基于相似设计理论的自通风型牵引电机风扇降噪优化

（中车株洲电机有限公司）

0 引言

社会的发展对城市轨道交通的噪声提出了更高的要求[1-2]。在轨道交通设备中，牵引电机是重要的噪声源，根据形成机理，主要分为电磁噪声、机械噪声和气动噪声，在高转速时，气动噪声占主要地位[3]。牵引电机工作时要求风扇在正反转时具有相同的工作性能，而牵引电机离心风扇几乎只有径向直叶片的设计，风扇气动性能较差，效率较低，从而导致噪声较大。事实上，气动噪声形成机理复杂，目前很难找到一种通用且有效的降噪方法。基于一般工程上应用的风扇，目前已有不少学者对其进行过研究，汤黎明[4]对工程机械冷却风扇的流动特性与气动噪声进行了研究，结果表明更改风扇整体结构有较好的降噪效果；朱咸磊[5]分析了压气机的结构参数对其气动噪声的影响；李嵩等[6]对离心风机BPF噪声数值预估方法进行了研究；屈晓云等[7]详细研究了牵引电机冷却风扇气动性能，并对风扇气动噪声进行了试验研究；明乐乐等[8]对高速离心风机进行了气动优化设计，取得了良好的降噪效果；唐照付等[9]对离心风机叶轮切割后的性能进行了试验研究；栾宝奇等[10]发现采用碳纤维制造的风扇其各项技术指标优于传统铸铝风扇；王杨[11]对车用离心风机进行了研究，提出了降低风机气动噪声的方法。

目前专门针对牵引电机风扇优化设计的研究较少，也难以找到普遍有效的降噪措施，因为径向直叶片的约束大大限制了风扇可供改进的参数。本文基于离心风扇的相似设计理论，以一款具有较好气动性能的直叶片风扇为参照样机进行相似设计，替换现有牵引电机中高噪声的风扇，并通过混合计算气动噪声方法，得到电机噪声的声功率级与频谱，验证相似设计在风扇降噪设计中的有效性。

1 基于相似理论的风扇设计

相似理论在风扇的设计和试验中有着广泛应用[12-13]，通常所说的按模型换算进行相似设计和进行模型试验就是在相似理论指导下进行的。相似理论指出，两个模型流体力学相似需要满足如下三个条件。

1）几何相似

两个模型的对应角度相等，对应线性尺寸的比值相同。几何相似是力学相似的前提条件，是动力相似和运动相似的基础。几何相似条件可以表示为：

式中，D1，D2；b1，b2；L1，L2等是两个模型对应的线性尺寸；C1是常数。

2）运动相似

两个模型过流部分相应点流体的对应速度比值相同，即

式中，v，w，u是两个模型对应点不同方向的速度；C2是常数。

运动相似是几何相似和动力相似的必然结果。

3）动力相似

两个模型过流部分相应点流体的对应力的比值相同，也就是流动所受的外部作用力F和流体在外力作用下因本身引起的惯性力ma的比值相同。该比值称为牛顿数，用Ne表示，即

Ne值表示流动的一般动力相似条件，Ne相等，流动动力相似，相应的准则有雷诺准则、弗劳德准则和欧拉准则等。

相似设计分为半相似设计和完全相似设计，其中完全相似设计是指满足几何相似、运动相似和动力相似，半相似设计是指满足其中一种或多种，达到部分相似的设计。本文风扇相似设计是以某气动性能较好的风扇为参考风扇，通过几何相似，设计出满足电机冷却风量的风扇。

图1给出了噪声大小不同的两组风扇模型，其中气动性能较好的风扇为参考风扇，高噪声风扇为原型风扇。

图1 两组风扇模型Fig.1 Two sets of fan models

两组风扇结构参数对照如表1所示。

表1 风扇结构参数对照表Tab.1 Comparison table of fan structure parameters

理论分析和试验研究表明[14]，对风机而言，风机声源的声功率与叶轮速度的6次方，叶轮直径的平方成正比，即

式中，ρ是气体密度；ξ是阻力系数；D是叶轮直径；u是叶轮周速；a是当地声速。

分别安装有这两种风扇电机的实测噪声声功率级如图2所示，图中噪声的声功率级都是在同一个测点测得。根据公式（4），如果两风扇气动性能相差不大，因为参考风扇的外径更大，可以推断出在相同转速下参考风扇的噪声声功率级比原型风扇大1.8dB左右，而实测发现参考风扇在高转速时较原型风扇噪声的声功率级低4dBA左右（低转速时不具备参考性，因为此时气动噪声不占主要地位），由此可以看出参考风扇具有良好的气动性能。

