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技術(shù)知識
風機噪聲的產(chǎn)生機理以及控制
一、風機噪聲產(chǎn)生的機理
當多個葉片的風機葉輪繞軸旋轉(zhuǎn)時,旋轉(zhuǎn)的葉片對氣流不斷施加作用力,作用力的平均部分對應(yīng)于維持氣流運動的推力,而其交變部分則對應(yīng)于產(chǎn)生氣流噪聲的激發(fā)力。
1.旋轉(zhuǎn)噪聲產(chǎn)生的機理旋轉(zhuǎn)噪聲又稱葉片噪聲,或稱離散頻率噪聲。葉片繞軸旋轉(zhuǎn)時,風機葉片相對于氣流運動,迎風側(cè)與背風側(cè)所受壓力不同。在旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片通道出口處沿周向的氣動壓力與氣流速度都有很大變化,旋轉(zhuǎn)的葉片通道掠過較窄的蝸舌處,就會出現(xiàn)周期性的壓力和速度脈動,從而產(chǎn)生噪聲。葉片在自由空間旋轉(zhuǎn)時,對于葉片鄰近的某固定空間位置來說,每當一個葉片通過時,空氣受到葉片及其壓力場的激勵,壓力就會起伏變化一次,旋轉(zhuǎn)的葉片不斷地逐個通過,相應(yīng)逐個地產(chǎn)生脈沖 , 向周圍輻射噪聲。
在給定空間位置產(chǎn)生的壓力,并不按正弦規(guī)律隨時間變化,而是按脈沖形式。除基頻外還有許多諧波成分 , 其頻率為基頻的整數(shù)倍。如果壓力脈沖很尖銳,在聲頻范圍內(nèi)可以有許多諧波成分。旋轉(zhuǎn)噪聲的頻率為
f = inz / 60 ①式
式中 n ———每分鐘的轉(zhuǎn)速
z ———葉片數(shù)
i ———頻率諧波序號,i = 1 時的頻率為基頻
由①式可以看出,若將葉片數(shù)增加1倍而轉(zhuǎn)速保持不變時,由于基頻增加1倍,原來的奇次諧波成分被取消,假定各諧波成分的強度近似相同,理論上旋轉(zhuǎn)噪聲的強度將降低一半。即使壓力脈沖不很尖稅,葉片數(shù)的增多對降低噪聲也是有利的。
旋轉(zhuǎn)噪聲的聲壓與風機的功率成正比,而與葉輪的半徑成反比。所以,當功率與葉片尖端的圓周速度給定時,從降低噪聲的角度應(yīng)盡量使葉輪半徑大一些。葉片尖端的圓周速度對旋轉(zhuǎn)噪聲的聲壓非常敏感,隨圓周速度的提高 ,旋轉(zhuǎn)噪聲的聲功率迅速地增加。
2. 渦旋噪聲產(chǎn)生的機理
渦旋噪聲又稱渦流噪聲,或稱紊流噪聲。風機葉片相對于氣流運動時，氣流受到葉片阻擋即繞流時,沿葉片表面的流線會在背面脫體，從而形成一個陰影區(qū)。在該區(qū)內(nèi)的氣體一般處于相對靜止的狀態(tài),并不隨氣流向下游方向運動,而該區(qū)與氣流間的邊界是不穩(wěn)定的,氣流通過切向粘滯力而產(chǎn)生卷吸作用,帶動靜止的氣體運動,在背面的分叉點附近形成了渦旋胚,并逐漸成長,渦流的范圍越來越大,到一定程度后渦旋胚就從葉片背面滑脫,而隨氣流向下游運動。當渦旋胚滑脫時,在該區(qū)另一側(cè)分叉點附近形成一個新的渦旋胚,從而開始同上相似的過程,見圖1。
圖1（a） 表示氣流在葉道中的徑向流動 圖1（b） 表示氣流在葉片通道中形成的環(huán)流胚
九洲風機以此類推,渦旋在葉片上側(cè)不斷地形成、發(fā)展和滑脫,產(chǎn)生一系列順流而下的旋渦。由于渦旋的中心與邊緣的壓力是不相同的,因此在渦旋脫體的過程中,渦流分裂,使氣體發(fā)生擾動,葉片受到交變氣體擾動作用力。上述過程中,葉片要不斷地向氣體施加周期性的反作用力,形成氣流的壓縮與稀疏過,從而向周圍輻射聲波,產(chǎn)生渦旋噪聲。渦旋噪聲的頻率為
f m = i β v/ L ②式
式中 β ———斯特勞哈爾( St rouhal)系數(shù),β =0. 14 ～ 0. 2 , 一般隨雷諾數(shù)的增加
而緩慢地增加,計算中一般可取β= 0. 185
v ———氣流與葉片的相對速度
L ———葉片正表面的寬度在垂直于速度平面上的投影
i ———頻率諧波序號
由②式可知,渦旋噪聲的頻率取決于葉片與氣體的相對速度,而旋轉(zhuǎn)葉片的圓周速度則隨著與圓心的距離而變化。從圓心到圓周,速度連續(xù)變化。葉片旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的渦旋噪聲就具有連續(xù)的噪聲頻譜,頻帶寬度也將隨雷諾數(shù)的提高而緩慢地增大。從聲源特性上說,渦旋噪聲屬偶極子源,聲功率與偶極子源振速幅值v m的平方成正比,與波數(shù)k的4次方成正比,因此,渦旋噪聲的聲功率按流速v的6次方規(guī)律變化。
