低噪聲電動通風機組設計與試驗研究

熊用，何海波，周勇

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低噪聲電動通風機組設計與試驗研究

熊用，何海波，周勇

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

電動通風機組包含風機與風機拖動電機，是工業上重要的氣體輸運設備，其運行時噪聲振動特性對于設備安全性與人員舒適度的影響越來越受到關注，本文針對電動通風機組的減振降噪要求，在設備的設計、材料、制造、安裝調試等方面進行了研究與改進，通過與標準的通風機組試驗結果比對，尋找影響設備噪聲振動的關鍵因素，得到了相關結論。

電動通風機組 低噪聲 減振降噪設計

0 引言

電動通風機組一般作為輔助設備，為工程系統提供風量,其主要包括風機、風機電動機（以下簡稱電動機）、連接減振器等，如要求調速，還需要驅動變頻器。對于電動通風機組而言，低噪聲的含義為與人耳感受一致的A聲級通風噪聲與低振動烈度，前者過高會損害工作人員的身體健康，后者過高會影響設備的正常運行。對于風機本體的空氣噪聲問題，現有文獻大多進行風機流場的優化[1,2]；而對于風機本體的振動問題，主要集中于安裝調試過程中發現振動過大進行整改[3]或者對振動值進行在線檢測。對于船用或者其它安裝空間較小的使用環境，往往沒有足夠空間來配置額外的消聲裝置，需要電動通風機組本身具有較低的噪聲與振動。

本文針對這種要求特別是振動要求，首先對電動通風機組進行系統全面的減振降噪總體設計，同時分析噪聲振動產生的機理與傳遞路徑，隨后制造多臺樣機，并進行組合對比試驗，來尋找影響振動噪聲特性的關鍵設計與工藝制造因素，以供設計者參考。

1 減振降噪總體設計

從電動通風機組的安裝型式來看，風機電動機通過減振器彈性安裝在底座支架上，與風機葉輪直連，風機蝸殼、進風口、底座支架與冷卻系統框架連為一體，電動機與冷卻系統框架通過法蘭連接在一起，其結構示意圖如圖1所示。風機旋轉時產生的振動，一方面通過電動機底座傳至減振器，另一方面通過連接法蘭傳至冷卻系統框架。

電動通風機組的主要振動噪聲來源分別如下[5]：

1) 風機、電動機旋轉產生的空氣噪聲；

2) 葉輪不平衡等產生的機械噪聲；

3) 電動機、變頻器產生的電磁噪聲。

電動通風機組的減振降噪，不能只孤立考慮風機或者電動機，而需要從系統的角度進行分析與研究。依據振動噪聲來源與傳遞特點，總體設計從以下幾個方面開展工作：

1）進行系統匹配性設計，提高風機與其配套電動機的綜合性能；

2）進行風機本體低噪聲設計，從源頭上降低其產生的振動噪聲；

3）進行風機振動噪聲的傳播方式與傳遞路徑的研究，盡量減小對外部冷卻系統框架的影響。

1.1 系統匹配性設計

電動機為彈性安裝，其與風機葉輪直連，形成懸臂結構，如圖1所示。如果風機葉輪過重，則會影響電動機與風機葉輪的軸線，使兩端減震器的載荷不一致，進而削弱電動機非驅動端減振器的作用。因此，要將兩者作為一體進行考慮，設計時，應對電機驅動端軸承進行加強，盡量減小葉輪的重量，同時對葉輪與電機轉子一起做動平衡。

