CN101021880A - 降低多翼离心风机噪声的方法 - Google Patents

Abstract

一种降低多翼离心风机噪声的方法，属于噪声控制技术领域。本发明步骤如下：①对模型风机运用计算流体动力学技术进行数值模拟建模仿真；②确定低噪风机结构参数的范围；③建立风机以噪声和效率为目标的多目标约束函数，按照②中确立的结构参数范围规定约束条件，确定初始可行点，并利用工程复合形法进行叠代计算，得出风机的设计参数；④将得到的优化参数正交组合，利用计算流体动力学技术进行数值模拟仿真，并通过列主元素分析方法确定对风机性能影响最大的截面，比较后得到最终的设计方案；⑤对叶轮和蜗壳不同心与同心两种情况分别进行数值模拟仿真。本发明在保证风机性能的基础上，实现多翼离心风机噪声的降低。

Description

降低多翼离心风机噪声的方法

技术领域

本发明涉及的是一种噪声控制技术领域的方法，具体是一种降低多翼离心风机噪声的方法。

背景技术

风机的噪声控制研究是涉及声学和空气动力学等多学科交叉的综合性学科。如何把空气动力噪声用最合理的措施减少到允许程度，就需要详细地研究风机的空气动力噪声的分类、机理以及如何控制风机的空气动力噪声。离心风机传统设计方法对于一定噪声、全压、风量要求的风机，叶轮设计时对诸如叶片出口安装角、叶片进口安装角、外径、内径、叶片数等几何参数的确定有太大的随意性，缺乏科学准确性；而对于所匹配的蜗壳进行设计时不仅所提出的假设前提与实际的蜗壳流动状况有很大出入，在确定蜗壳宽度、张开度等参数时同样也有很大的随意性，其结果必定是：对于一定噪声、全压、风量性能要求的风机可能有很多个不同的设计方案，对于不同的设计者尤其是初始设计者，要确定一个最好的方案是很困难的，往往必须做大量的模型对比试验，对各种设计方案进行筛选，导致产品开发周期长，成本高，而产品的质量却不一定能保证能达到优化。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号：200610016773，发明名称为：一种降低轴流风机噪音的方法，该专利涉及一种对轴流风机噪音进行控制的方法，根据噪声控制理论和实验测试降低轴流风机的噪音，但由于该方法只针对用于较大型设备的轴流风机降噪，所以无法实现对于广泛应用于空调器、吸排油烟机等小型通风设备的多翼离心风机的降噪。

发明内容

本发明的目的在于克服传统方法的缺陷，缩短开发周期，以及减少开发经费，提供一种降低多翼离心风机噪声的方法。使其取代传统的方法，在保证风机性能的基础上，实现多翼离心风机噪声的降低。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明具体步骤如下：

①对模型风机运用计算流体动力学技术进行数值模拟建模仿真，确定如下模型参数以便建模：叶轮外径D₂，轮径比D₁/D₂，叶片中点切线与叶轮中心的夹角θ，进口安装角β₁，出口安装角β₂，叶片均为单圆弧厚度直叶片，叶片厚度1，叶片圆弧半径D，分析模拟的风机速度流场和压力场，当蜗舌半径、蜗舌间隙及蜗壳曲线改变1％时，其对应的蜗舌和蜗壳的速度场与压力场中的等速度线与等压力线所对应的数值变化量超过其它区域的30％，则确定其为导致风机流场恶化、噪声过大的结构因素，即确定蜗舌半径、蜗舌间隙及蜗壳曲线是影响风机速度场、压力场和噪声的结构因素；

②在①中的结构因素初步确定以后，按照传统的风机理论设计方法进一步确定低噪风机结构参数的范围以便在③的参数优选过程中缩小参数范围、简化计算，蜗舌曲率半径r/R在0.02到0.08范围内，蜗舌与叶轮相对间隙δ/R在0.03到0.1范围内，D₁/D₂在0.8至0.95之间，叶片数趋向于60片上下，b/D₂在0.314至0.683之间，出口安装角β₂在150°至163°范围内，进口安装角β₁取60°或90°；

③建立风机以噪声和效率为目标的多目标约束函数 $\min f_{\mathrm{mut}}=\sqrt{{(f_{\mathrm{\η}}-{\mathrm{\η}}^{*})}^2-{(f_L-L_L^{*})}^2},$ 根据②中确立的结构参数范围规定约束条件，将约束条件中的初始点D₁/D₂、b/D₂、β₂、δ/R、r/R代入所建立的函数方程，并利用工程复合形法进行迭代计算、得出风机的设计参数D₁/D₂、b/D₂、n、β₁、β₂、δ/R、r/R；

