XL-4-72微噪聲風(fēng)機(jī)的研究
來(lái)源：北京新陽(yáng)光技術(shù)開發(fā)公司 閱讀：2706 更新時(shí)間：2008-05-08 09:40內(nèi)容提供:北京新陽(yáng)光技術(shù)開發(fā)公司
關(guān)鍵詞:降噪，減振，力學(xué)，靜壓箱，間隙
一、前言
4-72通風(fēng)機(jī)是人們生產(chǎn)生活中用量最大，面最廣的一種通風(fēng)機(jī)，雖然它已經(jīng)有幾十年的歷史，但它仍以自身的性能、成本價(jià)格等優(yōu)勢(shì)被人們所選用。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的環(huán)境意識(shí)提高，它的噪聲、振動(dòng)指標(biāo)，越來(lái)越不能被人們所接受，所以，如何降低振動(dòng)與噪聲，使之適應(yīng)環(huán)境，從而更好地服務(wù)于人類，是我們亟待要解決的問題。
二、關(guān)于風(fēng)機(jī)的噪聲及噪聲分析
1、噪聲及危害
當(dāng)聲音強(qiáng)度達(dá)到一定程度,對(duì)人體健康產(chǎn)生危害,或?qū)Νh(huán)境要求安靜的某些工作有妨礙的聲音,統(tǒng)稱為噪聲。
噪聲的危害是多方面的，長(zhǎng)期處于強(qiáng)烈的噪聲環(huán)境中，會(huì)使人血壓增高，注意力分散，感覺遲鈍，生理反應(yīng)延遲。
2、風(fēng)機(jī)的噪聲分析
風(fēng)機(jī)的噪聲主要由三個(gè)部分組成,即空氣動(dòng)力噪聲、機(jī)械噪聲及電磁噪聲。
①當(dāng)氣體中有了渦流或發(fā)生壓力突變時(shí)，引起氣體的擾動(dòng)，就產(chǎn)生了空氣動(dòng)力噪聲。
②在撞擊、摩擦、交變的機(jī)械應(yīng)力作用下，機(jī)械的軸承、齒輪等發(fā)生振動(dòng)就產(chǎn)生了機(jī)械噪聲。
③在電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子的吸力及電流和磁場(chǎng)的互相作用下引起鐵心振動(dòng)等，就產(chǎn)生了電磁噪聲。
④噪聲的頻譜特性。
所謂頻譜，就是聲壓級(jí)或聲功率級(jí)隨著頻率變化的圖形。不同的風(fēng)機(jī)參數(shù)有著不同的頻譜，其頻譜特性主要取決于風(fēng)機(jī)的葉片數(shù),轉(zhuǎn)數(shù)和葉輪的直徑。如圖一所示，軸流式通風(fēng)機(jī)的頻譜曲線比較平坦，離心式風(fēng)機(jī)的頻譜比較陡斜。
 圖一 |
三、目前風(fēng)機(jī)的降噪方法
噪聲傳播過程中有三個(gè)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(gè)環(huán)節(jié)入手：①對(duì)聲源進(jìn)行控制；②在傳播途徑中控制；③對(duì)接受者進(jìn)行防護(hù)。
由于受當(dāng)前的技術(shù)水平的限制，直接對(duì)聲源進(jìn)行控制，大多的風(fēng)機(jī)設(shè)備本體噪聲均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)。目前風(fēng)機(jī)降噪大多采用被動(dòng)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(diào)查測(cè)量的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體聲源和傳播途徑，有針對(duì)性地選擇。同時(shí)，還要注意這些措施的可行性和經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)采用上述措施仍達(dá)不到控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，還要對(duì)接受者采取個(gè)人防護(hù)措施。
這些方法的采用使投資大大增加，少則3倍于原風(fēng)機(jī)價(jià)格，多則5倍以上，這就使社會(huì)環(huán)境效益及經(jīng)濟(jì)效益反差太大，而且還帶來(lái)很多其它的影響，如維護(hù)不便，占地面積加大等均給用戶帶來(lái)困擾。如圖二風(fēng)機(jī)噪聲與振動(dòng)被動(dòng)治理常用方案示意。
 圖二 |
四、XL-4-72型微噪聲風(fēng)機(jī)的技術(shù)特征與降噪原理
對(duì)聲源進(jìn)行控制，是最根本的噪聲控制措施。本微噪聲風(fēng)機(jī)從分析風(fēng)機(jī)噪聲的成因入手，在保證風(fēng)機(jī)原有的空氣動(dòng)力性能指標(biāo)的前提下，改變風(fēng)機(jī)原有的結(jié)構(gòu)、安裝方式、進(jìn)排氣方式等，使其原各部位的結(jié)構(gòu)從單一性能向多種性能轉(zhuǎn)變，使其占地小及納入有效的降噪技術(shù)設(shè)計(jì)。在理論上首先進(jìn)行的是噪聲分析，流場(chǎng)分析，結(jié)構(gòu)分析及力學(xué)分析。
