機合并運行前后的節能效果，結果表明該運行方式可有效降低廠用電率。軸流式葉輪機械葉頂間隙的研究仍主要集中在以下兩方面:葉頂間隙形態改變后對間隙內泄漏流、泄漏損失及葉輪氣動性能的影響;不同間隙尺寸下葉輪機械氣動性能及噪聲的變化情況。而有關葉頂結構改變后對風機噪聲及葉片靜力結構特性的研究還很少。為此，本文以OB－84型動葉可調軸流風機為對象，基于數值模擬方法探究原葉頂及優化效果顯著的雙凹槽葉頂下的風機的軸功率、噪聲及葉片靜力結構特性，探討雙凹槽葉頂結構對改善風機性能的改善效果，同時為葉頂結構改變后風機安全運行性能提供理論支持。

1 數值模擬

1.1 計算域及網格劃分

研究對象OB-84型動葉可調軸流風機基本參數如下:葉輪直徑D=1 500 mm，輪轂比d/D=0.6，葉頂間隙δ=4.5 mm;風機轉速n=1 200 r/min，葉輪葉片數Ni=14，后置導葉葉片數Ng=15。

在Gambit中分別建立原葉頂及雙凹槽葉頂下風機模型，采用Fluent軟件對整機性能進行三維數值模擬。原葉頂與雙凹槽葉頂如圖1所示。凹槽長度為70%葉頂軸向弦長，凹槽深度為3 mm。風機整機計算域由集流器、葉輪、后置導葉及擴散筒組成。風機網格均采用結構化/非結構化混合型網格，并采用尺寸函數對葉頂區域網格進行局部加密，如圖2所示。為排除網格數對模擬結果的影響，對風機整機網格進行無關性驗證，選取5組不同的網格數量分別對風機性能進行模擬，模擬全壓及效率值如表1所示，可看到，當風機整機網格總數超過367萬后，全壓及效率變化均很小。綜合考慮計算時長及模擬精度最終確定原風機整機網格單元數為367萬。改進后的雙凹槽葉頂下風機整機網格數約為407萬。

圖1 原葉頂與雙凹槽葉頂葉片實體

表1 網格無關性驗證

圖2 OB-84型軸流式風機整機計算域及網格

1.2 控制方程及計算方法

采用Fluent求解三維定常N-S方程組，為更好地模擬間隙內的復雜流動，采用Realizable k－ε湍流模型［14－17］;風機內部噪聲源分布采用寬帶噪聲源模型。由于噪聲沒有固定的頻率，因此在涉及寬頻噪聲時可通過求解雷諾時均方程得到湍流參數的統計學分布。

為提高計算精度，控制方程中的各變量和黏性參數均采用二階迎風格式進行離散，基于SIMPLE算法實現壓力和速度的耦合進行迭代求解。以集流器進口截面和擴散筒出口截面作為整個計算域的進、出口，進口給定速度入口條件，出口給定自由出流條件，固體壁面選用不可滑移邊界條件。近壁面區給定標準壁面函數條件，忽略重力及壁面粗糙度對計算的影響。葉輪定義為旋轉動區域，集流器、導葉及擴散筒均定義為靜區域。旋轉葉輪和靜止機殼之間的耦合采用多參考坐標系 (MRF)模型。

1.3 靜力分析模塊

在Gambit中分別建立原葉頂及雙凹槽葉頂下的葉片實體模型，部分葉片實體如圖1所示。將葉片實體模型分別導入Ansys workbench 14.5中，利用靜力結構分析模塊研究不同葉頂下葉片表面等效應力及最大變形量分布。在有限元網格劃分過程中，網格單元選用帶中間節點的四面體實體單元Solid187(含10個節點)，網格劃分采用自由網格劃分方式，設定網格單元大小為15 mm。原葉頂及雙凹槽葉頂下葉片網格單元數分別為11 256及164 256，節點數分別為67 254及254 144。

2 結果與分析

2.1 模擬值與實驗值比較

研究中需驗證模擬結果的可靠性，為此表2給出了原風機在流量為33.29～46.61 m3/s范圍內(設計工況下流量為37.12 m3/s)的全壓及效率的模擬值與原性能曲線上的實驗值。由表可知，模擬工況下，全壓和效率的平均相對誤差分別為4.56%和1.16%(設計工況下分別為3.78%和0.54%)，均在5%誤差范圍內，保證了本文數值模擬結果的準確度。

