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离心风机噪声的产生机理及控制途径

离心风机噪声的产生机理及控制途径 

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2009-06-17   来源：

中国制冷网   点击次数：

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【摘要】分析了离心通风机噪声产生的机理。

介绍了几种降噪措施。

实际应用中取得良好效果。

【关键词】离心通风机　噪声　控制

Abstract：

Themechanismofnoisegenerationoffanforfanisanalyzed.Afewmeasuresofnoisereducingisintroduced.Goodresultisobtainedinpracticaluse.

Keywords：

:

Fan Noise Control

引言

    风机是一种量大面广的通用机械设备，几乎所有的行业都有使用。

而在风机使用的过程中，噪音的存在能对生产、环境等产生很大的影响，随着工业发展对风机性能要求的提高，风机设计和制造技术也不断提高，人们对风机降噪的问题也提上了日程。

目前采用的能有效降低风机噪音的方法有很多，但均不完善。

例如：

8-09、9-12前倾风机、G/Y4-73、4-68机翼型后倾风机、6-39、5-48单板弧后倾风机等,在没有特殊处理或无隔声装置的情况下,在距风机出风口处1m左右测得的噪声一般可达90～110dB（A）,有些高压、大流量的离心风机,如：

9-19、9-26噪声甚至达120～130dB（A）。

根据国际标准化组织（ISO）建议:

在工业厂区内,噪声要求不超过85dB（A）;在公共建筑、饭店、宾馆、精密仪器仪表等领地,噪声要求不超过75dB（A）。

根据人们对噪声所能承受的程度,距离风机最近的住宅区,白天要求噪声不超过50～60dB（A）,晚上要求噪声不超过40～45dB（A）。

因此,对于当今较为普及离心通风机噪声的产生要进行深入研究,识别噪声源,从而实现噪声的有效控制是有意义的。

一、离心风机噪声产生 

1.1通风机的机械噪声

　　风机在经过一段时间的运转后,会产生多种机械噪声。

（1）叶轮磨损不均匀或因风压导致零件的变形,使整个转子不平衡而产生的噪声。

（2）轴承在运行后由于磨损,与轴相互产生的噪声。

　　（3）由于安装不良或各零件联接松动而产生的噪声。

　　（4）叶轮高速旋转产生振动,导致机体某一部分共振而产生的噪声。

1.2电机噪声

    在整个通风系统中,电机是其中一个重要组成部分,但一般风机的生产厂家采用的电机均由电机生产厂家提供,风机生产厂家一般不作电机内部处理,但电机的噪声种类繁多,本文简述如下：

（1）轴承本身精度不够而产生的轴承噪声;

（2）径向交变的电磁力激发的电磁噪声;

（3）换向器整流子碳刷摩擦导电环而产生的摩擦噪声;

（4）整流子的打击噪声;

（5）由于某些部件振动使自己的固有频率与激励频率产生共振,形成很强的窄带噪声;

（6）转子不平衡或电磁力轴向分量产生的轴向串动声;

