轴流通风冷却塔气动噪声研究

梁世概，苏中地,3，李开慧，董家宁，徐文祥，杨海波

(1.中国计量大学 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018； 2.上海工程技术大学 汽车工程学院，上海 201620； 3．香港大学浙江科学技术研究院，浙江 杭州 311300)

轴流通风冷却塔气动噪声研究

梁世概1，苏中地1,3，李开慧1，董家宁1，徐文祥2，杨海波2

(1.中国计量大学 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018； 2.上海工程技术大学 汽车工程学院，上海 201620； 3．香港大学浙江科学技术研究院，浙江 杭州 311300)

电厂制冷系统中的冷却塔主要选择机力通风湿式逆流冷却塔.现场情况是冷却塔轴流风扇下方有一条用于检修的混凝土十字结构横梁，流体绕经这类钝体后在其后方会形成一系列周期性的尾涡，增加风扇入流的不均匀度以及湍流度，加大风扇气动噪声影响.为此，研究工作首先通过改造、设计出与现实电厂冷却塔工作方式相同的实验模型；然后通过对十字梁结构的设计，研究不同十字梁结构对风扇气动噪声的影响，证明导流十字梁结构有助于降低风扇来流湍流度，使其气流更加均匀；最后通过对阻尼网的选择安装，利用其整流作用以有效降低冷却塔气动噪声.此项研究工作为电厂冷却塔降低气动噪声影响提供理论与实验支持.

冷却塔；横梁；阻尼网

Abstract: The large mechanical draft counter flow wet cooling tower has been generally chosen for the refrigeration system of power plants. According to field situation, there is a concrete cross beam under the axial flow fan of a cooling tower. This bluff body will produce a series of periodic wakes after the passage of the fluid, which will increase inflow nonuniformity and turbulence of the fan and increase the aerodynamic noise of the fan. For the research work, firstly, the same experimental model with the actual power plant cooling tower was designed. Secondly, different kinds of cross beam were selected to study the influence of the aerodynamic noise of the fan. It was verified that the leading cross beam structure could reduce the turbulence intensity and made airflow more uniform. Finally, the damping nets were selected and installed. The aerodynamic noise of the cooling tower was effectively reduced by the rectifying action of the damping nets. The results provide theoretical and experimental support to reduce the influence of the aerodynamic noise.

Keywords: cooling tower; cross beam; damping net

大型机力通风逆流湿式冷却塔的噪声源主要由大型机力风机运转产生的空气动力性噪声和淋水噪声组成，另一部分是由于电机传动部件的疲态运行产生的机械噪声.风扇气动噪声基于频谱特性可以分为离散噪声和宽频噪声两种，离散噪声在频谱上主要表现在风扇通过频率点处的声压值大小，与转子叶片和变化的扰动流之间的相互干涉引起的噪声，以及风扇自身尾迹和尾涡脱落干涉噪声有关.而风扇的湍流噪声主要来源于来流湍流及不均匀流与叶片的作用、翼型尾涡脱落干涉、叶片表面边界层压力脉动及叶尖流动分离，在频谱上主要表现宽频带的特点[1].

多年来，国内外对冷却塔的噪声控制的研究从未间断.赵振国[2]比较系统和全面分析了冷却塔的结构组成，工作方式及一些热力计算的求解方式.Ellis R M[3]基于四大发电站的大型自然通风冷却塔，研究了其噪声辐射的机理，并根据其物理特性提出一个完整的预测方法.针对冷却塔工作产生的噪声特点，许多研究人员分别从主动控制，被动控制和主动被动控制相结合的方法来降低冷却塔噪声.周勃等[4]和费朝阳等[5]运用有限元的方法分析探讨冷却塔塔体外的声压分布情况以及噪声来源和频谱特性，提出在风机出口和冷却塔下部分别用阻性消声器和组合式声屏障来阻止噪声能量的传播，同时在冷却塔进风口设置具有吸声和隔声效果的隔声裙，降噪效果显著.康立刚[6]按照《工业企业厂界噪声标准》的I类标准，进口采用阻性消声装置，排风口采用阻性和坑性复合式消声装置，通过消声装置的内部结构及尺寸设计减少气体流动阻力损失，提升空气动力性能，降噪量在进风口处有31.2 dB，出风口处有28.8 dB.Yazici M和Han M H[7]设计出一种用于安装在冷却塔上的声音衰减装置，将穿孔内墙安装在外壳中，穿孔壁后面附有吸声材料.张怀军[8]通过对塔中缓冲填料的设计，提出降噪量在15 dB以上的前提是最小布置填料的密度为1.6 kg/m2.李泽峰[9]通过对大型折板消声器，宽频带阻抗复合吸声板的设计，针对噪声源频谱特性有效降低噪声，并用流场分析软件和声场分析软件证明了方案的合理性.

