離心風(fēng)機氣動降噪方法研究與剖析
關(guān)鍵詞：離心風(fēng)機 發(fā)布時間：2013-10-19 點擊數(shù)：1777
作為一種通用機械， 離心風(fēng)機可用于各行 各業(yè)， 最常用的是作為通風(fēng)系統(tǒng)的動力源， 如 冰箱和空調(diào)系統(tǒng)、 鍋爐和煉鋼的廠房等。 在使 用過程中， 由于較高的轉(zhuǎn)速常常導(dǎo)致很高的噪 音， 有的甚至?xí)^ 100dB， 遠遠高于國家標(biāo) 準(zhǔn)， 帶來巨大的環(huán)境噪聲污染。 不少學(xué)者從氣 動噪聲理論開始著手進行研究， 以確定降噪方 法， 然而， 氣動聲學(xué)的理論非常復(fù)雜， 并且風(fēng) 機蝸殼和葉輪的復(fù)雜型線加大了分析的難度， 很難從理論上完全解決， 因而， 如何全面解決 風(fēng)機的噪聲問題是一個困擾大家多年的難題。 利用工程上現(xiàn)有的研究成果和經(jīng)驗進行風(fēng)機設(shè) 計和降噪是比較理想的， 然而， 目前公開的資 料中所描述的降噪方法比較籠統(tǒng)， 因而， 筆者 將各種較為常用的降噪方法及其試驗結(jié)果進行 了統(tǒng)一的整理和分析， 得出了一些有益的結(jié)論。
1 離心風(fēng)機氣動噪聲降噪方法
通常離心風(fēng)機噪聲主要包括氣動噪聲、 機械 噪聲和結(jié)構(gòu)振動輻射的噪聲等。 在噪聲頻譜上表 現(xiàn)為離散的旋轉(zhuǎn)噪聲與寬帶的渦流噪聲疊加， 其 中氣動噪聲占據(jù)了風(fēng)機噪聲的主要部分， 因而控 制風(fēng)機的氣動噪聲成為控制噪聲的首要素[1]。 控制氣動噪聲的方法主要有： 非常規(guī)蝸舌，
吸聲蝸殼， 加出口消聲器， 改變?nèi)~輪形式和多 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計等幾種。 根據(jù)噪聲的產(chǎn)生和傳遞 途徑來講， 又可以分為聲源的控制和傳遞途徑 的控制， 因而， 限于筆者知識范圍， 就近十年 的一些典型的離心風(fēng)機聲源和傳遞途徑的控制 方法進行了分類及描述。 1.1 聲源控制方法 聲源控制即消除了噪聲傳播的根源， 從氣 動噪聲的根源上進行抑制， 也可以認為是治 “本” 的方法。 1.1.1 非常規(guī)蝸舌 很多學(xué)者已經(jīng)指出， 離散的旋轉(zhuǎn)噪聲是由 于從葉輪排出的氣流與蝸舌的干涉引起的， 另 一方面， 蝸舌的不良形狀也會引發(fā)渦流噪聲。 因此， 改變蝸舌的幾何形狀可以從本質(zhì)上降低 聲源的強度， 從而達到改善噪聲的目的。 通常 有采用傾斜蝸舌， 改變蝸舌與葉輪間距和采用 仿生蝸舌等幾類。 孫少明等[2]提出了一種新型的降噪結(jié)構(gòu)—— — 仿生蝸舌。 他們利用長耳鶚等生物獨特的體表 降噪系統(tǒng)， 將仿生形態(tài)薄膜貼敷于蝸舌表面的 方法獲得， 同時采用正交試驗方法進行參數(shù)優(yōu) 化設(shè)計。 其試驗和仿真結(jié)果標(biāo)明， 這種仿生蝸 舌可以阻止氣流在蝸舌尾緣處發(fā)生渦流脫落， 可使離心風(fēng)機氣流噪聲得到有效控制， 其平均降 噪量約為 1.8dB， 最大降噪值達到 3.1dB。
