离心风机气动噪声控制的理论与实验研究

6\2013年第期试验研究*本文其他作者：徐辰温选锋/西安交通大学*2013中国风机学术会议论文收稿日期：2013-01-08陕西西安710049离心风机气动噪声控制的理论与实验研究赵忖祁大同毛义军*/西安交通大学中图分类号：TH432文献标志码：A文章编号：1006-8155（2013）06-0024-12TheoreticalandExperimentalStudyonAerodynamicNoiseControlofCentrifugalFanAbstract:Inrecentyears,aseriesoftheoreticalandexperimentalstudyonaerodynamicnoisecontrolofcentrifugalfanwascarriedout,andasimplemethodofidentifyingmainaerodynamicnoisesourcesininternaloffanandreducingthenoisebydeterminingthechangesofintensityofmainnoisesourceswaspointedout.Itwasclearlythatthemainaerodynamicnoisesourcesofcentrifugalfanwasonthevolutebuttheimpeller.Thestudyonthegenerationandpropagationmechanismofaerodynamicnoiseofcentrifugalfanhadadvancedthepropercontrolandforecastfortheaerodynamicnoiseofcentrifugalfanintheory.Basedonthetheory,alargenumberofexperimentswerecarriedoutandasetofkeytechniquesofreducingnoiseofcentrifugalfanwasformed.Keywords:centrifugalfan;aerodynamicnoise;noisecontrol;theoreticalandexperimentalstudy0引言Lighthill声比拟理论是流体机械噪声研究领域中解决工程问题应用最为普遍的理论，声比拟理论的提出以航空轴流压气机的噪声研究为主要背景，在轴流式压气机及风机的噪声研究中有重大推进，但在离心风机和压缩机领域的应用还很不成熟。针对离心风机，与以往研究只考虑叶轮的做法不同，我们首先在数学物理模型的建立上考虑了蜗壳及进口装置在内的完整风机结构，推出了新形式的方程并给出了求解方法。从利于正确分析气动噪声源的角度，总结出一套较好的离心风机内部非定常流场的数值计算方法。通常情况下，离心风机的主要气动噪声源在蜗壳上，而不是在叶轮上，为正确进行离心风机降噪研究指出了方向，并以T9-19No.4A离心风机降噪为目标开展了一系列研究工作，研制了低噪声离心风机。Abstract■摘要：若干年来，我们针对离心风机气动噪声控制问题进行了一系列理论和实验研究，提出了一种识别风机内部主要气动噪声源并通过判断主要噪声源强度变化对风机进行降噪改进的简捷方法，明确了离心风机的主要气动噪声源在蜗壳上,而不是在叶轮上，通过对离心风机气动噪声的产生及传播机理的研究，在理论上为正确进行离心风机气动噪声的控制及预测做出了有意义的推进。以上述理论为核心，本文进行了大量的实验研究，形成了一套对离心风机进行降噪改进的关键技术。■关键词：离心风机；气动噪声；噪声控制；理论与实验研究2462013年第期\1离心风机气动噪声控制的理论研究思路已有的研究告诉我们，在正常运行状态下，气动噪声是离心风机的主要噪声之一，通常包括基频噪声（叶片通过频率噪声）、涡流噪声、声波叠加和反射形成的腔体共鸣噪声等。