李滿紅

（華陽(yáng)集團(tuán)和順新大地煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032700）

1 風(fēng)機(jī)噪聲研究現(xiàn)狀

風(fēng)機(jī)是一種被廣泛應(yīng)用于化工、冶金、礦山等行業(yè)的通風(fēng)設(shè)備，風(fēng)機(jī)噪音對(duì)人員的安全具有很大的傷害，嚴(yán)重干擾人們的健康[1]。在軸流式通風(fēng)機(jī)（見(jiàn)圖1）噪聲控制領(lǐng)域內(nèi)，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，人們對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了深入的研究，從根本上分析了風(fēng)機(jī)噪聲產(chǎn)生的原因。根據(jù)噪音產(chǎn)生的來(lái)源進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)改進(jìn)。根據(jù)噪音產(chǎn)生的機(jī)理，近年來(lái)發(fā)展出來(lái)了不同的控制噪音的方法，如改進(jìn)通風(fēng)機(jī)前導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)。通風(fēng)機(jī)噪音的控制最本質(zhì)的還是要提高通風(fēng)機(jī)設(shè)備的制造工藝性，使用新型的材料的工藝技術(shù)可極大地降低通風(fēng)機(jī)的噪音。

圖1 軸流式通風(fēng)機(jī)實(shí)物圖

隨著近些年來(lái)國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，噪音污染問(wèn)題也得到了響應(yīng)解決，尤其是在煤炭開(kāi)采行業(yè)，控制井下設(shè)備噪音對(duì)保障操作人員的安全具有重要意義。國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?，主要從通風(fēng)機(jī)葉片幾何參數(shù)、集流器與擴(kuò)散器等幾何參數(shù)對(duì)噪音的影響進(jìn)行研究，取得了非常大的進(jìn)展，同時(shí)在新材料與新技術(shù)的應(yīng)用上取得了較大突破。如何開(kāi)發(fā)新技術(shù)，并降低新技術(shù)成本，是目前新型風(fēng)機(jī)研制面臨的一個(gè)重要問(wèn)題[2]。

2 主要噪聲分析

相對(duì)于主動(dòng)降噪所需要的高額成本和先進(jìn)的技術(shù)，被動(dòng)降噪雖然不能從根本上解決風(fēng)機(jī)噪聲問(wèn)題，但依靠消聲器、多孔吸聲材料和風(fēng)機(jī)隔聲罩等技術(shù)手段從聲音傳播途徑上控制噪聲，既經(jīng)濟(jì)，降噪效果又明顯，被風(fēng)機(jī)用戶普遍接受。局部通風(fēng)機(jī)大多安裝在井下，受環(huán)境和空間的制約，難以采取有效的降噪措施。

軸流式通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生許多不同種類的噪聲，而空氣動(dòng)力性噪聲是最主要的一種?？諝鈩?dòng)力性噪聲是風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)周邊空氣質(zhì)點(diǎn)周期性的打擊，引起空氣壓力的脈動(dòng)，而產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲?？諝鈮毫Φ拿}動(dòng)，根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)可分解成兩部分，一部分是一個(gè)穩(wěn)態(tài)分量，另一部分是一系列脈動(dòng)分量。其中穩(wěn)態(tài)分量就是通風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力機(jī)械正常工作所需要的氣流壓力，而脈動(dòng)分量是風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)噪聲的聲源。旋轉(zhuǎn)噪聲頻率f 與葉片數(shù)Z 和轉(zhuǎn)速n 成正比關(guān)系，稱為葉片通過(guò)頻率[3]。

除了葉片基頻以外，風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)噪聲還與基頻成倍數(shù)的各階諧波組成，各階諧波的聲壓值逐漸減小，六階以上諧波聲壓值已經(jīng)可以忽略不計(jì)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得出，空氣動(dòng)力性噪聲的聲壓級(jí)大約與風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)速度的5～6 次方成正比關(guān)系，葉片轉(zhuǎn)速增加一倍，噪聲聲壓級(jí)約增加10～18 dB。

3 通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)分析

葉輪是通風(fēng)機(jī)的核心部件，由于其高速的運(yùn)轉(zhuǎn)，使得機(jī)器產(chǎn)生振動(dòng)并對(duì)周圍的氣體產(chǎn)生打擊，這是空氣動(dòng)力性噪聲產(chǎn)生的原因，通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖2 所示。

圖2 通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

4 葉輪的優(yōu)化

葉輪的主要構(gòu)成參數(shù)有兩級(jí)葉片數(shù)目、二級(jí)葉輪、翼型、軸向和徑向間隙。通過(guò)對(duì)以下參數(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，可以有效地提升通風(fēng)機(jī)的性能。