1.2 通風機減振降噪設計

通風機設計首先要根據尺寸重量、風量風壓等技術要求，進行氣動設計，然后進行減振降噪設計，前后兩個設計會互相影響，需要進行優化協調后最終確定設計方案。

1.2.1通風機氣動設計

引入相似理論，通風機流量、靜壓、功率有如下關系[5]：

式中，為流量，m3/h；為葉輪直徑，為轉速，r/min；為靜壓，Pa；為功率，k W。

由公式（1）（2）看出，在保持流量、靜壓大體不變時，增加尺寸、降低轉速要比增加轉速、減小尺寸有利地多。

式中，為聲功率。

由公式（4）看出，葉輪外徑對風扇噪聲聲功率級的影響最大，所以要減小通風噪聲，應優先減小葉輪外徑。

從實際工程經驗來看，在能控制葉輪動平衡精度的前提下，降低葉輪的轉速，能夠降低設備的振動強度。

所以，電動通風機組要根據技術要求的側重點進行設計，綜合考慮氣動性能、噪聲振動來確定設備的尺寸與轉速，在降低振動的同時，設備尺寸與電機功率可能會相應加大。

1.2.2葉輪減振降噪設計

根據風機設計理論，風機的渦流噪聲與內部流動情況十分相關，要降低風機的振動噪聲，主要涉及以下三個方面：

1）低流動分離氣動設計，主要包括機翼葉片、錐弧形進風口、蝸舌選取；

2）電動機轉子與葉輪動平衡精度；

3）葉輪與進風口徑向與軸向間隙。

設計中要盡量減小邊界層分離；轉子不平衡會引起振動，葉輪與進風口的徑向間隙與流動損失相關，越小越好，而軸向深入間隙卻存在一個最佳間隙，需要結合試驗數據確定。

1.3 風機電機及驅動變頻器設計

風機電機為變頻調速，風機電機采用優化的電磁設計與低噪聲冷卻風扇，盡量減小電磁激振力與通風噪聲的影響。

1.4 總體隔振設計

為有效隔斷振動源的傳遞路徑，在風機電動機的底腳安裝減振器，選用相匹配的減振器。

2 試驗驗證

設計并制造了三種葉輪，一種剛性法蘭，配相同的底腳減振器，ABC葉輪以4-72葉輪為原型，均與配套的風機電動機直連，葉輪直徑均為500 mm，各葉輪動平衡精度一致。各試驗部件配置見表1。

4-72型標準風機是我國低噪聲高效風機，采用機翼型后向葉片，本身具有優良的噪聲振動特性，A葉輪即為4-72標準風機，B葉輪將葉輪材料換為鋁合金，葉輪與軸盤一體成型。C改進葉輪還是鋼制葉輪，相對A葉輪有以下兩點變化：

1）采用流線形進風口，優化內部流動，減小流動損失；

2）葉輪與進風口徑向單邊間隙取為1.5 mm，間隙更小。

2.1 葉輪對比試驗

2.1.1不同動平衡精度的比較

為降低電動通風機組的轉頻振動，對比兩臺不同殘余不平衡量的電動機帶葉輪前后的振動數據，如表2所示：

根據表2，動平衡精度高的配合，可明顯降低電機底腳的振動速度。

2.1.2不同設計葉輪試驗

圖2及圖3為三種葉輪的性能對比圖。

從圖2可以看出，基于大致相同的設計，鋼制葉輪與鋁合金葉輪的氣動性能基本相似，改進葉輪流量稍高，說明進風口改為流線形且徑向間隙改小確實減小了流動損失，在高流量工況時表現更為明顯。

鋁合金葉輪由模具鑄造而成，初始動平衡精度更好，重量較鋼制葉輪更輕，理論上其振動噪聲水平應該更優，從A聲級噪聲來看，圖3表明，三種葉輪噪聲均隨流量增大而增大，鋁合金葉輪總體噪聲值最小，改進葉輪雖然優化了流動，噪聲略小于鋼制葉輪，但仍高過鋁合金葉輪，說明鋁合金葉輪對于降低噪聲是有效的，但降低幅度有限，這是因為各試驗葉輪的噪聲水平本身已經處于很低的水平，很難有明顯的效果。

2.1.3軸向深入間隙的影響

對改進葉輪與進風口的軸向伸入不同長度4mm與5 mm進行了試驗對比，兩者振動與噪聲差別不大，空氣性能結果如下圖4，圖中數據表明，隨著軸向長度不同，性能會帶來一定的差異，因此，實際設計時，應通過試驗來最終確定這一尺寸。

2.2 隔振試驗

2.2.1減振器上下振動值對比

電動通風機組上減振器為是風機電機底腳上減振器，減振器將風機電機、風機葉輪兩大振源與剛性框架隔離開來，衰減通過其的振動。在減振器上下或前后布置傳感器，監測振動經過減振器前后的變化。

根據圖5，經過風機電機底腳減振器后，減振器上下振動加速度有大幅度衰減，主要衰減頻段為1 kHz以上頻段。因此，底腳減振器對振動的衰減尤其是高頻振動作用明顯，達到了設計預期的阻隔振動傳遞路徑的目的。

3 結論：

對電動通風機組進行設計與對比試驗后，可以得到以下結論：1）動平衡精度能有效降低振動強度，且影響較大；2）同等設計下，流線型進風口與徑向間隙對減振降噪有一定的改善作用；3）鋁合金制葉輪有利于降低噪聲；4 ）對于內部流動分離渦流噪聲很小的風機，其它降噪措施較難再獲得明顯效果；5）減振器能夠大幅降低通過其的高頻振動。

[1] 李游，歐陽華，田杰等. 風機軸向交錯葉輪的噪聲研究 [J].工程熱物理學報，2011，31（12）.

[2] 田春，張強等. 橫流風機流場與聲場綜合研究用裝置的研制[J]. 噪聲與振動控制，2002，22（1）.

[3] 肖漢才，王運民，林任魁等. 石門電廠300MW機組引風機振動綜合治理[J]. 熱力發電，2010，32（8）：75-77.

Experimentation and Design of Low Noise Electric Ventilator Unit

Xiong Yong，He Haibo, Zhou Yong

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM343

A

1003-4862（2014）09-0004-03

2014-07-15

國家科技支撐計劃項目（2012BAG03B01）

熊用(1984-),男，工程師。研究方向：電機工程。