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低压轴流风机噪声频谱预估及实测_图文


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20 04年第 3 第 1 2卷 期 







械 

7  

低压轴流风机噪声频谱预估及实测 
王东 宝  李 ,
(. 1 清华大学 , 北京

嵩 。李 孝宽  朱 之墀 。 , ,  
105 ) 0 04 

10 8 ; 2 北京劳动保护科学研究所 , 00 4 . 北京



要 : 对低压轴流风机 的噪声频谱预估 的现有 模型—— 叶片力模型进行重大改进 ,   包括采用风机流场三维 数值模拟 

给出 叶片升力分布及在 声源 Fui 展开 中保 留虚部项 。改进后两个样 机噪声频谱预估和实测值吻合 良好 。 or r e  
关 键 词 : 轴 流 风 机 ; 声 控 制 ; 谱 预 估 ; 片 力 模 型    噪 频 叶 中 图分 类 号 : T 4  H3 文献标识码 : A    

Pr dito   n Ac u lM e s r me to   ie Sp c r m o   w  e m r   a   n  e c n a d  t a   a u e n   fNos   e tu f r Lo Pr s e AxilFa i

W ANG  n - a  ,   o g。 LIXio k a 2 ZHU  ic i Do g b o LIS n ,   a - u n Zh. h 


( ,s gu  n esy Bin  0 8 , h a2 B i gMu c a I tu  fa 0 adPo co ,e i  004 C i ) 1Ti haU i rt,e i 1 04 C i ; .ei   n i ln i t o  br n retn B i g105 ,hn   n v i jg 0 n j n i p   ste I   t i j n a

A i 翟 t A  l e fre mo e  s d t  rdc  e n i  p cn n frlw p e s r  xa fn   a   e n i r v d. h   rv m nsi ? h c:   b a   c   d l e   pe it h   os s e tu  o  - r sue a il a sh s b e   d o u o t e o   mp o e T e i o e e t n  mp   c d   a  e ba el t o c   it b t n i gv n o t y te3 D n me i l i lt nfrte fn f w 1 d a d t e i g  a t n F uir l e t t   l   f fre d s i u o     ie  u    h   -   u r a  mu a o         o   u h t h d i  r i s b c s i oh a l %l       n h ma e p r i  o r     e e “n in frltfre s o d b  e ie x  so     f oc  h u   e rman d.T e p e it n i r v d frn i   p c r   f w   o e  n  gL   i   eme s rd d t  o i  l h   rd c o   i mp o e     os s e t o e mn o t o m d l a sa l w t t   a u e   aa f  ̄s h h
q i   l. ut we1  e Ke   r y wo ds: a ilf ; os  o to ; p cnn   rd cin; ld  o c   d l xa a n i c nr l s e t n pe ito ba e fr emo e  n e

1 前 言 

展开 ( 展开 中略 去虚 部 ) 把 每个旋 转 的离散 “ 脉  , 力

冲” 所形 成 的声 源 叠 加 , 得 到 整 个 风 机 的 噪声 。 就   风机 噪声 预估 对低 噪声 风机 设计 和 噪声控 制 
非 常 重要 , 特 别 困难 。低 压 轴 流风 机 噪 声 预 估  但 显然, 叶片力 模 型 的 关键 是 对 叶 片力 的模 拟 及其  展 开 , 二 维 Juo sy 型 升力来 代 替旋 转 的任  用 o kwk 翼
意 三维 叶 片 升 力 ; F ui 展 开 中 略 去 虚 部 , 而 orr e 意 

现有 两 个代 表 性 的工 程 模 型 , 个 是 尾 流 脱 落模  一
型, 它认 为 主要 应 考 虑 由叶 片尾 缘 涡 的脱 落 引 起  的升力 脉动 产 生 的 噪声 , 程 上可 用 来 较 好 地 预  工 测 总声 压级 _ 2; 一 个是 叶 片力 模 型 , 认 为 主  1  另 . 它 要应 考 虑 由旋 转 的 叶片 升 力 引 起 的 噪声 , 程 上  工

味着 离散 的声 源 叠 加 时 相 位 差 不计 , 这两 点 与 实  际差别 太大 。用 此模 型对 本文 的两 个轴 流风 机样 

机 噪声 频谱 预估 和实 测值 误差 普遍 在 1d 0 B以上 。  
本文 对此 模型 进 行 改 进 , 用 轴 流 风 机 流场 三维  采 数 值模 拟 的 结果 给 出 叶 片力 分 布并 在 Fuir or 展  e 开 中保 留虚 部 , 将 Wu模 型 中 原来 采 用 叶轮 空  并

