葉輪參數對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有限公司，山西 晉中 032700）

1 風機噪聲研究現狀

風機是一種被廣泛應用于化工、冶金、礦山等行業的通風設備，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，經過多年發展，人們對風機噪聲的產生機理進行了深入的研究，從根本上分析了風機噪聲產生的原因。根據噪音產生的來源進行有針對性的設計改進。根據噪音產生的機理，近年來發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，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、集流器與擴散器等幾何參數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，而產生強烈的噪聲。空氣壓力的脈動，根據傅里葉級數可分解成兩部分，一部分是一個穩態分量，另一部分是一系列脈動分量。其中穩態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生旋轉噪聲的聲源。旋轉噪聲頻率f 與葉片數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可以忽略不計。根據經驗公式得出，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，使得機器產生振動并對周圍的氣體產生打擊，這是空氣動力性噪聲產生的原因，通風機的結構如下頁圖2 所示。

圖2 通風機結構圖

4 葉輪的優化

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

1）適當地配置通風機前后兩級葉片數量。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目。

2）葉輪幾何參數的優化。葉輪在驅動葉片的同時，在風道中占據一定的空間位置，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，摩擦的過程就會產生較大的噪音，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降低通風機噪音的目的。

5 通風機優化結果

優化后的通風機具體參數如表1 所示。

表1 優化后風機參數

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生的渦流大大減小，從而降低了噪聲[6]。

6 通風機的參數改進意見

1）通過對葉輪多種參數的優化設計，使得葉片具有更好的性能。葉片數、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，葉片的數目調整要根據葉片的總數目擬定，過少的葉片數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，會在連接處產生疲勞破壞使葉片產生位移，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展現狀的分析，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進行優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化前后的分析，葉輪的葉片數、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。