任剛等[3]將前向離心風(fēng)機原有的直蝸舌結(jié)構(gòu) 改進為尾傾斜蝸舌結(jié)構(gòu)之后， 并配置簡易共振 消聲器和阻性消聲器進行了降噪試驗研究。 研 究結(jié)果表明， 傾斜蝸舌比原風(fēng)機在高效點處噪 聲下降約 4～5dB (A)， 再配置簡易直圓管阻性消 聲器后， 傾斜蝸舌比原風(fēng)機降低了約 14dB (A) 左右。 Sandra 等[4]就前向離心風(fēng)機的蝸舌幾何參數(shù) 進行了研究， 主要分析了蝸舌形狀和位置對氣 動噪聲的影響， 實際上也就是傳統(tǒng)的傾斜蝸舌 和改變蝸舌與葉輪間距的方法。 最終在一定的 流量范圍內(nèi)降噪約 5dB， 并且風(fēng)機性能也沒有顯 著下降。 Qi 等[5]通過增加蝸殼間隙、 傾斜蝸舌等方法 實現(xiàn)降噪， 同時對風(fēng)機性能進行了研究。 結(jié)果 表明， 在風(fēng)機全壓和效率不降低的前提下， 降 噪 1～11dB (涵蓋各個流量范圍)。 另外， 門艷忠等[6]也利用傾斜蝸舌降低噪聲 2～5dB， 文中分析認為， 主要式降低了風(fēng)機的基 頻噪聲而降低了總聲壓級， 一方面改變了蝸舌 間隙和蝸舌半徑， 另一方面是改善了氣流從葉 輪到蝸舌間的相位差。 李棟等[7]提出了一種階梯蝸舌， 兩個蝸舌各 司其職， 下蝸舌用來保證風(fēng)機性能的必要間距， 上蝸舌則殼拉開更大的間距以改善流場情況。 試 驗結(jié)果表明， 與傳統(tǒng)蝸舌蝸殼相比， 噪聲降低了 約 3dB (A)。 1.1.2 改變?nèi)~輪形式 由于離散噪聲是由于與葉輪和蝸舌的相對 位置有關(guān)， 因此， 改變?nèi)~輪形式也能改變氣流 模式， 同時也改善了流場， 也起到控制噪聲源 的作用。 姚貴喜等[8]主要研究了徑向直板葉輪， 機翼 型葉輪和葉片數(shù)等參數(shù)對氣動噪聲的影響。 研 究表明， 直板葉輪都會產(chǎn)生較大的噪聲， 這是 由于直板葉輪葉道短， 氣流在葉道中速度分布不 均勻?qū)е隆?并且全壓效率最高的 10 葉片機翼型 葉輪具有最低的噪聲， 降噪效果達到 7dB (A)。 袁東紅等[9]主要在葉輪區(qū)域采用了以下幾個 降噪措施： 1） 減小葉輪的寬度； 2） 在進口外 環(huán)加檔流圈來制止渦的生成； 3） 出口加擴壓 段， 并在周圍加吸聲材料； 4） 減小內(nèi)蝸板的孔
徑； 5） 蝸殼內(nèi)加分流筋。 最終試驗表明， 在設(shè) 計工況處， 氣動噪聲值下降了 5dB (A)。 馬健鋒等[10,11]采用不等距葉片方法對某前向 離心風(fēng)機進行降噪分析， 包括數(shù)值仿真和試驗 研究。 理論上， 不等距葉片可能使基頻噪聲的 偶極子源分布在其他頻率從而使偶極子源強度 降低。 但試驗結(jié)果表明， 盡管原基頻位置處噪 聲降低了， 但其他頻率處會增加新的峰值， 并 且總噪聲級反而升高了 1～4dB (A)， 因而， 不等 距葉片的降噪方法在實際使用時值得斟酌。 劉曉良等[12]采用串列葉片進行風(fēng)機降噪數(shù)值 分析， 串列葉片由前排的長葉片和后排的短葉 片組成， 文中選取了相對長度因子， 相對周向 位置因子進行方案設(shè)計， 分析不同組合下的風(fēng) 機氣動噪聲， 最終降低了噪聲約 4.1dB (A)。 其 中， 短葉片分布在靠近長葉片的壓力面一側(cè)， 這與很多文獻的研究結(jié)果是一致的[13,14]。而與之相 對應(yīng)的， 師銅墻等[15]采用等距串列葉片進行降噪 試驗研究， 發(fā)現(xiàn)等距串列葉片在高效點附近有 較好的降噪效果， 降噪約 2dB (A)， 而在其他流 量范圍內(nèi)氣動和噪聲性能惡化。 Tangen 等[16]研究了風(fēng)機擴壓器頂部的凹槽 對氣動噪聲的影響， 具體分析了擴壓器而產(chǎn)生 噪聲的機理， 擴壓器性能和二次流之間的關(guān)系， 在理論研究基礎(chǔ)上通過加入凹槽的方式降噪約 2dB。 可以看到， 葉輪或蝸舌的合理改善可以從 本質(zhì)上削弱風(fēng)機氣動聲源的強度， 尤其是偶極 子源的強度， 達到最終降低氣動噪聲的目的。 