關(guān)于聲學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞高效低噪聲的風(fēng)扇設(shè)計(jì)要點(diǎn)討論

摘要：通過聲學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞高效低噪聲的風(fēng)扇設(shè)計(jì)，實(shí)質(zhì)上是通過任意渦風(fēng)扇的設(shè)計(jì)方法，對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行再設(shè)計(jì)的過程。通過各項(xiàng)試驗(yàn)，均能夠證明，經(jīng)過這種設(shè)計(jì)方式進(jìn)行再設(shè)計(jì)的風(fēng)扇，在氣動(dòng)效率上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未經(jīng)過再設(shè)計(jì)的引導(dǎo)風(fēng)洞風(fēng)扇;而在噪聲分貝上，這種經(jīng)過在設(shè)計(jì)的風(fēng)扇也同樣具有更加優(yōu)越的低噪聲性能。本文中，將就升學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞高效低噪聲的風(fēng)扇設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行討論。

關(guān)鍵詞：風(fēng)扇設(shè)計(jì);任意渦;引導(dǎo)風(fēng)洞

引導(dǎo)風(fēng)洞風(fēng)扇是用來進(jìn)行升學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)的關(guān)鍵性部件，但是在一些試驗(yàn)中逐漸發(fā)現(xiàn)，原有的引導(dǎo)風(fēng)洞低噪聲風(fēng)扇在效率上和噪聲分貝上都不能夠達(dá)到讓人十分滿意的程度，因此，迫切的需要一種方法，能夠使現(xiàn)有引導(dǎo)風(fēng)洞風(fēng)扇的效率大幅度提高，同時(shí)大幅度降低其產(chǎn)生的噪音分貝。為了滿足這些的要求，一種新型的任意渦風(fēng)扇設(shè)計(jì)方法應(yīng)運(yùn)而生，并且成功的被應(yīng)用于聲學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞高效低噪聲的風(fēng)扇設(shè)計(jì)上。

1風(fēng)扇氣動(dòng)性能設(shè)計(jì)

原有的聲學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞風(fēng)扇往往存在著效率過低的問題，為了進(jìn)一步提升聲學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞風(fēng)扇的氣動(dòng)效率，必須對(duì)其原有氣動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行再設(shè)計(jì)。本文中，將就再設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法以及各部分設(shè)計(jì)過程進(jìn)行討論。

1.1氣動(dòng)性能新型設(shè)計(jì)方法

為了盡可能的提高聲學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞風(fēng)扇的氣動(dòng)性能，在新的設(shè)計(jì)方法之中，采用了以葉素理論為依據(jù)的任意渦風(fēng)扇設(shè)計(jì)方法。這種方法雖然和傳統(tǒng)的自由渦風(fēng)扇設(shè)計(jì)方法一樣，都是以葉素理論作為依據(jù)的，在設(shè)計(jì)過程中忽略掉流動(dòng)造成的三維效應(yīng)的設(shè)計(jì)方法，但是這種新的設(shè)計(jì)方法不再像以往那樣需要假設(shè)風(fēng)扇入口氣流均勻穩(wěn)定。新的設(shè)計(jì)方法可以根據(jù)實(shí)際的流道情況，用不均勻的風(fēng)扇入口速度作為初始設(shè)計(jì)參數(shù)，然后通過調(diào)整葉片的旋轉(zhuǎn)系數(shù)得到均勻的出口分布速度，從而達(dá)到提升風(fēng)扇效率的目的。或者說，這種設(shè)計(jì)方法，實(shí)際上是通過調(diào)整葉片上的載荷分布，來完成對(duì)于聲學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞風(fēng)扇的氣動(dòng)效率的提升的。

