新葉形對旋風機噪聲特性研究

姜 華，李 鳳，邵珅菲，宮武旗

（1.西安科技大學 能源學院，西安 710054；2.西安交通大學 能源與動力工程學院，西安 710049）

0 引言

風機是通風工程中的核心設備，其中對旋風機因流量大、壓升高等特點被廣泛應用到礦山隧道等領(lǐng)域［1］。對旋風機噪聲較大，是風機應用的主要問題之一［2］，因此研究對旋風機的噪聲特性對控制噪聲具有指導意義。研究表明氣動噪聲是風機的主要噪聲源［3-4］，對旋風機葉頂及葉片前緣和尾緣是主要氣動噪聲源［5-6］，對旋風機噪聲由寬頻噪聲和離散噪聲構(gòu)成，其噪聲峰值主要分布在中低頻段［7-8］，更多對旋風機的噪聲特性研究可見文獻［9-12］。不同輪轂比［13］、軸向間隙［14-17］、風機轉(zhuǎn)速［18-19］、葉片角度［20］、前后葉輪葉片數(shù)［21］條件下對旋風機噪聲特性也有研究。有關(guān)風機的研究多針對已有翼型，對葉片形狀的研究主要針對其對氣動性能的影響［22-24］，對旋風機葉片形狀對其噪聲影響的研究幾乎未見報道。

為適應軸流風機反風要求，李超俊等最早提出“反向?qū)ΨQ翼型”［25］（S翼型），試驗發(fā)現(xiàn)該新型風機正反風性能基本相同［26］。李景銀等［27］對比2種不同翼型為原始翼型的S翼型，研究翼型頭部形狀對阻力系數(shù)和升力系數(shù)的影響。反向?qū)ΨQS翼型用于對旋風機的研究很少，且?guī)缀鯖]有正向?qū)ΨQ翼型用于對旋風機的報導［22-23］。本文設計1臺功率為55kW的高效對旋風機，采用雙頭正向?qū)ΨQ思想，在原始C-4翼型基礎上同時改變?nèi)~片前緣和尾緣形狀，即雙頭尖葉形和雙頭鈍葉形，對比研究以這2種新葉形和原始翼型為葉片的3種對旋風機正反風性能和噪聲特征。

1 設計參數(shù)和網(wǎng)格無關(guān)性驗證

本文采用平面葉柵設計方法［24］和等壓分配原則，設計3種葉形葉片對旋風機如圖1所示，其中原始翼型葉片前緣半徑為1.2 mm，后緣半徑為0.06 mm。正向?qū)ΨQ葉形是指以C-4原始翼型中間弦長處為對稱點，葉形前后緣相互對稱的翼型。設計流量Q=44 000 m3/h，轉(zhuǎn)速n=2 950 r/min，出口靜壓P=6 400 Pa，工作輪外徑Dt=800 mm，輪轂比d=0.7，葉片數(shù)Z1=15、Z2=10，功率為55 kW。對3種葉形對旋風機采用大渦模擬和PISO算法進行非定常流場和噪聲計算。

圖1 原始翼型葉片及2種修改葉片形狀

原始翼型前后排葉柵如圖2所示。

圖2 原始翼型前后排葉柵

對原始翼型風機進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，研究發(fā)現(xiàn)當對旋風機單流道內(nèi)網(wǎng)格數(shù)由70萬增加到145萬時，對旋風機性能參數(shù)幾乎不變?nèi)鐖D3所示，由此確定單流道網(wǎng)格數(shù)為145萬。2種修改葉形對旋風機網(wǎng)格數(shù)量，均以此為參考標準。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

2 對旋風機正反風性能

對旋風機的正反風運行性能是評價風機性能好壞的重要指標，本文首先采用定常計算，研究了3種葉形對旋風機的正反風運行性能，在此基礎上分析其噪聲特性。

2.1 正風運行性能

圖4示出3種葉形的對旋風機整機正風性能曲線。從圖4可以看到，雙頭尖葉形的整機性能曲線向大流量方向偏移，性能高于原始翼型風機，但在小流量區(qū)域，雙頭尖葉形風機內(nèi)效率低于原始翼型和雙頭鈍葉形風機；雙頭鈍葉形風機整機功率和壓力略低于原始翼型，但差別不大。設計流量下，2種修改葉形的內(nèi)效率值均高于原始翼型。正風運行時，雙頭尖葉形與其它2種葉形相比進口處氣流沖角小，使得氣流在葉片表面邊界層分離損失和沖擊損失較小，從而使葉片獲得較高性能，葉輪效率高，原始翼型和雙頭鈍葉形則相差不大。

