XL-4-72微噪聲風機的研究
來源：北京新陽光技術開發公司 閱讀：2847 更新時間：2008-05-08 09:40內容提供:北京新陽光技術開發公司
關鍵詞:降噪，減振，力學，靜壓箱，間隙
一、前言
4-72通風機是人們生產生活中用量最大，面最廣的一種通風機，雖然它已經有幾十年的歷史，但它仍以自身的性能、成本價格等優勢被人們所選用。隨著社會的發展，人們的環境意識提高，它的噪聲、振動指標，越來越不能被人們所接受，所以，如何降低振動與噪聲，使之適應環境，從而更好地服務于人類，是我們亟待要解決的問題。
二、關于風機的噪聲及噪聲分析
1、噪聲及危害
當聲音強度達到一定程度,對人體健康產生危害,或對環境要求安靜的某些工作有妨礙的聲音,統稱為噪聲。
噪聲的危害是多方面的，長期處于強烈的噪聲環境中，會使人血壓增高，注意力分散，感覺遲鈍，生理反應延遲。
2、風機的噪聲分析
風機的噪聲主要由三個部分組成,即空氣動力噪聲、機械噪聲及電磁噪聲。
①當氣體中有了渦流或發生壓力突變時，引起氣體的擾動，就產生了空氣動力噪聲。
②在撞擊、摩擦、交變的機械應力作用下，機械的軸承、齒輪等發生振動就產生了機械噪聲。
③在電動機定、轉子的吸力及電流和磁場的互相作用下引起鐵心振動等，就產生了電磁噪聲。
④噪聲的頻譜特性。
所謂頻譜，就是聲壓級或聲功率級隨著頻率變化的圖形。不同的風機參數有著不同的頻譜，其頻譜特性主要取決于風機的葉片數,轉數和葉輪的直徑。如圖一所示，軸流式通風機的頻譜曲線比較平坦，離心式風機的頻譜比較陡斜。
 圖一 |
三、目前風機的降噪方法
噪聲傳播過程中有三個要素：即聲源、傳播途徑和接受者。噪聲控制的基本方法也就要從這三個環節入手：①對聲源進行控制；②在傳播途徑中控制；③對接受者進行防護。
由于受當前的技術水平的限制，直接對聲源進行控制，大多的風機設備本體噪聲均遠遠超過標準。目前風機降噪大多采用被動治理的方法，即在傳播途徑上采取噪聲控制措施，常用的方法有隔聲、吸聲、消聲器、隔振阻尼等。具體采取何種措施，要在調查測量的基礎上，根據具體聲源和傳播途徑，有針對性地選擇。同時，還要注意這些措施的可行性和經濟性。當采用上述措施仍達不到控制標準時，還要對接受者采取個人防護措施。
這些方法的采用使投資大大增加，少則3倍于原風機價格，多則5倍以上，這就使社會環境效益及經濟效益反差太大，而且還帶來很多其它的影響，如維護不便，占地面積加大等均給用戶帶來困擾。如圖二風機噪聲與振動被動治理常用方案示意。
 圖二 |
四、XL-4-72型微噪聲風機的技術特征與降噪原理
對聲源進行控制，是最根本的噪聲控制措施。本微噪聲風機從分析風機噪聲的成因入手，在保證風機原有的空氣動力性能指標的前提下，改變風機原有的結構、安裝方式、進排氣方式等，使其原各部位的結構從單一性能向多種性能轉變，使其占地小及納入有效的降噪技術設計。在理論上首先進行的是噪聲分析，流場分析，結構分析及力學分析。
1、普通4-72風機
（1）結構特點（如圖三）
①機殼：機殼由2個平面結構與一個曲面組成一結構體，兩個平面屬于極容易變形的結構，所以選材較厚才能適應重力振動等荷載。
②支架：支架由型鋼組成，起支承風機的作用并保證進行穩定性，傳統方式風機重心較高，支架無其它功能。
③電機與葉輪是風機的核心，是風機的運動部分，它是產生振動與噪聲的根源。(如圖三)
 圖三 |
由于氣體密度是沿徑向逐步加大，所以機殼內壁的氣體密度達到最大值時，氣流速度也最大，因此氣流在機殼內壁產生很大的氣流噪聲，同時葉輪的高速旋轉與氣流產生速度很大的相對運動及撞擊摩擦，所以在葉道出口產生很大的噪聲，通過蝸形機殼內壁經過反復的反射，最終在機殼出口集合向外傳播，葉道進口的噪聲則直接沿風機進口方向傳播。
（2）受力分析：（如圖四）
 圖四 |
①軸的受力分析：
