熊用，何海波，周勇

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低噪聲電動(dòng)通風(fēng)機(jī)組設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

熊用，何海波，周勇

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

電動(dòng)通風(fēng)機(jī)組包含風(fēng)機(jī)與風(fēng)機(jī)拖動(dòng)電機(jī)，是工業(yè)上重要的氣體輸運(yùn)設(shè)備，其運(yùn)行時(shí)噪聲振動(dòng)特性對(duì)于設(shè)備安全性與人員舒適度的影響越來(lái)越受到關(guān)注，本文針對(duì)電動(dòng)通風(fēng)機(jī)組的減振降噪要求，在設(shè)備的設(shè)計(jì)、材料、制造、安裝調(diào)試等方面進(jìn)行了研究與改進(jìn)，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)的通風(fēng)機(jī)組試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)，尋找影響設(shè)備噪聲振動(dòng)的關(guān)鍵因素，得到了相關(guān)結(jié)論。

電動(dòng)通風(fēng)機(jī)組 低噪聲 減振降噪設(shè)計(jì)

0 引言

電動(dòng)通風(fēng)機(jī)組一般作為輔助設(shè)備，為工程系統(tǒng)提供風(fēng)量,其主要包括風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)電動(dòng)機(jī)）、連接減振器等，如要求調(diào)速，還需要驅(qū)動(dòng)變頻器。對(duì)于電動(dòng)通風(fēng)機(jī)組而言，低噪聲的含義為與人耳感受一致的A聲級(jí)通風(fēng)噪聲與低振動(dòng)烈度，前者過(guò)高會(huì)損害工作人員的身體健康，后者過(guò)高會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行。對(duì)于風(fēng)機(jī)本體的空氣噪聲問(wèn)題，現(xiàn)有文獻(xiàn)大多進(jìn)行風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的優(yōu)化[1,2]；而對(duì)于風(fēng)機(jī)本體的振動(dòng)問(wèn)題，主要集中于安裝調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)振動(dòng)過(guò)大進(jìn)行整改[3]或者對(duì)振動(dòng)值進(jìn)行在線檢測(cè)。對(duì)于船用或者其它安裝空間較小的使用環(huán)境，往往沒(méi)有足夠空間來(lái)配置額外的消聲裝置，需要電動(dòng)通風(fēng)機(jī)組本身具有較低的噪聲與振動(dòng)。

本文針對(duì)這種要求特別是振動(dòng)要求，首先對(duì)電動(dòng)通風(fēng)機(jī)組進(jìn)行系統(tǒng)全面的減振降噪總體設(shè)計(jì)，同時(shí)分析噪聲振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理與傳遞路徑，隨后制造多臺(tái)樣機(jī)，并進(jìn)行組合對(duì)比試驗(yàn)，來(lái)尋找影響振動(dòng)噪聲特性的關(guān)鍵設(shè)計(jì)與工藝制造因素，以供設(shè)計(jì)者參考。

1 減振降噪總體設(shè)計(jì)

從電動(dòng)通風(fēng)機(jī)組的安裝型式來(lái)看，風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)通過(guò)減振器彈性安裝在底座支架上，與風(fēng)機(jī)葉輪直連，風(fēng)機(jī)蝸殼、進(jìn)風(fēng)口、底座支架與冷卻系統(tǒng)框架連為一體，電動(dòng)機(jī)與冷卻系統(tǒng)框架通過(guò)法蘭連接在一起，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，一方面通過(guò)電動(dòng)機(jī)底座傳至減振器，另一方面通過(guò)連接法蘭傳至冷卻系統(tǒng)框架。

電動(dòng)通風(fēng)機(jī)組的主要振動(dòng)噪聲來(lái)源分別如下[5]：

1) 風(fēng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空氣噪聲；

2) 葉輪不平衡等產(chǎn)生的機(jī)械噪聲；

3) 電動(dòng)機(jī)、變頻器產(chǎn)生的電磁噪聲。

電動(dòng)通風(fēng)機(jī)組的減振降噪，不能只孤立考慮風(fēng)機(jī)或者電動(dòng)機(jī)，而需要從系統(tǒng)的角度進(jìn)行分析與研究。依據(jù)振動(dòng)噪聲來(lái)源與傳遞特點(diǎn)，總體設(shè)計(jì)從以下幾個(gè)方面開(kāi)展工作：

1）進(jìn)行系統(tǒng)匹配性設(shè)計(jì)，提高風(fēng)機(jī)與其配套電動(dòng)機(jī)的綜合性能；

2）進(jìn)行風(fēng)機(jī)本體低噪聲設(shè)計(jì)，從源頭上降低其產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲；