圖4 3種葉形風機整機正風性能曲線

2.2 反風運行性能

圖5 示出3種葉形對旋風機整機反風性能曲線。反風量由規(guī)范查取可知，取60%設計流量為性能曲線變化的起始流量。雙頭尖葉形和雙頭鈍葉形風機整機反風性能功率和全壓相差不多，均優(yōu)于原始翼型，雙頭鈍葉形風機內(nèi)效率平均高于原始翼型風機約6%，雙頭尖葉形與原始翼型風機內(nèi)效率相差不多。

反風運行時，葉片的頭尾倒置，氣流的入口沖角變大，葉片表面氣流分離，使反風性能大大降低。比較而言雙頭鈍葉形氣流能較好的貼合葉片表面，其它2種葉形葉片表面氣流分離較大，使得其反風效率不如雙頭鈍葉形。

圖5 3種葉形風機整機反風性能曲線

3 噪聲特性分析

噪聲特性是評價風機性能的重要指標之一，為進一步了解3種葉形噪聲特性，在設計流量下，先進行非定常計算，在此基礎上再計算3種葉形風機噪聲，具體結(jié)果如下。

3.1 噪聲監(jiān)測點位置

3種葉形對旋風機遠場噪聲監(jiān)控點位置一致，圖6分別示出在對旋風機進出口軸線上，離風機進、出口0.5，1 m處各布置2個點（進0.5 m、進1 m、出0.5 m、出1 m）；在與進出口軸線呈45°角方向且離進出口中心1m，垂直軸線圓周面上分別均勻布置 4個點（如圖 6（b）和 6（c）：進 1，2，3，4 和出 1，2，3，4）。

圖6 對旋風機遠場噪聲監(jiān)控點位置示意

3.2 噪聲監(jiān)測點總聲壓

原始翼型、雙頭尖葉形、雙頭鈍葉形在進出口各噪聲監(jiān)控點處的A聲級分別見表1～3?？梢钥闯鲭p頭鈍葉形進出口總聲壓值最低，雙頭尖葉形聲壓值高于原始翼型。3種葉形在對旋風機軸線布置的噪聲監(jiān)控點的聲壓值，出口均比進口高約4 dB。在軸線45°方向且距進出口中心距離為1 m的截面上，原始翼型平均出口聲壓值高出進口4.7 dB，雙頭尖葉形平均出口聲壓值高出進口3.07 dB，雙頭尖葉形平均出口聲壓值高出進口2.07 dB，距離聲源越近的點接收的噪聲聲壓值越高。

表1 原始翼型進、出口監(jiān)控各點A聲級

表2 雙頭尖葉形進、出口監(jiān)控各點A聲級

表3 雙頭鈍葉形進、出口監(jiān)控各點A聲級

雙頭尖葉形與原始翼型風機對應進出口監(jiān)控點A聲級差值見表4，可以看出除出口1和出口2點外，其他監(jiān)控點處雙頭尖葉形風機聲壓級均高出原始翼型風機，差值在進出口軸線處較大。在進口和出口外1 m球面監(jiān)測點上，雙頭尖葉形較原始翼型風機聲壓值略有增大，分別平均增大1.8，1.0 dB，均不超過 2 dB。

表4 雙頭尖葉形與原始翼型進出口監(jiān)控各點A聲級差值

雙頭鈍葉形與原始翼型風機對應進出口監(jiān)控點A聲級差值見表5?？梢钥闯鲈诟鞅O(jiān)控點，雙頭鈍葉形風機比原始翼型風機聲壓值均有所降低（0.75～6.7 dB），在出口處雙頭鈍葉形聲壓降低幅值大于進口處。在進口和出口外1 m球面監(jiān)測點上，雙頭鈍葉形較原始翼型風機聲壓值平均分別降低2.2和4.27dB，顯示出雙頭鈍葉形具有良好的降噪效果。

