轴流风机旋转叶片的气动噪声探究

轴流风机旋转叶片的气动噪声探究

母英泽

察哈尔新能源有限公司  内蒙古 乌兰察布市  012000

作者简介：姓名：母英泽（1995.02--）；性别：男，民族：汉，籍贯：内蒙古自治区满洲里市，学历：硕士研究生；现有职称：助理工程师；研究方向：风力发电技术

摘要：缓解轴流风机旋转叶片运行中生成的气动噪声能够提升军事化信息设备的使用效能。本文先从气动噪声声源识别手段与气动噪声仿真误差成因对轴流风机旋转叶片对气动噪声的生成展开探究，再分别从轴流风机降噪途径、综合降噪要点得出的样品制造关键两方面讨论轴流风机综合降噪手段。

关键词：轴流风机；旋转叶片；气动噪声

引言：轴流风机是一种成本较低、稳定性与普适性较强的散热部件，在今日也被广泛地应用于现代化的军用设备中，但其在运行中往往会出现难以忽视且难以规避的气动噪声，所以要对对这一问题加以探究，探究影响噪声出现以及大小的因素，并针对性给出优化方案，达到降噪效果。

一、轴流风机旋转叶片对气动噪声的生成探究

（一）气动噪声声源识别手段

使用直接噪声计算法，其技术优势为能够精准实现对湍流效应的模拟，并在原有基础上部掺杂任何的简化和假定。其技术上的缺陷主要表现为需要精细程度较高的网格个数、数量较为庞大的网格数量，以及较高的时间成本，长时间的计算迭代，且这一手段并不具备较为广泛的适用性。

使用宽频噪声法，这一技术手段的优势在于其只需要定场求解，能够节约很大一部分的计算时间成本，且能够高效地确定噪声源所在的实际位置，具有一定的时效性。其技术上的弊端在于这一手段的公式参考为半经验公式，与其相关的计算公式以及具体内容仍待完善，且从声压级数值的角度出发，具有较为明显的误差性。

使用声类比模型法，这一手段可以实现将声源与声音的传播分别展开计算，这一手段的使用相对成熟，使用范围也较广，且计算成本较低，比较经济实用。其技术上的弊端在于其准确度并不高，而且使用直接计算的途径只能实现对自由场气动噪声的模拟，具有显著的手段局限性。

（二）气动噪声仿真误差成因

借助CFD的形式完成求解，其工作原理主要是利用离散方程代替原有方程的。而Fluent软件中每一计算手段在实际的运算中，都根据运算的实际情况展开了不同程度的简化，这样就不可避免地产生了数值误差。而至于专门为仿真模型而设计的形如去掉圆角、倒角等小尺寸因素的简化，或者人为地增加人口域和出口域等操作，这些都会造成气动噪声仿真模型在生成与运算过程中出现较为显著的误差。且在这里只对轴流风机的气动噪声展开讨论，而在轴流风机实际的使用或者对其进行测试时，其产生的噪音不仅限于旋转叶片的气动噪声，还会存在机械噪声和电磁噪声。这些原因都会导致气动噪声仿真模型在生成与运算过程中误差的存在。

二、轴流风机综合降噪手段

（一）轴流风机降噪途径

当轴流风机的实际转速降低时，基频处的噪声与随之得到显著的控制，这一情况也就降低了旋转噪声的分贝值，进而导致使风机气动噪声的声压级数值呈下降趋势。在这一过程中，叶片的升力也会受到限制，导致设备自身的静特性能难以充分发挥。而针对这一性能的缺失，可以借助增大风机的做功面积对其加以弥补。具体手段可被分为两种。

首先，可以增大每一旋转叶片的实际面积，可以适当拉伸叶片后缘实现这一目的，利用这种手段可以实现对流量的提升，但缺陷是与之俱来的气动噪声的声压值也会随之提升。这是由于这一手段会使风机叶片原有的较为良好的气动结构发生变化，叶片的中部损失随之增大，尾缘部分长度的增加会导致尾缘脱落涡的格个数明显提升，尾缘也随之成为新的主要噪声源，辐射出大量气动噪声。

