葉片厚度對風機葉片噪聲的影響分析(2)

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本文采用Ｆｌｕｅｎｔ軟件中的聲類比積分（基于ＦＷ－Ｈ方程）模塊計算葉輪產生的氣動噪聲，計算的氣動噪聲聲源為旋渦石家莊風機１１０個葉片上的壓力波動信號，遠場監測點位置的選擇按照ＧＢＴ２８８８－９１的規定，選擇了距離石家莊風機中心位置１ｍ處的６個點，分別是石家莊風機軸線方向上兩個，徑向方向上４個，在Ｘ，Ｙ，Ｚ方向各取一個監測點，以下所示為石家莊風機在三個監測位置的聲壓頻域圖。從圖５中可以看出，葉輪遠場噪聲三個監測點的聲壓頻譜中均含有５５倍頻成分，另外三個監測點的聲壓頻譜與以上三點類似，都含有５５倍頻成分，與試驗測得的峰值頻率一致，證明該模型能夠反映出旋渦石家莊風機葉片的主要噪聲特性。為了分析葉片氣動噪聲的方向性，計算出六個監測點處的總聲壓級，整理到表１中。，葉片產生的遠場噪聲中徑向方向的噪聲遠大于軸向方向的噪聲，可見，葉片產生的遠場氣動噪聲主要沿徑向傳播。
不同葉片厚度下氣動噪聲分析為了說明葉片厚度對葉片氣動噪聲的影響，本文在葉片厚度為１ｍｍ到４ｍｍ的范圍內共取了十個點，分析計算聲功率級隨葉片厚度的變化特性。在不同葉片厚度下，葉片產生的聲功率級均在１１２ｄＢ到１１７ｄＢ的范圍內，最大聲功率級與最小聲功率級之間相差僅為４．２％，與原模型相比，葉片厚度減小為１ｍｍ時，聲功率級增加了１．７％。可以認為葉片厚度從４ｍｍ減小到１ｍｍ的過程中，聲功率級基本上沒有變化，即葉片產生的遠場噪聲基本上沒有發生變化。石家莊風機廠計算葉片產生的結構噪聲時，首先對葉輪的葉片進行頻率響應分析，獲得葉輪上所有節點的振動速度，以此作為邊界條件應用Ｖｉｒｔｕａｌ．Ｌａｂ分析軟件，計算得到葉輪遠場監測點上的聲壓分布。圖７是進行葉片頻率響應分析的有限元模型，其中，葉片上的脈動壓力來自由石家莊風機內流場計算，葉輪的約束為固定旋轉中心孔的內表面。葉尖處提取的振動速度頻譜圖。從頻譜圖可以看出，振動速度的峰值集中在１２５０Ｈｚ，３８５０Ｈｚ，與激勵中的１２４４Ｈｚ，３８３１Ｈｚ的峰值頻率誤差均在０．５％以內，可以認為速度頻譜圖中的峰值是由于激勵引起的。為了評價葉片產生的遠場噪聲，建立了以葉輪中心為球心，石家莊風機半徑為１ｍ的球形場點監測網格。
葉片振動在６個遠場監測點處的噪聲聲壓級。從表２中可以看出，葉片振動產生的噪聲聲壓級為負值，說明此時葉片剛度足夠大，振動幅值很小，產生的葉片結構噪聲也相當小基本上可以不予考慮。在葉片厚度從１ｍｍ到４ｍｍ的變化范圍內取４個葉片厚度，分別計算了葉片振動產生的結構噪聲，圖９中列舉了葉片振動在６個遠場監測點處的噪聲聲壓級。當葉片厚度從４ｍｍ向１ｍｍ變化時，葉片結構噪聲隨葉片厚度的減小而增大，特別是葉片厚度由３ｍｍ減小到１ｍｍ過程中，葉片結構噪聲大幅增大。這是因為隨葉片厚度降低，葉片的剛度也會減小，導致葉片的振動幅度增大，由此提高了葉片的結構噪聲。
本文分別計算了葉片厚度變化對葉片氣動噪聲和結構噪聲的影響。研究表明，葉片厚度從４ｍｍ減小到１ｍｍ的過程中，葉片氣動噪聲基本沒有發生變化，葉片結構噪聲則顯著增大。隨后通過分析兩個噪聲在葉片噪聲中所占的比重，發現氣動噪聲占總噪聲的比例遠遠大于結構噪聲，因此葉片厚度變化對葉片總噪聲影響很小。基于以上結論，可以通過減少葉片厚度達到葉輪輕量化的目的，將葉片厚度從４ｍｍ減小到１ｍｍ，葉輪的質量減輕了１８．７％。