基于交错叶轮技术的横流风机气动声学特性研究.pdf

第 4 6卷第 3期 2 0 1 0 年2 月 机械工程学报 J OURNAL OF M ECHANI CAL ENGI NEERI NG VO1 ． 46 N o． 3 F e b ． 201 O DoI 1 O ． 3 9 0 1 ， J r T E． 2 0 1 0 ． 0 3 ． 0 9 7 基于交错叶轮技术的横流风机气动声学特性研究水 田 杰 欧阳华 李 游 郑志明2 f 1 ．上海交通大学机械与动力工程学院上海2 0 0 0 3 0 ； 2 ． 日本大金工业株式会社大阪5 9 1 ． 8 5 1 1 日本 摘要为了有效降低空调器室内机横流风机离散频率噪声，采用试验和理论分析方法研究交错叶轮技术对空调器室内机横流 风机气动及声学性能的影响。对节间交错角度分别为 0 。 、3 ． 5 0 。 、4 ． 0 0 。 和 5 ． 1 4 。 的横流风机气动声学试验结果显示，节问交错 叶轮可在不影响横流风机气动性能的基础上，有效降低离散频率噪声，但对宽频噪声影响不大。建立基于 L i g h t h i l l 声类比理 论以及傅里叶变换性质的横流风机离散频率噪声预测模型，用于分析不同叶轮交错角对横流风机离散频率噪声的影响。理论 分析结果与试验测量结果吻合较好，该模型可有效地分析横流风机节间交错叶轮交错角度与叶片通过频率及其谐波分量处噪 声的关联 。以此 为基础 ，进 一步探 讨横流风机节间交错叶轮最佳交错角 的设计方法 关键词空调器横流风机交错叶轮离散频率噪声 中图分 类号 T H 4 3 2 ． 1 Ae r o d y na mi c a n d Ae r o a c o us t i c S t ud y o n t he Cr o s s Fl o w Fa n wi t h Bl o c k S t a g g e r I m p e l l e r TI AN J i e OI rANG Hu a LI Y_0 u ZHENG Zh i mi n g 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S h a n g h a i J i a o T o n g Un i v e r s i t y , S h a n g h a i 2 0 0 0 3 0 ； 2 ． D AI KI N I n d u s t r y , L t d ． ， O s a k a 5 9 1 8 5 1 1 ， J a p a n A b s t r a c t I n o r d e r t o r e d u c e dis cre t e f r e q u e n c y n o i s e o f c r o s s f l o w f a n C F F o f i n d o o r u n i t o f a i r - c o n d i ti o n e r , b o t h a e r o d y n a mi c and a e r o a c o u s t i e p e r f o r man c e o f CF F wi t h b l o c k s t a g g e r i mp e l l e r i s i n v e s t i g a t e d b y u s i n g e x p e r i me n tal a n d the o r e t i c a l me tho d ． F o u r CF F i mp e l l e r s wi t h b l o c k s t a g g e r ang l e o f O 。 ， 3 ． 5 0 。 ， 4 ．O 0 。 and 5 ． 1 4 。 a r e a d o p t e d a s r e s e a r c h o b j e c t s ． I t C an b e s h o w n tha t the b l o c k s tag g e r t e c h n i q u e h a s l i t t l e i n fl u e n c e o n the a e r o d yn a mi c p e r f o rm anc e o f CF E Ho we v e r , the d i s c r e t e t o n e n o i s e l e v e l s c o u l d b e e ff e c t i v e l y r e d u c e d ，e v e n tho