周伯儒 楊陽(yáng)

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

軸流風(fēng)葉工作轉(zhuǎn)速的不斷提高和多工作轉(zhuǎn)速運(yùn)行需求，使得軸流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)噪聲問(wèn)題日益嚴(yán)重。同時(shí)，軸流風(fēng)葉多工況環(huán)境和安裝環(huán)境下表現(xiàn)出不同的變形、不同的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性和不同噪聲特性，噪聲問(wèn)題的解決顯得更加棘手。故結(jié)合環(huán)境、實(shí)際工作空間等因素，進(jìn)行軸流風(fēng)葉工作變形異常噪聲研究刻不容緩。

本文基于有限元分析方法和實(shí)驗(yàn)方法，針對(duì)某商用機(jī)組軸流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，分析風(fēng)葉工作變形結(jié)構(gòu)特性與腔體流場(chǎng)特性，確定改善著手點(diǎn)，從動(dòng)靜干涉[1]角度分析噪聲特性，給出相應(yīng)噪聲改善方案，并完成流場(chǎng)仿真分析與相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，給出了商用機(jī)組低沉“嗡嗡聲”解決方案，為此類(lèi)問(wèn)題的解決提供了案例和理論支持。

2 問(wèn)題描述

某商用機(jī)組軸流風(fēng)葉配大洋SWZ150B直流無(wú)刷電機(jī)整機(jī)開(kāi)機(jī)升頻運(yùn)行，風(fēng)機(jī)在850 rpm、880 rpm運(yùn)行時(shí)，均存在非常明顯的低沉“嗡嗡聲”，人耳很難接受。

在圖1中880 rpm下風(fēng)機(jī)異常噪聲頻譜，存在352 Hz噪聲峰值，對(duì)應(yīng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的24倍轉(zhuǎn)頻。850 rpm下風(fēng)機(jī)異常噪聲頻譜，存在340 Hz噪聲峰值，對(duì)應(yīng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的24倍轉(zhuǎn)頻。

圖1 880 rpm平穩(wěn)轉(zhuǎn)速下噪聲頻譜

去除外機(jī)前面板+導(dǎo)流圈單開(kāi)風(fēng)機(jī)，發(fā)現(xiàn)在850 rpm、880 rpm兩轉(zhuǎn)速下異常噪聲更加明顯，音質(zhì)極差。并且在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)整機(jī)單開(kāi)風(fēng)機(jī)880 rpm運(yùn)行，在12℃時(shí)，“嗡嗡聲”最明顯，音質(zhì)差，人耳很難接受；而在25℃時(shí)，“嗡嗡聲”相對(duì)較弱，音質(zhì)可以接受。

3 異常噪聲原因分析

通過(guò)前期風(fēng)機(jī)噪聲特性分析及相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析，基本可以確定整機(jī)低沉“嗡嗡聲”與軸流風(fēng)葉存在必然聯(lián)系，故重點(diǎn)關(guān)注軸流風(fēng)葉相關(guān)問(wèn)題。

3.1 軸流風(fēng)葉模態(tài)共振

使用ANSYS軟件對(duì)軸流風(fēng)葉進(jìn)行模態(tài)仿真分析，獲得其前15階固頻，如表1所示。表1原風(fēng)葉模態(tài)分析結(jié)果表明，第13階固頻與“嗡嗡聲”噪聲峰值340 Hz、352 Hz差異大。

表1 原風(fēng)葉模態(tài)分析前15階固頻

使用西門(mén)子LMS模態(tài)錘擊測(cè)試模塊進(jìn)行風(fēng)葉頻響特性分析，圖2原風(fēng)葉頻響特性曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，原風(fēng)葉500 Hz以下固頻分布在76.6 Hz、272.5 Hz、299 Hz、357.6 Hz、412 Hz、449.2 Hz，與異常噪聲峰值頻率340 Hz、352 Hz差異大。

圖2 原風(fēng)葉自由模態(tài)錘擊實(shí)驗(yàn)FRF

因此根據(jù)軸流風(fēng)葉模態(tài)仿真分析與軸流風(fēng)葉頻響特性測(cè)試分析，可以確定“嗡嗡聲”并不是軸流風(fēng)葉共振所致。

3.2 軸流風(fēng)葉高轉(zhuǎn)速下工作變形

由于高速軸流風(fēng)葉在12℃時(shí)，“嗡嗡聲”最明顯，而在25℃時(shí)，“嗡嗡聲”相對(duì)較弱，故在不同溫度下，軸流風(fēng)葉表現(xiàn)出不同的動(dòng)力學(xué)特性。軸流風(fēng)葉材料為AS-GF20，材料彈性模量隨溫度變化較大，材料阻尼比受溫度影響不大。故研究軸流風(fēng)葉在不同溫度下的工作變形，分析其與“嗡嗡聲”的聯(lián)系。軸流風(fēng)葉高轉(zhuǎn)速下工作變形主要表現(xiàn)在風(fēng)葉葉尖變形，如圖3所示為ANSYS仿真結(jié)果。