图2 电机噪声声功率级随转速变化Fig.2 Motor noise sound power level changes with the speed

由于风扇风量与叶片直径有较大关系，因此这里的几何相似以直径比值为依据。将参考风扇按0.95的比例（两个风扇外径的比值）进行缩小，缩小后叶片直径为384mm，与原型风扇的叶片直径一致，这样可以保证相似设计后的新风扇能够安装在电机内。

2 设计验证

2.1 风量验证

由于在风扇相似设计时只采用了几何相似设计，为了防止新风扇在电机中风量不足，使电机出现过热风险，进而烧毁电机，因此有必要对新风扇进行风量验证，对电机进行整机CFD模拟，仿真在fluent软件中进行，输入的边界条件如表2所示。

表2 仿真边界条件Tab.2 Simulation boundary condition

仿真计算收敛后，统计进口流量，安装原型风扇的电机风量和新风扇的电机风量随转速的变化曲线如图3所示。从图中可以看出，装有新风扇的电机风量与原型风扇的电机风量基本一致，据此可以判断通过相似设计的新风扇装在牵引电机上，无散热风险。

图3 两组风扇风量对比Fig.3 Flow comparison between two sets of fans

2.2 气动噪声验证

混合计算气动噪声方法中忽略了声场对流场的影响，将气动噪声的计算分为声源的产生和声传播两个步骤：首先采用数值模拟等方法计算牵引电机的非定常流场，之后以非定常流场计算结果为基础利用Lighthill声类比方法对声场进行计算。

关于旋转机械的气动噪声控制方程可由N-S方程推导得到，基于Lighthill声类比方法，并加入了Curle’s理论，最终得到的控制方程如下[15]。

方程右边第一项为体声源，第二项为面声源。式中，ρ是流体密度；ρ0是环境密度，是常量；Tij=ρυiυj+δij((p-p0)-a02(ρ-ρ0))-τij是 Lighthill应力张量；∑ij=ρvivj+(p-p0)δij-τij。

电机噪声的测点布置如下图所示。

图4 电机噪声测试测点分布示意图Fig.4 Distribution diagram of measuring points for motor noise test

计算结果如下。

1）总声压级对比

如表3所示，从表中对比结果可以看出，安装有新风扇电机的噪声平均声压级比安装原型风扇电机降低4.8dBA，降噪效果较明显。

表3 4 000r/min-安装原型风扇与新风扇的相同电机在各测点位置声压级仿真结果对比Tab.3 4 000r/min-Simulation results comparison of sound pressure level of the same motor installed with the prototype fan and the new fan at each measuring point

2）噪声频谱对比

由于各个测点的频谱较为相似，为简洁起见，取测点H1的频谱进行分析，测点H1在4 000r/min时的频谱如图5所示。从图中可以发现，安装新风扇的电机较安装原型风扇电机的噪声声压级在整个测量频段上均有所下降，特别是在一阶叶片通过频率1 133Hz附近时下降较为明显，有10dBA左右的降噪效果，体现了新风扇优异的降噪效果。

图5 测点H1-原型电机与优化电机的频谱对比Fig.5 Spectrum comparison of measuring point H1-prototype motor and optimized motor

3 结论

本文结果表明，使用相似设计的关键是需要一个气动性能较好的参考风扇模型，在此基础上，相似设计可以有效降低电机的气动噪声，是一种较为经济且有效的方法。

新风扇模型和原型风扇的噪声仿真结果表明：使用新风扇的电机其气动噪声的平均声压级比使用原型风扇的电机降低4.8dBA，降噪效果较明显。该计算结果表明对于设计参数受限的径向直叶片牵引电机风扇，其气动优化设计非常困难，而依据已有气动性能更优的风扇进行相似设计，对于牵引电机风扇降噪设计是一种简便高效的方法，对于牵引电机风扇降噪设计中有重要的指导意义。