（中車株洲電機有限公司）

0 引言

社會的發(fā)展對城市軌道交通的噪聲提出了更高的要求[1-2]。在軌道交通設(shè)備中，牽引電機是重要的噪聲源，根據(jù)形成機理，主要分為電磁噪聲、機械噪聲和氣動噪聲，在高轉(zhuǎn)速時，氣動噪聲占主要地位[3]。牽引電機工作時要求風扇在正反轉(zhuǎn)時具有相同的工作性能，而牽引電機離心風扇幾乎只有徑向直葉片的設(shè)計，風扇氣動性能較差，效率較低，從而導(dǎo)致噪聲較大。事實上，氣動噪聲形成機理復(fù)雜，目前很難找到一種通用且有效的降噪方法?；谝话愎こ躺蠎?yīng)用的風扇，目前已有不少學者對其進行過研究，湯黎明[4]對工程機械冷卻風扇的流動特性與氣動噪聲進行了研究，結(jié)果表明更改風扇整體結(jié)構(gòu)有較好的降噪效果；朱咸磊[5]分析了壓氣機的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其氣動噪聲的影響；李嵩等[6]對離心風機BPF噪聲數(shù)值預(yù)估方法進行了研究；屈曉云等[7]詳細研究了牽引電機冷卻風扇氣動性能，并對風扇氣動噪聲進行了試驗研究；明樂樂等[8]對高速離心風機進行了氣動優(yōu)化設(shè)計，取得了良好的降噪效果；唐照付等[9]對離心風機葉輪切割后的性能進行了試驗研究；欒寶奇等[10]發(fā)現(xiàn)采用碳纖維制造的風扇其各項技術(shù)指標優(yōu)于傳統(tǒng)鑄鋁風扇；王楊[11]對車用離心風機進行了研究，提出了降低風機氣動噪聲的方法。

目前專門針對牽引電機風扇優(yōu)化設(shè)計的研究較少，也難以找到普遍有效的降噪措施，因為徑向直葉片的約束大大限制了風扇可供改進的參數(shù)。本文基于離心風扇的相似設(shè)計理論，以一款具有較好氣動性能的直葉片風扇為參照樣機進行相似設(shè)計，替換現(xiàn)有牽引電機中高噪聲的風扇，并通過混合計算氣動噪聲方法，得到電機噪聲的聲功率級與頻譜，驗證相似設(shè)計在風扇降噪設(shè)計中的有效性。

1 基于相似理論的風扇設(shè)計

相似理論在風扇的設(shè)計和試驗中有著廣泛應(yīng)用[12-13]，通常所說的按模型換算進行相似設(shè)計和進行模型試驗就是在相似理論指導(dǎo)下進行的。相似理論指出，兩個模型流體力學相似需要滿足如下三個條件。

1）幾何相似

兩個模型的對應(yīng)角度相等，對應(yīng)線性尺寸的比值相同。幾何相似是力學相似的前提條件，是動力相似和運動相似的基礎(chǔ)。幾何相似條件可以表示為：

式中，D1，D2；b1，b2；L1，L2等是兩個模型對應(yīng)的線性尺寸；C1是常數(shù)。

2）運動相似

兩個模型過流部分相應(yīng)點流體的對應(yīng)速度比值相同，即

式中，v，w，u是兩個模型對應(yīng)點不同方向的速度；C2是常數(shù)。

運動相似是幾何相似和動力相似的必然結(jié)果。

3）動力相似

兩個模型過流部分相應(yīng)點流體的對應(yīng)力的比值相同，也就是流動所受的外部作用力F和流體在外力作用下因本身引起的慣性力ma的比值相同。該比值稱為牛頓數(shù)，用Ne表示，即

Ne值表示流動的一般動力相似條件，Ne相等，流動動力相似，相應(yīng)的準則有雷諾準則、弗勞德準則和歐拉準則等。

相似設(shè)計分為半相似設(shè)計和完全相似設(shè)計，其中完全相似設(shè)計是指滿足幾何相似、運動相似和動力相似，半相似設(shè)計是指滿足其中一種或多種，達到部分相似的設(shè)計。本文風扇相似設(shè)計是以某氣動性能較好的風扇為參考風扇，通過幾何相似，設(shè)計出滿足電機冷卻風量的風扇。

圖1給出了噪聲大小不同的兩組風扇模型，其中氣動性能較好的風扇為參考風扇，高噪聲風扇為原型風扇。

圖1 兩組風扇模型Fig.1 Two sets of fan models

兩組風扇結(jié)構(gòu)參數(shù)對照如表1所示。

表1 風扇結(jié)構(gòu)參數(shù)對照表Tab.1 Comparison table of fan structure parameters

理論分析和試驗研究表明[14]，對風機而言，風機聲源的聲功率與葉輪速度的6次方，葉輪直徑的平方成正比，即

式中，ρ是氣體密度；ξ是阻力系數(shù)；D是葉輪直徑；u是葉輪周速；a是當?shù)芈曀佟?/p>

分別安裝有這兩種風扇電機的實測噪聲聲功率級如圖2所示，圖中噪聲的聲功率級都是在同一個測點測得。根據(jù)公式（4），如果兩風扇氣動性能相差不大，因為參考風扇的外徑更大，可以推斷出在相同轉(zhuǎn)速下參考風扇的噪聲聲功率級比原型風扇大1.8dB左右，而實測發(fā)現(xiàn)參考風扇在高轉(zhuǎn)速時較原型風扇噪聲的聲功率級低4dBA左右（低轉(zhuǎn)速時不具備參考性，因為此時氣動噪聲不占主要地位），由此可以看出參考風扇具有良好的氣動性能。

