轴流风机低噪声叶片的设计方法研究

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热度0票  浏览90次 时间：2021年2月22日 09:50

刘云芝 陈 华

（江苏兆胜空调有限公司 江苏 泰兴 225400)

摘要：在本文中针对轴流风机在运行中产生的噪声入手，利用经验公式推导的方式求噪声的基本功率，对于噪声的预估起到了帮助作用。同时对于轴流风机中噪声的产生进行详细的介绍，根据 CAA 计算模型的辅助，在声压变化的情况下，通过噪声估算的方式形成降噪的指导标准，同时提出了相对应的降噪方式，满足气动声学计算要求的前提下，实现了流体声压的调整。并采用九项降噪的方式，从改变风机的材料、设置位置、旋转角度和运转时间等方面入手，实现轴流风机地噪声叶片的设计研究。

关键词：轴流风机噪声预测叶片傅里叶

1. 引言

在流体机械中，由于生产等原因会造成风机出现噪声，对于生产生活带来了极大的影响，通过研究风机的设计和组成，在机械的角度优化设计方式，根据统计和流体力学等计算形式，在二维和三维的方式下，形成流体参数的变化，模拟不同情况下流体的运动情况，计算出流体场内的噪声值，并利用误差计算的方式对噪声值进行估算分析，在对计算流体的噪声形成方式作为参照，通过改变叶片的基本形态，以此来作为降噪的参数指标。

2. 轴流风机噪声产生的原因分析

在空气或是液体中，由于物质振动造成的振荡，而产生声音变化，不同的振幅造成不同的声音变化，部分声音产生线性变化，对于变化的幅度可以忽略不计，由于声音在过程中会出现被吸收的情况，可以估算声压的变化范围和能量损失。声音的机械能在不断的消耗，根据惯性的原理，可以计算出声压的波动方程。此外，关于声音的描述还能在均匀的介质中根据传播的方式定义声音的噪声方程。在单位面积中产生声压的传播，利用传播计算声音的折损。在流体风机中，任务噪声是具有相位和幅值，根据不同的位置变化，所产生的指标参数不同，利用多极的声源作为判定的依据。对于声源的特征对发声出的位置进行定位，采用分级简化的模型对声源进行标记和代替，以此来对噪声进行评估判断。这种评估的方式是充分利用点源的形式，在声源频率小波长长的情况下，计算介质的物理尺寸，将系列的声源在偶极上进行分类，形成轴流风机的延展极数计算。在实验中能够看出，轴流的风机是普通风机噪声的 5 次方倍，尺寸大小与噪声大小成正比。

风机的螺旋桨在工作状态中对于自由场形成螺旋式效应，在无反射表面情况下，声辐射遇到障碍物会出现绕行或是短距离穿透，管道中的管道壁和进口风扇遇到风流后，产生风压，风压对于结构物就会产生声源的变化，形成多角度传播的声源。根据传播的效应条件，可求得噪声参数和性质内容，根据风机的固有频率变化，了解相对测量的结果。如在风机受到冲撞后，在风流强度和尺寸不变的环境中，分析噪声的传播条件，并测量传播的范围。如果改变风机上冲撞的角度，在紊流的作用下形成风的流动条件，参数不变则会出现较高的传播频率。利用图谱显示的原理，出现宽带噪声和离散型噪声。两者的区别在于频率的峰值有所差异，在不同的谐波处形成强度变化值，在低风速的轴流风机中出现宽带，在高速运转的风机中出现离散型噪声的可能性较大。

在轴流风机中产生的噪声主要在不同极数中呈现不同的特性，将细分为宽带和离散噪声，对于离散型的特点是在动叶和其他叶片之间的升力上有所变化，取决于两者之间的距离。对于宽带式的噪声，是在叶片上升脉动中产生，与紊流的现象相对应，形成较大的辐射值。