④将③中得到的多组优化参数正交排列组合，确定多种方案，对每一种方案利用计算流体动力学技术进行数值模拟仿真，并通过列主元素分析方法确定对风机性能影响最大的截面，以风机噪声和性能为参考依据，得到噪声最低、风机压头最大的优化方案，即最终的设计方案：关于D₁/D₂、b/D₂、n、β₁、β₂、δ/R、r/R的一组数值；

⑤对叶轮和蜗壳不同心与同心两种情况分别进行数值模拟仿真，比较模拟的风机噪声场，采用叶轮和蜗壳同心时的平均噪声要比不同心的情况低2％以上。

按照④⑤中确定的参数加工风机，经管口法测定设计出的风机噪声与其同类的风机产品相比较，噪声降幅在10％以上。

所述的运用计算流体动力学技术进行数值模拟建模仿真，是指：利用计算机对模型风机进行计算流体动力学数值模拟仿真，计算采用选取标准k-ε两方程湍流模型，壁面附近采用标准壁面函数。采用结构化网格与非结构化网格相结合的混合网格。在进行二维计算时，计算区域取与叶轮回转轴垂直的径向面，网格划分时，对形状比较规则的进风部分用四边形网格，叶轮部分用三角形网格；蜗壳部分用四边形网格。定义叶轮区域为旋转区，采用多重旋转坐标系；其余区域为静止区，采用静止坐标系，坐标系原点位于蜗壳后盖板中心，z轴指向进风口；叶片表面、后盘外表面为旋转壁面，旋转壁面与静止壁面满足无滑移条件；风机进气口的进口截面及蜗壳的出口截面分别为计算域流体的进口与出口，进口给定压力边界条件，出口给定负进口速度边界条件，速度大小由风机额定风量与出口截面面积计算求出。对不同工况计算时，以初始工况的计算结果作为下一工况的流场初始值进行初始化。

所述的按照传统的风机理论设计方法确定低噪风机结构参数的范围，是指：运用气动声学对风机噪声进行理论分析，缩小其优化参数的范围。随着蜗舌间隙δ和蜗舌半径r的增大，尾流衰减，噪声将降低。由离心风机旋转噪声声功率表达式，通过变参数法计算出风机旋转基频声功率随蜗舌曲率半径r/R、蜗舌与叶轮相对间隙δ/R的变化情况。蜗舌曲率半径r/R在一定数值之间风机旋转基频声功率变化较大，而当蜗舌与叶轮相对间隙δ/R也会在一定数值之间声功率有较大降低。但是蜗舌曲率半径和相对间隙过大会导致机壳尺寸增大，风机流量减小。多冀离心风机蜗壳型线也是影响这些指标的主要因素之一，对它进行合理的设计将有助于提高风机的整体性能。借助螺旋线方程，拟合最佳的蜗壳曲线。

所述的建立风机以噪声和效率为目标的多目标约束函数，是指：根据风机传统设计方法和气动声学分析，确定多翼离心风机以噪声和效率为目标的函数：

1)以风机效率为目标的优化模型

minf_η＝-η(D₁/D₂，b/D₂，n，β₁，β₂)

2)以风机噪声为目标的优化模型

minf_L＝L_A(D₁/D₂，b/D₂，n，β₁，β₂，δ/R，r/R，Y/N)

3)风机效率和噪声都考虑的多目标优化模型

$\min f_{\mathrm{mut}}=\sqrt{{(f_{\mathrm{\η}}-{\mathrm{\η}}^{*})}^2-{(f_L-L_A^{*})}^2}$

式中：Y/N——是否采用阿基米德螺旋线；η——风机效率值；L_A——风机噪声值；η^*——效率最优值；L_A ^*——噪声最优值；D₁——叶轮内径，mm；D₂——叶轮外径，mm；β₁——出口安装角，°；β₂——进口安装角，°；n——风机转速，r/min；r——蜗舌半径，mm；b——叶片宽度，mm；δ——蜗舌间隙，mm；R——蜗壳半径，mm；f_η——以风机效率为目标的优化函数；f_L——以风机噪声为目标的优化函数；f_mut——风机效率和噪声都考虑的多目标优化函数。

所述的将得到的优化参数正交组合，确定多种方案，是指：经迭代计算后的风机参数可能不只一组，为了得到较优的参数以降低风机的整体噪声，需要对计算得出的优化参数即出口安装角、蜗舌曲率半径、蜗壳曲线等按照正交实验的方法，进行组合。

