不同工況下離心風機振動變化規(guī)律試驗研究

馬振來，李國平，陳長盛，王 強

(上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031)

不同工況下離心風機振動變化規(guī)律試驗研究

馬振來，李國平，陳長盛，王 強

(上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031)

針對船用離心風機存在多工況運行特點，為研究工況變化對船用離心風機振動的影響，以某型離心風機為研究對象，搭建滿足其工況變化及振動測試要求的試驗臺架。首先對離心風機主要激勵特性的產(chǎn)生機理及對應(yīng)的特征頻率進行分析，然后從試驗角度分析工況變化對離心風機振動影響的規(guī)律。從分析結(jié)果可以看出，風機振動實測值總體變化趨勢與經(jīng)驗公式計算值趨勢基本一致，驗證了轉(zhuǎn)速-振動、流量-振動關(guān)系經(jīng)驗公式；流量變化對離心風機振動、噪聲影響比較明顯，對葉頻的影響最為突出；離心風機存在一個振動最佳運行工況，在此工況下風機振動、噪聲均為最佳狀態(tài)。在風機設(shè)計過程中，應(yīng)當考慮將設(shè)計工況選擇在此振動最佳工況附近，對船用風機設(shè)計有一定的參考價值。

振動與波；離心風機；激勵特性；轉(zhuǎn)速；流量

船用離心風機是一種將原動機的機械能轉(zhuǎn)化為被輸送氣體壓力能和動能的流體機械。降低其振動、噪聲不僅有利于減小船體結(jié)構(gòu)傳遞振動，降低船體水下輻射噪聲，更重要的是改善了船員的工作環(huán)境和生活環(huán)境。而船用離心風機存在多工況運行特點，在風機設(shè)計及選型時就要明確其在偏離設(shè)計工況運行時振動、噪聲的變化情況，因此研究風機工況變化對振動影響的規(guī)律顯得尤為重要。

風機給定轉(zhuǎn)速下的流量、全壓和效率所確定的工況，是風機的重要特性。但是船用離心風機實際使用過程中，流量可能需要發(fā)生變化，當工況變化時，會導致氣流在蝸殼流道及其寬度方向的均勻性發(fā)生變化。如果風機在非工作工況下運行，由于旋轉(zhuǎn)葉輪出口的非均勻氣流和蝸殼之間存在強烈的非定常干涉，將導致蝸殼壁面、特別是蝸舌區(qū)域成為離心風機的主要噪聲源區(qū)[1–3]，而作用在其上的非定常力是產(chǎn)生離心風機離散噪聲的主要原因[2]，因此內(nèi)部壓力脈動會發(fā)生強烈的振蕩，流體激勵蝸殼等部件在葉片頻率及其諧波處出現(xiàn)振動、噪聲，使得風機振動變大。

風機工況變化對其性能及振動影響方面，有學者已經(jīng)開展了相關(guān)研究。文獻[4]通過CFD仿真方法研究離心風機不同工況下內(nèi)部流場的三維數(shù)值變化，發(fā)現(xiàn)了葉輪入口正預(yù)旋受到蝸殼結(jié)構(gòu)影響和不均勻性，小流量情況下空氣流動受蝸舌影響顯著。文獻[5]以對旋風機為模型，使用Fluent軟件對模型風機內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，探討偏離設(shè)計轉(zhuǎn)速時對旋風機性能及其內(nèi)流規(guī)律的變化。文獻[6]從試驗和數(shù)值仿真兩個方面對對旋軸流風機在非工作工況下的風機內(nèi)部流場及氣動噪聲特性變化進行研究，得出風機在小流量工況下會發(fā)生寬頻范圍的振動，即由不穩(wěn)定氣動引起的多種成分的諧振，最后出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速、氣流激振現(xiàn)象，氣動噪聲呈現(xiàn)以渦流噪聲為主的寬頻特性。

