離心通風(fēng)機(jī)噪聲污染分析及控制方法
0 引言
離心通風(fēng)機(jī)是生產(chǎn)企業(yè)常用的輔助設(shè)備,，主要用于通風(fēng)與除塵裝置中,，確保生產(chǎn)環(huán)境潔凈，保護(hù)生產(chǎn)者身心健康[1],。噪聲污染是風(fēng)機(jī)運行中存在的致命弱點,。它是由多種不同頻率聲音的無規(guī)律的雜亂組合而成，風(fēng)機(jī)的噪聲不僅妨礙生產(chǎn)中人們的通訊,、語言等交流而影響生產(chǎn)的組織與管理,，而且還嚴(yán)重?fù)p害人們的身心健康而降低工作效率等。因此,，研究和探討生產(chǎn)離心通風(fēng)機(jī)噪聲的產(chǎn)生原因,、危險性及其控制途徑,，對保護(hù)操作工人的身體健康及提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益等具有深遠(yuǎn)而重要的意義[1]。
1 風(fēng)機(jī)噪聲分類及噪聲機(jī)理
風(fēng)機(jī)噪聲就其主要聲源產(chǎn)生機(jī)理而言,，可分為旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲,；就其頻譜特性而言，可分為寬頻噪聲與離散噪聲,。
1.1 離散噪聲(旋轉(zhuǎn)噪聲)
離散噪聲是由于葉片周圍不對稱結(jié)構(gòu)與葉片旋轉(zhuǎn)所形成的周向不均流場相互作用而產(chǎn)生的噪聲,。它與葉輪的轉(zhuǎn)速有關(guān)，特別在高速,、低負(fù)荷情況下,，這種噪聲尤為突出。主要體現(xiàn)以下幾方面：(1)來流引起的進(jìn)氣干擾的噪聲,。由于進(jìn)風(fēng)口前裝有前導(dǎo)葉或金屬網(wǎng)罩而產(chǎn)生的進(jìn)氣干涉噪聲,，在這種情況下，當(dāng)工作輪旋轉(zhuǎn)時,，動葉周期性地承受前面靜葉排出不均勻氣流，導(dǎo)致氣流作用在動葉上的力周期性脈動而產(chǎn)生噪聲,；(2)葉片在不光滑或不對稱機(jī)殼中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)頻率噪聲,。由于機(jī)殼內(nèi)壁形成所必需的條件是旋轉(zhuǎn)對稱，否則氣流流動狀態(tài)將不再與軸線完全對稱,，也就是說周向的圓周速度不再是常數(shù),，所以氣流便會產(chǎn)生旋流動；(3)出口蝸舌的存在而產(chǎn)生的出口干涉噪聲,。在葉片出口處沿著工作輪圓周,，由于存在尾跡，氣流的速度和壓力都不均勻,，這種不均勻的氣流作用在蝸殼上,，形成了壓力隨時間的脈動。反過來它又影響葉輪中氣流的流動,，于是葉片上的氣流也就具有隨時間變化的脈動性質(zhì),。
這種噪聲具有確定的頻率，因為每當(dāng)葉片通過風(fēng)舌一次,，在風(fēng)舌上就有一個脈沖,，反過來給葉片也是一個脈沖。這種葉片通過的頻率f1稱為基頻,，即
f1= nZ/60
式中f1為基頻,，Hz；n為轉(zhuǎn)速,，r/min,；Z為葉片數(shù),。
同時，由于這種脈動波形不會是單純的正弦曲線,，所以根據(jù)級數(shù)展開,，它還有其它的高次諧音fi，表達(dá)式為fi=nZi/60(i =1,，2,，3，…)所以旋轉(zhuǎn)噪聲具有離散頻譜特性,，其基頻為葉片通過頻率,，還有它的高次諧音。顯然,，從旋轉(zhuǎn)噪聲的強(qiáng)度看,，基頻最強(qiáng)，其次是二次諧波,、三次諧波,，總的趨勢是逐漸減弱的。
1.2 寬頻噪聲(渦流噪聲)