1.2 傳遞途徑的控制方法 從噪聲的傳播途徑著手降低風(fēng)機噪聲也是 較為常見的方式， 這種方法并沒有從氣動噪聲 的本質(zhì)上對聲源進行削弱， 只是在其傳播途徑 上加入了控制措施對噪聲進行抑制， 如在風(fēng)機 出口加消聲器、 在蝸舌處加共鳴器以及將蝸殼 改為消聲蝸殼等。 1.2.1 吸聲蝸殼 聲源形成后氣流噪聲的傳播途徑有兩方面， 一是通過氣流通道向出口外傳播， 另一方面會 通過蝸殼透射， 而吸聲蝸殼就是從透射的角度 考慮的。 姚貴喜等[17]利用高阻燃泡沫吸聲材料， 在原風(fēng)機蝸殼內(nèi)加入穿孔蝸板和吸聲材料的情況下， A 聲級下降了約 4dB (A)。 劉曉良等[18]對吸聲蝸殼進行了較為細致的研 究， 包括吸聲材料厚度和空腔厚度對噪聲的影 響， 最終降噪效果為 5～7dB (A)。 總的來講， 國內(nèi)外對于吸聲蝸殼的研究還 比較少， 還有待于進一步深入研究。 1.2.2 進出口加消聲器 在風(fēng)機出口加消聲器的情況比較多， 因為 消聲器會較大程度地降低風(fēng)機噪聲， 但是很多 情況下風(fēng)機進出口直接與其他管道相連， 沒有 加消聲器的空間， 并且由于風(fēng)機中氣流高溫影 響或長期使用后的粉塵等物質(zhì)對消聲器的性能 產(chǎn)生不利影響[19]，因而， 該方案需要在一些特定 情形下才能實現(xiàn)。 目前， 參考的文獻中大多是 抗性消聲器。 朱茂林等 [20] 針對中低壓離心風(fēng)機配套消聲 器， 提出裝配式消聲器系列， 該類消聲器由矩 形外殼、 消聲片和變徑管組成， 消聲器試驗結(jié) 果表明， 裝配式消聲器消聲量達到 15～20dB (A)。 張碧泉等[21]針對高壓離心風(fēng)機設(shè)計了雙層微 穿孔板進出口消聲器， 由于微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu) 具有吸聲系數(shù)高， 吸收頻帶寬， 而且無需填充 物等特點， 進口和出口消聲器分別取得了 3.5dB
(A) 和 17dB (A) 的降噪效果。 韓紹才等[22]給出了迷宮型消聲罩衰減量的計 算方法， 并應(yīng)用在了風(fēng)機的噪聲控制之中， 最 終降噪約 23dB (A)。 從吸聲蝸殼與進出口消聲器的降噪結(jié)果進 行比較可以發(fā)現(xiàn)， 吸聲蝸殼沒有消聲器降噪量 大， 說明了與蝸殼透射相比， 從進出口向外傳 播的氣動噪聲居多。 1.3 綜合比較 綜合以上所述的離心風(fēng)機降噪方法， 可以 將目前的一些降噪方法及其效果歸納如表 1 所 示。 可以看到， 從噪聲的源頭上考慮也會有一 定的降噪效果， 而在風(fēng)機噪聲的傳播途徑上進 行降噪效果較好， 往往需要多種方法運用進行 綜合考慮。
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2 結(jié)論
總結(jié)了近十年離心風(fēng)機氣動噪聲的降噪方 法， 包括非常規(guī)蝸舌、 改變?nèi)~輪形式、 吸聲蝸 殼和進出口消聲器等， 通過各種降噪方法及其 降噪效果的對比可以總結(jié)如下： 1） 與聲源控制效果相比， 利用傳播途徑來 控制風(fēng)機氣流噪聲效果較好。 其中， 利用出口 消聲器降噪能獲得最好的降噪效果， 降噪量達 20dB 左右， 但是， 安裝位置、 氣流高溫、 有害物質(zhì)對消聲器性能的影響限制了其使用范圍。 2） 在非常規(guī)蝸舌中， 傾斜蝸舌和變間隙蝸 舌的降噪效果更好， 而且制造也比較方便。 3） 對于葉輪形式的改變形式中， 機翼葉輪 效果最好， 證實了好的葉片型線有利于改善聲 學(xué)性能， 而不等距葉片反而會增加噪聲級。 4） 在可能的情況下采用多種降噪方法進行 組合可能取得更佳的降噪效果。