1、普通4-72風(fēng)機(jī)
（1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（如圖三）
①機(jī)殼：機(jī)殼由2個(gè)平面結(jié)構(gòu)與一個(gè)曲面組成一結(jié)構(gòu)體，兩個(gè)平面屬于極容易變形的結(jié)構(gòu)，所以選材較厚才能適應(yīng)重力振動(dòng)等荷載。
②支架：支架由型鋼組成，起支承風(fēng)機(jī)的作用并保證進(jìn)行穩(wěn)定性，傳統(tǒng)方式風(fēng)機(jī)重心較高，支架無(wú)其它功能。
③電機(jī)與葉輪是風(fēng)機(jī)的核心，是風(fēng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)部分，它是產(chǎn)生振動(dòng)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(jī)殼內(nèi)壁的氣體密度達(dá)到最大值時(shí)，氣流速度也最大，因此氣流在機(jī)殼內(nèi)壁產(chǎn)生很大的氣流噪聲，同時(shí)葉輪的高速旋轉(zhuǎn)與氣流產(chǎn)生速度很大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及撞擊摩擦，所以在葉道出口產(chǎn)生很大的噪聲，通過蝸形機(jī)殼內(nèi)壁經(jīng)過反復(fù)的反射，最終在機(jī)殼出口集合向外傳播，葉道進(jìn)口的噪聲則直接沿風(fēng)機(jī)進(jìn)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(shí)受力是葉輪與轉(zhuǎn)子的向下重力和軸承向上的反作用力，同時(shí)由于葉輪的重心位于軸的前部，所以葉輪的重力對(duì)軸形成力矩。
b.運(yùn)動(dòng)時(shí)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(shí)軸承受力：是受軸及葉輪轉(zhuǎn)子的壓力及軸承的反作用力。
b.當(dāng)電磁場(chǎng)使軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，介于軸承內(nèi)套與外套之間的單個(gè)滾珠及內(nèi)套便承受交變荷載，即滾珠及內(nèi)套的受力大小等于沿滾珠滾動(dòng)方向由0→最大（葉輪+轉(zhuǎn)子+離心力+重力加速度）→0。
2、XL-4-72風(fēng)機(jī)
風(fēng)機(jī)噪聲按其產(chǎn)生部位和聲級(jí)大小可分為五個(gè)部分：出口噪聲、進(jìn)口噪聲、電動(dòng)機(jī)噪聲、機(jī)殼噪聲及管道輻射噪聲，如圖五風(fēng)機(jī)噪聲源示意圖，圖中“※”表示聲源部分。
 (a)進(jìn)口噪聲源 (b)出口噪聲源 (c)機(jī)殼噪聲源 (d)管道輻射噪聲源 圖五 |
根據(jù)對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲的分析，找出其原始的結(jié)構(gòu)不合理性或噪振不易控制的位置等，重新對(duì)風(fēng)機(jī)的各個(gè)部位、組合方式及生產(chǎn)工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝及工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。
（1）首先按其使用用途將風(fēng)機(jī)分為三大系列，即通風(fēng)機(jī)，送風(fēng)機(jī)，排風(fēng)機(jī)。其中通風(fēng)機(jī)是將所需要輸送的氣體從某地到某地，送風(fēng)機(jī)是將大氣集中送至某地，排風(fēng)機(jī)是將某地的氣體排向大氣，由于它們的用途不同，所以風(fēng)機(jī)的進(jìn)出口也應(yīng)單獨(dú)設(shè)計(jì)，以滿足環(huán)境的需要。
（2）電機(jī)與葉輪是風(fēng)機(jī)的核心，是風(fēng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)部分，是產(chǎn)生振動(dòng)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(diǎn)擋光一樣，如圖六消聲效果圖。
 圖六 |
（3）實(shí)施無(wú)基礎(chǔ)隔振及軟接切斷噪聲及振動(dòng)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(diǎn)是：①進(jìn)氣口消聲。②保證或提高原性能。③重心接近中心運(yùn)行平穩(wěn)。④重量較大具有抗振性。
