XL-4-72微噪声风机的研究
来源：北京新阳光技术开发公司 阅读：2206 更新时间：2008-05-08 09:40内容提供:北京新阳光技术开发公司
关键词:降噪，减振，力学，静压箱，间隙
一、前言
4-72通风机是人们生产生活中用量最大，面最广的一种通风机，虽然它已经有几十年的历史，但它仍以自身的性能、成本价格等优势被人们所选用。随着社会的发展，人们的环境意识提高，它的噪声、振动指标，越来越不能被人们所接受，所以，如何降低振动与噪声，使之适应环境，从而更好地服务于人类，是我们亟待要解决的问题。
二、关于风机的噪声及噪声分析
1、噪声及危害
当声音强度达到一定程度,对人体健康产生危害,或对环境要求安静的某些工作有妨碍的声音,统称为噪声。
噪声的危害是多方面的，长期处于强烈的噪声环境中，会使人血压增高，注意力分散，感觉迟钝，生理反应延迟。
2、风机的噪声分析
风机的噪声主要由三个部分组成,即空气动力噪声、机械噪声及电磁噪声。
①当气体中有了涡流或发生压力突变时，引起气体的扰动，就产生了空气动力噪声。
②在撞击、摩擦、交变的机械应力作用下，机械的轴承、齿轮等发生振动就产生了机械噪声。
③在电动机定、转子的吸力及电流和磁场的互相作用下引起铁心振动等，就产生了电磁噪声。
④噪声的频谱特性。
所谓频谱，就是声压级或声功率级随着频率变化的图形。不同的风机参数有着不同的频谱，其频谱特性主要取决于风机的叶片数,转数和叶轮的直径。如图一所示，轴流式通风机的频谱曲线比较平坦，离心式风机的频谱比较陡斜。
 图一 |
三、目前风机的降噪方法
噪声传播过程中有三个要素：即声源、传播途径和接受者。噪声控制的基本方法也就要从这三个环节入手：①对声源进行控制；②在传播途径中控制；③对接受者进行防护。
由于受当前的技术水平的限制，直接对声源进行控制，大多的风机设备本体噪声均远远超过标准。目前风机降噪大多采用被动治理的方法，即在传播途径上采取噪声控制措施，常用的方法有隔声、吸声、消声器、隔振阻尼等。具体采取何种措施，要在调查测量的基础上，根据具体声源和传播途径，有针对性地选择。同时，还要注意这些措施的可行性和经济性。当采用上述措施仍达不到控制标准时，还要对接受者采取个人防护措施。
这些方法的采用使投资大大增加，少则3倍于原风机价格，多则5倍以上，这就使社会环境效益及经济效益反差太大，而且还带来很多其它的影响，如维护不便，占地面积加大等均给用户带来困扰。如图二风机噪声与振动被动治理常用方案示意。
 图二 |
四、XL-4-72型微噪声风机的技术特征与降噪原理
对声源进行控制，是最根本的噪声控制措施。本微噪声风机从分析风机噪声的成因入手，在保证风机原有的空气动力性能指标的前提下，改变风机原有的结构、安装方式、进排气方式等，使其原各部位的结构从单一性能向多种性能转变，使其占地小及纳入有效的降噪技术设计。在理论上首先进行的是噪声分析，流场分析，结构分析及力学分析。
1、普通4-72风机
（1）结构特点（如图三）
①机壳：机壳由2个平面结构与一个曲面组成一结构体，两个平面属于极容易变形的结构，所以选材较厚才能适应重力振动等荷载。
②支架：支架由型钢组成，起支承风机的作用并保证进行稳定性，传统方式风机重心较高，支架无其它功能。
③电机与叶轮是风机的核心，是风机的运动部分，它是产生振动与噪声的根源。(如图三)
 图三 |
由于气体密度是沿径向逐步加大，所以机壳内壁的气体密度达到最大值时，气流速度也最大，因此气流在机壳内壁产生很大的气流噪声，同时叶轮的高速旋转与气流产生速度很大的相对运动及撞击摩擦，所以在叶道出口产生很大的噪声，通过蜗形机壳内壁经过反复的反射，最终在机壳出口集合向外传播，叶道进口的噪声则直接沿风机进口方向传播。
（2）受力分析：（如图四）
 图四 |
①轴的受力分析：