表2 模擬結果與實驗結果

2.2 軸功率變化

風機的軸功率Psh定義為單位時間內原動機傳遞給風機軸上的能量，也稱風機的輸入功率，其大小可反映風機耗電情況［18］。在保證風機風量和全壓滿足實際要求的前提下，軸功率越小，即電機輸出功率越少，其耗電量就越低。因此應盡可能地降低風機軸功率以達到節能降耗的目的。

圖3為各模擬工況下原葉頂及雙凹槽葉頂風機軸功率的變化。該圖表明，在模擬流量范圍內雙凹槽葉頂風機軸功率較原葉頂時均有所下降，即采用雙凹槽葉頂結構可在一定程度上減少耗電達到節能的目的。在設計工況下，雙凹槽葉頂時風機軸功率較原風機下降了3.96%，對降低風機的能耗有重要意義。

圖3 軸功率比較

上述軸功率的分析表明雙凹槽葉頂結構作為降低風機能耗這一措施理論上可行，為更全面的研究雙凹槽葉頂的實際價值，下文對雙凹槽葉頂下風機的噪聲進行預估，并對葉片強度進行校核。

2.3 噪聲預估

雙凹槽葉頂雖然降低了風機軸功率，但對風機噪聲有顯著影響。定常模擬結果表明，設計工況下原葉頂時風機最大聲功率級LWmax=110.27dB，雙凹槽葉頂下LWmax=126.68dB，較原葉頂時提高了14.88%。

整機聲源功率級近似表現為對稱分布，靠近集流器入口部位，噪聲最小，最大聲源功率級主要分布在葉輪內部靠近機殼處。這主要是由于葉頂間隙的存在使得部分氣流在葉片壓力面與吸力面壓差的作用下通過葉頂間隙，形成氣流泄漏，并在間隙區內形成逆壓梯度。當間隙氣流流出間隙區后，對主流造成較大擾動，形成二次流，引發葉頂附近較高的聲強分布［19－20］，使得葉頂區域成為風機所有結構中聲強分布最高的部位。

為進一步分析雙凹槽葉頂結構對風機噪聲的影響，圖4給出了設計工況下葉輪區33%軸向弦長截面上的聲源功率級分布。圖4a表明，在原葉頂結構下，葉輪內的聲源功率級近似呈對稱分布，最大噪聲源主要集中在葉頂間隙處的微小區域(圖中區域A)，最大值為85 dB?？拷鞯乐邢虏繀^域存在一明顯低噪聲區 (區域B)，最小值為5 dB。這主要是因氣流通過流道時的攜帶作用及流道內的回流效應造成的，聲源功率級從壓力面到吸力面逐漸減小，且在旋轉作用下，低噪聲區向相鄰葉片壓力面靠近［21］。比較圖4a和4b可知，采用雙凹槽葉頂時葉輪內聲源功率級的總體分布并未發生異常，但整體聲源功率值有一定幅度提高，此時葉頂處最大聲源功率級為98 dB，較原葉頂時增加了13 dB;同時流道內最低聲源功率級也由原葉頂時的5 dB上升至10 dB，即采用雙凹槽葉頂會導致風機噪聲有較大幅度提高，因此在實際應用中選用雙凹槽葉頂結構時須采取積極的降噪措施，以保證風機正常運行。

圖4 聲源功率級分布

2.4 靜力結構特性

葉頂結構改變后，其附近的流場及壓力場將重新分布，葉片表面的載荷也隨之發生改變，因此有必要對葉頂改變前后葉片表面的靜力強度進行校核，以保證風機的安全運行。葉輪旋轉過程中，作用在葉片上的載荷主要包括葉片受到的離心力慣性載荷、葉片本身的質量引起的重力加速度載荷以及流體對葉片表面產生的壓力載荷。氣動力垂直葉片表面，對葉片產生壓力作用，而離心力沿葉片徑向分布，使葉片產生拉伸變形;同時葉片重量沿葉片長度交替在葉片根部產生拉應力和壓應力易對葉片根部產生疲勞損壞［22］，三者對葉片不同的作用效果相互疊加最終表現為如圖5所示的葉片等效應力及總變形分布。

