基于相似設(shè)計(jì)理論的自通風(fēng)型牽引電機(jī)風(fēng)扇降噪優(yōu)化

（中車株洲電機(jī)有限公司）

0 引言

社會(huì)的發(fā)展對(duì)城市軌道交通的噪聲提出了更高的要求[1-2]。在軌道交通設(shè)備中，牽引電機(jī)是重要的噪聲源，根據(jù)形成機(jī)理，主要分為電磁噪聲、機(jī)械噪聲和氣動(dòng)噪聲，在高轉(zhuǎn)速時(shí)，氣動(dòng)噪聲占主要地位[3]。牽引電機(jī)工作時(shí)要求風(fēng)扇在正反轉(zhuǎn)時(shí)具有相同的工作性能，而牽引電機(jī)離心風(fēng)扇幾乎只有徑向直葉片的設(shè)計(jì)，風(fēng)扇氣動(dòng)性能較差，效率較低，從而導(dǎo)致噪聲較大。事實(shí)上，氣動(dòng)噪聲形成機(jī)理復(fù)雜，目前很難找到一種通用且有效的降噪方法?；谝话愎こ躺蠎?yīng)用的風(fēng)扇，目前已有不少學(xué)者對(duì)其進(jìn)行過研究，湯黎明[4]對(duì)工程機(jī)械冷卻風(fēng)扇的流動(dòng)特性與氣動(dòng)噪聲進(jìn)行了研究，結(jié)果表明更改風(fēng)扇整體結(jié)構(gòu)有較好的降噪效果；朱咸磊[5]分析了壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其氣動(dòng)噪聲的影響；李嵩等[6]對(duì)離心風(fēng)機(jī)BPF噪聲數(shù)值預(yù)估方法進(jìn)行了研究；屈曉云等[7]詳細(xì)研究了牽引電機(jī)冷卻風(fēng)扇氣動(dòng)性能，并對(duì)風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲進(jìn)行了試驗(yàn)研究；明樂樂等[8]對(duì)高速離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了良好的降噪效果；唐照付等[9]對(duì)離心風(fēng)機(jī)葉輪切割后的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究；欒寶奇等[10]發(fā)現(xiàn)采用碳纖維制造的風(fēng)扇其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于傳統(tǒng)鑄鋁風(fēng)扇；王楊[11]對(duì)車用離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了研究，提出了降低風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的方法。

目前專門針對(duì)牽引電機(jī)風(fēng)扇優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究較少，也難以找到普遍有效的降噪措施，因?yàn)閺较蛑比~片的約束大大限制了風(fēng)扇可供改進(jìn)的參數(shù)。本文基于離心風(fēng)扇的相似設(shè)計(jì)理論，以一款具有較好氣動(dòng)性能的直葉片風(fēng)扇為參照樣機(jī)進(jìn)行相似設(shè)計(jì)，替換現(xiàn)有牽引電機(jī)中高噪聲的風(fēng)扇，并通過混合計(jì)算氣動(dòng)噪聲方法，得到電機(jī)噪聲的聲功率級(jí)與頻譜，驗(yàn)證相似設(shè)計(jì)在風(fēng)扇降噪設(shè)計(jì)中的有效性。

1 基于相似理論的風(fēng)扇設(shè)計(jì)

相似理論在風(fēng)扇的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)中有著廣泛應(yīng)用[12-13]，通常所說的按模型換算進(jìn)行相似設(shè)計(jì)和進(jìn)行模型試驗(yàn)就是在相似理論指導(dǎo)下進(jìn)行的。相似理論指出，兩個(gè)模型流體力學(xué)相似需要滿足如下三個(gè)條件。

1）幾何相似

兩個(gè)模型的對(duì)應(yīng)角度相等，對(duì)應(yīng)線性尺寸的比值相同。幾何相似是力學(xué)相似的前提條件，是動(dòng)力相似和運(yùn)動(dòng)相似的基礎(chǔ)。幾何相似條件可以表示為：

式中，D1，D2；b1，b2；L1，L2等是兩個(gè)模型對(duì)應(yīng)的線性尺寸；C1是常數(shù)。

2）運(yùn)動(dòng)相似

兩個(gè)模型過流部分相應(yīng)點(diǎn)流體的對(duì)應(yīng)速度比值相同，即

式中，v，w，u是兩個(gè)模型對(duì)應(yīng)點(diǎn)不同方向的速度；C2是常數(shù)。

運(yùn)動(dòng)相似是幾何相似和動(dòng)力相似的必然結(jié)果。

3）動(dòng)力相似

兩個(gè)模型過流部分相應(yīng)點(diǎn)流體的對(duì)應(yīng)力的比值相同，也就是流動(dòng)所受的外部作用力F和流體在外力作用下因本身引起的慣性力ma的比值相同。該比值稱為牛頓數(shù)，用Ne表示，即

