改变蜗壳结构对风机噪音性能的影响.pdf

第 3 6卷第 1 2期 2 0 1 5年 1 2月 工程热物理学报 J OURNAL OF ENGI NEERI NG THERM OPHYS I CS Vo 1 3 6 NO 1 2 De c ，2 0 1 5 改变蜗壳结构对离心风机性能及噪音的影响 雷 乐 谭俊飞 2 李景银 ( 1 西安交通大学能源与动力工程学院，西安 7 1 0 0 4 9 ； 2 中冶赛迪工程技术股份有限公司 ，重庆4 0 0 0 1 3 1 摘要 利用 A n s y s F l u e n t软件进行数值模拟，通过分别 改变蜗壳宽度和蜗舌倾角的方法 ，详细研 究了改变蜗壳结 构对离心风机气动性 能及声功率级的影响。研究结果显示，在离心风机设计推荐范围内存在最佳蜗壳宽度 ，使得离心 风机的声功率级最低 ；增加蜗壳宽度，离心风机的全压、效率略有下降 ，静压升高；固定离心风机蜗壳后盖板蜗舌半 径 R 1 ， 增大蜗壳前盖板蜗舌半径 R2 ， 能有效地降低离心风机的声功率级； 在降噪效果上， 改变蜗舌间隙优于改变蜗舌倾角。 关键词离心风机； 声功率级 ； 倾斜蜗舌； 蜗壳宽度 中图分类号：T H 4 3 文献标识码：A 文章编号：0 2 5 3 2 3 1 X( 2 0 1 5 ) 1 2 2 6 0 4 - 0 4 Effe c t o f Vol ut e C0nf i gur at i 0n on Aer odyna m i c Pe r f or m a nc e a nd Noi s e Le ve l of t he Ce nt r i f ugal Fan LEI Le TAN J un Fe i LI 3 i n g Yi n ( 1 S c h o o l o f E n e r g y a n d P o w e r E n n e e r i n g ， Xl a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y ,Xi a n 7 1 0 0 4 9 ，C h i n a ； 2 C i s d i E n g i n e e r i n g C o ， L t d ，C h o n g q i n g 4 0 0 0 1 3 ，C h i n a ) A bs t r a c t Th e e ff e c t o f t h e v a r i a t i o n i n v o l u t e wi d t h s a nd i n c l i ni n g a ng l e s o f t he v ol ut e t o ng u e o n t h e a e r od y na mi c c ha r a c t e r i s t i c s a nd s o un d p o we r l e v e l s o f a c e nt r i f ug a l f a n wa s s i mu l a t e d a n d a na l yz e d b y u s i ng An s y s Fl ue nt I t i s f o u nd t h a t t he r e i s a n o p t i m a l v o l u t e wi dt h l e a d i ng t o t h e l o we s t s o u nd po we r l e v e l wi t hi n t he r e c o mme n de d r a ng e o f de s i g n p a r a m e t e r s An d a n i n c r e a s e i n t he v ol ut e wi dt h l e a ds t o a n i nc r e a s e i n t he s t a t i c p r e s s u r e wi t h a s l i g h t de c r e a s e i n t h e t o t a l p r e s s u r e a n d e ffic i e nc y I n a ddi t i o n，t h e s o u nd po we r l e v e l c a n b e r e d uc e d by fix i n g t h e v o l u t e t o n g ue r a d i us