離心風(fēng)機(jī)振動(dòng)噪聲預(yù)報(bào)與控制技術(shù)研究

陳華 劉云芝

摘要：在本文中，通過詳細(xì)介紹離心風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的風(fēng)壓情況，對(duì)于出入風(fēng)機(jī)風(fēng)力產(chǎn)生噪聲。利用有限元分析的方式，對(duì)噪聲的基本情況進(jìn)行預(yù)測，得到產(chǎn)出的噪聲在出口處頻率更高的結(jié)論，并在瞬態(tài)流場和聲學(xué)場的分析中對(duì)比噪聲的基本變化情況。借助預(yù)報(bào)的基本情況，從五個(gè)方面提出了改進(jìn)離心風(fēng)機(jī)噪聲的措施，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)和增加阻尼等多種形式，降低運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲，起到流體機(jī)械高效運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。

關(guān)鍵詞：離心風(fēng)機(jī);噪聲預(yù)報(bào);控制技術(shù);有限元

1. 引言

風(fēng)機(jī)在使用中采用的動(dòng)力葉片旋轉(zhuǎn)的方式，根據(jù)流體的運(yùn)動(dòng)做功，在離心力和慣性的作用下，使得中心部分的葉輪向四周運(yùn)動(dòng)，逐漸達(dá)到邊緣處，所產(chǎn)生的壓力隨著距離的增大而增大，同時(shí)移動(dòng)的速度也發(fā)生變化，葉輪發(fā)生快速運(yùn)動(dòng)，在產(chǎn)生風(fēng)壓的過程中形成能量的劇集。當(dāng)氣體受到阻擋后，在排氣管道中分散，使得葉輪所處的環(huán)境轉(zhuǎn)換為真空狀態(tài)，在負(fù)壓的作用下，外部空氣被吸入內(nèi)環(huán)境，就將排出和吸入的過程作為風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式。而離心風(fēng)機(jī)在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，改變了風(fēng)的進(jìn)量，在不受到外部作用的情況下，保持能量水平。并且利用不同的葉片角度，在效率調(diào)高的基礎(chǔ)上，加大模壓力的變化。在外部的雜質(zhì)進(jìn)入后，使得葉輪失去動(dòng)力，逐漸失去平衡，在前向動(dòng)力葉片中出現(xiàn)耦合的效應(yīng)，但是根據(jù)振動(dòng)的原理，在介質(zhì)的環(huán)境下，結(jié)構(gòu)在聲場的作用下形成了噪聲，必須通過結(jié)構(gòu)流體的設(shè)計(jì)調(diào)整，盡可能降低噪聲帶來的影響。

2. 離心風(fēng)機(jī)振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理

將風(fēng)機(jī)附近的磁場轉(zhuǎn)變?yōu)榉侵芷谛缘淖兓?，在不?guī)則的振動(dòng)下，利用軸承傳遞的方式，在葉片振動(dòng)帶動(dòng)軸承共同作用在外面殼體。此外，對(duì)于離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪音是因?yàn)殡姍C(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況發(fā)生變化。在電機(jī)的內(nèi)部構(gòu)件中，由于鐵芯的電磁效應(yīng)，出現(xiàn)變電的場景下，電機(jī)產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)，在繞組振動(dòng)的條件下，將鐵芯和電磁控制線圈連接，在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，電機(jī)出現(xiàn)扭矩改變。內(nèi)部的轉(zhuǎn)子在電磁效應(yīng)下進(jìn)行振動(dòng)。而電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)對(duì)于噪聲的產(chǎn)生起到了促進(jìn)的作用，主要表現(xiàn)在電機(jī)外部金屬打磨不光滑，出現(xiàn)精度不夠的情況，中軸的承受力不足，導(dǎo)致葉片的旋轉(zhuǎn)不充分，或是在安裝軸承時(shí)，電機(jī)的外殼出現(xiàn)了劇烈的振動(dòng)。在剛性的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，當(dāng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)速率快速提升，出現(xiàn)振幅明顯提高的情況，電機(jī)的動(dòng)力變化區(qū)間加大，所響應(yīng)的振動(dòng)值也明顯變化。