u g h the b r o a d b and n o i s e l e v e l i s a l s o k e p t c o n s t a n t ． Base d o n the Li g h thi l l ’ S a c o u s t i c an a l o g y the o r y an d F o uri e r t r a n s f o r m c h ara c t er, d i s c r e t e fre q u e n c y n o i s e p r e d i c t i o n mo d e l o f CF F i s b u i l t an d u s e d t o an a l y z e the i n fl u e n c e o f diff ere n t b l o c k s tag g e r an g l e s o n t h e d i s c r e t e fre q u e n c y n o i s e o f CF F ． T h e o r e ti c a l a n a l y s i s res u l t s a g r e e we l l wi th e x p e r i me n tal r e s u l t s ． T h e mo d e l C an b e u s e d t o an a l y z e the r e l a t i o n s h i p b e t we e n s tag g e r ang l e i mp e l l e r an d BP F n o i s e t o g e the r 、 t h i ts h a r mo n i c s o f CF F ． Me anwh i l e ． t h e d e s i g n me t h o d o f o p t im u m s t a g g e r ang l e o f b l o c k s t a g g er i mp e l l e r i s a l s o d i s c u s s e d ． Ke y wo r d s Ai r - c o n d i t i o n e r Cr o s s f l o w f an Bl o c k s t a g g e r i mp e l l e r Di s c r e t e fre q u e n c y n o i s e 0 前言 随着空调室内机在人们生活中的普及，以及人 们对生活环境和生活质量的要求 ，空调室内机尤其 是横流风机气动噪声 日渐成为 目前的研究热点。室 内机中横流风机气动噪声主要分为旋转叶片与蜗 航 空 科 学 基 金 2 0 0 7 Z B 5 7 0 0 3 和 上 海 市 青 年 科 技 启 明星 计 划 0 8 QA1 4 0 3 8 资助项 目。2 0 0 9 0 2 2 5收到初稿，2 0 0 9 0 9 1 7收到修改稿 壳、蜗舌非定常脉动力干涉产生的离散纯音噪声以 及 由热交换器出 口紊流、叶片尾迹区紊流、偏心涡 等干涉产生的宽频噪声，其 中离散纯音噪声是影响 人烦恼度 的主要成分 。人们对横流风机离散纯音噪 声的降低进行了广泛 的探讨 ，KOO l I J 研究了蜗舌形 状和位置的影响，C HO 等[ 2 - 5 1 分析 了不等距叶轮的 影响， T S AI 等【 6 j 研究 了倾斜叶轮的影响， H A Y AS HI 等【 7 ] 分析 了交错 叶轮对离散频率噪声的影响。在上 述几种降噪方法 中，交错叶轮方式 由于其便于设计 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 8 机械工程学报 第4 6卷第 3期 和加工，在室 内机中得到了广泛的应用。其布置方 式是沿轴向将叶轮分成多节，节与节之间叶轮错开 一 定的角度。节间交错叶轮布置的降噪机理与倾斜 叶片和倾斜蜗舌一致，都是通过叶轮轴向非定常脉 动力间的相位变化来降低叶片通过频率噪声。对节 间交错 叶轮的研究主要集中在试验分析方面，目前 的理论分析，特别是交错角度变化对横流风机气动 和声学性能的影响规律及最佳交错角度的设计方法 尚不完善 。近年来，随着声类比理论在横流风机噪 声预测中的发展，以叶片和蜗舌为脉动力积分面预 测 室 内机 横 流 风 机 噪 声 的方 法 得 到 了 广 泛 应 用[2 ． 8 们 ， 拓展了室内机横流风机交错叶轮理论的分 析思路。 本文采用试验和理论分析方法研究了交错叶轮技 术对空调器室内机横流风机气动及声学性能的影响。 