梁躍武

（潞安集團(tuán)寺家莊有限責(zé)任公司，山西 昔陽(yáng) 045300）

引言

通風(fēng)機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備之一，承擔(dān)著為工作面提供新鮮空氣，降低工作面瓦斯、粉塵濃度的重要任務(wù)，是保證綜采工作面安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。統(tǒng)計(jì)表明，通風(fēng)機(jī)在整個(gè)工作面的耗能占比較大，究其原因?yàn)橥L(fēng)機(jī)控制不合理、結(jié)構(gòu)存在缺陷及氣動(dòng)噪聲太大。針對(duì)通風(fēng)機(jī)控制不合理問(wèn)題，采用變頻調(diào)速系統(tǒng)可解決；結(jié)構(gòu)缺陷和噪聲太大，均可進(jìn)一步導(dǎo)致高效率運(yùn)行范圍較窄，葉片失速及效率偏低等問(wèn)題[1]。因此，基于對(duì)煤礦通風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè)，可為開(kāi)發(fā)高性能產(chǎn)品且實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)的主動(dòng)控制具有顯著意義。

1 通風(fēng)機(jī)模型搭建

以往衡量通風(fēng)機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)包括全壓、流量、效率。目前，在人們強(qiáng)化環(huán)保意識(shí)的形勢(shì)下，噪聲成為衡量通風(fēng)機(jī)性能的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一。通風(fēng)機(jī)噪聲包括機(jī)械噪聲、電磁噪聲和氣動(dòng)噪聲三種類(lèi)型。其中，機(jī)械噪聲和電磁噪聲對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的影響較小；而氣動(dòng)噪聲是三種噪聲中最難治理的。因此，開(kāi)展對(duì)通風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的研究，對(duì)尋找產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲的根源和降低通風(fēng)機(jī)運(yùn)行階段的氣動(dòng)噪聲具有重要意義[2]。

本文以對(duì)旋式局部通風(fēng)機(jī)為例對(duì)其氣動(dòng)噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)。對(duì)旋式局部通風(fēng)機(jī)包括前級(jí)葉輪和后級(jí)葉輪，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 NACA65-010 對(duì)旋式局部通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

結(jié)合上述分析，對(duì)NACA65-010 通風(fēng)機(jī)的具體結(jié)構(gòu)搭建葉片、葉輪等部件的三維模型，并組裝形成對(duì)旋風(fēng)機(jī)的全流道實(shí)體圖?；谒⒌娜S模型和仿真目的，分別對(duì)通風(fēng)機(jī)的集流器、兩級(jí)葉輪、擴(kuò)散器、電極筒等進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其中，集流器具體對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)為23 812，前級(jí)電極筒對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)為104 631，前級(jí)葉輪對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)為700 898，后級(jí)葉輪對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)為548 605，后級(jí)電極筒對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)為108 598，擴(kuò)散器對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)為15 620。

結(jié)合通風(fēng)機(jī)的工況，設(shè)定仿真時(shí)對(duì)應(yīng)的流量為11.59m/s，設(shè)定通風(fēng)機(jī)出口的相對(duì)靜壓值為2101.14Pa。

2 通風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲功率預(yù)測(cè)

衡量通風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲聲功率的指標(biāo)包括噪聲的生壓級(jí)、噪聲的聲強(qiáng)級(jí)及噪聲的功率級(jí)。其中，聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)兩項(xiàng)參數(shù)容易受到通風(fēng)機(jī)運(yùn)行周?chē)h(huán)境的影響。對(duì)于噪聲的功率級(jí)而言，其與所監(jiān)測(cè)的距離和具體監(jiān)測(cè)位置無(wú)關(guān)，能夠準(zhǔn)確反應(yīng)氣動(dòng)噪聲的具體參數(shù)，并采用dB 對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行描述[3]。本節(jié)將對(duì)通風(fēng)機(jī)芯部、葉輪、葉片及外殼四個(gè)位置的氣動(dòng)噪聲聲功率的分布特性進(jìn)行仿真分析。

2.1 通風(fēng)機(jī)芯部氣動(dòng)噪聲聲功率分布特性

旨在通過(guò)研究通風(fēng)機(jī)芯部氣動(dòng)噪聲的分布特性，掌握通風(fēng)機(jī)葉輪、外殼激振頻率的根源和對(duì)噪聲在遠(yuǎn)程的輻射預(yù)測(cè)提供依據(jù)。通風(fēng)機(jī)芯部氣動(dòng)噪聲分布仿真結(jié)果如下頁(yè)圖1 所示。

由下頁(yè)圖1 可知，通風(fēng)機(jī)芯部氣動(dòng)噪聲強(qiáng)度最大的位置為葉輪處。從理論上分析，通風(fēng)機(jī)芯部噪聲產(chǎn)生的主要原因?yàn)槿~輪的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致周?chē)鷼饬髋c障礙物相互碰撞所產(chǎn)生。同時(shí)，在動(dòng)葉輪葉頂和葉片的后邊緣位置對(duì)應(yīng)的聲功率強(qiáng)度最大，此處也是通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲的主要來(lái)源。