a.静止时受力是叶轮与转子的向下重力和轴承向上的反作用力，同时由于叶轮的重心位于轴的前部，所以叶轮的重力对轴形成力矩。
b.运动时受力除受电磁切力形成扭矩外，还要承受离心力及重力加速度。
②轴承受力分析：
a.静止时轴承受力：是受轴及叶轮转子的压力及轴承的反作用力。
b.当电磁场使轴转动时，介于轴承内套与外套之间的单个滚珠及内套便承受交变荷载，即滚珠及内套的受力大小等于沿滚珠滚动方向由0→最大（叶轮+转子+离心力+重力加速度）→0。
2、XL-4-72风机
风机噪声按其产生部位和声级大小可分为五个部分：出口噪声、进口噪声、电动机噪声、机壳噪声及管道辐射噪声，如图五风机噪声源示意图，图中“※”表示声源部分。
 (a)进口噪声源 (b)出口噪声源 (c)机壳噪声源 (d)管道辐射噪声源 图五 |
根据对风机噪声的分析，找出其原始的结构不合理性或噪振不易控制的位置等，重新对风机的各个部位、组合方式及生产工艺进行设计安装及工艺进行设计。
（1）首先按其使用用途将风机分为三大系列，即通风机，送风机，排风机。其中通风机是将所需要输送的气体从某地到某地，送风机是将大气集中送至某地，排风机是将某地的气体排向大气，由于它们的用途不同，所以风机的进出口也应单独设计，以满足环境的需要。
（2）电机与叶轮是风机的核心，是风机的运动部分，是产生振动与噪声的根源。在距声源最近处加装吸声材料，就如同在光源的最近点挡光一样，如图六消声效果图。
 图六 |
（3）实施无基础隔振及软接切断噪声及振动通过管道和建筑物向外传播；配置消声静压箱，并使静压箱具有底座功能以此省去支架。其特点是：①进气口消声。②保证或提高原性能。③重心接近中心运行平稳。④重量较大具有抗振性。
（4）改变叶轮运转方式，即由原铅垂运转变为水平运转，这样便从根本上改变了轴及轴承的受力方式，使轴不在受径的力及力矩，轴承由交变载荷变为恒定载荷，轴承由一个受力是最大另一个受力最小变为同时受力并大小相等，滚珠由单个受交变载荷变为所有滚珠同时受力并载荷恒定。（如图七）
 图七 |
（5）用于排风的机壳由一个进口或出口改为多个进口或出口，并配置百叶窗，由此改变其整体结构,在流场分析上，即由原较为复杂的流场变为简单的流场。
（6）由于改变了运转方向，轴及轴承受力方式也发生变化，因此为大型号风机的A式传动提供了可能性，使设计选型有了更广泛的空间，使占地面积、投资环境都得到了改善。
（7）送通风静压箱除了底座消声功能外，由于内部结构进行了优化设计，更趋于合理化，这样不但能保证原性能指标，而且还略有提高。
（8）总体性能指标由于提高的较大，所以完全克服了机壳内表面不光滑（吸声板）而造成的损失。
五、提高4-72风机效率的理论根据及试验
对于离心式通风机的内部流场认识与分析是一个比较复杂的问题，多年来一直没有系统完整及权威性的理论来解决这一问题，我在原有理论基础上，在这里进行探讨。
1、XL-4-72风机流场分析及轴向剖面流场分析，如图八。
 图八 |
2、造成内泄露成因分析
根据流场分析得知，由于内泄露的存在是造成效率不高的主要原因，为了提高效率就必须有效防止内泄露的产生，所以要根据流体的物理特性改变形状及间隙的处理方式。
（1）流体方向的不可逆形状（如图九），由于流体的方向及流体的通道形状不同，所得到的效果是截然不同。
 图九 |
（2）气流的引射与散射不可逆，如图十。
 图十 |
（3）附壁效应，如图十一。
 图十一 |
3、防止内泄露提高效率的途径及分析。
 图十二 |
（1）如图十二，当风机运转时，由于气体的粘滞性，所以在叶轮前盘外表面，气体亦随叶轮转动而旋转，由于气流的离心力和引射作用，气体便在叶轮和集风器之间的间隙进入机壳，尤其在叶轮进口和集风器出口附近高速旋转，气流的离心力作用使此区域的气体密度很大，所以气流极容易由此进入机壳造成泄漏损失，降低风机效率，为了解决内泄漏问题，提高风机效率，将采用措施如图十三。
