加裝防渦圈的離心風機蝸殼內空氣動力學特征和降噪研究(2)

2 降低噪聲實驗
    為進一步驗證加裝圓筒形和圓錐筒形防渦圈對降低風機噪聲的實際效果，對 G4-73No.8D 型離心式風機分別在加裝防渦圈前，加裝圓筒形和圓錐筒形防渦圈后的噪聲進行測量。由于風機葉輪寬度沿圓周方向不是十分均勻，因此 2 種防渦圈在安裝前將邊緣進行了打磨，致使防渦圈與葉輪前盤之間的間隙由原設計的 5 mm擴大到平均 10 mm左右。噪聲測量采用 ND 2 型精密聲級計和倍頻程濾波器，該儀器適用于各類瞬時噪聲的精密測量和噪聲頻譜分析。風機流量測量遵循 GB/T1236–2000《工業通風機–用標準化風道進行性能試驗》[11] ， 噪聲測量遵循 GB2888–1982《風機和羅茨風機噪聲測量方法》 [12] ，選用近場測聲法進行。按照測量標準對額定工況下的風機近聲場噪聲聲級與頻譜進行了測量，測點布置如圖 6 所示。實驗結果如圖 7 和圖 8所示。
    圖 7 給出了 A聲級噪聲與風機流量間的關系曲線。該圖表明：風機噪聲隨流量的增加先降低后變大，在風機效率最高點附近，其噪聲較低。從風機的結構看，其原因在于 ， 當風機在設計流量的工況下運行時，葉輪與蝸殼有較好的適配關系，而小流量運行對，風機的運行狀況惡化，甚至產生嚴重的破壞性振動 [13] ，因而噪聲水平也較高。與原有帶簡易防渦圈的風機相比，加裝圓筒形和圓錐筒形防渦圈后的風機整體噪聲均有明顯下降。其中，加裝圓筒形防渦圈后，風機噪聲下降 0.5~1.3 dB，平均下降 0.81 dB；加裝圓錐筒形防渦圈后，噪聲下降0.8~1.2 dB，平均下降 1.03 dB。當流量小于 5 m 3 /s時，圓錐筒形防渦圈的降噪效果明顯優于圓筒形；當流量大于 5 m 3 /s 時；二者降噪效果相當。考慮到圓錐筒形防渦圈在破碎大尺度旋渦、降低旋轉強度和降低噪聲的整體效果，以及圓錐筒形防渦圈的制造難度與成本與圓筒形完全相當，在提高風機效率和降低噪聲時，應優先選用圓錐筒形防渦圈。

    圖 8 給出了體積流量為 3.68 m 3 /s 時的噪聲頻譜圖，噪聲的總變化趨勢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。其中，旋轉噪聲的頻率式中：n 為風機葉輪轉速，n=1450 r/min；Z 為葉片數，Z＝12；i 為諧波序號 1,2,3,…。i =1 為基頻，從噪聲強度看，基頻最強；i =2,3,4,…為高次諧波，其總趨勢是逐漸減弱的。由式(4)計算可得到該風機的旋轉噪聲頻率 f r =290 Hz，故在250~300 Hz 之間風機噪聲以旋轉噪聲為主。
    對加裝防渦圈前后的風機噪聲進行頻譜對比可知，在 31.5~300 Hz 的低頻段，噪聲降低效果非常明顯， 其中， 加裝圓筒形防渦圈后， 聲壓級下降 1~6dB，平均下降 3.63 dB；加裝圓錐筒形防渦圈后，聲壓級下降 2~7 dB， 平均下降 4.25 dB。 在 300~16 KHz頻段上，噪聲降低效果減弱，加裝圓筒形防渦圈，聲壓級下降 0~4 dB，平均下降 0.5 dB；加裝圓錐筒形防渦圈， 聲壓級下降 0.5~5 dB， 平均下降 1.92 dB。實驗表明，加裝防渦圈是降低蝸殼內旋渦噪聲的一種行之有效的措施， 其制造成本低， 加工工藝簡單；并且在防渦圈的選擇上，無論在低頻段還是在中頻段，圓錐筒形防渦圈的降噪性能均優于圓筒形。此后的風機性能實驗表明，加裝圓筒形和圓錐筒形防渦圈后，風機的性能也有很大改善。在相對流量大于 53%時，加裝防渦圈后的風機效率明顯提高，加裝圓筒形防渦圈的風機效率比原有風機效率最多可提高 4.8%； 加裝圓錐筒形防渦圈后的風機效率比原有風機效率最多可提高 5.1%。 當相對流量小于 53%時，加裝圓筒形防渦圈風機效率高于原有風機效率，加裝圓錐筒形防渦圈效率略低于原有風機效率，但效率降低不超過 0.5%。對于電廠運行的風機來說，多數運行工況為較大流量工況，石家莊風機廠因此對風機加裝防渦圈勢必會在很大程度上改善風機性能，對降低噪聲具有較好的效果。
3 結論
    通過對 G4-73No.8D 型離心式風機蝸殼內的空氣動力學特征的三維數值模擬，詳細分析了蝸殼內部旋渦的產生和演化過程，據此進一步對分別加裝圓筒形和圓錐筒形 2 種防渦圈后的風機進行模擬計算，研究防渦圈對風機流場的影響機理。在加裝防渦圈后，風機蝸殼內空氣動力學特性得到明顯改善， 大尺度旋渦得到有效破碎， 旋轉強度得以降低；噪聲特性實驗表明，在加裝防渦圈后的風機 A 聲級和頻譜噪聲均有所減小，2 種防渦圈對降低風機旋渦噪聲均是有效的。
    研究表明，在綜合考慮圓錐筒形可有效破碎大尺度旋渦、降低旋轉強度和改善氣動性能以及降低噪聲等方面的基礎上，以及圓錐筒形防渦圈的制造難度和成本與圓筒形大體相當，在提高風機效率和降低噪聲時，應優先選用圓錐筒形防渦圈。本文的研究結果為其它型號離心風機的降噪改造提供了一定的經驗。