吸聲蝸殼在離心風機降噪中的應用研究

周志勇，王宗娟，周朦佳，賈志彬

(1. 浙江億利達風機股份有限公司，浙江 臺州 318056； 2. 上海瑞晨環保科技有限公司，上海 200127)

0 引言

離心式風機是工業生產中應用廣泛的通用輔助設備[1]，而風機噪聲尤其大型風機噪聲很大，嚴重影響人的身心健康，所以降低風機噪聲有著重要的意義。由于蝸殼壁面是離心風機主要的氣動噪聲源[2],蝸殼不消聲時，聲波在風機蝸殼內連續反射，形成一個混響聲場，聲壓級較高。采用消聲蝸殼后，被吸收的聲能多，被反射的聲能少，其聲場的聲壓級就會降低[3]。

對于離心風機消聲蝸殼降噪效果的研究，國內外很多學者都做了不少的研究工作。Bartenwerfer 等將蝸板外側消聲部分的外殼做成方形，里面填充消聲材料對離心風機進行降噪試驗研究，使改進后的風機A聲級降低了9～12dB(A)[4]。劉曉良等研究了消聲蝸殼消聲材料厚度、空腔厚度等對風機降噪效果的影響，結果表明：適當增加消聲材料厚度或空腔厚度可以提高消聲蝸殼的降噪效果[5]。到目前為止，對消聲蝸殼的研究基本都集中在周向蝸板上加裝消聲材料，對風機側板加消聲材料的消聲蝸殼降噪效果研究得還比較少。

本文以某后向離心風機為研究對象，對4種組合方式的消聲蝸殼進行了試驗測量，研究了每一種組合的降噪效果及對風機氣動性能的影響。

1 試驗裝置和試驗方法

1.1 風機結構參數

研究對象為一款高效離心式后向風機，額定流量360m3/h,額定全壓400Pa。風機主要幾何參數如表1。

表1 風機幾何參數

續表1

圖1為本試驗風機的結構簡圖，在風機蝸板和前后蓋板上可分別固定穿孔鋼板，穿孔板與蝸殼本體之間形成10 mm的空腔，空腔內填充超細玻璃棉，形成消聲蝸殼。以此形成4種消聲蝸殼組合：A組合，周向蝸板有消聲層；B組合，蝸殼后蓋板有消聲層；C組合，周向蝸板和后蓋板有消聲層；D組合，周向蝸板和前蓋板有消聲層。選用的穿孔板采用板厚1 mm，孔徑6 mm，穿孔率約為22%。各種加裝吸聲結構組合，風機蝸殼內部的通流結構尺寸和原風機一致。

圖1 風機消聲結構示意圖

1.2 測試系統

試驗在符合ISO3745標準的半消聲室中進行，其四周墻壁及屋頂均裝有消聲尖劈，消聲室截止頻率100 Hz，本底噪聲為26 dB(A)。試驗裝置和測試系統按照國家標準GB/T1236-2000《工業通風機用標準化風道進行性能試驗》和GB/T2888-91《風機和羅茨鼓風機噪聲測量方法》的要求設計、制造、測試[6-7]。風機進氣口端連接符合GB/T 1236規定的風機性能試驗進氣試驗裝置。使用智能壓力風速風量儀測出PL3位置的靜壓和PL5處的流量壓差，然后再根據其他測量的數據算出風機全壓和靜壓試驗裝置如圖2所示。

試驗采用進口堵片方式調節流量，從大流量至小流量共選取8個工況點，分別測試每個工況點的風機流量、壓力、功耗和噪聲。最后計算風機標況下流量、全壓、全壓效率、總A聲級。

