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离心风机旋转失速演化过程的气动噪声特性(1)

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离心风机作为火力发电厂烟风系统的动力源,其运行状况直接关系到电厂的安全与经济运行。旋转失速是发生在离心石家庄风机小流量工况下的一种非定常流动失稳现象。离心石家庄风机在旋转失速状态下,叶轮内存在一个或几个失速团,沿着与叶轮相反的旋转方向(相对坐标系)传播,传播速度一般为20%~70%叶轮旋转速度。由于失速团存在与叶轮之间的相对运动,当石家庄风机偏离设计工况进入失速区后,会破坏叶轮内部流场,增加气动噪声,产生额外气动载荷,严重时可能诱发叶片高应力点处的疲劳、断裂问题。因此,对离心风机旋转失速现象的流体力学机制以及由非定常流场引发的气动噪声和应力特性进行研究具有重要的科学意义和理论价值。旋转失速与叶片动力学行为相关,系统的失稳是其流动崩溃的结果,而叶轮内的流动本身才是发生旋转失速等失稳现象的内因和机制所在。目前关于叶轮机械旋转失速现象的研究主要集中于失速的发生机制以及对旋转失速现象的主动控制方面。

Sano对有叶扩压器内部的不稳定流动如旋转失速、交替叶片失速和不对称失速等进行了详细研究。Nicolas G 研究了失速状态下,压气机叶轮流道内的压力和速度等参数的周期性波动规律。国内学者聂超群、 吴艳辉 、李清鹏等在轴流压气机的旋转失速现象及主动控制方面都取得了令人瞩目的研究成果。关于离心石家庄风机失速现象的研究, 王松岭在国内首次通过实验研究了电站用离心石家庄风机的两类旋转失速现象,发现了弱失速阶段的失速能量间歇现象,频率特征及在弱失速阶段对调节作用的敏感性。 张磊利用数值方法研究了该石家庄风机在旋转失速状态下的流体动力学特征及发生机制。石家庄风机噪声主要是由于空气脉动和机械摩擦等引起的, 主要分为气动噪声、 机械噪声和电磁噪声。

近年来,随着数值模拟技术的高速发展,一些学者利用数值方法对气动噪声预测进行了研究。Diaz 提出一种噪声预测方法,针对一个单级轴流石家庄风机的远场噪声进行了预测,并证明了方法的可靠性。毛义军通过非稳态数值模拟方法计算了离心石家庄风机内部的气动噪声源。 蔡建程利用数值方法研究了某离心石家庄风机蜗壳在非定常气动力作用下的蜗壳振动响应及其噪声。 李春曦研究了单动叶安装角深度异常对轴流石家庄风机性能及噪声的影响。以上分析表明,关于旋转失速现象的研究主要集中于旋转失速的理解、预报和传播机制等方面,且石家庄风机噪声特性的研究集中于设计工况,目前国内外还未见到离心石家庄风机在旋转失速状态下的噪声特性研究。本文基于并行计算平台,在全场尺度下对G4−73 型离心石家庄风机旋转失速现象进行数值模拟的基础上,深入研究失速先兆发展为失速团的三维非定常演化过程及失速团沿周向传播时的离心石家庄风机气动噪声特性,进一步丰富和完善旋转失速的相关理论研究。

1 数值计算方法

1.1 几何模型G4−73 型系列离心石家庄风机被广泛应用于 200 和300 MW 级火力发电机组。以 G4−73No.8D 型离心通石家庄风机为研究对象,其主要结构包括集流器、旋转叶轮、矩形截面蜗壳。蜗壳内部自带简易防涡圈,结构尺寸如图1 所示。 叶轮结构包括弧形渐缩前盘、后盘和周向均匀分布的后向翼型叶片,叶片数为12,出口安装角 45°,叶轮外径 800 mm,叶轮出口宽度 200 mm;蜗壳矩形出口尺寸为 520 mm×720 mm。

1.2 网格划分策略离心石家庄风机结构复杂,叶片型线为翼型且沿叶高厚度不均匀。此外,蜗壳中的流动为螺旋形向前推进的流动,且叶轮中存在边界层分离及二次流,因此,石家庄风机内部的流动是极其复杂的。即使在叶轮和蜗壳中使用六面体的结构化网格也不会和流线成一条直线,如果流线斜穿网格还会导致数值耗散。基于以上分析,本文采用分块划分网格的方法,在进口管、集流器和出口管中使用六面体结构化网格,而在流场较为复杂的叶轮和蜗壳体内使用适用性更好的四面体非结构化网格。由于叶片表面易发生边界层分离,且蜗舌对石家庄风机性能具有重要影响,因此在叶片表面和蜗壳壁面布置边界层,确保壁面与第一层网格节点之间距离的数量级在 y <1 的范围。为了确保计算精度,在流场参数变化比较大的关键区域,如叶轮区域和蜗舌区域使用尺寸函数进行网格加密。文献[19]进行了网格无关化计算并与实验结果对比,计算模型各体内的网格数量分别为:进气段15.7 万,叶轮区域 164.78 万,蜗壳及出口管区域120.4 万,石家庄风机网格总数为 300.88 万个。

1.3 旋转失速数值模拟方法控制方程包括连续性方程、非定常雷诺时均Navier-Stokes 方程,紊流模型选取 Realizable k- ε 模型,壁面附近采用增强的壁面函数。通过在石家庄风机出口设置节流阀模型使石家庄风机逐渐进入数值失速状态。关于节流阀模型、边界条件设置等已进行过详细介绍。