变工况下动叶安装角异常对轴流风机气动和噪声特性的影响

李春曦， 尹 攀， 叶学民

（华北电力大学 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，保定071003）

动叶可调轴流风机具有径向尺寸小、重量轻、流量大、启动力矩小和适应性强等优点．其通过改变动叶安装角不仅可以高效地实现工况调节，而且可避免小流量下容易进入失速区的不足，是一种高效节能的运行方式，因此正逐步成为大型锅炉送风机、一次风机和其他通风系统的主流选择［1］．

随着轴流风机向大型化和精密化发展，其内部结构日趋复杂，运行过程中出现了新的不安全因素，如变工况时动叶安装角发生非同步调整现象，由此诱发风机异常振动和噪声增加，严重时可能导致风机停机检修．目前，对风机的研究主要是针对离心风机［2］，对轴流风机的研究主要集中于叶片受力断裂［3］、不同工况下的气动特性［4－6］、噪声特性［7－9］、失速与喘振［1］等方面．有关动叶安装角异常对轴流风机的影响，仅有叶学民等［10－11］对异常叶片安装角正向偏离6°、12°和18°下的内流特征和运行性能进行了研究．而在实际运行中，因负荷调整需要，轴流风机常处于变工况运行，故易发生动叶大角度偏离现象（图1），由此改变了轴流风机运行性能并影响其安全运行，而变工况下叶片安装角大角度偏离对风机内流特征、噪声和运行性能的影响尚未见相关研究报道．因此，深入研究动叶可调轴流风机变工况下叶片安装角异常时的影响具有一定的现实意义和参考价值．

图1 单动叶大角度偏离Fig．1 Larger drift of single blade installation angle

笔者以带后导叶的OB－84型轴流风机为研究对象，通过对多种工况下单动叶安装角发生不同程度偏离时风机内的流场特征进行三维数值模拟，分析风机全压、效率、内流和噪声特征的变化，并与正常情形下进行比较，以探讨风机内流特征和宏观性能的变化．

1 数值计算方法

1．1 几何模型

以OB－84型轴流风机为研究对象，几何模型见图2，其结构包括集流区、动叶区、导叶区和扩压区等4部分．风机转速为1 200r／min，动叶外径D为1 500mm，叶片数为14，采用NACA翼型叶片，导叶数为15，动叶与导叶沿圆周方向均匀分布，风机轮毂比为0．6，叶顶间隙为5mm．该风机动叶安装角定义为1／2叶高所在截面处的翼弦与圆周方向间的夹角，其初始值为32°（图3）．图3为动叶安装角正向和反向偏离时的动叶位置示意图．

图2 OB－84型轴流风机结构示意图Fig．2 Structural diagram of an OB－84axial flow fan

图3 动叶异常偏转示意图Fig．3 Schematic diagram of installation angle deviation

1．2 控制方程及边界条件

控制方程采用雷诺时均方程和双方程Realizable k－ε湍流模型．因Realizable k－ε湍流模型可准确地模拟旋转流计算、带方向压强梯度的边界层计算和分离流等问题，因此适合OB－84型轴流风机的数值计算．采用有限体积法离散控制方程，压力－速度耦合采用Simplec方法．方程中的变量和黏性参数采用二阶迎风格式离散，近壁区采用标准壁面函数．为提高计算精度，对流项和扩散项分别采用二阶迎风差分格式．以集流器进口截面和扩压器出口截面作为模拟区域的进口和出口，进口边界条件为速度进口，出口边界条件为自由出流．

对总网格数分别为120万、196万、246万和312万等情形进行了模拟和对比，残差要求小于10－4．结果表明，网格数为120万和196万时的计算结果精度不高，246万网格与312万网格时的流动特征基本相同，但计算量显著减小，因此采用246万网格进行模拟．风机整体取非结构化网格，其中动叶区和导叶区分别为91万和48万网格，对叶顶间隙进行网格加密处理．图4给出了风机全压的模拟结果与原试验值的比较．由图4可知，模拟值与试验值吻合良好，在模拟范围内的最大偏差和平均偏差分别为2．61%和1．44%，设计工况下的偏差仅为0．18%，表明所用计算模型和网格数可准确地反映该风机的性能，保证了数值模拟的可靠性．