3）進(jìn)行風(fēng)機(jī)振動(dòng)噪聲的傳播方式與傳遞路徑的研究，盡量減小對(duì)外部冷卻系統(tǒng)框架的影響。

1.1 系統(tǒng)匹配性設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)為彈性安裝，其與風(fēng)機(jī)葉輪直連，形成懸臂結(jié)構(gòu)，如圖1所示。如果風(fēng)機(jī)葉輪過(guò)重，則會(huì)影響電動(dòng)機(jī)與風(fēng)機(jī)葉輪的軸線，使兩端減震器的載荷不一致，進(jìn)而削弱電動(dòng)機(jī)非驅(qū)動(dòng)端減振器的作用。因此，要將兩者作為一體進(jìn)行考慮，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承進(jìn)行加強(qiáng)，盡量減小葉輪的重量，同時(shí)對(duì)葉輪與電機(jī)轉(zhuǎn)子一起做動(dòng)平衡。

1.2 通風(fēng)機(jī)減振降噪設(shè)計(jì)

通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)首先要根據(jù)尺寸重量、風(fēng)量風(fēng)壓等技術(shù)要求，進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行減振降噪設(shè)計(jì)，前后兩個(gè)設(shè)計(jì)會(huì)互相影響，需要進(jìn)行優(yōu)化協(xié)調(diào)后最終確定設(shè)計(jì)方案。

1.2.1通風(fēng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)

引入相似理論，通風(fēng)機(jī)流量、靜壓、功率有如下關(guān)系[5]：

式中，為流量，m3/h；為葉輪直徑，為轉(zhuǎn)速，r/min；為靜壓，Pa；為功率，k W。

由公式（1）（2）看出，在保持流量、靜壓大體不變時(shí)，增加尺寸、降低轉(zhuǎn)速要比增加轉(zhuǎn)速、減小尺寸有利地多。

式中，為聲功率。

由公式（4）看出，葉輪外徑對(duì)風(fēng)扇噪聲聲功率級(jí)的影響最大，所以要減小通風(fēng)噪聲，應(yīng)優(yōu)先減小葉輪外徑。

從實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，在能控制葉輪動(dòng)平衡精度的前提下，降低葉輪的轉(zhuǎn)速，能夠降低設(shè)備的振動(dòng)強(qiáng)度。

所以，電動(dòng)通風(fēng)機(jī)組要根據(jù)技術(shù)要求的側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，綜合考慮氣動(dòng)性能、噪聲振動(dòng)來(lái)確定設(shè)備的尺寸與轉(zhuǎn)速，在降低振動(dòng)的同時(shí)，設(shè)備尺寸與電機(jī)功率可能會(huì)相應(yīng)加大。

1.2.2葉輪減振降噪設(shè)計(jì)

根據(jù)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)理論，風(fēng)機(jī)的渦流噪聲與內(nèi)部流動(dòng)情況十分相關(guān)，要降低風(fēng)機(jī)的振動(dòng)噪聲，主要涉及以下三個(gè)方面：

1）低流動(dòng)分離氣動(dòng)設(shè)計(jì)，主要包括機(jī)翼葉片、錐弧形進(jìn)風(fēng)口、蝸舌選取；

2）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與葉輪動(dòng)平衡精度；

3）葉輪與進(jìn)風(fēng)口徑向與軸向間隙。

設(shè)計(jì)中要盡量減小邊界層分離；轉(zhuǎn)子不平衡會(huì)引起振動(dòng)，葉輪與進(jìn)風(fēng)口的徑向間隙與流動(dòng)損失相關(guān)，越小越好，而軸向深入間隙卻存在一個(gè)最佳間隙，需要結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。

1.3 風(fēng)機(jī)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)變頻器設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)電機(jī)為變頻調(diào)速，風(fēng)機(jī)電機(jī)采用優(yōu)化的電磁設(shè)計(jì)與低噪聲冷卻風(fēng)扇，盡量減小電磁激振力與通風(fēng)噪聲的影響。

1.4 總體隔振設(shè)計(jì)

為有效隔斷振動(dòng)源的傳遞路徑，在風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的底腳安裝減振器，選用相匹配的減振器。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)并制造了三種葉輪，一種剛性法蘭，配相同的底腳減振器，ABC葉輪以4-72葉輪為原型，均與配套的風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)直連，葉輪直徑均為500 mm，各葉輪動(dòng)平衡精度一致。各試驗(yàn)部件配置見(jiàn)表1。

4-72型標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)機(jī)是我國(guó)低噪聲高效風(fēng)機(jī)，采用機(jī)翼型后向葉片，本身具有優(yōu)良的噪聲振動(dòng)特性，A葉輪即為4-72標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)機(jī)，B葉輪將葉輪材料換為鋁合金，葉輪與軸盤(pán)一體成型。C改進(jìn)葉輪還是鋼制葉輪，相對(duì)A葉輪有以下兩點(diǎn)變化：

1）采用流線形進(jìn)風(fēng)口，優(yōu)化內(nèi)部流動(dòng)，減小流動(dòng)損失；

2）葉輪與進(jìn)風(fēng)口徑向單邊間隙取為1.5 mm，間隙更小。

2.1 葉輪對(duì)比試驗(yàn)