可 用来 较 好 地 预 测 噪 声 频 谱 _ 。根 据 著 名 专 家  3 ] Ni ee分析 _5, s 4 作者 认 为 轴 流 风机 噪声 预估 时上  . J
述两 种 噪声 源均应 考 虑 , 难度 太 大 , 期 内难 以  但 短

度作 为发 声 系数 改为 叶轮 实度 ( 空度 =1 一实度 ) ,  
因为叶轮 噪声 由叶片产 生 , 应与 实度 关联 更合 理 ,  

解决 。考虑 到工 程上 采用 选取模 型 中合适 的经验 
系数 方法 , 上述 两 种 模 型 分 别 考 虑 总 噪 声 和频  用

且其 预测 结果 更接 近 实测 值 。这 些 改进对 噪 声频  谱预估 结 果影 响 很 大 , 以本 文 将 它称 为 改 进 的  所
叶 片力 模 型 。  

谱 的做法 是符 合 当前工 程 实际 的 。 ?   Wu等 发展 的 叶片 力 模 型 的基 本思 想 是 采 用  不动 的 Juo sy翼 型 升 力 作 为 旋转 叶 片上 的升  okwk 力 _, 3 然后 对 这 个 升力 作 时 间 和 空 间 上 的 Fu e   J ofr i 
收 稿 日期 : 2 o—0 — 3  03 3 l

本文 所使 用 的三维 程序 是清 华 大学 流体声 学 
实验 室历 经多 年开 发 的成 熟 软件 , 已在离 心 、 流  轴

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8  

FL D  UI MACHI NERY 

Vo . 2, 1 3 No. , 0   1 2 04

风机 上 取得 成功 应用 。本 文用 来预 估 和实验 的两 
个低 压 轴流 风机 样机 主要 参数 如表 1 所示 。  
表 1 风 机样 机 设 计 工 况 参 数  样 机 
1   2  

本文 采用 直接 对 升 力 函数 做 数 值 Fu e 时  omi r 间 和空 间的变换 , 保 留 了变换 的虚部 , 但 使在 做各 
脉动力 引起 的声 源 叠加 时 考 虑 其 相 位差 影 响 , 显 

直 径  ( m) I   B
4O O  5o 0 

流 量  ( 3h  m/ )
40   5o 70   6o

全压   ( a  P)
lo 0  19 3 

转速  ( rn  ra ) /i
15   40 l5   40

然这是 合理 的。通过 复杂 运算 , 得到 总 声压  的  表达 式为 【 : 6  J

s 肌    :
×

∑ b r o k( + ) { 0 r k ) s B    ] ∑   ) ( c[   ( 
一 ) -  ̄ o一 …    e i B(  2 ft
一  

2 改进 的叶 片力模 型 

×( 一 jf i ̄ o 2B r

× _  

风 机旋转 的 叶片 力 引起 空 气 中 的压 力 脉 动 ,  

× rr 9 dd 

() 2 

它传播到足够远处就是声压, 自由场 中脉动力  在
F 产生 的声 压 可表示 为 :  

式 中  — — 叶顶 的半 径 
— —

叶 根 的半 径  发声 系数 , 这里 取 为叶轮 实度 









s p  


1  
一  
一  

。   j   一  ̄ an l   r   r
?

[ ] 一4    = 一

[ ] F

r  

() 1 
【, l 
— —

气 流角  叶轮 中 心到 观 测点 联 线 与 轴 向 的夹  角 

r = t— R /c  

式 中  — — 风机 轴 向 
— —





单元所在方位角 

声 源到 观测 点 的距 离 

尺 —— 叶轮 中心到 观测 点 的距 离  。 B — 叶 片数  —
— —

c —— 声 速 

几 —— 叶面法 向 
— —

叶 轮转动 频率 

叶 片表 面力 的法 向投 影 

b() 0()  ( ) , s r作 Fui 变换    r , r , r由 ( ,) orr e
得到。  

利用 风机 流场 三维 数值 模拟 得到 的 叶片力 代  替翼 型升力 分 布 , : 即 
F :F ( ) ( , ) n 0 rf s r 

对 比 Wu 型 Fui 展 开后 得到 的总 声压 s 模 orr e p  
的表 达 式为 l : 3  ]
印 :

