施康/武漢地鐵集團有限公司

吳天超 黃亨/湖北省風機廠有限公司

防喘振環(huán)對地鐵風機性能和噪聲影響的研究

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0 引言

地鐵風機是使用在地鐵通風系統(tǒng)中的一種低壓高流量的軸流風機。隨著目前地鐵線路的蓬勃發(fā)展，地鐵風機的應用市場日益廣闊。作為地鐵通風系統(tǒng)的主要動力，其作用也越來越受到重視。

文獻[1]曾指出地鐵風機作為軸流風機的一種，其可靠性主要體現(xiàn)在風機的喘振上。而且地鐵隧道中活塞風的影響同樣會帶來風機的喘振加劇，噪聲急劇增加，影響正常使用。文獻雖然提出了軸流風機的防喘振措施，但并未對具體措施作出分析。本文是在其基礎上，通過SolidWorks軟件模擬分析加設防喘振環(huán)對風機性能和噪聲的影響，并通過了實驗驗證。

1 風機喘振現(xiàn)象及產(chǎn)生的原因

圖1為軸流風機產(chǎn)生喘振的說明圖。當軸流風機開始運行時，向管網(wǎng)輸送的流量大，壓力低，而且氣流不能立即充滿管網(wǎng)，此時通過管網(wǎng)的流量小于通風機的流量，如同風機在D點運行，管網(wǎng)為了維持與風機相同的壓力而在G點運行。風機繼續(xù)運行時，其壓力上升流量減小，沿著風機性能曲線達到最高點C。管網(wǎng)隨著風機出口壓力增加，流量逐漸增加，但風機在C點工作時，管網(wǎng)性能曲線與風機性能曲線仍然沒有交點，管網(wǎng)的流量依舊小于風機的流量。這種狀態(tài)會持續(xù)運行一段時間，管網(wǎng)由于排出流量小于接收的流量，其壓力會略大于通風機的排氣壓力，即此時的C點壓力。在這種情況下，風機不僅不能向管網(wǎng)輸送氣體，而且由于管網(wǎng)中壓力高，部分氣體將從管網(wǎng)倒流到風機里，因此風機的流量為負值，相當于風機在A點運行。管網(wǎng)中氣流由于同時向兩個方向流出，壓力下降很快，風機中的氣體壓力也隨之下降到B點。如管網(wǎng)中的壓力繼續(xù)下降并略低于風機的壓力時，風機再次向管網(wǎng)送風，隨即跳到D點運行。

圖1 風機喘振說明圖

當風機在上述狀態(tài)下繼續(xù)運行，按照D-C-A-B周而復始地進行，整個系統(tǒng)的運行無法在理論工況點F上，風機的壓力時高時低，流量時正時負，相應地，管網(wǎng)中的氣體壓力、流量也有很大的波動，這就是喘振產(chǎn)生的過程。

結(jié)合地鐵隧道的實際情況分析，由于隧道中活塞風通常會引起隧道風機葉片進口氣流攻角的增大，喘振現(xiàn)象就是由于葉片進口氣流的攻角太大，由于附面層分離效應的問題，使得氣流在剛進入葉柵時氣流就發(fā)生脫離，葉柵前后緣壓差阻力急劇增加，導致風機效率嚴重下降，產(chǎn)生“憋氣”甚至無法向管網(wǎng)中輸氣現(xiàn)象。風機喘振時，風機產(chǎn)生劇烈的流量、壓力脈動，噪聲和振動值急劇增大，運行極不穩(wěn)定。同時，氣流的脈動導致葉片所受彎曲應力頻繁變化（產(chǎn)生交變應力），使葉片容易產(chǎn)生疲勞破壞。

2 防喘振環(huán)的設置與結(jié)構(gòu)

以大型隧道排熱風機為例，該風機為可逆式軸流風機，分別在動葉片的兩側(cè)設置一組防喘振環(huán)。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 隧道排熱風機防喘振環(huán)