2.1.1不同動(dòng)平衡精度的比較

為降低電動(dòng)通風(fēng)機(jī)組的轉(zhuǎn)頻振動(dòng)，對(duì)比兩臺(tái)不同殘余不平衡量的電動(dòng)機(jī)帶葉輪前后的振動(dòng)數(shù)據(jù)，如表2所示：

根據(jù)表2，動(dòng)平衡精度高的配合，可明顯降低電機(jī)底腳的振動(dòng)速度。

2.1.2不同設(shè)計(jì)葉輪試驗(yàn)

圖2及圖3為三種葉輪的性能對(duì)比圖。

從圖2可以看出，基于大致相同的設(shè)計(jì)，鋼制葉輪與鋁合金葉輪的氣動(dòng)性能基本相似，改進(jìn)葉輪流量稍高，說(shuō)明進(jìn)風(fēng)口改為流線形且徑向間隙改小確實(shí)減小了流動(dòng)損失，在高流量工況時(shí)表現(xiàn)更為明顯。

鋁合金葉輪由模具鑄造而成，初始動(dòng)平衡精度更好，重量較鋼制葉輪更輕，理論上其振動(dòng)噪聲水平應(yīng)該更優(yōu)，從A聲級(jí)噪聲來(lái)看，圖3表明，三種葉輪噪聲均隨流量增大而增大，鋁合金葉輪總體噪聲值最小，改進(jìn)葉輪雖然優(yōu)化了流動(dòng)，噪聲略小于鋼制葉輪，但仍高過(guò)鋁合金葉輪，說(shuō)明鋁合金葉輪對(duì)于降低噪聲是有效的，但降低幅度有限，這是因?yàn)楦髟囼?yàn)葉輪的噪聲水平本身已經(jīng)處于很低的水平，很難有明顯的效果。

2.1.3軸向深入間隙的影響

對(duì)改進(jìn)葉輪與進(jìn)風(fēng)口的軸向伸入不同長(zhǎng)度4mm與5 mm進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比，兩者振動(dòng)與噪聲差別不大，空氣性能結(jié)果如下圖4，圖中數(shù)據(jù)表明，隨著軸向長(zhǎng)度不同，性能會(huì)帶來(lái)一定的差異，因此，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)來(lái)最終確定這一尺寸。

2.2 隔振試驗(yàn)

2.2.1減振器上下振動(dòng)值對(duì)比

電動(dòng)通風(fēng)機(jī)組上減振器為是風(fēng)機(jī)電機(jī)底腳上減振器，減振器將風(fēng)機(jī)電機(jī)、風(fēng)機(jī)葉輪兩大振源與剛性框架隔離開(kāi)來(lái)，衰減通過(guò)其的振動(dòng)。在減振器上下或前后布置傳感器，監(jiān)測(cè)振動(dòng)經(jīng)過(guò)減振器前后的變化。

根據(jù)圖5，經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)電機(jī)底腳減振器后，減振器上下振動(dòng)加速度有大幅度衰減，主要衰減頻段為1 kHz以上頻段。因此，底腳減振器對(duì)振動(dòng)的衰減尤其是高頻振動(dòng)作用明顯，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期的阻隔振動(dòng)傳遞路徑的目的。

3 結(jié)論：

對(duì)電動(dòng)通風(fēng)機(jī)組進(jìn)行設(shè)計(jì)與對(duì)比試驗(yàn)后，可以得到以下結(jié)論：1）動(dòng)平衡精度能有效降低振動(dòng)強(qiáng)度，且影響較大；2）同等設(shè)計(jì)下，流線型進(jìn)風(fēng)口與徑向間隙對(duì)減振降噪有一定的改善作用；3）鋁合金制葉輪有利于降低噪聲；4 ）對(duì)于內(nèi)部流動(dòng)分離渦流噪聲很小的風(fēng)機(jī)，其它降噪措施較難再獲得明顯效果；5）減振器能夠大幅降低通過(guò)其的高頻振動(dòng)。

[1] 李游，歐陽(yáng)華，田杰等. 風(fēng)機(jī)軸向交錯(cuò)葉輪的噪聲研究 [J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2011，31（12）.

[2] 田春，張強(qiáng)等. 橫流風(fēng)機(jī)流場(chǎng)與聲場(chǎng)綜合研究用裝置的研制[J]. 噪聲與振動(dòng)控制，2002，22（1）.

[3] 肖漢才，王運(yùn)民，林任魁等. 石門(mén)電廠300MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)振動(dòng)綜合治理[J]. 熱力發(fā)電，2010，32（8）：75-77.

Experimentation and Design of Low Noise Electric Ventilator Unit

Xiong Yong，He Haibo, Zhou Yong

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM343

A

1003-4862（2014）09-0004-03

2014-07-15

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAG03B01）

熊用(1984-),男，工程師。研究方向：電機(jī)工程。