馬振來，李國平，陳長盛，王 強(qiáng)

(上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031)

不同工況下離心風(fēng)機(jī)振動(dòng)變化規(guī)律試驗(yàn)研究

馬振來，李國平，陳長盛，王 強(qiáng)

(上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031)

針對船用離心風(fēng)機(jī)存在多工況運(yùn)行特點(diǎn)，為研究工況變化對船用離心風(fēng)機(jī)振動(dòng)的影響，以某型離心風(fēng)機(jī)為研究對象，搭建滿足其工況變化及振動(dòng)測試要求的試驗(yàn)臺架。首先對離心風(fēng)機(jī)主要激勵(lì)特性的產(chǎn)生機(jī)理及對應(yīng)的特征頻率進(jìn)行分析，然后從試驗(yàn)角度分析工況變化對離心風(fēng)機(jī)振動(dòng)影響的規(guī)律。從分析結(jié)果可以看出，風(fēng)機(jī)振動(dòng)實(shí)測值總體變化趨勢與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值趨勢基本一致，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)速-振動(dòng)、流量-振動(dòng)關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式；流量變化對離心風(fēng)機(jī)振動(dòng)、噪聲影響比較明顯，對葉頻的影響最為突出；離心風(fēng)機(jī)存在一個(gè)振動(dòng)最佳運(yùn)行工況，在此工況下風(fēng)機(jī)振動(dòng)、噪聲均為最佳狀態(tài)。在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)考慮將設(shè)計(jì)工況選擇在此振動(dòng)最佳工況附近，對船用風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

振動(dòng)與波；離心風(fēng)機(jī)；激勵(lì)特性；轉(zhuǎn)速；流量

船用離心風(fēng)機(jī)是一種將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為被輸送氣體壓力能和動(dòng)能的流體機(jī)械。降低其振動(dòng)、噪聲不僅有利于減小船體結(jié)構(gòu)傳遞振動(dòng)，降低船體水下輻射噪聲，更重要的是改善了船員的工作環(huán)境和生活環(huán)境。而船用離心風(fēng)機(jī)存在多工況運(yùn)行特點(diǎn)，在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)及選型時(shí)就要明確其在偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)振動(dòng)、噪聲的變化情況，因此研究風(fēng)機(jī)工況變化對振動(dòng)影響的規(guī)律顯得尤為重要。

風(fēng)機(jī)給定轉(zhuǎn)速下的流量、全壓和效率所確定的工況，是風(fēng)機(jī)的重要特性。但是船用離心風(fēng)機(jī)實(shí)際使用過程中，流量可能需要發(fā)生變化，當(dāng)工況變化時(shí)，會導(dǎo)致氣流在蝸殼流道及其寬度方向的均勻性發(fā)生變化。如果風(fēng)機(jī)在非工作工況下運(yùn)行，由于旋轉(zhuǎn)葉輪出口的非均勻氣流和蝸殼之間存在強(qiáng)烈的非定常干涉，將導(dǎo)致蝸殼壁面、特別是蝸舌區(qū)域成為離心風(fēng)機(jī)的主要噪聲源區(qū)[1–3]，而作用在其上的非定常力是產(chǎn)生離心風(fēng)機(jī)離散噪聲的主要原因[2]，因此內(nèi)部壓力脈動(dòng)會發(fā)生強(qiáng)烈的振蕩，流體激勵(lì)蝸殼等部件在葉片頻率及其諧波處出現(xiàn)振動(dòng)、噪聲，使得風(fēng)機(jī)振動(dòng)變大。