該防喘振環(huán)是一環(huán)形帶有若干小導流片與整流環(huán)的裝置，由于風機進入了喘振區(qū)運行后會發(fā)生局部渦流（二次回流）現(xiàn)象，渦流（二次回流）會將旋轉(zhuǎn)的失速單元變成圍繞風機外殼周邊的不同長度的粘性環(huán)旋渦，高效防喘振環(huán)利用其環(huán)內(nèi)的小導流片將這些旋渦氣流均勻地攪碎、分解，將旋渦氣流對葉片產(chǎn)生的前后交變壓差應力降低到最小，作用在葉片上的不平衡力也將大大減小。同時整流環(huán)隔止了這些攪碎后的氣流旋渦急速以很大的進氣角進入葉片前緣端，利用一定長度的整流效應理順了氣流，使之以近似于正常氣流組織的狀態(tài)進入動葉片的壓力面，消除喘振回流現(xiàn)象對葉片產(chǎn)生的危害與氣流紊亂現(xiàn)象，這樣就會使風機特性曲線在失速區(qū)的大部分范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，風機運行曲線變使之成為一條理想的可運行曲線，極大的拓寬了風機的實際可運行范圍。

目前正在應用的防喘振環(huán)有兩種結(jié)構(gòu)形式，其主要區(qū)別在于防喘振葉片結(jié)構(gòu)不同，一種葉片為水平方向彎曲（如圖3所示），另一種葉片為垂直方向彎曲（如圖4所示）。這兩種防喘振環(huán)在實際使用中效果有何區(qū)別，這正是下面所要探討的內(nèi)容。

圖3 防喘振葉片1

圖4 防喘振葉片2

3 防喘振環(huán)對風機性能的影響分析

本文通過solidworks軟件對此問題進行模擬分析，F(xiàn)low simulation是一款在SolidWorks中完全集成的軟件，能夠利用CFD技術(shù)計算SolidWorks模型內(nèi)外的流體。Flow Simulation的突出特點在于直觀清晰且便捷易用的界面，其中包括用于指定計算數(shù)據(jù)的預處理器（利用包含物質(zhì)屬性的工程數(shù)據(jù)庫）、用于監(jiān)視和控制計算的協(xié)同處理器以及用于查看結(jié)果的后處理器。

本文的分析優(yōu)化方式：使用SolidWorks來建立安裝了不同防喘振環(huán)后的風機數(shù)字模型，經(jīng)過Flow simulation功能模塊對各個模型進行性能模擬分析，通過對比各個模擬結(jié)果中風機氣流在進入葉輪前與進入葉輪后流動狀態(tài)來判斷防喘振環(huán)作用效果的優(yōu)劣，然后對防喘振環(huán)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行調(diào)整優(yōu)化，確定最終的防喘振環(huán)優(yōu)化設計參數(shù)，再對優(yōu)化后的模型進行模擬分析，分析結(jié)果與之前的進行對比來驗證。

隧道中使用的大型隧道排熱風機以20#為主，以DTF（R）-2 000風機為研究對象，該風機的參數(shù)見表1：

表1 DTF（R）-2 000風機參數(shù)表

首先用SolidWorks建好該風機的模型，為了方便后續(xù)計算本模型中盡量簡化了風機上一些無關(guān)的特征，檢查模型無誤后調(diào)用flow simulation模塊進行相關(guān)設置，開始流體仿真。

圖5 風機模型1

圖6 風機模型2

3.1 設置邊界條件

要得到正確的模擬結(jié)果，邊界條件必須合理。在隧道中，風機進口連通風井，風機進口壓力大小為環(huán)境壓力。進口風量設置為50m3/s(正常運轉(zhuǎn)時風量為60m3/s)，此處將進口流量值設置小于正常情況以便于研究防喘振環(huán)的作用效果。葉輪前后壓差為900Pa。

計算區(qū)域應包含整個風機，分析類型屬于內(nèi)部流體分析，并排除不具備流動條件的腔。采用局部旋轉(zhuǎn)模式，將葉輪包含在旋轉(zhuǎn)區(qū)域中，轉(zhuǎn)速為960r/min。風機機殼以及其他零部件設為真實壁面。

