軸流風機低噪聲葉片的設計方法研究

劉云芝 陳華

摘要：在本文中針對軸流風機在運行中產生的噪聲入手，利用經驗公式推導的方式求噪聲的基本功率，對于噪聲的預估起到了幫助作用。同時對于軸流風機中噪聲的產生進行詳細的介紹，根據CAA計算模型的輔助，在聲壓變化的情況下，通過噪聲估算的方式形成降噪的指導標準，同時提出了相對應的降噪方式，滿足氣動聲學計算要求的前提下，實現了流體聲壓的調整。并采用九項降噪的方式，從改變風機的材料、設置位置、旋轉角度和運轉時間等方面入手，實現軸流風機地噪聲葉片的設計研究。

關鍵詞：軸流風機噪聲預測葉片傅里葉

1. 引言

在流體機械中，由于生產等原因會造成風機出現噪聲，對于生產生活帶來了極大的影響，通過研究風機的設計和組成，在機械的角度優化設計方式，根據統計和流體力學等計算形式，在二維和三維的方式下，形成流體參數的變化，模擬不同情況下流體的運動情況，計算出流體場內的噪聲值，并利用誤差計算的方式對噪聲值進行估算分析，在對計算流體的噪聲形成方式作為參照，通過改變葉片的基本形態，以此來作為降噪的參數指標。

2. 軸流風機噪聲產生的原因分析

在空氣或是液體中，由于物質振動造成的振蕩，而產生聲音變化，不同的振幅造成不同的聲音變化，部分聲音產生線性變化，對于變化的幅度可以忽略不計，由于聲音在過程中會出現被吸收的情況，可以估算聲壓的變化范圍和能量損失。聲音的機械能在不斷的消耗，根據慣性的原理，可以計算出聲壓的波動方程。此外，關于聲音的描述還能在均勻的介質中根據傳播的方式定義聲音的噪聲方程。在單位面積中產生聲壓的傳播，利用傳播計算聲音的折損。在流體風機中，任務噪聲是具有相位和幅值，根據不同的位置變化，所產生的指標參數不同，利用多極的聲源作為判定的依據。對于聲源的特征對發聲出的位置進行定位，采用分級簡化的模型對聲源進行標記和代替，以此來對噪聲進行評估判斷。這種評估的方式是充分利用點源的形式，在聲源頻率小波長長的情況下，計算介質的物理尺寸，將系列的聲源在偶極上進行分類，形成軸流風機的延展極數計算。在實驗中能夠看出，軸流的風機是普通風機噪聲的5次方倍，尺寸大小與噪聲大小成正比。

風機的螺旋槳在工作狀態中對于自由場形成螺旋式效應，在無反射表面情況下，聲輻射遇到障礙物會出現繞行或是短距離穿透，管道中的管道壁和進口風扇遇到風流后，產生風壓，風壓對于結構物就會產生聲源的變化，形成多角度傳播的聲源。根據傳播的效應條件，可求得噪聲參數和性質內容，根據風機的固有頻率變化，了解相對測量的結果。如在風機受到沖撞后，在風流強度和尺寸不變的環境中，分析噪聲的傳播條件，并測量傳播的范圍。如果改變風機上沖撞的角度，在紊流的作用下形成風的流動條件，參數不變則會出現較高的傳播頻率。利用圖譜顯示的原理，出現寬帶噪聲和離散型噪聲。兩者的區別在于頻率的峰值有所差異，在不同的諧波處形成強度變化值，在低風速的軸流風機中出現寬帶，在高速運轉的風機中出現離散型噪聲的可能性較大。

在軸流風機中產生的噪聲主要在不同極數中呈現不同的特性，將細分為寬帶和離散噪聲，對于離散型的特點是在動葉和其他葉片之間的升力上有所變化，取決于兩者之間的距離。對于寬帶式的噪聲，是在葉片上升脈動中產生，與紊流的現象相對應，形成較大的輻射值。