1.2新型設(shè)計(jì)方法下的葉片設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)過程之中，根據(jù)確定的引導(dǎo)風(fēng)洞回路的性能要求，可以確定風(fēng)扇的兩個(gè)核心工況，也就是氣動(dòng)設(shè)計(jì)點(diǎn)和聲學(xué)設(shè)計(jì)點(diǎn)。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，通常將氣動(dòng)設(shè)計(jì)點(diǎn)當(dāng)作風(fēng)扇的設(shè)計(jì)點(diǎn)工況，而將聲學(xué)設(shè)計(jì)點(diǎn)當(dāng)作風(fēng)扇的性能校核點(diǎn)的工況。通過各種實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，我們不難發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過這種新興的任意渦風(fēng)扇設(shè)計(jì)方法調(diào)整過葉片載荷分布之后的聲學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞風(fēng)扇的槳葉出口速度剖面要明顯較之風(fēng)扇入口的速度更為平緩。而在關(guān)于設(shè)計(jì)點(diǎn)工況升力系數(shù)的分布對(duì)比之中也能清晰的發(fā)現(xiàn)，葉片的升力系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于風(fēng)扇翼型的失速升力系數(shù)，這樣就有效的避免了葉片出現(xiàn)尖部失速的狀況。只要確定了風(fēng)扇在各個(gè)位置的不同旋轉(zhuǎn)系數(shù)，再結(jié)合風(fēng)扇入口處的速度分布，就能夠清楚的計(jì)算出風(fēng)扇槳葉下游的軸向上的速度分布。這個(gè)時(shí)候，可以運(yùn)用和傳統(tǒng)的自由渦設(shè)計(jì)法相同的辦法，確定葉片的實(shí)際弦長(zhǎng)，然后就能夠得出風(fēng)扇槳葉徑向上的升力系數(shù)。

1.3新型設(shè)計(jì)方法下的整流罩設(shè)計(jì)

作為風(fēng)扇的重要組成部分，整流罩能夠有效的優(yōu)化風(fēng)扇入口處的流動(dòng)特性，并且提高風(fēng)扇出口處的壓力恢復(fù)。傳統(tǒng)模式的風(fēng)扇整流罩的尾罩，通常采用旋轉(zhuǎn)圓錐的制式，能夠取得比較高的壓力恢復(fù)效率。但是因?yàn)檫@種整流罩對(duì)于擴(kuò)散角有著比較高的限制，因?yàn)檎髡终w過長(zhǎng)，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)風(fēng)扇段過長(zhǎng)，同時(shí)氣流在通過之后，衰減的速度也往往較慢。為此，我們?cè)谛滦偷脑O(shè)計(jì)之中，將原有的整流罩進(jìn)行了優(yōu)化，將尾椎出口位置的尖部截?cái)啵@樣就在尾椎尖部形成了一段圓截面。這樣做的主要目的，是能夠盡可能的縮短整流罩的長(zhǎng)度，這樣也在一定程度上，使得整流罩的摩擦損失降到了最低。與此同時(shí)，因?yàn)殡A段后的整流罩增大了尾流的發(fā)展速度，對(duì)于第二擴(kuò)散段的內(nèi)部流動(dòng)十分有利，對(duì)于整個(gè)回路的氣動(dòng)損失減小也很有幫助。

2風(fēng)扇聲學(xué)性能設(shè)計(jì)

風(fēng)扇發(fā)出的噪聲，實(shí)際上主要是由電機(jī)噪聲，氣動(dòng)噪聲和機(jī)器震動(dòng)產(chǎn)生的噪聲三部分組成的，而這其中的主要噪聲源則是氣動(dòng)噪聲。為了降低風(fēng)扇的噪聲，只需要優(yōu)化風(fēng)扇的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)，盡可能降低風(fēng)扇的氣動(dòng)噪聲，就能夠事半功倍。

2，1如何抑制風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲

風(fēng)扇的氣動(dòng)設(shè)計(jì)點(diǎn)工況所在的最大升力系數(shù)一般要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于葉片的失速升力系數(shù)，這就降低了因?yàn)槭賹?dǎo)致的葉尖我留噪音。與此同時(shí)，在新的設(shè)計(jì)思路之中，對(duì)于葉片的載荷進(jìn)行了調(diào)整，這使得葉片在徑向上的各個(gè)界面都能夠獲得較為均衡的載荷分布，使得因風(fēng)扇表面的邊界層流動(dòng)氣流紊亂而引起的湍流噪音盡可能的減小了。同時(shí)，氣流再通過旋轉(zhuǎn)的葉片的時(shí)候，會(huì)在尾部邊緣產(chǎn)生脫落渦，同樣也會(huì)產(chǎn)生噪聲，而且還會(huì)因?yàn)榕c止旋片的相互撞擊，導(dǎo)致噪聲更大。而止旋片作為提高風(fēng)扇壓升的重要部件，顯然是不能夠去除的，為此只能通過優(yōu)化風(fēng)扇葉片和止旋片之間的空隙，同時(shí)通過改變止旋片的葉片數(shù)目以抑制這種干擾噪聲。另外，鑒于風(fēng)扇的止旋片和支撐片的尾流特征對(duì)于風(fēng)扇氣動(dòng)噪音的影響，因此適當(dāng)?shù)膶⒅纹奥樱⒅剐舐拥姆绞揭材軌蚪档鸵徊糠值娘L(fēng)扇噪聲。