（2）当风机运转时，在叶片出口处的气体被压缩密度很大，叶片的线速度很高，当气体离叶片时，便沿叶轮的切线方向高速移动，被压缩的气体迅速膨胀并以较大的加速度减速，受蜗壳内壁及形状的影响在蜗壳内产生较大的正压，正压的大小是沿蜗壳外形线由出口到蜗舌逐渐加大，试验表明，此现象也是造成内泄漏的主要原因之一，而在距蜗舌较近的地方泄漏较大，所以对蜗壳或蜗舌有必要进行设计。
 图十三 |
（3）当风机运转时，A、B两面间的区域为旋转层，这一旋转层同时受到两个力的作用，及下为离心力，P为轴心方向的负压和径向的正压，当F＜P时，则有气流向轴心方向移动，即为内泄露，当F＞P时，则有气流向径向移动，阻止内泄露产生，总之，A、B面间的旋转气流就如同气幕能有效地防止内泄露的产生，因此能使风机内效率大为提高，同时由于流体方向的不可逆形状决定了气流下方向的通过能力要远大于P向的通过能力。
（4）当排风时即风机出口无管道时可去掉蜗壳，如须蜗壳时应加大蜗壳围板至叶轮的距离或在距蜗舌1/3D也可。
六、工程实例
1、东环广场第28层排烟风机降噪工程
东环广场公寓属高级住宅。公寓内部4-28层公用烟道排风设备需安装在第28层公寓阳台上。依原设计，又不影响28层的住户，因此对风机的降噪提出了很高的要求。
依原设计选用的风机型号（4-72-6A），本体平均声压级约90dB(A)左右，而现场允许占用的面积仅为2.5m×2.5m,高度不能超过1.4m,空间受到严格限制。因此对本排风机及降噪工程方案的设计，以及对风机降噪设备的外观、外形和尺寸等方面都提出了特殊要求。根据以上现场状况，我公司设计选用了XL-4-72-6A微噪声风机，其优势如下：
（1）风机叶轮采用水平运转方式,降低了设备高度,并使风机自身振动降低。
（2）由于对风机壳进行了降噪处理,减轻了出口消声器的降噪压力。
（3）配制了进口静压箱,并使静压箱具有减振底座功能,以此省去支架。
（4）在空气动力性能上,由于把径向间隙变为轴向间隙,把刚性材料变成柔性材料,使叶轮与集风器的间隙,可以保证在理想状态,有利于总体性能指标的提高。
治理后，经测试，完全达到有关国家标准。具体方案如图十四。
 图十四 |
2、东方医院职工食堂排油烟风机降噪工程
东方医院位于方庄小区中心部，职工食堂及营养食堂的排油烟风机安装在13层楼顶机房内，原设备为两台型号为4-72-11No10C的风机，Q=30000m3/h,P=1500Pa,N=30Kw，风机噪声严重超标，对周围环境造成影响。经实地考察、测定后，我公司提出如下治理方案：
（1）将原1台10C风机在保证排风系统所需的指标情况下，换为2台XL-4-72-7A微噪声风机，其好处是：减小叶轮直径，降低线速度，使声源噪声值降低。
（2）叶轮为水平运转，可降低机械噪声和振动。
（3）机壳为碳钢和吸声材料复合制成，能最有效的降低气流和叶轮产生的分离噪声。
（4）用进风消声静压箱为无基础底座，它可消除60%的进气噪声，并可起配重的的稳定作用。
（5）风机为A式传动即直接传动，可避免传动链的噪声产生。
（6）总功率消耗为15Kw,比原风机节能50%。
经以上治理，原声源噪声从89dB(A)降至60dB(A),受到了用户的好评。方案如图十五。
 图十五 |
七、微噪声风机其噪声、振动降低的水平或程度
通过近几年时间的研究、实验和实践表明，传统工业产品与新技术结合、应用领域有着广阔的前景。XL-4-72微噪声风机就是一个实例，它将能成为环保这个新兴产业中一个不可缺的一部分，它亦可成为风机企业的一个新的经济增长点和新的亮点，由此还可引出具有其他功能的环保领域的风机，如油烟净化风机（已大量走向市场），除尘风机，脱硫等专用风机。所以适应环保要求的风机类产品将是高新技术的又一个新的领域。
