风机叶片穿孔降噪的研究.pdf

1 9 8 9 年第 6 期 煤矿机械 ， ’ 1 ’ ． ．J● ．． 一 ～ ∥f l， _ ’ ／ 。 ．‘ 彳 、 j 。 ’ 风机 叶片穿孔降噪的研究 宁波大学张 索茂曩黑掌 黑龙江矿业学院 施童镣西錾 J 【内容提 要】涡流噪 声是／ B T6 2 2 型局 扇主要噪 声 源之 一。 本文 对 采用 穿孔 叶 片 降低风 机的涡流噪 声 的机理 进行 7分析研 究，确 定 了风机叶 片台 理 的穿孔参教， 解 决 了穿孔 的工 艺问题， 井对 穿孔叶 片降低 风机噪 声进 行 了实验研 究。 一 、前 言 作 为矿 井 局部通 风 漫备 的 J B T6 2 2型 2 8 k W 轴流 式 局部 通 风机 ，其 A声级 商 达 l 1 6 d B A。 为使之 降低 到 国家 “ 工矿 企业噪 声卫生标 准规定 的噪声 限值 老工 矿企业为9 o d B A，新建和改建工矿 企 业 为8 5 ri B A ，有 必要对 风机 噪声 采 取 综 合治理措施。 目前，消声技术、隔声技术和 阻尼壤摄降噪技术广泛用于降低和隔离风机 空气动 力性 噪声 和机械 性噪声。 作 为综合 治 理风机 噪声措施之 一的风机 叶片穿孔 降噪技 术，国内束见有这方面的研究成果发表，本 文在这方面作了一些探讨。 对 于本文所 研究 的 3 BT6 2 2型 局扇， 在采用消声技术降低其空气动力噪声之后， 其 A声 级仍达9 0 d B A 。采用 改进消声 器设 计 或采用高 性能吸声材 料来进一 步获 得 空气 动 力噪声 的降低 ，不仅成 本高，而 且也很难 再获得明显的下降。为此，我们对局扇叶片 采取穿孔的方法米改善其空气动力学性能， 从而 降低 声源声辐射功 率，达到 进一步 降低 风机噪 声的 目的 。 二 、叶 片穿孔降噪的 机理 1．涡流噪声 涡流噪声是 局扇主要 的噪声源 之一， 它 产生的 主要原目是当气体 流经物体 表面 时，由于附面层发展到一定程度 特别是当 气道 扩 压度 较 大时， 会 产生 “ 涡流 脱 离”， 造成较大 的压力 脉动。在低 雷 诺 数 Re 下，周 期性的 涡流脱离导 敢叶片 J 相应环 量 的改 变，使 叶片 上的气 动 作用 力产生变 化， 恶化 叶片 的气动性 能， 以致于辐射 出很强 的 涡流噪 声。 为 了降低 风机 的涡流噪声， 应对风机 进 行 良好、台理的气动设计，采用台适的叶片 形状和尺寸，尽量避免或减少涡流脱离的发 生 但 是，对 于 已经 设 计、定型 的 产品 来 说，其叶型一经确定。相应的气动性能也就 确定 了下来。 对于本文 研究的轴 流风机，其 叶片采用 等环 量流型，能 量 沿径 向作 均匀分 布。这种设计决定 了叶片扭速沿径内与半径 成反比，而轴向速度不变，叶片盼升力系数 沿叶项到 叶根是逐 渐增加帕 ，在升 片的根部 气流状况较好，而顶部气流容易引起涡流脱 离而产 生 涡流噪 声。 涡流噪声的声功率与旋涡的形成以及涡 流脱离的程度有关。对于给定婚叶型，一般 地在设计工况下，其气动性能最佳，旋涡和 涡 流脱离不太 严重， 此时 风机 通常 具 有最 高 效率和最低噪声级。但是风机的实际工况常 常偏离设计工况，导致叶栅 升力 系数c， 和 阻 力系 数 c 的变 化，气动 性能 变坏，容 易 导 致涡流脱离 的发生 。 