關于聲學引導風洞高效低噪聲的風扇設計要點討論

摘要：通過聲學引導風洞高效低噪聲的風扇設計，實質上是通過任意渦風扇的設計方法，對風扇進行再設計的過程。通過各項試驗，均能夠證明，經過這種設計方式進行再設計的風扇，在氣動效率上要遠遠高于未經過再設計的引導風洞風扇;而在噪聲分貝上，這種經過在設計的風扇也同樣具有更加優越的低噪聲性能。本文中，將就升學引導風洞高效低噪聲的風扇設計要點進行討論。

關鍵詞：風扇設計;任意渦;引導風洞

引導風洞風扇是用來進行升學風洞試驗的關鍵性部件，但是在一些試驗中逐漸發現，原有的引導風洞低噪聲風扇在效率上和噪聲分貝上都不能夠達到讓人十分滿意的程度，因此，迫切的需要一種方法，能夠使現有引導風洞風扇的效率大幅度提高，同時大幅度降低其產生的噪音分貝。為了滿足這些的要求，一種新型的任意渦風扇設計方法應運而生，并且成功的被應用于聲學引導風洞高效低噪聲的風扇設計上。

1風扇氣動性能設計

原有的聲學引導風洞風扇往往存在著效率過低的問題，為了進一步提升聲學引導風洞風扇的氣動效率，必須對其原有氣動結構進行再設計。本文中，將就再設計的設計方法以及各部分設計過程進行討論。

1.1氣動性能新型設計方法

為了盡可能的提高聲學引導風洞風扇的氣動性能，在新的設計方法之中，采用了以葉素理論為依據的任意渦風扇設計方法。這種方法雖然和傳統的自由渦風扇設計方法一樣，都是以葉素理論作為依據的，在設計過程中忽略掉流動造成的三維效應的設計方法，但是這種新的設計方法不再像以往那樣需要假設風扇入口氣流均勻穩定。新的設計方法可以根據實際的流道情況，用不均勻的風扇入口速度作為初始設計參數，然后通過調整葉片的旋轉系數得到均勻的出口分布速度，從而達到提升風扇效率的目的。或者說，這種設計方法，實際上是通過調整葉片上的載荷分布，來完成對于聲學引導風洞風扇的氣動效率的提升的。

1.2新型設計方法下的葉片設計

在設計過程之中，根據確定的引導風洞回路的性能要求，可以確定風扇的兩個核心工況，也就是氣動設計點和聲學設計點。在實際設計過程中，通常將氣動設計點當作風扇的設計點工況，而將聲學設計點當作風扇的性能校核點的工況。通過各種實測數據，我們不難發現，經過這種新興的任意渦風扇設計方法調整過葉片載荷分布之后的聲學引導風洞風扇的槳葉出口速度剖面要明顯較之風扇入口的速度更為平緩。而在關于設計點工況升力系數的分布對比之中也能清晰的發現，葉片的升力系數遠遠低于風扇翼型的失速升力系數，這樣就有效的避免了葉片出現尖部失速的狀況。只要確定了風扇在各個位置的不同旋轉系數，再結合風扇入口處的速度分布，就能夠清楚的計算出風扇槳葉下游的軸向上的速度分布。這個時候，可以運用和傳統的自由渦設計法相同的辦法，確定葉片的實際弦長，然后就能夠得出風扇槳葉徑向上的升力系數。

1.3新型設計方法下的整流罩設計

作為風扇的重要組成部分，整流罩能夠有效的優化風扇入口處的流動特性，并且提高風扇出口處的壓力恢復。傳統模式的風扇整流罩的尾罩，通常采用旋轉圓錐的制式，能夠取得比較高的壓力恢復效率。但是因為這種整流罩對于擴散角有著比較高的限制，因為整流罩整體過長，就會導致整個風扇段過長，同時氣流在通過之后，衰減的速度也往往較慢。為此，我們在新型的設計之中，將原有的整流罩進行了優化，將尾椎出口位置的尖部截斷，這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，因為階段后的整流罩增大了尾流的發展速度，對于第二擴散段的內部流動十分有利，對于整個回路的氣動損失減小也很有幫助。