所述的对风机的其它主要构件进行数值模拟仿真，是指：对影响风机噪声的重要部件进行仿真优化。叶轮和蜗壳不同心的情况会使风机的重心发生改变，可能会影响到风机的振动噪声。经数值模拟仿真分析偏心对风机性能和噪声方面的影响。

所述的实验测定设计的多翼离心风机的性能和噪声，并与其同类产品比较，是指：通过风速仪对设计好的风机出口的速度场测定，测得出口的平均风速，进而得到风机流量。通过精密压力计测得出口的全压，进口的静压。噪声测试采用管口法测定。在此基础上评价经优化后的风机性能和噪声大小，并与其同类产品相比较，确定优化的幅度。

本发明具有以下特点：将计算流体动力学领域中的数值模拟仿真结合工程最优化理论方法用于多翼离心风机的优选设计。以崭新的角度来解决多翼离心风机噪声的问题，在多翼离心风机降噪理论和实验数据的基础上，结合现有的经验理论，归纳出多翼离心风机噪声的影响因素，并据此确定了其噪声及效率函数的约束条件，利用工程优选方法，结合实际情况提出了多种改进方案。利用计算流体动力学数值模拟技术，对风机全压、速度和噪声等参数进行数值模拟，对仿真结果进行具体分析，并采用实验回归验证了仿真模型的可靠性。在此基础上，对提出的多种改进方案进行优选。

经实验测试，通过本发明设计出的多翼离心风机的噪声与其同类的风机产品相比较，在其基本性能略有提高的基础上，噪声降幅达10％以上。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

1、在同类风机产品中，以某厂产的符合国家各项性能指标的多翼离心风机作为模型风机。

2、首先对模型风机进行计算流体动力学数值模拟仿真，建立的风机叶轮模型：叶轮外径D₂＝240mm，轮径比D₁/D₂＝0.85，叶片中点切线与叶轮中心的夹角θ＝35.74°，进口安装角β₁＝90°，出口安装角β₂＝154°，叶片均为单圆弧厚度直叶片，叶片厚度1＝0.4mm，叶片圆弧半径D＝19.18mm。

分析风机出口截面的全压与速度场数值模拟结果。在叶轮径向方向上，静压随半径增大压力升高；在圆周方向上压力分布可以分为两个区间，有二次涡的流道区间压力分布基本相同，静压较高，而其它区域静压低，最低静压值为-110Pa。这是二次涡卷吸周围气流的结果。此外，叶轮在蜗舌附近均存在一个静压高的小区域，影响出流。在叶轮内部，越靠近叶片前缘，动压和速度越高，这主要是由于高速旋转的叶轮对叶轮内部的气流不断吸附的结果，最高动压和速度位于叶轮外缘蜗壳出口方向。

数值模拟结果表明，气流由于受到蜗舌通道急剧缩小的影响，在蜗舌上游位于叶片出口的部分气流逆流回叶轮进口，使这个区域存在一定程度的出口逆流，在逆流和蜗舌的共同影响下，蜗舌间隙中存在明显的间隙涡，从而导致蜗舌间隙的有效流动通道进一步减小，使通过蜗舌间隙的气流偏向蜗舌一边，恶化了间隙的流动，成为重要的噪声源。

3、运用气动声学对风机噪声进行理论分析，缩小其优化参数的范围。

蜗舌曲率半径r/R在0.02至0.08之间风机旋转基频声功率变化较大，而当蜗舌与叶轮相对间隙δ/R在0.03至0.1之间声功率有较大降低。但是蜗舌曲率半径和相对间隙过大会导致机壳尺寸增大，风机流量减小。选定蜗舌曲率半径为0.075，蜗舌相对间隙为0.095，即蜗舌半径9mm，蜗舌间隙11.4mm。选择将蜗壳曲线变为圆滑的阿基米德螺旋线。模型风机蜗壳型线与阿基米德螺旋线的相关系数为0.9707，蜗壳左右两端最大间距为346.4mm，依上式计算，此时风机的起始角度为61度。

4、根据风机传统设计方法和气动声学分析，确定多翼离心风机以噪声和效率为目标的函数。

minf_η＝-η(D₁/D₂，b/D₂，n，β₁，β₂)

minf_L＝L_A(D₁/D₂，b/D₂，n，β₁，β₂，δ/R，r/R，Y/N) 0.8≤D₁/D₂≤0.95

$\min f_{\mathrm{mut}}=\sqrt{{(f_{\mathrm{\η}}-{\mathrm{\η}}^{*})}^2-{(f_L-L_A^{*})}^2}$