R1 a t t he v o l u t e r e a r p l a t e a nd i nc r e a s i ng i t s r a di u s R2 a t t h e v o l u t e f r o nt pl a t e Cha ng i n g t he v o l ut e t o n g ue c l e a r a nc e ha s a be t t e r no i s e r e duc t i o n e ffe c t t h a n t he v a r i a t i o n o f t h e i nc l i ni n g a n g l e K ey wor ds c e n t r i f ug a l f a n；s o und po we r l e v e l ； i nc l i ne d v ol ut e t o ng ue ； v o l u t e wi dt h 0 引 言 离心风机广泛应用于国民经济的各个领域 ，据 统计离心风机每年的耗电量在全国年发电总量中所 占比例约为 5 ， 但这些投入运行的风机中， 很多效 率偏低 ，噪音偏高。 现有 的研究表 明 1 2 ，由于叶轮 出口的尾迹气 流与蜗壳存在着强烈的非定常干涉，使得离心风机 蜗壳、特别是蜗舌部位成为风机的主要噪声源 ，所 以改变蜗壳结构是非常具有针对性的降噪方法。 诸多学者对此进行了研究 ，并提出各种改变蜗 壳结构的方法来降低离心风机的噪声，如增加蜗壳 宽度 3 、 采用吸声蜗壳 4 、 采用阶梯蜗舌 _5 J 、 优化 蜗壳出口 IS 、采用倾斜蜗舌 7 、 增大叶轮与蜗舌间 隙 8 】 等， 其中增加蜗壳宽度和倾斜蜗舌是最常用的 方 法 。 本文以某型应用在动车机组上的离心风机为模 型 ，研 究增加蜗壳宽度、采用倾斜蜗舌对离心风机 气动性能及声功率级的影响。 1离心风机气动性能及声功率级的数 值模拟 本文采用 A n s y s F l u e n t 模拟离心风机的气动性 能与噪声。首先对离心风机进行建模和网格划分， 进行定常计算获得风机气动性能；以定常计算结果 为初值进行非定常计算，获取风机的声源信息，待 非定常计算收敛后，利用 F w H方程，预测风机 噪音 。 收稿 日期；2 0 1 4 1 2 2 6 ； 修订日期：2 0 1 5 1 1 1 7 基金项 目； 国家 自然科学基金资助项 目 ( No 5 1 2 7 6 1 3 7 ) 作者简介： 雷 乐 ( 1 9 8 9 一) ， 男， 硕士研究生， 主要从事离心风机降噪研究 。 通信作者： 李景银， 教授 ， j y l i ma i l x j t u e d u c n 雷 乐等： 改变蜗壳结构对离心风机性能及噪音的影响 2 6 0 5 1 1 离心风机模型的建立及网格划分 离心风机包含集流器 、叶轮和蜗壳三部分，采 用 I C E M C F D软件进行高质量的六面体结构网格划 分 。 叶轮、 集流器 、 蜗壳的网格数分别约为 9 6万、 1 6 万 、 8 7万 ， 整机网格数约为 1 9 9 万 。 1 2 离心风机气动性能及噪音预测 1 2 1 离心风机气动性能预测 当网格划分完成后，利用 An s y s F l u e n t进行数 值计算。风机 内部气流最大马赫数小于 0 3 ，属于不 可压缩流动范畴，因此计算过程中密度不变。定常 计算中采用多重参考系 ( MRF )进行求解 。模拟过 程中，风机进 口边界条件采用 Ma s s fl o w i n l e t ，给定 设计工况点的均匀质量流量 ，出口边界条件设定为 P r e s s u r e o u t l e t 。 湍流模型选用 Re a l i z a b l e k 模型， 为了避免壁面过度加密， 选用 S c a l a b le 壁面函数。 1 2 2 离心风机气动噪声预测 将定常计算得到的结果作为初值，进行非定常 计算。非定常计算过程中，采用滑移网格 ( S li d i n g Me s h ) 模拟动静干涉。非定常过程中时间步长按 照 公式 ( 1 ) 计算 ： A t = ( 1 ) 式中， n为转速 r - mi n _ 。 ； K 为单流道计算步数 ，本 文取 =3 0 ；Z为叶片数。 使用 F w H方程来预测噪音 ；忽略 四极子源的 影响；计算完成后，对计算得到的关于时间的离散 声压进行 F F T变换， 得到监测点上的线性声压级 。 