（7）电机冷却风扇产生的空气动力噪声。

1.3离心风机的气动噪声

气动噪声包括旋转噪声和涡流噪声

（1）旋转噪声产生

旋转噪声又称叶片噪声,或称离散频率噪声，属于偶极子声源，旋转噪声的频率为,

f=inz/60 

（1）式中　n———每分钟的转速z———叶片数

i———谐波序号,i=1，2，3，…，i=1为基频

   由式

（1）可以看出,若将叶片数增加1倍而转速保持不变时,由于基频增加1倍,原来的奇次谐波成分被取消,假定各谐波成分的强度近似相同,理论上旋转噪声的强度将降低一半。

即使压力脉冲不很尖税,叶片数的增多对降低噪声也是有利的。

    旋转噪声的声压与风机的功率成正比,而与叶轮的半径成反比。

所以,当功率与叶片尖端的圆周速度给定时,从降低噪声的角度应尽量使叶轮半径大一些。

叶片尖端的圆周速度对旋转噪声的声压非常敏感,随圆周速度的提高,旋转噪声的声功率迅速地增加。

（2）涡旋噪声产生

    涡旋噪声又称涡流噪声,或称紊流噪声。

是由于紊流边界层及其脱离引起气流压力脉动造成的，边界层脱离和紊流脉动弹性较大，故漩涡噪声具有很宽的频率范围，也称宽频噪声。

涡旋噪声的频率为

式中　———斯特劳哈尔（Strouhal）系数,  =0.14～0.2,一般取0.185

　　　w———气流与叶片的相对速度

　　　L———叶片正表面的宽度在垂直于速度平面上的投影

　　　i———频率谐波序号

    由式

（2）可知,涡旋噪声的频率取决于叶片与气体的相对速度,而旋转叶片的圆周速度则随着与圆心的距离而变化。

从圆心到圆周,速度连续变化。

叶片旋转所产生的涡旋噪声就具有连续的噪声频谱,频带宽度也将随雷诺数的提高而缓慢地增大。

从声源特性上说,涡旋噪声属偶极子源,声功率与偶极子源振速幅值vm的平方成正比,与波数k的4次方成正比,因此,涡旋噪声的声功率按流速v的6次方规律变化。

实际各种系列离心风机,旋转噪声与涡旋噪声总是同时存在。

若叶片尖端的圆周速度相应的马赫数小于0.4,涡旋噪声则占主导地位,若叶片尖端的圆周速度相应的马赫数大于0.4,旋转噪声则占主导地位。

二、离心风机噪声的控制途径

2.1机械噪声的控制

   在正常运行的风机系统中,机械噪声相对于气体动力噪声和电机噪声来说,相对较小,在混合噪声中,机械噪声可以忽略不计。

2.2电机噪声的控制

    在设计制造或选用电机时要侧重考虑降低电机噪声;在使用电机时则要侧重考虑控制电机噪声。

（1）叶片声和笛声的控制　叶片不平衡或叶片与导风圈的间隙太小,只需校正或调整即可;若叶片与风道沟共振产生笛声,须改变叶片数,叶片最好采用质数片。

（2）适当减小风扇直径,合理选择风扇尺寸参数,可降低风扇涡流噪声。

（3）电磁噪声在低频段与电机刚度有关,高频段与槽配合有关。

若出现电网频率的低频电磁声,说明电机定子有偏心、气隙不均匀,应返修改进;若负载出现两倍滑差频率的噪声,说明转子有缺陷,应更新或返修。

（4）采用消声隔声措施　以消声为主的常用于小型电机,以隔声为主的常用于大型电机。

一要注意电机的散热,二要注意消声罩的隔振与减振。

2.3风机噪声的控制

（1）机壳处的噪声控制

1．微穿孔板吸声结构，夹层中间不加填料，内壁穿孔率为1%~3%,板厚微0.8mm，孔径为0.8mm。

可用一个夹层或两个夹层。

层与层之间的间隙为50~100mm。

用这种方法试验后的结果是风机的性能基本上没有变化，而噪音却有大幅度的降低。

2．可以将衬垫贴附在整个机壳的外侧,其降噪的效果也较为明显。

（2）进、出风口处的噪声控制

    经测试,离心风机在进风口与出风口,其噪声最大。

一般的方法是利用声的阻抗失配原理,在进风口前和出风口后安装吸声式消声装置来减低风机噪声。

如：

图一

（3）蜗舌结构的改进

    由于存在着叶片尾迹,在叶轮出口处的切向速度分布曲线呈现明显的最大值和最小值。

蜗舌尖端半径的大小及蜗舌与叶轮外径的间距大小对出风口处的噪声影响较大。