对节间交错角分别为 0 。、3 ． 5 0 。、4 ． 0 0 。和 5 ． 1 4 。的 横流风机进行了气动声学对 比试验研究。基于蜗舌点 源噪声预测模型，建立了节问交错角度与离散频率噪 声降噪效果的分析模型，研究不同叶轮交错角对横流 风机离散噪声的影响。通过试验与理论的对 比，进一 步提出了横流风机最佳交错角的设计方法。 1 研究对象及试验装置 1 ． 1 研究对象 本文 以一台市场上常见的分体式空调器室 内 机为研究对象 ， 其外形尺寸为 2 8 3 mm8 0 0 mm 1 9 5 I r l l T l 。内部主要包括横流风机叶轮、蜗壳、蜗 舌以及多折热交换器等， 如 图 1 所示。其中横流风 机叶轮外径为 9 0n l lT l ，内径为 6 9 ． 4mn l ，叶片数为 3 5 ，沿圆周方向 3 5个等厚圆弧叶片等距布置，相 邻叶片间圆周角为 1 0 ． 2 8 。。叶轮总长 6 1 0 mm，沿 轴线方 向分为 1 0节，节与节之间由 2 I r ff n厚挡板 分隔。 对具有不同节 问交错角的四个横流风机叶轮 进行对 比测试 ，四个 叶轮 的节问交错角度分别为 0 。、3 ． 5 0 。、4 ． 0 0 。以及 5 ． 1 4 。，如图 2 所示。其 中，节间交错角度为 0 。的叶轮又称为直叶轮， 如图 2 a所示。节间交错角度为 5 ． 1 4 。的叶轮各节交错角 度正好为相邻叶片间圆周角的一半。 除节问交错角 度不同外，4个横流风机叶轮的其他几何参数完全 一 致 。 室内机蜗舌采用复式结构， 与叶轮间最小间 隙为 4 ． 1 mm，蜗壳由圆弧线加直线段组成，与叶 轮间最小间隙为 3 ． 9 n l l n 。热交换器采用多折结构 布置于叶轮进 口， 其厚度为 2 4 r l l l r l 。 试验测量时室 内机进口过滤网以及出口导流板未安装， 室内机工 作在通风状态。 壳 图 1 空调器室内机基本结构 a 直叶轮 b 节间交错叶轮 图 2 横流风机叶轮示意图 1 , 2 试验装置 室 内机横流风机的气动性能采用基于国家标准 G B ／ T 1 2 3 6 ． 2 0 0 0的进气风室试验装置进行测量，试 验装置如图 3所示。辅助风机吸入气流通过多层整 流金属丝网进入喷嘴，喷嘴出口气流通过整流金属 丝 网后保证横流风机进 口气流均匀。测量时，室 内 机运转在通风状态下 ，辅助风机改变风室风量 ，当 室 内机进 口压力 P为 0 P a时， 通过测量喷嘴两端压 差 ，得到室 内机工作状态下流量 。 横流 I 风机 I ] C] l l l 喷嘴 l I 图 3 横流风机进气风室试验装置 室内机声学测量在上海交通大学航空航天工程 系半消声室内进行，消声室净空间为 7 ． 0 m4 ． 5 m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 2月 田 杰等基于交错叶轮技术的横流风机气动声学特性研究 4 ． 3 m，截止频率为 1 2 5 Hz ，背景噪声为 1 9 ． 2 d B A。 室 内机安装于消声室 内支 架，测点依据 国家标准 G B ／ T 7 7 2 6 ． 1 9 9 6 ，即距离室 内机 中心水平方向 1 m， 竖直方向 0 ． 8 m。声学测试设备 由丹麦 B K 4 1 8 9 高精度 自由场麦克风、BK 2 6 6 9前置放大器和美 国NI 公司的 P X I 一 1 0 3 3数据采集系统组成 ，并采用 丹麦 B K 4 2 2 8 活塞发声器进行标定。 2 试验分析 2 ． 1 气动性能 试验测量得到室内机中分别安装直叶轮和交错 角度为 3 ． 5 。交错 叶轮时， 室内机运转在不同转速工 况下流量，如图 4所示。图 4中，量纲一转速与流 量 的定义如式 1 n i ／ n m a x g 式 中n 、 ， z 一 分别代表不 同工况下叶轮转速及最大 转速 ， 口为流量 ， D为 叶轮外径 ， 为叶轮轴 向 长度。 转 逯 图4 室内机量纲一转速一流量曲线 对空调室 内机横流风机 ，随叶轮转速 的增加 ， 室 内机流量线性增大。当室 内机运转在不同转速下 时，交错叶轮与直叶轮的流量基本一致 ，两者之 间 的差别小于 1 ％。测量结果表明，叶轮节间交错对 室 内机气动性能基本没有影响。 2 ． 2 声学性能 室内机运转在最高转速下，试验测量得到不同 交错角叶轮的噪声窄带谱，如图 5所示。试验测量 结果表明，室内机横流风机噪声频谱由宽频噪声和 离散频率噪声组成。