對低噪聲風機設計的基本原則

劉漢青 王艷榮

摘要：低噪聲風機設計的根本目的就是為了最大限度的降低風機的比噪聲級，保持甚至是提高風機的氣動力性能。為此，本文筆者在總結了個人研究經驗的基礎上，結合近些年來國內外文獻，從軸流與離心風機的噪聲源入手展開粗淺的探討，提出相應的設計原則，以供參考。

關鍵詞：低噪聲；風機設計；原則

前言：

采用消聲器降低風機的噪聲，不僅要占用一定的空間，還會進一步增加造價成本，消耗不必要的能力，且在運行過程中常常還會出現堵塞失靈等問題。因此，近些年來國內外的研究者都將關注的重點放在了低噪聲風機的研制工作上，以期在風機設計過程中就降低噪聲問題。以下筆者即結合個人在低噪聲風機設計上的研究經驗，結合相關參考文獻，粗淺的闡述了低噪聲風機設計原則，以供廣大同行參考借鑒。

1.風機噪聲

由于空氣流動所引發(fā)的氣動力噪聲就是造成風機噪聲的主要原因。如若我們按照風機噪聲的聲源性質進行分類，則主要包含以下幾個類型：第一，由于風機流道內固定空間之中的氣流體積脈動而引起的單極子聲源，其發(fā)射聲功率為，其中W表示相對流動特征速度；第二，由于作用在葉片或者是流道之上的壓力脈動而引發(fā)的偶極聲源，其發(fā)射聲功率為；

第三，由于湍流速度脈動而引發(fā)的四級子聲源，其發(fā)射聲功率為。因為四級子源輻射的效率較低，所以風機中的流動速度通常不太大，因此其并不是造成風機噪聲的主要聲源所在。而實際上多數風機的噪聲，其主要表現在于葉輪圓周速度U的5次方或者是6次方正比之上，并其在工程使用的聲學相似率上認為N∝D2u5，并由此得出以下公式：，用來對風機噪聲水平加以衡量。

通常情況之下前后無導葉的低壓軸流風機其噪聲主要以湍流噪聲為主，而對于高壓離心風機而言旋轉噪聲則是其主要的噪聲組成部分。

2.對軸流風機噪聲及其設計分析

對于軸流風機而言，其噪聲主要包括以下幾點：來流不均勻噪聲、來流湍流噪聲、尾緣脫體旋渦噪聲、湍流便捷層噪聲等。其中來源不均勻噪聲是指因為葉輪前支撐桿以及流道形狀發(fā)生變化而造成流動不均勻，以至于進入到旋轉葉輪通道時發(fā)生了攻角脈動，引發(fā)生理脈動，造成周期性的葉片噪聲；來流湍流噪聲屬于寬頻噪聲，當風機處于熱交換其后或者是具有完全發(fā)展的湍流管道之后，由于流湍速度較大，噪聲也相應較大；尾緣脫體旋渦噪聲是指氣流流過葉片，并將尾緣出削落旋渦以后，造成尾緣出的壓力脈動，引發(fā)噪聲問題；湍流便捷層噪聲收到湍流邊界層厚度的直接影響，是由于湍流邊界層內的速度脈動而引發(fā)的葉片上壓脈動，造成的噪聲問題。

要想解決軸流風機噪聲問題，設計出低噪聲軸流風機，必須要遵循以下幾點設計原則：第一，對進口流道進行改善，確保進入到葉輪中的氣流均勻，且具有較低的流速，從而降低葉片噪聲問題；第二，降低葉輪的圓周速度，以降低風機噪聲；第三，對葉輪直徑進行增大，這是因為葉輪直接越大，相應的葉片載荷也就越小，氣流也就越小，噪聲也就越小，所以要在考慮經濟、使用性等多方因素的前提下，盡可能的增大葉輪直徑；第四，選擇良好的葉片流型與葉片流線；第五，盡可能的降低葉尖間隙，消除葉尖旋渦噪聲。

3.對離心風機噪聲及其設計分析

對于離心風機而言，其噪聲主要包括以下幾點：因進口流場不均勻或者是大尺度旋渦引起的噪聲；因也亂上湍的邊界層中脈動速度而引起葉片上壓力脈動，造成的噪聲問題；因葉輪出口出處的速度不平均，壓力分布尾流，沖擊在風舌之上而造成的壓力脈動，引起的噪聲問題；因葉輪出口處的不均勻尾流沖入到蝸殼之中，以至于蝸殼之內的湍流邊界層發(fā)生分離，而造成的噪聲問題。

要想解決離心風機噪聲問題，設計出低噪聲離心風機，就必須要遵循以下幾點設計原則：第一，滿足δ≥0.1D， rδ≥0.02～0.03D這一條件，可以對離心風機葉片的噪聲起到明顯的降低作用。同時，還可以在風舌處附加一個λ/4的聲學共振器，起到降低葉片噪聲的根本作用；第二，為離心風機選擇合適的集風器形狀，使葉輪進口的流動更加均勻。需要格外注意的是，集風器與葉輪進口之間的徑向間隙與軸向搭接尺寸，如若以D=60mm為例，那么前者則可以取1mm到2mm之間，后者則可以取2mm到4mm之間。同時，還要保持一點徑向間隙是有利于進口流動方向轉變的，這對降低離心風機噪聲十分有用；第三，對葉片的進口角進行合理的選取，確保進口角，且設計工況時的葉片進口角β1等于35.4°，并保持2°到4°的正攻角，從而降低進口氣流的相對速度，降低噪聲問題；第四，在離心風機的葉輪設計上，可以使用弧形前盤及其他的核實葉片流型，后者則可以采用等減速、等當量擴張角、給定在和分布。通過實例分析我們可以得知流型對噪聲控制有著十分重要的作用，但也沒有必須要過于精細化處理；第五，在低噪聲離心風機設計過程中，W2 / W1不能太小。這是因為如若W2 / W1太小，流動脫體就會十分嚴重，噪聲也會十分大，風機的工作效率則會十分的地下。所以，在前向風機上則希望W2 / W1大于0.5，后向風機上則希望W2 / W1等于0.8到0.9，雖然在實際設計上想要做到此點十分困難，但是如若W2 / W1較小時則可以使用當量擴張角流型，以降低風機噪聲問題。

結束語：

在風機的設計過程中就必須要從的考慮到如何降低噪聲，也就是說要才能夠風機產生噪聲的源頭入手進行降噪設計，這也是今后風機降噪設計的主要研究方向，并希望通過本文筆者的粗淺闡述能夠為廣大同行在今后低噪聲風機的設計上提供一定的參考與借鑒。

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