葉輪參數(shù)對FBS105 型軸流式通風機振動噪聲的影響分析

李滿紅

（華陽集團和順新大地煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032700）

1 風機噪聲研究現(xiàn)狀

風機是一種被廣泛應用于化工、冶金、礦山等行業(yè)的通風設備，風機噪音對人員的安全具有很大的傷害，嚴重干擾人們的健康[1]。在軸流式通風機（見圖1）噪聲控制領域內，經(jīng)過多年發(fā)展，人們對風機噪聲的產(chǎn)生機理進行了深入的研究，從根本上分析了風機噪聲產(chǎn)生的原因。根據(jù)噪音產(chǎn)生的來源進行有針對性的設計改進。根據(jù)噪音產(chǎn)生的機理，近年來發(fā)展出來了不同的控制噪音的方法，如改進通風機前導葉的結構。通風機噪音的控制最本質的還是要提高通風機設備的制造工藝性，使用新型的材料的工藝技術可極大地降低通風機的噪音。

圖1 軸流式通風機實物圖

隨著近些年來國家對環(huán)境保護的重視，噪音污染問題也得到了響應解決，尤其是在煤炭開采行業(yè)，控制井下設備噪音對保障操作人員的安全具有重要意義。國內外相關領域專家，主要從通風機葉片幾何參數(shù)、集流器與擴散器等幾何參數(shù)對噪音的影響進行研究，取得了非常大的進展，同時在新材料與新技術的應用上取得了較大突破。如何開發(fā)新技術，并降低新技術成本，是目前新型風機研制面臨的一個重要問題[2]。

2 主要噪聲分析

相對于主動降噪所需要的高額成本和先進的技術，被動降噪雖然不能從根本上解決風機噪聲問題，但依靠消聲器、多孔吸聲材料和風機隔聲罩等技術手段從聲音傳播途徑上控制噪聲，既經(jīng)濟，降噪效果又明顯，被風機用戶普遍接受。局部通風機大多安裝在井下，受環(huán)境和空間的制約，難以采取有效的降噪措施。

軸流式通風機運行時會產(chǎn)生許多不同種類的噪聲，而空氣動力性噪聲是最主要的一種。空氣動力性噪聲是風機葉片旋轉時，對周邊空氣質點周期性的打擊，引起空氣壓力的脈動，而產(chǎn)生強烈的噪聲。空氣壓力的脈動，根據(jù)傅里葉級數(shù)可分解成兩部分，一部分是一個穩(wěn)態(tài)分量，另一部分是一系列脈動分量。其中穩(wěn)態(tài)分量就是通風機空氣動力機械正常工作所需要的氣流壓力，而脈動分量是風機葉片旋轉時產(chǎn)生旋轉噪聲的聲源。旋轉噪聲頻率f 與葉片數(shù)Z 和轉速n 成正比關系，稱為葉片通過頻率[3]。

除了葉片基頻以外，風機的旋轉噪聲還與基頻成倍數(shù)的各階諧波組成，各階諧波的聲壓值逐漸減小，六階以上諧波聲壓值已經(jīng)可以忽略不計。根據(jù)經(jīng)驗公式得出，空氣動力性噪聲的聲壓級大約與風機葉片旋轉速度的5～6 次方成正比關系，葉片轉速增加一倍，噪聲聲壓級約增加10～18 dB。

3 通風機的結構分析

葉輪是通風機的核心部件，由于其高速的運轉，使得機器產(chǎn)生振動并對周圍的氣體產(chǎn)生打擊，這是空氣動力性噪聲產(chǎn)生的原因，通風機的結構如下頁圖2 所示。

圖2 通風機結構圖

4 葉輪的優(yōu)化

葉輪的主要構成參數(shù)有兩級葉片數(shù)目、二級葉輪、翼型、軸向和徑向間隙。通過對以下參數(shù)的設計優(yōu)化，可以有效地提升通風機的性能。

1）適當?shù)嘏渲猛L機前后兩級葉片數(shù)量。通風機在工作時，氣體被兩級壓縮而具有較大的動能，能夠傳播得更遠，但是兩級葉片數(shù)量之間的關系配置不當時，可能會引起氣體的紊流，從而導致較大噪音的產(chǎn)生。為避免前后兩級氣流脈動的相互疊加，應合理布置兩級葉輪葉片數(shù)目。

2）葉輪幾何參數(shù)的優(yōu)化。葉輪在驅動葉片的同時，在風道中占據(jù)一定的空間位置，尤其是第二級葉輪所在位置，通常風速較高，當適當修改葉輪的形狀參數(shù)可極大地降低設備運行的噪音，應使前后兩級葉輪同基元界面弦長比為5∶7 左右[4]。

3）葉片翼型。葉片在旋轉過程中與空氣相互摩擦，并將能量傳遞給控制系統(tǒng)，摩擦的過程就會產(chǎn)生較大的噪音，因此在保障風能傳播的同時，提高壓縮效率。

4）兩級葉輪的軸向和徑向間隙。為了保證進入二級葉片的氣流趨于均勻，同時減小氣動噪聲，應控制前后兩級葉片間的間隙，前后間隙一般為0.5 mm，與此同時，適當控制通風機的轉速即可實現(xiàn)降低通風機噪音的目的。

5 通風機優(yōu)化結果

優(yōu)化后的通風機具體參數(shù)如表1 所示。

表1 優(yōu)化后風機參數(shù)

與原通風機比較，由于軸向間隙的減小，改進后的通風機一級葉輪后的流場進入二級葉輪中，降低了空氣的湍流，減小了空氣在通風機內部的消耗。改變通風機結構，縮短了前后兩級之間的間距，由于流道的減短，原通風機內部間葉道內的渦流隨之減小[5]。所以，優(yōu)化后的通風機相比于原通風機，改進了其內部空氣的流動特性，通風機葉輪流道內產(chǎn)生的渦流大大減小，從而降低了噪聲[6]。

6 通風機的參數(shù)改進意見

1）通過對葉輪多種參數(shù)的優(yōu)化設計，使得葉片具有更好的性能。葉片數(shù)、葉片根部及頂部弦長的減少，使得葉片的總面積減少，從而渦流減少。而徑向間隙的減小，使得流道縮短，渦流減少，從而降低噪音。

2）設計中應注意，葉片的數(shù)目調整要根據(jù)葉片的總數(shù)目擬定，過少的葉片數(shù)會使葉片間距過大影響通風機的效率。

3）葉片的長度也應考慮與機殼的距離，在實際的使用過程中，由于通風機受重力作用，并且葉輪為動力元件，會在連接處產(chǎn)生疲勞破壞使葉片產(chǎn)生位移，如果葉片與機殼的距離過小會導致碰撞。

7 結論

1）軸流式通風機在礦用通風機中十分重要，而它的噪音也是人們一直在研究的問題，通過對軸流式通風機發(fā)展現(xiàn)狀的分析，噪聲的研究與分析，鎖定了噪聲的來源主要是空氣動力性噪聲，因此對空氣動力性噪聲進行分析并對葉輪參數(shù)進行優(yōu)化是改善軸流式通風噪聲的有效途徑。

2）通過對通風機葉輪優(yōu)化前后的分析，葉輪的葉片數(shù)、葉片根部和頂部的弦長降低，使葉片面積減小，使得渦流降低，同時徑向間隙的減少使得葉輪與空氣的接觸面減少，達到渦流減少的效果，而渦流的減少使得通風機的噪聲就也隨之降低。