圖3 軸流風(fēng)葉12℃，880 rpm，最大變形3.64 mm，變形方向?yàn)橄蛟龃箫L(fēng)葉與中隔板間距方向變形

如表2所示，溫度越高，軸流風(fēng)葉最大工作變形越大，離中隔板間距越大，“嗡嗡聲”相對(duì)越弱?；谏鲜鲲L(fēng)葉工作變形CAE分析及軸流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在不同溫度下表現(xiàn)出的噪聲特性，引導(dǎo)我們考慮葉尖與中隔板間隙引起的動(dòng)靜干涉問(wèn)題。

表2 基于ANSYS仿真不同溫度下風(fēng)葉葉尖工作變形

3.3 軸流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)腔體流場(chǎng)紊亂

3.3.1 原風(fēng)葉腔體流場(chǎng)仿真分析

圖4為使用ICEM流體建模軟件構(gòu)建的外機(jī)風(fēng)道CFD簡(jiǎn)化模型，圖4中，1為出風(fēng)口；2為風(fēng)葉；3為中隔板；4為進(jìn)風(fēng)口；5為前面板及導(dǎo)流圈。圖5為CFD分析的壓力場(chǎng)分布圖與速度場(chǎng)分布圖，結(jié)果顯示在葉尖靠近中隔板最小間距處存在渦流，風(fēng)葉葉尖靠近中隔板附近壓力變化最劇烈，最大壓力值達(dá)到436.7 Pa。速度場(chǎng)分布顯示在葉尖附近存在一個(gè)大渦核區(qū)域，速度擾流強(qiáng)度大，分布紊亂。

圖4 整機(jī)簡(jiǎn)化模型[2]～[3]

從圖6可以看出，原風(fēng)葉方案中隔板在豎向存在一個(gè)極大的負(fù)壓渦核區(qū)分布，在軸向有明顯的一對(duì)正負(fù)壓渦核區(qū)。說(shuō)明原風(fēng)葉葉尖靠近中隔板附近壓力場(chǎng)極不穩(wěn)定，葉尖靠近中隔板處存在極大的負(fù)壓渦核區(qū)，這是導(dǎo)致風(fēng)葉腔體紊流噪聲的決定因素。

3.3.2 去除前面板+導(dǎo)流圈腔體流場(chǎng)仿真分析

如圖7顯示，在去除前面板+導(dǎo)流圈后中隔板壓力場(chǎng)分布更加紊亂，流場(chǎng)壓力過(guò)渡不順暢，同時(shí)最大壓力值與圖5相比顯著增加，更易誘發(fā)紊流噪聲。再結(jié)合前期去除外機(jī)前面板+導(dǎo)流圈單開(kāi)風(fēng)機(jī)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以確定“嗡嗡聲”與軸流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)腔體流場(chǎng)紊亂有關(guān)。

圖5 原風(fēng)葉CFD分析

圖7 無(wú)前面板+導(dǎo)流圈壓力場(chǎng)分布

綜上所述，軸流風(fēng)葉高轉(zhuǎn)速下工作變形，引起風(fēng)葉葉尖與中隔板流場(chǎng)干涉，導(dǎo)致軸流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)腔體流場(chǎng)紊亂，形成極大的負(fù)壓渦核區(qū)，誘發(fā)風(fēng)葉腔體紊流噪聲[4-6]，即“嗡嗡聲”。

4 流場(chǎng)腔體改善方案仿真分析

根據(jù)異常噪聲原因分析結(jié)果，提供3套流場(chǎng)腔體改善方案：（1）去尖風(fēng)葉；（2）中隔板外移5 mm；（3）電機(jī)支架軸向偏轉(zhuǎn)±15°。

4.1 原風(fēng)葉與去尖風(fēng)葉流場(chǎng)對(duì)比

圖8中去尖風(fēng)葉中隔板上壓力分布較均勻，速度場(chǎng)過(guò)渡平滑。說(shuō)明原風(fēng)葉去尖處理后，消除了高轉(zhuǎn)速下風(fēng)葉葉尖工作變形帶來(lái)的影響，相應(yīng)壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)均得到很好地改善。