2．涡流脱离的产生 根据流体 力 学的边界层理论， 当流体 流 经固体表面时，靠近物体表面的一层流体， 维普资讯 2 煤矿机械 1 9 8 9 年第 5 期 由于粘性 的缘故， 其速度 发生急剧 的变化 。 在物 体表面 上，流体 与物体表 面 的相对 速度 为零 ，而在流 体离开 物体表面 的一定距离 之 后，流体 的速度不 再受粘 -生的影响，其运 动 规律 与理想流体 一样 。受粘 性作用影 响的一 甚薄流体称 为 边界层或 附而层 。在 边界层 内，流动具 有速度梯 度 见 圉 1 。 边界 层 图1 边 界层 现 象 的厚度 在分流 点 O为零， 继而 ， 沿流 动方向 厚度 8 是 逐渐增加 的。 边界层 内的 运 动状 态， 对于 通风机 来 说 ，通 常是 素流 边界 层。 在边界层内，璇滔和涡流脱离通常是难 以避免 的。其 发生的 机 理 如 下 见 图 2 图 2 流道 内的桶 流 脱 离 设 想一流体 流 过 一 曲线型 流道 A Bc的情 形 ，其中AB 部 分流道是 渐 缩的， B c部分 截 面是渐扩 的。在 流道壁 面上形成 边界层， 边 界层 内的流动对 风机来说是 紊流层 。在 A B 部 分，流避 截 面积逐 渐 变小，流 动是 加速 的，而且压力不断下降，由于主气流 边界 层外 的气 流 的速 度不 断增 加，就有 足够的 能 量传递 给边界层 内构流 体，使 之克 服摩擦 阻力，流 体便 向前 流动， 不致于产生 涡流 脱 离 但 在 B C部分 ， 由于 流道 截面 渐扩， 流 动速度慢 慢下 降，而 压 力不 断增加， 边界层 外的流体 本身动能不 断减 小，就不可 能传递 给边界层 内流体 一定 的 动能 使之 克 服 摩擦 力， 加上 沿流 动方 向压 力上 升，促使 边界 层 内的流体 速度越 来越小 ，直至为零 。流 体在 正 的压 力梯 度下 改变流 向，产生倒 流，倒 流 被 主流带 走，使 它 离开 流 道 表 面，形 成璇 涡， 即所 谓 涡流脱 离。 璇涡 不断 产生和 消 失，消耗很多能量，以噪声的形式辐射出声 能 。 3．穿孔 叶片降低 涡流 噪声的机 理 为 了降低风机 涡流 噪声 ，可采用 风机工 作 叶轮穿 孔的方法 ，来 减少 和抑制 涡流脱 离 的产生，这 样，工 作轮 出 口截面分 离区将减 少 ，分离 区涡 流强度 和 尺寸 减小，叶栅辐 射 的涡流噪声 相应减少。 在轴流风机中，涡流脱离通常发生在叶 片的非工 作表面 负 压面。这 是因为在 非 工 作表面 沿流 动方 向存在着升 压，附面 层发 展 到一定程 度后，在叶 片表 面就形 成倒流， 产 生璇 涡。 叶片穿孔 如 图 3 ，使部分 气 图 3叶片穿孔示意 漉 向工 作面 正压 面流 向非工 作表面， 使 非工 作表面边 界 曙内的流体 速度分布 得到改 变，边界 层 内的漉 体获得 新的动能克 服摩擦 阻力，这样就不致于产生倒流，也就抑制了 维普资讯 1 9 8 9 年第 5期 煤矿机械 。 8 ‘ 涡流脱 离 的发 生。 三、穿孔参数的确定 采用穿孔 叶片，可 以减 少涡流分 离 区， 降低 阻力系 数，既可 达到减 噪钓 目的，又 提 高 了风 机的经济性。