1—90°弧進口噴嘴；2—整流柵；3—錐形過渡段；4—離心風機；5—電機；6—噪聲計圖2 離心通風機試驗系統裝置

2 試驗結果與分析

2.1 消聲蝸殼對風機氣動性能的影響

原風機與不同消聲組合試驗所得的氣動性能對比如圖3所示。試驗結果表明：由于穿孔板相對于光滑的鋁板有著較高的壁面摩擦阻力，導致加裝穿孔板后的風機壓力和效率在整個測試工況范圍內都有不同程度的降低。4種消聲組合方式的壓力損失并不相同，當額定轉速為3 800r/min，在設計工況下，A組合改進風機全壓降低了約16.0Pa，效率下降了約1.28%；B組合改進風機全壓降低了約5.0Pa，效率下降了約0.9%；C組合改進風機全壓降低了約36.8Pa，效率下降了約3.18%；D組合改進風機全壓降低了約45.8Pa，效率下降了約3.28%。主要由于安裝穿孔板的面積不同，導致不同消聲組合方式的摩擦損失不同。B組合即只在風機后蓋板上安裝穿孔板，風機壓力損失最小。不同工況下，風機壓力和效率損失也不相同，在設計工況及偏大流量工況下，風機壓力和效率損失較大，效率也同步降低。主要原因是大流量工況下，蝸殼內部氣流速度較高，氣流與穿孔板之間的摩擦損失增加。

圖3 原風機與改進風機氣動性能對比

2.2 A型消聲蝸殼的降噪效果

圖4是消聲蝸殼為A組合形式時與原風機的出口A聲級隨流量變化的對比圖。由圖4可以看出，不同工況下，A型消聲蝸殼的降噪效果不同，在額定工況點附近，降噪效果最好；在大流量工況下，降噪效果變差，這主要因為大流量情況下，蝸殼內氣體流速較大，而氣體流速對吸聲材料的吸聲效果影響很大[8]；在小流量工況下，風機流動惡化，風機振動較大，導致振動噪聲很大以致降噪效果反而變差。與原風機相比，在額定工況點A聲級降低約4.5 dB(A)，在大流量工況下，A聲級降低約3.6 dB(A)，在小流量工況下，A聲級降低約1.9 dB(A)。

圖5是原風機和A型改進風機在高效點的噪聲頻譜圖。根據風機參數，風機旋轉噪聲基頻為760Hz，由頻譜圖可看出在500～800Hz之間的低頻噪聲并沒有降低，而1 250-2 000Hz之間吸聲材料的降噪效果非常好，噪聲下降明顯。主要原因就是選用的吸聲材料超細玻璃棉在高頻率下，吸聲系數較大，因此多孔吸聲材料其吸聲效果是高頻優于低頻的[9]。

圖4 風機A聲級對比

圖5 風機噪聲頻譜對比圖

2.3 B型消聲蝸殼的降噪效果

圖6是消聲蝸殼為B組合形式時與原風機的出口A聲級隨流量變化的對比圖。與原風機相比，在額定工況點A聲級降低約7dB(A)，在大流量工況，A聲級降低約5.0dB(A)，在小流量工況下，A聲級降低約2.4dB(A)。

圖7是原風機和B型改進風機在高效點的噪聲頻譜圖。在125～500Hz頻段之間，風機A聲級有所增大，原因是后蓋板加上消聲材料后，葉輪軸向安裝長度加長引起低頻電機振動，噪聲增加。在中高頻段后蓋板加消聲材料的降噪效果很好，這種方式對于氣動噪聲及高頻振動等起到很好的吸收作用，尤其是整機包括電機的高頻振動噪聲過濾程度明顯。

圖6 風機A聲級對比

圖7 風機噪聲頻譜對比圖

2.4 C型消聲蝸殼的降噪效果

圖8是消聲蝸殼為C組合形式時與原風機的出口A聲級隨流量變化的對比圖。與原風機相比，在額定工況點總A聲級降低約7.2 dB(A)，在大流量工況，A聲級降低約5.5 dB(A)，在小流量工況，A聲級降低約3.5 dB(A)。圖9是原風機和C型改進風機在高效點的噪聲頻譜圖。

