軸流風(fēng)機(jī)仿生耦合葉片降噪機(jī)理研究

司大濱

（大慶石化公司工程管理部，黑龍江大慶 163000）

0 引言

采用傳統(tǒng)葉片形狀的軸流風(fēng)機(jī)噪聲很大，為了進(jìn)一步降低風(fēng)機(jī)噪聲，根據(jù)仿生學(xué)原理，按照鸮類翅膀翼型對(duì)軸流風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，將葉片厚度參照鸮翼40%翼展處的參數(shù)做相應(yīng)的修改，并按照仿生學(xué)設(shè)計(jì)原理，對(duì)葉片進(jìn)行仿生耦合設(shè)計(jì)。結(jié)合非光滑邊緣結(jié)構(gòu)原理，將葉片邊緣由原來的光滑結(jié)構(gòu)修改為鋸齒形結(jié)構(gòu)，將原型風(fēng)機(jī)與修改后的風(fēng)機(jī)進(jìn)行對(duì)比模擬分析，驗(yàn)證仿生耦合風(fēng)機(jī)葉片形狀是否能夠有效降低風(fēng)機(jī)噪聲。

1 葉輪參數(shù)分析

軸流風(fēng)機(jī)的葉輪邊緣直徑為0.71 m，輪轂直徑0.15 m，采取5 片式布局，對(duì)風(fēng)機(jī)出口部分與加強(qiáng)筋部分簡(jiǎn)化處理，使計(jì)算模型在不影響計(jì)算精度要求的情況下得到簡(jiǎn)化，大大提高了計(jì)算效率。不改動(dòng)原始葉片的弧線特征，僅將葉片厚度參照鸮翼40%翼展處的參數(shù)做相應(yīng)的修改。

2 數(shù)值模擬計(jì)算及分析

分析仿生鸮翼風(fēng)機(jī)和仿生耦合風(fēng)機(jī)的靜壓曲線，能夠發(fā)現(xiàn)這兩種風(fēng)機(jī)葉片在大部分工況范圍內(nèi)均能得到更高的凈壓值，效率得到明顯提升，比原風(fēng)機(jī)的參數(shù)更好。

分析仿生鸮翼風(fēng)機(jī)和仿生耦合風(fēng)機(jī)的效率曲線，能夠發(fā)現(xiàn)這兩種風(fēng)機(jī)在高效點(diǎn)的效率降幅變小，在額定功耗下性能有所提升，但在其余工況下性能有所下降，對(duì)其原因進(jìn)行分析，小幅度性能下降與靜壓升高有關(guān)，靜壓升高導(dǎo)致電機(jī)負(fù)載增大，電機(jī)需要輸出更大扭矩，導(dǎo)致整體效率曲線比原風(fēng)機(jī)有所降低。

仿生耦合風(fēng)機(jī)的葉片與仿生鸮翼風(fēng)機(jī)相比做了進(jìn)一步修整，葉片邊緣增加了鋸齒結(jié)構(gòu)，雖然導(dǎo)致葉片迎風(fēng)面積變小，做功能力變差，靜壓的提升也小于仿生鸮翼風(fēng)機(jī)，但整體效率并沒有明顯差距，這得益于鋸齒狀葉片邊緣有效降低了葉片質(zhì)量，降低了電機(jī)負(fù)載。并且這種鋸齒狀葉片邊緣結(jié)構(gòu)，也能夠有效改善葉尾處分離氣流的狀態(tài)。

聲壓波動(dòng)分布是風(fēng)機(jī)的主要噪聲指標(biāo)，可以反映出風(fēng)機(jī)各部位的噪聲強(qiáng)度，為風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。圖1 為未優(yōu)化前的風(fēng)機(jī)聲壓波動(dòng)分布圖，圖中顯示該原型風(fēng)機(jī)最大噪聲部位為葉片邊緣，這是因?yàn)樵惋L(fēng)機(jī)的葉片形狀設(shè)計(jì)不夠科學(xué)，氣流通過葉片邊緣時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，使風(fēng)機(jī)葉片產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，形成較大的噪聲，這部分氣流在葉片的前緣分離。在葉片尾跡區(qū)域的噪聲強(qiáng)度也很大，這是由于氣流在葉片尾跡需產(chǎn)生渦旋，渦旋的脫離也會(huì)引起振動(dòng)發(fā)出噪聲。葉片頂端的氣流不夠均勻，導(dǎo)致葉片頂端的渦旋增強(qiáng)，使葉片上的氣流產(chǎn)生紊流而相互沖擊。

