齿形叶片降低离心式风机噪声的实验研究

　　前言

　　风机的空气动力性噪声主要由旋转噪声和涡流噪声组成。叶片在蜗壳内高速旋转所产生的空气动力性压缩过程,含有较强的周期性脉动气流及尾迹,这种随时间变化的压力脉动使叶片产生旋转辐射噪声。而随着雷诺数Re的增大,尾迹中又将出现流体微团的横向运动,由层流状态过渡到紊流状态,产生旋涡,造成附面层分离,分离时形成的旋涡不断被主流带走,在叶片后形成尾涡区产生涡流噪声[1]。人们虽然对风机涡流噪声有较清晰的认识,但由于涡流参数的复杂性,目前还没有可指导实际风机设计的理论公式或技术方案,涡流噪声一直是降低风机噪声的难题。流线型叶片在一定的流场条件下可实现附面层分离点后移,改善涡流形成的条件。本文对后缘呈齿状结构的风机叶片进行了降噪实验研究。

　　1　齿形叶片的降噪机理

　　图1为在叶片的出气边(后缘)按一定尺寸制成的齿形叶片示意图。图2为按齿形叶片制成的风机叶栅后缘局部尾涡示意图。当气流流经叶栅后缘部位时,由于叶栅两侧压力梯度不同,使得叶栅高压面的气流在压力作用下向低压面流动,形成环绕齿形边缘的小涡流,涡流的旋向各自不同。齿根部位旋向与主流方向相反,即与叶栅后缘为平滑边缘时的涡管旋向相同。齿根部位产生的涡流是叶片附面层分离点后面逆流的主要成分,而齿根至齿尖部位的涡流则在与主流运动方向的垂直方向上产生了速度投影分量,该分量的大小与齿节距和齿高有直接关系。由于涡流是在齿形两侧产生的,则其在主流运动方向的垂直投影分量的大小相当、旋向相反,两股涡流的旋转动能将相互抵消一部分,从而降低了齿根至齿尖部分的涡流强度。这一抵消过程是在齿根与齿尖涡流产生直至涡流脱离叶片被主流带走这一段时间内完成的,其作用的结果是将原有的旋转动能较大的长涡管分离成若干段小股涡流,整体上降低了尾涡区的涡流强度,改善了叶片后缘气流的紊流程度。

　　由文献[2]得知,粘性流体在压力降低区内流动决不会产生附面层分离,只有在压力升高区内流动,才有可能出现分离,形成涡流。由于叶片后缘齿根部位提前于齿尖改变了叶片的压力分布状态,使叶片高压气流部分提前流向叶片低压面。又由于叶片齿根部位有一定厚度,造成局部压力升高,使得压力升高而产生的附面层分离局限在齿根部位,从整体上减小了附面层分离区,即减小了叶片后缘直线形涡管总长度L[3],从而达到降低叶片辐射声能的目的。

　　2　实验方法及实验结果

　　2.1　实验装置和实验方法

　　实验装置放置在10m×8m×6m的消声室内,风机气动性能测量、噪声测量分别按国家标准GB1236-85和GB2888-91进行。为减小进气口噪声及电机噪声对出气口噪声测量的影响,在进气口和电机与风机出气口之间用吸声材料隔断开。实验风机是在Y548 No.5C基础上改变局部结构完成的,叶轮直径为500mm,转速为0～2000r/min可调,叶片数12(有分流),叶片型式为后弯平板型,进口角8°,出口角50°,进气管直径450mm。实验分两组进行。第1组齿节距t=b/5,齿高h=b/5、b/10、b/20,主要考察齿高对噪声的影响;第2组齿高h=b/10,齿节距t=b/5、b/10、b/20,主要考察齿节距对噪声的影响。实验系统简图见图3。