風(fēng)機(jī)工況變化對其性能及振動(dòng)影響方面，有學(xué)者已經(jīng)開展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[4]通過CFD仿真方法研究離心風(fēng)機(jī)不同工況下內(nèi)部流場的三維數(shù)值變化，發(fā)現(xiàn)了葉輪入口正預(yù)旋受到蝸殼結(jié)構(gòu)影響和不均勻性，小流量情況下空氣流動(dòng)受蝸舌影響顯著。文獻(xiàn)[5]以對旋風(fēng)機(jī)為模型，使用Fluent軟件對模型風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，探討偏離設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)對旋風(fēng)機(jī)性能及其內(nèi)流規(guī)律的變化。文獻(xiàn)[6]從試驗(yàn)和數(shù)值仿真兩個(gè)方面對對旋軸流風(fēng)機(jī)在非工作工況下的風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場及氣動(dòng)噪聲特性變化進(jìn)行研究，得出風(fēng)機(jī)在小流量工況下會發(fā)生寬頻范圍的振動(dòng)，即由不穩(wěn)定氣動(dòng)引起的多種成分的諧振，最后出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速、氣流激振現(xiàn)象，氣動(dòng)噪聲呈現(xiàn)以渦流噪聲為主的寬頻特性。

本文以某型離心風(fēng)機(jī)為研究對象，針對船用離心風(fēng)機(jī)多工況運(yùn)行特性，搭建滿足其工況變化及振動(dòng)測試要求的試驗(yàn)臺架，首先對離心風(fēng)機(jī)的主要激勵(lì)特性產(chǎn)生的機(jī)理及對應(yīng)的特征頻率進(jìn)行分析，然后從試驗(yàn)角度出發(fā)，通過調(diào)整離心風(fēng)機(jī)流量、壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，測試各個(gè)性能參數(shù)下的風(fēng)機(jī)振動(dòng)及噪聲，研究離心風(fēng)機(jī)工況變化對振動(dòng)影響規(guī)律。

1 離心風(fēng)機(jī)主要激勵(lì)頻率分析

本文試驗(yàn)搭建的離心風(fēng)機(jī)振動(dòng)解耦試驗(yàn)臺架如圖1所示。

圖1 離心風(fēng)機(jī)試驗(yàn)臺架

主要由進(jìn)氣管、離心風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)支座、假電機(jī)、扭矩儀、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成，其中蝸殼由支座單獨(dú)支撐，使葉輪-軸-電機(jī)模塊與蝸殼物理分析，假電機(jī)不通電分離電機(jī)電磁激勵(lì)，僅作為軸承支撐，由此將不同測點(diǎn)振動(dòng)特征頻率有效分離。通過本試驗(yàn)臺可完成離心風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力性能試驗(yàn)，測試風(fēng)機(jī)流量從小到大包括額定工況點(diǎn)在內(nèi)的多個(gè)工況點(diǎn)的功率、效率、流量、全壓等數(shù)據(jù)，同時(shí)可完成離心風(fēng)機(jī)的機(jī)腳振動(dòng)、空氣噪聲等測試。圖2為測得離心風(fēng)機(jī)相關(guān)位置的振動(dòng)加速度頻譜。

圖2 離心風(fēng)機(jī)振動(dòng)加速度頻譜

圖2中測點(diǎn)1為電機(jī)機(jī)腳、測點(diǎn)2為假電機(jī)機(jī)腳，測點(diǎn)3為蝸殼蝸舌處，離心風(fēng)機(jī)在一定工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其產(chǎn)生的主要激勵(lì)頻率有軸頻：①及其諧頻率②葉輪旋轉(zhuǎn)頻率③及其諧頻率④渦流頻率⑤電機(jī)電磁頻率等，驅(qū)動(dòng)電機(jī)引起的高頻段電磁頻率不在本文討論范圍之內(nèi)?？梢钥闯鲇捎谠囼?yàn)裝置振動(dòng)解耦，蝸殼蝸舌處的頻譜存在明顯的寬頻渦流激勵(lì)。

軸頻及其諧頻率主要由風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡及不對中引起，式(1)為計(jì)算公式

式中n為轉(zhuǎn)速，單位為r/min；i——1，2，3……諧波序號。

葉輪旋轉(zhuǎn)頻率及其諧頻率是由于旋轉(zhuǎn)的葉片周期性打擊空氣質(zhì)點(diǎn)，引起空氣壓力脈動(dòng)而產(chǎn)生的，式(2)為計(jì)算公式[7]

