一種風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)進(jìn)氣管道的隔音裝置

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司 壓縮機(jī)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對生活質(zhì)量越來越重視，居住和工作環(huán)境的噪音問題越來越受到人們的關(guān)注，國家頒布實(shí)施了3套新的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，對居民生活和工作環(huán)境中的噪聲的排放要求做了嚴(yán)格的規(guī)定［1-3］，但是由于工業(yè)設(shè)計(jì)水平和工業(yè)水平的限制，工業(yè)生產(chǎn)中大型除塵和通風(fēng)設(shè)備［4］、居民生活中供暖鍋爐等應(yīng)用場合的離心風(fēng)機(jī)噪聲問題比較突出［5-7］，嚴(yán)重影響了人們正常的生產(chǎn)和生活。國內(nèi)外很多學(xué)者對風(fēng)機(jī)噪聲問題進(jìn)行了研究，例如，Lighthill首先提出了無固體邊界的湍流噪聲預(yù)測方法，Curle將其推廣到考慮流體中靜止固體邊界的影響，F(xiàn)fcows Williams和Hawkings則進(jìn)一步考慮流體中任意運(yùn)動(dòng)固體邊界對聲波傳播的影響，得到著名的FW-H方程［5-7］；趙忖等對離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲控制問題進(jìn)行了一系列的理論與試驗(yàn)研究，形成了一整套離心風(fēng)機(jī)降噪改進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)［8］；張建華等針對船用離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部非定常流動(dòng)誘發(fā)蝸殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)，發(fā)展了一種數(shù)值計(jì)算方法［9-10］。

一般情況下風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)進(jìn)出都安裝管道，風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲得到了很好的屏蔽，風(fēng)機(jī)機(jī)殼與管道的振動(dòng)噪聲為風(fēng)機(jī)的主要噪聲類型，以上文獻(xiàn)主要研究了風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理與降噪的具體措施，對于風(fēng)機(jī)機(jī)殼與管道振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲研究較少，而在風(fēng)機(jī)噪聲性能試驗(yàn)中，運(yùn)用D式試驗(yàn)裝置對風(fēng)機(jī)進(jìn)行噪聲測試時(shí)，風(fēng)機(jī)整機(jī)噪聲的評估值主要是機(jī)殼與管道振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲，本文主要針對于風(fēng)機(jī)噪聲性能試驗(yàn)中風(fēng)機(jī)管道進(jìn)口不易安裝消聲器而設(shè)計(jì)的一種隔音裝置，以降到風(fēng)機(jī)進(jìn)口管道噪聲，使風(fēng)機(jī)整機(jī)噪聲評估值更加準(zhǔn)確，為風(fēng)機(jī)噪聲性能測試提供參考。

1 隔音裝置與試驗(yàn)方法

采用D型試驗(yàn)裝置對風(fēng)機(jī)進(jìn)行噪聲性能時(shí)，風(fēng)機(jī)進(jìn)氣管道噪聲向周圍環(huán)境輻射，對風(fēng)機(jī)噪聲測試產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，本文通過一種風(fēng)機(jī)噪聲試驗(yàn)進(jìn)氣管道的隔音裝置，以降低風(fēng)機(jī)進(jìn)氣管道的噪聲輻射，圖1示出隔聲裝置結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)進(jìn)口管路系統(tǒng)布置。

圖1 隔聲裝置結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)進(jìn)口管路系統(tǒng)布置

風(fēng)機(jī)噪聲試驗(yàn)時(shí)氣體通過蓋板4與管道2之間的間隙被吸入隔聲罩箱體內(nèi)，再經(jīng)過噴嘴、管道進(jìn)入風(fēng)機(jī)，最終通過排氣管道排入大氣。隔聲罩箱體和隔聲罩蓋板外側(cè)面均采用5 mm厚的鋼板焊接成型，內(nèi)側(cè)面采用1.2 mm穿孔板，外側(cè)面與內(nèi)側(cè)面之間填充50 mm厚的玻璃棉吸聲材料，隔聲罩蓋板通過螺栓固定于箱體的A向端面。

本次試驗(yàn)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 1236-2017》進(jìn)行風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置采用D型，即風(fēng)機(jī)的進(jìn)口和出口接有管道。

風(fēng)機(jī)的噪聲試驗(yàn)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2888-2008《風(fēng)機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)噪聲測量方法》，在蝸殼與電機(jī)周圍1 m處均勻布置6個(gè)測點(diǎn)（C1，C2，C3，M1，M2，M3），應(yīng)用聲學(xué)傳感器與頻譜儀采集各個(gè)工況運(yùn)行的小型離心風(fēng)機(jī)6個(gè)測點(diǎn)的噪聲數(shù)據(jù)，然后利用式（1）對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到的結(jié)果作為該工況運(yùn)行的風(fēng)機(jī)整機(jī)噪聲的評估值；頻譜儀采集噪聲頻率范圍為20～20 000 Hz，頻程為1/3倍頻程，計(jì)權(quán)類型為A計(jì)權(quán)，風(fēng)機(jī)噪聲測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)噪聲測點(diǎn)布置示意

風(fēng)機(jī)周圍6個(gè)測點(diǎn)的平均A聲級計(jì)算式：

N ——測點(diǎn)數(shù)；

Lpi——第i點(diǎn)測得的聲壓級；

Lki——第i點(diǎn)測得的背景噪聲。

2 隔音裝置可行性研究

隔音裝置是否滿足GB/T 1236-2017要求并具有良好的隔聲效果，關(guān)鍵是90°噴嘴上游無障礙空間尺寸B和C如圖1所示，隔音裝置寬與高的尺寸滿足C×C≥2.5dmax×2.5dmax即可，本文主要研究90°噴嘴與隔音裝置底部的距離B對風(fēng)機(jī)性能的影響。