圖8 去尖風(fēng)葉方案CFD分析

4.2 原風(fēng)葉與中隔板外移5 mm 流場(chǎng)對(duì)比

相較于原風(fēng)葉流場(chǎng)，在中隔板向外移動(dòng)5 mm后流場(chǎng)得到較好改善，見(jiàn)圖9。說(shuō)明增大原風(fēng)葉葉尖與中隔板間隙，可有效改善流場(chǎng)。

圖9 中隔板外移5 mm方案CFD分析

4.3 電機(jī)支架軸向偏轉(zhuǎn)±15°流場(chǎng)對(duì)比

相較于圖10，圖11壓力場(chǎng)分布過(guò)渡順暢。說(shuō)明通過(guò)調(diào)整電機(jī)支架安裝角度-15°，流場(chǎng)明顯改善。再次間接反映出增大葉尖與中隔板間隙可以有效改善流場(chǎng)。

圖10 改變電機(jī)支架安裝角度中隔板壓力分布

圖11 改變電機(jī)支架安裝角度葉尖附近壓力分布

根據(jù)以上分析通過(guò)調(diào)整軸流風(fēng)葉安裝角度和中隔板與風(fēng)葉葉尖間距能有效消除渦，改善葉尖與中隔板之間壓力場(chǎng)，從而減小相應(yīng)“嗡嗡聲”，以下通過(guò)噪聲實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

5 方案驗(yàn)證

5.1 驗(yàn)證風(fēng)葉安裝角度對(duì)“嗡嗡聲”的影響

為了便于改變軸流風(fēng)葉安裝角度，去除前面板+導(dǎo)流圈，將軸流風(fēng)葉沿軸Z向扭轉(zhuǎn)-15°，改變安裝角度后的軸流風(fēng)葉和原位置軸流風(fēng)葉噪聲數(shù)據(jù)對(duì)比如圖12。對(duì)比數(shù)據(jù)顯示可以將噪聲峰值降低3.5 dB(A)。

圖12 軸流風(fēng)葉安裝角度差異影響

原風(fēng)葉樣件與去尖風(fēng)葉樣件噪聲測(cè)試對(duì)比顯示，880 rpm轉(zhuǎn)速下去尖風(fēng)葉樣件比原風(fēng)葉峰值降低4.5 dB(A)；850 rpm轉(zhuǎn)速下去尖風(fēng)葉樣件比原風(fēng)葉峰值降低3.0 dB(A)。

5.2 驗(yàn)證原風(fēng)葉葉尖與中隔板間隙對(duì)嗡嗡聲的影響

前期現(xiàn)場(chǎng)增大或減小風(fēng)葉葉尖與中隔板間隙實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，增大風(fēng)葉葉尖與中隔板間隙，異常噪聲被削弱明顯；減小風(fēng)葉葉尖與中隔板間隙，異常噪聲并未得到改善。

6 結(jié)論

（1）基于風(fēng)葉工作變形結(jié)構(gòu)特性與風(fēng)機(jī)系統(tǒng)腔體流場(chǎng)特性，確定了風(fēng)機(jī)系統(tǒng)流場(chǎng)紊亂是誘發(fā)異常噪聲的主要原因；風(fēng)機(jī)系統(tǒng)流場(chǎng)仿真分析和相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，原風(fēng)葉的葉尖與中隔板間隙過(guò)小、葉尖脫落渦沒(méi)有充分的發(fā)展空間，導(dǎo)致兩者之間存在極大的負(fù)壓渦核區(qū)，從而誘發(fā)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)流場(chǎng)紊亂；

（2）基于流場(chǎng)腔體改善多方案仿真分析結(jié)果，原風(fēng)葉去尖處理、中隔板外移5 mm及向遠(yuǎn)離中隔板方向調(diào)整電機(jī)支架安裝角度-15°均可以有效改善流場(chǎng)；

（3）基于引起異常噪聲主要原因，制作去尖改善風(fēng)葉樣件，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明去尖改善風(fēng)葉樣件880 rpm轉(zhuǎn)速下噪聲峰值比原風(fēng)葉降低4.5 dB(A)；850 rpm轉(zhuǎn)速下噪聲峰值比原風(fēng)葉降低3.0 dB(A)。

（4）基于調(diào)整電機(jī)支架安裝角度或外移中隔板以增大風(fēng)葉與中隔板間隙的方法，可以有效削弱340 Hz異常噪聲，將噪聲峰值降低3.5 dB(A)。