基于工作變形的軸流風葉異常噪聲研究

周伯儒 楊陽

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

軸流風葉工作轉速的不斷提高和多工作轉速運行需求，使得軸流風機系統噪聲問題日益嚴重。同時，軸流風葉多工況環境和安裝環境下表現出不同的變形、不同的結構動力學特性和不同噪聲特性，噪聲問題的解決顯得更加棘手。故結合環境、實際工作空間等因素，進行軸流風葉工作變形異常噪聲研究刻不容緩。

本文基于有限元分析方法和實驗方法，針對某商用機組軸流風機系統，分析風葉工作變形結構特性與腔體流場特性，確定改善著手點，從動靜干涉[1]角度分析噪聲特性，給出相應噪聲改善方案，并完成流場仿真分析與相關實驗驗證，給出了商用機組低沉“嗡嗡聲”解決方案，為此類問題的解決提供了案例和理論支持。

2 問題描述

某商用機組軸流風葉配大洋SWZ150B直流無刷電機整機開機升頻運行，風機在850 rpm、880 rpm運行時，均存在非常明顯的低沉“嗡嗡聲”，人耳很難接受。

在圖1中880 rpm下風機異常噪聲頻譜，存在352 Hz噪聲峰值，對應運行轉速的24倍轉頻。850 rpm下風機異常噪聲頻譜，存在340 Hz噪聲峰值，對應運行轉速的24倍轉頻。

圖1 880 rpm平穩轉速下噪聲頻譜

去除外機前面板+導流圈單開風機，發現在850 rpm、880 rpm兩轉速下異常噪聲更加明顯，音質極差。并且在現場實驗中發現整機單開風機880 rpm運行，在12℃時，“嗡嗡聲”最明顯，音質差，人耳很難接受；而在25℃時，“嗡嗡聲”相對較弱，音質可以接受。

3 異常噪聲原因分析

通過前期風機噪聲特性分析及相關實驗現象分析，基本可以確定整機低沉“嗡嗡聲”與軸流風葉存在必然聯系，故重點關注軸流風葉相關問題。

3.1 軸流風葉模態共振

使用ANSYS軟件對軸流風葉進行模態仿真分析，獲得其前15階固頻，如表1所示。表1原風葉模態分析結果表明，第13階固頻與“嗡嗡聲”噪聲峰值340 Hz、352 Hz差異大。

表1 原風葉模態分析前15階固頻

使用西門子LMS模態錘擊測試模塊進行風葉頻響特性分析，圖2原風葉頻響特性曲線實驗結果顯示，原風葉500 Hz以下固頻分布在76.6 Hz、272.5 Hz、299 Hz、357.6 Hz、412 Hz、449.2 Hz，與異常噪聲峰值頻率340 Hz、352 Hz差異大。

圖2 原風葉自由模態錘擊實驗FRF

因此根據軸流風葉模態仿真分析與軸流風葉頻響特性測試分析，可以確定“嗡嗡聲”并不是軸流風葉共振所致。

3.2 軸流風葉高轉速下工作變形

由于高速軸流風葉在12℃時，“嗡嗡聲”最明顯，而在25℃時，“嗡嗡聲”相對較弱，故在不同溫度下，軸流風葉表現出不同的動力學特性。軸流風葉材料為AS-GF20，材料彈性模量隨溫度變化較大，材料阻尼比受溫度影響不大。故研究軸流風葉在不同溫度下的工作變形，分析其與“嗡嗡聲”的聯系。軸流風葉高轉速下工作變形主要表現在風葉葉尖變形，如圖3所示為ANSYS仿真結果。

圖3 軸流風葉12℃，880 rpm，最大變形3.64 mm，變形方向為向增大風葉與中隔板間距方向變形

如表2所示，溫度越高，軸流風葉最大工作變形越大，離中隔板間距越大，“嗡嗡聲”相對越弱。基于上述風葉工作變形CAE分析及軸流風機系統在不同溫度下表現出的噪聲特性，引導我們考慮葉尖與中隔板間隙引起的動靜干涉問題。

表2 基于ANSYS仿真不同溫度下風葉葉尖工作變形

3.3 軸流風機系統腔體流場紊亂

3.3.1 原風葉腔體流場仿真分析

圖4為使用ICEM流體建模軟件構建的外機風道CFD簡化模型，圖4中，1為出風口；2為風葉；3為中隔板；4為進風口；5為前面板及導流圈。圖5為CFD分析的壓力場分布圖與速度場分布圖，結果顯示在葉尖靠近中隔板最小間距處存在渦流，風葉葉尖靠近中隔板附近壓力變化最劇烈，最大壓力值達到436.7 Pa。速度場分布顯示在葉尖附近存在一個大渦核區域，速度擾流強度大，分布紊亂。

圖4 整機簡化模型[2]～[3]