宽频噪声覆盖了低、中和高频 带， 离散频率噪声峰值位于叶片通过频率 及其谐 波处，其中叶片通过频率基频为 7 0 0 H z 。 ∞ b 詈 书 B 、 频率 f／ H z 图5 室内机噪声窄带谱 提取噪声窄带谱中对应叶片通过频率基频及其 前三阶谐波处离散频率谱，对应尖峰频率值分别为 7 0 0 H z 、1 4 0 0 Hz 、2 1 0 0 Hz和 2 8 0 0 Hz ，如 图 6 所示 。叶片通过频率基频处 ． 7 0 0 I - I z ， 采用节间 交错技术的交错叶轮噪声声压级均较非交错 的直叶 轮大大降低，声压级的降低幅度超过 1 5 d B。其 中 交错角度为 4 。 和 5 ． 1 4 。的叶轮基频峰值处噪声声压 级接近， 而交错角为 3 ． 5 。的叶轮相 比前两者略高一 些 。叶片通过频率 的二阶谐波 处 2 n d 1 4 0 0 Hz ，交错角为 5 ． 1 4 。的叶轮 峰值声压级最高，其数 值甚至高于该频率处直叶轮的噪声声压级 ，交错角 为 4 。的叶轮声压级与直叶轮相近 ，而 3 ． 5 。交错角 的叶轮噪声值最小 。叶片通过频率 的三阶谐波 处 3 r d 2 1 0 0H z ，除 4 。交错角的叶轮噪声声压 级超过 1 5 d B外，其他叶轮的声压级均小于 1 0d B， 对于横流风机噪声的总声压级贡献很小；同样，在 叶片通过频率 的四阶谐波 4 t h 2 8 0 0 n z 及其 以上谐波处，各叶轮的离散频率声压级数值均小于 7 d B， 对于横流风机噪声总声压级的影响可 以忽略。 由此可见，横流风机离散频率噪声对总声压级的影 响主要体现在叶片通过频率及其二阶谐波频率，在 设计节间交错叶轮的交错角度时不仅要考虑其对叶 片通 过频 率 的影 响 ，还 需 要计及 二 阶谐波 的 影响。 由图 5 、 6中上述四个叶轮的噪声窄带频谱分别 计算得到 A计权总声压级及相应的A计权 宽频噪声 和离散频率噪声声压级分量，如下表所示 。其中宽 频噪声声压级 的计算是在噪声窄带频谱中剔除离散 频率分量后得到。由下表可见，采用节问交错的叶 轮设计对室内机横流风机噪声总声压级有显著的影 响。以非交错设计的直叶轮 A 计权总声压级 4 3 ． 6 d B A为基准，交错角度为 3 ． 5 。和 4 ． 0 。的叶轮可分 别降低噪声达 2 ． 1 d B A和 1 ． 7 d B A；而交错角度为 5 ． 1 4 。的叶轮却相对于直叶轮增加 了 1 d B A。进一 O O O O O O 咖烬 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 0 机械工程学报 第 4 6卷第 3期 誉 报 誉 恨 誉 诅 ∞ 出 假 频率 f ／ H z b 2 n d f 频率 f／ r U c 3 r d d 4t 图 6 不同谐波处离散频率噪声峰值 步分析各叶轮的A计权宽频噪声和离散频率噪声声 压级分量可见， 四种叶轮的宽频噪声声压级均为4 l d B A左右，即节间交错对宽频噪声总声压级几乎没 有影响。节间交错对降低横流风机气动噪声的作用 主要体现在对离散频率噪声的降低上。综合考虑叶 片通过频率 及其高次谐波分量 主要是 及 2 n d 后，交错角度为 3 ． 5 。和 4 ． 0 。的叶轮可分别降 低离散频率噪声达 7 ． 4 d B A和 6 ． 6 d B A， 而交错角度 为 5 ． 1 4 。的叶轮却相对于直叶轮增加了 2 ． 1 d B A。 表离散和宽频噪声总声压级 室内机横流风机不同交错角叶轮声学试验结果 表 明，叶轮节间交错对室内机横流风机离散频率噪 声有较大影响。选择合适 的叶轮交错角 ，可 以大大 降低横流风机离散频率噪声，从而有效降低横流风 机噪声总声压级。反之，不当的叶轮交错角，将会 增加离散频率噪声，使其成为室 内机噪声总声压级 的主要影响因素，进而增加横流风机总声压级。另 一 方面，叶轮节间交错后，室内机横流风机的宽频 噪声分量无明显变化，该趋势与交错叶轮降噪机理 是一致的。 3 理论分析 室内机横流风机中影响离散频率噪声的是叶片 表面非定常力脉动以及蜗舌与偏心涡的干涉 ，其中 蜗舌是离散频率噪声的主要方面，本文重点讨论了 蜗舌的影响。以蜗舌为积分面时，室内机横流风机 的噪声预测模型如图 7所示。图 7中，蜗舌沿轴 向 离散成点源 ，其距离声学预测原点为 ，声学观测 点位置与试验测量位置一致。 [ E 蜗 舌 ／ f l r o ， 当忽略声学近场影响时，由 L o ws o n点源噪声 预测方程得到蜗舌点源噪声预测模型 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第 4 6卷第 3期 4 结论 本文通过试验及理论分析，研究了不同交错角 度叶轮对横流风机气动及声学性能的影响，主要结 论如下。 