轴流风机的噪声及降噪.pdf

流体机械 轴 流风机 的噪声及 中国科 学院 工程热物理研究所墨 盟墨 星 摘 要 分析 了轴 流风 机 的 气动 噪 声 源厦 其 产 生 的机 理 。 在 对 窄频 带 的 旋 转 噪 声 和 宽频带的涡流噪声产 生的原 因进行 了深入分析的基础 上 ， 提 出了各种 降低噪声 的方 法。 关 键 词 丝 兰 三 旦 生 1 1 符号 c 第 m 谐 波和第 k序列 脉动 压力 的综台 振幅 D 扩压 周子 ； 直径 f 栅距 ， t 2 D／ Z ， 频 率 V 绝对 速度 Ⅳ 相 对 速 度 L 叶 片 截 面 的 长 度 A 声 级 ． d B A 谐涟 数 1叶片通 过频率 ． 2 ． 3 ， ⋯谐 波数 5， St r ou ha [散 ． S ， 一 0 ． 1 4 ～ 0 ． 2 0 Ⅳ 转 数 ； 功 宰 圆频 率 ； 功率 ． 一2 s n Zl Z 叶 片 数 稠度 ， a --b ／ t 比 声级 ， L --L 一1 0 l o g Q P。 1 9 ． 8 0 流 量 P 压 力 一 流量 系数 压 力 系数 功率 因数 效 率 下标 1 叶 片 进 日截 面 2 叶 片 出 日截 面 2 ‘ 静叶 进 I l 截面 收 稿 It期 1 9 9 8-0 6 1 7 3 静 叶出 口截面 r 径向分 量 切向 分量 z 轴 向分 量 静压 总压 我 国 大 量 使 用 的 轴 流 风 机 普 遍 存 在 着 效 率 低 、 噪声 高 的 缺点 。 目前经 常采 用加 装 消 声器 来 降低 噪声 ， 不 仅 增 加 了投 资 ， 而 且 在 风 机 整 个 运 行 过 程 中 ， 由于 消 声器 的压 力损 失 而 造成 能源 损 失 ， 这 对 于 节 约 能 源 是 很 不 利 的 ， 因 而 从 风 机 本 身 来 找 出降 低 噪 声 方 法 是 最 根 本 的 l 轴流风机 的气动噪声源 轴流风机含有各种噪声源 ， 其 中气动 噪声是 主要的 ， 其它如机械噪声 、 电磁 噪声等 ， 在风机正 常 运 行 条 件 下 都 是次 要 的 ] 根 据 轴 流 风 机 产 生 噪 声 的 频谱 分 析 ， 其 特 点 为 在 宽 频 带 上 叠 加 离 散 频 率 的 频 带 ， 因 而 风 机 的 噪 声 有 两 种 产 生 的 机 理 离 散 峰 值 的 旋 转 噪 声 和 宽 频 带 的 湍 流 噪 声 一 1 ． 1旋 转 噪 声 旋 转 噪 声 是 由 动 叶 周 期 旋 转 及 周 围障 碍 物 的 相互 作用 产 生 的 。 对 于 动 叶 片 均 匀 分 布 的 风 机 维普资讯 第 2 7卷第 1期 流体机械 来 说 ， 这 种 相 互 作 用 是 周 期 性 的 因 而 产 生 噪 声 也 是 周 期 性 的 ， 旋 转 噪声 的频 率为 j ． 一 “ Nz 6 0 n 、 在 噪 声 频 谱 上 ， 旋 转 噪 声 表 现 为 离 散 的 峰 值 ， 其 基 频 与 风 机 叶 片旋 转 频 率 相 同 ， 因 此 通 常 成 为离 散 峰 值 的 噪 声 。 旋 转 噪 声 取 决 于 叶 片 的 负 荷或 风机 的 节 流 受 ， 在 叶片 工 作 在 大 流 量 区 而 负 荷 比较小 时旋 转 噪声 占噪声 的主 要 部 分 1 ． 2湍 流噪 声 湍 流噪 声 主要 是 由叶 尖 涡 、 风 机 叶 片后 缘 随 机 涡流 的脱 流 、 叶 片表 面 边 界 层 的 湍 流分 离 形 成 的 。 一 般 叶片表 面边 界 层 在 后缘 发生 很 严 重 的分 离 ． 涡 流 的 脱 落将 l 起 较 大 的 升 力 脉 动 ， 这 种 脉 动具 有 较 大 的 随机 性质 ， 引起 的噪声 具有 宽频 带 的性 质 ， 通 常 称 为 宽 带 湍 流 噪 声 。 