加長葉片對離心風機性能及噪聲影響的實驗研究（3）

    由圖 9 可知，葉輪葉片加長后風機的效率在整體上均略有下降。表 2 表明，大流量區各管路特性曲線的運行工況點效率均有下降，該區域對應原風機的流量范圍為 79%~114% 最高效率點流量。當葉輪葉片加長 5% 時，運行工況點效率下降 0.38%~2.9% ，平均下降 1.32% ；當葉輪葉片加長 10% 時，運行工況點效率下降 0.95%~4.98% ，平均下降2.47% 。即葉輪葉片每加長 5% ，風機效率約下降1.3% 。利用表 2 中的數據可將葉輪葉片加長前、后運行工況點的參數關系整理成與切割定律類似的形式。

式中上標“' ”表示改造后風機運行工況點的參數。整理過程中對根據不同工況點參數計算所得的指數取了算術平均值。 由式 (7) 和 (8) 可知，隨加長量的增加，流量和全壓比例式中的指數有增加的趨勢；而功率和效率比例式中指數則逐漸減少。與式 (1)~(6) 不同的是，式 (7) 和 (8) 揭示的是風機葉輪葉片加長后運行工況點參數之間的關系，尤其是給出了效率變化關系，可直接用于工程實際中葉輪葉片加長改造時加長量的計算。
2.2 性能實驗結果與切割定律的比較
由風機的加長方式及圖 7 可知，風機葉輪葉片加長前后葉輪出口的寬度不變，適用的切割定律應為式 (4)~(6) 。應用式 (4)~(6) 將原始風機性能實驗獲得的工況點的流量和全壓數據進行換算后繪制成曲線，并與葉輪葉片加長后的實測性能曲線進行對比，如圖 10 所示。由圖可知，按切割定律 (4)~(6)計算所得結果與風機性能實驗結果差別較大。為此，又應用式 (1)~(3) 將原始風機性能實驗數據換算后繪制成曲線，并與實測結果對比，如圖 11 所示。

    圖 11 表明，在流量大于 5 m 3 /s ( 相當于 83% 最高效率點流量 ) 的大流量區， 由切割定律 (1)~(3) 計算所得曲線與實測結果非常接近，其中葉輪葉片加長 5%時，與實測結果相比，計算流量誤差小于 1% ，全壓誤差小于 2% ；葉輪葉片加長 10% 時，計算流量誤差小于 1.5% ，全壓誤差小于 2.5% ；而在小流量區計結果的誤差較大，特別是葉輪葉片加長 10%的情形，全壓誤差高達 5% 。由此可知，當葉輪葉片按本文方式加長，即加長前、后葉輪出口的寬度不變時，適用的切割定律應為式 (1)~(3) 而非式 (4)~(6) ， 并且切割定律更適合于大流量區相應工況點性能參數的換算。
    風機的切割定律是在假設葉輪切割或加長前后葉片出口安裝角和風機效率不變，且切割前后風機出口速度三角形相似的前提下，由相似定律簡化推導而來 [1-2] 。 但實驗過程表明， 葉輪葉片加長后與原風機相比，只有葉輪外徑和葉片長度發生變化，其他結構參數并未改變，因此并不完全符合幾何相似條件。另外，利用風機性能實驗結果繪制的無因次性能曲線 ( 圖 12) 也表明，葉輪葉片加長后全壓和功率無因次性能曲線均與加長前并不相重合，說明葉輪葉片加長后的風機與原始風機不滿足相似條件，因而以相似定律為基礎推導出的切割定律存在一定誤差。
    文獻 [15] 建議通過模型試驗來確定需要加長葉片的風機在不同加長量下的實際性能曲線，然后再根據實際需要的參數確定加長量，而不是由公式計算加長量。因此，本文通過實驗獲得的風機葉輪葉片加長 5% 和 10% 的無因次性能曲線可用來獲得G4–73 系列其他型號風機葉輪葉片加長后的性能曲線，并為工程實際中確定風機葉片葉輪加長量提供重要的參考依據。