() 吉l r r: D )  (  
V =[  )+( /    o (   Q A)] s r是 流场 数值 模 拟结 果 随弦长 s和半径  ,) r 化 的数值 函数 。 变  
图1 为样 机 1的  的 数 值结 果 , 然 和 wu 显  

雕  啦 
× 1 e  ) ∑ bO k9R (一 2 一 kS B)e 一   c(  

× {  
Xrr 9  d d  

一 )2“ } 忐e ̄一  -ft io  B
() 3 

模 型采 用 的 Juosy 型的升 力分 布差 别 较大 。 okwk 翼  

其 中 , :( 0一roOo ̄) c t R cscs / 。可 以 看 出 ,  
本文式 ( ) 由 Wu 型得 到 的式 ( ) 别 很大 。 2与 模 3差  

最后 , 再对 总声 压作 频谱 分析 [ 即   ,

s p:∑ R(  一ao es  B ) 2f  Tt

(  4 )

式 () s 用 本 文 前 面 推 导 的 公 式 , 4 中 p就 由此  可 得各 频率 的声 压[ :    ]
s Pj :
√   , … 0 √r    


I  2 r c f r


斗 

0  

×

图 1 样 机 1叶片力 ( a分布  P)



k [   ) ( ̄o 耋 s (+ ]r _f = J 0 I   B  。}   )2   。  r ( j L B   忐e (rcd ( )2 2r  5 - +2r i  d   J 1 / / )  

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20 年 第 3 卷 第 1 04 2 期 







械 

9  

这里 , 是对应频率   

的声压 , 这就是低 
7  0

压轴 流风 机声 压频谱 , 的总声压 可 由式 () 上  它 4将 述各 个频 率声 压叠 加得 到 , 比直 接用 式 ( ) 它 2计算 
简单 。   还应 指 出 : 叶 片 力 模 型 中 , 声 系 数  是  在 发


享  

个修 正 系数 , 对两 个样 机计 算结 果表 明 , 它对 频 
4   0

谱 分 布影 响不 大 , 主要可 调节 发声 总量 , 即风机 总 
声压 级 。   3 噪 声测试 

2o 0 

6 H l o   2 O 4 O   0 D oO oo   0 0

图 3 样机 2 设计工况下噪声频谱对 比 

从 图 中可 以看 出 , 估 值 与 实验 值 总 的趋 势  预 轴流 风机 噪声 测试 是按 照风 机 噪声进 气试 验 

是 吻合 的 , 13 频 的最 大 误差 不 超 过 5B 而  各 /倍 d,
且 发生 在 个 别 13倍 频 上 , 绝 大 部 分 13倍 频  / 对 / 的误 差 小于 3 B 工程 上 是可 以接受 的。 d,  

国家标 准在北 京 市 劳保 所 半 消声 室 内完 成 的 , 消 
声 室 空 间尺 寸 为 : . m X6 9    .m, 7 6    .m X3 2 自由场半  径为 3 低 频截 止 频 率 为 7 H , 景 噪 声 分 别 为  m, 0 z背
A计权 总声 压级 1 .d A和总 声压级 3 .d 。风  91B 88B

频谱 预估 比总 噪声 级 预 估 要 困难 得 多 , 为  因 前者 从低 频 到高频 有近 1 8个数 目对 比 , 后者 只有 


机噪 声测 点在 风机 出 口 4 。 向 1 5方 m处 , 测量 内容  是 13 频 噪声频谱 和总声 压级 。噪声测 量 分 别  /倍 同 时 由 两 套 系 统 独 立 进 行 ( 个 是 声 级 计  一 B 2 3 ; 一个是 B K 3 6 us 多 分析 仪 系统  &K 20 另 &  50pl e ( 包括 声强 仪 ) , ) 以便 两 者 相 互 对 照 , 证 数 据 可  保 靠。  
4 数值 预估 与 实测结 果 比较 

个 数值 对 比 。所 以 , 2和 图 3的对 比结 果 已 图  

较 为理 想 。误 差 原 因首 先是 风机 噪声 测试 是将 风  机安 装在 管道 系 统 中进行 的 , 噪声 数 值 预 估 模  而 型是 简化 为风 机 叶 轮 在 自由场 中 的辐 射 噪声 , 两 

