姜 華，李 鳳，邵珅菲，宮武旗

（1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，西安 710054；2.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安 710049）

0 引言

風(fēng)機(jī)是通風(fēng)工程中的核心設(shè)備，其中對(duì)旋風(fēng)機(jī)因流量大、壓升高等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到礦山隧道等領(lǐng)域［1］。對(duì)旋風(fēng)機(jī)噪聲較大，是風(fēng)機(jī)應(yīng)用的主要問題之一［2］，因此研究對(duì)旋風(fēng)機(jī)的噪聲特性對(duì)控制噪聲具有指導(dǎo)意義。研究表明氣動(dòng)噪聲是風(fēng)機(jī)的主要噪聲源［3-4］，對(duì)旋風(fēng)機(jī)葉頂及葉片前緣和尾緣是主要?dú)鈩?dòng)噪聲源［5-6］，對(duì)旋風(fēng)機(jī)噪聲由寬頻噪聲和離散噪聲構(gòu)成，其噪聲峰值主要分布在中低頻段［7-8］，更多對(duì)旋風(fēng)機(jī)的噪聲特性研究可見文獻(xiàn)［9-12］。不同輪轂比［13］、軸向間隙［14-17］、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速［18-19］、葉片角度［20］、前后葉輪葉片數(shù)［21］條件下對(duì)旋風(fēng)機(jī)噪聲特性也有研究。有關(guān)風(fēng)機(jī)的研究多針對(duì)已有翼型，對(duì)葉片形狀的研究主要針對(duì)其對(duì)氣動(dòng)性能的影響［22-24］，對(duì)旋風(fēng)機(jī)葉片形狀對(duì)其噪聲影響的研究幾乎未見報(bào)道。

為適應(yīng)軸流風(fēng)機(jī)反風(fēng)要求，李超俊等最早提出“反向?qū)ΨQ翼型”［25］（S翼型），試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該新型風(fēng)機(jī)正反風(fēng)性能基本相同［26］。李景銀等［27］對(duì)比2種不同翼型為原始翼型的S翼型，研究翼型頭部形狀對(duì)阻力系數(shù)和升力系數(shù)的影響。反向?qū)ΨQS翼型用于對(duì)旋風(fēng)機(jī)的研究很少，且?guī)缀鯖]有正向?qū)ΨQ翼型用于對(duì)旋風(fēng)機(jī)的報(bào)導(dǎo)［22-23］。本文設(shè)計(jì)1臺(tái)功率為55kW的高效對(duì)旋風(fēng)機(jī)，采用雙頭正向?qū)ΨQ思想，在原始C-4翼型基礎(chǔ)上同時(shí)改變?nèi)~片前緣和尾緣形狀，即雙頭尖葉形和雙頭鈍葉形，對(duì)比研究以這2種新葉形和原始翼型為葉片的3種對(duì)旋風(fēng)機(jī)正反風(fēng)性能和噪聲特征。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)和網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

本文采用平面葉柵設(shè)計(jì)方法［24］和等壓分配原則，設(shè)計(jì)3種葉形葉片對(duì)旋風(fēng)機(jī)如圖1所示，其中原始翼型葉片前緣半徑為1.2 mm，后緣半徑為0.06 mm。正向?qū)ΨQ葉形是指以C-4原始翼型中間弦長處為對(duì)稱點(diǎn)，葉形前后緣相互對(duì)稱的翼型。設(shè)計(jì)流量Q=44 000 m3/h，轉(zhuǎn)速n=2 950 r/min，出口靜壓P=6 400 Pa，工作輪外徑Dt=800 mm，輪轂比d=0.7，葉片數(shù)Z1=15、Z2=10，功率為55 kW。對(duì)3種葉形對(duì)旋風(fēng)機(jī)采用大渦模擬和PISO算法進(jìn)行非定常流場(chǎng)和噪聲計(jì)算。

圖1 原始翼型葉片及2種修改葉片形狀

原始翼型前后排葉柵如圖2所示。

圖2 原始翼型前后排葉柵

對(duì)原始翼型風(fēng)機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)對(duì)旋風(fēng)機(jī)單流道內(nèi)網(wǎng)格數(shù)由70萬增加到145萬時(shí)，對(duì)旋風(fēng)機(jī)性能參數(shù)幾乎不變?nèi)鐖D3所示，由此確定單流道網(wǎng)格數(shù)為145萬。2種修改葉形對(duì)旋風(fēng)機(jī)網(wǎng)格數(shù)量，均以此為參考標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