3. 风机噪声估算模型

估算噪声的基本形式是在紊流的情况下对于数据的积累和计算，在考虑大涡变化的基本情况，利用模型模拟的方式计算中噪音产生的情况，对于观察的误差进行比较，及时进行误差的调整。通常情况下采用气动声学理论，在计算机的辅助下实现声学方程的计算和应用，当数据的场流量和密度发生变化，对于傅里叶模型进行调整转换，根据模型的变动，了解大涡轮所发生的变化。由于在计算中，风机产生的能量较小，可考虑采用CAA （气动声学法）模拟的方式对噪声产生的误差进行调整，避免出现数据混乱的情况。

3.1 经验公式

对于在风机的噪声计算，采用经验公式归纳的方式，在采集大量的风压数据和叶片基本信息，得到轴流风机的噪声计算公式：

； （公式 3-1 ）

其中 P 为噪声功率， V 为叶片转动速度（ m/s ）， Cm 为叶片宽度， L 为叶片高度， Z 为叶片数量。根据 CAA 的计算要求，在对方程求解过程中，根据现有的数据指标进行带入，在出现压力和速度变化时，还需要考虑到材料密度的变化，根据傅里叶转换，最终得到噪声数据。当然，在计算中也是求得相对的噪声值，采用的公式是经验公式，而且轴流风机在使用中噪声所产生的能力只是所有能力的一部分， CAA 计算的误差也会对计算的结果造成一定的影响，但是用这样的方式求得的结果能够满足后期的降噪需求。

4. 轴流风机低噪声叶片的降噪设计

降低轴流风机噪声的基本方式一般有三种：第一是利用气动声学原理来设计低噪声风机，第二是无源声控制，第三是采用有源声控制。第一种难度较大，理论也不够成熟，但是由于它是从噪声源处着手，没有为降噪而增加质量、空间和成本，具有较大的吸引力；第二种采用消声、隔声或吸声等措施，也存在着一些问题 : 其一是低频噪声难以消除，其二是增加了质量和成本；第三种通过引入二次声源建立一个相消干涉模式，从而实现指定区域内声能降低或消除的目的，具有良好的解决低频噪声问题的潜力，对于帮助改变叶片的设计，强化机械的性能有着积极的推动作用。

从经验公式分析来看，降低轴流风机的方式有以下几个方面：

（ 1 ）尽可能选择较大叶轮直径和较小的风机转速，风机噪声与气流相对速度的 5 次方成正比，因此减小转速能有效地降低噪声。

（ 2 ）选用新型高效的叶栅，减少气流损失。

（ 3 ）选择流型时，使静压沿径向逐渐加大，从而使叶片低能附面层更多的集中在靠近叶根处，比如采用前掠动叶的轴流风机。

（ 4 ）降低叶片表面粗糙度，从而减小附面层的厚度。

（ 5 ）使叶片尾缘厚度尽量减小，特别是高速旋转的短弦长叶片，因为其在尾迹宽度中占有约 75% 的比重。

（ 6 ） DT 比为 0.051 附近时，比噪声级可达到最小。 DT 比定义为叶轮中径处尾迹宽度与叶轮节距之比。

（ 7 ）通过在不等距叶片设计中，使叶片间夹角不相等，达到减少各个叶片所产生的噪声间的同相叠加的目的。

（ 8 ）在动叶外径处加装旋转环并减少其与外壳的相对间隙，利用两者之间的夹角变化，改变旋转的速率，起到加大风压的作用。在叶尖相对间歇为 0.2% 时，可以降低噪声约 6dB ，效率提高。

（ 9 ）采用小弦长和薄叶型静叶，动叶与静叶两者的之间间距为 0.5-1 倍弦长，形成较大的反角，这种方式能够有效的提高叶片产生声波的概率，起到降噪的效果。

5. 结束语

在轴流风机的设计中，充分考虑噪声对于流体机械带来的影响，在对噪声指标进行监控的过程中，利用监测数值形成经验计算公式，能够对噪声的功率进行估算。在后期的低压分机的噪声处理中，利用估算的数据进行分析降噪。在文中列举了九项降低风机噪声的方式，从改变风机的材料、设置位置、旋转角度和运转时间等方面入手，丰富了轴流风机叶片的设计方式，提高了机械性能。

参考文献：

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