图4 风机全压的数值模拟结果与试验值的比较Fig．4 Comparison of fan total pressure between simulated and experimental results

1．3 声场预估

采用宽带噪声源模型模拟叶轮区域的噪声源分布．因噪声没有固定的频率，在涉及宽频噪声的情形下，通过求解雷诺时均方程得到湍流参数的统计学分布，并采用声学类比的方法获得宽带噪声源的分布．声功率W 和声功率级LW的表达式分别为

式中：ρ0为气体密度，kg／m3；a0为声速，m／s；l为湍流尺度，m；u为气流速度，m／s；c为常数；W0为基准声功率，其值为10－12W．

2 计算结果及分析

为研究变工况下异常动叶安装角偏离度Δβ的影响，假定某单动叶发生正向偏离度Δβ＝10°、Δβ＝20°、Δβ＝30°、Δβ＝40°、Δβ＝50°和反向偏离度 Δβ＝－10°、Δβ＝－20°、Δβ＝－30°等情形，Δβ＝0°表示正常状态．变工况取流量系数φ为0．20、0．223、0．25和0．27的情形进行研究，其中φ＝0．223为设计流量．

2．1 异常叶片正向偏离

2．1．1 变工况下Δβ对风机性能的影响

表1给出了叶片安装角正常和5种异常正向偏离情形下的全压和效率．由表1可知，当流量系数φ一定时，随着Δβ增大，全压和效率总体呈降低趋势．当Δβ＝10°时，与Δβ＝0°时相比，虽然全压在φ＝0．25和φ＝0．27工况下明显提高，但效率却有所降低．当Δβ＝20°时，全压和效率均显著降低，与Δβ＝0°时相比，φ为0．20、0．223、0．25和0．27工况下全压分别降低46%、37%、22%和10%，效率分别降低30%、25%、18%和13%，即大流量下全压和效率的降低幅度相对较小．当Δβ≥30°时，全压与效率的降低幅度有所减缓，表明随着Δβ增大，Δβ的影响逐渐减小．当Δβ＝40°和Δβ＝50°时，各工况下的全压和效率约为正常风机的50%左右，此时风机的运行性能已经严重恶化．值得注意的是，当Δβ＝0°时，设计流量下的效率最高，而当Δβ＝10°和Δβ＝20°时，最高效率点ηmax位于φ＝0．25和φ＝0．27等大流量区，当Δβ≥30°时，ηmax又逐渐恢复到设计工况点，其中Δβ＝40°对应的ηmax位于φ＝0．20的小流量区．

表1 正向偏离下的风机全压和效率Tab．1 Total pressure and efficiency of fan under cocurrent deviation

当动叶安装角偏离严重时，即Δβ≥20°，因冲角增大引起边界层分离以及尾涡损失、冲击损失和二次流损失等显著增大，由此改变风机内的流场和压力场，从而导致风机全压和效率均迅速降低．随着Δβ进一步增大，异常叶片引起的能量损失的增加幅度有限，因此全压和效率下降幅度减小，但与正常情形相比，已严重影响了风机性能，并使风机不稳定工作区扩大，容易造成机组运行的不稳定．

2．1．2 动叶出口截面处的总压分布

为分析变工况下沿周向和径向上风机内流特征及异常叶片对其他周向流道的影响，取距离叶片后缘50mm处的动叶出口截面上的总压分布作为研究对象．此截面处，流动特征受动、静叶的相互作用，且流动发展较为充分，可在一定程度上反映当地内流特征的典型变化．图5给出了正向偏离下出口截面处的总压分布，图中标出了异常叶片投影区和叶轮旋转方向．尽管异常叶片对整个周向流场均有影响，但其影响主要集中在异常叶片周向下游的若干流道，因此图5仅给出总压变化比较剧烈的区域．

