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(yùn)行中存在的致命弱點(diǎn)。它是由多種不同頻率聲音的無(wú)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(yǔ)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(xiǎn)性及其控制途徑，對(duì)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(lèi)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?chē)粚?duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)與葉片旋轉(zhuǎn)所形成的周向不均流場(chǎng)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(lái)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(shí)，動(dòng)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(dòng)葉上的力周期性脈動(dòng)而產(chǎn)生噪聲；(2)葉片在不光滑或不對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)，否則氣流流動(dòng)狀態(tài)將不再與軸線(xiàn)完全對(duì)稱(chēng)，也就是說(shuō)周向的圓周速度不再是常數(shù)，所以氣流便會(huì)產(chǎn)生旋流動(dòng)；(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(shí)間的脈動(dòng)。反過(guò)來(lái)它又影響葉輪中氣流的流動(dòng)，于是葉片上的氣流也就具有隨時(shí)間變化的脈動(dòng)性質(zhì)。
這種噪聲具有確定的頻率，因?yàn)槊慨?dāng)葉片通過(guò)風(fēng)舌一次，在風(fēng)舌上就有一個(gè)脈沖，反過(guò)來(lái)給葉片也是一個(gè)脈沖。這種葉片通過(guò)的頻率f1稱(chēng)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(shí)，由于這種脈動(dòng)波形不會(huì)是單純的正弦曲線(xiàn)，所以根據(jù)級(jí)數(shù)展開(kāi)，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(guò)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(shì)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(shí)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(dòng)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(pán)、后盤(pán)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(dòng)產(chǎn)生噪聲；(2)氣流流經(jīng)葉片前后盤(pán)的內(nèi)外表面及蝸殼表面時(shí)，由于附面層發(fā)展到一定程度會(huì)產(chǎn)生渦流脫離，脫離渦流將造成較大的脈動(dòng)。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(shí)，葉片前緣各點(diǎn)沖角大小將取決于氣流平均速度和瞬時(shí)擾動(dòng)速度，在紊流晴況下擾動(dòng)速度是無(wú)規(guī)律地變化的，因而也使沖角發(fā)生無(wú)規(guī)律的變化，導(dǎo)致升力的無(wú)規(guī)律脈動(dòng)而產(chǎn)生噪聲。
這種旋流具有很寬的頻率范圍，通常稱(chēng)為寬頻噪聲，同時(shí)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(zhǎng)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(xiàn)直徑，m。
2 風(fēng)機(jī)噪聲級(jí)換算
若要對(duì)離心通風(fēng)機(jī)的運(yùn)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(jí)換算的一些基本方法。為了能夠客觀(guān)公正地衡量一臺(tái)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(lèi)通風(fēng)機(jī)噪聲在最佳工況點(diǎn)的比A聲級(jí)LSA的計(jì)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(jí)，dB；LA為對(duì)應(yīng)于通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)的A聲級(jí)，dB；Q為通風(fēng)機(jī)測(cè)試工況點(diǎn)流量，m3/min；p為通風(fēng)機(jī)測(cè)試工況點(diǎn)全壓，Pa。
通過(guò)上式所計(jì)算得到的LSA實(shí)際上就是通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生單位流量、單位全壓時(shí)的噪聲計(jì)算相對(duì)值。這樣，就等于有了比較各種類(lèi)型通風(fēng)機(jī)噪聲的衡量基準(zhǔn)。實(shí)踐證明：同系列的離心通風(fēng)機(jī)的LSA曲線(xiàn)基本相同。如與風(fēng)機(jī)的性能、效率(η)曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)繪制成圖，就會(huì)發(fā)現(xiàn)LSA曲線(xiàn)與η曲線(xiàn)很像解析幾何中的雙曲線(xiàn)，見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，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(xiàn)向左右回落；而LSA曲線(xiàn)則朝相反方向上翹。這又形象地說(shuō)明，當(dāng)風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)情況最佳時(shí)，才可能獲得最大的效率和最低的噪聲。另外，在選擇、設(shè)計(jì)離心通風(fēng)機(jī)噪聲控制方案時(shí)，必須預(yù)測(cè)該機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生噪聲級(jí)的大小。而在實(shí)踐中，獲取該資料的途徑無(wú)非只有兩條：（1）查找有關(guān)資料；（2）向供貨商索取。但有時(shí)得到的是該機(jī)的一條比A聲級(jí)LSA曲線(xiàn)，而不是直接的具體噪聲級(jí)。這時(shí)就需要利用上式進(jìn)行換算，例如某廠(chǎng)在工藝設(shè)計(jì)時(shí)決定選用9-19№6離心通風(fēng)機(jī)，其運(yùn)行工況性能：Q= 80.33m3/min，p=8818Pa，對(duì)應(yīng)工況點(diǎn)比A聲級(jí)LSA=18.8dB，計(jì)算A聲級(jí)[2]。
LA=LSA +10lg(Qp 2) －19.8=18.8+10lg(80.33×88182) －19.8=97dB
可見(jiàn)，風(fēng)機(jī)噪聲明顯高于企業(yè)允許限值(≤85dB)，故需對(duì)其進(jìn)行有效控制。