β₁按常规取90°，n取900r/min。约束条件由6个不等式约束和2个等式约束组成。

选取的初始可行点为：

D1/D2	b/D2	β2	δ/R	r/R
					0.8	0.314	150°	0.03	0.02

按照确定的约束函数，经复合形法迭代计算选取最优值，结果取圆整后，可得当参数取得以下数值的时候，以风机效率和噪声为目标的函数在所规定的约束范围内取得极小值，即风机在此范围内能达到较好的效果：D₁/D₂＝0.85；b/D₂＝0.5；n＝900r/min；β₁＝90°；β₂＝150°，154°，158°；δ/R＝0.095；r/R＝0.060，0.075。

5、为得到较优的参数以降低风机的整体噪声，对以上提出的优化参数即出口安装角、蜗舌曲率半径、蜗壳曲线等进行正交试验组合，共12种方案，如下表所示，分别对其进行计算机模拟仿真，表中的“是、否”代表蜗壳曲线是否为圆滑的阿基米德螺旋线。

方案	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
													β2(度)	154	150	150	158	158	154	154	150	158	154	150	158
r/R	0.062	0.062	0.075	0.075	0.062	0.075	0.062	0.062	0.062	0.075	0.075	0.075
													蜗壳曲线	否	否	否	否	否	否	是	是	是	是	是	是

经模拟参数比较得出：当其他参数不变，蜗壳曲线变为圆滑的阿基米德螺旋线时，由于采用扩大后的机壳将流速降低，使得宽频噪音明显下降。但流速过低使得风机压头达不到额定压力，影响了性能。而增大出口安装角能使出口动压上升，增大蜗舌曲率半径和蜗舌间隙能使噪声减小。按照降噪幅度10％以上，以及性能变化不超过2％的优选标准，方案1至11不符合要求。简言之，方案12能在保证风机基本性能的前提下达到较好的降噪效果。

6、叶轮和蜗壳不同心的情况会使风机的重心发生改变，可能会影响到风机的振动噪声。经数值模拟仿真分析可知，偏心使得风机出口的噪声值上升大约2％，全压和速度也有不同程度的降低，在性能和噪声方面与模型风机相比较差，因此不推荐进行叶轮偏心的改动。

7、综合以上因素，提出了最终的设计方案。转速n＝900r/min，叶片数Z＝60，叶轮外径D₂＝240mm，轮径比D₁/D₂＝0.85，叶片进口安装角β₁＝90°，出口安装角β₂＝158°，叶片均为单圆弧厚度直叶片，叶片厚度δ＝0.4，叶片圆弧半径D＝19.18mm。蜗壳曲线为圆滑的阿基米德螺旋线。蜗舌半径r为9mm，蜗舌间隙δ为11.4mm。

8、按照上述的参数加工风机。经风速仪对设计好的风机出口的速度场测定，测得出口的平均风速为13.2m/s，进而得到风机流量0.306m³/s。经精密压力计测得出口的全压为320Pa，进口的静压为-29Pa。噪声测试采用管口法测定。测试结果显示，新型低噪前向型多翼离心风机与同类产品相比，在其性能略有提高的基础上，噪声有较大幅度的下降，降幅达11.1％。

Claims (6)

1、一种降低多翼离心风机噪声的方法，其特征在于，具体步骤如下：

①对模型风机运用计算流体动力学技术进行数值模拟建模仿真，确定如下模型参数建模：叶轮外径D₂，轮径比D₁/D₂，叶片中点切线与叶轮中心的夹角θ，进口安装角β₁，出口安装角β₂，叶片均为单圆弧厚度直叶片，叶片厚度1，叶片圆弧半径D，分析模拟的风机速度流场和压力场，当蜗舌半径、蜗舌间隙及蜗壳曲线改变1％时，其对应的蜗舌和蜗壳的速度场与压力场中的等速度线与等压力线所对应的数值变化量超过其它区域的30％；

②蜗舌曲率半径r/R在0.02到0.08范围内，蜗舌与叶轮相对间隙δ/R在0.03到0.1范围内，D₁/D₂在0.8至0.95之间，叶片数趋向于60片上下，b/D₂在0.314至0.683之间，出口安装角β₂在150°至163°范围内，进口安装角β₁取60°或90°；