a.靜止時受力是葉輪與轉子的向下重力和軸承向上的反作用力，同時由于葉輪的重心位于軸的前部，所以葉輪的重力對軸形成力矩。
b.運動時受力除受電磁切力形成扭矩外，還要承受離心力及重力加速度。
②軸承受力分析：
a.靜止時軸承受力：是受軸及葉輪轉子的壓力及軸承的反作用力。
b.當電磁場使軸轉動時，介于軸承內套與外套之間的單個滾珠及內套便承受交變荷載，即滾珠及內套的受力大小等于沿滾珠滾動方向由0→最大（葉輪+轉子+離心力+重力加速度）→0。
2、XL-4-72風機
風機噪聲按其產生部位和聲級大小可分為五個部分：出口噪聲、進口噪聲、電動機噪聲、機殼噪聲及管道輻射噪聲，如圖五風機噪聲源示意圖，圖中“※”表示聲源部分。
 (a)進口噪聲源 (b)出口噪聲源 (c)機殼噪聲源 (d)管道輻射噪聲源 圖五 |
根據對風機噪聲的分析，找出其原始的結構不合理性或噪振不易控制的位置等，重新對風機的各個部位、組合方式及生產工藝進行設計安裝及工藝進行設計。
（1）首先按其使用用途將風機分為三大系列，即通風機，送風機，排風機。其中通風機是將所需要輸送的氣體從某地到某地，送風機是將大氣集中送至某地，排風機是將某地的氣體排向大氣，由于它們的用途不同，所以風機的進出口也應單獨設計，以滿足環境的需要。
（2）電機與葉輪是風機的核心，是風機的運動部分，是產生振動與噪聲的根源。在距聲源最近處加裝吸聲材料，就如同在光源的最近點擋光一樣，如圖六消聲效果圖。
 圖六 |
（3）實施無基礎隔振及軟接切斷噪聲及振動通過管道和建筑物向外傳播；配置消聲靜壓箱，并使靜壓箱具有底座功能以此省去支架。其特點是：①進氣口消聲。②保證或提高原性能。③重心接近中心運行平穩。④重量較大具有抗振性。
（4）改變葉輪運轉方式，即由原鉛垂運轉變為水平運轉，這樣便從根本上改變了軸及軸承的受力方式，使軸不在受徑的力及力矩，軸承由交變載荷變為恒定載荷，軸承由一個受力是最大另一個受力最小變為同時受力并大小相等，滾珠由單個受交變載荷變為所有滾珠同時受力并載荷恒定。（如圖七）
 圖七 |
（5）用于排風的機殼由一個進口或出口改為多個進口或出口，并配置百葉窗，由此改變其整體結構,在流場分析上，即由原較為復雜的流場變為簡單的流場。
（6）由于改變了運轉方向，軸及軸承受力方式也發生變化，因此為大型號風機的A式傳動提供了可能性，使設計選型有了更廣泛的空間，使占地面積、投資環境都得到了改善。
（7）送通風靜壓箱除了底座消聲功能外，由于內部結構進行了優化設計，更趨于合理化，這樣不但能保證原性能指標，而且還略有提高。
（8）總體性能指標由于提高的較大，所以完全克服了機殼內表面不光滑（吸聲板）而造成的損失。
五、提高4-72風機效率的理論根據及試驗
對于離心式通風機的內部流場認識與分析是一個比較復雜的問題，多年來一直沒有系統完整及權威性的理論來解決這一問題，我在原有理論基礎上，在這里進行探討。
1、XL-4-72風機流場分析及軸向剖面流場分析，如圖八。
 圖八 |
2、造成內泄露成因分析
根據流場分析得知，由于內泄露的存在是造成效率不高的主要原因，為了提高效率就必須有效防止內泄露的產生，所以要根據流體的物理特性改變形狀及間隙的處理方式。
（1）流體方向的不可逆形狀（如圖九），由于流體的方向及流體的通道形狀不同，所得到的效果是截然不同。
 圖九 |
（2）氣流的引射與散射不可逆，如圖十。
 圖十 |
（3）附壁效應，如圖十一。
 圖十一 |
3、防止內泄露提高效率的途徑及分析。
 圖十二 |
（1）如圖十二，當風機運轉時，由于氣體的粘滯性，所以在葉輪前盤外表面，氣體亦隨葉輪轉動而旋轉，由于氣流的離心力和引射作用，氣體便在葉輪和集風器之間的間隙進入機殼，尤其在葉輪進口和集風器出口附近高速旋轉，氣流的離心力作用使此區域的氣體密度很大，所以氣流極容易由此進入機殼造成泄漏損失，降低風機效率，為了解決內泄漏問題，提高風機效率，將采用措施如圖十三。