圖1 通風(fēng)機(jī)芯部氣動(dòng)噪聲分布示意圖

此外，對(duì)仿真結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在擴(kuò)散器和整流罩附近的聲功率值偏低。由此說(shuō)明，擴(kuò)散器和整流罩能夠保證入口與出口處氣流穩(wěn)定性，降低噪聲。

2.2 通風(fēng)機(jī)葉輪氣動(dòng)噪聲聲功率分布特性

通風(fēng)機(jī)前后兩級(jí)葉輪的氣動(dòng)噪聲分布情況如圖2 所示。

圖2 通風(fēng)機(jī)前后兩級(jí)葉輪氣動(dòng)噪聲分布

由圖2 可知，葉輪葉片為前后兩級(jí)葉輪聲功率分布最大的位置，而且主要表現(xiàn)在葉片的葉頂截面處；而且，后級(jí)葉輪的聲功率大于前級(jí)葉輪。造成上述現(xiàn)象的主要原因在于前級(jí)葉輪黏性尾跡對(duì)后級(jí)葉輪產(chǎn)生周期性的非定常作用力。同時(shí)，在實(shí)際運(yùn)行中通風(fēng)機(jī)前級(jí)葉輪和后級(jí)葉輪存在速度差，從而引發(fā)周期性干涉噪聲。當(dāng)通風(fēng)機(jī)前級(jí)葉輪和后級(jí)葉輪之間的間距較小時(shí)，后級(jí)葉輪充當(dāng)聲障的角色，從而導(dǎo)致前、后兩級(jí)葉輪對(duì)應(yīng)的葉片上形成較大的脈動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲。

因此，為解決上述問(wèn)題，可通過(guò)對(duì)通風(fēng)機(jī)前后兩級(jí)葉輪的葉片數(shù)量進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，一般將前后兩級(jí)葉片數(shù)設(shè)定為互為質(zhì)數(shù)的情況；同時(shí)，還可適當(dāng)增加前級(jí)葉輪和后級(jí)葉輪的距離，避免后級(jí)葉輪成為聲障，從而降低或消除由于軸間間隙所導(dǎo)致的氣動(dòng)噪聲[4]。

同時(shí)，當(dāng)通風(fēng)機(jī)葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉輪葉片周期性地打擊周?chē)目諝猓彩菍?dǎo)致噪聲的主要原因之一，并且還會(huì)產(chǎn)生許多旋渦。導(dǎo)致通風(fēng)機(jī)葉輪葉片邊緣位置噪聲較大的原因是葉片出口處氣流不均勻，由此導(dǎo)致其產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲。

2.3 通風(fēng)機(jī)葉片氣動(dòng)噪聲分布特性

通風(fēng)機(jī)葉輪葉片分為壓力面和吸力面，前、后兩級(jí)葉輪葉片的氣動(dòng)噪聲分布如圖3 所示。

圖3 通風(fēng)機(jī)葉片噪聲分布

由圖3 可知，導(dǎo)致通風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的根本原因在于通風(fēng)機(jī)葉片與氣流的相互碰撞。通風(fēng)機(jī)葉輪葉片的前緣和中后部的聲功率較大，主要是因?yàn)槿~片前邊緣首先與氣流相接觸，致使對(duì)應(yīng)的壓力值較大，而葉片中后部氣流無(wú)法高效附著于葉片表面所導(dǎo)致。

其中，在葉片吸力面由于存在流道間隙導(dǎo)致在其表面形成一個(gè)相對(duì)明顯的低壓區(qū)域，從而導(dǎo)致該位置的聲功率值最高[5]。

2.4 通風(fēng)機(jī)外殼氣動(dòng)噪聲分布特性

通過(guò)對(duì)通風(fēng)機(jī)外殼氣動(dòng)噪聲的分布掌握通風(fēng)機(jī)外殼的振動(dòng)情況，并得出通風(fēng)機(jī)外殼氣動(dòng)噪聲分布如圖4 所示。

圖4 通風(fēng)機(jī)外殼噪聲分布

由圖4 可知，通風(fēng)機(jī)外殼聲功率最大的位置位于兩級(jí)葉輪的旋轉(zhuǎn)區(qū)域，從而再次體現(xiàn)了葉輪氣動(dòng)噪聲最大的現(xiàn)象。因此，在實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)中常對(duì)通風(fēng)機(jī)外殼采取相應(yīng)的隔聲處理，主要措施是采用雙層隔聲機(jī)殼，并在機(jī)殼內(nèi)填充一定的吸聲棉等。

3 結(jié)論

1）通風(fēng)機(jī)葉片葉輪與氣流相互作用是產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲的主要原因。

2）通風(fēng)機(jī)葉片吸力面所存在的流道間隙導(dǎo)致其表面形成低壓區(qū)，以致葉片吸力面邊緣位置的氣動(dòng)噪聲聲功率值較大。

3）通風(fēng)機(jī)葉輪葉片根部無(wú)法保證氣流附著于表面，導(dǎo)致其根部的氣動(dòng)噪聲聲功率較大。