对低噪声风机设计的基本原则

刘汉青 王艳荣

摘要：低噪声风机设计的根本目的就是为了最大限度的降低风机的比噪声级，保持甚至是提高风机的气动力性能。为此，本文笔者在总结了个人研究经验的基础上，结合近些年来国内外文献，从轴流与离心风机的噪声源入手展开粗浅的探讨，提出相应的设计原则，以供参考。

关键词：低噪声；风机设计；原则

前言：

采用消声器降低风机的噪声，不仅要占用一定的空间，还会进一步增加造价成本，消耗不必要的能力，且在运行过程中常常还会出现堵塞失灵等问题。因此，近些年来国内外的研究者都将关注的重点放在了低噪声风机的研制工作上，以期在风机设计过程中就降低噪声问题。以下笔者即结合个人在低噪声风机设计上的研究经验，结合相关参考文献，粗浅的阐述了低噪声风机设计原则，以供广大同行参考借鉴。

1.风机噪声

由于空气流动所引发的气动力噪声就是造成风机噪声的主要原因。如若我们按照风机噪声的声源性质进行分类，则主要包含以下几个类型：第一，由于风机流道内固定空间之中的气流体积脉动而引起的单极子声源，其发射声功率为，其中W表示相对流动特征速度；第二，由于作用在叶片或者是流道之上的压力脉动而引发的偶极声源，其发射声功率为；

第三，由于湍流速度脉动而引发的四级子声源，其发射声功率为。因为四级子源辐射的效率较低，所以风机中的流动速度通常不太大，因此其并不是造成风机噪声的主要声源所在。而实际上多数风机的噪声，其主要表现在于叶轮圆周速度U的5次方或者是6次方正比之上，并其在工程使用的声学相似率上认为N∝D2u5，并由此得出以下公式：，用来对风机噪声水平加以衡量。

通常情况之下前后无导叶的低压轴流风机其噪声主要以湍流噪声为主，而对于高压离心风机而言旋转噪声则是其主要的噪声组成部分。

2.对轴流风机噪声及其设计分析

对于轴流风机而言，其噪声主要包括以下几点：来流不均匀噪声、来流湍流噪声、尾缘脱体旋涡噪声、湍流便捷层噪声等。其中来源不均匀噪声是指因为叶轮前支撑杆以及流道形状发生变化而造成流动不均匀，以至于进入到旋转叶轮通道时发生了攻角脉动，引发生理脉动，造成周期性的叶片噪声；来流湍流噪声属于宽频噪声，当风机处于热交换其后或者是具有完全发展的湍流管道之后，由于流湍速度较大，噪声也相应较大；尾缘脱体旋涡噪声是指气流流过叶片，并将尾缘出削落旋涡以后，造成尾缘出的压力脉动，引发噪声问题；湍流便捷层噪声收到湍流边界层厚度的直接影响，是由于湍流边界层内的速度脉动而引发的叶片上压脈动，造成的噪声问题。

要想解决轴流风机噪声问题，设计出低噪声轴流风机，必须要遵循以下几点设计原则：第一，对进口流道进行改善，确保进入到叶轮中的气流均匀，且具有较低的流速，从而降低叶片噪声问题；第二，降低叶轮的圆周速度，以降低风机噪声；第三，对叶轮直径进行增大，这是因为叶轮直接越大，相应的叶片载荷也就越小，气流也就越小，噪声也就越小，所以要在考虑经济、使用性等多方因素的前提下，尽可能的增大叶轮直径；第四，选择良好的叶片流型与叶片流线；第五，尽可能的降低叶尖间隙，消除叶尖旋涡噪声。

3.对离心风机噪声及其设计分析

对于离心风机而言，其噪声主要包括以下几点：因进口流场不均匀或者是大尺度旋涡引起的噪声；因也乱上湍的边界层中脉动速度而引起叶片上压力脉动，造成的噪声问题；因叶轮出口出处的速度不平均，压力分布尾流，冲击在风舌之上而造成的压力脉动，引起的噪声问题；因叶轮出口处的不均匀尾流冲入到蜗壳之中，以至于蜗壳之内的湍流边界层发生分离，而造成的噪声问题。

要想解决离心风机噪声问题，设计出低噪声离心风机，就必须要遵循以下几点设计原则：第一，满足δ≥0.1D， rδ≥0.02～0.03D这一条件，可以对离心风机叶片的噪声起到明显的降低作用。同时，还可以在风舌处附加一个λ/4的声学共振器，起到降低叶片噪声的根本作用；第二，为离心风机选择合适的集风器形状，使叶轮进口的流动更加均匀。需要格外注意的是，集风器与叶轮进口之间的径向间隙与轴向搭接尺寸，如若以D=60mm为例，那么前者则可以取1mm到2mm之间，后者则可以取2mm到4mm之间。同时，还要保持一点径向间隙是有利于进口流动方向转变的，这对降低离心风机噪声十分有用；第三，对叶片的进口角进行合理的选取，确保进口角，且设计工况时的叶片进口角β1等于35.4°，并保持2°到4°的正攻角，从而降低进口气流的相对速度，降低噪声问题；第四，在离心风机的叶轮设计上，可以使用弧形前盘及其他的核实叶片流型，后者则可以采用等减速、等当量扩张角、给定在和分布。通过实例分析我们可以得知流型对噪声控制有着十分重要的作用，但也没有必须要过于精细化处理；第五，在低噪声离心风机设计过程中，W2 / W1不能太小。这是因为如若W2 / W1太小，流动脱体就会十分严重，噪声也会十分大，风机的工作效率则会十分的地下。所以，在前向风机上则希望W2 / W1大于0.5，后向风机上则希望W2 / W1等于0.8到0.9，虽然在实际设计上想要做到此点十分困难，但是如若W2 / W1较小时则可以使用当量扩张角流型，以降低风机噪声问题。

结束语：

在风机的设计过程中就必须要从的考虑到如何降低噪声，也就是说要才能够风机产生噪声的源头入手进行降噪设计，这也是今后风机降噪设计的主要研究方向，并希望通过本文笔者的粗浅阐述能够为广大同行在今后低噪声风机的设计上提供一定的参考与借鉴。

参考文献：

[1]郭乙木，万力，黄丹编，有限元法与MSC.Nastran软件的工程应用[M].机械工业出版社，2006

[2]刘长福，邓明主编，航空发动机结构分析[M].西北工业大学出版社，2006

[3]刘政崇主编，高低速风洞气动与结构设计[M].国防工业出版社，2003

[4]虞烈，刘恒[著]，轴承-转子系统动力学[M].西安交通大学出版社，2001

[5]伍荣林，风洞设计原理[M].北京航空学院出版社，1985