由图5（a）表明，当动叶调节处于正常状态时，周向上的总压基本上呈现周期性分布．小流量φ＝0．20下，各流道内均存在一显著高压区，此时对应的风机全压最高，其原因为在叶轮转速保持不变的情况下，通过风机的流量越小，单位质量流体获得的机械能越多，因此其总压越高．随着流量增加，总压总体呈降低趋势，且叶顶间隙处的低压区也趋于明显，总压变化与表1中数据反映的趋势一致．当某一叶片安装角发生偏离时，异常叶片扰乱了总压在周向上的周期性分布，在异常叶片附近呈现非周期性分布（见图5（b）～图5（f）），其影响主要集中在异常叶片周向下游的多个流道，这与动叶旋转方向保持一致．与图5（a）进行比较可知，虽然Δβ增大使对应的总压峰值均高于Δβ＝0°时的情形，但在异常叶片的周向相邻流道形成块状的低压区或涵盖周向多个流道的低压带，因此，总体上总压仍呈降低趋势．

图5 正向偏离下动叶出口截面处的总压分布Fig．5 Total pressure distribution on exit surface under cocurrent deviation

由图5（b）可知，当Δβ＝10°时，异常叶片周向下游流道的总压分布十分紊乱；φ＝0．20时，在周向下游流道的叶高中部和顶部形成2个明显低压区，在其附近的叶顶和叶根处存在一较小的高压区；随着流量增加，异常叶片周向相邻流道的低压区逐渐扩大（φ＝0．223和φ＝0．25时），在φ＝0．27时低压区演变为中压区，而远离异常叶片的低压区随流量增加先演变为中压区（φ＝0．223和φ＝0．25时），而后演变为覆盖范围较大的低压区（φ＝0．27时）．由图5（c）可知，当Δβ＝20°时，异常叶片周向下游流道的低压区进一步扩大，尤其是φ＝0．223和φ＝0．27时，低压区演变为包括周向数个流道的低压带，严重恶化了其内流特征，从而导致风机全压与效率迅速降低；当Δβ≥30°时，低压区逐步演变为低压带，且随流量增加，其影响区域沿旋转方向从叶高中下部扩展至叶高中上部．由图5（e）和图5（f）可知，Δβ＝40°和Δβ＝50°对应的低压带沿径向进一步扩大，其范围覆盖整个流道的大部分并延长至周向多个流道，且低压区的总压也有所降低，这一特征在φ＝0．27时表现得更为明显．

异常叶片安装角的偏离改变了周向总压的周期性分布，其影响主要集中在沿旋转方向的周向下游流道，这是因为异常动叶使进入该流道内的气体总量减小，排挤的流量在叶轮旋转作用下分配给下游多个流道，从而影响其周向下游流道流动特征，远离异常叶片的周向下游流道及其上游流道则几乎不受影响．而且偏离程度和风机流量越大，其影响越显著，具体表现为随Δβ增大，异常叶片诱发的相邻流道内的低压区逐渐演变为包括周向多个流道的低压带，并随流量增加，其影响范围沿旋转方向从叶高中下部扩展至叶高中上部，低压带的总压值进一步减小，由此导致全压和效率降低．