为使研究工作有的放矢，我们对企业提供的一台T9-19No.4A离心风机进行了性能测试，噪声频谱见图1。很明显，该风机最突出的噪声成分是气动噪声中的基频噪声。图1T9-19No.4A离心风机噪声频谱图根据该风机的噪声特点，基于对国内外离心风机研究现状和发展的分析，形成了我们进行噪声控制研究的主要思路：通过风机内部非定常流动的数值计算，并结合Lighthill声比拟理论、涡声理论等，对风机内部主要气动噪声源的位置、类型、强度等进行了分析和识别，然后采取措施降低主要气动噪声源的强度，从而降低整个风机的气动噪声。另外，通过对风机辐射声场进行计算，掌握风机内部气动噪声向外界传播的途径和辐射特点，设法在噪声传播过程中对其进行阻断或削弱，从而降低风机向外界传播的气动噪声。研究初期遇到的最大困难是，以往基于气动声学基本理论的研究文献中，离心风机声学计算的理论模型都是针对单个叶轮向无限大自由空间辐射噪声，而没有考虑蜗壳的存在，直到2003年才有一篇国外论文在叶轮附近放置一个尖劈，模拟蜗舌对叶轮流动的影响[1]。以国内外已有研究为基础，我们在数学物理模型的建立上，考虑了蜗壳及进口装置在内的完整风机结构，推导了新形式的方程并给出了求解方法[2-3]。以新的模型为基础，我们在离心风机气动声场的计算、噪声传播和预测等方面开展了研究工作[4-16]。事实表明，只有在理论建模上考虑完整的风机结构，才可能全面分析风机内部的气动噪声源，正确反映噪声传播途径并正确进行噪声预测，也才能正确反映蜗壳及进口装置对噪声散射、反射的影响及风机内部可能产生的声共鸣现象等。从根本上讲，离心风机的气动噪声源于其内部的非定常流动。为了获取足够准确的气动噪声源信息，我们采用全三维粘性N-S方程和当时最新流行的DES（分离涡模拟）、LES（大涡模拟）方法对离心风机内部的非定常流场进行数值模拟。同时，分别采用Realizablek-ε、RNGk-ε、DES和LES四种模型对T9-19No.4A离心风机的非定常流场进行计算，研究了不同湍流模型对数值计算精度和速度的影响，从利于正确分析气动噪声源的角度总结出一套较好的离心风机内部非定常流场的数值计算方法[4-5,17]。为了尽快推进离心风机降噪研究，我们于2005年提出了一种识别风机内部主要气动噪声源并通过判断主要噪声源强度变化对风机进行降噪改进的简捷方法[18]。该方法以非定常流场计算为基础，通过流体的压力脉动情况对主要气动噪声源的类型、位置及强度进行识别和判断。然后对风机结构和流动进行改进，重新进行主要噪声源的识别计算，如果主要噪声源的强度下降，说明改进取得了降噪效果。该方法省去了对风机辐射声场的复杂计算，虽不能知道改进前后噪声级下降的准确数值，但后续降噪实践证明，这确实是一个定性指导降噪的行之有效的简捷方法。256\2013年第期Lighthill声比拟理论是噪声研究领域中解决工程噪声问题应用最为普遍的理论，该理论的提出以航空轴流压气机的噪声研究为主要背景，在轴流式压气机及风机的噪声研究中有重大推进。根据离心风机的结构和流动特点，我们对Lighthill声比拟理论中的某些假定、应用条件、基本方程和求解方法进行了拓展，将声比拟理论更好地推广应用于离心风机（低马赫数流动条件下）噪声研究领域[10,13-16，19]。2T9-19No.4A离心风机降噪的改进研究以上述理论研究为基础，针对T9-19No.4A离心风机的气动噪声控制问题进行了一系列的数值与实验研究。2.1采用倾斜蜗舌并配合改变蜗壳宽度针对T9-19No.4A离心风机（以下简称原风机）的直蜗舌结构，采用理论分析计算与实验相结合的方法研究了蜗舌倾角和安装位置对风机气动噪声的影响[20-22]。通过数值模拟方法对这两个因素进行系列组合，选取其中效果较好的7种组合设计，制造样机进行实验研究，找出最佳的倾斜蜗舌结构和安装位置，在此基础上就蜗壳宽度对风机噪声的影响进行研究，找到了最佳蜗壳宽度。选取三个因素的最佳优化组合，对T9-19No.4A原风机进行改进设计（以下均简称为改进风机）。