圖1 優(yōu)化前風(fēng)機(jī)葉片表面的聲壓脈動(dòng)時(shí)均

圖2 顯示了仿生鸮翼風(fēng)機(jī)的聲壓波動(dòng)分布，通過與圓形風(fēng)機(jī)對(duì)比發(fā)現(xiàn)仿生鸮翼風(fēng)機(jī)的葉片邊緣處噪聲強(qiáng)度變?nèi)?。圖3 顯示了仿生耦合風(fēng)機(jī)的聲壓波動(dòng)分布，從該圖能夠看出仿生耦合風(fēng)機(jī)的葉片邊緣處噪聲情況得到了更好的改善，葉片邊緣處噪聲強(qiáng)度是3 種風(fēng)機(jī)中最弱的。這是由于仿生耦合風(fēng)機(jī)在仿生鸮翼風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化了葉片邊緣處的形狀，削弱了氣流經(jīng)過葉片時(shí)產(chǎn)生渦流的強(qiáng)度。氣流在流經(jīng)仿生耦合風(fēng)機(jī)葉片時(shí)更加平穩(wěn)，氣流分離所造成的沖擊有所降低，氣流在流經(jīng)葉片時(shí)的過渡變得更加平穩(wěn)，渦流強(qiáng)度被削弱，葉頂噪聲強(qiáng)度進(jìn)一步降低，葉尾噪聲強(qiáng)度與原型風(fēng)機(jī)相比也產(chǎn)生較大幅度的降低，原因是葉片尾部鋸齒形狀起到了消耗聲波能量的作用，從而降低了葉片整體聲壓。仔細(xì)對(duì)比聲壓波動(dòng)分布圖，可知風(fēng)機(jī)的噪聲主要來自于葉尖位置的聲壓脈動(dòng)，只要合理設(shè)計(jì)葉片形狀、減少葉尖位置的聲壓脈動(dòng)，就能達(dá)到風(fēng)機(jī)降噪的目的。

圖2 仿生鸮翼風(fēng)機(jī)葉片表面的聲壓脈動(dòng)時(shí)均

圖3 仿生耦合風(fēng)機(jī)葉片表面的聲壓脈動(dòng)時(shí)均

3 結(jié)論

將葉片厚度參照鸮翼40%翼展處的參數(shù)做相應(yīng)的修改，按照仿生學(xué)設(shè)計(jì)原理，對(duì)葉片進(jìn)行仿生耦合設(shè)計(jì)，并將原型風(fēng)機(jī)與修改后的風(fēng)機(jī)進(jìn)行對(duì)比模擬分析，得出如下結(jié)論。

（1）仿生耦合風(fēng)機(jī)噪聲下降幅度為2 dB，風(fēng)量提高4.6%，分析仿生鸮翼風(fēng)機(jī)和仿生耦合風(fēng)機(jī)的靜壓曲線與效率曲線可知，這兩種風(fēng)機(jī)在高效點(diǎn)的效率降幅變小，在額定功耗下性能有所提升，但在其余工況下性能有所下降，小幅度性能下降與靜壓升高有關(guān)，靜壓升高導(dǎo)致電機(jī)負(fù)載增大，電機(jī)需要輸出更大扭矩，導(dǎo)致整體效率曲線比原風(fēng)機(jī)有所降低。

（2）仿生耦合風(fēng)機(jī)的噪聲特性更加優(yōu)良，各頻率的噪聲幅值都得到了一定程度的降低，其中以1 kHz 頻率范圍內(nèi)的噪聲能量下降最為明顯，但氣流與葉片的分離噪聲有所增加，這是因?yàn)槿~片邊緣增加鋸齒結(jié)構(gòu)后，氣流離開葉片時(shí)渦旋變得不穩(wěn)定而引起離散噪聲的加強(qiáng)。但風(fēng)機(jī)的整體效率并沒有明顯變化，這是因?yàn)殇忼X狀葉片邊緣有效降低了葉片質(zhì)量，降低了電機(jī)負(fù)載。

（3）原型風(fēng)機(jī)葉片厚度分布不符合仿生學(xué)原理，氣流經(jīng)過葉片時(shí)不穩(wěn)定，氣流通過葉片邊緣時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，形成較大的噪聲。氣流在葉片尾跡需產(chǎn)生渦旋，導(dǎo)致葉片尾跡區(qū)域的噪聲強(qiáng)度也很大，并且渦旋的脫離也會(huì)引起振動(dòng)發(fā)出噪聲。而仿生耦合風(fēng)機(jī)的氣流經(jīng)過葉片表面時(shí)更加穩(wěn)定，氣流對(duì)葉片的沖擊降低，氣流渦旋強(qiáng)度下降，葉尾處的噪聲進(jìn)一步降低，最終使風(fēng)機(jī)的整體噪聲得到了進(jìn)一步控制。