Ne值表示流動(dòng)的一般動(dòng)力相似條件，Ne相等，流動(dòng)動(dòng)力相似，相應(yīng)的準(zhǔn)則有雷諾準(zhǔn)則、弗勞德準(zhǔn)則和歐拉準(zhǔn)則等。

相似設(shè)計(jì)分為半相似設(shè)計(jì)和完全相似設(shè)計(jì)，其中完全相似設(shè)計(jì)是指滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似，半相似設(shè)計(jì)是指滿足其中一種或多種，達(dá)到部分相似的設(shè)計(jì)。本文風(fēng)扇相似設(shè)計(jì)是以某氣動(dòng)性能較好的風(fēng)扇為參考風(fēng)扇，通過幾何相似，設(shè)計(jì)出滿足電機(jī)冷卻風(fēng)量的風(fēng)扇。

圖1給出了噪聲大小不同的兩組風(fēng)扇模型，其中氣動(dòng)性能較好的風(fēng)扇為參考風(fēng)扇，高噪聲風(fēng)扇為原型風(fēng)扇。

圖1 兩組風(fēng)扇模型Fig.1 Two sets of fan models

兩組風(fēng)扇結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)照如表1所示。

表1 風(fēng)扇結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)照表Tab.1 Comparison table of fan structure parameters

理論分析和試驗(yàn)研究表明[14]，對(duì)風(fēng)機(jī)而言，風(fēng)機(jī)聲源的聲功率與葉輪速度的6次方，葉輪直徑的平方成正比，即

式中，ρ是氣體密度；ξ是阻力系數(shù)；D是葉輪直徑；u是葉輪周速；a是當(dāng)?shù)芈曀佟?/p>

分別安裝有這兩種風(fēng)扇電機(jī)的實(shí)測(cè)噪聲聲功率級(jí)如圖2所示，圖中噪聲的聲功率級(jí)都是在同一個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得。根據(jù)公式（4），如果兩風(fēng)扇氣動(dòng)性能相差不大，因?yàn)閰⒖硷L(fēng)扇的外徑更大，可以推斷出在相同轉(zhuǎn)速下參考風(fēng)扇的噪聲聲功率級(jí)比原型風(fēng)扇大1.8dB左右，而實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)參考風(fēng)扇在高轉(zhuǎn)速時(shí)較原型風(fēng)扇噪聲的聲功率級(jí)低4dBA左右（低轉(zhuǎn)速時(shí)不具備參考性，因?yàn)榇藭r(shí)氣動(dòng)噪聲不占主要地位），由此可以看出參考風(fēng)扇具有良好的氣動(dòng)性能。

圖2 電機(jī)噪聲聲功率級(jí)隨轉(zhuǎn)速變化Fig.2 Motor noise sound power level changes with the speed

由于風(fēng)扇風(fēng)量與葉片直徑有較大關(guān)系，因此這里的幾何相似以直徑比值為依據(jù)。將參考風(fēng)扇按0.95的比例（兩個(gè)風(fēng)扇外徑的比值）進(jìn)行縮小，縮小后葉片直徑為384mm，與原型風(fēng)扇的葉片直徑一致，這樣可以保證相似設(shè)計(jì)后的新風(fēng)扇能夠安裝在電機(jī)內(nèi)。

2 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

2.1 風(fēng)量驗(yàn)證

由于在風(fēng)扇相似設(shè)計(jì)時(shí)只采用了幾何相似設(shè)計(jì)，為了防止新風(fēng)扇在電機(jī)中風(fēng)量不足，使電機(jī)出現(xiàn)過熱風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而燒毀電機(jī)，因此有必要對(duì)新風(fēng)扇進(jìn)行風(fēng)量驗(yàn)證，對(duì)電機(jī)進(jìn)行整機(jī)CFD模擬，仿真在fluent軟件中進(jìn)行，輸入的邊界條件如表2所示。