3.2 湍流模型方程

將空氣視為不可壓縮流體，不考慮熱交換。選取標準k-ε湍流模型，湍流動能k與耗散率ε方程為如下形式：

式中：Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生，Gb是用于浮力影響引起的湍動能產(chǎn)生；YM可壓速湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響。湍流粘性系數(shù)

其中默認值常數(shù)C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ= 0.09，湍動能k與耗散率ε的湍流普朗特數(shù)分別為σk=1.0，σε=1.3。

3.3 網(wǎng)格劃分

由于模型整體尺寸相對于局部細小特征尺寸過大，若整體網(wǎng)格尺寸太小，會導致網(wǎng)格數(shù)量過多超出計算機的計算能力，若網(wǎng)格尺寸太大，系統(tǒng)將會忽略防喘振環(huán)上的細小流道。對此需要先建立一個環(huán)形零件，該零件必須將防喘振環(huán)包含在內(nèi)，此零件僅作為網(wǎng)格劃分，不參與分析計算，需要在“零部件控制”中禁用此零件，使用“局部初始網(wǎng)格”工具，取消自動設置，手動對該區(qū)域進行網(wǎng)格細化，如圖7所示。

圖7 防喘振環(huán)網(wǎng)格細化

防喘振環(huán)所在區(qū)域，存在細小特征需要一些參數(shù)以便計算機識別。將“固體/流體接觸面”選項卡中所有級別設為2級，曲度細化標準為0.1rad，公差細化標準為1mm。選項卡“細化網(wǎng)格”中“細化流體網(wǎng)格”設為2級，并啟用“狹長通道”設置等級2，通道中網(wǎng)格數(shù)目為3（這樣設置既能夠計算通道中流體基本趨勢又能保證運算速度）。防喘振環(huán)中最小開口尺寸為40mm，通道中最大尺寸186mm，參數(shù)設置如圖8所示。

圖8 狹長通道設置

其它部分沒有復雜及細小特征，除了旋轉(zhuǎn)區(qū)域需要對固體網(wǎng)格進行細化外，可以使用自動設置劃分網(wǎng)格。

3.4 計算分析

所有設置完成后開始運算分析，此次模擬分析中流體網(wǎng)格數(shù)量27萬，固體網(wǎng)格數(shù)量20萬，正好處于本計算機的承受能力之內(nèi)。分析采用進出口的質(zhì)量流量作為收斂條件，設置完成后即可開始計算分析，如圖9所示。當進出口質(zhì)量流量相等并達到適當值時計算機求解完成。

圖9 分析過程

4 模擬結(jié)果及分析優(yōu)化

4.1 靜壓場比較

圖10、11分別為安裝兩種防喘振環(huán)的靜壓場圖，對比兩者的模擬結(jié)果：

（1）在氣流進入葉輪之前，圖10中的負壓明顯要高于圖11，并且圖10中的負壓區(qū)域也比圖11中的要寬；

（2）在氣流離開葉輪之后，圖10中的氣流壓力遠遠高于圖11，并且圖11中局部還存在負壓。

由上述比較可以看出，安裝防喘振環(huán)2的風機葉輪做功明顯比安裝防喘振環(huán)1的要低，并且安裝防喘振環(huán)2的風機防喘振作用不明顯。

圖10 安裝防喘振環(huán)1的靜壓場圖

圖11 安裝防喘振環(huán)2的靜壓場圖

4.2 速度場比較

圖12、13分別為安裝兩種防喘振環(huán)的速度場圖，速度范圍為-30m/s～30m/s，坐標系中x軸向右為正，因此正向氣流方向應為負值，對比兩者的模擬結(jié)果：

1）在氣流進入葉輪之前，圖12中的速度普遍略低于圖13，但圖13中存在嚴重的反向氣流；

2）在氣流離開葉輪之后，圖12中的氣流速度大并且均勻，而圖13中氣流速度小，且分布不均。

圖12 安裝防喘振環(huán)1的速度場圖

圖13 安裝防喘振環(huán)2的速度場圖

由上述比較可以看出，防喘振環(huán)2對于氣流的緩沖與導流作用遠不如防喘振環(huán)1，采用防喘振環(huán)1的結(jié)構(gòu)形式防喘振效果優(yōu)于防喘振環(huán)2。