2 對(duì)旋風(fēng)機(jī)正反風(fēng)性能

對(duì)旋風(fēng)機(jī)的正反風(fēng)運(yùn)行性能是評(píng)價(jià)風(fēng)機(jī)性能好壞的重要指標(biāo)，本文首先采用定常計(jì)算，研究了3種葉形對(duì)旋風(fēng)機(jī)的正反風(fēng)運(yùn)行性能，在此基礎(chǔ)上分析其噪聲特性。

2.1 正風(fēng)運(yùn)行性能

圖4示出3種葉形的對(duì)旋風(fēng)機(jī)整機(jī)正風(fēng)性能曲線。從圖4可以看到，雙頭尖葉形的整機(jī)性能曲線向大流量方向偏移，性能高于原始翼型風(fēng)機(jī)，但在小流量區(qū)域，雙頭尖葉形風(fēng)機(jī)內(nèi)效率低于原始翼型和雙頭鈍葉形風(fēng)機(jī)；雙頭鈍葉形風(fēng)機(jī)整機(jī)功率和壓力略低于原始翼型，但差別不大。設(shè)計(jì)流量下，2種修改葉形的內(nèi)效率值均高于原始翼型。正風(fēng)運(yùn)行時(shí)，雙頭尖葉形與其它2種葉形相比進(jìn)口處氣流沖角小，使得氣流在葉片表面邊界層分離損失和沖擊損失較小，從而使葉片獲得較高性能，葉輪效率高，原始翼型和雙頭鈍葉形則相差不大。

圖4 3種葉形風(fēng)機(jī)整機(jī)正風(fēng)性能曲線

2.2 反風(fēng)運(yùn)行性能

圖5 示出3種葉形對(duì)旋風(fēng)機(jī)整機(jī)反風(fēng)性能曲線。反風(fēng)量由規(guī)范查取可知，取60%設(shè)計(jì)流量為性能曲線變化的起始流量。雙頭尖葉形和雙頭鈍葉形風(fēng)機(jī)整機(jī)反風(fēng)性能功率和全壓相差不多，均優(yōu)于原始翼型，雙頭鈍葉形風(fēng)機(jī)內(nèi)效率平均高于原始翼型風(fēng)機(jī)約6%，雙頭尖葉形與原始翼型風(fēng)機(jī)內(nèi)效率相差不多。

反風(fēng)運(yùn)行時(shí)，葉片的頭尾倒置，氣流的入口沖角變大，葉片表面氣流分離，使反風(fēng)性能大大降低。比較而言雙頭鈍葉形氣流能較好的貼合葉片表面，其它2種葉形葉片表面氣流分離較大，使得其反風(fēng)效率不如雙頭鈍葉形。

圖5 3種葉形風(fēng)機(jī)整機(jī)反風(fēng)性能曲線

3 噪聲特性分析

噪聲特性是評(píng)價(jià)風(fēng)機(jī)性能的重要指標(biāo)之一，為進(jìn)一步了解3種葉形噪聲特性，在設(shè)計(jì)流量下，先進(jìn)行非定常計(jì)算，在此基礎(chǔ)上再計(jì)算3種葉形風(fēng)機(jī)噪聲，具體結(jié)果如下。

3.1 噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

3種葉形對(duì)旋風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲監(jiān)控點(diǎn)位置一致，圖6分別示出在對(duì)旋風(fēng)機(jī)進(jìn)出口軸線上，離風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口0.5，1 m處各布置2個(gè)點(diǎn)（進(jìn)0.5 m、進(jìn)1 m、出0.5 m、出1 m）；在與進(jìn)出口軸線呈45°角方向且離進(jìn)出口中心1m，垂直軸線圓周面上分別均勻布置 4個(gè)點(diǎn)（如圖 6（b）和 6（c）：進(jìn) 1，2，3，4 和出 1，2，3，4）。

圖6 對(duì)旋風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲監(jiān)控點(diǎn)位置示意