而针对风机气动噪声上的降噪处理，张胜利和席德科[10]通过比较风机噪声与叶片数、径向间隙、整流罩和集流器之间的关系得出，叶片数少的叶轮可提高风机工作效率，合理的风机通风管的设计有助于减少阻尼和提高进口气流均匀度，以此达到降低风机噪声效果.孙少明等[11]通过仿生非光滑叶片的设计，很好地起到导流作用以减少翼型表面的压力脉动，从而减少前后翼型间的气流干扰作用.欧阳华等[12]采用PIV技术测试低速的轴流风机流场，并采用CFD方法对流场进行数值模拟，对比计算与测试结果表明均匀进气下气动噪声声源主要是叶片尾缘涡脱落噪声和叶尖涡噪声，同时来流湍流及不均匀度对风扇气动噪声的影响不可忽略.

冷却塔风扇的常年运转需要人力检修维护，为了防止风扇疲态作业带来不必要的安全隐患，通常会在冷却塔风扇入口下方设计一条用于检修的混凝土十字结构梁.而十字梁这类钝体在流体绕经后尾迹会有一系列周期性尾涡的形成，增加风扇来流的不均匀度，并且一系列漩涡的脱落撞击到叶片前缘与叶片尾缘涡脱落作用增大风扇湍流噪声与离散噪声.所以，如何通过对十字梁结构的优化设计来控制这类钝体产生的涡抑或是减少风扇来流的不均匀度，降低风扇的气动噪声是本次实验研究的目的所在.

1 研究对象

由于电厂冷却塔实验条件限制，我们选用了一个工作方式，噪声产生机理一致的冷却水塔模型作为本次实验研究对象.实验模型如图1.

图1 冷却塔实验装置图Figure 1 Cooling tower test device

选取的冷却塔模型是一种每小时的水流量在50 t左右的机力通风逆流式冷却塔，外形尺寸在入口扩张段的直径有1 830 mm，出口收缩段的内径有965 mm.并配有一个运行电压380 V，功率1.5 kW/h的三相驱动电机.实验的风扇模型是一个直径930 mm的四叶型风扇.在实验原始模型情况下，风机与塔体直接接触，风机在正常运行时会带动塔体震动对实验产生二次干扰.为了消除塔体震动的影响，设计了一个高2.5 m的钢支架结构用于固定风机.

2 十字梁结构对气动噪声的影响

2.1实验方案设计

实验改变量主要是针对在未添加十字梁，添加方形十字梁，添加圆形十字梁和添加翼形十字梁(NACA0024)四种工况下冷却塔出口处噪声情况进行噪声测量.三种梁结构相对来流的最大尺寸都是50 mm，十字梁结构的位置距离风扇0.45 m.通过分析比对四种不同工况下模型冷却塔出口噪声频谱图以及能量图，研究来流湍流度以及来流不均匀对风扇叶片作用引起气动噪声的影响.实验采集系统包含麦克风、前置放大器、电信号调理器、A/D采集卡，通过编写MATLAB采集程序读取测量点的频谱特性曲线.麦克风的测量位置距离冷却塔出口边缘1 m，高0.5 m处.采样时间为20 s，采样频率为每秒51 200次，灵敏度为0.054 76 mV/Pa.在实验背景噪声不影响情况下同一种工况重复测量五组.具体噪声测量简图如图2.

图2 冷却塔出口噪声测试装置简图Figure 2 Schematic diagram of cooling tower noise test device

2.2实验数据分析

在未添加十字梁，添加截面为翼形十字梁(NACA0024)、圆形十字梁、方形十字梁，四种工况条件下冷却塔出口噪声频谱图如图3.频谱图主要以宽频带噪声为主，在个别离散频率点处出现明显的波峰，而这个频率点也是风扇叶片通过频率(Blade Passing Frequency，BPF)，与风扇自身的叶片数和风扇转动速度有关.具体计算公式如下[10]：

(1)

式中n为风扇的叶片数，z为风扇转速，风扇转速单位是转/分(r/min)，i为谐波数.

图3 四种工况下出口噪声频谱图Figure 3 Spectrum of outlet noise

模型冷却塔中风扇转速为945 r/min，叶片数为4，由式(1)计算得叶片通过频率的基频为63Hz。该频率点恰好对应图3中的离散峰值点.符合风扇噪声由宽频和离散两部分组成的噪声特性.

钝体在流体绕经后尾迹会有一系列尾涡的形成，例如流体力学中经典的卡门涡街现象.在一定的Re范围内尾涡振荡脱落后作用于风扇叶片，加大了部分由来流湍流度变大，来流更不均匀引起的风扇噪声.如图4所示，通过截取风扇通过频率(BPF)处冷却塔出口噪声的总声压值，相比于未加十字梁和加了翼形十字梁这两种情况，添加了圆柱十字梁和方柱十字梁结构的冷却塔出口噪声有3到4个dB的增大，也正是由于来流湍流的干涉作用加剧风扇吸力面涡流作用及风扇尾涡脱落之间的干涉噪声影响.图5是四种工况下出口噪声能量比较图，相比于没有十字梁和翼型十字梁，添加了方形、圆形十字梁结构的能量图在风扇噪声BPF处有一个明显的突增.产生能量突增的主要原因是流体流经方柱和圆柱这类顿体的时候，柱体后缘上下两侧会有涡周期性地轮流脱落，使得柱体后面的流场相较于未添加十字梁更加紊乱，从而加剧了风扇来流的湍流度及不稳定度干扰，增大风扇气动噪声.而翼型十字梁结构由于自身具有很好的导流作用，风扇来流相较于圆柱和方柱体更加平稳.根据声学总声压级计算公式[9]:

式中Lp为麦克风测量点的声压值，E表示声能量值，Pref为参考声压.相比较方形十字梁和没有十字梁两种工况在能量图稳定段处的能量差为0.1，代入公式得到两则声压差值为1 dB.

