對低噪聲風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的基本原則

劉漢青 王艷榮

摘要：低噪聲風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的根本目的就是為了最大限度的降低風(fēng)機(jī)的比噪聲級，保持甚至是提高風(fēng)機(jī)的氣動力性能。為此，本文筆者在總結(jié)了個(gè)人研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合近些年來國內(nèi)外文獻(xiàn)，從軸流與離心風(fēng)機(jī)的噪聲源入手展開粗淺的探討，提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則，以供參考。

關(guān)鍵詞：低噪聲；風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)；原則

前言：

采用消聲器降低風(fēng)機(jī)的噪聲，不僅要占用一定的空間，還會進(jìn)一步增加造價(jià)成本，消耗不必要的能力，且在運(yùn)行過程中常常還會出現(xiàn)堵塞失靈等問題。因此，近些年來國內(nèi)外的研究者都將關(guān)注的重點(diǎn)放在了低噪聲風(fēng)機(jī)的研制工作上，以期在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中就降低噪聲問題。以下筆者即結(jié)合個(gè)人在低噪聲風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)上的研究經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合相關(guān)參考文獻(xiàn)，粗淺的闡述了低噪聲風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)原則，以供廣大同行參考借鑒。

1.風(fēng)機(jī)噪聲

由于空氣流動所引發(fā)的氣動力噪聲就是造成風(fēng)機(jī)噪聲的主要原因。如若我們按照風(fēng)機(jī)噪聲的聲源性質(zhì)進(jìn)行分類，則主要包含以下幾個(gè)類型：第一，由于風(fēng)機(jī)流道內(nèi)固定空間之中的氣流體積脈動而引起的單極子聲源，其發(fā)射聲功率為，其中W表示相對流動特征速度；第二，由于作用在葉片或者是流道之上的壓力脈動而引發(fā)的偶極聲源，其發(fā)射聲功率為；

第三，由于湍流速度脈動而引發(fā)的四級子聲源，其發(fā)射聲功率為。因?yàn)樗募壸釉摧椛涞男瘦^低，所以風(fēng)機(jī)中的流動速度通常不太大，因此其并不是造成風(fēng)機(jī)噪聲的主要聲源所在。而實(shí)際上多數(shù)風(fēng)機(jī)的噪聲，其主要表現(xiàn)在于葉輪圓周速度U的5次方或者是6次方正比之上，并其在工程使用的聲學(xué)相似率上認(rèn)為N∝D2u5，并由此得出以下公式：，用來對風(fēng)機(jī)噪聲水平加以衡量。

通常情況之下前后無導(dǎo)葉的低壓軸流風(fēng)機(jī)其噪聲主要以湍流噪聲為主，而對于高壓離心風(fēng)機(jī)而言旋轉(zhuǎn)噪聲則是其主要的噪聲組成部分。

2.對軸流風(fēng)機(jī)噪聲及其設(shè)計(jì)分析

對于軸流風(fēng)機(jī)而言，其噪聲主要包括以下幾點(diǎn)：來流不均勻噪聲、來流湍流噪聲、尾緣脫體旋渦噪聲、湍流便捷層噪聲等。其中來源不均勻噪聲是指因?yàn)槿~輪前支撐桿以及流道形狀發(fā)生變化而造成流動不均勻，以至于進(jìn)入到旋轉(zhuǎn)葉輪通道時(shí)發(fā)生了攻角脈動，引發(fā)生理脈動，造成周期性的葉片噪聲；來流湍流噪聲屬于寬頻噪聲，當(dāng)風(fēng)機(jī)處于熱交換其后或者是具有完全發(fā)展的湍流管道之后，由于流湍速度較大，噪聲也相應(yīng)較大；尾緣脫體旋渦噪聲是指氣流流過葉片，并將尾緣出削落旋渦以后，造成尾緣出的壓力脈動，引發(fā)噪聲問題；湍流便捷層噪聲收到湍流邊界層厚度的直接影響，是由于湍流邊界層內(nèi)的速度脈動而引發(fā)的葉片上壓脈動，造成的噪聲問題。

