煤礦通風(fēng)機氣動噪聲的數(shù)值預(yù)測研究

梁躍武

（潞安集團寺家莊有限責(zé)任公司，山西 昔陽 045300）

引言

通風(fēng)機為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備之一，承擔(dān)著為工作面提供新鮮空氣，降低工作面瓦斯、粉塵濃度的重要任務(wù)，是保證綜采工作面安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。統(tǒng)計表明，通風(fēng)機在整個工作面的耗能占比較大，究其原因為通風(fēng)機控制不合理、結(jié)構(gòu)存在缺陷及氣動噪聲太大。針對通風(fēng)機控制不合理問題，采用變頻調(diào)速系統(tǒng)可解決；結(jié)構(gòu)缺陷和噪聲太大，均可進一步導(dǎo)致高效率運行范圍較窄，葉片失速及效率偏低等問題[1]。因此，基于對煤礦通風(fēng)機氣動噪聲的預(yù)測，可為開發(fā)高性能產(chǎn)品且實現(xiàn)對通風(fēng)機的主動控制具有顯著意義。

1 通風(fēng)機模型搭建

以往衡量通風(fēng)機的主要技術(shù)指標(biāo)包括全壓、流量、效率。目前，在人們強化環(huán)保意識的形勢下，噪聲成為衡量通風(fēng)機性能的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一。通風(fēng)機噪聲包括機械噪聲、電磁噪聲和氣動噪聲三種類型。其中，機械噪聲和電磁噪聲對通風(fēng)機運行的影響較?。欢鴼鈩釉肼暿侨N噪聲中最難治理的。因此，開展對通風(fēng)機氣動噪聲的研究，對尋找產(chǎn)生氣動噪聲的根源和降低通風(fēng)機運行階段的氣動噪聲具有重要意義[2]。

本文以對旋式局部通風(fēng)機為例對其氣動噪聲進行預(yù)測。對旋式局部通風(fēng)機包括前級葉輪和后級葉輪，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 NACA65-010 對旋式局部通風(fēng)機結(jié)構(gòu)參數(shù)

結(jié)合上述分析，對NACA65-010 通風(fēng)機的具體結(jié)構(gòu)搭建葉片、葉輪等部件的三維模型，并組裝形成對旋風(fēng)機的全流道實體圖?；谒⒌娜S模型和仿真目的，分別對通風(fēng)機的集流器、兩級葉輪、擴散器、電極筒等進行網(wǎng)格劃分。其中，集流器具體對應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)為23 812，前級電極筒對應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)為104 631，前級葉輪對應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)為700 898，后級葉輪對應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)為548 605，后級電極筒對應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)為108 598，擴散器對應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)為15 620。

結(jié)合通風(fēng)機的工況，設(shè)定仿真時對應(yīng)的流量為11.59m/s，設(shè)定通風(fēng)機出口的相對靜壓值為2101.14Pa。

2 通風(fēng)機氣動噪聲功率預(yù)測

衡量通風(fēng)機氣動噪聲聲功率的指標(biāo)包括噪聲的生壓級、噪聲的聲強級及噪聲的功率級。其中，聲壓級和聲強級兩項參數(shù)容易受到通風(fēng)機運行周圍環(huán)境的影響。對于噪聲的功率級而言，其與所監(jiān)測的距離和具體監(jiān)測位置無關(guān)，能夠準(zhǔn)確反應(yīng)氣動噪聲的具體參數(shù)，并采用dB 對其強度進行描述[3]。本節(jié)將對通風(fēng)機芯部、葉輪、葉片及外殼四個位置的氣動噪聲聲功率的分布特性進行仿真分析。

2.1 通風(fēng)機芯部氣動噪聲聲功率分布特性

旨在通過研究通風(fēng)機芯部氣動噪聲的分布特性，掌握通風(fēng)機葉輪、外殼激振頻率的根源和對噪聲在遠程的輻射預(yù)測提供依據(jù)。通風(fēng)機芯部氣動噪聲分布仿真結(jié)果如下頁圖1 所示。

由下頁圖1 可知，通風(fēng)機芯部氣動噪聲強度最大的位置為葉輪處。從理論上分析，通風(fēng)機芯部噪聲產(chǎn)生的主要原因為葉輪的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致周圍氣流與障礙物相互碰撞所產(chǎn)生。同時，在動葉輪葉頂和葉片的后邊緣位置對應(yīng)的聲功率強度最大，此處也是通風(fēng)機產(chǎn)生氣動噪聲的主要來源。