1 2 3 利用声压级合成声功率级 本文是根据 国际标准 I S O3 7 4 5采用包络面法 ， 通过在包围离心风机的包络面上布置 2 0个检测点， 通过测量检测点上的声压级 ，通过以下公式来合成 声功率级。 式中， L i 为表示各个检测点的声压级 d B ； L 为表 示声功率级 d B； s 为包络面的面积 m。 ； S o 为参考 面积 m 。 2蜗壳宽度对离心风机气动性能及声 功率级的影 响 现有经验已知，增加蜗壳宽度能够有效降低离 心风机的基频噪声，增 加宽频噪声 现利用数值 模拟的手段 ， 确定最佳的蜗壳宽度， 使得风机的声功 率级最低。 本文从蜗壳后盖板侧增大蜗壳宽度， 风机 原始蜗壳宽度 B = 1 0 8 mi t t ，依次增加蜗壳宽度到 l 1 4 mm 、1 2 0 m m 、1 2 6 I n m 、1 3 2 mm 。 图 1 表示在设计流量下，不 同蜗壳宽度下风机 静压、 全压和效率的变化 。 分析可知， 随着蜗壳宽度 的增大， 风机的静压逐渐增大， 全压缓慢减小。 当蜗 壳宽度为 1 0 8 mm 时，风机的全压值为 3 8 3 5 0 4 P a ， 蜗壳宽度增大到 1 3 2 m i n时， 全压值为 3 7 9 8 2 7 P a ， 变化很小。风机的全压效率随着蜗壳宽度的增加也 缓慢下降；但当蜗壳宽度增大到 1 2 6 mm 后 ，效率 下降速度开始增大。蜗壳宽度为 1 0 8 mm，效率为 0 8 1 9 ， 蜗壳宽度为 1 2 6 1 T i m， 效率为 0 8 1 6 ， 几乎没有 变化 ； 继续增大蜗壳宽度到 1 3 2 mm， 效率相 比原模 型也仅减少了 0 0 9 。总的来说， 蜗壳宽度从 1 0 8 mm 增大到 1 2 6 mm， 全压、 效率变化不大。 B mm ( b ) 效率变化 图 1不同蜗壳宽度下风机的气动性能 Fi g 1 Ae r od yna mi c c ha r a c t e r i s t i c s o f f a n s wi t h di ffe r e n t vo l ut e wi dt h 图 2表示不同宽度下离心风机的声功率级的变 化。 分析可知， 声功率级随着蜗壳宽度的增加， 先减 小后增大； 在蜗壳宽度为 1 2 0 mm时， 声功率级取得 最小值 1 0 7 6 4 d B，较初始声功率级降低了 1 8 6 d B。 离心风机的声功率级先减小后增大是因为离心风机 的基频噪声随宽度的增加而减小，而宽频 噪声 随蜗 壳宽度增大而增大。蜗壳宽度稍微增加 ，基频噪声 _ 一 一 加 爿 加 h l I 加 = 2 6 0 6 工程热物理学报 3 6卷 下降对整个风机声功率级的作用要强于宽频 噪声增 大的作用，导致整体的声功率级下降，继续增大蜗 壳宽度 ， 则刚好相反。 B mm 图 2 不同蜗壳宽度下风机的声功率级 Fi g2 Sou nd po we r l e v e l s o f t h e f a ns wi t h di ffe r e n t v o l u t e wi dt h 3倾斜蜗舌对离心风机气动性能及声 功率级 的影响 采用倾斜蜗舌，可以降低离心风机的基频及高 次谐波的峰值 7 ， 从而降低离心风机的噪音。 本文 采用的倾斜蜗舌为蜗壳前盖板侧的蜗舌半径 R 大 于后盖板侧的蜗舌半径 1 。 固定蜗壳后盖板上蜗舌半径 R1 =2 8 1T I 1T I ， 增大 蜗壳前盖板上的蜗舌半径 月 =。至结构允许的最大值 R 2=6 0 ml T l ，即蜗舌倾角 0为 1 5 。 。分别计算了平 蜗舌和倾斜蜗舌 0为 1 5 。 时的气动性能和声功率级 ， 计算结果见表 1 。 表 1 两种蜗舌倾角下气动性能和声功率级对比 Ta bl e 1 Ae r od yna m i c c ha r a c t e r i s t i c s a nd s ou nd po we r l e ve l s of t he f a ns wi t h di fie r e n t i nc l i ni ng a ng l e s o f t he vo l ut e t ong ue 0 ( 。 ) t P a R。 t P a 卵L w d B 0 3 47 5 7 2 3 8 2 7 2 9 0 8 1 7 1 07 6 4 1 5 3 39 6 8 7 3 7 51 1 5 0 8 0 4 1 05 5 6 分析表 1 可知， 当蜗舌倾角 0 为 0 。 ， 计算得到的 全压为 3 8 2 7 2 9 P a ， 效率为 0 8 1 7 ， 声功率级为 1 0 7 6 4 d B；增加蜗舌倾角 0 到 1 5 。 ，全压为 3 7 5 1 1 5 P a ， 下 降了 7 6 1 4 P a ，效率相 比下降 0 0 1 3 ， 计算声功率级 为 1 0 5 5 6 d B，相 比下降了 2 0 8 d B。 固定蜗壳后盖板上的蜗舌半径 Rl ， 增大前盖板 的蜗舌半径 R 2 可以将风机的声功率级降低 2 0 8 d B。 但这种方法会受到蜗壳出 口长度限制 ，导致蜗舌倾 角只能做到 1 5 。 。为 了进一步增大蜗舌倾角 0 ， 只有 减小蜗壳后盖板的蜗舌半径 R ，而保持前盖板蜗舌半 径 R 2=6 0 mm 不变。 表 2表示蜗壳前盖板的蜗舌半 径 R 2=6 0 l l l l T l ， 不同蜗舌倾角 0对应的后盖板 R 1 。 表 2 不同蜗舌倾角对应的蜗壳前后盖板蜗舌半径 Ta bl e 2 R adi u s of t he i nc l i n g vo l ut e t ong ue a t t he vo l ut e f r o nt a nd r e a r pl a t e s 图 3表示不同蜗舌倾角下风机的静压、 全压和 效率的变化 。分析可知 ，通过固定蜗壳前盖板蜗舌 半径 R 2 ，改变蜗壳后盖板蜗舌半径 Rl的方式增大 蜗舌倾角 ，风机的静压和全压都随着倾角的增大而 增大。蜗舌倾角为 1 5 。 ，静压为 3 3 9 6 9 P a ，全压为 3 7 5 1 2 P a ；增大蜗舌倾角到 2 5 。 ，静压相对增加了 1 4 ，即约 5 0 P a ，全压增加了约 0 7 ，即 2 8 P a 。 效率随着蜗舌倾角的增大而略微增大 ：蜗舌倾角为 1 5 。 ， 计算出的离心风机效率为 0 8 0 4 ； 增大蜗舌倾角 到 2 5 。 ， 效率仅仅增加了 0 0 0 7 ， 增幅很小。 o 1 ( 。 ) ( a ) 压力变化 图 3 不同蜗舌倾角下风机的气动性能 Fi g 3 Ae r o dyn ami c c ha r ac t e r i s t i c s o f f a ns wi t h di ffe r e nt i nc l i ni ng a ng l e o f t he v o l u t e t on gu e 图 4表示不同蜗舌倾角下风机的声功率级的变 化。 分析图 4可知， 通过固定 R 2 、 减小 R 1的方式倾 斜蜗舌，离 心风机的声功率级是随着蜗舌倾角 0的 增大而增大。 蜗舌倾角 0 为 1 5 。 ， 声功率级为 1 0 5 5 6 1 2 期 雷 乐等： 改变蜗壳结构对离心风机性能及噪音的影响 2 6 0 7 d B ， 增大蜗舌倾角 0 到 2 5 。 ， 声功率级增大到 1 0 6 7 d B 。固定蜗壳前盖板蜗舌半径 _ R 2 ，减小蜗壳后盖板 蜗舌半径 R 来增大蜗舌倾角这种方式 ， 会导致叶轮 出口跟蜗舌之间的距离减小 ，这或许是离心风机整 体声功率级增大的原 因。由此我们可以推测 ，增加 蜗舌间隙降噪跟增加蜗舌倾斜角度降噪相 比，前者 更有效果。 o 1 ( 。 ) 图 4 不同蜗舌倾角下风机的声功率级 Fi g 4 S o und po we r l e ve l s o f t he f a ns w i t h di ffe r e n t i nc l i ni n g a ng l e s of t he v o l ut e t o ng ue 4 结 论 本文采用数值模拟的方法 ，研究了增加蜗壳宽 度 、改变倾斜蜗舌角度对离心风机气动性能及声功 率级的影响。 结果显示 ： 1 ) 在离心风机蜗壳的推荐宽度范围内，存在最 佳宽度 ， 使得离心风机的声功率级最低。 2 ) 增加蜗壳宽度 ，离心风机的全压 、效率稍微 下降， 静压升高。 3 ) 固定离心风机蜗壳后盖板蜗舌半径 R ， 增大 蜗壳前盖板蜗舌半径 R2 ，能有效降低离心风机的声 功率级 ；反之 ，固定离心风机蜗壳前 盖板蜗舌半径 R z ，通过减小蜗壳后盖板侧的蜗舌半径 R1的方法 来增大蜗舌倾角，却会增加离心风机的噪音。 4 ) 在降噪效果上， 蜗舌间隙优于蜗舌倾角。 