圖2 電機噪聲聲功率級隨轉(zhuǎn)速變化Fig.2 Motor noise sound power level changes with the speed

由于風扇風量與葉片直徑有較大關(guān)系，因此這里的幾何相似以直徑比值為依據(jù)。將參考風扇按0.95的比例（兩個風扇外徑的比值）進行縮小，縮小后葉片直徑為384mm，與原型風扇的葉片直徑一致，這樣可以保證相似設(shè)計后的新風扇能夠安裝在電機內(nèi)。

2 設(shè)計驗證

2.1 風量驗證

由于在風扇相似設(shè)計時只采用了幾何相似設(shè)計，為了防止新風扇在電機中風量不足，使電機出現(xiàn)過熱風險，進而燒毀電機，因此有必要對新風扇進行風量驗證，對電機進行整機CFD模擬，仿真在fluent軟件中進行，輸入的邊界條件如表2所示。

表2 仿真邊界條件Tab.2 Simulation boundary condition

仿真計算收斂后，統(tǒng)計進口流量，安裝原型風扇的電機風量和新風扇的電機風量隨轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖3所示。從圖中可以看出，裝有新風扇的電機風量與原型風扇的電機風量基本一致，據(jù)此可以判斷通過相似設(shè)計的新風扇裝在牽引電機上，無散熱風險。

圖3 兩組風扇風量對比Fig.3 Flow comparison between two sets of fans

2.2 氣動噪聲驗證

混合計算氣動噪聲方法中忽略了聲場對流場的影響，將氣動噪聲的計算分為聲源的產(chǎn)生和聲傳播兩個步驟：首先采用數(shù)值模擬等方法計算牽引電機的非定常流場，之后以非定常流場計算結(jié)果為基礎(chǔ)利用Lighthill聲類比方法對聲場進行計算。

關(guān)于旋轉(zhuǎn)機械的氣動噪聲控制方程可由N-S方程推導(dǎo)得到，基于Lighthill聲類比方法，并加入了Curle’s理論，最終得到的控制方程如下[15]。

方程右邊第一項為體聲源，第二項為面聲源。式中，ρ是流體密度；ρ0是環(huán)境密度，是常量；Tij=ρυiυj+δij((p-p0)-a02(ρ-ρ0))-τij是 Lighthill應(yīng)力張量；∑ij=ρvivj+(p-p0)δij-τij。

電機噪聲的測點布置如下圖所示。

圖4 電機噪聲測試測點分布示意圖Fig.4 Distribution diagram of measuring points for motor noise test

計算結(jié)果如下。

1）總聲壓級對比

如表3所示，從表中對比結(jié)果可以看出，安裝有新風扇電機的噪聲平均聲壓級比安裝原型風扇電機降低4.8dBA，降噪效果較明顯。

表3 4 000r/min-安裝原型風扇與新風扇的相同電機在各測點位置聲壓級仿真結(jié)果對比Tab.3 4 000r/min-Simulation results comparison of sound pressure level of the same motor installed with the prototype fan and the new fan at each measuring point

2）噪聲頻譜對比

由于各個測點的頻譜較為相似，為簡潔起見，取測點H1的頻譜進行分析，測點H1在4 000r/min時的頻譜如圖5所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，安裝新風扇的電機較安裝原型風扇電機的噪聲聲壓級在整個測量頻段上均有所下降，特別是在一階葉片通過頻率1 133Hz附近時下降較為明顯，有10dBA左右的降噪效果，體現(xiàn)了新風扇優(yōu)異的降噪效果。

圖5 測點H1-原型電機與優(yōu)化電機的頻譜對比Fig.5 Spectrum comparison of measuring point H1-prototype motor and optimized motor

3 結(jié)論

本文結(jié)果表明，使用相似設(shè)計的關(guān)鍵是需要一個氣動性能較好的參考風扇模型，在此基礎(chǔ)上，相似設(shè)計可以有效降低電機的氣動噪聲，是一種較為經(jīng)濟且有效的方法。

新風扇模型和原型風扇的噪聲仿真結(jié)果表明：使用新風扇的電機其氣動噪聲的平均聲壓級比使用原型風扇的電機降低4.8dBA，降噪效果較明顯。該計算結(jié)果表明對于設(shè)計參數(shù)受限的徑向直葉片牽引電機風扇，其氣動優(yōu)化設(shè)計非常困難，而依據(jù)已有氣動性能更優(yōu)的風扇進行相似設(shè)計，對于牽引電機風扇降噪設(shè)計是一種簡便高效的方法，對于牽引電機風扇降噪設(shè)計中有重要的指導(dǎo)意義。