船用通風機減振降噪的探討和實驗研究

袁東紅 謝軍龍

1海軍駐第七O一研究所軍事代表室，湖北 武漢430064 2華中科技大學能源學院，湖北武漢430074

船用通風機減振降噪的探討和實驗研究

袁東紅1謝軍龍2

1海軍駐第七O一研究所軍事代表室，湖北 武漢430064 2華中科技大學能源學院，湖北武漢430074

船用通風機的性能、噪聲和振動是衡量風機好壞的重要指標。性能關系到通風效果，噪聲和振動關系到船員身體健康、工作效率和安全性。本文首先對船用通風機從進口到出口進行了整體模擬，并在此基礎上對葉輪和蝸殼進行了優化設計，使之合理匹配，從而提高風機性能，并從源頭上降低空氣動力噪聲。實驗結果表明，與原型機相比，改進之后的風機在設計工況處噪聲值降了5 dB。同時，本文還通過減小葉輪的偏心距來進行減振研究，使通風機組的結構噪聲比原型機下降2 dB。

船用通風機；減振；降噪

1 引言

船用通風機的噪聲是衡量風機好壞的重要指標，近年來愈來愈為人們所關注［1，2］。噪聲主要包括氣動噪聲和結構振動噪聲兩大部分。其中氣動噪聲與風機內非定常流動特征密切相關，而結構振動噪聲則是屬于涉及流體動力學、振動力學和聲學在內的多學科耦合問題［3，4］。目前，已有的研究［5－7］多為通過改變某一部件的結構參數如蝸殼寬度、蝸殼型線、蝸舌間隙等進行降噪，這雖然可以得出一些規律性的結論，但由于未考慮葉輪和蝸殼的匹配，這種方法在實際應用上仍存在著一定的局限性。目前，船用通風機經過多年的改進，噪聲和振動都有所降低，但仍然滿足不了現代船舶的要求。因此，本文對船用通風機從進口到出口進行整體模擬，得出流道中的壓力分布及流動情況，并在數值模擬結果的基礎上，對其中不合理的流動區域進行了優化改進，同時進行了性能實驗，以此尋求通過CFD手段來提高風機氣動性能和降低噪聲的有效途徑。

2 計算域、葉輪與蝸殼

流動的計算域是從風機進口到出口的整個流道，如圖1所示，葉輪如圖2所示。本文中蝸殼截面為矩形，其內壁型線按照自由流動的軌跡設計，氣體在蝸殼中的流動遵循動量矩不變定律，如圖3所示。

2.1 蝸舌

對離心風機其蝸殼的內部流動將影響到整機的性能和噪聲，特別是蝸舌處的流動。圖4給出了蝸舌附近的流線圖，由圖4可見，蝸舌區流動較平穩，壓力梯度沿著外部型線向內，這樣出口速度的動壓可以充分轉化為靜壓，這正是所期待的事。

圖1 計算區域示意圖

圖2 葉輪示意圖

圖3 蝸殼徑向面示意圖

圖4 進出口處徑向面上流線圖

圖5 進出口處流道全壓等值線圖

2.2 葉輪

葉輪是風機做功的部件，適合工況的葉輪翼形有益于效率的改善，通過數值模擬技術可以對翼形進行恰當的優化［8－9］。圖5是葉輪內部全壓等值線圖，很明顯其壓力值達到了設計要求，這為機型的改進提供了理論依據。通過對流道中的漩渦產生、發展和破裂過程的分析，可以為流道優化設計、葉輪與蝸殼的匹配研究工作提供方便的數值計算分析平臺［10］。