其次，可以通过增加风机动叶片数量的形式增大风机的做功面积。原型风机有且只有两枚叶片，数量较少就会导致动叶片之间的距离与扩张角的双方面增加，促使动叶片表面压力梯度增高，叶片边界层厚度增加，此时容易发生过早分离，压力损失变大。当风机叶片合理增加时，使得单个叶片的负荷减小，使得气流可以更好地沿整个叶片流动，较少地发生边界层分离，风机流量增加的同时，气动噪声也有良好的表现。最终，经过大量研究和仿真试算，确定了增加风机叶片数目，同时合理降低转速[1]。

（二）综合降噪要点得出的样品制造关键

    1.动叶和叶框组件制造

首先采用轻质铝合金材料压铸出合适尺寸的动叶片和叶框毛胚件，然后通过

高精度机加工制作，确保外形安装尺寸及内部结构件在组装时符合精度要求。以

此来保证在生产及使用过程中两者不易变形和损坏，避免了传统PBT塑料制作的

风机易出现的变形、扭曲和破损等不良现象。

    2.高速马达选型

    风机高速马达方面，选用磁力衰减小的含稀土钕的磁性材料，广泛应用于尖

端军工产品上，能够提供较稳定的磁力，确保风机马达在多重恶劣工作环境下保

持长时间高速稳定运转。轴流风机马达常采用直流无刷电机技术，传统直流无刷

马达一贯是直槽多极磁极设计。常规中低速风机均采用4极或6极设计。磁极分布越多，磁力越均衡。线圈产生的电磁力与磁环磁力，就越不容易产生磁力死角。

该风机采用8极磁极对应8极线圈绕组，解决了磁力死角的问题，避免马达通电

瞬间，出现风机启动困难，扭矩不足等不良现象。同时使用磁性更高的钕铁硼磁

环替代常规磁环，定子由数片较薄的矽钢片叠加，在大幅提升马达扭矩的同时相

应降低马达温升，减小功耗，提升效能[2]。

3.结构连接加固

风机结构连接加固方面，设计多个卡簧，以此来固定叶片组件。由于此款风

机转速极高，动叶片在高频振动及高加速度的环境下，采用常规单体塑胶或铁卡

簧扣合装配，抗拉力显然不够，容易造成卡簧崩裂失效，叶片组件飞离风机本体

造成安全事故。因而此款风机在生产制造过程中选用高品质锰钢定制卡簧，加以

特殊热处理，其具有良好的韧性、塑性以及良好的耐磨性能，能够抵抗强烈冲击

和挤压条件。该款风机在轴芯根部与叶片中心采用双重固定方案。铁制轴芯帽与

轴芯之间冲压铆合制成轴芯组件，再将轴芯组件压铸入轮毂，既能保证轴芯与轮

毂在压铸时的一致性及同心度，又能保证组件结合部位的高强度。

4.风机防护处理

风机防护处理方面，在马达定子各部件组装后，对马达组件整体进行全真空

纳米镀膜IP68级防护技术处理，然后在PCB组件表面和马达连接部件上涂覆环氧树脂胶进行表层密封处理，同时也在风机叶框和叶片表面喷涂特种防护漆，使其能够在湿热、淋雨、盐雾以及砂尘等恶劣气候环境下正常使用。在制造完成后，还需对样机进行相关测量和校正，保证两款风机均达到严苛的设计要求。主要包括风机外形尺寸和工作电压电流等电信号测量，以及对风机转速进行相应校正。采用并联光电传感装置测量风机工作转速，风机动叶片在旋转时，常因质量分布不均而产生离心力。这种不平衡离心力作用在风机轴承上会引起振动，产生噪声并加速轴承等零部件的磨损，甚至会因为动叶片不平衡，叶片表面流动状态恶化，辐射出大量气动噪声，严重影响风机的性能表现，因而风机需进行动平衡调整。针对本文所研究的风机，采用双面动平衡减重法进行校正，使叶片在高转速工作下的噪声和抖动尽可能降低。

结束语：通过不同的声源探究手段完成对轴流风机旋转叶片中气动噪声的生成原因的探究，并基于轴流风机气动噪声产生的原因，对气动噪声的生产进行优化，并针对性给出优化后样机的制造要点，这样才算是从根本上实现了对轴流风机旋转叶片运作过程中产生的气动噪声的优化。

参考文献：

[1]印玮,杨爱玲,陈二云,卢程程.仿生轴流风机气动噪声特性的实验研究[J].热能动力工程,2022,37(10):51-59.

[2]范亚明,宋超,郑闽锋,沈锦钗,赵路.扩压器扩压角度对轴流风机噪音的影响[J/OL].机电工程:1-7[2022-11-14].