渦流噪聲主要是由于氣流流經(jīng)葉片時產(chǎn)生紊流附面層及漩渦與漩渦分裂脫體,，而引起葉片上壓力脈動所造成的渦流噪聲,。產(chǎn)生的原因主要體現(xiàn)在以下幾方面：(1)氣流流經(jīng)葉片、前盤,、后盤的內(nèi)外表面,，流經(jīng)蝸殼內(nèi)表面及局部表面，氣流紊亂引起的壓力脈動產(chǎn)生噪聲,；(2)氣流流經(jīng)葉片前后盤的內(nèi)外表面及蝸殼表面時,，由于附面層發(fā)展到一定程度會產(chǎn)生渦流脫離，脫離渦流將造成較大的脈動,。在低雷諾數(shù)下,，周期性渦流的脫離將導(dǎo)致相應(yīng)環(huán)量的改變，也使物體上的氣流作用力產(chǎn)生變化,；(3)當(dāng)具有一定紊流度的氣流流向葉片時,，葉片前緣各點沖角大小將取決于氣流平均速度和瞬時擾動速度，在紊流晴況下擾動速度是無規(guī)律地變化的,，因而也使沖角發(fā)生無規(guī)律的變化,，導(dǎo)致升力的無規(guī)律脈動而產(chǎn)生噪聲。
這種旋流具有很寬的頻率范圍,，通常稱為寬頻噪聲,，同時它主要是由于漩渦剝落引起的，所以物體繞流漩渦剝落具有確定頻率。即
ft=Stv/d
式中 ft為漩渦剝落頻率,，Hz,；St為斯哈托數(shù)，St=0.2,；v為特征速度,，m/s；d為特征直徑或長度,，m,。
所以，這種寬頻噪聲又表現(xiàn)出只具有峰值,。即
ft=0.2v1/d1
式中 v1為風(fēng)速,，m/s；d1為導(dǎo)線直徑,，m,。
2 風(fēng)機(jī)噪聲級換算
若要對離心通風(fēng)機(jī)的運行噪聲進(jìn)行有效控制，首先就必須了解其噪聲特性及其噪聲級換算的一些基本方法,。為了能夠客觀公正地衡量一臺離心通風(fēng)機(jī)的噪聲性能,，根據(jù)JB/T8690-1998《工業(yè)通風(fēng)機(jī) 噪聲限值》規(guī)定各類通風(fēng)機(jī)噪聲在最佳工況點的比A聲級LSA的計算公式為
LSA=LA－0lg(Q?p2)＋19.8
式中 LSA為通風(fēng)機(jī)的比A聲級，dB,；LA為對應(yīng)于通風(fēng)機(jī)工況點的A聲級,，dB；Q為通風(fēng)機(jī)測試工況點流量,，m3/min；p為通風(fēng)機(jī)測試工況點全壓,，Pa,。
通過上式所計算得到的LSA實際上就是通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生單位流量、單位全壓時的噪聲計算相對值,。這樣,，就等于有了比較各種類型通風(fēng)機(jī)噪聲的衡量基準(zhǔn)。實踐證明：同系列的離心通風(fēng)機(jī)的LSA曲線基本相同,。如與風(fēng)機(jī)的性能,、效率(η)曲線對應(yīng)繪制成圖，就會發(fā)現(xiàn)LSA曲線與η曲線很像解析幾何中的雙曲線,，見圖1,。由圖1可見，風(fēng)機(jī)η最大處,，LSA最小,。且隨著風(fēng)機(jī)流量的增大或減小，η曲線向左右回落；而LSA曲線則朝相反方向上翹,。這又形象地說明,，當(dāng)風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動情況最佳時，才可能獲得最大的效率和最低的噪聲,。另外,，在選擇、設(shè)計離心通風(fēng)機(jī)噪聲控制方案時,，必須預(yù)測該機(jī)在實際運行時產(chǎn)生噪聲級的大小,。而在實踐中，獲取該資料的途徑無非只有兩條：（1）查找有關(guān)資料,；（2）向供貨商索取,。但有時得到的是該機(jī)的一條比A聲級LSA曲線，而不是直接的具體噪聲級,。這時就需要利用上式進(jìn)行換算,，例如某廠在工藝設(shè)計時決定選用9-19№6離心通風(fēng)機(jī)，其運行工況性能：Q= 80.33m3/min,，p=8818Pa,，對應(yīng)工況點比A聲級LSA=18.8dB，計算A聲級[2],。