3.2 噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)總聲壓

原始翼型、雙頭尖葉形、雙頭鈍葉形在進(jìn)出口各噪聲監(jiān)控點(diǎn)處的A聲級(jí)分別見表1～3?？梢钥闯鲭p頭鈍葉形進(jìn)出口總聲壓值最低，雙頭尖葉形聲壓值高于原始翼型。3種葉形在對(duì)旋風(fēng)機(jī)軸線布置的噪聲監(jiān)控點(diǎn)的聲壓值，出口均比進(jìn)口高約4 dB。在軸線45°方向且距進(jìn)出口中心距離為1 m的截面上，原始翼型平均出口聲壓值高出進(jìn)口4.7 dB，雙頭尖葉形平均出口聲壓值高出進(jìn)口3.07 dB，雙頭尖葉形平均出口聲壓值高出進(jìn)口2.07 dB，距離聲源越近的點(diǎn)接收的噪聲聲壓值越高。

表1 原始翼型進(jìn)、出口監(jiān)控各點(diǎn)A聲級(jí)

表2 雙頭尖葉形進(jìn)、出口監(jiān)控各點(diǎn)A聲級(jí)

表3 雙頭鈍葉形進(jìn)、出口監(jiān)控各點(diǎn)A聲級(jí)

雙頭尖葉形與原始翼型風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)進(jìn)出口監(jiān)控點(diǎn)A聲級(jí)差值見表4，可以看出除出口1和出口2點(diǎn)外，其他監(jiān)控點(diǎn)處雙頭尖葉形風(fēng)機(jī)聲壓級(jí)均高出原始翼型風(fēng)機(jī)，差值在進(jìn)出口軸線處較大。在進(jìn)口和出口外1 m球面監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，雙頭尖葉形較原始翼型風(fēng)機(jī)聲壓值略有增大，分別平均增大1.8，1.0 dB，均不超過 2 dB。

表4 雙頭尖葉形與原始翼型進(jìn)出口監(jiān)控各點(diǎn)A聲級(jí)差值

雙頭鈍葉形與原始翼型風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)進(jìn)出口監(jiān)控點(diǎn)A聲級(jí)差值見表5?？梢钥闯鲈诟鞅O(jiān)控點(diǎn)，雙頭鈍葉形風(fēng)機(jī)比原始翼型風(fēng)機(jī)聲壓值均有所降低（0.75～6.7 dB），在出口處雙頭鈍葉形聲壓降低幅值大于進(jìn)口處。在進(jìn)口和出口外1 m球面監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，雙頭鈍葉形較原始翼型風(fēng)機(jī)聲壓值平均分別降低2.2和4.27dB，顯示出雙頭鈍葉形具有良好的降噪效果。

表5 雙頭鈍葉形與原始翼型進(jìn)出口監(jiān)控各點(diǎn)A聲級(jí)差值

3.3 噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)頻譜分析

氣動(dòng)噪聲是對(duì)旋風(fēng)機(jī)的最主要噪聲來源，氣動(dòng)噪聲包括離散噪聲和寬頻噪聲，氣動(dòng)噪聲由上述噪聲相互疊加而構(gòu)成。由風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲理論可知，離散噪聲主要由動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)與空氣產(chǎn)生周期性擾動(dòng)產(chǎn)生；寬頻噪聲主要由葉尖渦流和葉片尾跡漩渦脫離、湍流邊界層、不均勻來流等因素導(dǎo)致的隨機(jī)脈動(dòng)而引起。

為進(jìn)一步分析對(duì)旋風(fēng)機(jī)噪聲分布特點(diǎn)，將其外場(chǎng)各監(jiān)控點(diǎn)聲壓的時(shí)域信號(hào)，經(jīng)過快速傅里葉變換（FFT）得到其聲壓頻譜。對(duì)流場(chǎng)外不同觀測(cè)點(diǎn)噪聲進(jìn)行A記權(quán)1/3倍頻程（1/3-Octave Band/Hz）分析，其中橫坐標(biāo)為1/3倍頻程（1/3-Octave Band/Hz），縱坐標(biāo)為壓力A聲級(jí)（dBA/dB），風(fēng)機(jī)軸旋轉(zhuǎn)頻率為49.17 Hz，兩級(jí)葉輪的葉片通過頻率分別為 737.55，491.7 Hz。