参考文献 1 】L i u Q， Q i D， T a n g H_ C o mp u t a t i o n o f A e r o d y n a mi c N o i s e o f Ce nt r i f uga l Fa n Us i ng La r g e Edd y Si mul a t i o n Ap p r o a c h ， A c o u s t i c A n a l o g y ， a n d V o r t e x S o u n d T h e o r y J 1 Pr o c e e d i n gs o f t h e I ns t i t u t i on of M e c ha ni c a l Eng i n e e r s ， Pa r t C： J o ur n a l of Me c ha ni c a l Eng i n e e r i ng S c i e nc e 2 0 0 7， 2 2 1 ( 1 1 ) ：1 3 2 1 1 3 3 2 2 】毛义军， 祁大同， 徐长棱， 等叶片与蜗舌耦合对离心风机 性能和旋转噪声影响的数值研究 f J 1 l 应用力学学报， 2 0 0 6 ， 2 3 ( 3 ) ： 3 6 8 3 7 2 MAO Yi j u n ， Qi Da t o n g ， Xu Ch a n g l e n g ， e t a 1 Eff e c t o f I n t e r a c t i on be t we e n Ce nt r i f ug al I m pe l l e r an d Vo l ut e To n gu e o i l t h e P e r f o r ma n c e a n d B P F N o i s e J C h i n e s e J o u r n a l o f A p p l i e d Me c h a n i c s 2 0 0 6 ， 2 3 ( 3 ) ： 3 6 8 - 3 7 2 f 3 刘晓良， 祁大同， 马健峰， 等 改变蜗壳宽度对离心风机气 动噪声影响的数值计算与试验研究 J 】 西安交通大学学报， 2 0 0 8 ， 4 2 ( 1 1 ) ： 1 4 2 9 1 4 3 4 L I U Xi a o l i a n g ， QI Da t o n g ， MA J i a n f e n g ， e t a 1 Nu me r i c a l an d Ex pe r i me n t a l St ud y o f t he I mpa c t on t he Ae r o - d yn ami c no i s e o f t he Ce n t r i f ug a l F a n by Cha ng i ng t he V o l u t e Wi d t h J J l J o u r n a l o f Xi a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， 2 0 0 8 ， 4 2 ( 1 1 ) ： 1 4 2 9 1 4 3 4 【 4 G u Y， Qi D， Ma o Y， e t a 1 T h e o r e t i c a l a n d E x p e r i me n t a l S t u di e s o n t h e No i s e Co n t r o l o f Ce n t r i f ug a l Fa ns Co mbi n i n g Ab s o r b i n g L i n e r a n d I n c l i n e d T o n g u e【 J P r o c e e d i n g s of t he I ns t i t ut i o n o f Me c h an i c al En gi ne e r s Par t A：J ou r n a l o f P o w e r a n d E n e r g y 2 0 1 1 ， 2 2 5 ( 6 ) ： 7 8 9 8 0 1 5 李栋， 顾建明 阶梯蜗舌蜗壳的降噪分析和实验 J 1 流体机 械 2 0 0 4 ， 3 2 ( 2 ) LI Do ng ，GU J i a n m i n gPr a c t i c e a n d Ana l y s i s t o Re du c e t h e F a n N o i s e w i t h S t e p t o n g