船用通风机减振降噪的探讨和实验研究

袁东红 谢军龙

1海军驻第七O一研究所军事代表室，湖北 武汉430064 2华中科技大学能源学院，湖北武汉430074

船用通风机减振降噪的探讨和实验研究

袁东红1谢军龙2

1海军驻第七O一研究所军事代表室，湖北 武汉430064 2华中科技大学能源学院，湖北武汉430074

船用通风机的性能、噪声和振动是衡量风机好坏的重要指标。性能关系到通风效果，噪声和振动关系到船员身体健康、工作效率和安全性。本文首先对船用通风机从进口到出口进行了整体模拟，并在此基础上对叶轮和蜗壳进行了优化设计，使之合理匹配，从而提高风机性能，并从源头上降低空气动力噪声。实验结果表明，与原型机相比，改进之后的风机在设计工况处噪声值降了5 dB。同时，本文还通过减小叶轮的偏心距来进行减振研究，使通风机组的结构噪声比原型机下降2 dB。

船用通风机；减振；降噪

1 引言

船用通风机的噪声是衡量风机好坏的重要指标，近年来愈来愈为人们所关注［1，2］。噪声主要包括气动噪声和结构振动噪声两大部分。其中气动噪声与风机内非定常流动特征密切相关，而结构振动噪声则是属于涉及流体动力学、振动力学和声学在内的多学科耦合问题［3，4］。目前，已有的研究［5－7］多为通过改变某一部件的结构参数如蜗壳宽度、蜗壳型线、蜗舌间隙等进行降噪，这虽然可以得出一些规律性的结论，但由于未考虑叶轮和蜗壳的匹配，这种方法在实际应用上仍存在着一定的局限性。目前，船用通风机经过多年的改进，噪声和振动都有所降低，但仍然满足不了现代船舶的要求。因此，本文对船用通风机从进口到出口进行整体模拟，得出流道中的压力分布及流动情况，并在数值模拟结果的基础上，对其中不合理的流动区域进行了优化改进，同时进行了性能实验，以此寻求通过CFD手段来提高风机气动性能和降低噪声的有效途径。

2 计算域、叶轮与蜗壳

流动的计算域是从风机进口到出口的整个流道，如图1所示，叶轮如图2所示。本文中蜗壳截面为矩形，其内壁型线按照自由流动的轨迹设计，气体在蜗壳中的流动遵循动量矩不变定律，如图3所示。

2.1 蜗舌

对离心风机其蜗壳的内部流动将影响到整机的性能和噪声，特别是蜗舌处的流动。图4给出了蜗舌附近的流线图，由图4可见，蜗舌区流动较平稳，压力梯度沿着外部型线向内，这样出口速度的动压可以充分转化为静压，这正是所期待的事。

图1 计算区域示意图

图2 叶轮示意图

图3 蜗壳径向面示意图

图4 进出口处径向面上流线图

图5 进出口处流道全压等值线图

2.2 叶轮

叶轮是风机做功的部件，适合工况的叶轮翼形有益于效率的改善，通过数值模拟技术可以对翼形进行恰当的优化［8－9］。图5是叶轮内部全压等值线图，很明显其压力值达到了设计要求，这为机型的改进提供了理论依据。通过对流道中的漩涡产生、发展和破裂过程的分析，可以为流道优化设计、叶轮与蜗壳的匹配研究工作提供方便的数值计算分析平台［10］。