③建立风机以噪声和效率为目标的多目标约束函数 $\min f_{\mathrm{mut}}=\sqrt{{(f_{\mathrm{\η}}-{\mathrm{\η}}^{*})}^2-{(f_L-L_L^{*})}^2},$ 根据②中确立的结构参数范围规定约束条件，将约束条件中的初始点D₁/D₂、b/D₂、β₂、δ/R、r/R代入所建立的函数方程，并利用工程复合形法进行迭代计算、得出风机的设计参数D₁/D₂、b/D₂、n、β₁、β₂、δ/R、r/R；

④将③中得到的多组优化参数正交排列组合，对得到的每一种方案利用计算流体动力学技术进行数值模拟仿真，并通过列主元素分析方法确定对风机性能影响最大的截面，以风机噪声和性能为参考依据，得到D₁/D₂、b/D₂、n、β₁、β₂、δ/R、r/R的一组几何参数；

⑤对叶轮和蜗壳不同心与同心两种情况分别进行数值模拟仿真，比较模拟的风机噪声场，采用叶轮和蜗壳同心时的平均噪声要比不同心的情况低2％以上。

2、根据权利要求1所述的降低多翼离心风机噪声的方法，其特征是，所述的运用计算流体动力学技术进行数值模拟建模仿真，是指：利用计算机对模型风机进行计算流体动力学数值模拟仿真，计算采用选取标准k-ε两方程湍流模型，壁面附近采用标准壁面函数，采用结构化网格与非结构化网格相结合的混合网格；在进行二维计算时，计算区域取与叶轮回转轴垂直的径向面，网格划分时，对形状比较规则的进风部分用四边形网格，叶轮部分用三角形网格；蜗壳部分用四边形网格；定义叶轮区域为旋转区，采用多重旋转坐标系；其余区域为静止区，采用静止坐标系，坐标系原点位于蜗壳后盖板中心，z轴指向进风口；叶片表面、后盘外表面为旋转壁面，旋转壁面与静止壁面满足无滑移条件；风机进气口的进口截面及蜗壳的出口截面分别为计算域流体的进口与出口，进口给定压力边界条件，出口给定负进口速度边界条件，速度大小由风机额定风量与出口截面面积计算求出。

3、根据权利要求2所述的降低多翼离心风机噪声的方法，其特征是，对不同工况计算时，以初始工况的计算结果作为下一工况的流场初始值进行初始化。

4、根据权利要求1所述的降低多翼离心风机噪声的方法，其特征是，所述的建立风机以噪声和效率为目标的多目标约束函数，是指：根据风机传统设计方法和气动声学分析，确定多翼离心风机以噪声和效率为目标的函数，

1)以风机效率为目标的优化模型

min f_η＝-η(D₁/D₂，b/D₂，n，β₁，β₂)

2)以风机噪声为目标的优化模型

min f_L＝L_A( D₁/D₂，b/D₂，n，β₁，β₂，δ/R，r/R，Y/N)

3)风机效率和噪声都考虑的多目标优化模型

$\min f_{\mathrm{mut}}=\sqrt{{(f_{\mathrm{\η}}-{\mathrm{\η}}^{*})}^2-{(f_L-L_A^{*})}^2},$

式中：Y/N——是否采用阿基米德螺旋线；η——风机效率值；L_A——风机噪声值；η^*——效率最优值；L_A ^*——噪声最优值；D₁——叶轮内径，mm；D₂——叶轮外径，mm；β₁——出口安装角，°；β₂——进口安装角，°；n——风机转速，r/min；r——蜗舌半径，mm；b——叶片宽度，mm；δ——蜗舌间隙，mm；R——蜗壳半径，mm；f_η——以风机效率为目标的优化函数；f_L一以风机噪声为目标的优化函数；f_mut——风机效率和噪声都考虑的多目标优化函数。

5、根据权利要求1所述的降低多翼离心风机噪声的方法，其特征是，所述的将得到的优化参数正交组合，是指：对计算得出的优化参数即出口安装角、蜗舌曲率半径、蜗壳曲线按照正交试验的方法进行组合，得到较优的参数以降低风机的整体噪声。

6、根据权利要求1所述的降低多翼离心风机噪声的方法，其特征是，对叶轮和蜗壳不同心与同心两种情况分别进行数值模拟仿真，是指：对影响风机噪声的重要因素，叶轮和蜗壳不同心与同心两种情况分别进行数值模拟仿真，比较模拟的风机噪声场，当两种情况的噪声场对应的噪声平均值相差2％以上时，采用噪声值较小的同心或不同心形式。