CN120105630B 一种适用于小桨毂比风扇的声学设计方法 （中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所）

(19)国家知识产权局(12)发明专利(10)授权公告号CN120105630B(65)同一申请的已公布的文献号(73)专利权人中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所地址621000四川省绵阳市涪城区二环路南段6号(72)发明人吕金磊屈晓力温乾王超GO6F30/17(2020.0F04D29/66(2006.01)GO6F30/28(2020.0审查员张春洁(74)专利代理机构成都云纵知识产权代理事务所(普通合伙)51316专利代理师熊曦陈婉鹃(54)发明名称一种适用于小桨毂比风扇的声学设计方法本发明公开了一种适用于小桨毂比风扇的定风扇的直径D;给定风扇出口的扩张槽的初始容积V;计算获得扩张槽的特定频率f、;确定风扇的最高转速N;确定风扇的一阶叶片通过频率f₂;判断f是否等于f₂,若是，则基于扩张槽的初始的初始容积V调整为扩张槽的目标容积V₁使得f=f₂,基于扩张槽的目标容积V₁获得扩张槽的设数目B和扩张槽的设计容积完成风扇的声学设计；本发明能够针对小桨毂比风扇解决传统的降噪技术的低频抑制不足、高频抵消延迟及多确定风扇的直径确定风扇的直径D给定风扇出口的扩张槽的初始容积V基于风扇的直径D和扩张槽的初始容积V,计算获得扩张槽的特定频率f基于风扇的直径D确定风扇的最高转速N基于风扇的最高转速N和风扇的转子叶片数目B,确定风扇的一阶叶片通过频率f₂判断是否等于f₂,若是，则基于扩张槽的初始容积V获得扩张槽的设计容积：若否，则将扩张槽的初始容积V调整为扩张槽的目标容积V¹使得-f2,基于扩张槽的目标容积V获得扩张槽的设计容积基于风扇的最高转速N、风扇的转子叶片数目B和扩张槽的设计容积完成风扇的声学设计21.一种适用于小桨毂比风扇的声学设计方法，其特征在于，风扇安装在风扇管道内，风扇管道通过联接缝连接有扩张槽，所述方法包括：步骤二：给定风扇出口的扩张槽的初始容积V;步骤三：基于风扇的直径D和扩张槽的初始容积V,计算获得扩张槽的特定频率fk;步骤四：基于风扇的直径D确定风扇的设计转速N;步骤五：基于风扇的设计转速N和风扇的转子叶片数目B,确定风扇的一阶叶片通过频率f₂;步骤六：判断f是否等于f₂,若是，则基于扩张槽的初始容积V获得扩张槽的设计容积；若否，则将扩张槽的初始容积V调整为扩张槽的目标容积V₁使得f=f₂,基于扩张槽的目标容积V₁获得扩张槽的设计容积；步骤七：基于风扇的设计转速N、风扇的转子叶片数目B和扩张槽的设计容积完成风扇的声学设计。2.根据权利要求1所述的一种适用于小桨毂比风扇的声学设计方法，其特征在于，风扇的桨毂比为Xb,Xb≤0.3。3.根据权利要求1所述的一种适用于小桨毂比风扇的声学设计方法，其特征在于，所述风扇为轴流风扇，扩张槽位于沿气流方向风扇的下游。4.根据权利要求1所述的一种适用于小桨毂比风扇的声学设计方法，其特征在于，扩张槽的特定频率f的计算方式为：5.根据权利要求1所述的一种适用于小桨毂比风扇的声学设计方法，其特征在于，风扇的设计转速N的计算方式为：6.根据权利要求1所述的一种适用于小桨毂比风扇的声学设计方法，其特征在于，风扇的一阶叶片通过频率f₂的计算方式为：其中，B为风扇的转子叶片数目。7.根据权利要求1所述的一种适用于小桨毂比风扇的声学设计方法，其特征在于，扩张槽包括环形外壳，环形外壳套设在风扇管道外，环形外壳内设有环形空腔，风扇管道通过环形的联接缝与环形空腔连通。3一种适用于小桨毂比风扇的声学设计方法技术领域[0001]本发明涉及风扇声学设计领域，具体地，涉及一种适用于小桨毂比风扇的声学设背景技术[0002]空气动力试验设备若采用小桨毂比风扇，则可实现体积小、质量轻和移动性好等优点。但小桨毂比风扇运行时产生的气动噪声(包括离散频率噪声与宽频湍流噪声)已成为制约相关装置性能与试验能力的关键问题。风扇的降噪如果采用传统的降噪技术，存在以下局限性。一是噪声被动控制通过叶片几何优化(如锯齿尾缘)或吸声材料降低噪声，但低频抑制效率低(<30%),且易牺牲气动性能(压力损失增大5%-15%)。二是依赖反向声波干涉主动控制，但高频噪声跟踪延迟(>10ms),系统稳定性问题差(残余噪声放大15dB(A)),导致实用性受限。发明内容[0003]本发明目的为针对小桨毂比风扇解决传统的降噪技术的低频抑制不足、高频抵消延迟及多物理场耦合设计缺失的问题。