根 据 经 验 公式 ， 宽带 湍 流 噪 声频 率 为 i 一 i I sf W ／ L t 2 湍 流 噪声 与转数无 关或者 说与叶 片通 常频 率 无 关 它 只 取 凌 于转 子 叶 片 上 流 过 的 相对 速 度 ， 机 匣 与 叶 片 的叶 尖 间 隙 和 气动 负 荷 由于 旋 转 噪 声 在 大 流 量 时 占 主 导 地 位 而 湍 流 噪 声 在 小 流 量 时 占 主导 地 位 ， 因 而最 小 噪 声 出现 在 这 两 个 范 围之 间 旋 转 和 湍 流 噪 声两 种 噪声 源 强 弱 取 决 于 叶 片 的 几 何 形 状 和 运 行 工 况 2 轴 流风 机噪声的控制 噪 声 的 控 制方 法 是 尽 力 避 免 和 减 小 噪 声 源 产生的噪声辐射 ， 即尽力碱小脉冲力 。用改进 风 机的气动设计和风机的最佳选择 、 合适的安装及 运行方式来 降低轴流风机的噪声 2 ． 1 减 小径 向 间 隙和 增 加 机 匣与 转 子 的 同 度 减小 转 子 时 尖 与机 匣 的 径 向 问隙 ， 增 加机 匣 与转子的同心度 ， 既 可减小 比噪声又可 以提高风 机 的 压 力 系 数 和 扩 大 风 机 的 失 速 余 度 文 献 [ 1 ] 给 出了一种轴流风机在三种径向问隙值 下的 试 验结果 ， 见 图 1 。 而 文献 3 j采用在叶尖加 旋转 环 方 法 降低 汽 车 风扇 的 噪声 ， 取 得 了 定技 果 正 确选 择 转 子 的 径 向 间 隙 ． 并 且要 保 持 其 在 圆周 方 向 的均 匀 性 ， 可 以显 著 的 降 抵风 机 的 噪声 和提 高风 机 的效 率 通 常 风 机 的径 向 间 隙取 决 于 加 工精 度 和辅 助 工 艺水 平 。 径 向 问 隙应 尽 可能 减 小 并 保 持 与 机 匣 尽 量 同心 0 7 0 6 0 5 O 4 图 】 N 9 1风机 三种 叶尖 间隙 时 的 气动 性能 和 比噪声 特性 2 ． 2合 理 的 气动 设 计 台理的气动 设计 是降低风机 本身 噪声 的最 根本的方 法． 并且还有很大的降噪潜力 。 2 ． 2 ． 1 沿 径 向 加 功 规 律 的 选 择 对 小 轮 毂 比风 机 采 用 等 环 量 设 计 时 ， 叶 片扭 曲角大 ， 在靠 近叶根处安 装角大 ， 气 流脱离 叶片 形成 湍 流 ， 涡 流 噪 声 大 。 因而 必 须 慎 重 选 择 流 型 ， 采用 “ 可 控 涡 设 计 ” 思 想 ， 使 径 向 加 功 规 律 台 理 。 另 外 ， 对 于 单 转 子 风 机 ， 转 子 出 口 的绝 对 速 度 的 周 向投 影 v 是 一 种 旋 转 损 失 的压 头 因 而 希 望 其数 值越 小 越 好 ， 以便 提 高 风机 的 效 率 再 从 减小 叶尖 间的涡流损失和涡流噪声考虑 ， 应控 制 叶尖间隙和控制 叶尖 部分 的加 功量 及优化 的叶 尖 叶型 综 合上面 的 因素 ， 并使 用扩 压 因子 D 作 为 限 制 叶片 负 荷 的 条 件 ， 对 于转 子 D l ～ Ⅳ z ／ l nⅣ ／ r l ‘ 3 对 于静 叶 D l ～V ／ 1 十凸 V ／ r Vl 4 对 于 转 子 叶 片 ， 叶 尖 扩 压 因 子 D≤ 0 ． 4 5 叶 根 扩 压 因子 D≤ 0 ． 6 ； 对 于 静 子 叶 片 ， 扩 压 因子 ， j ≤ 0 ． 6 设 计 时 ， 可 经过 各 加 功方 案 的仔 细 比较 和 维普资讯 5 2 流体机械 1 9 9 9年 1月 分析 后 ， 决 定 最 优 流 型 。 2 ． 2 ． 2合 理 选 择 叶 栅 参 数 试 验 证 明 轴流 式风 机 的 空气 动 力 噪 声 ， 特 别 是 涡 流噪 声 与 叶栅 参 数有 很 大 的关 系 。因 而 ， 在 保证 风机 的流 量、 压 力和效率 的情况 下， 根据 叶 栅 试 验 得 到 的 气 动 特 性 和 声 学 特 性 曲 线 来 合 理 选 择 叶栅 的稠 度 、 攻 角 、 相 对 弯 度 和 相 对 厚 度 等 参 数 ， 以保 证 叶栅 具 有 最 小 噪声 参 数 当这 些 参 数 不 能 在径 向 全 部 满 足 时 ， 应 首 先 使 叶 尖 的 叶栅 参数得到满足 ， 以便得到最小噪声。 