者有 相 当差 别 。其 次 是 实 验 和 计 算 本 身 均 有 误  差, 特别是 风 机 噪 声 测 试 , 使 我 们 用 两套 B K 即 &   公 司高 档 仪器 在 消 声 室 内 同时 独 立 测试 , 互 检  相
验, 噪声测 试 误差 0 5 B也 是 难 免 的。本 文 改进  .d

模 型唯一 的具 有经 验性 质 的修 正 系数 是发声 系数 
对 表 1 示 的设 计参 数及其 相 应结 构 的两个  所


本 文选用 为 叶 轮 实 度 , 者 认 为 比 wu模 型 的  作

低 压轴 流 风 机 样 机 先 进 行 三 维 粘 性 流 场 数 值 模 

空度要 好 , 但它 仍 可 依 赖 于更 多 的样 机 的数 值 预 
估 和实验 对 比进 行 调整 。  
5 结 语 

拟 , 到 叶片力 分 布 f S r , Fui 变换 得 到  得 ( , )作 orr e
b ( ) a( ) ( ) 再 利 用 式 ( ) 得 到 样 机    r ,i r ,   r。 4可
. 

频率 的 声 压 , 按 13倍 频 叠 加 即可 得 到样  再 /
图 2和 图 3分别 为样 机 1 和样机 2噪 声频 谱 

机 13倍频 声压 频谱 。 /  

通 过 两个样 机 噪声频 谱 预估 和实测 结果 的比 
较 , 明 了本文 的改 进 叶片力 模型 是可行 的 , 表 能够 

的数 值 预估 和实测 结果 对 比。  

较好地 预测 低压 轴 流风机 的噪声频 谱 。’ 由于 目前  仅 有两 台样 机 的 验证 , 望在 今 后 的工程 应 用 中  希
6  5

能得 到更 多 的验 证 。  
参考文献 :  
l j L eC, ta. rd tnm dl o tevr xsedn  1  e  e 1A Peii   oe f    ot  hd i   co   rh e g

喜  

基    0
3  5 2o 0  6 H l oO 2 o   4 O0 0D o   o O 0  

n i   o t e w k   fa   i olo   xa  o  a   ld s os f m    a e o   n ar i ra ilf w f ba e  er h f   l n

F( ) Hz  

lj om l fSu dadVb tn 93 6 :37  J .Ju a o on n   iri ,19 .14 2—   ao
3 6. 3  

图 2 样机 1 设计工况下噪声频谱对 比 

( 下转 第 3 3页)  

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20 04年第 3 2卷第 1 期  根 据 贝塞尔 公式 , 部直 径标 准差 为 : 喉  







械 

3  3

盯 Q=( 2 +0 Q +盯 Q +0 Q ) 2 (6  - 0 Q1 - 2 2 3 - 4    1 ) 2 2 /

a ={∑ ( | [ d—d /n一1} d i ]( ) )  
i  

() 1  4

取空 气密 度  =1 2g m , =1 . e 2s . k/ 3 v 5 7 m / ,  

d 5m 将以上所求各值代人式 (6得 : =1 m, 0 1)  
- 0   = -167X1 一 q I .3  0   -
4 结 论 

式中

d —— 喷 嘴直 径 ,l mn   d—— 第 i i 次测 量值 , l mn  
n —— 测量 次 数 , =   I 4 " t

由式 (4 计 算 4个 喷 嘴 标 准 差 及 不 确 定  1)
度  见表 2  3, 。
表 2 喷 嘴 标 准 差 及 不 确 定 度  序号   dm ) f m  O ( i) " ml  (d d ( ) d 1 a/ ) %  
l   2   3   4   l0 5  10 5  10 5  10 5  0.1 5 l  0.   09l 0.1 7 6  0. 9   18 0. 7   O6 0.   06l 0.1 8 0  0.1 2 3 

() 嘴喉 部 直 径 在 整个 误 差 中所 占 比例 较  1喷
大, 而密 度所产 生 的误差 占的 比例 很小 , 因此 在 流 

量精度 要 求 不 十分 严 格 的 情 况 下 密 度 可 视 为 常 
数;  