LA=LSA +10lg(Qp 2) －19.8=18.8+10lg(80.33×88182) －19.8=97dB
可見,，風(fēng)機(jī)噪聲明顯高于企業(yè)允許限值(≤85dB)，故需對其進(jìn)行有效控制,。
 圖1 6-23-2№6.3性能曲線圖 |
3 風(fēng)機(jī)噪聲控制方法
3.1 合理選型
3.1.1 在選用風(fēng)機(jī)之前,，首先應(yīng)確保工藝設(shè)計的準(zhǔn)確性。要使設(shè)計工況點的風(fēng)量,、全壓基本上與風(fēng)網(wǎng)實際運行時的風(fēng)量,、全壓相接近。如果設(shè)計時余量過大,，在實際運行時就要關(guān)小風(fēng)機(jī)蝶閥,。這樣做有3個缺點：（1）導(dǎo)致風(fēng)網(wǎng)阻力增加，造成全壓與動力浪費,；（2）因阻力增加而浪費掉的Δp相應(yīng)產(chǎn)生的噪聲ΔLA則不會消失,，仍要產(chǎn)生出來；（3）關(guān)小風(fēng)機(jī)蝶閥后,，造成風(fēng)機(jī)進(jìn)氣(或出氣)狀況惡化,，將增大渦流噪聲[3]。
3.1.2 工藝設(shè)計完成后,，在風(fēng)量和全壓方面能滿足生產(chǎn)需求的運行方案有很多,，可供選擇。這時，應(yīng)選用在該工況點具有最高效率和最低噪聲的風(fēng)機(jī),，以確保運行噪聲最低,。
3.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)
3.2.1 增強(qiáng)葉柵的氣動力載荷，降低圓周速度,。對于風(fēng)機(jī)采用強(qiáng)前向葉片,，且多葉片葉輪有利于增大葉柵的氣動力載荷，在得到同樣風(fēng)量風(fēng)壓情況下,，葉輪葉片外圓上圓周速度u小可使風(fēng)機(jī)噪聲明顯降低,。
3.2.2 確定合理的蝸舌間隙和蝸舌半徑。增加風(fēng)舌與葉輪之間的間隙δt可降低基頻和諧波,。氣流與葉片作相對運動時,，葉片后緣的氣流尾跡中，速度及壓力均小于主流區(qū),，使葉柵后的氣流速度與壓力分布皆不均勻,。這種不均勻的流譜在旋轉(zhuǎn)，如果在動葉之后有靜葉或風(fēng)舌,，則這種非穩(wěn)定流動與靜葉或風(fēng)舌相互作用將產(chǎn)生噪聲,。距離愈近，噪聲愈大,。但根據(jù)有關(guān)資料介紹進(jìn)行試驗,，當(dāng)δt大到一定程度后，噪聲不再降低,，卻使風(fēng)機(jī)氣動性能變壞,，如風(fēng)量、風(fēng)壓都有所下降,。試驗表明：在風(fēng)舌間隙δt/R=0.25和風(fēng)舌半徑r/R=0.2時,，具有最大風(fēng)機(jī)效率和最小噪聲(R為葉輪半徑)。
3.2.3 傾斜蝸舌,。風(fēng)機(jī)葉輪葉柵氣流的周期性脈動速度所產(chǎn)生的周期性脈動氣動力也使蝸舌相互作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)噪聲，此噪聲大小與脈動氣動力的劇烈程度及蝸舌的迎風(fēng)面積有關(guān),，把蝸舌做成傾斜式,，則同相位的脈動氣動力的作用面積小了，輻射的噪聲也就減小了,，蝸舌的傾斜角α可按tanα=(t-2r)/b計算,，其中，r為蝸舌半徑,，t為葉輪出口柵距,，b為葉片寬度。