试 验 进 一 步 证 明 ， 在 一 定 的 叶 栅 稠 度 下 ， 增 加叶片弦长可以获得 降噪效果 。 在设计参数相 同 时 ， 选 用 较 大 弦 长 叶 片 ， 减 少 叶 片 数 也 可 以提 高 风机的效率 。 风机效率 的提高将进 一步 降低风机 的 噪 声 ， 因为 风 机 的噪 声 可 看 成 风 机损 失 的一 部 分能量 转化 成声能。 这与试验中风机效率高效 区 附 近 ， 风 机 噪 声 低 的情 况 相 一 致 。 风 机 噪 声 的 声 功率 级 与 风 机 各 参 数 的 关 系 如 下 1 L 一L 。 一l o l g 一1 J 7 0 [ o g D 5 0 l g N 5 从 式 5 可 以 看 出 ， 风 机 的噪 声 与 风 机 的效 率、 叶轮直径和转速 的关系 。提高风 机的效率 和 降低风机 叶轮 圆周速度 和外 径都 能有 效地降低 噪声 。但 叶轮圆周 速度 和直径 的减小 ， 会使风机 的风 量和风压 下降， 而提高效率则会 在节 能和 降 噪两 个方 面 都 得 到 效益 。 2 2 ． 3 采 用 前 掠 和 前 倾 叶 片 研究 证 明 叶 片 尾 缘 边 界 层 厚 度 决 定 着 湍 流 噪 声 的大 小 ， 对 风 机 噪 声 影 响租 大 。 当采 用 前 掠 在 r 一 平 面 和 前 倾 在 r 一 平 面 的 叶 片 时 ， 叶 片尾 缘 边 界 层 减 薄 ， 这 就 使 风 机竟 频 的湍 流 噪 声 降低 。试验进一 步证 明， 叶片在一定范 围内的 前 掠 和前 倾 对 叶 片特 性 的影 响不 大 。 图 2给 出 了 3种风扇的实验特性曲线。 N _O l风机是原始风机 ， 即叶片既不 前掠 也不前倾 。 N _o 2风机只有前倾而 元前掠 。N _O 3风机 既有前倾 又有前掠 。从图 2可 以看 出 ， 当N _O 2风 机 与 N _o l风机 相 比 ， 风 机 的最 大 流量减 小 ， 最高效率点的效率增加， 失速点左移 ， 而比 A声级噪声降低 №3风机 与N O l和N 9 2风 机 相 比较 ， 可 以得 到最 低 的 比 噪 声 L 。 图 2叶 片前掠 前倾 对风 机性 能的 影响 2 ． 2 ． 4 合 理 选 择 风 机 动 叶与 静 叶 的叶 片 数 和轴向间隙值 旋转噪声 是轴 流风 机辐 射的主要 噪声 。 这主 要 由于 动 、 静 叶 片 的相 互 作 用 引 起 的 ， 分 析 风 机 工 作 轮 出 口气 流 与后 导 叶 相 互 作 用 ， 在 空 间某 点 处 的脉 动 压 力 可 写 为 ∞ Z3 P ￡ 一三三Che x p 一 f 6 一∞ 一 0 由于 的特性 可 以用 模 数 c 和 幅角 表 示 。所 以降低c 值 ， 可采用调整波动过程 C 和 讳 的方法 ， 对 于轴 流风 机转子 叶 片可 用不 等栅 距布置叶片来降低噪声。 对于转子一静子级 的轴 流 风机可 以通过合理 地选 择动 叶和静 叶的叶片 数并使其互为质数 ， 以及增加工作轮与后导叶之 间的轴向间隙未降低 噪声。 2 ． 3 进 口气 流 场 的 均 匀 ， 尽 力减 小 气 流 湍 流 度 当进 口流 场不 均 匀气 流有 很 大 的湍 流度 时 ， 进 口的噪声增加 ， 风机的效率降低 如 图 3所示 ， 风机工作轮前的揣流 度大时 ， 将 引起叶 片进 口攻 角 的周期变化而产生升力的脉动而引起噪声 因 此 ， 在轴流风机进 口增设进气集 流器和整流罩 以 保证进人风机的气流速度径 向均匀分布 。 实验证 明这种方法不仅增加 了风机 的效率 ， 同时也 降低 了风 机 的噪 声 。 维普资讯 第 2 7卷第 1期 流体机械 3 3 图 3 进 口湍 流度 对 叶片攻角 的影 响 最大遗 度为 的湍 流进 口速度 I 相应攻 角 脉动 的范围 3控制风机 选型 、 安装和运行引起 的噪声 轴 流 风 机 的 噪 声 不 仅 靠 改 进 设 计 来 完 成 ， 而 且 对 于 给 定 的 任 务 ， 可 以 用 优 化 风 机 型 式 和 尺 寸 ， 以及合理地安装 和运行来 降低噪声 3 ． 