2．1．3 变工况下Δβ对风机噪声的影响

异常叶片对轴流风机的另一宏观影响表现为噪声变化．表2给出了不同工况下Δβ对风机最大声功率级LWmax的影响．由表2可知，随流量增加，LWmax总体呈增大趋势，大流量φ＝0．27下的LWmax总体最高，其值基本在135～143dB．Δβ的影响在不同工况下有所不同，在φ＝0．223和φ＝0．25工况下，LWmax随Δβ增大而增大；在φ＝0．20工况下，LWmax在Δβ＝0°～40°内逐渐增大，而在 Δβ＝50°时略有减小；当φ＝0．27时，LWmax的最大值出现在 Δβ＝20°时，而随Δβ的进一步增大，LWmax则减小．对比各工况下的噪声可知，Δβ的影响主要体现在φ＝0．20～0．25内LWmax的增大．另外，与全压和效率的变化类似，Δβ对噪声的影响在10°～30°时相对显著，而在40°～50°时较有限，但LWmax仍保持在130dB以上．

为进一步研究变工况下异常叶片安装角偏离度对动叶区噪声分布的影响，图6给出了动叶中间截面处的声功率级分布．由图6（a）可知，正常情形下，各工况下流道内的声功率级均呈周期性分布，最大噪声源集中在叶顶和叶片表面的较小区域，其值为85dB，这与气流流经叶片时由边界层分离及漩涡破碎等引起的叶顶间隙与叶片表面的流动变化有关．流道中部存在一显著低噪区，随流量增加，低噪区进一步扩大且靠近叶片吸力面，这是由叶轮旋转效应所导致的．

表2 正向偏离下的声功率级Tab．2 Acoustic power level under cocurrent deviation dB

随Δβ增大，在异常叶片的周向相邻流道形成高噪区，或在周向下游多个流道形成高噪带，而低噪区的范围逐渐减小或消失，使得风机噪声总体呈增大趋势．当Δβ＝10°（图6（b））时，异常叶片压力面附近产生一声功率级为100dB的高噪区（φ＝0．20），随流量增加，该高噪区逐渐变小直至消失（φ＝0．25～0．27），低噪区的范围较图6（a）有所减小，但其数值有所增大，此时异常叶片的影响主要集中在其周向相邻流道．当Δβ＝20°（图6（c））、φ＝0．20～0．223时，形成了延续周向下游多个流道、位于叶高中上部的高噪带；当φ＝0．25和φ＝0．27时，高噪带退化为只影响异常叶片周向相邻流道的高噪区．当Δβ＝30°（图6（d））时，虽然声功率级峰值与Δβ＝20°时相同，但与图6（c）相比，在φ＝0．20～0．25内均形成高噪带，且其范围沿径向进一步变宽，φ＝0．27时的高噪区也扩展至周向下游2个流道．当Δβ＝40°和Δβ＝50°时，高噪带的影响区域基本不变，但与图6（d）相比，周向下游相邻流道内的高噪区进一步扩展至整个径向流道，而且上游流道内的叶高中上部也存在一个明显的高噪区．由此猜测，因异常角度增大导致边界层脱离区范围扩大，造成脱落的涡流与流道内主流的相互作用增强，从而导致风机噪声增大．

综上所述，Δβ＝10°时对噪声分布的影响仅局限在异常叶片周向附近的单个流道，Δβ＝20°和Δβ＝30°时的影响扩展至周向多个流道，并形成狭长的高噪带，导致风机噪声提高，Δβ＝40°和Δβ＝50°时的高噪带进一步变宽，且其影响范围逆旋转方向移动一个流道．在同一Δβ下，随流量增加，高噪带有减小趋势．

图6 正向偏离下中间截面的声功率级分布Fig．6 Acoustic power level distribution on middle surface under cocurrent deviation

2．2 异常叶片反向偏离

2．2．1 变工况下Δβ对风机性能的影响

表3给出了动叶反向异常偏离时风机全压和效率的变化．由表3可知，反向偏离时全压和效率均低于正常值，且随Δβ增大，全压和效率均呈现降低趋势．与异常叶片正向偏离时类似，当Δβ＝－10°时，全压和效率约下降10%，而当Δβ＝－20°和Δβ＝－30°时，全压和效率则急剧下降，严重影响风机的正常运行．与正向偏离不同的是，Δβ＝－10°～－30°时，在整个流量范围内全压和效率均低于正常情形下的值，且效率最高点ηmax大多处于设计流量下（Δβ＝－10°时对应的ηmax位于φ＝0．25下）．当Δβ＝－20°时，在整个流量范围内全压降低24．6%～28．7%，效率降低18%～19%，且小流量区所受的影响大于大流量区所受影响．