1 室内机横流风机 的流量随转速增大而线形 增加，叶轮节间交错对室内机横流风机气动性能基 本没有影响。 2 室内机横流风机噪声 由宽频和离散频率噪 声组成，离散频率噪声峰值在叶片通过频率及其谐 波处。叶轮节间交错对宽频噪声没有影响，对离散 频率噪声有明显影响。不 同交错角在横流风机基频 及其谐波处的影响不同，对应的离散频率噪声总声 压级及室内机横流风机总声压级影响不同。 3 基于蜗舌点源噪声预测模 型，建立 了节间 交错角度与离散频率噪声降噪效果的分析模型。可 准确分析交错角度对于横流风机离散频率噪声的影 响，并得到了试验验证 。基于该理论分析表 明，室 内机横流风机存在最优 叶轮交错角度，在该角度下 横流风机在叶片通过频率及其二阶谐波处离散噪声 均可得到较大幅度的降低。 4 受宽频噪声影响，离散频率噪声对横流风 机噪声总声压级影响有其局限性 。当离散频率噪声 降低到一定程度后，其对横流风机总声压级影响可 以忽略，此时室内机横流风机的降噪需进一步考虑 宽频噪声机理。 参考文献 [ 1 】 K OO H y o u n g Mo ．D i s c r e t e f r e q u e n c y n o i s e r e d u c ti o n o f t h e c r o s s - flo w f a n o f the s p l i t t y p e r o o m a i r - c o n d i t i o n e r s u s i n g the s k e w e d s t a b i l i z e r s [ J ] ．J S ME，S e r i e s C ，2 0 0 0 ， 4 3 1 1 0 4 1 0 9 ． 【 2 】 C H O Y，MOO N Y J ．Di s c r e t e n o i s e p r e d i c t i o n o f v a r i a b l e p i t c h c r o s s - fl o w f a n s b y u n s t e a d y n a v i e r - s t o k e s c o mp u t a t i o n s [ J 】． J o u r n a l o f F l u i d s E n g i n e e ri n g， T r a n s a c t i o n s o f the AS ME，2 0 0 3， 1 2 5 5 4 3 ． 5 5 0 ． [ 3 】 T A K UR O Ha y a s h i ，YO UI C H R O Ko b a y a s h i ，AK I R A Na g a mo r i ，e t a 1 ．L o w- n o i s e d e s i g n o f c r o s s - fl o w f a n s b a s e d o n f r e q u e n c y mo d u l a ti o n [ J ] ．J S ME，S e ri e s C， 1 9 9 6 ，6 2 6 0 l 1 3 4 4 6 ． 3 4 5 1 ． [ 4 】伍先俊，朱石坚，李志明．低 A声级贯流风机叶片周 向角不等距优化设计[ J ] ．应用声学， 2 0 0 4 ， 2 3 6 4 0 - 4 4 ． wu Xi a n j u n ， Z H U S h ij i a n ， L I Z h i ming ． An o p t i mi z a t i o n mo d e l b y u s i n g un e q u a l s p a c i n g b l a d e s f o r t u r b ine n o i s e r e d u c t i o n [ J ] ．A p p l i e d A c o u s t i c s ，2 0 0 4 ，2 3 6 4 0 4 4 ． [ 5 】徐庶民，徐立功，杨基明，等．不等距叶轮贯流风机 的噪声分析[ J ] ．暖通空调， 2 0 0 2 ，3 2 3 4 7 ． 4 9 ． XU S h u mi n ， XU L i g o n g， Y ANG J i ming，e t a 1 ． No i s e an a l y s e s o f c r o s s f l o w f a n s a d o p t i n g n o n - i s o me t r i c i mp e l l e r s [ J ] ．