改进风机的气动性能及降噪效果经机械工业风机产品质量监督检测中心进行了检测认定，如图2所示，图中考核点表示原风机，实测点表示改进风机。改进风机在整个运行工况范围内噪声曲线整体下移，A声级噪声平均降低5.2dB（A），高效点降低6.5dB（A）。风机的噪声频谱比较曲线见图3。在3个工况下，改进风机的基频及其谐波的噪声峰值显著降低，基频及其谐波附近的宽频噪声也都有比较明显的下降。尽管高频区域宽频噪声有所上升，小流量工况出现了一个较高的低频噪声峰值（可能由振动引起），但改进风机的总噪声明显降低。图2改进前后风机气动及噪声特性比较图原风机与改进风机的对比实验中，气动性能采用进气测量，出气端测量噪声。实验装置和测量方法按照《GB/T1236-2000工业通风机用标准化风道进行性能试验》和《GB/T2888-2000风机和罗茨鼓风机噪声测量方法》执行[23-24]，实验在半消声室内进行。本文只有进气端加装简易消声器的对比实验，采用的是出气端测量气动性能，进气端测量噪声，下面提到的其它实验工作均采用进气端测量气动性能，出气端测量噪声。所有实验装置均按照上述国家标准进行，不再一一赘述。2.2采用变螺旋角蜗壳型线以往的研究表明：在某些条件下，与目前通常使用的单一螺旋角的对数螺旋线蜗壳型线相比，采用变螺旋角蜗壳型线有可能使风机获得更好的性能[25]。所以我们采用变螺旋角设计方法对改进风机的蜗壳型线进行了改进设计，数值优化设计后的计算结果可使改进风机在气动性能基本不变的情况下进一步降低噪声约3dB（A）[26]，但这仅是一种理论和计算探索，正在准备进行实验验证。试验研究2662013年第期\2.3改进设计蜗壳出口结构针对采用直蜗舌结构的原T9-19No.4A离心风机，如图4所示，通过响应面分析方法建立了蜗壳出口扩张角θ、蜗舌安装间隙t、叶轮露出高度e与风机的效率和A声级之间的数学模型，比较清楚地表示出3个结构参数之间的交互作用，3个结构参数对风机的气动性能和气动噪声均有一定的影响,其中叶轮的露出长度和蜗舌间隙影响更为明显。数值优化结果表明：蜗壳出口3个结构参数的设计组合,能够使改进后风机的气动性能与原风机基本相同,而气动噪声明显降低。响应面优化结果与相应的CFD验证结果相比误差很小。由于气动噪声的计算是在自由声场下得到的,忽略了蜗壳反射的影响,因此该结果仍有待于下一步进行实验验证[27]。图4离心风机结构示意图2.4在叶轮中采用串列叶片结构针对T9-19No.4A前向离心风机，串列叶片结构见图5~图7，通过响应面分析方法建立串列叶片的相对长度ls、相对周向位置θ与风机效（a）小流量频谱图（b）高效点频谱图（c）大流量频谱图图3改进前后风机噪声频谱曲线对比图图5串列叶片示意图276\2013年第期图6等距串列叶片叶轮图率η和A声级之间的数学模型，采用数值模拟的方法优化设计了串列叶片[28]。理论计算显示，优化设计的串列叶片取得了较好的降噪效果，然而实验却证明效果并不理想。针对采用直蜗舌的T9-19No.4A原离心风机，使用等距串列叶片叶轮和不等距串列叶片叶轮取代原叶轮进行了降噪实验，有两点体会供同行参考：1）使用等距串列叶片叶轮取代原风机叶轮时，风机气动性能变化较小，噪声在整个流量范围的48.7%区域内比原风机降低，但不超过2dB(A),在其他流量范围内风机噪声则增高,但也不超过2dB(A)。而使用不等距串列叶片叶轮时，风机的气动性能和噪声均明显变差。因此,建议在进一步研究中暂不考虑使用不等距串列叶片叶轮，而只考虑采用等距串列叶片叶轮；2）虽然本次降噪实验的效果不够理想,但实验结果仍显示出，采用串列叶片叶轮降低前向离心风机的气动噪声是有可能的。这样分析主要基于两个理由：第一个理由是使用等距串列叶片叶轮取代原风机叶轮，基本上可以保持风机气动性能变化不大,即便是针对目前风机全压和效率略微下降的情况,也还可以通过采取某些措施进一步加以改善。第二个理由是使用等距串列叶片叶轮取代原风机叶轮，虽然只在整个