表5 雙頭鈍葉形與原始翼型進出口監(jiān)控各點A聲級差值

3.3 噪聲監(jiān)測點頻譜分析

氣動噪聲是對旋風機的最主要噪聲來源，氣動噪聲包括離散噪聲和寬頻噪聲，氣動噪聲由上述噪聲相互疊加而構(gòu)成。由風機氣動噪聲理論可知，離散噪聲主要由動葉旋轉(zhuǎn)與空氣產(chǎn)生周期性擾動產(chǎn)生；寬頻噪聲主要由葉尖渦流和葉片尾跡漩渦脫離、湍流邊界層、不均勻來流等因素導致的隨機脈動而引起。

為進一步分析對旋風機噪聲分布特點，將其外場各監(jiān)控點聲壓的時域信號，經(jīng)過快速傅里葉變換（FFT）得到其聲壓頻譜。對流場外不同觀測點噪聲進行A記權(quán)1/3倍頻程（1/3-Octave Band/Hz）分析，其中橫坐標為1/3倍頻程（1/3-Octave Band/Hz），縱坐標為壓力A聲級（dBA/dB），風機軸旋轉(zhuǎn)頻率為49.17 Hz，兩級葉輪的葉片通過頻率分別為 737.55，491.7 Hz。

圖7和8分別示出3種葉形對旋風機在進出口監(jiān)控點噪聲頻譜，噪聲分布頻譜顯示出連續(xù)的寬頻噪聲特征。在兩級葉輪的葉片通過頻率疊加頻率1 229.25 Hz附近區(qū)域，3種葉形的A聲級值在整體頻率范圍內(nèi)均最高，其中雙頭鈍葉形噪聲最低，A聲級值分別低于原始翼型和雙頭尖葉形約3和7dB。由圖7可以看出，原始翼型、雙頭尖葉形、雙頭鈍葉形在進口處進0.5 m點的最高聲壓值分別為 103.5，112.2，96.1 dB；進 1 m 點的最高聲壓值分別為94.3，103.8，87.4 dB；進1點的最高聲壓值分別為97.2，100.1，89.1 dB。

進口監(jiān)測點，在50～200 Hz低頻區(qū)域雙頭鈍葉形噪聲最低，A聲級值分別低于原始翼型和雙頭尖葉形約10 dB和15 dB，雙頭尖葉形的A聲級值最高。在200～1 000 Hz范圍內(nèi)，3種葉形噪聲相差不大。在1 000～2 500 Hz范圍內(nèi)，雙頭鈍葉形噪聲最低，原始翼型和雙頭尖葉形相差不大，3種葉形的A聲級值平均相差4 dB左右。從2 500 Hz開始頻譜線逐漸降低，3種葉形噪聲A聲級值在此頻率范圍相差不大。

圖7 3種葉形進口外各監(jiān)控點1/3倍頻程譜

圖8 3種葉形出口外各監(jiān)控點1/3倍頻程譜

如圖8所示，在風機出口出0.5 m點的最高聲壓值分別為 103.4，105.4，99.9 dB；出 1 m 點的最高聲壓值分別為93.2，97.1，88.7 dB；出1點的最高聲壓值分別為95.1，98.6.1，93.1 dB。

在出口外監(jiān)測點，整體而言雙頭鈍葉形噪聲依然最低，雙頭尖葉形的A聲級值最高。在50～200 Hz低頻區(qū)域雙頭鈍葉形噪聲最低，A聲級值分別低于原始翼型和雙頭尖葉形約8和10 dB，雙頭尖葉形的A聲級值依然最高。在200～1 000 Hz范圍內(nèi)，3種葉形噪聲相差不大。在1 000～2 500 Hz范圍內(nèi)，雙頭鈍葉形噪聲最低，比原始翼型平均約低10 dB；原始翼型次之；雙頭尖葉形除在出0.5 m點噪聲大于原始翼型外，其他監(jiān)測點噪聲與原始翼型接近。

由上可知，總體上雙頭鈍葉形風機的A聲級最小，雙頭尖葉形相比其他兩種葉形的A聲級較大。其中低頻區(qū)雙頭鈍葉形A聲級值分別低于原始翼型和雙頭尖葉形10 dB左右；中頻區(qū)3種葉形噪聲相差不大；高頻區(qū)雙頭鈍葉形噪聲最低，進口和出口監(jiān)測點噪聲分別比原始翼型平均約低4，10 dB，原始翼型和雙頭尖葉形相差不大。