He a t i n g V e n t i l a ti n g a n d Ai r C o n d i ti o n i n g ， 2 0 0 2 ，3 2 3 4 7 4 9 ． 【 6 ] T S AI Go L o n g ，T U T s u n g Hs i e n ，L I T ung C h e n ，e t a 1 ． Fl o w s t y l e i n v e s t i g a t i o n an d n o i s e r e d u c tio n o f a C R O S S - fl o w f a n wi t h v a r i e d r o t o r - s k e w - ang l e r o t o r [ J ] ． J S ME I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l S e r i e s B，2 0 0 6 ，4 9 3 6 9 5 7 0 4 ． [ 7 ] H A Y AS H I T a k u r o ， KO B A Y AS H I Y o u i c h r o ， N AG AMO R I A k i r a ，e t a 1 ．L o w- n o i s e d e s i gn for c r o s s - flo w f ans R e d u c t i o n o f b l a d e p a s s i n g t o n e s b y n o i s e s o u r c e i n t e r f e r e n c e [ J 】 ． J S ME， S e ri e s C， 1 9 9 8 ， 6 4 6 1 7 2 1 8 2 2 3 ． [ 8 ] J E O N Wa n H o ，B A E K S e u n g J o ，l I M C h ang J o o n ． An a l y s i s o f u n s t e a d y fl o w fi e l d and a e r o a c o u s t i c n o i s e o f a ll a i r - c o n d i t i o n e r i n c l u d ing c r o s s fl o w f a n [ C ] ／ ／F a n No i s e 2 0 0 3 I n t e rna t i o n a l S y mp o s i u m，S e p t e mb e r 2 3 - 2 5 ， S e n l i s F r an c e ． 2 0 0 3 1 - 8 ． [ 9 】胡俊伟，丁国良，张春路．空调室内机气动噪声模拟 [ J ] ．机械工程学报，2 0 0 4 ，4 0 1 1 1 8 8 ． 1 9 2 ． HU J u n we i ， DI NG Gu o l i a n g ，ZHANG C h u n l u．S i mu l a t - i o n o f a e r o a c o u s i t c o n a i r - c o n d i t i o n e r [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ，2 0 0 4 ，4 0 1 n1 8 8 1 9 2 ． [ 1 O 】 陈安邦 ，李 嵩，黄东涛 ．贯流风机气动 噪声数值 预估 [ J ] 。清华大学学报，2 0 0 7 ，4 7 2 2 3 6 ． 2 3 9 ． CHEN An b an g ，L I S o n g，HUANG Do n g t a o ．Nu me r i c a l an a l y s i s o f a e r o d y n a mi c n o i s e i n a c r o s s flo w f a n [ J ] ．J o u r n a l o f T s i n g h u a U n i v e r s i ty，2 0 0 7 ，4 7 2 2 3 6 ． 2 3 9 ． 作者简介田杰，男，1 9 7 9 年出生，博士后。主要研究方向为叶轮机械 气动热力学和气动声学。 E - ma i l m j _ _fi a n j y a h o o ． t o m．c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m