一种方法是在风舌的内侧固定一层穿孔板,内衬一种超细玻璃棉作为吸声材料,其结构与前面的机壳衬层相似。

另一种方法是改变蜗舌的边缘。

一般风机蜗舌的边缘是平行于主轴,让叶轮流出的周向不均匀的气流同时作用在蜗舌上,使蜗舌受到很大的脉冲力而向外辐射较强的噪声。

现改用如图6所示的蜗舌板,蜗舌边缘线与主轴倾斜,其倾斜的程度根据叶片的气动模型计算出叶片出风口处风速的切线方向,让两个叶片出来的气流同时作用在蜗舌上。

如：

在THF系列风机中,蜗舌边缘与主轴的倾斜角为18°,使作用在蜗舌上的脉冲气流相互错开,减少蜗舌上的脉冲力,有效降低风机的旋转噪声。

（4）叶轮气体流道的改进

   在THF系列风机叶轮的设计中,叶轮的进口速度和叶轮中的减速程度,是特别值得关注的问题。

降低叶轮中的进口速度和增大叶轮中的减速程度,可使叶轮中的流速减小,减少流动损失,提高叶轮的流动效率,还可以有效地降低噪声。

    采用后掠式扭曲叶片,叶片在出风口处适度前倾,在进风部位后掠,可以避免流道的急剧扩张,防止气流严重分离,让叶片背面产生的紊流附面层和分界层所形成的涡旋胚以最快的速度解体,从而提高了气流在叶道中的流动效率,也减少了涡旋所产生的噪声。

经同型号风机性能测试比较,THF系列风机的效率提高了3%～5%,噪声同时下降8～10dB（A）,尤其在大风量区,效率高,噪声低,其气动性能在国内外同类型风机中趋于领先地位。

三、结束语

   风机系统产生的是一个非常复杂的噪声源,要通过对噪声的测量、分析、诊断技术等来确定主要噪声源,依据轻重缓急的原则,采取几项合理的治理措施,才会有良好的效果。

参考文献：

   商景泰.通用风机实用技术手册。

北京：

机械工业出版社，2005.4。

马大猷，等.噪声控制学。

北京：

科学出版社.1987.15-18.

方丹群，等。

噪声控制。

北京：

北京出版社，1986.

赵松令.噪声的降低与隔离（下册）.上海：

同济大学出版社，1989.

离心风机噪声污染分析与控制方法-中国水泥技术网

2009-6-15　作者:

王艳，洪开军

离心风机是水泥生产企业常用的辅助设备，主要用于通风与除尘装置中，如旋风除尘器及布袋除尘器等。

噪声污染是离心风机运行中存在的致命弱点，研究和探讨水泥生产中离心风机噪声的产生原因、危险性及其控制途径，对保证操作工人的身体健康及提高企业的经济效益等具有重要意义。

1风机噪声分类及噪声机理

   风机噪声就其主要声源产生机理而言，可分为旋转噪声和涡流噪声；就其频谱特性而言，可分为宽频噪声与离散噪声。

1．1离散噪声（旋转噪声）

   它与叶轮的转速有关，在高速、低负荷情况下，这种噪声尤为突出。

离散噪声是由于叶片周围不对称结构与叶片旋转所形成的周向不均流场相互作用而产生的噪声，主要体现在以下几方面：

（1）来流引起的进气干扰的噪声，这是因进风口前装有前导叶或金属网罩而产生的进气干涉噪声，在这种情况下，当工作轮旋转时，动叶周期性地承受前面静叶排出不均匀气流，则气流作用在动叶上的力也是周期性脉动而产生噪声。

（2）叶片在不光滑或不对称机壳中产生的旋转频率噪声，由于机壳内壁形成所必需的条件是旋转对称，否则气流流动状态将不再与轴线完全对称，也就是说周向的圆周速度不再是常数，所以气流便会产生旋流动。

（3）因离心风机叶片出口蜗舌的存在或轴流风机后导叶的存在而产生的出口干涉噪声。

在叶片出口处沿着工作轮圆周，由于存在尾迹，气流的速度和压力都不均匀，这种不均匀的气流作用在蜗壳上，形成了压力随时间的脉动。

反过来它又影响叶轮中气流的流动，于是叶片上的气流也就具有随时问变化的脉动性质。

   这种叶片通过频率f1称为基频。

即f1=nZ／60            

（1）

式中：

f1—基频，Hz

     n—叶片转数，r／min

     Z—叶片数

   同时，由于这种脉动波形不会是单纯的正弦曲线，所以根据级数展开，它还有其他的高次谐音fi，表达式为fi=nZi／60（i=1，2，3，…），因此旋转噪声具有离散频谱特性，其基频为叶片通过频率，还有它的高次谐音。