從圖6可以看出，原風葉方案中隔板在豎向存在一個極大的負壓渦核區分布，在軸向有明顯的一對正負壓渦核區。說明原風葉葉尖靠近中隔板附近壓力場極不穩定，葉尖靠近中隔板處存在極大的負壓渦核區，這是導致風葉腔體紊流噪聲的決定因素。

3.3.2 去除前面板+導流圈腔體流場仿真分析

如圖7顯示，在去除前面板+導流圈后中隔板壓力場分布更加紊亂，流場壓力過渡不順暢，同時最大壓力值與圖5相比顯著增加，更易誘發紊流噪聲。再結合前期去除外機前面板+導流圈單開風機相關實驗結果，可以確定“嗡嗡聲”與軸流風機系統腔體流場紊亂有關。

圖5 原風葉CFD分析

圖7 無前面板+導流圈壓力場分布

綜上所述，軸流風葉高轉速下工作變形，引起風葉葉尖與中隔板流場干涉，導致軸流風機系統腔體流場紊亂，形成極大的負壓渦核區，誘發風葉腔體紊流噪聲[4-6]，即“嗡嗡聲”。

4 流場腔體改善方案仿真分析

根據異常噪聲原因分析結果，提供3套流場腔體改善方案：（1）去尖風葉；（2）中隔板外移5 mm；（3）電機支架軸向偏轉±15°。

4.1 原風葉與去尖風葉流場對比

圖8中去尖風葉中隔板上壓力分布較均勻，速度場過渡平滑。說明原風葉去尖處理后，消除了高轉速下風葉葉尖工作變形帶來的影響，相應壓力場與速度場均得到很好地改善。

圖8 去尖風葉方案CFD分析

4.2 原風葉與中隔板外移5 mm 流場對比

相較于原風葉流場，在中隔板向外移動5 mm后流場得到較好改善，見圖9。說明增大原風葉葉尖與中隔板間隙，可有效改善流場。

圖9 中隔板外移5 mm方案CFD分析

4.3 電機支架軸向偏轉±15°流場對比

相較于圖10，圖11壓力場分布過渡順暢。說明通過調整電機支架安裝角度-15°，流場明顯改善。再次間接反映出增大葉尖與中隔板間隙可以有效改善流場。

圖10 改變電機支架安裝角度中隔板壓力分布

圖11 改變電機支架安裝角度葉尖附近壓力分布

根據以上分析通過調整軸流風葉安裝角度和中隔板與風葉葉尖間距能有效消除渦，改善葉尖與中隔板之間壓力場，從而減小相應“嗡嗡聲”，以下通過噪聲實驗，進行相關實驗驗證。

5 方案驗證

5.1 驗證風葉安裝角度對“嗡嗡聲”的影響

為了便于改變軸流風葉安裝角度，去除前面板+導流圈，將軸流風葉沿軸Z向扭轉-15°，改變安裝角度后的軸流風葉和原位置軸流風葉噪聲數據對比如圖12。對比數據顯示可以將噪聲峰值降低3.5 dB(A)。

圖12 軸流風葉安裝角度差異影響

原風葉樣件與去尖風葉樣件噪聲測試對比顯示，880 rpm轉速下去尖風葉樣件比原風葉峰值降低4.5 dB(A)；850 rpm轉速下去尖風葉樣件比原風葉峰值降低3.0 dB(A)。

5.2 驗證原風葉葉尖與中隔板間隙對嗡嗡聲的影響

前期現場增大或減小風葉葉尖與中隔板間隙實驗結果顯示，增大風葉葉尖與中隔板間隙，異常噪聲被削弱明顯；減小風葉葉尖與中隔板間隙，異常噪聲并未得到改善。

6 結論

（1）基于風葉工作變形結構特性與風機系統腔體流場特性，確定了風機系統流場紊亂是誘發異常噪聲的主要原因；風機系統流場仿真分析和相關實驗表明，原風葉的葉尖與中隔板間隙過小、葉尖脫落渦沒有充分的發展空間，導致兩者之間存在極大的負壓渦核區，從而誘發風機系統流場紊亂；

（2）基于流場腔體改善多方案仿真分析結果，原風葉去尖處理、中隔板外移5 mm及向遠離中隔板方向調整電機支架安裝角度-15°均可以有效改善流場；

（3）基于引起異常噪聲主要原因，制作去尖改善風葉樣件，實驗驗證結果表明去尖改善風葉樣件880 rpm轉速下噪聲峰值比原風葉降低4.5 dB(A)；850 rpm轉速下噪聲峰值比原風葉降低3.0 dB(A)。

（4）基于調整電機支架安裝角度或外移中隔板以增大風葉與中隔板間隙的方法，可以有效削弱340 Hz異常噪聲，將噪聲峰值降低3.5 dB(A)。