式中n為轉(zhuǎn)速，單位r/min；z為風(fēng)機(jī)葉輪葉片數(shù)；i——1，2，3……諧波序號。

渦流頻率是由于氣流流經(jīng)風(fēng)機(jī)葉片時(shí)，產(chǎn)生紊流附面及旋渦與旋渦分裂脫體，而引起葉片上壓力的脈動(dòng)所造成的，式(3)為計(jì)算公式[8]。由于渦流頻率與相對速度有關(guān)，而相對速度是從葉片圓心到最大圓周連續(xù)變化，所以渦流頻率是一種寬頻帶的連續(xù)譜。

式中Sr為斯特勞哈爾系數(shù)，取值區(qū)間為0.14～0.2，一般取0.185；w為氣流與葉片的相對速度，m/s；L為葉片正表面的寬度在垂直于速度平面的投影，m；i——1，2，3……諧波序號。

2 轉(zhuǎn)速變化對離心風(fēng)機(jī)振動(dòng)影響

對于離心風(fēng)機(jī)在某些工況下出現(xiàn)的振動(dòng)過大的現(xiàn)象，比如升速加載過程等，均是由于風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其旋轉(zhuǎn)部件引起的振動(dòng)噪聲所表現(xiàn)出的特征和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，因此通過對離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，分析不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)機(jī)的振動(dòng)，確定轉(zhuǎn)速變化對離心風(fēng)機(jī)振動(dòng)的影響。

根據(jù)俄羅斯克雷諾夫研究院提供的經(jīng)驗(yàn)公式，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與加速度有如下關(guān)系

式中ΔLn為n與n0在蝸殼處振動(dòng)加速度的差值，n0為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速；n為工作轉(zhuǎn)速；γ為修正系數(shù)。上式中的γ系數(shù)對于不同的頻率范圍是變化的。在由機(jī)械和流體動(dòng)力不穩(wěn)定所引起振動(dòng)的f=10 Hz～315 Hz范圍內(nèi)，γ=4。在由流體動(dòng)力源引起振動(dòng)的f=315 Hz～8 000 Hz范圍內(nèi)，γ=6。

試驗(yàn)測點(diǎn)圖如圖3所示，分別選取低頻段(10 Hz～315 Hz)、中高頻段(315 Hz～8 000 Hz)的試驗(yàn)值和公式計(jì)算值進(jìn)行比較，驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式的有效性，若有差別，尋找適合國內(nèi)制造工藝水平的估算系數(shù)。

圖3 風(fēng)機(jī)1/2蝸殼寬度處振動(dòng)加速度測點(diǎn)圖

從圖4、圖5中可看出，風(fēng)機(jī)振動(dòng)實(shí)測值總體變化趨勢與理論計(jì)算值趨勢基本一致，誤差小于1.3 dB，只有低頻段在900 r/nin～1 900 r/nin時(shí)實(shí)測值與理論計(jì)算值有一定差別，這是由于在此轉(zhuǎn)速區(qū)間風(fēng)機(jī)系統(tǒng)存在較低的固有頻率造成一定共振引起的，承載系統(tǒng)耦合頻率仿真計(jì)算結(jié)果如表1所示，在19.8 Hz附近會因共振而導(dǎo)致振動(dòng)增大，與圖4的曲線規(guī)律相符。

表1 承載系統(tǒng)耦合頻率計(jì)算 Hz

3 性能變化對離心風(fēng)機(jī)振動(dòng)影響

船用離心風(fēng)機(jī)性能都是按額定值設(shè)計(jì)的，涉及額定流量、全壓和功率，這些數(shù)值與效率相對應(yīng)。本文通過節(jié)流器來調(diào)整流量、全壓、效率、功率等性能參數(shù)，然后測試風(fēng)機(jī)的振動(dòng)、空氣噪聲等數(shù)據(jù)，研究性能變化對離心風(fēng)機(jī)振動(dòng)的影響規(guī)律。

