新叶形对旋风机噪声特性研究

姜 华，李 凤，邵珅菲，宫武旗

（1.西安科技大学 能源学院，西安 710054；2.西安交通大学 能源与动力工程学院，西安 710049）

0 引言

风机是通风工程中的核心设备，其中对旋风机因流量大、压升高等特点被广泛应用到矿山隧道等领域［1］。对旋风机噪声较大，是风机应用的主要问题之一［2］，因此研究对旋风机的噪声特性对控制噪声具有指导意义。研究表明气动噪声是风机的主要噪声源［3-4］，对旋风机叶顶及叶片前缘和尾缘是主要气动噪声源［5-6］，对旋风机噪声由宽频噪声和离散噪声构成，其噪声峰值主要分布在中低频段［7-8］，更多对旋风机的噪声特性研究可见文献［9-12］。不同轮毂比［13］、轴向间隙［14-17］、风机转速［18-19］、叶片角度［20］、前后叶轮叶片数［21］条件下对旋风机噪声特性也有研究。有关风机的研究多针对已有翼型，对叶片形状的研究主要针对其对气动性能的影响［22-24］，对旋风机叶片形状对其噪声影响的研究几乎未见报道。

为适应轴流风机反风要求，李超俊等最早提出“反向对称翼型”［25］（S翼型），试验发现该新型风机正反风性能基本相同［26］。李景银等［27］对比2种不同翼型为原始翼型的S翼型，研究翼型头部形状对阻力系数和升力系数的影响。反向对称S翼型用于对旋风机的研究很少，且几乎没有正向对称翼型用于对旋风机的报导［22-23］。本文设计1台功率为55kW的高效对旋风机，采用双头正向对称思想，在原始C-4翼型基础上同时改变叶片前缘和尾缘形状，即双头尖叶形和双头钝叶形，对比研究以这2种新叶形和原始翼型为叶片的3种对旋风机正反风性能和噪声特征。

1 设计参数和网格无关性验证

本文采用平面叶栅设计方法［24］和等压分配原则，设计3种叶形叶片对旋风机如图1所示，其中原始翼型叶片前缘半径为1.2 mm，后缘半径为0.06 mm。正向对称叶形是指以C-4原始翼型中间弦长处为对称点，叶形前后缘相互对称的翼型。设计流量Q=44 000 m3/h，转速n=2 950 r/min，出口静压P=6 400 Pa，工作轮外径Dt=800 mm，轮毂比d=0.7，叶片数Z1=15、Z2=10，功率为55 kW。对3种叶形对旋风机采用大涡模拟和PISO算法进行非定常流场和噪声计算。

图1 原始翼型叶片及2种修改叶片形状

原始翼型前后排叶栅如图2所示。

图2 原始翼型前后排叶栅

对原始翼型风机进行网格无关性验证，研究发现当对旋风机单流道内网格数由70万增加到145万时，对旋风机性能参数几乎不变如图3所示，由此确定单流道网格数为145万。2种修改叶形对旋风机网格数量，均以此为参考标准。

图3 网格无关性验证

2 对旋风机正反风性能

对旋风机的正反风运行性能是评价风机性能好坏的重要指标，本文首先采用定常计算，研究了3种叶形对旋风机的正反风运行性能，在此基础上分析其噪声特性。

2.1 正风运行性能

图4示出3种叶形的对旋风机整机正风性能曲线。从图4可以看到，双头尖叶形的整机性能曲线向大流量方向偏移，性能高于原始翼型风机，但在小流量区域，双头尖叶形风机内效率低于原始翼型和双头钝叶形风机；双头钝叶形风机整机功率和压力略低于原始翼型，但差别不大。设计流量下，2种修改叶形的内效率值均高于原始翼型。正风运行时，双头尖叶形与其它2种叶形相比进口处气流冲角小，使得气流在叶片表面边界层分离损失和冲击损失较小，从而使叶片获得较高性能，叶轮效率高，原始翼型和双头钝叶形则相差不大。

图4 3种叶形风机整机正风性能曲线

2.2 反风运行性能

图5 示出3种叶形对旋风机整机反风性能曲线。反风量由规范查取可知，取60%设计流量为性能曲线变化的起始流量。双头尖叶形和双头钝叶形风机整机反风性能功率和全压相差不多，均优于原始翼型，双头钝叶形风机内效率平均高于原始翼型风机约6%，双头尖叶形与原始翼型风机内效率相差不多。

反风运行时，叶片的头尾倒置，气流的入口冲角变大，叶片表面气流分离，使反风性能大大降低。比较而言双头钝叶形气流能较好的贴合叶片表面，其它2种叶形叶片表面气流分离较大，使得其反风效率不如双头钝叶形。