表3 反向偏离下的风机全压和效率Tab．3 Total pressure and efficiency of fan under countercurrent deviation

与表1相比可知，异常叶片反向偏离时的影响总体小于正向偏离时，这是由于异常叶片正向偏离时，因冲角增大导致冲击损失和二次流损失增大，尤其安装角偏离度Δβ较大（如图1）的情形，异常叶片会使流道中产生显著的漩涡损失和冲击损失，并堵塞两侧流道，使通过此流道的流体被排挤到相邻流道，同时伴随叶轮的旋转效应，进一步加剧了异常叶片引起的流场畸变对周向下游流场的影响．而在反向偏离情形下，冲角变化引起的内流损失相对较小，异常叶片并未严重堵塞流道，受排挤的流体量也较少，在一定程度上削弱了异常叶片对下游流场的影响，因此正向偏离情形下对风机性能的恶化程度大于反向偏离情形．

为比较异常叶片在相同偏离程度、不同偏转方向时的影响，表4给出了相同Δβ下同向和反向偏离时全压和效率的差值．由表4可知，Δβ＝10°对应的全压和效率在φ＝0．223、φ＝0．25和φ＝0．27时均高于Δβ＝－10°时，且随流量增加，其差值增大；当偏离20°时，仅在φ≥0．25内正向偏离时的全压高于反向偏离，而效率仅在φ≥0．27时才呈现正向偏离时的值较高；当偏离30°时，在几乎整个流量范围内，正向偏离下的全压和效率均低于反向偏离下，即随偏离程度的增大，异常叶片反向偏离下的值总体大于正向偏离下的值．

表4 不同偏离方向下全压和效率差值的比较Tab．4 Comparison of total pressure and efficiency under different deviations of installation angle

2．2．2 动叶出口截面处的总压分布

异常叶片反向偏离造成流场畸变，形成与正向偏离有所不同的内流特征．图7给出了反向偏离下出口截面处的总压分布．由图7（a）可以看出，Δβ＝－10°时，随流量增加，动叶出口截面处的总压降低很快，这与全压变化趋势一致，异常叶片对周向下游流道总压的影响十分明显，且异常叶片两侧压差有所减小（与图5（b）相比），从而可减小该叶片的叶顶泄漏损失．另外，流道内形成的高压区零散地分布在异常叶片周向附近及下游的2个流道内（φ＝0．20），随流量增加，高压区逐渐减小直至消失，并衍生出零散的小范围低压区（φ＝0．25）和覆盖整个周向相邻流道的低压区（φ＝0．27）．当Δβ＝－20°时，在φ＝0．20和φ＝0．223下叶根区形成狭长的低压带，延伸至异常叶片周向下游的多个流道；在φ＝0．25和φ＝0．27时，低压带进一步畸变，造成异常叶片周向下游流场严重紊乱，且低压带由叶根部逐步扩散到叶顶区．当Δβ＝－30°时，低压带的影响区域进一步扩大，主要集中在叶根区，异常叶片周向下游相邻流道内的低压区几乎占据整个流道．

图7 反向偏离下出口截面处的总压分布Fig．7 Total pressure distribution on exit surface under countercurrent deviation

对比图7中的总压分布可知，随Δβ增大，虽然高压区峰值逐渐增大，但其作用范围十分有限，与此同时，低压区对应的总压值却明显减小，且低压带的影响范围十分显著，因此，随Δβ增大，风机全压和效率大幅降低．