（4）改變?nèi)~輪運(yùn)轉(zhuǎn)方式，即由原鉛垂運(yùn)轉(zhuǎn)變?yōu)樗竭\(yùn)轉(zhuǎn)，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?yōu)楹愣ㄝd荷，軸承由一個(gè)受力是最大另一個(gè)受力最小變?yōu)橥瑫r(shí)受力并大小相等，滾珠由單個(gè)受交變載荷變?yōu)樗袧L珠同時(shí)受力并載荷恒定。（如圖七）
 圖七 |
（5）用于排風(fēng)的機(jī)殼由一個(gè)進(jìn)口或出口改為多個(gè)進(jìn)口或出口，并配置百葉窗，由此改變其整體結(jié)構(gòu),在流場(chǎng)分析上，即由原較為復(fù)雜的流場(chǎng)變?yōu)楹?jiǎn)單的流場(chǎng)。
（6）由于改變了運(yùn)轉(zhuǎn)方向，軸及軸承受力方式也發(fā)生變化，因此為大型號(hào)風(fēng)機(jī)的A式傳動(dòng)提供了可能性，使設(shè)計(jì)選型有了更廣泛的空間，使占地面積、投資環(huán)境都得到了改善。
（7）送通風(fēng)靜壓箱除了底座消聲功能外，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，更趨于合理化，這樣不但能保證原性能指標(biāo)，而且還略有提高。
（8）總體性能指標(biāo)由于提高的較大，所以完全克服了機(jī)殼內(nèi)表面不光滑（吸聲板）而造成的損失。
五、提高4-72風(fēng)機(jī)效率的理論根據(jù)及試驗(yàn)
對(duì)于離心式通風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)認(rèn)識(shí)與分析是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，多年來(lái)一直沒有系統(tǒng)完整及權(quán)威性的理論來(lái)解決這一問題，我在原有理論基礎(chǔ)上，在這里進(jìn)行探討。
1、XL-4-72風(fēng)機(jī)流場(chǎng)分析及軸向剖面流場(chǎng)分析，如圖八。
 圖八 |
2、造成內(nèi)泄露成因分析
根據(jù)流場(chǎng)分析得知，由于內(nèi)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(nèi)泄露的產(chǎn)生，所以要根據(jù)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(yīng)，如圖十一。
 圖十一 |
3、防止內(nèi)泄露提高效率的途徑及分析。
 圖十二 |
（1）如圖十二，當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(zhuǎn)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，由于氣流的離心力和引射作用，氣體便在葉輪和集風(fēng)器之間的間隙進(jìn)入機(jī)殼，尤其在葉輪進(jìn)口和集風(fēng)器出口附近高速旋轉(zhuǎn)，氣流的離心力作用使此區(qū)域的氣體密度很大，所以氣流極容易由此進(jìn)入機(jī)殼造成泄漏損失，降低風(fēng)機(jī)效率，為了解決內(nèi)泄漏問題，提高風(fēng)機(jī)效率，將采用措施如圖十三。
（2）當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(dāng)氣體離葉片時(shí)，便沿葉輪的切線方向高速移動(dòng)，被壓縮的氣體迅速膨脹并以較大的加速度減速，受蝸殼內(nèi)壁及形狀的影響在蝸殼內(nèi)產(chǎn)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(yàn)表明，此現(xiàn)象也是造成內(nèi)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(duì)蝸殼或蝸舌有必要進(jìn)行設(shè)計(jì)。
 圖十三 |
（3）當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，A、B兩面間的區(qū)域?yàn)樾D(zhuǎn)層，這一旋轉(zhuǎn)層同時(shí)受到兩個(gè)力的作用，及下為離心力，P為軸心方向的負(fù)壓和徑向的正壓，當(dāng)F＜P時(shí)，則有氣流向軸心方向移動(dòng)，即為內(nèi)泄露，當(dāng)F＞P時(shí)，則有氣流向徑向移動(dòng)，阻止內(nèi)泄露產(chǎn)生，總之，A、B面間的旋轉(zhuǎn)氣流就如同氣幕能有效地防止內(nèi)泄露的產(chǎn)生，因此能使風(fēng)機(jī)內(nèi)效率大為提高，同時(shí)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(yuǎn)大于P向的通過能力。
（4）當(dāng)排風(fēng)時(shí)即風(fēng)機(jī)出口無(wú)管道時(shí)可去掉蝸殼，如須蝸殼時(shí)應(yīng)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(shí)例