1）適當(dāng)?shù)嘏渲猛L(fēng)機(jī)前后兩級(jí)葉片數(shù)量。通風(fēng)機(jī)在工作時(shí)，氣體被兩級(jí)壓縮而具有較大的動(dòng)能，能夠傳播得更遠(yuǎn)，但是兩級(jí)葉片數(shù)量之間的關(guān)系配置不當(dāng)時(shí)，可能會(huì)引起氣體的紊流，從而導(dǎo)致較大噪音的產(chǎn)生。為避免前后兩級(jí)氣流脈動(dòng)的相互疊加，應(yīng)合理布置兩級(jí)葉輪葉片數(shù)目。

2）葉輪幾何參數(shù)的優(yōu)化。葉輪在驅(qū)動(dòng)葉片的同時(shí)，在風(fēng)道中占據(jù)一定的空間位置，尤其是第二級(jí)葉輪所在位置，通常風(fēng)速較高，當(dāng)適當(dāng)修改葉輪的形狀參數(shù)可極大地降低設(shè)備運(yùn)行的噪音，應(yīng)使前后兩級(jí)葉輪同基元界面弦長(zhǎng)比為5∶7 左右[4]。

3）葉片翼型。葉片在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中與空氣相互摩擦，并將能量傳遞給控制系統(tǒng)，摩擦的過(guò)程就會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，因此在保障風(fēng)能傳播的同時(shí)，提高壓縮效率。

4）兩級(jí)葉輪的軸向和徑向間隙。為了保證進(jìn)入二級(jí)葉片的氣流趨于均勻，同時(shí)減小氣動(dòng)噪聲，應(yīng)控制前后兩級(jí)葉片間的間隙，前后間隙一般為0.5 mm，與此同時(shí)，適當(dāng)控制通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)降低通風(fēng)機(jī)噪音的目的。

5 通風(fēng)機(jī)優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化后的通風(fēng)機(jī)具體參數(shù)如表1 所示。

表1 優(yōu)化后風(fēng)機(jī)參數(shù)

與原通風(fēng)機(jī)比較，由于軸向間隙的減小，改進(jìn)后的通風(fēng)機(jī)一級(jí)葉輪后的流場(chǎng)進(jìn)入二級(jí)葉輪中，降低了空氣的湍流，減小了空氣在通風(fēng)機(jī)內(nèi)部的消耗。改變通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，縮短了前后兩級(jí)之間的間距，由于流道的減短，原通風(fēng)機(jī)內(nèi)部間葉道內(nèi)的渦流隨之減小[5]。所以，優(yōu)化后的通風(fēng)機(jī)相比于原通風(fēng)機(jī)，改進(jìn)了其內(nèi)部空氣的流動(dòng)特性，通風(fēng)機(jī)葉輪流道內(nèi)產(chǎn)生的渦流大大減小，從而降低了噪聲[6]。

6 通風(fēng)機(jī)的參數(shù)改進(jìn)意見(jiàn)

1）通過(guò)對(duì)葉輪多種參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得葉片具有更好的性能。葉片數(shù)、葉片根部及頂部弦長(zhǎng)的減少，使得葉片的總面積減少，從而渦流減少。而徑向間隙的減小，使得流道縮短，渦流減少，從而降低噪音。

2）設(shè)計(jì)中應(yīng)注意，葉片的數(shù)目調(diào)整要根據(jù)葉片的總數(shù)目擬定，過(guò)少的葉片數(shù)會(huì)使葉片間距過(guò)大影響通風(fēng)機(jī)的效率。

3）葉片的長(zhǎng)度也應(yīng)考慮與機(jī)殼的距離，在實(shí)際的使用過(guò)程中，由于通風(fēng)機(jī)受重力作用，并且葉輪為動(dòng)力元件，會(huì)在連接處產(chǎn)生疲勞破壞使葉片產(chǎn)生位移，如果葉片與機(jī)殼的距離過(guò)小會(huì)導(dǎo)致碰撞。

7 結(jié)論

1）軸流式通風(fēng)機(jī)在礦用通風(fēng)機(jī)中十分重要，而它的噪音也是人們一直在研究的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)軸流式通風(fēng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀的分析，噪聲的研究與分析，鎖定了噪聲的來(lái)源主要是空氣動(dòng)力性噪聲，因此對(duì)空氣動(dòng)力性噪聲進(jìn)行分析并對(duì)葉輪參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化是改善軸流式通風(fēng)噪聲的有效途徑。

2）通過(guò)對(duì)通風(fēng)機(jī)葉輪優(yōu)化前后的分析，葉輪的葉片數(shù)、葉片根部和頂部的弦長(zhǎng)降低，使葉片面積減小，使得渦流降低，同時(shí)徑向間隙的減少使得葉輪與空氣的接觸面減少，達(dá)到渦流減少的效果，而渦流的減少使得通風(fēng)機(jī)的噪聲就也隨之降低。