但 由于叶 片穿孔， 叶片 两 面压差 降低 ，引起 升力 系数 降低 ，在大穿 孔系数时，叶片两面压差降低很快，风机达 不到要 求的能 量头。合理 确定穿孔 各参 数， 取得 各参 数 与风机性 能之 问 的优化是 很重要 的 。 1．穿孔排 数和各排 位置的确 定 穿孔排 数增加 ，噪 声 减少值 △L增 加， 但 风压也 会降低， 因此 排 数不宜太 多， 此处 宜取 5～ 7排。若各排孔都分布在涡流分离 点之 后，则 降噪效果 不 可能最 佳，因为 它不 能有 效 抑制涡流脱离 的产 生， 因此 第一排孔 必须在分离点的前面，分离点的坐标根据实 验确定，第一排孔保证了有效抑制涡流脱离 的产生 ，使 分离点后移， 后诸排孔 则处于后 移之后的分离区内，有效阻止了分离区的产 生和扩 大 在叶 片的中 问部分不 安排穿孔 ， 因 为它提供 了升力 的大部分， 这样可保 证升 力系数下降最小。 2．穿孔 系数 的确定 穿孔 系数 增加，噪声 降低值 △L增加， 阻力系数c 降低，但升力系数C 也受到影 响。 随着 穿孔 系数的增加， 一方面 出于分离 点的 向后移 动增加 了气流的 转折 角 △B △B B z B ，B。 ，B- 分别为出 口 气 流角 和进 口气流 角 使 c， 增加 ，另一 方面叶片穿 孔， 气流 自工作面流向非工作面，又使 AB 减小， 当穿孔 系数小于0 ． 1 时 ，前者 起 主要 作用， 反之 ， 后者起 主要 作用 。 当穿 孔系 数取0 ． O 8 ～ 0 ． 1 时， c， 具有最 大值 ，既可获得 较大的降 噪效果 ， 又不 致于使 升力系 数 下降很 多。 3．穿孔直 径、孔距 、穿孔 偏转角 a的 确定 孔径太 大，通过 孔流过 的气流将 对离叶 片表面很大距离的 气流产生 影 响，是 不利 的}孔太小，通过孔的气流仅能对靠近表面 附近 气流产生 影 响，不 足 以 抑制倒流 的产 生 。此外， 还应考虑 穿孔引 起高频再 生噪声 问题 。综 合考虑上 述因素并 根据实验 结果 ， 孔径选 2～ 4mm是合适 的。 在 孔 径 排 距 ，穿孔系 数确定之 后，孔 距也相 应确定 了。 穿 孔偏转 角 a增加 ， 降噪 值 △L会 减少 ， 而 且会 引起 升力 系数 C， 下降及 阻力系 数 C 上升 ， 所 以 a角应选得 尽可能小 。 考 虑到 Ⅱ 6 0 。 时， Ⅱ对 C 影 响不显著，并 考虑到穿 孔 的工艺问题 ， a选 4 0 。 ～4 5 。 为宜。 四 穿孔 工 艺 由于孔并 不 与叶片表面垂 直，而 是 与叶 片表 面成 n角度， 这就 给穿 孔带 来了一定困 难，为 了解决穿 孔工艺 问题 ，我们 制作 了专 用的钻模，既保证 了 角的准确性，又提高 了穿孔的工作效率。 五 ，穿孔 对风机 叶 片强度 的影响 风机 叶片强度 主要是 考虑 由于叶片旋 转 产 生 的离心力 造成 的拉伸破坏。 由于叶片穿 孔系 数很小 0 ． O 8 ～O ． 1 ， 孔径也很 小2 ～ 4ram， 而且 叶片穿孔后 叶片 质 量 减少 而使离 心力下降，所 以穿孔叶 片不致产生 强 度 不足问题， 长期 的实验研 究和工 业试验也 证 明了选一点。 六 、实验结 果分析 实验研究 是在 3 B T6 2 - 2 型 风机 上 进 行 的。