显然，从旋转噪声的强度看，基频最强，其次是二次谐波、三次谐波，总的趋势是逐渐减弱的。

1．2宽频噪声（涡流噪声）

   涡流噪声主要是由于气流流经叶片时产生紊流附面层及漩涡与漩涡分裂脱体，引起叶片上压力脉动而造成的。

产生的原因主要体现在以下几方面：

（1）气流流经叶片、前盘、后盘的内外表面；流经蜗壳内表面及局部表面，气流紊乱引起压力脉动而产生噪声。

（2）气流流经叶片前后盘的内外表面及蜗壳表面时，由于附面层发展到一定程度会产生涡流脱离，脱离涡流将造成较大的脉动。

在低雷诺数下，周期性涡流的脱离将导致相应环量的改变，也使物体上的气流作用力产生变化。

（3）当具有一定紊流度的气流流向叶片时，叶片前缘各点冲角大小将取决于气流平均速度和瞬时扰动速度，在紊流情况下扰动速度是无规律地变化的，因而也使冲角发生无规律的变化，导致升力的无规律脉动而产生噪声。

   这种旋流具有很宽的频率范围，通常称为宽频噪声，同时它主要是由于旋涡剥落引起的，所以物体绕流旋涡剥落具有确定频率。

即

      ft=Stv／d                         

（2）

式中：

ft—旋涡剥落频率，Hz

    St—斯哈托数，St=0．2

    v—特征速度，m／s

    d—特征直径或长度，m

   所以，这种宽频噪声又表现出只具有峰值。

即

    ft=0.2v1／d1                          （3）

式中：

v1—风速，m／s

     d1—导线直径，m

2 风机噪声级换算

   若要对离心风机的运行噪声进行有效控制，首先就必须了解其噪声特性及其噪声级换算的一些基本方法。

为了能够客观公正地衡量一台离心风机的噪声性能，根据JB／T8690-1998（《工业通风机噪声限值》）规定，各类通风机噪声在最佳工况点的比A声级LSA的计算公式如下：