3. 風機噪聲估算模型

估算噪聲的基本形式是在紊流的情況下對于數據的積累和計算，在考慮大渦變化的基本情況，利用模型模擬的方式計算中噪音產生的情況，對于觀察的誤差進行比較，及時進行誤差的調整。通常情況下采用氣動聲學理論，在計算機的輔助下實現聲學方程的計算和應用，當數據的場流量和密度發生變化，對于傅里葉模型進行調整轉換，根據模型的變動，了解大渦輪所發生的變化。由于在計算中，風機產生的能量較小，可考慮采用CAA（氣動聲學法）模擬的方式對噪聲產生的誤差進行調整，避免出現數據混亂的情況。

3.1經驗公式

對于在風機的噪聲計算，采用經驗公式歸納的方式，在采集大量的風壓數據和葉片基本信息，得到軸流風機的噪聲計算公式：

其中P為噪聲功率，V為葉片轉動速度（m/s），Cm為葉片寬度，L為葉片高度，Z為葉片數量。根據CAA的計算要求，在對方程求解過程中，根據現有的數據指標進行帶入，在出現壓力和速度變化時，還需要考慮到材料密度的變化，根據傅里葉轉換，最終得到噪聲數據。當然，在計算中也是求得相對的噪聲值，采用的公式是經驗公式，而且軸流風機在使用中噪聲所產生的能力只是所有能力的一部分，CAA計算的誤差也會對計算的結果造成一定的影響，但是用這樣的方式求得的結果能夠滿足后期的降噪需求。

4. 軸流風機低噪聲葉片的降噪設計

降低軸流風機噪聲的基本方式一般有三種：第一是利用氣動聲學原理來設計低噪聲風機，第二是無源聲控制，第三是采用有源聲控制。第一種難度較大，理論也不夠成熟，但是由于它是從噪聲源處著手，沒有為降噪而增加質量、空間和成本，具有較大的吸引力;第二種采用消聲、隔聲或吸聲等措施，也存在著一些問題：其一是低頻噪聲難以消除，其二是增加了質量和成本;第三種通過引入二次聲源建立一個相消干涉模式，從而實現指定區域內聲能降低或消除的目的，具有良好的解決低頻噪聲問題的潛力，對于幫助改變葉片的設計，強化機械的性能有著積極的推動作用。

從經驗公式分析來看，降低軸流風機的方式有以下幾個方面：

（1）盡可能選擇較大葉輪直徑和較小的風機轉速，風機噪聲與氣流相對速度的5次方成正比，因此減小轉速能有效地降低噪聲。

（2）選用新型高效的葉柵，減少氣流損失。

（3）選擇流型時，使靜壓沿徑向逐漸加大，從而使葉片低能附面層更多的集中在靠近葉根處，比如采用前掠動葉的軸流風機。

（4）降低葉片表面粗糙度，從而減小附面層的厚度。

（5）使葉片尾緣厚度盡量減小，特別是高速旋轉的短弦長葉片，因為其在尾跡寬度中占有約75%的比重。

（6）DT比為0.051附近時，比噪聲級可達到最小。DT比定義為葉輪中徑處尾跡寬度與葉輪節距之比。

（7）通過在不等距葉片設計中，使葉片間夾角不相等，達到減少各個葉片所產生的噪聲間的同相疊加的目的。

（8）在動葉外徑處加裝旋轉環并減少其與外殼的相對間隙，利用兩者之間的夾角變化，改變旋轉的速率，起到加大風壓的作用。在葉尖相對間歇為0.2%時，可以降低噪聲約6dB，效率提高。

（9）采用小弦長和薄葉型靜葉，動葉與靜葉兩者的之間間距為0.5-1倍弦長，形成較大的反角，這種方式能夠有效的提高葉片產生聲波的概率，起到降噪的效果。

5. 結束語

在軸流風機的設計中，充分考慮噪聲對于流體機械帶來的影響，在對噪聲指標進行監控的過程中，利用監測數值形成經驗計算公式，能夠對噪聲的功率進行估算。在后期的低壓分機的噪聲處理中，利用估算的數據進行分析降噪。在文中列舉了九項降低風機噪聲的方式，從改變風機的材料、設置位置、旋轉角度和運轉時間等方面入手，豐富了軸流風機葉片的設計方式，提高了機械性能。

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