軸流風機仿生耦合葉片降噪機理研究

司大濱

（大慶石化公司工程管理部，黑龍江大慶 163000）

0 引言

采用傳統(tǒng)葉片形狀的軸流風機噪聲很大，為了進一步降低風機噪聲，根據(jù)仿生學原理，按照鸮類翅膀翼型對軸流風機葉片進行改進設計，將葉片厚度參照鸮翼40%翼展處的參數(shù)做相應的修改，并按照仿生學設計原理，對葉片進行仿生耦合設計。結合非光滑邊緣結構原理，將葉片邊緣由原來的光滑結構修改為鋸齒形結構，將原型風機與修改后的風機進行對比模擬分析，驗證仿生耦合風機葉片形狀是否能夠有效降低風機噪聲。

1 葉輪參數(shù)分析

軸流風機的葉輪邊緣直徑為0.71 m，輪轂直徑0.15 m，采取5 片式布局，對風機出口部分與加強筋部分簡化處理，使計算模型在不影響計算精度要求的情況下得到簡化，大大提高了計算效率。不改動原始葉片的弧線特征，僅將葉片厚度參照鸮翼40%翼展處的參數(shù)做相應的修改。

2 數(shù)值模擬計算及分析

分析仿生鸮翼風機和仿生耦合風機的靜壓曲線，能夠發(fā)現(xiàn)這兩種風機葉片在大部分工況范圍內均能得到更高的凈壓值，效率得到明顯提升，比原風機的參數(shù)更好。

分析仿生鸮翼風機和仿生耦合風機的效率曲線，能夠發(fā)現(xiàn)這兩種風機在高效點的效率降幅變小，在額定功耗下性能有所提升，但在其余工況下性能有所下降，對其原因進行分析，小幅度性能下降與靜壓升高有關，靜壓升高導致電機負載增大，電機需要輸出更大扭矩，導致整體效率曲線比原風機有所降低。

仿生耦合風機的葉片與仿生鸮翼風機相比做了進一步修整，葉片邊緣增加了鋸齒結構，雖然導致葉片迎風面積變小，做功能力變差，靜壓的提升也小于仿生鸮翼風機，但整體效率并沒有明顯差距，這得益于鋸齒狀葉片邊緣有效降低了葉片質量，降低了電機負載。并且這種鋸齒狀葉片邊緣結構，也能夠有效改善葉尾處分離氣流的狀態(tài)。

聲壓波動分布是風機的主要噪聲指標，可以反映出風機各部位的噪聲強度，為風機的優(yōu)化設計提供參考。圖1 為未優(yōu)化前的風機聲壓波動分布圖，圖中顯示該原型風機最大噪聲部位為葉片邊緣，這是因為原型風機的葉片形狀設計不夠科學，氣流通過葉片邊緣時產生強烈的沖擊，使風機葉片產生強烈振動，形成較大的噪聲，這部分氣流在葉片的前緣分離。在葉片尾跡區(qū)域的噪聲強度也很大，這是由于氣流在葉片尾跡需產生渦旋，渦旋的脫離也會引起振動發(fā)出噪聲。葉片頂端的氣流不夠均勻，導致葉片頂端的渦旋增強，使葉片上的氣流產生紊流而相互沖擊。

圖1 優(yōu)化前風機葉片表面的聲壓脈動時均

圖2 顯示了仿生鸮翼風機的聲壓波動分布，通過與圓形風機對比發(fā)現(xiàn)仿生鸮翼風機的葉片邊緣處噪聲強度變弱。圖3 顯示了仿生耦合風機的聲壓波動分布，從該圖能夠看出仿生耦合風機的葉片邊緣處噪聲情況得到了更好的改善，葉片邊緣處噪聲強度是3 種風機中最弱的。這是由于仿生耦合風機在仿生鸮翼風機的基礎上進一步優(yōu)化了葉片邊緣處的形狀，削弱了氣流經(jīng)過葉片時產生渦流的強度。氣流在流經(jīng)仿生耦合風機葉片時更加平穩(wěn)，氣流分離所造成的沖擊有所降低，氣流在流經(jīng)葉片時的過渡變得更加平穩(wěn)，渦流強度被削弱，葉頂噪聲強度進一步降低，葉尾噪聲強度與原型風機相比也產生較大幅度的降低，原因是葉片尾部鋸齒形狀起到了消耗聲波能量的作用，從而降低了葉片整體聲壓。仔細對比聲壓波動分布圖，可知風機的噪聲主要來自于葉尖位置的聲壓脈動，只要合理設計葉片形狀、減少葉尖位置的聲壓脈動，就能達到風機降噪的目的。

圖2 仿生鸮翼風機葉片表面的聲壓脈動時均

圖3 仿生耦合風機葉片表面的聲壓脈動時均

3 結論

將葉片厚度參照鸮翼40%翼展處的參數(shù)做相應的修改，按照仿生學設計原理，對葉片進行仿生耦合設計，并將原型風機與修改后的風機進行對比模擬分析，得出如下結論。

（1）仿生耦合風機噪聲下降幅度為2 dB，風量提高4.6%，分析仿生鸮翼風機和仿生耦合風機的靜壓曲線與效率曲線可知，這兩種風機在高效點的效率降幅變小，在額定功耗下性能有所提升，但在其余工況下性能有所下降，小幅度性能下降與靜壓升高有關，靜壓升高導致電機負載增大，電機需要輸出更大扭矩，導致整體效率曲線比原風機有所降低。

（2）仿生耦合風機的噪聲特性更加優(yōu)良，各頻率的噪聲幅值都得到了一定程度的降低，其中以1 kHz 頻率范圍內的噪聲能量下降最為明顯，但氣流與葉片的分離噪聲有所增加，這是因為葉片邊緣增加鋸齒結構后，氣流離開葉片時渦旋變得不穩(wěn)定而引起離散噪聲的加強。但風機的整體效率并沒有明顯變化，這是因為鋸齒狀葉片邊緣有效降低了葉片質量，降低了電機負載。

（3）原型風機葉片厚度分布不符合仿生學原理，氣流經(jīng)過葉片時不穩(wěn)定，氣流通過葉片邊緣時產生強烈的沖擊，形成較大的噪聲。氣流在葉片尾跡需產生渦旋，導致葉片尾跡區(qū)域的噪聲強度也很大，并且渦旋的脫離也會引起振動發(fā)出噪聲。而仿生耦合風機的氣流經(jīng)過葉片表面時更加穩(wěn)定，氣流對葉片的沖擊降低，氣流渦旋強度下降，葉尾處的噪聲進一步降低，最終使風機的整體噪聲得到了進一步控制。