本文以某型離心風機為研究對象，針對船用離心風機多工況運行特性，搭建滿足其工況變化及振動測試要求的試驗臺架，首先對離心風機的主要激勵特性產(chǎn)生的機理及對應(yīng)的特征頻率進行分析，然后從試驗角度出發(fā)，通過調(diào)整離心風機流量、壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，測試各個性能參數(shù)下的風機振動及噪聲，研究離心風機工況變化對振動影響規(guī)律。

1 離心風機主要激勵頻率分析

本文試驗搭建的離心風機振動解耦試驗臺架如圖1所示。

圖1 離心風機試驗臺架

主要由進氣管、離心風機、風機支座、假電機、扭矩儀、驅(qū)動電機等組成，其中蝸殼由支座單獨支撐，使葉輪-軸-電機模塊與蝸殼物理分析，假電機不通電分離電機電磁激勵，僅作為軸承支撐，由此將不同測點振動特征頻率有效分離。通過本試驗臺可完成離心風機空氣動力性能試驗，測試風機流量從小到大包括額定工況點在內(nèi)的多個工況點的功率、效率、流量、全壓等數(shù)據(jù)，同時可完成離心風機的機腳振動、空氣噪聲等測試。圖2為測得離心風機相關(guān)位置的振動加速度頻譜。

圖2 離心風機振動加速度頻譜

圖2中測點1為電機機腳、測點2為假電機機腳，測點3為蝸殼蝸舌處，離心風機在一定工況下運轉(zhuǎn)時，其產(chǎn)生的主要激勵頻率有軸頻：①及其諧頻率②葉輪旋轉(zhuǎn)頻率③及其諧頻率④渦流頻率⑤電機電磁頻率等，驅(qū)動電機引起的高頻段電磁頻率不在本文討論范圍之內(nèi)?？梢钥闯鲇捎谠囼炑b置振動解耦，蝸殼蝸舌處的頻譜存在明顯的寬頻渦流激勵。

軸頻及其諧頻率主要由風機轉(zhuǎn)子不平衡及不對中引起，式(1)為計算公式

式中n為轉(zhuǎn)速，單位為r/min；i——1，2，3……諧波序號。

葉輪旋轉(zhuǎn)頻率及其諧頻率是由于旋轉(zhuǎn)的葉片周期性打擊空氣質(zhì)點，引起空氣壓力脈動而產(chǎn)生的，式(2)為計算公式[7]

式中n為轉(zhuǎn)速，單位r/min；z為風機葉輪葉片數(shù)；i——1，2，3……諧波序號。

渦流頻率是由于氣流流經(jīng)風機葉片時，產(chǎn)生紊流附面及旋渦與旋渦分裂脫體，而引起葉片上壓力的脈動所造成的，式(3)為計算公式[8]。由于渦流頻率與相對速度有關(guān)，而相對速度是從葉片圓心到最大圓周連續(xù)變化，所以渦流頻率是一種寬頻帶的連續(xù)譜。

式中Sr為斯特勞哈爾系數(shù)，取值區(qū)間為0.14～0.2，一般取0.185；w為氣流與葉片的相對速度，m/s；L為葉片正表面的寬度在垂直于速度平面的投影，m；i——1，2，3……諧波序號。

2 轉(zhuǎn)速變化對離心風機振動影響

對于離心風機在某些工況下出現(xiàn)的振動過大的現(xiàn)象，比如升速加載過程等，均是由于風機運轉(zhuǎn)時其旋轉(zhuǎn)部件引起的振動噪聲所表現(xiàn)出的特征和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，因此通過對離心風機進行變轉(zhuǎn)速試驗，分析不同轉(zhuǎn)速下風機的振動，確定轉(zhuǎn)速變化對離心風機振動的影響。

根據(jù)俄羅斯克雷諾夫研究院提供的經(jīng)驗公式，離心風機轉(zhuǎn)速與加速度有如下關(guān)系

式中ΔLn為n與n0在蝸殼處振動加速度的差值，n0為設(shè)計轉(zhuǎn)速；n為工作轉(zhuǎn)速；γ為修正系數(shù)。上式中的γ系數(shù)對于不同的頻率范圍是變化的。在由機械和流體動力不穩(wěn)定所引起振動的f=10 Hz～315 Hz范圍內(nèi)，γ=4。在由流體動力源引起振動的f=315 Hz～8 000 Hz范圍內(nèi)，γ=6。