圖7和8分別示出3種葉形對(duì)旋風(fēng)機(jī)在進(jìn)出口監(jiān)控點(diǎn)噪聲頻譜，噪聲分布頻譜顯示出連續(xù)的寬頻噪聲特征。在兩級(jí)葉輪的葉片通過頻率疊加頻率1 229.25 Hz附近區(qū)域，3種葉形的A聲級(jí)值在整體頻率范圍內(nèi)均最高，其中雙頭鈍葉形噪聲最低，A聲級(jí)值分別低于原始翼型和雙頭尖葉形約3和7dB。由圖7可以看出，原始翼型、雙頭尖葉形、雙頭鈍葉形在進(jìn)口處進(jìn)0.5 m點(diǎn)的最高聲壓值分別為 103.5，112.2，96.1 dB；進(jìn) 1 m 點(diǎn)的最高聲壓值分別為94.3，103.8，87.4 dB；進(jìn)1點(diǎn)的最高聲壓值分別為97.2，100.1，89.1 dB。

進(jìn)口監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在50～200 Hz低頻區(qū)域雙頭鈍葉形噪聲最低，A聲級(jí)值分別低于原始翼型和雙頭尖葉形約10 dB和15 dB，雙頭尖葉形的A聲級(jí)值最高。在200～1 000 Hz范圍內(nèi)，3種葉形噪聲相差不大。在1 000～2 500 Hz范圍內(nèi)，雙頭鈍葉形噪聲最低，原始翼型和雙頭尖葉形相差不大，3種葉形的A聲級(jí)值平均相差4 dB左右。從2 500 Hz開始頻譜線逐漸降低，3種葉形噪聲A聲級(jí)值在此頻率范圍相差不大。

圖7 3種葉形進(jìn)口外各監(jiān)控點(diǎn)1/3倍頻程譜

圖8 3種葉形出口外各監(jiān)控點(diǎn)1/3倍頻程譜

如圖8所示，在風(fēng)機(jī)出口出0.5 m點(diǎn)的最高聲壓值分別為 103.4，105.4，99.9 dB；出 1 m 點(diǎn)的最高聲壓值分別為93.2，97.1，88.7 dB；出1點(diǎn)的最高聲壓值分別為95.1，98.6.1，93.1 dB。

在出口外監(jiān)測(cè)點(diǎn)，整體而言雙頭鈍葉形噪聲依然最低，雙頭尖葉形的A聲級(jí)值最高。在50～200 Hz低頻區(qū)域雙頭鈍葉形噪聲最低，A聲級(jí)值分別低于原始翼型和雙頭尖葉形約8和10 dB，雙頭尖葉形的A聲級(jí)值依然最高。在200～1 000 Hz范圍內(nèi)，3種葉形噪聲相差不大。在1 000～2 500 Hz范圍內(nèi)，雙頭鈍葉形噪聲最低，比原始翼型平均約低10 dB；原始翼型次之；雙頭尖葉形除在出0.5 m點(diǎn)噪聲大于原始翼型外，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲與原始翼型接近。

由上可知，總體上雙頭鈍葉形風(fēng)機(jī)的A聲級(jí)最小，雙頭尖葉形相比其他兩種葉形的A聲級(jí)較大。其中低頻區(qū)雙頭鈍葉形A聲級(jí)值分別低于原始翼型和雙頭尖葉形10 dB左右；中頻區(qū)3種葉形噪聲相差不大；高頻區(qū)雙頭鈍葉形噪聲最低，進(jìn)口和出口監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲分別比原始翼型平均約低4，10 dB，原始翼型和雙頭尖葉形相差不大。

由于風(fēng)機(jī)在低頻段降噪難度較大，對(duì)低頻噪聲消聲器消聲效果不明顯，而在低頻區(qū)域雙頭鈍葉形A聲級(jí)值分別低于原始翼型和雙頭尖葉形10 dB左右，可知雙頭鈍葉形在低頻區(qū)噪聲降低明顯，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)旋風(fēng)機(jī)降噪。

風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜，主要有與葉片通過頻率有關(guān)的離散噪聲，以及由于脫落渦、葉尖渦等形成的寬頻噪聲。計(jì)算發(fā)現(xiàn)在兩級(jí)葉輪干涉面處，原始翼型和雙頭尖葉形的脈動(dòng)幅度大于雙頭鈍葉形。在第二級(jí)葉片出口處，雙頭尖葉形的壓力值最高，雙頭鈍葉形的平均壓力略低于原始翼型。3種葉形兩級(jí)葉輪的葉頂間隙處，葉片頭部壓力脈動(dòng)最大值的頻率均與兩級(jí)葉輪的通過頻率基本一致，第一級(jí)葉輪的葉頂間隙處為發(fā)生氣流振動(dòng)的主要部位，其中雙頭尖葉形在此處的脈動(dòng)值最高，原始翼型次之，雙頭鈍葉形最低；第二級(jí)葉輪葉頂間隙處氣流經(jīng)過反轉(zhuǎn)擾動(dòng)加劇，雙頭尖葉形在高頻處仍有較高脈動(dòng)值。這些可能是造成雙頭尖葉形噪聲較高，而雙頭鈍葉形噪聲較低的主要原因。