（2）當風機運轉時，在葉片出口處的氣體被壓縮密度很大，葉片的線速度很高，當氣體離葉片時，便沿葉輪的切線方向高速移動，被壓縮的氣體迅速膨脹并以較大的加速度減速，受蝸殼內壁及形狀的影響在蝸殼內產生較大的正壓，正壓的大小是沿蝸殼外形線由出口到蝸舌逐漸加大，試驗表明，此現象也是造成內泄漏的主要原因之一，而在距蝸舌較近的地方泄漏較大，所以對蝸殼或蝸舌有必要進行設計。
 圖十三 |
（3）當風機運轉時，A、B兩面間的區域為旋轉層，這一旋轉層同時受到兩個力的作用，及下為離心力，P為軸心方向的負壓和徑向的正壓，當F＜P時，則有氣流向軸心方向移動，即為內泄露，當F＞P時，則有氣流向徑向移動，阻止內泄露產生，總之，A、B面間的旋轉氣流就如同氣幕能有效地防止內泄露的產生，因此能使風機內效率大為提高，同時由于流體方向的不可逆形狀決定了氣流下方向的通過能力要遠大于P向的通過能力。
（4）當排風時即風機出口無管道時可去掉蝸殼，如須蝸殼時應加大蝸殼圍板至葉輪的距離或在距蝸舌1/3D也可。
六、工程實例
1、東環廣場第28層排煙風機降噪工程
東環廣場公寓屬高級住宅。公寓內部4-28層公用煙道排風設備需安裝在第28層公寓陽臺上。依原設計，又不影響28層的住戶，因此對風機的降噪提出了很高的要求。
依原設計選用的風機型號（4-72-6A），本體平均聲壓級約90dB(A)左右，而現場允許占用的面積僅為2.5m×2.5m,高度不能超過1.4m,空間受到嚴格限制。因此對本排風機及降噪工程方案的設計，以及對風機降噪設備的外觀、外形和尺寸等方面都提出了特殊要求。根據以上現場狀況，我公司設計選用了XL-4-72-6A微噪聲風機，其優勢如下：
（1）風機葉輪采用水平運轉方式,降低了設備高度,并使風機自身振動降低。
（2）由于對風機殼進行了降噪處理,減輕了出口消聲器的降噪壓力。
（3）配制了進口靜壓箱,并使靜壓箱具有減振底座功能,以此省去支架。
（4）在空氣動力性能上,由于把徑向間隙變為軸向間隙,把剛性材料變成柔性材料,使葉輪與集風器的間隙,可以保證在理想狀態,有利于總體性能指標的提高。
治理后，經測試，完全達到有關國家標準。具體方案如圖十四。
 圖十四 |
2、東方醫院職工食堂排油煙風機降噪工程
東方醫院位于方莊小區中心部，職工食堂及營養食堂的排油煙風機安裝在13層樓頂機房內，原設備為兩臺型號為4-72-11No10C的風機，Q=30000m3/h,P=1500Pa,N=30Kw，風機噪聲嚴重超標，對周圍環境造成影響。經實地考察、測定后，我公司提出如下治理方案：
（1）將原1臺10C風機在保證排風系統所需的指標情況下，換為2臺XL-4-72-7A微噪聲風機，其好處是：減小葉輪直徑，降低線速度，使聲源噪聲值降低。
（2）葉輪為水平運轉，可降低機械噪聲和振動。
（3）機殼為碳鋼和吸聲材料復合制成，能最有效的降低氣流和葉輪產生的分離噪聲。
（4）用進風消聲靜壓箱為無基礎底座，它可消除60%的進氣噪聲，并可起配重的的穩定作用。
（5）風機為A式傳動即直接傳動，可避免傳動鏈的噪聲產生。
（6）總功率消耗為15Kw,比原風機節能50%。
經以上治理，原聲源噪聲從89dB(A)降至60dB(A),受到了用戶的好評。方案如圖十五。
 圖十五 |
七、微噪聲風機其噪聲、振動降低的水平或程度
通過近幾年時間的研究、實驗和實踐表明，傳統工業產品與新技術結合、應用領域有著廣闊的前景。XL-4-72微噪聲風機就是一個實例，它將能成為環保這個新興產業中一個不可缺的一部分，它亦可成為風機企業的一個新的經濟增長點和新的亮點，由此還可引出具有其他功能的環保領域的風機，如油煙凈化風機（已大量走向市場），除塵風機，脫硫等專用風機。所以適應環保要求的風機類產品將是高新技術的又一個新的領域。
