加装防涡圈的离心风机蜗壳内空气动力学特征和降噪研究(2)

2 降低噪声实验
    为进一步验证加装圆筒形和圆锥筒形防涡圈对降低风机噪声的实际效果，对 G4-73No.8D 型离心式风机分别在加装防涡圈前，加装圆筒形和圆锥筒形防涡圈后的噪声进行测量。由于风机叶轮宽度沿圆周方向不是十分均匀，因此 2 种防涡圈在安装前将边缘进行了打磨，致使防涡圈与叶轮前盘之间的间隙由原设计的 5 mm扩大到平均 10 mm左右。噪声测量采用 ND 2 型精密声级计和倍频程滤波器，该仪器适用于各类瞬时噪声的精密测量和噪声频谱分析。风机流量测量遵循 GB/T1236–2000《工业通风机–用标准化风道进行性能试验》[11] ， 噪声测量遵循 GB2888–1982《风机和罗茨风机噪声测量方法》 [12] ，选用近场测声法进行。按照测量标准对额定工况下的风机近声场噪声声级与频谱进行了测量，测点布置如图 6 所示。实验结果如图 7 和图 8所示。
    图 7 给出了 A声级噪声与风机流量间的关系曲线。该图表明：风机噪声随流量的增加先降低后变大，在风机效率最高点附近，其噪声较低。从风机的结构看，其原因在于 ， 当风机在设计流量的工况下运行时，叶轮与蜗壳有较好的适配关系，而小流量运行对，风机的运行状况恶化，甚至产生严重的破坏性振动 [13] ，因而噪声水平也较高。与原有带简易防涡圈的风机相比，加装圆筒形和圆锥筒形防涡圈后的风机整体噪声均有明显下降。其中，加装圆筒形防涡圈后，风机噪声下降 0.5~1.3 dB，平均下降 0.81 dB；加装圆锥筒形防涡圈后，噪声下降0.8~1.2 dB，平均下降 1.03 dB。当流量小于 5 m 3 /s时，圆锥筒形防涡圈的降噪效果明显优于圆筒形；当流量大于 5 m 3 /s 时；二者降噪效果相当。考虑到圆锥筒形防涡圈在破碎大尺度旋涡、降低旋转强度和降低噪声的整体效果，以及圆锥筒形防涡圈的制造难度与成本与圆筒形完全相当，在提高风机效率和降低噪声时，应优先选用圆锥筒形防涡圈。

    图 8 给出了体积流量为 3.68 m 3 /s 时的噪声频谱图，噪声的总变化趋势随频率的增加逐渐下降，但频率在 250~300 Hz 之间出现噪声峰值， 该峰值是旋转噪声和旋涡噪声相互混杂的结果。其中，旋转噪声的频率式中：n 为风机叶轮转速，n=1450 r/min；Z 为叶片数，Z＝12；i 为谐波序号 1,2,3,…。i =1 为基频，从噪声强度看，基频最强；i =2,3,4,…为高次谐波，其总趋势是逐渐减弱的。由式(4)计算可得到该风机的旋转噪声频率 f r =290 Hz，故在250~300 Hz 之间风机噪声以旋转噪声为主。
    对加装防涡圈前后的风机噪声进行频谱对比可知，在 31.5~300 Hz 的低频段，噪声降低效果非常明显， 其中， 加装圆筒形防涡圈后， 声压级下降 1~6dB，平均下降 3.63 dB；加装圆锥筒形防涡圈后，声压级下降 2~7 dB， 平均下降 4.25 dB。 在 300~16 KHz频段上，噪声降低效果减弱，加装圆筒形防涡圈，声压级下降 0~4 dB，平均下降 0.5 dB；加装圆锥筒形防涡圈， 声压级下降 0.5~5 dB， 平均下降 1.92 dB。实验表明，加装防涡圈是降低蜗壳内旋涡噪声的一种行之有效的措施， 其制造成本低， 加工工艺简单；并且在防涡圈的选择上，无论在低频段还是在中频段，圆锥筒形防涡圈的降噪性能均优于圆筒形。此后的风机性能实验表明，加装圆筒形和圆锥筒形防涡圈后，风机的性能也有很大改善。在相对流量大于 53%时，加装防涡圈后的风机效率明显提高，加装圆筒形防涡圈的风机效率比原有风机效率最多可提高 4.8%； 加装圆锥筒形防涡圈后的风机效率比原有风机效率最多可提高 5.1%。 当相对流量小于 53%时，加装圆筒形防涡圈风机效率高于原有风机效率，加装圆锥筒形防涡圈效率略低于原有风机效率，但效率降低不超过 0.5%。对于电厂运行的风机来说，多数运行工况为较大流量工况，石家庄风机厂因此对风机加装防涡圈势必会在很大程度上改善风机性能，对降低噪声具有较好的效果。
3 结论
    通过对 G4-73No.8D 型离心式风机蜗壳内的空气动力学特征的三维数值模拟，详细分析了蜗壳内部旋涡的产生和演化过程，据此进一步对分别加装圆筒形和圆锥筒形 2 种防涡圈后的风机进行模拟计算，研究防涡圈对风机流场的影响机理。在加装防涡圈后，风机蜗壳内空气动力学特性得到明显改善， 大尺度旋涡得到有效破碎， 旋转强度得以降低；噪声特性实验表明，在加装防涡圈后的风机 A 声级和频谱噪声均有所减小，2 种防涡圈对降低风机旋涡噪声均是有效的。
    研究表明，在综合考虑圆锥筒形可有效破碎大尺度旋涡、降低旋转强度和改善气动性能以及降低噪声等方面的基础上，以及圆锥筒形防涡圈的制造难度和成本与圆筒形大体相当，在提高风机效率和降低噪声时，应优先选用圆锥筒形防涡圈。本文的研究结果为其它型号离心风机的降噪改造提供了一定的经验。