3.2.4 在葉輪進(jìn)(出)口處加紊流化裝置。在風(fēng)機(jī)葉輪葉片的進(jìn)口或出口處加紊流化裝置(金屬網(wǎng))可以使葉片背面的層流附面層立即轉(zhuǎn)換成紊流附面層,，推遲葉片背面附面層的分離,，甚至不分離，葉片后緣裝上網(wǎng),，網(wǎng)后的氣流速度與壓力梯度能迅速變均勻,，若網(wǎng)在渦區(qū)中則可將渦區(qū)大大縮小，這對減噪是有利的,。
3.2.5 在葉輪上增設(shè)分流葉片(短葉片),。在風(fēng)機(jī)中，對無分流葉片的葉輪,，當(dāng)葉片較少時,，在葉片通道后半段易產(chǎn)生負(fù)速度區(qū)，容易導(dǎo)致氣流分離,，當(dāng)葉片較多時又容易產(chǎn)生進(jìn)口阻塞和氣流分離,。
3.2.6 在動葉進(jìn)出氣邊上設(shè)鋸齒形結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可使葉片上氣流層流附面層較早地轉(zhuǎn)化為紊流,，從而避免層流附面層中的不穩(wěn)定波導(dǎo)致渦流分離,，使噪聲降低。
3.2.7 在蝸舌處設(shè)置聲學(xué)共振器,。當(dāng)聲波傳到共振器時,，小孔孔徑和空腔中的氣體在聲波作用下來回運動，這運動的氣體具有一定的質(zhì)量,，它抗拒由于聲波作用而引起的運動,，同時聲波進(jìn)入小孔孔徑時，由于頸壁的摩擦和阻尼,，使相當(dāng)一部分聲能因熱耗而損失掉,。另外，充滿氣體的空腔具有阻礙來自小孔的壓力變化的特性,，由于這些因素的共同作用,，當(dāng)氣體通過共振器時，噪聲得到降低,。
3.2.8 在蝸殼內(nèi)設(shè)置擋流圈,。中低壓離心通風(fēng)機(jī)的蝸殼寬度與葉輪出口寬度一般較大，氣流自葉輪進(jìn)入蝸殼的擴(kuò)壓變大,，在葉輪前盤外側(cè)與蝸殼間產(chǎn)生大尺度漩渦,，使渦流噪聲增大，效率降低,，而蝸殼寬度又不宜過小,，否則將增大蝸殼的張開度,，使蝸殼出口端面長寬比過大，給后面的管路連接帶來困難,，同時也使摩擦損失增加,。為了減小渦流區(qū)，增強(qiáng)風(fēng)機(jī)進(jìn)口集流器與葉輪進(jìn)口邊間的密封效果,，可在蝸殼中加各種形式的擋流圈,。
3.3 消聲
風(fēng)機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強(qiáng)烈的空氣動力性噪聲，為阻止聲音外傳播又允許氣流通過,，在風(fēng)機(jī)氣流通道上裝上消聲裝置,，使風(fēng)機(jī)本身發(fā)生的噪聲和管道中的空氣動力噪聲降低，定型常用的消聲裝置有：
(1)阻性消聲器常用片式消聲器,、蜂窩式消聲器,、管式消聲器及迷宮式消聲器等；
(2)抗性消聲器常用共振式消聲器,、擴(kuò)張式消聲器,、混合式消聲器及障板式消聲器等；
(3)阻抗復(fù)合消聲器常用擴(kuò)張室—阻抗復(fù)合式消聲器,、共振腔—阻性復(fù)合式消聲器及阻—抗—共復(fù)合式消聲器,。
3.4 隔聲
隔聲是噪聲控制工程中常用的技術(shù)措施，利用墻體各種板材及構(gòu)件作為屏蔽物或利用維護(hù)結(jié)構(gòu),，把噪聲控制在一定范圍之內(nèi),，使噪聲在空氣中的傳播受阻而不能順利通過，從而達(dá)到降低噪聲的目的,。常用的方法有：
(1)單層密實均勻構(gòu)件隔聲,，此類構(gòu)件的隔聲材料要求密實而厚重，如磚墻,、鋼筋混凝土,、鋼板、木板等,，隔聲性能與材料的剛性,、阻尼面密度有關(guān)；