圖5 葉片等效應力分布

圖5為原葉頂及雙凹槽葉頂葉片表面等效應力分布。圖5a表明，原葉頂葉片表面最大等效應力集中在吸力面葉根靠近前緣部位，其值為8.321 MPa，等效應力沿葉高方向逐漸減小，在葉頂附近應力值最小僅為0.009 8 MPa。比較圖5a和5b可看出，雙凹槽葉頂葉片表面等效應力分布趨勢與原葉頂時基本一致，最大等效應力仍出現在葉片吸力面葉根部位靠近尾緣區域，最大應力值為8.382 MPa，較原葉頂時僅增加0.73%，葉頂處最小應力減小為0.003 2 MPa，較原葉頂時下降約67.34%。

圖6為不同葉頂形態下的葉片表面總變形分布。圖6a表明，葉片最大總變形出現在葉頂尾緣處，變形量約為0.067 mm，按圖6a中箭頭所示葉片對角線方向總變形量逐漸減小，靠近葉根部位總變形量下降為零。對比圖6a和6b可知，雙凹槽葉頂下葉片表面總變形分布與原葉頂時基本一致，仍呈現沿對角線下降趨勢，且最大總變形量為0.069 mm，較原風機增加了約3.5%。由于葉頂附近等效應力很小而總變形量較大，因此雙凹槽葉頂對葉片表面總變形分布的影響較等效應力更為顯著。

圖6 葉片總變形分布

在靜應力強度儲備系數計算中，通常選取材料的屈服極限作為極限應力。采用第四強度理論對軸流風機葉輪葉片進行強度校核。塑性材料的許用應力［σ］ =σs/ns，其中，σs是材料的屈服極限，ns為塑性材料的安全系數，一般對于彈性結構加載靜力載荷的情況下，ns取值范圍為1.5～2。本文所選風機葉片材料為鑄鋁，鑄鋁材料ZL101的屈服強度σs為180 MPa，ns取值為2，可得葉片的許用應力為90 MPa。雙凹槽葉頂葉片表面最大等效應力僅為8.382 MPa，遠小于葉片許用應力。因此雙凹槽葉頂風機的靜強度仍滿足要求。

3 結論

(1)采用雙凹槽葉頂結構后可在一定程度上降低風機軸功率，設計工況下，風機軸功率較原葉頂時減少了3.96%，即采用雙凹槽葉頂結構對風機的節能降耗有重要意義。雙凹槽葉頂結構對風機噪聲影響較為顯著，風機最大聲功率級較原風機明顯增加，設計工況下增長約14.88%，因此采用雙凹槽葉頂時應采取適當的降噪措施。

(2)靜力結構分析表明雙凹槽葉頂葉片表面最大總變形量及最大等效應力均略高于原葉片，設計工況下分別增加3.5%和0.73%，但仍滿足葉片靜強度校核要求，即采用雙凹槽葉頂不會導致葉片的變形或斷裂失效。

(3)綜合考慮雙凹槽葉頂結構下風機軸功率、噪聲及靜力分析結果，可知雙凹槽葉頂結構具有一定的工程實用意義，可保證風機在安全運行的前提下達到節能的目的，對提高電廠運行經濟性具有重要的參考價值。

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Noise Prediction and Blade Static Analysis of an Axial Fan with Double Grooved Blade Tips

Li Pengmin，Ye Xuemin，Li Chunxi
(School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

The blade tip structure style has certain influence on the performance，noise and blade static characteristics of an axial flow fan．The present study was based on an axial fan with rear guide vane of type OB － 84 by using Fluent and Ansys Finite Element static structure analysis module．The energy saving effect of the double grooved blade tip structure was discussed by comparing the shaft power of the fan before and after blade grooving．The analysis was mainly on the noise and the blade static performance of the fan under both the original and double grooved blade tips．The simulated results show that the shaft power of fan with double grooved blade tips has been reduced to some extent，the shaft power of the fan under designed condition has dropped by 3.96%compared with that of the original tip．Therefore，the double grooved blade tip structure can reduce the energy consumption of the fan to a certain level．The noise of the fan with double grooved blade tip has been greatly improved，and it has been increased by 14.88%under the designed condition，which will bring adverse effect to the normal operation of the fan．The static strength tests results of original blade and double grooved blade all meet the requirements．Hence，the double grooved blade tip will not cause distortion failure and fracture failure of the blade．

axial flow fan;double grooveed blade tip;shaft power;noise;static analysis

TK83

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.03.002

2015－01－19。

河北省自然科學基金 (E2012502016);中央高?；究蒲袠I務費專項基金 (13MS98)。

李鵬敏 (1987-)，女，碩士研究生，主要從事流體力學及流體機械方面的研究，Email:lipengmin0201@163.com。