本文設(shè)計(jì)的隔音裝置長度L為1 200 mm，管道直徑d為90 mm，運(yùn)用聲學(xué)測量工具（聲學(xué)傳感器與頻譜儀）與測壓計(jì)測得90°噴嘴與隔音裝置底部的距離 B 分別為 0.5d，1.5d，3.5d，5.5d，7.5d，10.5d，11.5d，13d時(shí)的風(fēng)機(jī)整機(jī)噪聲與出口全壓，結(jié)果如圖3所示。

圖3 90°噴嘴與隔音裝置底部的距離B對風(fēng)機(jī)整機(jī)噪聲與出口全壓的影響

由圖3可以看出，風(fēng)機(jī)出口全壓隨著90°噴嘴與隔音裝置底部的距離B的減小而降低，在3.5d～10.5d之間出口全壓的變化較為平緩，在10.5d～13d之間壓力降低的較為明顯，90°噴嘴與隔音裝置底部的距離B為0.5d時(shí)與管道沒有安裝隔音裝置相比較風(fēng)機(jī)出口全壓損失2.3‰，該損失不會(huì)對風(fēng)機(jī)性能測試產(chǎn)生影響；風(fēng)機(jī)整機(jī)噪聲隨著噴嘴與隔音裝置底部的距離B的減小而降低，噴嘴與隔音裝置底部的距離B為0.5d時(shí)與管道沒有安裝隔音裝置相比較風(fēng)機(jī)整機(jī)噪聲下降了13.4%，綜合考慮噴嘴與隔音裝置底部的距離B對風(fēng)機(jī)出口全壓與風(fēng)機(jī)整機(jī)噪聲的影響，噴嘴與隔音裝置底部的距離B在3.5d較為合適。

3 隔音裝置內(nèi)部的流場分析

3.1 模型風(fēng)機(jī)與隔音裝置的三維造型與網(wǎng)格劃分

依據(jù)模型風(fēng)機(jī)與隔音裝置的設(shè)計(jì)圖紙，運(yùn)用三維造型軟件SOLIDWORKS對模型風(fēng)機(jī)進(jìn)行三維造型，為了使模擬的結(jié)果更加準(zhǔn)確，在建模時(shí)考慮了葉輪前后蓋板與蝸殼之間的流體，將裝配好的模型以parasolid格式導(dǎo)入ICEM中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本文主要采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量在0.3以上，模型風(fēng)機(jī)與隔音裝置的網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 模型風(fēng)機(jī)與隔音裝置的網(wǎng)格劃分

3.2 求解設(shè)置

采用CFD軟件對模型風(fēng)機(jī)與隔音裝置進(jìn)行三維定常數(shù)值模擬，介質(zhì)為空氣，進(jìn)氣空氣密度為1.2 kg/m3，湍流模型選用RNGK-ε，進(jìn)口邊界條件設(shè)置為速度進(jìn)口，出口邊界條件設(shè)置為自由出口，固壁面為無滑移，即壁面上的各向速度為零，旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件之間的交界面設(shè)置為interface連接；壓力和速度的耦合采用SIMPLE，計(jì)算精度收斂的標(biāo)準(zhǔn)10-4。

3.3 隔音裝置內(nèi)部流場分析

運(yùn)用壓力計(jì)測得90°噴嘴距離隔音裝置底部距離越近，風(fēng)機(jī)出口全壓損失越大，現(xiàn)在運(yùn)用CFD軟件對90°噴嘴距離隔音裝置底部不同位置時(shí)進(jìn)行流場分析，研究風(fēng)機(jī)出口全壓損失的原因，隔音裝置內(nèi)部流場如圖5所示。

圖5 隔音裝置內(nèi)部流場

由圖5可以看出，90°噴嘴與隔音裝置底部的距離B為1.5d時(shí)，氣體從隔音裝置入口到90°噴嘴的過程中有小于1 m/s的流速，這部分氣體動(dòng)能消耗了葉輪所做的一部分功，致使風(fēng)機(jī)出口全壓損失較大；90°噴嘴與隔音裝置底部的距離B為3.5d時(shí)，隔音裝置入口吸入的氣體向裝置周圍空間擴(kuò)散，隔音裝置入口到90°噴嘴的過程中氣體沒有流速，90°噴嘴周圍相當(dāng)于無障礙空間，風(fēng)機(jī)出口全壓損失較??；90°噴嘴與隔音裝置底部的距離B為9.5d，11.5d時(shí)，90°噴嘴距離隔音裝置入口較近，氣體直接從隔音裝置入口進(jìn)入90°噴嘴，使得風(fēng)機(jī)全壓損失較?。灰陨狭鲌龇治龅慕Y(jié)果與風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果相一致，為試驗(yàn)結(jié)果提供了理論依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）在風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)時(shí)（D式），在風(fēng)機(jī)進(jìn)氣管道安裝隔音裝置可以起到很好的噪音隔離的作用，整機(jī)噪音下降13.4%，使風(fēng)機(jī)噪聲評估值更加準(zhǔn)確。

（2）90°噴嘴與隔音裝置底部的距離B不同時(shí)風(fēng)機(jī)出口全壓損失不同，在0.5d時(shí)達(dá)到最大值，出口全壓損失為2.3‰，該損失不會(huì)對風(fēng)機(jī)性能測試產(chǎn)生影響。

（3）綜合考慮90°噴嘴與隔音裝置底部的距離B對風(fēng)機(jī)整機(jī)噪聲與風(fēng)機(jī)出口全壓的影響，90°噴嘴與隔音裝置底部的距離B取3.5d較為合適。