风机使用 了 消声器， 噪声 已 降 到了9 O d B A 。再安装穿孔叶片，得到各倍频程下 风机 的声压级对 比 见表 1。从 表可见， 使用 穿孔 叶片后， 风机 噪声在 3 I ． 5 ～ 4 k HZ 的各倍频带上都得到 了不同程度的降低。根 维普资讯 ．4． 煤矿机械 1 9 B 9 年 第 5期 风机噪 声倍衙程谱对比 d B ． 寰 1 中 心 强 宰 H z 3 1 ． 5 I e 3 1 ．2 5 2 5 o 【 5 ∞ 1 K l 2 K 4 K I 8 K 1 6 K 一 般叶片风机噪声 7 8 ． 5 8 6 ． 5 8 7 8 5 f 8 8 5 J 8 l ． 5 7 】 6 6 ． 5 穿 孔 叶 片 风 机 碟 声 7 6 ． 4 1 8 4 ． 4 8 3 ． 6 8 0 ． 6 I 8 5 ． 9 ． 9【 7 8 ． 9 7 5 ． 5 l f 2 ． 4 6 9 据 实验 结果 ，风 机 A声级 可 降低 3～ 5 d B A ，使风 机整机噪声 降到8 6 ～8 7 d B A 。 虽然在 8 K、1 6 K f 个 频带 j 二 风机声 压 级 由 于使 用穿 孔叶片而有所 上 升 ，但 8 K～l 6 K 范 围 内声压缓较低 ，对风 机 总声级 影 响 很 小。 出现 高频带 内噪声上 升的原 因是 由于使 用 穿孔叶 片后，工作表 面气流流过 小孔时 产 生 了气流 再生噪声 。合理选择 穿孔 参 数，可 有 效抑制气流再生 噪声。 对 风机性 能 进行 铡试 发现， 穿孔叶 片对 风 机风 量 风匿影 响很小，在 额定工 况下， 量 、风压损 失均不超 过 8％，其 他工况 下 ’ 也不超 过 8％，这是 由于选取 了台理 的 穿孔 参数，风 机性能 对 比曲线如 图 4 图 4 风机 性 能 由 线对 比 1安 装消声 嚣后 的凰 机，2 一 再使 用穿 孔 叶片 本文还对穿孔叶片孔的排布进行了对比 实验，发现第 一排 孔处 于分离 点前 对抑 制涡 流脱 离是 非常重 要 的。第 一排孔若处 于分 离 后， 不仅不能 有效抑 制涡流脱离，而 且会 严 重恶化风 机性船。 七 结 论 1．风机 叶 片穿 孔降噪技 术 为低 噪声 风 机的研 究、制造提供 了一条新 的途径 2． 风机 叶片 穿 孔降噪，在 理论上是 成 立 的，在 实践 上是 可行 的， 具 有一 定的降噪 效果 。对 于所研 究的 ] ． B T6 2 2 2 8 k W 型 风机 ，取得 了 3～ 6 d B A 的降噪量 ，使安 装 消声 器风 机的噪声 从9 0 d B A 降到 了8 6 ～ 8 7 dB A 。 ‘ 3． 穿 孔 叶片对 风机风砸 、风量影 响不 大，穿 孔叶片 有足够的强度 。 4． 穿 孔 参数是穿孔降噪技术的关键， 合理 确定 了穿 孔参数i 5 ． 制 作专用 钻模解决 了穿 孔工艺 问题。 参考文献 [1] 通风机 事庆宜机 械 工业 出版 社1 9 8 6 [2] 流休 力学 帮 籍慷鲁 钟骐 机 槭 工业 出版 杜 1 9 79 [8] 辅沆 风机 的 l峄声 和 振动控制 研究 张宗 苴 晴 尔 缕工韭 大 学硬 士学 位论文1 g 8 0 椰 和 知 伯 ． 维普资讯