图4 四种不同工况下BPF处噪声频谱图Figure 4 Noise spectrum at BPF

图5 四种不同工况下出口噪声能量图Figure 5 Energy diagram of outlet noise

3 阻尼网对气动噪声的影响

3.1 实验方案设计

为减少来流湍流度以及不均匀流作用于叶片表面产生脉动压力的气动噪声影响，通过阻尼网的设计安装控制来流湍流及不均匀度，其作用原理主要是通过压降的作用整流气流的轴向速度分布，降低其纵向湍流度.阻尼网的组成通常是由细长的钢丝或则铜丝网编织而成.阻尼网的一个重要参数是开孔率，开孔率定义为阻尼网开孔面积大小与阻尼网总面积大小之比，然而开孔率的大小也影响着气流的稳定程度，过小的开孔率会因为网孔射流的随机性紊乱流场的均匀性，增大气流的轴向湍流度.根据经验结论，阻尼网的开孔率应至少大于0.57[13].实验选择的阻尼网的丝径为0.5 mm，孔径为2.2 mm，计算得到孔系率为0.6.

实验具体方法是在风扇轴向下15 cm处开始安装第一层网，第二、三层网安装位置与第一层网的间距分别为10 cm和20 cm.通过分别分析比较加了第一层网、第二层网、第三层网，第一、二层网，第一、三层网，第二、三层网和不加网这七种情况下模型冷却塔出口噪声的频谱图，探究不同网组合对降低来流轴向湍流度，减少不均匀流，提升风扇气动噪声性能的影响.实验安装简图如图6.

图6 阻尼网安装位置简图Figure 6 Installation diagram with damping nets

3.2 实验数据分析

分析比对在不同网结构组合下的冷却塔出口固定测量点总声压值大小，不同阻尼网组合的整流效果也各有不同.

如图7是选取了未加网，添加第二层网、第二第三两层网、三层网下测得冷却塔出口噪声频谱进行比较.相对于未加阻尼网的情况下，其他三种情况在表征风扇旋转噪声BPF点(63 Hz)处有明显的下降，而对于湍流噪声只有在高频段整个宽频带略有下移.图8表示的是加不同阻尼网层数出口噪声能量图，在添加阻尼网情况下能量在BPF处有大幅度衰减，其中在添加三层网的情况下在频率110 Hz附近处能量突增，这可能与第一层网的位置与风扇的距离太近，发生射流现象扰乱流场的稳定性有关.

图7 加不同阻尼网层数出口噪声频谱图Figure 7 Ppectrum of output noise with different damping network layers

表1对不同阻尼网组合情况下测得的出口噪声声压值大小情况对比.相比于未安装筛网的情况下，除了添加下层阻尼网情况下总声压值增大了，其它不同阻尼网组合下测得的总声压值都有不同大小的减少.其中在添加了方形十字梁的情况下，由于来流的湍流度和不均匀度的增大，阻尼网的整流作用也更加的明显，对降低风扇气动噪声效果也更好.

4 结 论

气体在一定的雷诺数范围内流过固体杆件这类的钝体时，会有一系列尾涡振荡脱落后作用于风扇叶片，一方面加大风扇来流湍流度度及不均匀流引起的风扇湍流噪声.另一方面也加剧风扇自身尾涡脱落而产生的离散噪声.实验研究结果表明，相对于未添加十字梁结构的情况下，添加了截面为方形或圆形的十字梁结构产生的紊乱干扰加大对风扇气动噪声的影响，而选择截面为对称翼型具有良好导流作用的十字结构能有效降低冷却塔气动噪声的影响.

合理的选择阻尼网安装位置及层数能有效降低来流湍流度大小，减少来流不均匀度对风扇气动噪声的影响.实验结果表明，在安装了第二、第三层阻尼网情况下测得的噪声最低，效果更佳.并且阻尼网的安装位置与风扇位置不能靠得太近，在避免发生射流的情况下适当的增加筛网的层数对降低冷却塔风扇气动噪声效果更加明显.

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Studyonaerodynamicnoiseofaxialflowcoolingtowers

LIANG Shigai1, SU Zhongdi1,3, LI Kaihui1, DONG Jianing1, XU Wenxiang2, YANG Haibo2

(1.College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China; 2.College of Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 200620, China; 3.The University of Hong Kong Zhejiang Institute of Reasearch and Innovation, Hangzhou 311300, China)

2096-2835(2017)03-0287-06

10.3969/j.issn.2096-2835.2017.03.004

2017-05-06 《中国计量大学学报》网址zgjl.cbpt.cnki.net

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