旋转环对风机噪声特性及气动性能影响的试验研究

　　风机是重要的噪声污染源。多年来,人们在降低风机噪声方面开展了不少工作,也取得了一定的进展。风机降噪的措施有两种:一是治标,从控制噪声传播途径着手,采取消声、隔声和吸声等方法;二是治本,从改进产品结构入手,着重运用气动声学原理考虑降噪措施,这在小型低速、低压风机上取得了明显效果,但在高压风机上技术难度较大,也不成熟。

　　煤矿井下使用的通风机由于工作环境潮湿、粉尘较大且空间有限,采取第一种降噪方法往往效果不好。本文从声源着手,通过分析和试验研究,探讨了在轴流式通风机叶轮外缘加旋转环对风机噪声和空气动力性能的影响,取得了改善两种特性的效果。

　　1　叶尖间隙对噪声和气动性能的影响

　　风机噪声主要是空气动力噪声,机械噪声和电机电磁噪声相对较弱。一般认为,气动噪声包括旋转噪声和涡流噪声两种。

　　旋转噪声发声机理是:动叶对叶轮流道内空气的周期性激励作用;动叶后缘尾迹区与后置静导叶间相互作用。涡流噪声发声机理是:叶轮入口气流变形,紊流与动叶相互影响;动叶紊流边界层的旋涡在叶片后缘脱落引起的压力脉动;叶尖间隙涡流与叶片前后缘的不定常作用。不同的噪声机理对风机总噪声的影响不同,因而控制风机噪声需针对不同机理采取相应措施。本文旨在研究控制叶尖间隙涡流的方法。由于制造和装配的要求,动叶和机壳之间留有一定叶尖间隙δ。该间隙区存在两种流动,一是由于叶轮出口与入口的压力差作用,使出口处气流沿间隙向入口侧回流(如图1a所示);二是动叶压力面与吸力面之间有压力差,气流将绕过间隙而卷成间隙涡流(如图1b所示)。间隙涡流干扰叶轮流道内叶尖区域主气流使其紊动度加剧,一方面引起动叶后缘与导叶前缘间的非稳态干涉产生间隙噪声,另一方面,受扰主气流对相邻叶片的前缘冲击成为又一声源。

　　文献[1]指出,叶尖间隙的大小对风机效率、流量和压力均有很大的影响,间隙增大时,效率急剧下降。

　　2　试验装置与试验方法

　　为控制叶尖间隙涡流降低间隙噪声,文献[2]介绍了曾在汽车用低速半级轴流风机的叶尖加装旋转环,有效地控制了噪声。本文采用与其不同的旋转环装置(图1c),进行了试验研究。试验风机为子午加速轴流风机,叶轮直径为450mm,8片动叶,11片后导叶,转速为2950r/min,噪声试验与气动性能试验同时进行。根据GB1236-85进行风机出气试验,按照GB/T2888-91测量噪声。传声器布置在距风机入口轴向上游1m处,测试条件为室外近似自由场。测量仪器采用ND2精密声级计和倍频带滤波器。

　　为防止形成叶尖间隙涡流,在试验风机叶片外缘装一完全包围叶尖的圆环与叶轮一起旋转,称为旋转环。该旋转环的作用是将各个叶片通道分隔成独立的工作空间,叶片压力侧与吸力侧之间不再发生横跨叶尖的泄漏,避免形成间隙涡流。