   LSA=LA-10lg（Q·P2）+19．8               （4）

式中：

LSA——通风机的比A声级，dB

      LA——对应于通风机工况点的A声级，dB

      Q——通风机测试工况点流量，m3／min

      P——通风机测试工况点全压，Pa

   通过式（4）计算得到的k，实际上就是通风机产生单位流量、单位全压时的噪声计算相对值。

这样，就等于有了比较各种类型通风机噪声的衡量基准。

实践证明，同系列的离心通风机的LSA曲线基本相同。

如与风机的性能、效率（η）曲线对应绘制成图，就会发现LSA曲线与η曲线很像解析几何中的双曲线（图1）。

由图1可见，风机η最大处，LSA最小。

且随着风机流量的增大或减小，η曲线向左右回落；而LSA曲线则朝相反方向上翘。

这又形象地说明，当风机内部流动情况最佳时，才可能获得最大的效率和最低的噪声。

另外，在选择、设计离心风机噪声控制方案时，我们必需预测该机在实际运行时产生噪声级的大小。

而在实践中，获取该资料的途径无非两条：

（1）查找有关资料；

（2）向供货商索取。

但有时得到的是该机的一条比A声级LSA曲线，而不是直接的具体噪声级。

这时就需要利用式（4）进行换算，例如某水泥厂在工艺设计时决定选用9-19№6离心通风机，其运行工况性能：

Q为80．33m3／min，P为8818Pa，对应工况点比A声级LSA=18.8dB，计算A声级。

图1 6-23-2№6.3性能曲线图

   LA=LSA+10lg（Q·P2）-19．8=18.8+10lg（80.33×88182）-19.8=97dB。

   可见，风机噪声明显高于企业允许限值（≤85dB），故需对其进行有效控制。

3风机噪声控制方法

3．1合理选型

（1）在选用风机之前，首先应确保工艺设计的准确性。

要使设计工况点的风量、全压基本上与风网实际运行时的风量、全压相接近。

如果设计时余量过大，在实际运行时就要关小风机蝶阀。

这样做有3个缺点：

a导致风网阻力增加，造成全压与动力浪费。

b因阻力增加而浪费掉的△P相应产生的噪声△LA不会消失，仍要产生出来。

c关小风机蝶阀会造成风机进气（或出气）状况恶化，增大涡流噪声。

（2）工艺设计完成后，在风量和全压方面能满足生产需求的运行方案有很多，应选用在该工况点具有最高效率和最低噪声的风机，以确保运行噪声最低。

3．2优化结构

（1）增强叶栅的气动力载荷，降低圆周速度。

对于风机采用强前向叶片，且多叶片叶轮有利于增大叶栅的气动力载荷，在得到同样风量风压的情况下，叶轮叶片外圆上圆周速度u可使风机噪声明显降低。

（2）采用合理的蜗舌间隙和蜗舌半径。

增加风舌与叶轮之间的间隙δt可降低基频和谐波。

气流与叶片作相对运动时，叶片后缘的气流尾迹中，速度及压力均小于主流区，致使叶栅后的气流速度与压力分布皆不均匀。

这种不均匀的流谱在旋转，如果在动叶之后有静叶或风舌，则这种非稳定流动与静叶或风舌相互作用将产生噪声。

距离愈近，噪声愈大。

但根据有关资料介绍进行试验，当δt大到一定程度后，噪声不再降低，却使风机气动性能变坏，如风量、风压都有所下降。

实验表明，在风舌间隙δt／R=0．25和风舌半径r／R=0．2时，具有最大风机效率和最小噪声（R为叶轮半径）。

   （3）蜗舌倾斜风机。

叶轮叶栅气流的周期性脉动速度所产生的周期性脉动气动力也使蜗舌相互作用产生旋转噪声，此噪声大小与脉动气动力的剧烈程度及蜗舌的迎风面积有关，把蜗舌做成倾斜式，则同相位的脉动气动力的作用面积小了，辐射的噪声也就减小了，蜗舌的倾斜角α可按tanα=（t-2r）／b计算，其中，r为蜗舌半径，t为叶轮出口栅距，b为叶片宽度。

   （4）叶轮入（出）口处加紊流化装置。

在风机叶轮叶片的入口或出口处加紊流化装置（金属网）可以使叶片背面的层流附面层立即转换成紊流附面层，推迟叶片背面附面层的分离，甚至不分离，叶片后缘装上网，网后的气流速度与压力梯度能迅速变均匀，若网在涡区中则可将涡区大大缩小，这对减噪是有利的。

   （5）叶轮上增设分流叶片（短叶片）。

在风机中，对无分流叶片的叶轮，当叶片较少时，在叶片通道后半段易产生负速度区，容易导致气流分离；当叶片较多时又容易产生进口阻塞和气流分离。

   （6）在动叶进出气边上设锯齿形结构。

在动叶进出气边上设锯齿形结构可使叶片上气流层流附面层较早地转化为紊流，避免层流附面层中的不稳定波导致涡流分离，降低噪声。

   （7）在蜗舌处设置声学共振器。

蜗舌处设置声学共振器，当声波传到共振器时，小孔孔径和空腔中的气体在声波作用下来回运动，这运动的气体具有一定的质量，它抗拒由于声波作用而引起的运动，同时声波进入小孔孔径时，颈壁的摩擦和阻尼，会使相当一部分声能因热耗而损失掉。

