低噪聲電動通風(fēng)機組設(shè)計與試驗研究

熊用，何海波，周勇

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低噪聲電動通風(fēng)機組設(shè)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(fēng)機組包含風(fēng)機與風(fēng)機拖動電機，是工業(yè)上重要的氣體輸運設(shè)備，其運行時噪聲振動特性對于設(shè)備安全性與人員舒適度的影響越來越受到關(guān)注，本文針對電動通風(fēng)機組的減振降噪要求，在設(shè)備的設(shè)計、材料、制造、安裝調(diào)試等方面進行了研究與改進，通過與標(biāo)準(zhǔn)的通風(fēng)機組試驗結(jié)果比對，尋找影響設(shè)備噪聲振動的關(guān)鍵因素，得到了相關(guān)結(jié)論。

電動通風(fēng)機組 低噪聲 減振降噪設(shè)計

0 引言

電動通風(fēng)機組一般作為輔助設(shè)備，為工程系統(tǒng)提供風(fēng)量,其主要包括風(fēng)機、風(fēng)機電動機（以下簡稱電動機）、連接減振器等，如要求調(diào)速，還需要驅(qū)動變頻器。對于電動通風(fēng)機組而言，低噪聲的含義為與人耳感受一致的A聲級通風(fēng)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(shè)備的正常運行。對于風(fēng)機本體的空氣噪聲問題，現(xiàn)有文獻大多進行風(fēng)機流場的優(yōu)化[1,2]；而對于風(fēng)機本體的振動問題，主要集中于安裝調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)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(huán)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(fēng)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(fēng)機組進行系統(tǒng)全面的減振降噪總體設(shè)計，同時分析噪聲振動產(chǎn)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(guān)鍵設(shè)計與工藝制造因素，以供設(shè)計者參考。

1 減振降噪總體設(shè)計

從電動通風(fēng)機組的安裝型式來看，風(fēng)機電動機通過減振器彈性安裝在底座支架上，與風(fēng)機葉輪直連，風(fēng)機蝸殼、進風(fēng)口、底座支架與冷卻系統(tǒng)框架連為一體，電動機與冷卻系統(tǒng)框架通過法蘭連接在一起，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。風(fēng)機旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)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(tǒng)框架。

電動通風(fēng)機組的主要振動噪聲來源分別如下[5]：

1) 風(fēng)機、電動機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空氣噪聲；

2) 葉輪不平衡等產(chǎn)生的機械噪聲；

3) 電動機、變頻器產(chǎn)生的電磁噪聲。

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

1）進行系統(tǒng)匹配性設(shè)計，提高風(fēng)機與其配套電動機的綜合性能；

2）進行風(fēng)機本體低噪聲設(shè)計，從源頭上降低其產(chǎn)生的振動噪聲；

3）進行風(fēng)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(tǒng)框架的影響。

1.1 系統(tǒng)匹配性設(shè)計

電動機為彈性安裝，其與風(fēng)機葉輪直連，形成懸臂結(jié)構(gòu)，如圖1所示。如果風(fēng)機葉輪過重，則會影響電動機與風(fēng)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(qū)動端減振器的作用。因此，要將兩者作為一體進行考慮，設(shè)計時，應(yīng)對電機驅(qū)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(zhuǎn)子一起做動平衡。

1.2 通風(fēng)機減振降噪設(shè)計

通風(fēng)機設(shè)計首先要根據(jù)尺寸重量、風(fēng)量風(fēng)壓等技術(shù)要求，進行氣動設(shè)計，然后進行減振降噪設(shè)計，前后兩個設(shè)計會互相影響，需要進行優(yōu)化協(xié)調(diào)后最終確定設(shè)計方案。

1.2.1通風(fēng)機氣動設(shè)計

引入相似理論，通風(fēng)機流量、靜壓、功率有如下關(guān)系[5]：

式中，為流量，m3/h；為葉輪直徑，為轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速要比增加轉(zhuǎn)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(fēng)扇噪聲聲功率級的影響最大，所以要減小通風(fēng)噪聲，應(yīng)優(yōu)先減小葉輪外徑。

從實際工程經(jīng)驗來看，在能控制葉輪動平衡精度的前提下，降低葉輪的轉(zhuǎn)速，能夠降低設(shè)備的振動強度。

所以，電動通風(fēng)機組要根據(jù)技術(shù)要求的側(cè)重點進行設(shè)計，綜合考慮氣動性能、噪聲振動來確定設(shè)備的尺寸與轉(zhuǎn)速，在降低振動的同時，設(shè)備尺寸與電機功率可能會相應(yīng)加大。

1.2.2葉輪減振降噪設(shè)計

根據(jù)風(fēng)機設(shè)計理論，風(fēng)機的渦流噪聲與內(nèi)部流動情況十分相關(guān)，要降低風(fēng)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(shè)計，主要包括機翼葉片、錐弧形進風(fēng)口、蝸舌選取；

2）電動機轉(zhuǎn)子與葉輪動平衡精度；

3）葉輪與進風(fēng)口徑向與軸向間隙。

設(shè)計中要盡量減小邊界層分離；轉(zhuǎn)子不平衡會引起振動，葉輪與進風(fēng)口的徑向間隙與流動損失相關(guān)，越小越好，而軸向深入間隙卻存在一個最佳間隙，需要結(jié)合試驗數(shù)據(jù)確定。

1.3 風(fēng)機電機及驅(qū)動變頻器設(shè)計

風(fēng)機電機為變頻調(diào)速，風(fēng)機電機采用優(yōu)化的電磁設(shè)計與低噪聲冷卻風(fēng)扇，盡量減小電磁激振力與通風(fēng)噪聲的影響。

1.4 總體隔振設(shè)計

為有效隔斷振動源的傳遞路徑，在風(fēng)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(shè)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(fēng)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(biāo)準(zhǔn)風(fēng)機是我國低噪聲高效風(fēng)機，采用機翼型后向葉片，本身具有優(yōu)良的噪聲振動特性，A葉輪即為4-72標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)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(fēng)口，優(yōu)化內(nèi)部流動，減小流動損失；

2）葉輪與進風(fēng)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(fēng)機組的轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)，如表2所示：

根據(jù)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(shè)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(shè)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(fēng)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(xiàn)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(yīng)該更優(yōu)，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(yōu)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(jīng)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(fēng)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(jié)果如下圖4，圖中數(shù)據(jù)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(shè)計時，應(yīng)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(fēng)機組上減振器為是風(fēng)機電機底腳上減振器，減振器將風(fēng)機電機、風(fēng)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(jiān)測振動經(jīng)過減振器前后的變化。

根據(jù)圖5，經(jīng)過風(fēng)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(shè)計預(yù)期的阻隔振動傳遞路徑的目的。

3 結(jié)論：

對電動通風(fēng)機組進行設(shè)計與對比試驗后，可以得到以下結(jié)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(shè)計下，流線型進風(fēng)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(nèi)部流動分離渦流噪聲很小的風(fēng)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(fēng)機軸向交錯葉輪的噪聲研究 [J].工程熱物理學(xué)報，2011，31（12）.

[2] 田春，張強等. 橫流風(fēng)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(fēng)機振動綜合治理[J]. 熱力發(fā)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。