4.3 優(yōu)化設計

通過前文的對比分析，可以清晰地說明防喘振葉片的結(jié)構(gòu)型式是影響防喘振環(huán)整體效果的主要因素，并且防喘振環(huán)1明顯優(yōu)于防喘振環(huán)2。

為確定最優(yōu)化的防喘振環(huán)設計方案，需要單獨改變防喘振環(huán)的其他各項參數(shù)進行測試。限于篇幅，本文對此過程不作贅述。測試結(jié)果表明，防喘振葉片的安裝角度以及數(shù)量影響較大；其次，導流圈的結(jié)構(gòu)也有一定的影響。錐形的導流圈更符合此處的氣體流動狀況。綜合各方面影響因素，最終確定優(yōu)化的防喘振環(huán)3的設計優(yōu)化參數(shù)見表1，其結(jié)構(gòu)見圖14。

表1 防喘振環(huán)優(yōu)化參數(shù)

圖14 防喘振環(huán)3

圖15 安裝防喘振環(huán)3的靜壓場圖

圖16 安裝防喘振環(huán)3的速度場圖

通過圖15與圖10比較可以看出優(yōu)化后，葉輪前的負壓區(qū)擴大了，且氣流更加順暢。通過圖16與圖12比較可以看出，優(yōu)化后葉輪前的氣流更加均勻平穩(wěn)。由此可知優(yōu)化后的防喘振環(huán)起到的效果更佳。

5 防喘振環(huán)對風機噪聲影響

從產(chǎn)生噪聲的機理及特性上看，風機噪聲主要由四部分組成：進氣口和排氣口的空氣動力噪聲；機殼、管路、電動機軸承等輻射的機械性噪聲；電動機的電磁噪聲；風機振動通過基礎輻射的固體聲。在這四部分中，一般以進、排氣口的空氣動力性噪聲為最強。根據(jù)對風機噪聲的實測分析表明，作為主要噪聲源，風機的空氣動力噪聲比其他部分的噪聲高出10～20dB(A)。而風機的空氣動力噪聲是由于旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲兩種性質(zhì)不同的噪聲疊加產(chǎn)生的結(jié)果。所以，風機的空氣動力噪聲的頻譜背景往往是一寬頻連續(xù)譜，有時在其上有一個或幾個突出不連續(xù)的峰值。

5.1 實驗裝置與方法

從風機設計角度來降低風機的噪聲，為避免降低風機噪聲卻犧牲了風機氣動性能的情況發(fā)生，所以在做風機噪聲試驗時，也要在保證氣動性能的基礎上降噪。因此，所做試驗是空氣動力試驗和聲學試驗交叉的綜合試驗。

根據(jù)GB/T1236-2000通風機空氣動力性能試驗方法，通風機出氣試驗裝置由測試管路、流量調(diào)節(jié)裝置、整流裝置連接組成，如圖17所示。

圖17 空氣動力性能試驗裝置示意圖

根據(jù)國家標準GB/T 2888-2008風機和羅茨鼓風機噪聲測量方法,應測量試驗風機進口輻射噪聲。測量點的位置位于風機葉輪中心線同一高度，與風機進口相距1m的位置。噪聲測量裝置示意圖如圖18。

圖18 風機噪聲試驗裝置示意圖

5.2 試驗內(nèi)容

為研究防喘振環(huán)對地鐵風機性能和噪聲影響，并驗證之前所做數(shù)值模擬分析結(jié)果，分別對風機加裝兩種防喘振環(huán)以及不安裝防喘振環(huán)的原型風機進行運行測試，并對測試結(jié)果進行對比分析。