實際空調(diào)中使用的各種系列離心風機,旋轉(zhuǎn)噪聲與渦旋噪聲總是同時存在。若葉片尖端的圓周速度相應(yīng)的馬赫數(shù)小于0.4,渦旋噪聲則占主導(dǎo)地位 , 若葉片尖端的圓周速度相應(yīng)的馬赫數(shù)大于 0.4,旋轉(zhuǎn)噪聲則占主導(dǎo)地位。
二、風機噪聲的控制
空調(diào)組合機組末端的通風系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的噪聲源,沿風機的各個方向向外傳播,如下圖2。對于風機設(shè)計、生產(chǎn)廠家,既要保證整個系統(tǒng)的低噪聲,又要保證風機的高效率。
1.機殼處的噪聲控制
如下圖3，在風機機殼內(nèi)側(cè)固定一層穿孔板,其穿孔率約為20%，內(nèi)襯一種超細玻璃棉，作為吸聲材料,其密度為15～20kg/m3,整個襯墊厚度為50～100mm。可以有效減小音調(diào)強度和隨機噪聲。
2.進、出風口處的噪聲控制
經(jīng)九洲風機測試,空調(diào)風機在進風口與出風口,其噪聲最大。一般的方法是利用聲的阻抗失配原理,在進風口前和出風口后安裝吸聲式消聲裝置來減低風機噪聲。
在進風口位于機殼內(nèi)部的外圍,設(shè)計防渦旋的整流結(jié)構(gòu),見下圖4 。
葉輪中葉片出風口的尺寸大于進風口位于前盤處的尺寸,氣流在風室中流動時,在進風口圓弧段會形成許多小股團的渦旋,與機殼、進風口發(fā)生多次沖擊而最后脫離,因連續(xù)多次的沖擊而向周圍輻射噪聲。增設(shè)整流圈和擋板,能有效防止氣流在進風口旁形成渦旋,卡門渦街、二次流產(chǎn)生的噪聲有明顯降低。在KHF系列風機中,經(jīng)同比性能測試,不僅噪聲降低6～8dB(A),且風量、全壓也增加2%～4%,風機效率也有所提高。
在出風口處,除安裝消聲器外,還可以設(shè)置吸聲板來降低噪聲,如下圖5,這種方法也可應(yīng)用在進風口處。
3.蝸舌結(jié)構(gòu)的改進
由于存在著葉片尾跡,在葉輪出口處的切向速度分布曲線呈現(xiàn)明顯的最大值和最小值。蝸舌尖端半徑的大小及蝸舌與葉輪外徑的間距大小對出風口處的噪聲影響較大。在 KHF 系列風機蝸舌板的設(shè)計中,除選擇適當?shù)奈伾嗉舛税霃胶臀伾嗯c葉輪外徑的間距外,并對蝸舌結(jié)構(gòu)進行了改進。一種方法是在風舌的內(nèi)側(cè)固定一層穿孔板,內(nèi)襯一種超細玻璃棉作為吸聲材料,其結(jié)構(gòu)與前面的機殼襯層相似。另一種方法是改變蝸舌的邊緣。一般風機蝸舌的邊緣是平行于主軸,讓葉輪流出的周向不均勻的氣流同時作用在蝸舌上,使蝸舌受到很大的脈沖力而向外輻射較強的噪聲。現(xiàn)改用如下圖6所示的蝸舌板,蝸舌邊緣線與主軸傾斜,其傾斜的程度根據(jù)葉片的氣動模型計算出葉片出風口處風速的切線方向,讓兩個葉片出來的氣流同時作用在蝸舌上。在 KHF 系列風機中,蝸舌邊緣與主軸的傾斜角為18°,使作用在蝸舌上的脈沖氣流相互錯開,減少蝸舌上的脈沖力,有效降低風機的旋轉(zhuǎn)噪聲。
4.葉輪氣體流道的改進
在KHF系列風機葉輪的設(shè)計中,葉輪的進口速度和葉輪中的減速程度,是特別值得關(guān)注的問題。降低葉輪中的進口速度和增大葉輪中的減速程度,可使葉輪中的流速減小,減少流動損失,提高葉輪的流動效率,還可以有效地降低噪聲。為此,九洲風機將葉片設(shè)計為后掠式扭曲葉片,如下圖7所示。
采用后掠式扭曲葉片,葉片在出風口處適度前傾,在進風部位后掠,可以避免流道的急劇擴張,防止氣流嚴重分離,讓葉片背面產(chǎn)生的紊流附面層和分界層所形成的渦旋胚以最快的速度解體,從而提高了氣流在葉道中的流動效率 ,也減少了渦旋所產(chǎn)生的噪聲。經(jīng)同型號風機性能測試比較,KHF 系列風機的效率提高了3%～5%,噪聲同時下降8～10dB(A),尤其在大風量區(qū),效率高,噪聲低,其氣動性能在國內(nèi)外同類型風機中趨于領(lǐng)先地位,是空調(diào)組合機組中理想的配套風機。
風機產(chǎn)生的是一個非常復(fù)雜的噪聲源,要通過對噪聲的測量、分析、診斷技術(shù)等來確定主要噪聲源,依據(jù)輕重緩急的原則,采取幾項合理的治理措施 , 才會有良好的效果。
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