試驗測點圖如圖3所示，分別選取低頻段(10 Hz～315 Hz)、中高頻段(315 Hz～8 000 Hz)的試驗值和公式計算值進行比較，驗證經(jīng)驗公式的有效性，若有差別，尋找適合國內(nèi)制造工藝水平的估算系數(shù)。

圖3 風機1/2蝸殼寬度處振動加速度測點圖

從圖4、圖5中可看出，風機振動實測值總體變化趨勢與理論計算值趨勢基本一致，誤差小于1.3 dB，只有低頻段在900 r/nin～1 900 r/nin時實測值與理論計算值有一定差別，這是由于在此轉(zhuǎn)速區(qū)間風機系統(tǒng)存在較低的固有頻率造成一定共振引起的，承載系統(tǒng)耦合頻率仿真計算結(jié)果如表1所示，在19.8 Hz附近會因共振而導致振動增大，與圖4的曲線規(guī)律相符。

表1 承載系統(tǒng)耦合頻率計算 Hz

3 性能變化對離心風機振動影響

船用離心風機性能都是按額定值設(shè)計的，涉及額定流量、全壓和功率，這些數(shù)值與效率相對應(yīng)。本文通過節(jié)流器來調(diào)整流量、全壓、效率、功率等性能參數(shù)，然后測試風機的振動、空氣噪聲等數(shù)據(jù)，研究性能變化對離心風機振動的影響規(guī)律。

離心風機性能對振動影響研究分為兩個層次：

圖4 低頻段振動加速度實測值與計算值對比圖

圖5 中高頻段振動加速度實測值與計算值對比圖

(1)離心風機性能對其振動、空氣噪聲的總值影響研究；

(2)離心風機性能對其振動、空氣噪聲的葉頻影響研究。

測試按照GJB4058-2000《艦船設(shè)備噪聲、振動測量方法》進行，計算不同振動、噪聲測點的加速度（10 Hz～8 kHz）、A聲壓級（10 Hz～20 kHz）的RMS總值并按相應(yīng)公式計算平均值。圖6和圖7所示為離心風機全性能參數(shù)變化及離心風機振動和空氣噪聲總值隨流量變化曲線，橫坐標將流量做歸一化處理，為實際流量與額定流量之比。

從圖6和圖7可以看出：

(1)全壓隨著流量的增加而減小，功率隨著流量的增加而增加；

(2)效率在0.75Q0～1.15Q0之間變化不大，在小于0.75Q0和大于1.15Q0后逐漸減小；

(3)在Q0附近，風機性能和振動、噪聲均為最佳狀態(tài)；

圖6 離心風機全性能參數(shù)變化曲線

圖7 離心風機振動噪聲總值隨性能變化曲線

(4)在Q0以上隨著流量增大，振動和噪聲增大幅度相近，每增加0.1振動增加1 dB左右，噪聲增加1.5 dB左右；

(5)在Q0以下隨著流量減小，振動增大的幅度很大，噪聲增大幅度很小；

圖8所示為離心風機葉頻處振動和空氣噪聲值隨流量變化曲線。

圖8 離心風機葉頻處振動噪聲值隨性能變化曲線

從圖8中可以看出：

(1)在Q0以上隨著流量增大，葉頻處振動和噪聲增大幅度相近；

(2)在Q0以下隨著流量減小，振動增大的幅度很大，噪聲增大幅度很??；

(3)流量對葉頻影響大于對總值影響幅度，這是因為在偏離設(shè)計工況情況下運行時離心風機內(nèi)的氣流流動要比設(shè)計工況下大為惡化，在特征頻率葉頻處表現(xiàn)得最為突出。

由圖6－圖8可以看出，離心風機存在一個最佳運行工況，在Q0流量附近，在此工況下風機振動、噪聲均為最佳狀態(tài)，效率、全壓和功率也處于綜合的最優(yōu)狀態(tài)。