在離心風(fēng)機(jī)使用中，葉片氣流根據(jù)機(jī)械的脈沖及時(shí)做出調(diào)整，在產(chǎn)生噪聲后，利用計(jì)算方式得到噪聲的圖譜，并在壓力的作用下測得線圈的變化速率，隨著邊緣的分離，產(chǎn)生噪聲的可能性有所提高，結(jié)合氣動(dòng)流體的軸變化規(guī)律，在引起脈沖的情況下，無法對(duì)噪聲的影響發(fā)生調(diào)整。在聲場中，無規(guī)律的脈沖在升力變化的情況下產(chǎn)生噪聲，根據(jù)這一原理可以有效的控制噪聲的變化，在不同的形態(tài)中考慮不同的噪聲功率變化。

3. 離心風(fēng)機(jī)振動(dòng)噪聲的預(yù)報(bào)分析

在研究風(fēng)機(jī)噪聲過程中，要考慮到蝸殼的情況，在聲場在蝸殼所產(chǎn)生的反射條件下，對(duì)聲源的位置發(fā)生變化，在改變聲學(xué)阻抗的條件下，將噪聲在鋼板上投射，出現(xiàn)多管道傳播的可能，采用消聲器的方式，在蝸殼的外結(jié)構(gòu)中構(gòu)建新的噪聲源。常規(guī)對(duì)離心蝸殼產(chǎn)生振動(dòng)噪聲的是電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)變化，在內(nèi)部的機(jī)理環(huán)境下實(shí)現(xiàn)蝸殼的振動(dòng)。蝸殼采用厚鋼板結(jié)構(gòu)，在空氣的介質(zhì)中，依靠聲學(xué)的傳播方式，降低耦合相應(yīng)，單向的對(duì)噪聲輻射情況進(jìn)行計(jì)算預(yù)報(bào)分析。當(dāng)對(duì)于電機(jī)進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，將原有的空轉(zhuǎn)葉輪進(jìn)行重分布，在空轉(zhuǎn)的時(shí)速和葉輪轉(zhuǎn)速出現(xiàn)偏差時(shí)，噪聲的數(shù)值出現(xiàn)上升的趨勢，如進(jìn)行消聲處理，可根據(jù)噪聲的成分對(duì)噪聲的數(shù)值進(jìn)行預(yù)測。

在離心風(fēng)機(jī)振動(dòng)噪聲的預(yù)報(bào)分析中，采用有限元的分析方式，將結(jié)構(gòu)振動(dòng)作為主體，不同的離散振動(dòng)區(qū)間作為有限單元，在不同的節(jié)點(diǎn)中將力的效應(yīng)重新調(diào)整，根據(jù)彈性理論中模量的變化情況，根據(jù)設(shè)計(jì)的原理在節(jié)點(diǎn)部位納入整體系統(tǒng)。

3.1結(jié)構(gòu)方程

在有限元的分析中，根據(jù)動(dòng)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行公式的計(jì)算，將動(dòng)力F和約束力N構(gòu)建新的計(jì)算公式，在平衡方程的計(jì)算中，形成速度變化具體數(shù)值。并將多個(gè)求解工程方式進(jìn)行疊加，在計(jì)算出模態(tài)的前提下，改變組您變化。同時(shí)在互聯(lián)網(wǎng)的基本方向上求得風(fēng)險(xiǎn)性的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)不同的葉片運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，利用積分的計(jì)算方式，在不同的時(shí)間點(diǎn)中計(jì)算不同的平衡方程。

3.2預(yù)報(bào)模型的建立

在計(jì)算得到相應(yīng)的結(jié)果后，在風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)模型中，采用法蘭連接，在圓盤與蝸殼相連的基礎(chǔ)上，加大底部的剛度，提高風(fēng)管的厚度。在力矩的傳遞中，法蘭連接內(nèi)部尺寸不發(fā)生變化，在倒角處調(diào)整網(wǎng)格劃分的密度，加強(qiáng)對(duì)于螺栓連接部分的受力計(jì)算，并將整個(gè)風(fēng)機(jī)內(nèi)部的彈簧系統(tǒng)作為整體剛度計(jì)算。模型建立后，進(jìn)行邊界條件的設(shè)定，將多個(gè)自由點(diǎn)調(diào)整為固定約束，提高支座處的承載能力。