圖1 通風(fēng)機芯部氣動噪聲分布示意圖

此外，對仿真結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在擴散器和整流罩附近的聲功率值偏低。由此說明，擴散器和整流罩能夠保證入口與出口處氣流穩(wěn)定性，降低噪聲。

2.2 通風(fēng)機葉輪氣動噪聲聲功率分布特性

通風(fēng)機前后兩級葉輪的氣動噪聲分布情況如圖2 所示。

圖2 通風(fēng)機前后兩級葉輪氣動噪聲分布

由圖2 可知，葉輪葉片為前后兩級葉輪聲功率分布最大的位置，而且主要表現(xiàn)在葉片的葉頂截面處；而且，后級葉輪的聲功率大于前級葉輪。造成上述現(xiàn)象的主要原因在于前級葉輪黏性尾跡對后級葉輪產(chǎn)生周期性的非定常作用力。同時，在實際運行中通風(fēng)機前級葉輪和后級葉輪存在速度差，從而引發(fā)周期性干涉噪聲。當(dāng)通風(fēng)機前級葉輪和后級葉輪之間的間距較小時，后級葉輪充當(dāng)聲障的角色，從而導(dǎo)致前、后兩級葉輪對應(yīng)的葉片上形成較大的脈動，進而產(chǎn)生噪聲。

因此，為解決上述問題，可通過對通風(fēng)機前后兩級葉輪的葉片數(shù)量進行合理設(shè)計，一般將前后兩級葉片數(shù)設(shè)定為互為質(zhì)數(shù)的情況；同時，還可適當(dāng)增加前級葉輪和后級葉輪的距離，避免后級葉輪成為聲障，從而降低或消除由于軸間間隙所導(dǎo)致的氣動噪聲[4]。

同時，當(dāng)通風(fēng)機葉輪高速旋轉(zhuǎn)時，葉輪葉片周期性地打擊周圍的空氣，也是導(dǎo)致噪聲的主要原因之一，并且還會產(chǎn)生許多旋渦。導(dǎo)致通風(fēng)機葉輪葉片邊緣位置噪聲較大的原因是葉片出口處氣流不均勻，由此導(dǎo)致其產(chǎn)生壓力脈動，進而產(chǎn)生噪聲。

2.3 通風(fēng)機葉片氣動噪聲分布特性

通風(fēng)機葉輪葉片分為壓力面和吸力面，前、后兩級葉輪葉片的氣動噪聲分布如圖3 所示。

圖3 通風(fēng)機葉片噪聲分布

由圖3 可知，導(dǎo)致通風(fēng)機氣動噪聲的根本原因在于通風(fēng)機葉片與氣流的相互碰撞。通風(fēng)機葉輪葉片的前緣和中后部的聲功率較大，主要是因為葉片前邊緣首先與氣流相接觸，致使對應(yīng)的壓力值較大，而葉片中后部氣流無法高效附著于葉片表面所導(dǎo)致。

其中，在葉片吸力面由于存在流道間隙導(dǎo)致在其表面形成一個相對明顯的低壓區(qū)域，從而導(dǎo)致該位置的聲功率值最高[5]。

2.4 通風(fēng)機外殼氣動噪聲分布特性

通過對通風(fēng)機外殼氣動噪聲的分布掌握通風(fēng)機外殼的振動情況，并得出通風(fēng)機外殼氣動噪聲分布如圖4 所示。

圖4 通風(fēng)機外殼噪聲分布

由圖4 可知，通風(fēng)機外殼聲功率最大的位置位于兩級葉輪的旋轉(zhuǎn)區(qū)域，從而再次體現(xiàn)了葉輪氣動噪聲最大的現(xiàn)象。因此，在實際工程經(jīng)驗中常對通風(fēng)機外殼采取相應(yīng)的隔聲處理，主要措施是采用雙層隔聲機殼，并在機殼內(nèi)填充一定的吸聲棉等。

3 結(jié)論

1）通風(fēng)機葉片葉輪與氣流相互作用是產(chǎn)生氣動噪聲的主要原因。

2）通風(fēng)機葉片吸力面所存在的流道間隙導(dǎo)致其表面形成低壓區(qū)，以致葉片吸力面邊緣位置的氣動噪聲聲功率值較大。

3）通風(fēng)機葉輪葉片根部無法保證氣流附著于表面，導(dǎo)致其根部的氣動噪聲聲功率較大。