(2)雙層結(jié)構(gòu)隔聲,，在兩個單層結(jié)構(gòu)中間夾有一定厚度的空氣,，或多孔材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)，一般可比同樣質(zhì)量的單層結(jié)構(gòu)隔聲量高5~10 dB,；
(3)隔聲罩和隔聲間,，對于體積小的噪聲源,，直接用隔聲結(jié)構(gòu)罩起,，可以獲得顯著的降噪效果,，這就是隔聲罩，有很多分散的噪聲源時可考慮建立一個小空間,，使之與噪聲源隔離開來,，這就是隔聲間；
(4)隔聲屏是放在噪聲源和受聲點之間的用隔聲結(jié)構(gòu)所制成的一種隔聲裝置,。
3.5 吸聲
在墻面或頂棚上飾以吸聲材料,、吸聲結(jié)構(gòu)或在空間懸掛吸聲板，吸聲體混合聲就會被吸收掉,，這種控制噪聲的方法稱做吸聲降噪,。
(1)吸聲材料在吸聲降噪方法中吸聲材料很重要，常用的有：①纖維材料,，包括有機(jī)纖維,、無機(jī)纖維和纖維制品；②顆粒材料,，包括砌塊和板材,；③泡沫材料，包括泡沫塑料,、其他等三大類二十幾種,。
(2)共振吸聲結(jié)構(gòu)是利用共振原理做成的各種吸聲結(jié)構(gòu)，用于對低頻聲波的吸收,，最常用結(jié)構(gòu)分單個共振式(包括薄膜,、薄板結(jié)構(gòu))和穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)。
(3)微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)由板厚和孔徑均在1mm以下,、穿孔率為1%~3%的金屬微穿孔板和空腔組成的復(fù)合結(jié)構(gòu),。
4 結(jié)束語
離心通風(fēng)機(jī)噪聲的控制是生產(chǎn)企業(yè)面臨的一個重要課題。它應(yīng)從風(fēng)機(jī)的設(shè)計和制造入手,，需要優(yōu)化和完善風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu),，采用先進(jìn)的制造工藝與方法提高制作質(zhì)量和精度，盡量減少空氣動力噪聲的產(chǎn)生,。同時,，安裝和檢驗也是一個不可忽視的環(huán)節(jié)，必須對葉輪,、風(fēng)機(jī)軸,、皮帶輪及聯(lián)軸器等旋轉(zhuǎn)零部件進(jìn)行嚴(yán)格的靜平衡和動平衡校正，以減少因風(fēng)機(jī)振動而產(chǎn)生的機(jī)械噪聲,。由于離心通風(fēng)機(jī)的葉輪葉片極易產(chǎn)生磨損而形成噪聲,，所以，應(yīng)通過對風(fēng)機(jī)的噪聲進(jìn)行檢測,、分析和研究等工作后,，確定其噪聲的主要來源及其傳播途徑,，并采取有效的噪聲治理措施，達(dá)到減弱或切斷噪聲的傳播途徑或消除噪聲源的目的,，確保最大限度地減輕離心通風(fēng)機(jī)對周圍環(huán)境的噪聲污染,，以提高企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境及促進(jìn)企業(yè)的和諧和可持續(xù)發(fā)展。
參 考 文 獻(xiàn)
[1]蔡祖光.離心風(fēng)機(jī)噪聲的產(chǎn)生與控制[J].磚瓦,，2005,28 (5):55-58.
[2]姜麗華, 洪心蘭, 徐瑞銀. 離心風(fēng)機(jī)噪聲控制研究[J].礦山機(jī)械, 2005, 33 (9):27-28.
[3]陳烈增. 離心風(fēng)機(jī)的噪聲與控制[J]. 糧食與飼料工業(yè),2004, 25(4): 14-15.
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