軸流風(fēng)機(jī)低噪聲葉片的設(shè)計(jì)方法研究

劉云芝 陳華

摘要：在本文中針對軸流風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中產(chǎn)生的噪聲入手，利用經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)的方式求噪聲的基本功率，對于噪聲的預(yù)估起到了幫助作用。同時對于軸流風(fēng)機(jī)中噪聲的產(chǎn)生進(jìn)行詳細(xì)的介紹，根據(jù)CAA計(jì)算模型的輔助，在聲壓變化的情況下，通過噪聲估算的方式形成降噪的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，同時提出了相對應(yīng)的降噪方式，滿足氣動聲學(xué)計(jì)算要求的前提下，實(shí)現(xiàn)了流體聲壓的調(diào)整。并采用九項(xiàng)降噪的方式，從改變風(fēng)機(jī)的材料、設(shè)置位置、旋轉(zhuǎn)角度和運(yùn)轉(zhuǎn)時間等方面入手，實(shí)現(xiàn)軸流風(fēng)機(jī)地噪聲葉片的設(shè)計(jì)研究。

關(guān)鍵詞：軸流風(fēng)機(jī)噪聲預(yù)測葉片傅里葉

1. 引言

在流體機(jī)械中，由于生產(chǎn)等原因會造成風(fēng)機(jī)出現(xiàn)噪聲，對于生產(chǎn)生活帶來了極大的影響，通過研究風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)和組成，在機(jī)械的角度優(yōu)化設(shè)計(jì)方式，根據(jù)統(tǒng)計(jì)和流體力學(xué)等計(jì)算形式，在二維和三維的方式下，形成流體參數(shù)的變化，模擬不同情況下流體的運(yùn)動情況，計(jì)算出流體場內(nèi)的噪聲值，并利用誤差計(jì)算的方式對噪聲值進(jìn)行估算分析，在對計(jì)算流體的噪聲形成方式作為參照，通過改變?nèi)~片的基本形態(tài)，以此來作為降噪的參數(shù)指標(biāo)。

2. 軸流風(fēng)機(jī)噪聲產(chǎn)生的原因分析

在空氣或是液體中，由于物質(zhì)振動造成的振蕩，而產(chǎn)生聲音變化，不同的振幅造成不同的聲音變化，部分聲音產(chǎn)生線性變化，對于變化的幅度可以忽略不計(jì)，由于聲音在過程中會出現(xiàn)被吸收的情況，可以估算聲壓的變化范圍和能量損失。聲音的機(jī)械能在不斷的消耗，根據(jù)慣性的原理，可以計(jì)算出聲壓的波動方程。此外，關(guān)于聲音的描述還能在均勻的介質(zhì)中根據(jù)傳播的方式定義聲音的噪聲方程。在單位面積中產(chǎn)生聲壓的傳播，利用傳播計(jì)算聲音的折損。在流體風(fēng)機(jī)中，任務(wù)噪聲是具有相位和幅值，根據(jù)不同的位置變化，所產(chǎn)生的指標(biāo)參數(shù)不同，利用多極的聲源作為判定的依據(jù)。對于聲源的特征對發(fā)聲出的位置進(jìn)行定位，采用分級簡化的模型對聲源進(jìn)行標(biāo)記和代替，以此來對噪聲進(jìn)行評估判斷。這種評估的方式是充分利用點(diǎn)源的形式，在聲源頻率小波長長的情況下，計(jì)算介質(zhì)的物理尺寸，將系列的聲源在偶極上進(jìn)行分類，形成軸流風(fēng)機(jī)的延展極數(shù)計(jì)算。在實(shí)驗(yàn)中能夠看出，軸流的風(fēng)機(jī)是普通風(fēng)機(jī)噪聲的5次方倍，尺寸大小與噪聲大小成正比。

風(fēng)機(jī)的螺旋槳在工作狀態(tài)中對于自由場形成螺旋式效應(yīng)，在無反射表面情況下，聲輻射遇到障礙物會出現(xiàn)繞行或是短距離穿透，管道中的管道壁和進(jìn)口風(fēng)扇遇到風(fēng)流后，產(chǎn)生風(fēng)壓，風(fēng)壓對于結(jié)構(gòu)物就會產(chǎn)生聲源的變化，形成多角度傳播的聲源。根據(jù)傳播的效應(yīng)條件，可求得噪聲參數(shù)和性質(zhì)內(nèi)容，根據(jù)風(fēng)機(jī)的固有頻率變化，了解相對測量的結(jié)果。如在風(fēng)機(jī)受到?jīng)_撞后，在風(fēng)流強(qiáng)度和尺寸不變的環(huán)境中，分析噪聲的傳播條件，并測量傳播的范圍。如果改變風(fēng)機(jī)上沖撞的角度，在紊流的作用下形成風(fēng)的流動條件，參數(shù)不變則會出現(xiàn)較高的傳播頻率。利用圖譜顯示的原理，出現(xiàn)寬帶噪聲和離散型噪聲。兩者的區(qū)別在于頻率的峰值有所差異，在不同的諧波處形成強(qiáng)度變化值，在低風(fēng)速的軸流風(fēng)機(jī)中出現(xiàn)寬帶，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)中出現(xiàn)離散型噪聲的可能性較大。

在軸流風(fēng)機(jī)中產(chǎn)生的噪聲主要在不同極數(shù)中呈現(xiàn)不同的特性，將細(xì)分為寬帶和離散噪聲，對于離散型的特點(diǎn)是在動葉和其他葉片之間的升力上有所變化，取決于兩者之間的距離。對于寬帶式的噪聲，是在葉片上升脈動中產(chǎn)生，與紊流的現(xiàn)象相對應(yīng)，形成較大的輻射值。