3 降噪措施與實驗結果

3.1 降噪措施

在原型機基礎上對葉輪和蝸殼的結構參數進行改進，通過樣機實驗對比，得到了較令人滿意的效果，現將改進處和實驗結果加以闡述。

改進之一是將葉輪的寬度減小10 mm，使性能曲線左移，致使噪聲最小值移至設計工況點。

改進之二是根據蝸殼內部流動計算，在葉輪出口處找到一個渦流區，我們在進口外環加1個擋流圈，來制止渦的生成。

改進之三是在出口加了個擴壓段，周圍加了吸聲材料，使得噪聲有所下降。

改進之四是將內蝸板的孔徑由φ4減為φ2，穿孔率由8.72%增至20%。

改進之五是在蝸殼內加分流筋，以改善出口流動狀態。

3.2 試驗結果

采用上述措施后，在設計工況處，氣動噪聲值下降了5 dB（A）。全船通風機的性能與噪聲的試驗結果如圖6所示。

降噪治標的辦法就是吸聲，吸聲內蝸板孔徑大小、穿孔率大小、吸聲材料聲阻、吸聲導流板的位置、長短等都影響吸聲效果。在空間有限的船舶空間里，吸聲蝸殼不可能達到理想要求的壁厚，必須經過多次實驗，才能找出最佳的吸聲效果與最小的機殼體積。

4 減振措施與實驗結果

實驗風機葉輪與直流幅壓電動機直聯，機組振動大小取決于直流電動機本身振動大小和風機葉輪的動平衡精度等級、葉輪端面的軸向跳動、前后盤的同心度和軸盤孔與軸的配合精度等因素。而直流電動機本身的振動大小，高頻段主要取決于換向器工作時產生的高頻結構噪聲；中頻段主要是由電機軸承間隙和冷卻風扇的氣動力引起中頻結構噪聲；低頻段主要是由電機轉子動不平衡引起的。圖7給出了直流幅壓電動機的4個機腳處的頻譜圖，其中50 Hz左右為旋轉的基頻，在此頻率加速度存在一個峰值。

圖6 性能與噪聲試驗結果

圖7 電機機腳加速度

減小風機本身振動有兩種方法，其一是降低風機的工作轉速，其二是減小葉輪的偏心距。第一種方法是不可行的，因為風機轉速降低，風量、風壓必然隨之降低，要維持其值不變，必然加大機號，但研制要求中已經對外形尺寸限死了，唯一可行的辦法是減小葉輪的偏心距。為了減小葉輪的偏心距，在研制中將鋼制焊接葉輪改為精密鑄造低鎂鋁合金葉輪，并對外表面進行車削加工，將動平衡精度從G2.5提高到G1，并在工作轉速下做動平衡。葉輪軸孔和電動極軸的配合采用配合間隙小于5的過渡配合。用高轉速做動平衡的必要性可以從文獻［11］中的圖3分析而得，如用1 200 r／min做動平衡，其質量偏心距為8 μm，動平衡精度等級為G1，可是同樣是這個質量偏心距，用3 000 r／min做動平衡，它的平衡精度等級卻為G2.5。

通過以上減振措施研究，通風機的結構噪聲比原型機下降2 dB，達到了預期的效果。

5 結論

通過大量數值模擬和多次實驗研究，證明所采取的減振降噪措施是有效的，在不斷增大機組體積和質量的前提下，既保證了空氣動力學性能，又有效地降低了全船通風機噪聲和振動，為進一步改進該機組提供了理論和實驗依據。

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［11］ 中華人民共和國機械行業標準（JB／T9101－1999），通風機轉子平衡，5，圖3.

Investigation and Experimental Study about the Noise and Vibration Reduction of the Marine Fan

Yuan Dong-hong1Xie Jun-long2
1 Military Representative Office of 701 Institute，Wuhan 430064，China 2 College of Energy&Power，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China

The performance，noise and vibration of the marine fan are important indicators to measure whether a fan is good or not.Performance is related to the ventilation effect，noise and vibration are related to the health and work efficiency of the crew，and safety of the submarine.In this paper，the impeller and volute design of the marine fan are optimized on the base of the simulated result of the whole marine fan from fan inlet to outlet，so that it can be reasonably matched，thus improving the fan performance and reducing the aerodynamic noise from the source.The experimental results indicate that the noise is reduced by 5dB in design condition of new fan compared with the original fan.Also，the structural noise is reduced by 2dB through decreasing the eccentricity of impeller.

marine fan；decreasing vibration；noise reduction

U664.5

A

1673－3185（2009）03－49－03

2008-11-15

袁東紅（1964－），男，高級工程師。研究方向：艦船輪機及機械工程