3.4 噪聲指向性特性分析

在Y=0平面上以兩級(jí)葉輪中間軸心位置為圓心，半徑為2.21 m的圓上，從出口方向0°開始，每隔10°布置一個(gè)點(diǎn)，得到整個(gè)圓周上的全部監(jiān)測(cè)點(diǎn)。圖9示出3種葉形對(duì)旋風(fēng)機(jī)的噪聲指向性特性。從圖9可看出，雙頭尖葉形的聲壓值最高，原始翼型次之，雙頭鈍葉形聲壓值最低。3種葉形的指向性分布均在0°（即對(duì)旋風(fēng)機(jī)出口方向）聲壓值最高，180°（即對(duì)旋風(fēng)機(jī)進(jìn)口方向）是聲壓值第二高處，從最高值點(diǎn)開始，聲壓值向兩側(cè)方向逐漸減小，且3種葉形均在120°附近和240°附近聲壓值最低。由此可見，3種葉形對(duì)旋風(fēng)機(jī)的外聲場(chǎng)輻射具有偶極子特性。

圖9 3種葉形對(duì)旋風(fēng)機(jī)噪聲指向性特性

4 結(jié)論

（1）3種葉形對(duì)旋風(fēng)機(jī)正反風(fēng)性能良好，本文葉形設(shè)計(jì)效果良好，能夠滿足對(duì)旋風(fēng)機(jī)正反風(fēng)運(yùn)行要求。

（2）正風(fēng)運(yùn)行時(shí)，雙頭尖葉形的整機(jī)性能曲線向大流量方向偏移，性能高于原始翼型風(fēng)機(jī)；雙頭鈍葉形風(fēng)機(jī)整機(jī)性能與原始翼型差別不大。反風(fēng)運(yùn)行時(shí)，雙頭鈍葉形風(fēng)機(jī)內(nèi)效率平均高于原始翼型風(fēng)機(jī)約6%，雙頭尖葉形與原始翼型風(fēng)機(jī)內(nèi)效率相差不多。

（3）利用噪聲數(shù)值模擬對(duì)3種葉形葉片對(duì)旋風(fēng)機(jī)的噪聲特性進(jìn)行研究，分析發(fā)現(xiàn)對(duì)旋風(fēng)機(jī)外聲場(chǎng)，在進(jìn)口和出口外1 m球面上，出口處雙頭鈍葉形聲壓降低幅值大于進(jìn)口處，雙頭鈍葉形較原始翼型風(fēng)機(jī)聲壓值平均在進(jìn)口外降低2.2 dB和在出口外降低4.27 dB；雙頭尖葉形風(fēng)機(jī)聲壓值較原始翼型風(fēng)機(jī)聲壓略有增大，但增大值不超過2 dB，顯示出雙頭鈍葉形具有良好的降噪效果。

（4）在兩級(jí)葉輪的葉片通過頻率疊加頻率1 229.25 Hz附近區(qū)域，3種葉形的聲壓值在整體頻率范圍內(nèi)均最高，其中雙頭鈍葉形噪聲最低，聲壓比原始翼型低約3 dB，比雙頭尖葉形低約7 dB。

（5）風(fēng)機(jī)在低頻段降噪難度較大，對(duì)低頻噪聲消聲器消聲效果不明顯。而在低頻區(qū)域雙頭鈍葉形聲壓比原始翼型低約8 dB，比雙頭尖葉形低約10 dB，可知雙頭鈍葉形在低頻區(qū)噪聲降低明顯，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)旋風(fēng)機(jī)降噪。

（6）噪聲指向性特性顯示，3種葉形對(duì)旋風(fēng)機(jī)的外聲場(chǎng)輻射均具有偶極子特征，雙頭尖葉形的聲壓值最高，原始翼型次之，雙頭鈍葉形聲壓值最低。