叶轮机械气动噪声及周向前弯动叶降噪技术的研究

　　一、引言

　　作为空气动力学和声学的交叉学科,气动声学(Aeroacoustics)主要研究气体流动与物体相互作用而引起的气动噪声(Aerodynamic Noise)产生的机理、传播规律、估计方法和测量手段等。叶轮机械气动噪声则是集中研究气体在叶轮机械中流动时的气动噪声问题。随着叶轮机械(包括通风机、鼓风机、压缩机等)在工业及日常生活中的广泛使用以及人们对噪声污染的日益重视,使得气动噪声逐渐成为叶轮机械设计中需要考虑的一个重要方面。

　　本文在介绍叶轮机械气动噪声源及对其估算方法的基础上,重点介绍了前弯动叶降噪技术在叶轮机械气动噪声研究领域的应用;此外,以一低压轴流风机为例,给出了在前弯叶片设计中,不同前弯角度和叶片重心联线对风机气动噪声的影响。

　　二、叶轮机械气动噪声源

　　一般来说,噪声的控制主要包括两方面:一方面是对噪声源的控制,即从噪声产生的机理出发,控制噪声的产生,属于主动控制的范畴;另一方面是从噪声的传播途径和介质出发,通过设置消声器和吸声材料等方式吸收声波能量,达到消除噪声的目的,这属于被动控制。显然,通过对气动噪声源的研究,采用主动方式控制气动噪声才是最根本的途径,这也是目前叶轮机械气动噪声研究的主要方向。

　　从实测噪声频谱图出发,可以认为叶轮机械的气动噪声源主要由以下三部分组成。

　　1.离散噪声(Discrete Noise)

　　又称为旋转噪声或干涉噪声,其频带较窄,频率范围主要由叶片通过频率BPF及其高次谐波分量组成,产生机理有以下几个方面[1]:

　　(1)单独转子噪声———由叶片沿叶高分布的定常力(环量)等速旋转而引起的噪声;

　　(2)粘性尾迹干涉噪声———由前列叶栅的粘性尾迹在后列叶栅上产生的周期性非定常力所引起的噪声。在前、后列叶栅的轴向间距不大(<1~2弦长)的情况下,这是叶轮机械离散噪声的主要部分,也是离散噪声预估方法的主要物理模型,模型的关键即在于非定常力的估算准确度;

　　(3)势场干涉噪声———由动、静叶栅相对旋转造成的势位场周期性干涉噪声;

　　(4)尾涡脱落干涉噪声———前列叶栅尾涡脱落后,在后列叶栅上引起的非定常力造成的噪声。对于高转速的风扇或压气机来说,离散噪声(动、静叶干涉噪声)占相当大的比例;对于低速、低压的通风机而言,动静叶干涉噪声也是不可忽视的。目前,研究动静叶干涉噪声的气动声学模型主要有以下3种:

　　(1)叶片排模型

　　(2)自由声场模型