() 2 为提 高喷 嘴流 量测 量装 置 的测量 精度 , 应 
尽可能 选用 直径 较 大 的喷 嘴 , 且 应 对 喷 嘴直 径  而

进行标 定 ;   根 据 式 (2 求 出 : 1)   据表 2中数 据 求 出 :  ( ,  



,  


; 后 再 根  然 123  ,,,

() 3 测量装 置 中 应使 用 准 确 度 高 的压 差 测 量  仪表 , 无需 片 面追 求压差 传感 器精 确度 ; 但  
() 4 整个 实 验 台 系统 的流 量 测 量装 置 还 需 考  虑系统 漏风 量所 引起 的测 量误 差 。  
参考文献 :  

)O 其 中 , 2-  

4 再 由本 试验 台 的取压 条件 取 :p p= ± .2 , ; - 0/ 0 0%  

求 出 (  )盯 。 同 理 , 据 本 实 验 选 用 的 M d  :  2 P 根 o— e16 1 4型差 压 传 感 器 L , 精 度 口=10 , 2 4 其 j . % 由喷  嘴 喉部 极 限风速 计算得 喷 嘴流量 测量 装置 压差 范 
围为 : U =10—7 0 a 根 据 此 范 围取 压 差 传 感  At 5 , 8P ,

[] 田胜元 , 日嵘 . 1  萧 实验设计 与数据 处理 [ . 京 : M] 北  
中 国建 筑 工 业 出版 社 ,98 18 .  

[ ] 上海制冷学会 .S R E标 准[ ]上海 ,925 .6 2 AH A S. 18 :1 . 7  [] 杨 晚生 .客车空调静压均匀送风道 的性 能研 究及诱  3  导器 的研制 [ ] 青 岛建筑工程 学院硕士学位论文 , D.  
20   0 2.

器 的仪 表 系 数 0 6 即 其 量 程 为 0 10P 。求  .,   50a 得 :( ,/3'~ - 0pZt) a a = ± 3 3 ,则 可 求 出  .3%

(  

) 2。再将 以上所求各值代人式 (3 中求  2 0 - 0 1)
而 同一 喷嘴 流量测 量装 置 中 :  
Q=Q1 2 3 4 +q +q +Q   (5  1)

[ ] 王利 . 4 铁路空调 客车通 风实 验 台的研制 [ ] D .青 岛 
建 筑 工 程 学 院硕 士学 位论 文 ,00  20 .
作者简 介: 杨晚生 (90 ) 男 , 士 , 1 一, 硕 7 通信 地址 : 1 0 50 0广东  5
广州市先烈东路 11 广东工 业大学 沙河校 区建设 学院水 工艺  3号 及建筑设备研 究所。
.  

J- ,p , p ,p。 l0 10 20 3 04   Q - - -

根据 误差 合成 理论 得 :  

( 上接 第 9页 )  
[ ] 王东宝 , . 2 等 低压轴流风 机噪声 的数 值预估 [ ] 流  J. 体 机械 ,0 12 5 : 52 . 20 ,9() 2 .7  
1  WuSF t . oe n fh o eset  f x l o   3  J    ,e a M dfgo t ni  pc ao  i  w   1 i  e s r aa f l

[] N i   R v w o f  o  ee tn m cai  n  5 e w.ei  f a ni gnr o  ehns ad e s e   n e s a i m cno m t d [ .F   o   n i e aoa IC   otl e os A] a ni A  n r t nl N E r  h n e s t i   n
S mp su y o im,S p e e   9 2 4 ? 6. e tmb r 1 9 . 5 5  

f si afefl[ ] ora o on n   iri , a      e  e J .Ju l f udadVb tn  n n r id n   S ao
1 9 2 0: 7 . 9   9 7, 0 3 9 3 9.

[] 王东宝 . 压轴流风 机噪声 的数 值预 估 [ . 6 低 D] 清华 
大 学 硕 士 论 文 ,02  20 .
● 

[ ] N i   F   o   eeao   ̄ ls   d cn o 4   e w.a ni gnrtn m / m a   ot l e s n e s i l n i r  m t d【 ] Poed l N E e osA . r ei T R—N I 8 .C v. h c I gI OS 8 【 ]A i E’  
go n n,F a c r n e, 1 9 7 7 7   9 8. 6 - 76.

作 者 简 介 : 东 宝 (99 )男 , 士 , 讯 地 址 :00 4北 京. 王 1 一, 硕 7 通 108  

市清华大学工程力学系 。  



; 瘟鎏  蕊   


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