2.3 風機葉輪葉片加長后的噪聲實驗
    噪聲測量遵循 GB 2888—2008 《風機和羅茨鼓風機噪聲測量方法》[16] ，選用近場測聲法使用AWA6270A 型噪聲頻譜分析儀對風機噪聲 A 聲級與頻譜進行了測量。實驗得到葉輪葉片加長前、后通風機的 A 聲級噪聲與風機流量間的關系曲線如圖 13 所示。
    圖 13 表明，與原通風機相比，葉輪葉片加長后的通風機各流量下的噪聲均有所上升。當葉輪葉片加長 5% 時，通風機噪聲增加 1.3~1.9 dB，平均增加了 1.6 dB ；當葉輪葉片加長 10% 時，通風機噪聲增加 2~2.8 dB ，平均增加了 2.3 dB 。在流量小于6 m 3 /s ( 最高效率點流量 )時， 葉輪葉片加長 10% 后風機產生的噪聲高于葉輪葉片加長 5% 的噪聲；在流量大于 6 m 3 /s 時葉輪葉片加長 10% 后風機產生的噪聲與葉輪葉片加長 5% 后風機的噪聲相差不大。對于離心式通風機，葉輪與蝸殼間存在著一定距離 t，t 過小會使風機噪聲升高，t 過大又會使風機性能下降。文獻 [17] 認為該距離與葉輪外徑的比值 t / d = 0.125 時噪聲最小。本研究中，原始風機葉輪與蝸舌之間的距離為 100 mm ，葉輪外徑為800mm ，二者比值正是最佳值；當葉輪外徑加長到840 mm 時，t 減小到 80 mm ，t / d = 0.095 ；當葉輪外徑加長到 880 mm 時， t減小到 60 mm， t / d = 0.068 。隨著 t / d 的不斷減小，噪聲水平不斷升高。圖 14 為實驗風機流量為 6.6 m 3 /s 時的噪聲頻譜圖。噪聲變化的總趨勢是隨頻率的增加逐漸下降，但頻率在 250~300 Hz 之間出現噪聲峰值， 該峰值是旋轉噪聲和旋渦噪聲相互混雜的結果。號 1,2,3, ，其中 i = 1 為基頻，從噪聲強度看，基頻最強； i = 2,3,4, 為高次諧音， 其總趨勢是逐漸減弱的。對實驗風機 n = 1 450 r/min ，Z = 12 ，因此可計算得到實驗風機的旋轉噪聲基頻為：f r  = 290 Hz ，因此在 250~300 Hz 之間風機噪聲以旋轉噪聲為主，總噪聲為旋轉噪聲、旋渦噪聲及振動噪聲的疊加。對實驗風機葉輪葉片加長前、后的風機噪聲進行頻譜對比可知，在 31.5~300 Hz 的低頻段，葉輪葉片加長致使噪聲增加迅速。當葉輪葉片加長5% 時，平均增加了 2.1 dB ；當葉輪葉片加長 10% 時，平均增加了 3.5 dB 。在大于 500 Hz 的中高頻段，原風機噪聲與葉片加長后風機噪聲相差很小，當葉輪葉片加長 5% 時，噪聲幾乎與原始風機重合。

    葉輪與蝸舌耦合產生的主要是旋轉噪聲 [18] ， 實驗中 2 次葉輪葉片加長造成葉輪與蝸舌間的距離減少， 偏離最佳值， 因而造成各頻率下旋轉噪聲增加，尤其以基頻下增加得最為顯著。但從圖 14 中可以看出在 100 Hz 以下的超低頻區， 噪聲增加得更為顯著。這是因為 2 次葉輪葉片加長不僅減小了葉輪與蝸舌之間的距離，更為重要的是改變了葉輪與蝸殼之間的適配關系，造成蝸殼內流動惡化，使渦流噪聲大幅度增加的緣故。在工程實際中， G4–73 型風機的噪聲問題已引起了廣泛關注 [19] ， 如果為滿足生產需要而進行加長葉片的改造，則噪聲的增加有可能超過相關環境保護標準。在這種情況下，在對風機進行加長葉片改造的同時，需增加相應的降噪措施，如在葉片流道中增設整流網格，或裝設消音器等。
3 結論
    利用 FLUENT 軟件對 G4–73 № .8D 離心通風機葉輪葉片加長前、后的內流特征進行了數值模擬，比較加長前后內部流場的變化，分析了風機做功能力提高的機制。在此基礎上對葉輪葉片加長前后離心通風機進行了性能和噪聲實驗。由此可以得出以下幾點結論：
1 ）當風機葉輪葉片加長 5% 和 10% 時，運行工況點的流量平均增加 4.9% 和 10.5% ， 全壓平均提高10% 和 22.1% ， 軸功率平均增大 15.7%和 30.2% ； 由實驗結果整理得到了實驗風機在葉輪葉片加長前后運行工況點的變化規律及風機的無因次性能曲線，可為工石家莊風機程中風機的葉片加長改造提供參考依據。
2 ）當風機葉輪葉片加長前、后葉輪出口寬度不變時，適用的切割定律應為式 (1)~(3) 而非式 (4)~(6) ， 且切割定律更適合大流量區相應工況點性能參數的換算。
3 ）當風機葉輪葉片加長 5% 和 10% 時， A 聲級平均提高了 1.6 和 2.3 dB 。頻譜分析表明，加長葉輪葉片減少了葉輪與蝸舌間的距離，增加了旋轉噪聲；同時使蝸殼內流動惡化，渦流噪聲增加。噪聲的增加可通過相應的降噪措施加以改善。