 圖1 6-23-2№6.3性能曲線(xiàn)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(jì)的準(zhǔn)確性。要使設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的風(fēng)量、全壓基本上與風(fēng)網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的風(fēng)量、全壓相接近。如果設(shè)計(jì)時(shí)余量過(guò)大，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)就要關(guān)小風(fēng)機(jī)蝶閥。這樣做有3個(gè)缺點(diǎn)：（1）導(dǎo)致風(fēng)網(wǎng)阻力增加，造成全壓與動(dòng)力浪費(fèi)；（2）因阻力增加而浪費(fèi)掉的Δp相應(yīng)產(chǎn)生的噪聲ΔLA則不會(huì)消失，仍要產(chǎn)生出來(lái)；（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(jì)完成后，在風(fēng)量和全壓方面能滿(mǎn)足生產(chǎn)需求的運(yùn)行方案有很多，可供選擇。這時(shí)，應(yīng)選用在該工況點(diǎn)具有最高效率和最低噪聲的風(fēng)機(jī)，以確保運(yùn)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(dòng)力載荷，降低圓周速度。對(duì)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(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)葉之后有靜葉或風(fēng)舌，則這種非穩(wěn)定流動(dòng)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(yàn)，當(dāng)δt大到一定程度后，噪聲不再降低，卻使風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能變壞，如風(fēng)量、風(fēng)壓都有所下降。試驗(yàn)表明：在風(fēng)舌間隙δt/R=0.25和風(fēng)舌半徑r/R=0.2時(shí)，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(dòng)速度所產(chǎn)生的周期性脈動(dòng)氣動(dòng)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(dòng)氣動(dòng)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(dòng)氣動(dòng)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(jì)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(duì)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(duì)無(wú)分流葉片的葉輪，當(dāng)葉片較少時(shí)，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(shí)又容易產(chǎn)生進(jìn)口阻塞和氣流分離。
3.2.6 在動(dòng)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(shí)，小孔孔徑和空腔中的氣體在聲波作用下來(lái)回運(yùn)動(dòng)，這運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，同時(shí)聲波進(jìn)入小孔孔徑時(shí)，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(mǎn)氣體的空腔具有阻礙來(lái)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(guò)共振器時(shí)，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(pán)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(guò)小，否則將增大蝸殼的張開(kāi)度，使蝸殼出口端面長(zhǎng)寬比過(guò)大，給后面的管路連接帶來(lái)困難，同時(shí)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(dòng)力性噪聲，為阻止聲音外傳播又允許氣流通過(guò)，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(dòng)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(guò)，從而達(dá)到降低噪聲的目的。常用的方法有：
(1)單層密實(shí)均勻構(gòu)件隔聲，此類(lèi)構(gòu)件的隔聲材料要求密實(shí)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(gè)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(duì)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(shí)可考慮建立一個(gè)小空間，使之與噪聲源隔離開(kāi)來(lái)，這就是隔聲間；
(4)隔聲屏是放在噪聲源和受聲點(diǎn)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(huì)被吸收掉，這種控制噪聲的方法稱(chēng)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(wú)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(lèi)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(duì)低頻聲波的吸收，最常用結(jié)構(gòu)分單個(gè)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(yǔ)
離心通風(fēng)機(jī)噪聲的控制是生產(chǎn)企業(yè)面臨的一個(gè)重要課題。它應(yīng)從風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)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(dòng)力噪聲的產(chǎn)生。同時(shí)，安裝和檢驗(yàn)也是一個(gè)不可忽視的環(huán)節(jié)，必須對(duì)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(dòng)平衡校正，以減少因風(fēng)機(jī)振動(dòng)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(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)的噪聲進(jìn)行檢測(cè)、分析和研究等工作后，確定其噪聲的主要來(lái)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(duì)周?chē)h(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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