图5 3种叶形风机整机反风性能曲线

3 噪声特性分析

噪声特性是评价风机性能的重要指标之一，为进一步了解3种叶形噪声特性，在设计流量下，先进行非定常计算，在此基础上再计算3种叶形风机噪声，具体结果如下。

3.1 噪声监测点位置

3种叶形对旋风机远场噪声监控点位置一致，图6分别示出在对旋风机进出口轴线上，离风机进、出口0.5，1 m处各布置2个点（进0.5 m、进1 m、出0.5 m、出1 m）；在与进出口轴线呈45°角方向且离进出口中心1m，垂直轴线圆周面上分别均匀布置 4个点（如图 6（b）和 6（c）：进 1，2，3，4 和出 1，2，3，4）。

图6 对旋风机远场噪声监控点位置示意

3.2 噪声监测点总声压

原始翼型、双头尖叶形、双头钝叶形在进出口各噪声监控点处的A声级分别见表1～3。可以看出双头钝叶形进出口总声压值最低，双头尖叶形声压值高于原始翼型。3种叶形在对旋风机轴线布置的噪声监控点的声压值，出口均比进口高约4 dB。在轴线45°方向且距进出口中心距离为1 m的截面上，原始翼型平均出口声压值高出进口4.7 dB，双头尖叶形平均出口声压值高出进口3.07 dB，双头尖叶形平均出口声压值高出进口2.07 dB，距离声源越近的点接收的噪声声压值越高。

表1 原始翼型进、出口监控各点A声级

表2 双头尖叶形进、出口监控各点A声级

表3 双头钝叶形进、出口监控各点A声级

双头尖叶形与原始翼型风机对应进出口监控点A声级差值见表4，可以看出除出口1和出口2点外，其他监控点处双头尖叶形风机声压级均高出原始翼型风机，差值在进出口轴线处较大。在进口和出口外1 m球面监测点上，双头尖叶形较原始翼型风机声压值略有增大，分别平均增大1.8，1.0 dB，均不超过 2 dB。

表4 双头尖叶形与原始翼型进出口监控各点A声级差值

双头钝叶形与原始翼型风机对应进出口监控点A声级差值见表5。可以看出在各监控点，双头钝叶形风机比原始翼型风机声压值均有所降低（0.75～6.7 dB），在出口处双头钝叶形声压降低幅值大于进口处。在进口和出口外1 m球面监测点上，双头钝叶形较原始翼型风机声压值平均分别降低2.2和4.27dB，显示出双头钝叶形具有良好的降噪效果。

表5 双头钝叶形与原始翼型进出口监控各点A声级差值

3.3 噪声监测点频谱分析

气动噪声是对旋风机的最主要噪声来源，气动噪声包括离散噪声和宽频噪声，气动噪声由上述噪声相互叠加而构成。由风机气动噪声理论可知，离散噪声主要由动叶旋转与空气产生周期性扰动产生；宽频噪声主要由叶尖涡流和叶片尾迹漩涡脱离、湍流边界层、不均匀来流等因素导致的随机脉动而引起。

为进一步分析对旋风机噪声分布特点，将其外场各监控点声压的时域信号，经过快速傅里叶变换（FFT）得到其声压频谱。对流场外不同观测点噪声进行A记权1/3倍频程（1/3-Octave Band/Hz）分析，其中横坐标为1/3倍频程（1/3-Octave Band/Hz），纵坐标为压力A声级（dBA/dB），风机轴旋转频率为49.17 Hz，两级叶轮的叶片通过频率分别为 737.55，491.7 Hz。

图7和8分别示出3种叶形对旋风机在进出口监控点噪声频谱，噪声分布频谱显示出连续的宽频噪声特征。在两级叶轮的叶片通过频率叠加频率1 229.25 Hz附近区域，3种叶形的A声级值在整体频率范围内均最高，其中双头钝叶形噪声最低，A声级值分别低于原始翼型和双头尖叶形约3和7dB。由图7可以看出，原始翼型、双头尖叶形、双头钝叶形在进口处进0.5 m点的最高声压值分别为 103.5，112.2，96.1 dB；进 1 m 点的最高声压值分别为94.3，103.8，87.4 dB；进1点的最高声压值分别为97.2，100.1，89.1 dB。

进口监测点，在50～200 Hz低频区域双头钝叶形噪声最低，A声级值分别低于原始翼型和双头尖叶形约10 dB和15 dB，双头尖叶形的A声级值最高。在200～1 000 Hz范围内，3种叶形噪声相差不大。在1 000～2 500 Hz范围内，双头钝叶形噪声最低，原始翼型和双头尖叶形相差不大，3种叶形的A声级值平均相差4 dB左右。从2 500 Hz开始频谱线逐渐降低，3种叶形噪声A声级值在此频率范围相差不大。

图7 3种叶形进口外各监控点1/3倍频程谱

图8 3种叶形出口外各监控点1/3倍频程谱

如图8所示，在风机出口出0.5 m点的最高声压值分别为 103.4，105.4，99.9 dB；出 1 m 点的最高声压值分别为93.2，97.1，88.7 dB；出1点的最高声压值分别为95.1，98.6.1，93.1 dB。