2.2電機(jī)以及振動(dòng)噪聲的抑制

風(fēng)扇在高速運(yùn)動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，為了盡量減小為風(fēng)扇散熱的風(fēng)冷鼓風(fēng)機(jī)的噪聲，所以在新型的設(shè)計(jì)中，嘗試著將風(fēng)扇的電機(jī)和整流罩融合為一個(gè)整體，這樣就有效的利用了風(fēng)動(dòng)的內(nèi)部氣流完成了對(duì)于風(fēng)扇的降溫，免去了鼓風(fēng)機(jī)帶來的噪聲。同時(shí)，因?yàn)閷㈦姍C(jī)與整流罩有機(jī)設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，減去了必要的電機(jī)支撐機(jī)構(gòu)，這也使得電機(jī)因旋轉(zhuǎn)而發(fā)生的結(jié)構(gòu)振動(dòng)被大大避免了。同時(shí)，為了防止風(fēng)扇因旋轉(zhuǎn)而帶來多余的震動(dòng)，完全可以將風(fēng)扇做成分段設(shè)計(jì)。將風(fēng)扇的轉(zhuǎn)子，電機(jī)和整流罩設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，而止旋片和整流罩尾罩設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，在連接上采用軟連接的方式，這樣就能夠有效的筆描震動(dòng)了。同時(shí)，為了防止因風(fēng)扇本身的震動(dòng)導(dǎo)致的噪音，可以將風(fēng)扇與地面固定，這樣就有效的降低了風(fēng)扇的固有頻率，而且可以最大限度的減少系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生和輻射。

3風(fēng)扇的實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證經(jīng)過重新再設(shè)計(jì)的風(fēng)扇能否達(dá)到預(yù)期之中的效果，因此分別就新設(shè)計(jì)完成的聲學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞高效低噪聲風(fēng)扇進(jìn)行了氣動(dòng)性能測(cè)試和聲學(xué)測(cè)試。

3.1氣動(dòng)性能測(cè)試

對(duì)于風(fēng)扇的氣動(dòng)性能測(cè)試一般包含兩個(gè)方面，其一是驗(yàn)證風(fēng)扇的氣動(dòng)設(shè)計(jì)是否成功，其二則是觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是否較之原有型號(hào)的聲學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞風(fēng)扇有了較大的提升。通過試驗(yàn)，我們不難發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過重新再設(shè)計(jì)的聲學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞風(fēng)扇在氣動(dòng)效率的估算上還是比較準(zhǔn)確的，同時(shí)也的的確確能夠大幅度的提升風(fēng)扇的氣動(dòng)效率。這是因?yàn)椋捎萌我鉁u設(shè)計(jì)方法對(duì)葉片的旋轉(zhuǎn)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整之后，使得出口速度的剖面被均勻化了，這就大大的改善了風(fēng)扇因內(nèi)部壓力的梯度變化而造成的氣動(dòng)損失，因而提升了風(fēng)扇的氣動(dòng)效率。

3.2聲學(xué)性能測(cè)試

聲學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞風(fēng)扇的聲學(xué)測(cè)試主要針對(duì)噪聲指標(biāo)的工況，經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，噪聲情況的確較之原有型號(hào)有了很大的緩解，這是因?yàn)樵僦匦略O(shè)計(jì)的過程中，對(duì)于風(fēng)扇的氣動(dòng)噪聲，振動(dòng)噪聲等都做了有效的抑制，甚至充分考慮到了每一組葉片對(duì)于噪聲的影響。

4結(jié)束語

經(jīng)過重新設(shè)計(jì)的聲學(xué)引導(dǎo)風(fēng)洞高效低噪聲風(fēng)扇，無論在噪音指標(biāo)上，還是在氣動(dòng)效率上都較之從前有了非常明顯的提升，這說明，采用任意渦風(fēng)扇設(shè)計(jì)方法代替原有的自由渦風(fēng)扇設(shè)計(jì)方法能夠有效的使風(fēng)扇氣動(dòng)效率得到提升。同時(shí)，合理的分布葉片載荷，優(yōu)化風(fēng)扇的葉片和止旋片等，也能夠有效的抑制風(fēng)扇的噪聲。但是因?yàn)榈驮肼曪L(fēng)扇的轉(zhuǎn)速較高，這也導(dǎo)致了在追求氣動(dòng)效率提升的同時(shí)，對(duì)于風(fēng)扇噪聲的影響并不是特別顯著。

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