3 降噪措施与实验结果

3.1 降噪措施

在原型机基础上对叶轮和蜗壳的结构参数进行改进，通过样机实验对比，得到了较令人满意的效果，现将改进处和实验结果加以阐述。

改进之一是将叶轮的宽度减小10 mm，使性能曲线左移，致使噪声最小值移至设计工况点。

改进之二是根据蜗壳内部流动计算，在叶轮出口处找到一个涡流区，我们在进口外环加1个挡流圈，来制止涡的生成。

改进之三是在出口加了个扩压段，周围加了吸声材料，使得噪声有所下降。

改进之四是将内蜗板的孔径由φ4减为φ2，穿孔率由8.72%增至20%。

改进之五是在蜗壳内加分流筋，以改善出口流动状态。

3.2 试验结果

采用上述措施后，在设计工况处，气动噪声值下降了5 dB（A）。全船通风机的性能与噪声的试验结果如图6所示。

降噪治标的办法就是吸声，吸声内蜗板孔径大小、穿孔率大小、吸声材料声阻、吸声导流板的位置、长短等都影响吸声效果。在空间有限的船舶空间里，吸声蜗壳不可能达到理想要求的壁厚，必须经过多次实验，才能找出最佳的吸声效果与最小的机壳体积。

4 减振措施与实验结果

实验风机叶轮与直流幅压电动机直联，机组振动大小取决于直流电动机本身振动大小和风机叶轮的动平衡精度等级、叶轮端面的轴向跳动、前后盘的同心度和轴盘孔与轴的配合精度等因素。而直流电动机本身的振动大小，高频段主要取决于换向器工作时产生的高频结构噪声；中频段主要是由电机轴承间隙和冷却风扇的气动力引起中频结构噪声；低频段主要是由电机转子动不平衡引起的。图7给出了直流幅压电动机的4个机脚处的频谱图，其中50 Hz左右为旋转的基频，在此频率加速度存在一个峰值。

图6 性能与噪声试验结果

图7 电机机脚加速度

减小风机本身振动有两种方法，其一是降低风机的工作转速，其二是减小叶轮的偏心距。第一种方法是不可行的，因为风机转速降低，风量、风压必然随之降低，要维持其值不变，必然加大机号，但研制要求中已经对外形尺寸限死了，唯一可行的办法是减小叶轮的偏心距。为了减小叶轮的偏心距，在研制中将钢制焊接叶轮改为精密铸造低镁铝合金叶轮，并对外表面进行车削加工，将动平衡精度从G2.5提高到G1，并在工作转速下做动平衡。叶轮轴孔和电动极轴的配合采用配合间隙小于5的过渡配合。用高转速做动平衡的必要性可以从文献［11］中的图3分析而得，如用1 200 r／min做动平衡，其质量偏心距为8 μm，动平衡精度等级为G1，可是同样是这个质量偏心距，用3 000 r／min做动平衡，它的平衡精度等级却为G2.5。

通过以上减振措施研究，通风机的结构噪声比原型机下降2 dB，达到了预期的效果。

5 结论

通过大量数值模拟和多次实验研究，证明所采取的减振降噪措施是有效的，在不断增大机组体积和质量的前提下，既保证了空气动力学性能，又有效地降低了全船通风机噪声和振动，为进一步改进该机组提供了理论和实验依据。

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［11］ 中华人民共和国机械行业标准（JB／T9101－1999），通风机转子平衡，5，图3.

Investigation and Experimental Study about the Noise and Vibration Reduction of the Marine Fan

Yuan Dong-hong1Xie Jun-long2
1 Military Representative Office of 701 Institute，Wuhan 430064，China 2 College of Energy&Power，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China

The performance，noise and vibration of the marine fan are important indicators to measure whether a fan is good or not.Performance is related to the ventilation effect，noise and vibration are related to the health and work efficiency of the crew，and safety of the submarine.In this paper，the impeller and volute design of the marine fan are optimized on the base of the simulated result of the whole marine fan from fan inlet to outlet，so that it can be reasonably matched，thus improving the fan performance and reducing the aerodynamic noise from the source.The experimental results indicate that the noise is reduced by 5dB in design condition of new fan compared with the original fan.Also，the structural noise is reduced by 2dB through decreasing the eccentricity of impeller.

marine fan；decreasing vibration；noise reduction

U664.5

A

1673－3185（2009）03－49－03

2008-11-15

袁东红（1964－），男，高级工程师。研究方向：舰船轮机及机械工程