在出口外监测点，整体而言双头钝叶形噪声依然最低，双头尖叶形的A声级值最高。在50～200 Hz低频区域双头钝叶形噪声最低，A声级值分别低于原始翼型和双头尖叶形约8和10 dB，双头尖叶形的A声级值依然最高。在200～1 000 Hz范围内，3种叶形噪声相差不大。在1 000～2 500 Hz范围内，双头钝叶形噪声最低，比原始翼型平均约低10 dB；原始翼型次之；双头尖叶形除在出0.5 m点噪声大于原始翼型外，其他监测点噪声与原始翼型接近。

由上可知，总体上双头钝叶形风机的A声级最小，双头尖叶形相比其他两种叶形的A声级较大。其中低频区双头钝叶形A声级值分别低于原始翼型和双头尖叶形10 dB左右；中频区3种叶形噪声相差不大；高频区双头钝叶形噪声最低，进口和出口监测点噪声分别比原始翼型平均约低4，10 dB，原始翼型和双头尖叶形相差不大。

由于风机在低频段降噪难度较大，对低频噪声消声器消声效果不明显，而在低频区域双头钝叶形A声级值分别低于原始翼型和双头尖叶形10 dB左右，可知双头钝叶形在低频区噪声降低明显，有利于实现对旋风机降噪。

风机气动噪声产生机理复杂，主要有与叶片通过频率有关的离散噪声，以及由于脱落涡、叶尖涡等形成的宽频噪声。计算发现在两级叶轮干涉面处，原始翼型和双头尖叶形的脉动幅度大于双头钝叶形。在第二级叶片出口处，双头尖叶形的压力值最高，双头钝叶形的平均压力略低于原始翼型。3种叶形两级叶轮的叶顶间隙处，叶片头部压力脉动最大值的频率均与两级叶轮的通过频率基本一致，第一级叶轮的叶顶间隙处为发生气流振动的主要部位，其中双头尖叶形在此处的脉动值最高，原始翼型次之，双头钝叶形最低；第二级叶轮叶顶间隙处气流经过反转扰动加剧，双头尖叶形在高频处仍有较高脉动值。这些可能是造成双头尖叶形噪声较高，而双头钝叶形噪声较低的主要原因。

3.4 噪声指向性特性分析

在Y=0平面上以两级叶轮中间轴心位置为圆心，半径为2.21 m的圆上，从出口方向0°开始，每隔10°布置一个点，得到整个圆周上的全部监测点。图9示出3种叶形对旋风机的噪声指向性特性。从图9可看出，双头尖叶形的声压值最高，原始翼型次之，双头钝叶形声压值最低。3种叶形的指向性分布均在0°（即对旋风机出口方向）声压值最高，180°（即对旋风机进口方向）是声压值第二高处，从最高值点开始，声压值向两侧方向逐渐减小，且3种叶形均在120°附近和240°附近声压值最低。由此可见，3种叶形对旋风机的外声场辐射具有偶极子特性。

图9 3种叶形对旋风机噪声指向性特性

4 结论

（1）3种叶形对旋风机正反风性能良好，本文叶形设计效果良好，能够满足对旋风机正反风运行要求。

（2）正风运行时，双头尖叶形的整机性能曲线向大流量方向偏移，性能高于原始翼型风机；双头钝叶形风机整机性能与原始翼型差别不大。反风运行时，双头钝叶形风机内效率平均高于原始翼型风机约6%，双头尖叶形与原始翼型风机内效率相差不多。

（3）利用噪声数值模拟对3种叶形叶片对旋风机的噪声特性进行研究，分析发现对旋风机外声场，在进口和出口外1 m球面上，出口处双头钝叶形声压降低幅值大于进口处，双头钝叶形较原始翼型风机声压值平均在进口外降低2.2 dB和在出口外降低4.27 dB；双头尖叶形风机声压值较原始翼型风机声压略有增大，但增大值不超过2 dB，显示出双头钝叶形具有良好的降噪效果。

（4）在两级叶轮的叶片通过频率叠加频率1 229.25 Hz附近区域，3种叶形的声压值在整体频率范围内均最高，其中双头钝叶形噪声最低，声压比原始翼型低约3 dB，比双头尖叶形低约7 dB。

（5）风机在低频段降噪难度较大，对低频噪声消声器消声效果不明显。而在低频区域双头钝叶形声压比原始翼型低约8 dB，比双头尖叶形低约10 dB，可知双头钝叶形在低频区噪声降低明显，有利于实现对旋风机降噪。

（6）噪声指向性特性显示，3种叶形对旋风机的外声场辐射均具有偶极子特征，双头尖叶形的声压值最高，原始翼型次之，双头钝叶形声压值最低。