仿生结构对大型轴流风机气动和声学性能的影响

作     者：张锐星 

作者单位：华北电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：叶学民

授予年度：2020年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：动叶可调轴流风机 仿生学 噪声控制 气动性能 数值研究 

摘      要：动叶可调轴流风机以其高经济性、结构可靠和使用范围广等优点被广泛使用在电厂的工作生产当中。但随着轴流风机压比和转速的不断提升,由此带来的噪声污染和安全问题也越来越不容小觑。由风机叶片长期做功而产生的气动噪声严重危害着电站工作人员的身心健康;风机内部流动的不稳定性会使得风机产生周期性压力脉动,严重的还会造成失速与流动恶化。因此,研究轴流风机的流动特征,改造风机结构,使其具有更优良的气动特性,对控制风机噪声污染,提高风机工作稳定性具有重要的现实意义。生物学概念为解决许多工业难题提供了新的思路。猫头鹰在俯冲时具有静音和稳定的特点,本文模仿猫头鹰特有的生物学结构,将锯齿尾缘安装在轴流风机叶片上,基于CFD数值计算软件,使用数值模拟方法展开分析。研究表明:仿生学锯齿尾缘能够有效地降低风机噪声,不同尺寸的锯齿降噪效果不同,与锯齿宽度相比锯齿长度对降噪量的影响更为显著。锯齿尾缘可以抑制噪声中频段的“驼峰,故在低中频段的降噪效果更好。仿生学锯齿尾缘改善了动叶可调轴流风机在小流量侧和设计工况下的风机效率,并将风机的工作高效区域向小流量侧偏移。在大流量工况下,锯齿尾缘降低了风机效率,锯齿越长下降越明显,但可以利用动叶可调轴流风机的优势,通过提前变换动叶安装角的方法进行弥补。锯齿尾缘降低了风机流道的压力脉动幅度,增加风机稳定性。锯齿的长度越大,稳定性越好。使用锯齿尾缘后,可以生成均匀的“管状涡,改善了涡的分布状态,减小了脱落涡的跨度尺寸。发现了双层“梳状涡结构,并给出了机理分析。对仿生学锯齿尾缘进一步优化发现,仅在叶片尾缘中部设置长锯齿尾缘,其余位置保持叶片原状时,保留了长锯齿尾缘高效的降噪能力,同时弥补了使用长锯齿时风机大流量下性能下降较多的缺陷。在静叶尾缘切割锯齿,长锯齿可以有效地在大流量侧提高风机效率,且降噪能力更明显。在常规锯齿的基础上得到平尖锯齿,可以在全流量提高锯齿尾缘改型风机的全压和效率,在设计工况点附近提高全压66Pa,提高效率1.4个百分点,但降噪效果不如常规锯齿。