另外，充满气体的空腔具有阻碍来自小孔的压力变化的特性。

由于这些因素的共同作用，当气体通过共振器时，噪声得到降低。

   （8）在蜗壳内设置挡流圈。

中低压离心风机的蜗壳宽度与叶轮出口宽度一般较大，气流自叶轮进入蜗壳的扩压变大，在叶轮前盘外侧与蜗壳间产生大尺度旋涡，使涡流噪声增大，效率降低。

而蜗壳宽度又不宜过小，否则将增大蜗壳的张开度，使蜗壳出口端面长宽比过大，给后面的管路连接带来困难，同时也使摩擦损失增加。

为了减小涡流区，增加风机进口集流器与叶轮入口边间的密封效果，可在蜗壳中加各种形式的挡流圈。

3．3消声

   风机高速旋转时产生强烈的空气动力性噪声，为阻止声音外传播又允许气流通过，在风机气流通道上，装上消声装置，使风机本身发生的噪声和管道中的空气动力噪声降低。

定型常用的消声装置有：

（1）常用的阻性消声器、片式消声器、蜂窝式消声器、管式消声器、迷宫式消声器等。

（2）常用的抗性消声器、共振式消声器、扩张式消声器、混合式消声器、障板式消声器等。

   （3）常用的阻抗复合消声器、扩张室—阻抗复合式消声器、共振腔—阻性复合式消声器、阻—抗—共复合式消声器。

3．4隔声

   隔声是噪声控制工程中常用的技术措施，利用墙体各种板材及构件作为屏蔽物，或利用维护结构，把噪声控制在一定范围之内，使噪声在空气中的传播受阻而不能顺利通过，从而达到降低噪声的目的，常用的方法有：

（1）单层密实均匀构件隔声。

此类构件的隔声材料要求密实而厚重，如砖墙、钢筋混凝土、钢板、木板等，隔声性能与材料的刚性、阻尼面密度有关。

（2）双层结构隔声。

两个单层结构中间夹有一定厚度的空气，或多孔材料的复合结构，一般可比同样质量的单层结构隔声量高5～10dB。

   （3）隔声罩和隔声间。

对于体积小的噪声源，直接用隔声结构罩上，可以获得显著的降噪效果，这就是隔声罩。

有很多分散的噪声源时可考虑建立一个小空间，使之与噪声源隔离开来，这就是隔声间。

   （4）隔声屏，是放在噪声源和受声点之间用隔声结构所制成的一种隔声装置。

3．5 吸声

在墙面或顶栅上饰以吸声材料、吸声结构，或在空间悬挂吸声板，吸声体混合声就会被吸收掉，这种控制噪声的方法称做吸声降噪。

（1）吸声材料在吸声降噪方法中很重要，常用的有：

a纤维材料，包括有机纤维、无机纤维和纤维制品。

b颗粒材料，包括砌块和板材。

c泡沫材料，包括泡沫塑料、其他等三大类二十几种。

（2）共振吸声结构是利用共振原理做成的，用于对低频声波的吸收，最常用结构分单个共振式（包括薄膜、薄板结构）和穿孔板吸声结构。

   （3）微穿孔板吸声结构是由板厚和孔径均在lmm以下、穿孔率为1％～3％的金属微穿孔板和空腔组成的复合结构。

4结束语

   离心风机噪声的控制足水泥生产企业而临的一个重要课题。

它应从离心风机的设计和制造入手，优化和完善离心风机结构，采用先进的制造工艺与方法提高制作质量和精度，尽量减少空气动力噪声的产生。

同时，安装和检验也是一个不可忽视的环节，必须对风机叶轮、风机轴、皮带轮及联轴器等旋转零部件进行严格的静平衡和动平衡校正合格后，才能组装成台准予出厂等，以减少因风机振动而产生的机械噪声。

然而，离心风机的叶轮叶片极易产生磨损而形成噪声，所以，我们应对离心风机的噪声进行检测、分析和研究，确定其噪声的主要来源及其传播途径，升采取有效的噪声治理措施，达到减弱或切断噪声的传播途径或消除噪声源的目的，确保最大限度地减轻离心风机对周围环境的噪声污染，以改善水泥企业的生产环境及促进水泥生产企业的和谐和可持续发展。