要想解決軸流風(fēng)機(jī)噪聲問題，設(shè)計(jì)出低噪聲軸流風(fēng)機(jī)，必須要遵循以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)原則：第一，對進(jìn)口流道進(jìn)行改善，確保進(jìn)入到葉輪中的氣流均勻，且具有較低的流速，從而降低葉片噪聲問題；第二，降低葉輪的圓周速度，以降低風(fēng)機(jī)噪聲；第三，對葉輪直徑進(jìn)行增大，這是因?yàn)槿~輪直接越大，相應(yīng)的葉片載荷也就越小，氣流也就越小，噪聲也就越小，所以要在考慮經(jīng)濟(jì)、使用性等多方因素的前提下，盡可能的增大葉輪直徑；第四，選擇良好的葉片流型與葉片流線；第五，盡可能的降低葉尖間隙，消除葉尖旋渦噪聲。

3.對離心風(fēng)機(jī)噪聲及其設(shè)計(jì)分析

對于離心風(fēng)機(jī)而言，其噪聲主要包括以下幾點(diǎn)：因進(jìn)口流場不均勻或者是大尺度旋渦引起的噪聲；因也亂上湍的邊界層中脈動速度而引起葉片上壓力脈動，造成的噪聲問題；因葉輪出口出處的速度不平均，壓力分布尾流，沖擊在風(fēng)舌之上而造成的壓力脈動，引起的噪聲問題；因葉輪出口處的不均勻尾流沖入到蝸殼之中，以至于蝸殼之內(nèi)的湍流邊界層發(fā)生分離，而造成的噪聲問題。

要想解決離心風(fēng)機(jī)噪聲問題，設(shè)計(jì)出低噪聲離心風(fēng)機(jī)，就必須要遵循以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)原則：第一，滿足δ≥0.1D， rδ≥0.02～0.03D這一條件，可以對離心風(fēng)機(jī)葉片的噪聲起到明顯的降低作用。同時(shí)，還可以在風(fēng)舌處附加一個(gè)λ/4的聲學(xué)共振器，起到降低葉片噪聲的根本作用；第二，為離心風(fēng)機(jī)選擇合適的集風(fēng)器形狀，使葉輪進(jìn)口的流動更加均勻。需要格外注意的是，集風(fēng)器與葉輪進(jìn)口之間的徑向間隙與軸向搭接尺寸，如若以D=60mm為例，那么前者則可以取1mm到2mm之間，后者則可以取2mm到4mm之間。同時(shí)，還要保持一點(diǎn)徑向間隙是有利于進(jìn)口流動方向轉(zhuǎn)變的，這對降低離心風(fēng)機(jī)噪聲十分有用；第三，對葉片的進(jìn)口角進(jìn)行合理的選取，確保進(jìn)口角，且設(shè)計(jì)工況時(shí)的葉片進(jìn)口角β1等于35.4°，并保持2°到4°的正攻角，從而降低進(jìn)口氣流的相對速度，降低噪聲問題；第四，在離心風(fēng)機(jī)的葉輪設(shè)計(jì)上，可以使用弧形前盤及其他的核實(shí)葉片流型，后者則可以采用等減速、等當(dāng)量擴(kuò)張角、給定在和分布。通過實(shí)例分析我們可以得知流型對噪聲控制有著十分重要的作用，但也沒有必須要過于精細(xì)化處理；第五，在低噪聲離心風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中，W2 / W1不能太小。這是因?yàn)槿缛鬢2 / W1太小，流動脫體就會十分嚴(yán)重，噪聲也會十分大，風(fēng)機(jī)的工作效率則會十分的地下。所以，在前向風(fēng)機(jī)上則希望W2 / W1大于0.5，后向風(fēng)機(jī)上則希望W2 / W1等于0.8到0.9，雖然在實(shí)際設(shè)計(jì)上想要做到此點(diǎn)十分困難，但是如若W2 / W1較小時(shí)則可以使用當(dāng)量擴(kuò)張角流型，以降低風(fēng)機(jī)噪聲問題。

結(jié)束語：

在風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)過程中就必須要從的考慮到如何降低噪聲，也就是說要才能夠風(fēng)機(jī)產(chǎn)生噪聲的源頭入手進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)，這也是今后風(fēng)機(jī)降噪設(shè)計(jì)的主要研究方向，并希望通過本文筆者的粗淺闡述能夠?yàn)閺V大同行在今后低噪聲風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)上提供一定的參考與借鑒。

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