1正 确 地 安 裴 风机 的声 功率 级或 A 声 级 ， 随着 流量 和压 力 的增 大 而 增 大 ， 安 装 时应 尽 力 减 少 不 必要 的 阻 力损失 。 在流道 中及叶轮前尽 力避免 障碍物 产生 的尾 迹 吸人 到 叶 轮 中 而产 生 噪声 。 消声 器 的安 装 应 与 叶 轮 留 有 一 定 的 安 装 长 度 ， 以避 免 对 叶 轮 造 成 影 响 。 3 ． 2风机 的运 行 方 式和 安 装 布置 在 与电机 直联式风机 中， 轴流风机通常有 电 机 前 置 式 QZ 和 电 机 后 置 式 HZ。 电 机 前 置 式 QZ型 风 机 是 气 流 先 通 过 电 机 然 后 进 入 工 作 轮 ， 如 图 4 a 所 示 ，由 于气 流经 过 电机 及 支 撑 时 产 生 的 湍 流 再 进 人 工 作 轮 ， 此 噪 声 高 于 电 机 后 置 型 风 机 ， 见 图 4 b 。因而 在 不 得 不 采 用 电 机 前 置 时 ， 其 支 撑 做成 流 线 型 以尽 力减 少 其 对 气 流 的影 响是 非 常必 要 的 。 在 轴 流 风 机 中 ， 为 改 进 系 统 中 的 风 压 ， 经 常 在第一 级风 机后 增加第 二级 风机或 者采 用对旋 风 机 的方 法 。图 4 c 为 对旋 风 机 安装 的 型 式 。对 旋 风 机 采 用 图 4 d 的 方 式 噪 声 就 比 图 4 c 低 。 而 图 4 f 产 生 的 噪声 最 低 但 是 ， 因 为 两 工作 轮 距 离 太 大 ， 只 能 作 为 两 级 工 作 轮 单 独 运 行 考 虑 ， 其 气 动 相 互 作 用 似 乎 可 以 忽 略 。 与 后 置 电机 型 HZ单 级 轴 流 风 机 的 噪声 相 比 QZ ／ HZ型 风 机 ， 噪 声 增 加 1 0 d B A ， HZ ／ HZ 型 风 机 ， 噪 声 增 加 6 d B A ， QZ ／ QZ型 风 机 ， 噪 声 增 加 6 d B A ， HZ ／ QZ 型 风 机 ， 噪 声 增 加 4 d B A 回圈 圃 圆圆 圃 图 4轴 流 风 机 的运 行 方 式 3 ． 3选 用合 理 的调 节 方 式 由 于 多数 是 在 变 工 况 下 运 行 ， 风 机 的 风量 和 风压都 要根据管 网的需要进行调节 ， 因而调节方 式 应 尽 力 采 用 前 导 叶 或 动 叶可 调 式 以 及 变 转 速 等高效调节 系统 。困这些 高教调节方法 ， 也是产 生 附加 噪声 较 小 的方 法 。 4 结论 1 叶片力周期脉 动 引起 离散 噪声分量 ， 而 随机 脉动 力产生宽频 噪声分 量组 成风机 的总 噪 声 。 从 产 生 噪 声 的 观 点 来 看 最 重 要 机 制 是 运 动 的 风 机 叶 片 与 静 止 的 周 围 流 动 的 相 互 作 用 引起 的 噪 声 。 2 风机噪声源的控 制与降低 叶片脉动力是 等值 的。 控制噪声 方法 的效果取决 于正确使用 已 维普资讯 3 4 流体机械 公 布的实 验数据 觋 有的风 机噪声 的控制方 法 有 叶型优 化设计 ； 在 给定条 件下的 风机选型和 合理 的安 装和运行 。这些方 法都能 收到一定效 果 。 3 当 使 用 以 上 讨 论 的 各 种 降 噪 方 法 时 ， 从 实验可 以看 出并不能得到综合 的降噪效果 。 各种 降 噪 方 法 及 其 之 间的 相 互 影 响 的研 究 和 预 测 ， 还 有 许 多 工 作 要 做 。 4 减 小 径 向 间 隙 ， 增 加 叶 轮 与 机 臣 的 同 心 度 ， 既 可 提 高 效 率 又 可 以减 小 噪 声 ， 是 一 举 两 得 的 好 方 法 。 