2．2．3 变工况下Δβ对风机噪声的影响

表5给出了异常叶片反向偏离时的风机最大声功率级LWmax．由表5可知，在φ＝0．20～0．25内，随Δβ增大，LWmax呈增大趋势；在φ＝0．27时，Δβ＝－10°和Δβ＝－20°对应的LWmax基本不变，LWmax最小值出现在 Δβ＝－30°，且低于正常情形下的LWmax．在Δβ＝－20°下，与 Δβ＝0°相比，φ 为0．2、0．223、0．25和0．27下LWmax分别增大了8．50dB、5．24dB、4．8dB和1．15dB．另外，与表2相比可知，在偏离度均为10°和20°时，正向偏离对风机噪声的影响大于反向偏离；在偏离度均为30°时，反向偏离对风机噪声的影响更显著．

表5 反向偏离下的声功率级Tab．5 Acoustic power level under countercurrent deviation dB

图8给出了异常叶片反向偏离时不同工况下的声功率级分布．与正向偏离时相比，反向偏移时的声功率级分布存在明显差异．由图8（a）可知，当Δβ＝－10°时，除φ＝0．25外，在异常叶片周向上下游流道内形成占据流道近80%的低噪区；当φ＝0．25时，流道内的低噪区相对较小且靠近叶高中下部，周向上的声功率级整体较高，因此与Δβ＝0°时相比，其噪声显著提高（见表5）；当φ＝0．27时，流道内的低噪区有进一步扩大的趋势．由图8（b）可知，当Δβ＝－20°时，异常叶片使得周向下游多个流道内的低噪区消失或显著减小，在周向下游第二个流道出现一个明显高噪区，周向下游处的整体噪声级明显提高；随流量增加，此高噪区变小，且在异常叶片吸力面相邻流道出现一个高、低噪区的交界区域，随流量增加此交界区域延伸至轴毂．由图8（c）可知，当Δβ＝－30°、φ＝0．20时，在叶顶形成一个狭长高噪带，且随流量增加该高噪带有减小的趋势．与图8（b）相比，由左侧标尺值可知，Δβ＝－30°时的声功率级整体高于Δβ＝－20°时，因此风机噪声随Δβ增大呈升高趋势，这与表4中所给数据的变化趋势一致．

图8 反向偏离下中间截面的声功率级分布Fig．8 Acoustic power level distribution on middle surface under countercurrent deviation

3 结 论

（1）异常叶片正向偏离时，随Δβ增大，全压和效率总体呈降低趋势，且Δβ≥20°时全压和效率迅速降低；当Δβ≤20°时，小流量下全压和效率的降低幅度相对显著，而Δβ≥30°时，对大流量下的风机性能影响明显．异常叶片对内流特征的影响主要集中在沿旋转方向的周向下游流道，并引起流场不同程度畸变，随Δβ增大，异常叶片诱发的周向相邻流道内的低压区逐渐演变为包括周向多个流道的低压带；随流量增加，其影响范围沿旋转方向从叶高中下部扩展至叶高中上部，低压带总压值进一步减小．Δβ对风机噪声的影响主要体现在φ＝0．20～0．25内；Δβ＝10°时对噪声分布的影响仅局限在异常叶片附近的周向单个流道，Δβ＝20°和Δβ＝30°时的影响扩展至周向多个流道，并形成狭长的高噪带，加剧了风机噪声的提高，Δβ＝40°和Δβ＝50°时高噪带进一步变宽．

（2）异常叶片反向偏离时对全压和效率的影响总体小于正向偏离时．随Δβ增大，形成集中在叶根区的低压带，随流量增加该低压带有所拓宽．总压分布中，虽然高压区峰值随Δβ增大逐渐增大，但范围有限，而低压区总压值却显著减小，且影响范围较大．对最大声功率级的影响，在偏离程度为10°和20°时，正向偏离对噪声的影响大于反向偏离；在偏离程度为30°时，反向偏离的影响更显著，且随流量增加，高噪带呈减小趋势．与正向偏离时相比，反向偏离时的声功率级分布有显著不同．

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