圖8 風機A聲級對比

圖9 風機噪聲頻譜對比圖

2.5 D型消聲蝸殼的降噪效果

圖10是消聲蝸殼為D組合形式時與原風機的出口A聲級隨流量變化的對比圖。與原風機相比，在額定工況點，A聲級降低約5.14 dB(A)，在大流量工況，總A聲級降低約5.0 dB(A)，在小流量工況，A聲級降低約2.0 dB(A)。降噪效果稍微好于A型改進風機，但不明顯。可見前蓋板加裝消聲材料降噪效果并不好，主要原因由于進口處有集流器，導致安裝消聲材料的面積相對于后蓋板小很多，吸聲效果不明顯。圖11是原風機和D型改進風機在高效點的噪聲頻譜圖。

圖10 風機A聲級對比

圖11 風機噪聲頻譜對比圖

2.6 4種消聲方式的降噪效果比較

圖12是原風機與4種消聲方式風機的A聲級對比。從圖中可以看出，每一種方式都有著不錯的降噪效果，其中C型改進風機降噪效果最好，在額定工況點附近總A聲級能降低約7 dB(A)；B型改進風機降噪效果也比較理想，優于A和D型改進風機；A型改進風機的消聲效果最差。出現上述情況的原因應該是電機噪聲通過蝸殼會被放大，而沒有被吸聲材料有效吸收。但后蓋板加裝消聲材料，恰好吸收了電機的部分噪聲，因此后蓋板加裝吸聲材料降低風機噪聲明顯。

圖12 風機A聲級比較

3 結語

本文對吸聲蝸殼對風機降噪效果進行了研究，分別對單獨蝸板、后蓋板、蝸板與后蓋板、蝸板與前蓋板加裝消聲材料的4種方式進行了試驗測量，在風機全工況范圍內，風機噪聲都有不同程度的降低，其中蝸板加后蓋板組合的降噪效果最好。由于穿孔板摩擦損失較大，氣體流動阻力增加，導致風機壓力和效率都有不同程度的降低。

通過試驗證明相對于周向蝸板加裝消聲材料，風機后蓋板加裝消聲材料消聲效果明顯，且結構簡單、制造方便風機壓力損失最小。也證明了消聲蝸殼有很好的降噪效果，并且風機蝸殼尺寸雖然有一定的增大，但相對于消聲器等其他降噪方法優勢還是很明顯的。對風機進出口安裝條件有限制并且對噪聲有一定要求的離心風機，吸聲蝸殼是較好的選擇。

[1] 劉瑞韜，徐忠. 離心葉輪機械內部流動的研究進展[J]. 力學進展，2003,33(4):518-532.

[2] LIU Qiuhong，QI Datong，MAO Yijun. Numerical calculation of centrifugal fan noise[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers: Journal of Mechanical Engineering Science，2006，220: 1167-1178.

[3] 智乃剛，蕭濱詩. 風機噪聲控制技術[M]. 北京：機械工業出版社，1985.

[4] Bartenwerfer M, Gikadi T, Neise W, et al. Noise reduction in centrifugal fans by means of an acoustically lined casing[J]. Noise Control Engineering Journal, 1977, 8(3):100-107.

[5] 劉曉良，祁大同，劉天一，等. 前向離心風機吸聲蝸殼降噪的試驗研究[J]. 西安交通大學學報，2009，43(3):92-96.

[6] 國家質量技術監督局. GB/T1236-2000工業通風機用標準化風道進行性能試驗[S]. 北京：中國標準出版社，2001.

[7] 國家質量技術監督局. GB/T2888-91風機和羅茨鼓風機噪聲測量方法[S]. 北京：中國標準出版社，1991.

[8] 張林. 噪聲及其控制[M]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社, 2002.

[9] 何琳. 聲學理論與工程應用[M]. 北京：科學出版社， 2006.