3.3噪聲疊加

在軸承的聲波計(jì)算中，從某一時(shí)刻開始，在不同的葉片振幅變化中，聲波出現(xiàn)疊加的情況。在不同的風(fēng)機(jī)運(yùn)行界面中，測量所得到的噪聲在排出管道中都出現(xiàn)了頻率增加的情況，在線譜分析中，出口位置的噪聲頻率是進(jìn)口位置的兩倍，究其原因是在進(jìn)口處風(fēng)機(jī)的頻段不同，管道中出現(xiàn)了噪聲聚集的情況發(fā)生。

4. 離心風(fēng)機(jī)振動(dòng)噪聲預(yù)優(yōu)化控制技術(shù)

噪聲控制優(yōu)化后性能一般要求總體變化不大，結(jié)構(gòu)不能太復(fù)雜，否則導(dǎo)致總體制造成本增高，另外也會(huì)影響維護(hù)性，在保證原有性能基本不變的情況下，只能進(jìn)行一些局部的改進(jìn)。

（1）降低殼體振動(dòng)，采用加強(qiáng)筋的辦法，改變梁所有的共振頻率;梁增加板的聲輻射。使用的風(fēng)機(jī)蝸殼大部分是平板，雖然不是一個(gè)自由板，但在上面焊加強(qiáng)筋，會(huì)使振動(dòng)能量從低頻提升到高頻，而高頻輻射效率一般較高，所以輻射有可能會(huì)增加。

（2）蝸殼與蝸舌間隙變化。由于在蝸舌附近葉輪與蝸殼之間的間隙最小，氣流不均勻性較強(qiáng)，在前面的流場分析中也可以看出，這樣在蝸舌部分產(chǎn)生的噪聲也較強(qiáng)。增加葉輪與蝸舌之間間隙或增加傾斜角可以降低離心風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)噪聲。

（3）蝸殼表面粘貼阻尼材料

蝸殼內(nèi)表面不容易采取措施降噪，在外表面粘貼阻尼材料降低殼體振動(dòng)卻是一種方法。如果沒有阻尼，那么在每個(gè)共振頻率上的響應(yīng)就是無限大，增加阻尼就可以控制板的振動(dòng)，振動(dòng)減少了，聲輻射也自然降低了。

（4）葉輪葉片數(shù)變化

葉片數(shù)的選擇：在離心風(fēng)機(jī)中，增加葉輪的葉片數(shù)則可提高葉輪的理論壓力，因?yàn)樗梢詼p少相對(duì)渦流的影響。但是，葉片數(shù)目的增加，將增加葉輪通道的摩擦損失，這種損失將降低風(fēng)機(jī)的實(shí)際壓力而且增加能耗。

（5）葉片進(jìn)出氣邊的改進(jìn)

在葉片進(jìn)出氣邊上設(shè)置鋸齒形結(jié)構(gòu)，可使葉片上氣流附面層較早地轉(zhuǎn)化為湍流，避免層流附面層中的不穩(wěn)定導(dǎo)致渦流分離。其實(shí)在螺旋槳唱音控制上面，就提出了隨邊切出鋸齒形，可以有效地控制唱音。

5. 結(jié)束語

離心風(fēng)機(jī)在噪聲控制分析中，其特有的分析手段要求從噪聲形成原理出發(fā)，針對(duì)葉輪的運(yùn)行規(guī)律，通過有限元的分析方式計(jì)算振動(dòng)響應(yīng)，并就風(fēng)機(jī)的內(nèi)部振動(dòng)進(jìn)行降噪處理。在文中通過在預(yù)報(bào)噪聲的基礎(chǔ)上，從五個(gè)方面提出噪聲的改進(jìn)措施和優(yōu)化方案。

參考文獻(xiàn)

[1]方開翔， 李豪杰， 高慧. 基于 FLUENT 6.0的風(fēng)機(jī)流場模擬與噪聲預(yù)估[J]. 江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2008， 22（4） ： 42-47.

[2] 韓非非， 趙旭， 席德科. 多翼離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場數(shù)值模擬[J]. 風(fēng)機(jī)技術(shù).2008 年（3）：13-15.

[3] 李曉麗， 楚武利， 袁森. 離心風(fēng)機(jī)整機(jī)三維數(shù)值仿真方法及分析[J]. 計(jì)算機(jī)仿真. 第 27 卷第 10期. 2010：335-339.