離心風(fēng)機(jī)性能對振動(dòng)影響研究分為兩個(gè)層次：

圖4 低頻段振動(dòng)加速度實(shí)測值與計(jì)算值對比圖

圖5 中高頻段振動(dòng)加速度實(shí)測值與計(jì)算值對比圖

(1)離心風(fēng)機(jī)性能對其振動(dòng)、空氣噪聲的總值影響研究；

(2)離心風(fēng)機(jī)性能對其振動(dòng)、空氣噪聲的葉頻影響研究。

測試按照GJB4058-2000《艦船設(shè)備噪聲、振動(dòng)測量方法》進(jìn)行，計(jì)算不同振動(dòng)、噪聲測點(diǎn)的加速度（10 Hz～8 kHz）、A聲壓級（10 Hz～20 kHz）的RMS總值并按相應(yīng)公式計(jì)算平均值。圖6和圖7所示為離心風(fēng)機(jī)全性能參數(shù)變化及離心風(fēng)機(jī)振動(dòng)和空氣噪聲總值隨流量變化曲線，橫坐標(biāo)將流量做歸一化處理，為實(shí)際流量與額定流量之比。

從圖6和圖7可以看出：

(1)全壓隨著流量的增加而減小，功率隨著流量的增加而增加；

(2)效率在0.75Q0～1.15Q0之間變化不大，在小于0.75Q0和大于1.15Q0后逐漸減??；

(3)在Q0附近，風(fēng)機(jī)性能和振動(dòng)、噪聲均為最佳狀態(tài)；

圖6 離心風(fēng)機(jī)全性能參數(shù)變化曲線

圖7 離心風(fēng)機(jī)振動(dòng)噪聲總值隨性能變化曲線

(4)在Q0以上隨著流量增大，振動(dòng)和噪聲增大幅度相近，每增加0.1振動(dòng)增加1 dB左右，噪聲增加1.5 dB左右；

(5)在Q0以下隨著流量減小，振動(dòng)增大的幅度很大，噪聲增大幅度很??；

圖8所示為離心風(fēng)機(jī)葉頻處振動(dòng)和空氣噪聲值隨流量變化曲線。

圖8 離心風(fēng)機(jī)葉頻處振動(dòng)噪聲值隨性能變化曲線

從圖8中可以看出：

(1)在Q0以上隨著流量增大，葉頻處振動(dòng)和噪聲增大幅度相近；

(2)在Q0以下隨著流量減小，振動(dòng)增大的幅度很大，噪聲增大幅度很??；

(3)流量對葉頻影響大于對總值影響幅度，這是因?yàn)樵谄x設(shè)計(jì)工況情況下運(yùn)行時(shí)離心風(fēng)機(jī)內(nèi)的氣流流動(dòng)要比設(shè)計(jì)工況下大為惡化，在特征頻率葉頻處表現(xiàn)得最為突出。

由圖6－圖8可以看出，離心風(fēng)機(jī)存在一個(gè)最佳運(yùn)行工況，在Q0流量附近，在此工況下風(fēng)機(jī)振動(dòng)、噪聲均為最佳狀態(tài)，效率、全壓和功率也處于綜合的最優(yōu)狀態(tài)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，離心風(fēng)機(jī)流量與加速度變化有如下關(guān)系

式中ΔLQ為在蝸殼處實(shí)際運(yùn)行與Q0下運(yùn)行時(shí)振動(dòng)加速度的差值，Q0為風(fēng)機(jī)額定工況流量；ΔQ為風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行流量與額定工況流量差；當(dāng)風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行流量比額定工況Q0小時(shí)，δ=0.8～1.5；當(dāng)風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行流量比額定工況Q0大時(shí)，δ=2.2～3。

選取風(fēng)機(jī)全頻段的的振動(dòng)加速度試驗(yàn)總值和公式計(jì)算值進(jìn)行比較驗(yàn)證，如圖9所示。從圖中可看出，風(fēng)機(jī)振動(dòng)實(shí)測值總體變化趨勢與理論計(jì)算值趨勢基本一致，并且得到的規(guī)律與圖7相符。