表2 仿真邊界條件Tab.2 Simulation boundary condition

仿真計(jì)算收斂后，統(tǒng)計(jì)進(jìn)口流量，安裝原型風(fēng)扇的電機(jī)風(fēng)量和新風(fēng)扇的電機(jī)風(fēng)量隨轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖3所示。從圖中可以看出，裝有新風(fēng)扇的電機(jī)風(fēng)量與原型風(fēng)扇的電機(jī)風(fēng)量基本一致，據(jù)此可以判斷通過相似設(shè)計(jì)的新風(fēng)扇裝在牽引電機(jī)上，無散熱風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 兩組風(fēng)扇風(fēng)量對(duì)比Fig.3 Flow comparison between two sets of fans

2.2 氣動(dòng)噪聲驗(yàn)證

混合計(jì)算氣動(dòng)噪聲方法中忽略了聲場(chǎng)對(duì)流場(chǎng)的影響，將氣動(dòng)噪聲的計(jì)算分為聲源的產(chǎn)生和聲傳播兩個(gè)步驟：首先采用數(shù)值模擬等方法計(jì)算牽引電機(jī)的非定常流場(chǎng)，之后以非定常流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)利用Lighthill聲類比方法對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。

關(guān)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的氣動(dòng)噪聲控制方程可由N-S方程推導(dǎo)得到，基于Lighthill聲類比方法，并加入了Curle’s理論，最終得到的控制方程如下[15]。

方程右邊第一項(xiàng)為體聲源，第二項(xiàng)為面聲源。式中，ρ是流體密度；ρ0是環(huán)境密度，是常量；Tij=ρυiυj+δij((p-p0)-a02(ρ-ρ0))-τij是 Lighthill應(yīng)力張量；∑ij=ρvivj+(p-p0)δij-τij。

電機(jī)噪聲的測(cè)點(diǎn)布置如下圖所示。

圖4 電機(jī)噪聲測(cè)試測(cè)點(diǎn)分布示意圖Fig.4 Distribution diagram of measuring points for motor noise test

計(jì)算結(jié)果如下。

1）總聲壓級(jí)對(duì)比

如表3所示，從表中對(duì)比結(jié)果可以看出，安裝有新風(fēng)扇電機(jī)的噪聲平均聲壓級(jí)比安裝原型風(fēng)扇電機(jī)降低4.8dBA，降噪效果較明顯。

表3 4 000r/min-安裝原型風(fēng)扇與新風(fēng)扇的相同電機(jī)在各測(cè)點(diǎn)位置聲壓級(jí)仿真結(jié)果對(duì)比Tab.3 4 000r/min-Simulation results comparison of sound pressure level of the same motor installed with the prototype fan and the new fan at each measuring point

2）噪聲頻譜對(duì)比

由于各個(gè)測(cè)點(diǎn)的頻譜較為相似，為簡潔起見，取測(cè)點(diǎn)H1的頻譜進(jìn)行分析，測(cè)點(diǎn)H1在4 000r/min時(shí)的頻譜如圖5所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，安裝新風(fēng)扇的電機(jī)較安裝原型風(fēng)扇電機(jī)的噪聲聲壓級(jí)在整個(gè)測(cè)量頻段上均有所下降，特別是在一階葉片通過頻率1 133Hz附近時(shí)下降較為明顯，有10dBA左右的降噪效果，體現(xiàn)了新風(fēng)扇優(yōu)異的降噪效果。

圖5 測(cè)點(diǎn)H1-原型電機(jī)與優(yōu)化電機(jī)的頻譜對(duì)比Fig.5 Spectrum comparison of measuring point H1-prototype motor and optimized motor

3 結(jié)論

本文結(jié)果表明，使用相似設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是需要一個(gè)氣動(dòng)性能較好的參考風(fēng)扇模型，在此基礎(chǔ)上，相似設(shè)計(jì)可以有效降低電機(jī)的氣動(dòng)噪聲，是一種較為經(jīng)濟(jì)且有效的方法。

新風(fēng)扇模型和原型風(fēng)扇的噪聲仿真結(jié)果表明：使用新風(fēng)扇的電機(jī)其氣動(dòng)噪聲的平均聲壓級(jí)比使用原型風(fēng)扇的電機(jī)降低4.8dBA，降噪效果較明顯。該計(jì)算結(jié)果表明對(duì)于設(shè)計(jì)參數(shù)受限的徑向直葉片牽引電機(jī)風(fēng)扇，其氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)非常困難，而依據(jù)已有氣動(dòng)性能更優(yōu)的風(fēng)扇進(jìn)行相似設(shè)計(jì)，對(duì)于牽引電機(jī)風(fēng)扇降噪設(shè)計(jì)是一種簡便高效的方法，對(duì)于牽引電機(jī)風(fēng)扇降噪設(shè)計(jì)中有重要的指導(dǎo)意義。