6 實驗結(jié)果與分析

6.1 空氣動力性能試驗

安裝防喘振環(huán)的風機與原型風機的氣動性能曲線如圖19所示。安裝防喘振后風機最大流量比改型前提高了接近11.5％，而且工作區(qū)域也擴大了。在流量一定的情況下，在工作區(qū)域中相應的全壓和靜壓都比原型風機高出許多。同時安裝防喘振環(huán)3的性能優(yōu)于安裝了防喘振環(huán)1的風機，這也同樣驗證了上面的模擬分析結(jié)果。

圖19 空氣性能試驗對比曲線圖

6.2 噪聲特性試驗

原型地鐵風機及加裝防喘振環(huán)后的風機在不同流量下運行，利用圖18所示的試驗裝置測量風機噪聲并記錄數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)制成風機噪聲頻率特性比較圖和風機噪聲特性比較圖，如圖20、圖21所示。

由圖20可知，與原型風機相比，帶防喘振環(huán)的風機在整個倍頻帶的聲壓級均有降低，降低幅度最大的頻段在125Hz和250Hz處，降幅達到近10dB(A)，即使在1kHz處，仍有6dB(A)以上的降噪效果。由此可見，防喘振環(huán)對降低地鐵風機噪聲特別是中低頻噪聲是非常有效的。

圖20 噪聲頻率特性對比曲線圖

由圖21可知，在風機整個運行風量范圍內(nèi)，安裝防喘振后風機的總A聲級都比原型風機低10～20dB(A)。特別是當風機風量進一步降低進入喘振區(qū)（小于185 000m3/h）后，帶防喘振環(huán)3的降噪效果更加明顯。

圖21 噪聲特性對比曲線圖

一般來講，在旋轉(zhuǎn)機械中，低頻噪聲的控制是比較難以做到的，而本次試驗的結(jié)果表明，在地鐵風機進口端設置防喘振環(huán)能夠顯著降低風機的中低頻噪聲，同時帶來風機總聲級的大幅下降。鑒于本試驗的特點，相信對于一般的旋轉(zhuǎn)機械的降噪問題，本方法也將提供一種有效的解決思路。

7 結(jié)論

通過本次研究，可以確定防喘振環(huán)不但能夠改善地鐵風機性能，還能夠大幅度提升風機的降噪性能，特別是針對很難處理的中低頻噪聲更是具有顯著效果。并且防喘振環(huán)的不同結(jié)構(gòu)也會不同程度的影響地鐵風機的性能和噪聲。

這次研究成果不僅為地鐵通風系統(tǒng)設計工作提供了一種可靠的消聲設計方法，也為地鐵風機性能的優(yōu)化提升起到了輔助作用。其實際應用價值不僅限于地鐵風機領(lǐng)域，對于常規(guī)旋轉(zhuǎn)機械的防喘振及降噪問題，這一思路都具有參考意義。

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針對地鐵軸流風機出現(xiàn)的喘振現(xiàn)象提出了在動葉片兩側(cè)設置防喘振環(huán)的方案。利用Solidwork對安裝了不同的防喘振環(huán)的風機進行了模擬分析。得出了模擬和優(yōu)化結(jié)果，最后又對風機噪聲進行了測試，以說明防喘振環(huán)對風機降噪的影響。

地鐵風機；防喘振環(huán)；模擬分析；噪聲實驗

ResearchontheInfluenceof Anti-surge Ring to the Performance and Noise of the Metro Fan

Shi Kang/Wuhan Metro Group co.,Ltd
Wu Tianchao，Huang Heng/Hubei Provincial Blower Works Co.,Ltd

metro fan；anti-surge ring；simulation；acoustical experiments

TH432.1；TK05

B

1006-8155（2015）06-0032-07

10.16492/j.fjjs.2015.06.0182

2015-10-27湖北武漢430030

Abstract:Aiming to surge in metro axial fan，a solution of setting up a pair of anti-surge ring in the side of blade was preseted.Simulate and analyze the fan with different anti-surge ring using solidwork and got the simulation and optimizing designresult.Intheend,thenoise experiment result of fan was proved the effectofanti-surgeoffanonnoise reduction.