根據(jù)經(jīng)驗公式，離心風機流量與加速度變化有如下關(guān)系

式中ΔLQ為在蝸殼處實際運行與Q0下運行時振動加速度的差值，Q0為風機額定工況流量；ΔQ為風機實際運行流量與額定工況流量差；當風機實際運行流量比額定工況Q0小時，δ=0.8～1.5；當風機實際運行流量比額定工況Q0大時，δ=2.2～3。

選取風機全頻段的的振動加速度試驗總值和公式計算值進行比較驗證，如圖9所示。從圖中可看出，風機振動實測值總體變化趨勢與理論計算值趨勢基本一致，并且得到的規(guī)律與圖7相符。

圖9 風機全頻段振動加速度實測值與公式計算值對比

4 結(jié)語

通過搭建離心風機試驗臺架，從試驗角度出發(fā)，對離心風機不同運行工況進行振動試驗，并對結(jié)果進行分析，研究離心風機工況變化對振動影響規(guī)律，得出一些有益的結(jié)論：

(1)風機振動加速度、空氣噪聲的實測值隨轉(zhuǎn)速、流量變化的總體趨勢與理論計算值趨勢基本一致，說明轉(zhuǎn)速和流量變化與振動關(guān)系的經(jīng)驗公式有一定的參考價值。

(2)離心風機存在一個最佳運行工況，在Q0流量附近，在此工況下風機振動、噪聲均為最佳狀態(tài)，效率、全壓和功率也處于綜合的最優(yōu)狀態(tài)。隨著風機實際工況偏離此最佳運行工況，風機振動、噪聲均出現(xiàn)不同程度的增大，因此在風機設(shè)計時，應(yīng)該考慮將設(shè)計工況選擇在此最佳工況左右，更利于降低其振動、噪聲。

(3)離心風機在最佳運行工況下，風機內(nèi)的壓力場和氣流流動都比較均勻；但在偏離最佳運行工況情況下風機內(nèi)的氣流流動要比最佳運行工況下大為惡化，對風機的振動和空氣噪聲影響特別明顯，特別是特征頻率葉頻處影響最為突出。

(4)在需要小流量工況運行時，應(yīng)盡量避免使用節(jié)流器調(diào)節(jié)，而采用變速調(diào)節(jié)的辦法，降低風機的轉(zhuǎn)速，這樣既可以保證風機的性能，又可以使風機內(nèi)的氣流流動更為穩(wěn)定，同時，由于轉(zhuǎn)速降低，風機的振動和噪聲也會隨之降低。

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Experimental Study on the Vibration Variation Law of Centrifugal Fans in Variable Operation Conditions

MA Zhen-lai,LI Guo-ping,CHEN Chang-sheng,WANGQiang
(Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031,China)

vibration and wave;centrifugal fan;excitation character;rotating speed;flow rate

O422.6

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2017.01.038

1006-1355(2017)01-0178-05

2016-10-17

馬振來（1992－），男，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，研究方向為振動與噪聲控制。E-mail:mazhenl@163.com

Abastract:Influence of change of working conditions on the vibration characteristics of marine centrifugal fans is studied.With a centrifugal fan of a certain type as the object,a test bench which satisfies its working condition change and vibration measurement requirements is established.Firstly,the mechanism of the main excitation generation of the centrifugal fan and its characteristic frequency are analyzed.Then,the law of influence of the working condition change on the vibration characteristics is studied experimentally.It can be seen from the results of the analysis that the general variation tendencies of the measured fan’s vibration values and the calculated values according to the empirical formulas are basically consistent.Thus,the relation formulas between the rotating speed and vibration characteristics and between the flow rate and the vibration characteristics are verified.It is noticeable that vibration and noise of the centrifugal fan are significantly affected by the flow-rate changing;especially its influence on the blade frequency is very large.The centrifugal fan has a best operation condition in which the fan’s vibration and noise are the best.In the design process of the fan,the design working condition should be chosen near the best working condition.This work has some reference value for the design of marine fans.