2風扇聲學性能設計

風扇發出的噪聲，實際上主要是由電機噪聲，氣動噪聲和機器震動產生的噪聲三部分組成的，而這其中的主要噪聲源則是氣動噪聲。為了降低風扇的噪聲，只需要優化風扇的氣動結構，盡可能降低風扇的氣動噪聲，就能夠事半功倍。

2，1如何抑制風扇氣動噪聲

風扇的氣動設計點工況所在的最大升力系數一般要遠遠小于葉片的失速升力系數，這就降低了因為失速導致的葉尖我留噪音。與此同時，在新的設計思路之中，對于葉片的載荷進行了調整，這使得葉片在徑向上的各個界面都能夠獲得較為均衡的載荷分布，使得因風扇表面的邊界層流動氣流紊亂而引起的湍流噪音盡可能的減小了。同時，氣流再通過旋轉的葉片的時候，會在尾部邊緣產生脫落渦，同樣也會產生噪聲，而且還會因為與止旋片的相互撞擊，導致噪聲更大。而止旋片作為提高風扇壓升的重要部件，顯然是不能夠去除的，為此只能通過優化風扇葉片和止旋片之間的空隙，同時通過改變止旋片的葉片數目以抑制這種干擾噪聲。另外，鑒于風扇的止旋片和支撐片的尾流特征對于風扇氣動噪音的影響，因此適當的將支撐片前掠，并將止旋片后掠的方式也能夠降低一部分的風扇噪聲。

2.2電機以及振動噪聲的抑制

風扇在高速運動中會產生大量的熱，為了盡量減小為風扇散熱的風冷鼓風機的噪聲，所以在新型的設計中，嘗試著將風扇的電機和整流罩融合為一個整體，這樣就有效的利用了風動的內部氣流完成了對于風扇的降溫，免去了鼓風機帶來的噪聲。同時，因為將電機與整流罩有機設計成一個整體，減去了必要的電機支撐機構，這也使得電機因旋轉而發生的結構振動被大大避免了。同時，為了防止風扇因旋轉而帶來多余的震動，完全可以將風扇做成分段設計。將風扇的轉子，電機和整流罩設計為一個整體，而止旋片和整流罩尾罩設計為一個整體，在連接上采用軟連接的方式，這樣就能夠有效的筆描震動了。同時，為了防止因風扇本身的震動導致的噪音，可以將風扇與地面固定，這樣就有效的降低了風扇的固有頻率，而且可以最大限度的減少系統的振動噪聲的產生和輻射。

3風扇的實驗分析

為了驗證經過重新再設計的風扇能否達到預期之中的效果，因此分別就新設計完成的聲學引導風洞高效低噪聲風扇進行了氣動性能測試和聲學測試。

3.1氣動性能測試

對于風扇的氣動性能測試一般包含兩個方面，其一是驗證風扇的氣動設計是否成功，其二則是觀察實驗數據，是否較之原有型號的聲學引導風洞風扇有了較大的提升。通過試驗，我們不難發現，經過重新再設計的聲學引導風洞風扇在氣動效率的估算上還是比較準確的，同時也的的確確能夠大幅度的提升風扇的氣動效率。這是因為，采用任意渦設計方法對葉片的旋轉系數進行調整之后，使得出口速度的剖面被均勻化了，這就大大的改善了風扇因內部壓力的梯度變化而造成的氣動損失，因而提升了風扇的氣動效率。

3.2聲學性能測試

聲學引導風洞風扇的聲學測試主要針對噪聲指標的工況，經過測試發現，噪聲情況的確較之原有型號有了很大的緩解，這是因為再重新設計的過程中，對于風扇的氣動噪聲，振動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于噪聲的影響。

4結束語

經過重新設計的聲學引導風洞高效低噪聲風扇，無論在噪音指標上，還是在氣動效率上都較之從前有了非常明顯的提升，這說明，采用任意渦風扇設計方法代替原有的自由渦風扇設計方法能夠有效的使風扇氣動效率得到提升。同時，合理的分布葉片載荷，優化風扇的葉片和止旋片等，也能夠有效的抑制風扇的噪聲。但是因為低噪聲風扇的轉速較高，這也導致了在追求氣動效率提升的同時，對于風扇噪聲的影響并不是特別顯著。

參考文獻：

[1]屈曉力，余永生，廖達熊，呂金磊.聲學引導風洞高效低噪聲風扇設計[J].實驗流體力學.2013，（3）.