1、東環(huán)廣場(chǎng)第28層排煙風(fēng)機(jī)降噪工程
東環(huán)廣場(chǎng)公寓屬高級(jí)住宅。公寓內(nèi)部4-28層公用煙道排風(fēng)設(shè)備需安裝在第28層公寓陽(yáng)臺(tái)上。依原設(shè)計(jì)，又不影響28層的住戶，因此對(duì)風(fēng)機(jī)的降噪提出了很高的要求。
依原設(shè)計(jì)選用的風(fēng)機(jī)型號(hào)（4-72-6A），本體平均聲壓級(jí)約90dB(A)左右，而現(xiàn)場(chǎng)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(yán)格限制。因此對(duì)本排風(fēng)機(jī)及降噪工程方案的設(shè)計(jì)，以及對(duì)風(fēng)機(jī)降噪設(shè)備的外觀、外形和尺寸等方面都提出了特殊要求。根據(jù)以上現(xiàn)場(chǎng)狀況，我公司設(shè)計(jì)選用了XL-4-72-6A微噪聲風(fēng)機(jī)，其優(yōu)勢(shì)如下：
（1）風(fēng)機(jī)葉輪采用水平運(yùn)轉(zhuǎn)方式,降低了設(shè)備高度,并使風(fēng)機(jī)自身振動(dòng)降低。
（2）由于對(duì)風(fēng)機(jī)殼進(jìn)行了降噪處理,減輕了出口消聲器的降噪壓力。
（3）配制了進(jìn)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(dòng)力性能上,由于把徑向間隙變?yōu)檩S向間隙,把剛性材料變成柔性材料,使葉輪與集風(fēng)器的間隙,可以保證在理想狀態(tài),有利于總體性能指標(biāo)的提高。
治理后，經(jīng)測(cè)試，完全達(dá)到有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。具體方案如圖十四。
 圖十四 |
2、東方醫(yī)院職工食堂排油煙風(fēng)機(jī)降噪工程
東方醫(yī)院位于方莊小區(qū)中心部，職工食堂及營(yíng)養(yǎng)食堂的排油煙風(fēng)機(jī)安裝在13層樓頂機(jī)房?jī)?nèi)，原設(shè)備為兩臺(tái)型號(hào)為4-72-11No10C的風(fēng)機(jī)，Q=30000m3/h,P=1500Pa,N=30Kw，風(fēng)機(jī)噪聲嚴(yán)重超標(biāo)，對(duì)周圍環(huán)境造成影響。經(jīng)實(shí)地考察、測(cè)定后，我公司提出如下治理方案：
（1）將原1臺(tái)10C風(fēng)機(jī)在保證排風(fēng)系統(tǒng)所需的指標(biāo)情況下，換為2臺(tái)XL-4-72-7A微噪聲風(fēng)機(jī)，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(yùn)轉(zhuǎn)，可降低機(jī)械噪聲和振動(dòng)。
（3）機(jī)殼為碳鋼和吸聲材料復(fù)合制成，能最有效的降低氣流和葉輪產(chǎn)生的分離噪聲。
（4）用進(jìn)風(fēng)消聲靜壓箱為無(wú)基礎(chǔ)底座，它可消除60%的進(jìn)氣噪聲，并可起配重的的穩(wěn)定作用。
（5）風(fēng)機(jī)為A式傳動(dòng)即直接傳動(dòng)，可避免傳動(dòng)鏈的噪聲產(chǎn)生。
（6）總功率消耗為15Kw,比原風(fēng)機(jī)節(jié)能50%。
經(jīng)以上治理，原聲源噪聲從89dB(A)降至60dB(A),受到了用戶的好評(píng)。方案如圖十五。
 圖十五 |
七、微噪聲風(fēng)機(jī)其噪聲、振動(dòng)降低的水平或程度
通過近幾年時(shí)間的研究、實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐表明，傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)品與新技術(shù)結(jié)合、應(yīng)用領(lǐng)域有著廣闊的前景。XL-4-72微噪聲風(fēng)機(jī)就是一個(gè)實(shí)例，它將能成為環(huán)保這個(gè)新興產(chǎn)業(yè)中一個(gè)不可缺的一部分，它亦可成為風(fēng)機(jī)企業(yè)的一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)和新的亮點(diǎn)，由此還可引出具有其他功能的環(huán)保領(lǐng)域的風(fēng)機(jī)，如油煙凈化風(fēng)機(jī)（已大量走向市場(chǎng)），除塵風(fēng)機(jī)，脫硫等專用風(fēng)機(jī)。所以適應(yīng)環(huán)保要求的風(fēng)機(jī)類產(chǎn)品將是高新技術(shù)的又一個(gè)新的領(lǐng)域。