参 考 文 献 1 Li a n g Xi z h i ， W u h a i Ex p e r i me n t a l I n v e s t l g a t l o n s o f Co o l i n g Fa n f o r Au t o m o t i v e En gi n e ． I n t e r n a t i o n a l S y mp o s i u m o n Fl u i d M a c h i n e r y a nd Fl u i d En g i n e e r i n g， S e p t ． 9 ～ 1 2， 1 9 9 6， Be i 一 i n g， Ch l a n 2 Lo ng ho u s e R E． No i s e M e c h a n i s m S e p a r a t i o n a n d De s i g n C0 n s j d e r a t j 。 n s f o r Lo w Ti p Sp e e d A i a l Fl o w F- 酶 ．J o u r ．o f S o u n d a n d V[ br a t i o n， l 9 9 4 { 4 8 4 27 4 ～ 4 6 l 3 Lo n g h o u s e R E．Co n t r o l o f Ti p Vo r t e x Noi s e of Axi al Fl ow Fan s by ROE a t i ng S h r o u d s ． J o u r ． o f S o u nd a n d Vi b r a t i o n、 l 9 7 8{ 5 8 2 2 0 1 ～ 2 l 4 4 M i r k o Cu d i n a No i s e Ge n e r a t e f d b y a Va n e A x i a l F a n wi t h I n l e t Gu i d e Va n e s ． No i s e Co t 一 t r o l En g i n e e r i n g ． 1 9 9 2 { 3 9 1 2 ～ 3 0 5 刘 高 联 ． 王 甲升． 叶轮 机 械气 体 动 力 学 基础 北京 机 械工 业出 版社 ， 1 9 8 0 桀儡智1 0 0 0 8 0北京 中关村 路 乙 1 2号 中国科学 院工程热 物 理 研 究 所 我国高压水射流设备的发展方向 e ＼ 机械部合肥通用机械研究所 薛胜 雄黄汪 平 一_- _ 一 摘要从主机 大型化 、 周边设备 的开发、 产 品专业化 以厦超 高压 水切割机 的发展几 方面 ， 对我 国高压 水射 流设备 的发展方向进行 了评估 和预 刊 。 关 键 词奄 墨 生 盘 盆 查 ’ ＼ ． 嫩 状 ， 参 考 国外先进 国家的经 验 ， 对此进行 简要 的 l 前 言 评估和两测 。 自 9 0年 代 开 始 ， 我 国 高 压 水 射 漉 设 备 发 展 很 快 ， 从 小 功 率 到 大 功 率 、 从 单 机 到 成套 设 备 、 从 高 压 到 超 高压 ， 从 通 用 设 备 到 专用 设 备 ， 新 产 品 的 不 断 开 发 和 技 术 水 平 的不 断提 高 ， 促 进 了高 压 水射流设备在各工业部 门的应用 。 随着 国民经济的不断发展 ， 各 工业部 门将对 高压水射流设备提 出新的要求 。那么 ， 我 国高压 水 射 流 设 备 今 后 应 当如 何 发 展 ， 才能 满 足 新 的 市 场和用户的需求 本文根据 国内水射流行业 的现 收稿 日期 1 9 9 8 0 8 3 1 2 主 机 大 型 化 众 所 周 知 ， 一 般 国 外 机 械 产 品 F OB 价 是 国 内同类产 品的三倍左 右 ， 但我 国的用户仍舍近求 远 ， 一十 重 要 的原 因是 产 品 的功 能 与 质量 。 我 国 的 高 压 水 射 流 设 备 主机 太 路 产 品 的 机 组 功 率 多 在 5 5 ～ 1 3 0 k W 之 间 ， 压 力 1 0 0 MP a以 内。一 些 美 欧 同 类 产 品 机 组 功 率 多 在 l 0 O ～ 维普资讯