3. 風(fēng)機(jī)噪聲估算模型

估算噪聲的基本形式是在紊流的情況下對于數(shù)據(jù)的積累和計(jì)算，在考慮大渦變化的基本情況，利用模型模擬的方式計(jì)算中噪音產(chǎn)生的情況，對于觀察的誤差進(jìn)行比較，及時進(jìn)行誤差的調(diào)整。通常情況下采用氣動聲學(xué)理論，在計(jì)算機(jī)的輔助下實(shí)現(xiàn)聲學(xué)方程的計(jì)算和應(yīng)用，當(dāng)數(shù)據(jù)的場流量和密度發(fā)生變化，對于傅里葉模型進(jìn)行調(diào)整轉(zhuǎn)換，根據(jù)模型的變動，了解大渦輪所發(fā)生的變化。由于在計(jì)算中，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的能量較小，可考慮采用CAA（氣動聲學(xué)法）模擬的方式對噪聲產(chǎn)生的誤差進(jìn)行調(diào)整，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)混亂的情況。

3.1經(jīng)驗(yàn)公式

對于在風(fēng)機(jī)的噪聲計(jì)算，采用經(jīng)驗(yàn)公式歸納的方式，在采集大量的風(fēng)壓數(shù)據(jù)和葉片基本信息，得到軸流風(fēng)機(jī)的噪聲計(jì)算公式：

其中P為噪聲功率，V為葉片轉(zhuǎn)動速度（m/s），Cm為葉片寬度，L為葉片高度，Z為葉片數(shù)量。根據(jù)CAA的計(jì)算要求，在對方程求解過程中，根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行帶入，在出現(xiàn)壓力和速度變化時，還需要考慮到材料密度的變化，根據(jù)傅里葉轉(zhuǎn)換，最終得到噪聲數(shù)據(jù)。當(dāng)然，在計(jì)算中也是求得相對的噪聲值，采用的公式是經(jīng)驗(yàn)公式，而且軸流風(fēng)機(jī)在使用中噪聲所產(chǎn)生的能力只是所有能力的一部分，CAA計(jì)算的誤差也會對計(jì)算的結(jié)果造成一定的影響，但是用這樣的方式求得的結(jié)果能夠滿足后期的降噪需求。

4. 軸流風(fēng)機(jī)低噪聲葉片的降噪設(shè)計(jì)

降低軸流風(fēng)機(jī)噪聲的基本方式一般有三種：第一是利用氣動聲學(xué)原理來設(shè)計(jì)低噪聲風(fēng)機(jī)，第二是無源聲控制，第三是采用有源聲控制。第一種難度較大，理論也不夠成熟，但是由于它是從噪聲源處著手，沒有為降噪而增加質(zhì)量、空間和成本，具有較大的吸引力;第二種采用消聲、隔聲或吸聲等措施，也存在著一些問題：其一是低頻噪聲難以消除，其二是增加了質(zhì)量和成本;第三種通過引入二次聲源建立一個相消干涉模式，從而實(shí)現(xiàn)指定區(qū)域內(nèi)聲能降低或消除的目的，具有良好的解決低頻噪聲問題的潛力，對于幫助改變?nèi)~片的設(shè)計(jì)，強(qiáng)化機(jī)械的性能有著積極的推動作用。

從經(jīng)驗(yàn)公式分析來看，降低軸流風(fēng)機(jī)的方式有以下幾個方面：

（1）盡可能選擇較大葉輪直徑和較小的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)噪聲與氣流相對速度的5次方成正比，因此減小轉(zhuǎn)速能有效地降低噪聲。

（2）選用新型高效的葉柵，減少氣流損失。

（3）選擇流型時，使靜壓沿徑向逐漸加大，從而使葉片低能附面層更多的集中在靠近葉根處，比如采用前掠動葉的軸流風(fēng)機(jī)。

（4）降低葉片表面粗糙度，從而減小附面層的厚度。

（5）使葉片尾緣厚度盡量減小，特別是高速旋轉(zhuǎn)的短弦長葉片，因?yàn)槠湓谖槽E寬度中占有約75%的比重。

（6）DT比為0.051附近時，比噪聲級可達(dá)到最小。DT比定義為葉輪中徑處尾跡寬度與葉輪節(jié)距之比。

（7）通過在不等距葉片設(shè)計(jì)中，使葉片間夾角不相等，達(dá)到減少各個葉片所產(chǎn)生的噪聲間的同相疊加的目的。

（8）在動葉外徑處加裝旋轉(zhuǎn)環(huán)并減少其與外殼的相對間隙，利用兩者之間的夾角變化，改變旋轉(zhuǎn)的速率，起到加大風(fēng)壓的作用。在葉尖相對間歇為0.2%時，可以降低噪聲約6dB，效率提高。

（9）采用小弦長和薄葉型靜葉，動葉與靜葉兩者的之間間距為0.5-1倍弦長，形成較大的反角，這種方式能夠有效的提高葉片產(chǎn)生聲波的概率，起到降噪的效果。

5. 結(jié)束語

在軸流風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，充分考慮噪聲對于流體機(jī)械帶來的影響，在對噪聲指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控的過程中，利用監(jiān)測數(shù)值形成經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，能夠?qū)υ肼暤墓β蔬M(jìn)行估算。在后期的低壓分機(jī)的噪聲處理中，利用估算的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析降噪。在文中列舉了九項(xiàng)降低風(fēng)機(jī)噪聲的方式，從改變風(fēng)機(jī)的材料、設(shè)置位置、旋轉(zhuǎn)角度和運(yùn)轉(zhuǎn)時間等方面入手，豐富了軸流風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)方式，提高了機(jī)械性能。

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