[0004]为实现上述目的，本发明提供了一种适用于小桨毂比风扇的声学设计方法，风扇安装在风扇管道内，风扇管道通过联接缝连接有扩张槽，所述方法包括：[0006]步骤二：给定风扇出口的扩张槽的初始容积V;[0007]步骤三：基于风扇的直径D和扩张槽的初始容积V,计算获得扩张槽的特定频率fk;[0008]步骤四：基于风扇的直径D确定风扇的设计转速N;[0009]步骤五：基于风扇的设计转速N和风扇的转子叶片数目B,确定风扇的一阶叶片通过频率f₂,该频率噪声是风扇的主要噪声源；[0010]步骤六：判断f是否等于f₂,若是，则基于扩张槽的初始容积V获得扩张槽的设计容积；若否，则将扩张槽的初始容积V调整为扩张槽的目标容积V₁,使得此时本设计方法即可实现对目标噪声的有效控制，基于扩张槽的目标容积V,获得扩张槽的设计容积；[0011]步骤七：基于风扇的直径D、设计转速N、风扇的转子叶片数目B和扩张槽的设计容积完成风扇的声学设计。[0012]其中，本方法利用风扇一阶通过频率噪声能量密集的条件，通过设计管道壁面阻抗，实现对风扇噪声的高效主动吸收，同时有效控制高频谐波的强度。与传统风扇降噪手段相比，本方法不使用任务吸声材料，仅通过改变管道的特征特阻抗实现对气流噪声的高效4[0013]优选的，风扇的桨毂比为Xb,Xb≤0.3。采用小桨毂比风扇的目的是风扇段的长度较短，以节省整个风扇的体量及空间，用于对空间有要求的系统内部。较小的风扇体量，意味着能进行填补声学衬里的空间有限，降噪效果也有限，因此可采用本方法的声学设计，在不用明显扩大风扇体积的条件下实现较好的降噪效果。[0014]优选的，所述风扇为轴流风扇，广泛应用于工业通风、排气以及为空气动力试验设备提供动力，扩张槽位于沿气流方向风扇的下游。[0023]优选的，扩张槽包括环形外壳，环形外壳套设在风扇管道外，环形外壳内设有环形空腔，风扇管道通过环形的联接缝与环形空腔连通。[0024]本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：[0025]常规空气动力试验设备风扇主要通过降低风扇转速和在风扇通道布置声学衬里的方式，以实现抑制风扇噪声的目的。降低风扇转速，虽然可降低风扇的低频及宽频噪声，但是会导致风扇气动效率的降低，甚至会增加叶片表面压力脉动导致的宽频气动噪声。布置声学衬里，能够实现一定频带范围内的宽频降噪效果，但是声学衬里会带来额外的压力损失，导致风扇运行功率增加。本发明提出的小桨毂比风扇声学设计方法，通过布置扩张槽的方式，合理匹配风扇的转速、转子叶片数目和扩张槽体积，使得为调节壁面声学阻抗梯度而设计的扩张槽具有特定频率与小桨毂比风扇的一阶叶片通过频率共振(一阶叶片通过频率噪声能量最大),以达到抑制一阶叶片通过频率噪声的目的，由此可大幅度削弱风扇的尖峰离散噪声幅值，降低风扇的总声压级，使风扇具有更高的气动效率、更优低的声学性能。附图说明[0026]此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；[0027]图1为一种适用于小桨毂比风扇的声学设计方法的流程示意图；[0028]图2为小桨毂比风扇以及扩张槽的安装结构侧视示意图；[0029]图3为扩张槽处的截面示意图；5[0034]请参考图1,图1为一种适用于小桨毂比风扇的声学设计方法的流程示意图，请参范围为0.2-0.5;[0041]步骤四：基于风扇的直径D确定风扇的设计转速N;风扇的设计转速N的计算方式过频率f₂;风扇的一阶叶片通过频率f₂的计算方式为：6[0046]步骤六：判断f是否等于f₂,若是，则基于扩张槽的初始容积V获得扩张槽的设计容积；若否，则将扩张槽的初始容积V调整为扩张槽的目标容积V₁使得f=f₂,基于扩张槽的目标容积V,获得扩张槽的设计容积；[0047]步骤七：基于风扇的设计转速N、风扇的转子叶片数目B和扩张槽的设计容积完成风扇的声学设计。[0048]其中，在本发明实施例中，风扇的桨毂比为Xb,Xb≤0.3。常规风扇的桨毂比在0.4-0.7的范围内，桨毂比小于0.3就是指的小桨毂比。[0049]其中，在本发明实施例中，所述风扇为轴流风扇，扩张槽位于沿气流方向风扇的下游。[0050]下面举例对本发明进行详细说明：[0051]步骤一：根据设[0052]步骤二：根据小桨毂比风扇的直径D=2.2m,初步给定装置出口的扩张槽容积V,令V[0053]步骤三：计算扩张槽的特定频率f,φ取值0.4,c的取值为340m/s,f=192Hz;[0055]步骤五：确定小桨毂比风扇的一阶叶片通过频率f₂,取值小桨毂比风扇的转子叶片数目B=4,f₂=165.5Hz;[0057]步骤七：获得小桨毂比风扇的设计转速N=2483rpm、风扇的转子叶片数目B=4和出口扩张槽的目标容积V₁=0.134m³,完成上述关键参数设计。[0058]尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。[0059]显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。7确定风扇的直径确定风扇的直径D给定风扇出口的扩张槽的初始容积V基于风扇的直径D和扩张槽的初始容