圖9 風(fēng)機(jī)全頻段振動(dòng)加速度實(shí)測值與公式計(jì)算值對比

4 結(jié)語

通過搭建離心風(fēng)機(jī)試驗(yàn)臺架，從試驗(yàn)角度出發(fā)，對離心風(fēng)機(jī)不同運(yùn)行工況進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，并對結(jié)果進(jìn)行分析，研究離心風(fēng)機(jī)工況變化對振動(dòng)影響規(guī)律，得出一些有益的結(jié)論：

(1)風(fēng)機(jī)振動(dòng)加速度、空氣噪聲的實(shí)測值隨轉(zhuǎn)速、流量變化的總體趨勢與理論計(jì)算值趨勢基本一致，說明轉(zhuǎn)速和流量變化與振動(dòng)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式有一定的參考價(jià)值。

(2)離心風(fēng)機(jī)存在一個(gè)最佳運(yùn)行工況，在Q0流量附近，在此工況下風(fēng)機(jī)振動(dòng)、噪聲均為最佳狀態(tài)，效率、全壓和功率也處于綜合的最優(yōu)狀態(tài)。隨著風(fēng)機(jī)實(shí)際工況偏離此最佳運(yùn)行工況，風(fēng)機(jī)振動(dòng)、噪聲均出現(xiàn)不同程度的增大，因此在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮將設(shè)計(jì)工況選擇在此最佳工況左右，更利于降低其振動(dòng)、噪聲。

(3)離心風(fēng)機(jī)在最佳運(yùn)行工況下，風(fēng)機(jī)內(nèi)的壓力場和氣流流動(dòng)都比較均勻；但在偏離最佳運(yùn)行工況情況下風(fēng)機(jī)內(nèi)的氣流流動(dòng)要比最佳運(yùn)行工況下大為惡化，對風(fēng)機(jī)的振動(dòng)和空氣噪聲影響特別明顯，特別是特征頻率葉頻處影響最為突出。

(4)在需要小流量工況運(yùn)行時(shí)，應(yīng)盡量避免使用節(jié)流器調(diào)節(jié)，而采用變速調(diào)節(jié)的辦法，降低風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這樣既可以保證風(fēng)機(jī)的性能，又可以使風(fēng)機(jī)內(nèi)的氣流流動(dòng)更為穩(wěn)定，同時(shí)，由于轉(zhuǎn)速降低，風(fēng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲也會隨之降低。

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Experimental Study on the Vibration Variation Law of Centrifugal Fans in Variable Operation Conditions

MA Zhen-lai,LI Guo-ping,CHEN Chang-sheng,WANGQiang
(Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031,China)

vibration and wave;centrifugal fan;excitation character;rotating speed;flow rate

O422.6

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2017.01.038

1006-1355(2017)01-0178-05

2016-10-17

馬振來（1992－），男，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，研究方向?yàn)檎駝?dòng)與噪聲控制。E-mail:mazhenl@163.com

Abastract:Influence of change of working conditions on the vibration characteristics of marine centrifugal fans is studied.With a centrifugal fan of a certain type as the object,a test bench which satisfies its working condition change and vibration measurement requirements is established.Firstly,the mechanism of the main excitation generation of the centrifugal fan and its characteristic frequency are analyzed.Then,the law of influence of the working condition change on the vibration characteristics is studied experimentally.It can be seen from the results of the analysis that the general variation tendencies of the measured fan’s vibration values and the calculated values according to the empirical formulas are basically consistent.Thus,the relation formulas between the rotating speed and vibration characteristics and between the flow rate and the vibration characteristics are verified.It is noticeable that vibration and noise of the centrifugal fan are significantly affected by the flow-rate changing;especially its influence on the blade frequency is very large.The centrifugal fan has a best operation condition in which the fan’s vibration and noise are the best.In the design process of the fan,the design working condition should be chosen near the best working condition.This work has some reference value for the design of marine fans.