由于風機在低頻段降噪難度較大，對低頻噪聲消聲器消聲效果不明顯，而在低頻區(qū)域雙頭鈍葉形A聲級值分別低于原始翼型和雙頭尖葉形10 dB左右，可知雙頭鈍葉形在低頻區(qū)噪聲降低明顯，有利于實現(xiàn)對旋風機降噪。

風機氣動噪聲產(chǎn)生機理復雜，主要有與葉片通過頻率有關(guān)的離散噪聲，以及由于脫落渦、葉尖渦等形成的寬頻噪聲。計算發(fā)現(xiàn)在兩級葉輪干涉面處，原始翼型和雙頭尖葉形的脈動幅度大于雙頭鈍葉形。在第二級葉片出口處，雙頭尖葉形的壓力值最高，雙頭鈍葉形的平均壓力略低于原始翼型。3種葉形兩級葉輪的葉頂間隙處，葉片頭部壓力脈動最大值的頻率均與兩級葉輪的通過頻率基本一致，第一級葉輪的葉頂間隙處為發(fā)生氣流振動的主要部位，其中雙頭尖葉形在此處的脈動值最高，原始翼型次之，雙頭鈍葉形最低；第二級葉輪葉頂間隙處氣流經(jīng)過反轉(zhuǎn)擾動加劇，雙頭尖葉形在高頻處仍有較高脈動值。這些可能是造成雙頭尖葉形噪聲較高，而雙頭鈍葉形噪聲較低的主要原因。

3.4 噪聲指向性特性分析

在Y=0平面上以兩級葉輪中間軸心位置為圓心，半徑為2.21 m的圓上，從出口方向0°開始，每隔10°布置一個點，得到整個圓周上的全部監(jiān)測點。圖9示出3種葉形對旋風機的噪聲指向性特性。從圖9可看出，雙頭尖葉形的聲壓值最高，原始翼型次之，雙頭鈍葉形聲壓值最低。3種葉形的指向性分布均在0°（即對旋風機出口方向）聲壓值最高，180°（即對旋風機進口方向）是聲壓值第二高處，從最高值點開始，聲壓值向兩側(cè)方向逐漸減小，且3種葉形均在120°附近和240°附近聲壓值最低。由此可見，3種葉形對旋風機的外聲場輻射具有偶極子特性。

圖9 3種葉形對旋風機噪聲指向性特性

4 結(jié)論

（1）3種葉形對旋風機正反風性能良好，本文葉形設計效果良好，能夠滿足對旋風機正反風運行要求。

（2）正風運行時，雙頭尖葉形的整機性能曲線向大流量方向偏移，性能高于原始翼型風機；雙頭鈍葉形風機整機性能與原始翼型差別不大。反風運行時，雙頭鈍葉形風機內(nèi)效率平均高于原始翼型風機約6%，雙頭尖葉形與原始翼型風機內(nèi)效率相差不多。

（3）利用噪聲數(shù)值模擬對3種葉形葉片對旋風機的噪聲特性進行研究，分析發(fā)現(xiàn)對旋風機外聲場，在進口和出口外1 m球面上，出口處雙頭鈍葉形聲壓降低幅值大于進口處，雙頭鈍葉形較原始翼型風機聲壓值平均在進口外降低2.2 dB和在出口外降低4.27 dB；雙頭尖葉形風機聲壓值較原始翼型風機聲壓略有增大，但增大值不超過2 dB，顯示出雙頭鈍葉形具有良好的降噪效果。

（4）在兩級葉輪的葉片通過頻率疊加頻率1 229.25 Hz附近區(qū)域，3種葉形的聲壓值在整體頻率范圍內(nèi)均最高，其中雙頭鈍葉形噪聲最低，聲壓比原始翼型低約3 dB，比雙頭尖葉形低約7 dB。

（5）風機在低頻段降噪難度較大，對低頻噪聲消聲器消聲效果不明顯。而在低頻區(qū)域雙頭鈍葉形聲壓比原始翼型低約8 dB，比雙頭尖葉形低約10 dB，可知雙頭鈍葉形在低頻區(qū)噪聲降低明顯，有利于實現(xiàn)對旋風機降噪。

（6）噪聲指向性特性顯示，3種葉形對旋風機的外聲場輻射均具有偶極子特征，雙頭尖葉形的聲壓值最高，原始翼型次之，雙頭鈍葉形聲壓值最低。