煤礦通風機氣動噪聲的數值預測研究

梁躍武

（潞安集團寺家莊有限責任公司，山西 昔陽 045300）

引言

通風機為綜采工作面的關鍵設備之一，承擔著為工作面提供新鮮空氣，降低工作面瓦斯、粉塵濃度的重要任務，是保證綜采工作面安全生產的關鍵。統計表明，通風機在整個工作面的耗能占比較大，究其原因為通風機控制不合理、結構存在缺陷及氣動噪聲太大。針對通風機控制不合理問題，采用變頻調速系統可解決；結構缺陷和噪聲太大，均可進一步導致高效率運行范圍較窄，葉片失速及效率偏低等問題[1]。因此，基于對煤礦通風機氣動噪聲的預測，可為開發高性能產品且實現對通風機的主動控制具有顯著意義。

1 通風機模型搭建

以往衡量通風機的主要技術指標包括全壓、流量、效率。目前，在人們強化環保意識的形勢下，噪聲成為衡量通風機性能的關鍵技術指標之一。通風機噪聲包括機械噪聲、電磁噪聲和氣動噪聲三種類型。其中，機械噪聲和電磁噪聲對通風機運行的影響較小；而氣動噪聲是三種噪聲中最難治理的。因此，開展對通風機氣動噪聲的研究，對尋找產生氣動噪聲的根源和降低通風機運行階段的氣動噪聲具有重要意義[2]。

本文以對旋式局部通風機為例對其氣動噪聲進行預測。對旋式局部通風機包括前級葉輪和后級葉輪，具體參數如表1 所示。

表1 NACA65-010 對旋式局部通風機結構參數

結合上述分析，對NACA65-010 通風機的具體結構搭建葉片、葉輪等部件的三維模型，并組裝形成對旋風機的全流道實體圖。基于所建立的三維模型和仿真目的，分別對通風機的集流器、兩級葉輪、擴散器、電極筒等進行網格劃分。其中，集流器具體對應的網格數為23 812，前級電極筒對應的網格數為104 631，前級葉輪對應的網格數為700 898，后級葉輪對應的網格數為548 605，后級電極筒對應的網格數為108 598，擴散器對應的網格數為15 620。

結合通風機的工況，設定仿真時對應的流量為11.59m/s，設定通風機出口的相對靜壓值為2101.14Pa。

2 通風機氣動噪聲功率預測

衡量通風機氣動噪聲聲功率的指標包括噪聲的生壓級、噪聲的聲強級及噪聲的功率級。其中，聲壓級和聲強級兩項參數容易受到通風機運行周圍環境的影響。對于噪聲的功率級而言，其與所監測的距離和具體監測位置無關，能夠準確反應氣動噪聲的具體參數，并采用dB 對其強度進行描述[3]。本節將對通風機芯部、葉輪、葉片及外殼四個位置的氣動噪聲聲功率的分布特性進行仿真分析。

2.1 通風機芯部氣動噪聲聲功率分布特性

旨在通過研究通風機芯部氣動噪聲的分布特性，掌握通風機葉輪、外殼激振頻率的根源和對噪聲在遠程的輻射預測提供依據。通風機芯部氣動噪聲分布仿真結果如下頁圖1 所示。

由下頁圖1 可知，通風機芯部氣動噪聲強度最大的位置為葉輪處。從理論上分析，通風機芯部噪聲產生的主要原因為葉輪的旋轉導致周圍氣流與障礙物相互碰撞所產生。同時，在動葉輪葉頂和葉片的后邊緣位置對應的聲功率強度最大，此處也是通風機產生氣動噪聲的主要來源。

圖1 通風機芯部氣動噪聲分布示意圖

此外，對仿真結果分析發現，在擴散器和整流罩附近的聲功率值偏低。由此說明，擴散器和整流罩能夠保證入口與出口處氣流穩定性，降低噪聲。

2.2 通風機葉輪氣動噪聲聲功率分布特性

通風機前后兩級葉輪的氣動噪聲分布情況如圖2 所示。

圖2 通風機前后兩級葉輪氣動噪聲分布

由圖2 可知，葉輪葉片為前后兩級葉輪聲功率分布最大的位置，而且主要表現在葉片的葉頂截面處；而且，后級葉輪的聲功率大于前級葉輪。造成上述現象的主要原因在于前級葉輪黏性尾跡對后級葉輪產生周期性的非定常作用力。同時，在實際運行中通風機前級葉輪和后級葉輪存在速度差，從而引發周期性干涉噪聲。當通風機前級葉輪和后級葉輪之間的間距較小時，后級葉輪充當聲障的角色，從而導致前、后兩級葉輪對應的葉片上形成較大的脈動，進而產生噪聲。

因此，為解決上述問題，可通過對通風機前后兩級葉輪的葉片數量進行合理設計，一般將前后兩級葉片數設定為互為質數的情況；同時，還可適當增加前級葉輪和后級葉輪的距離，避免后級葉輪成為聲障，從而降低或消除由于軸間間隙所導致的氣動噪聲[4]。

同時，當通風機葉輪高速旋轉時，葉輪葉片周期性地打擊周圍的空氣，也是導致噪聲的主要原因之一，并且還會產生許多旋渦。導致通風機葉輪葉片邊緣位置噪聲較大的原因是葉片出口處氣流不均勻，由此導致其產生壓力脈動，進而產生噪聲。

2.3 通風機葉片氣動噪聲分布特性

通風機葉輪葉片分為壓力面和吸力面，前、后兩級葉輪葉片的氣動噪聲分布如圖3 所示。

圖3 通風機葉片噪聲分布

由圖3 可知，導致通風機氣動噪聲的根本原因在于通風機葉片與氣流的相互碰撞。通風機葉輪葉片的前緣和中后部的聲功率較大，主要是因為葉片前邊緣首先與氣流相接觸，致使對應的壓力值較大，而葉片中后部氣流無法高效附著于葉片表面所導致。

其中，在葉片吸力面由于存在流道間隙導致在其表面形成一個相對明顯的低壓區域，從而導致該位置的聲功率值最高[5]。

2.4 通風機外殼氣動噪聲分布特性

通過對通風機外殼氣動噪聲的分布掌握通風機外殼的振動情況，并得出通風機外殼氣動噪聲分布如圖4 所示。

圖4 通風機外殼噪聲分布

由圖4 可知，通風機外殼聲功率最大的位置位于兩級葉輪的旋轉區域，從而再次體現了葉輪氣動噪聲最大的現象。因此，在實際工程經驗中常對通風機外殼采取相應的隔聲處理，主要措施是采用雙層隔聲機殼，并在機殼內填充一定的吸聲棉等。

3 結論

1）通風機葉片葉輪與氣流相互作用是產生氣動噪聲的主要原因。

2）通風機葉片吸力面所存在的流道間隙導致其表面形成低壓區，以致葉片吸力面邊緣位置的氣動噪聲聲功率值較大。

3）通風機葉輪葉片根部無法保證氣流附著于表面，導致其根部的氣動噪聲聲功率較大。