梁世概，蘇中地,3，李開慧，董家寧，徐文祥，楊海波

(1.中國計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018； 2.上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院，上海 201620； 3．香港大學(xué)浙江科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 杭州 311300)

軸流通風(fēng)冷卻塔氣動(dòng)噪聲研究

梁世概1，蘇中地1,3，李開慧1，董家寧1，徐文祥2，楊海波2

(1.中國計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018； 2.上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院，上海 201620； 3．香港大學(xué)浙江科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 杭州 311300)

電廠制冷系統(tǒng)中的冷卻塔主要選擇機(jī)力通風(fēng)濕式逆流冷卻塔.現(xiàn)場情況是冷卻塔軸流風(fēng)扇下方有一條用于檢修的混凝土十字結(jié)構(gòu)橫梁，流體繞經(jīng)這類鈍體后在其后方會形成一系列周期性的尾渦，增加風(fēng)扇入流的不均勻度以及湍流度，加大風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲影響.為此，研究工作首先通過改造、設(shè)計(jì)出與現(xiàn)實(shí)電廠冷卻塔工作方式相同的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；然后通過對十字梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，研究不同十字梁結(jié)構(gòu)對風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲的影響，證明導(dǎo)流十字梁結(jié)構(gòu)有助于降低風(fēng)扇來流湍流度，使其氣流更加均勻；最后通過對阻尼網(wǎng)的選擇安裝，利用其整流作用以有效降低冷卻塔氣動(dòng)噪聲.此項(xiàng)研究工作為電廠冷卻塔降低氣動(dòng)噪聲影響提供理論與實(shí)驗(yàn)支持.

冷卻塔；橫梁；阻尼網(wǎng)

Abstract: The large mechanical draft counter flow wet cooling tower has been generally chosen for the refrigeration system of power plants. According to field situation, there is a concrete cross beam under the axial flow fan of a cooling tower. This bluff body will produce a series of periodic wakes after the passage of the fluid, which will increase inflow nonuniformity and turbulence of the fan and increase the aerodynamic noise of the fan. For the research work, firstly, the same experimental model with the actual power plant cooling tower was designed. Secondly, different kinds of cross beam were selected to study the influence of the aerodynamic noise of the fan. It was verified that the leading cross beam structure could reduce the turbulence intensity and made airflow more uniform. Finally, the damping nets were selected and installed. The aerodynamic noise of the cooling tower was effectively reduced by the rectifying action of the damping nets. The results provide theoretical and experimental support to reduce the influence of the aerodynamic noise.

Keywords: cooling tower; cross beam; damping net

大型機(jī)力通風(fēng)逆流濕式冷卻塔的噪聲源主要由大型機(jī)力風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力性噪聲和淋水噪聲組成，另一部分是由于電機(jī)傳動(dòng)部件的疲態(tài)運(yùn)行產(chǎn)生的機(jī)械噪聲.風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲基于頻譜特性可以分為離散噪聲和寬頻噪聲兩種，離散噪聲在頻譜上主要表現(xiàn)在風(fēng)扇通過頻率點(diǎn)處的聲壓值大小，與轉(zhuǎn)子葉片和變化的擾動(dòng)流之間的相互干涉引起的噪聲，以及風(fēng)扇自身尾跡和尾渦脫落干涉噪聲有關(guān).而風(fēng)扇的湍流噪聲主要來源于來流湍流及不均勻流與葉片的作用、翼型尾渦脫落干涉、葉片表面邊界層壓力脈動(dòng)及葉尖流動(dòng)分離，在頻譜上主要表現(xiàn)寬頻帶的特點(diǎn)[1].

多年來，國內(nèi)外對冷卻塔的噪聲控制的研究從未間斷.趙振國[2]比較系統(tǒng)和全面分析了冷卻塔的結(jié)構(gòu)組成，工作方式及一些熱力計(jì)算的求解方式.Ellis R M[3]基于四大發(fā)電站的大型自然通風(fēng)冷卻塔，研究了其噪聲輻射的機(jī)理，并根據(jù)其物理特性提出一個(gè)完整的預(yù)測方法.針對冷卻塔工作產(chǎn)生的噪聲特點(diǎn)，許多研究人員分別從主動(dòng)控制，被動(dòng)控制和主動(dòng)被動(dòng)控制相結(jié)合的方法來降低冷卻塔噪聲.周勃等[4]和費(fèi)朝陽等[5]運(yùn)用有限元的方法分析探討冷卻塔塔體外的聲壓分布情況以及噪聲來源和頻譜特性，提出在風(fēng)機(jī)出口和冷卻塔下部分別用阻性消聲器和組合式聲屏障來阻止噪聲能量的傳播，同時(shí)在冷卻塔進(jìn)風(fēng)口設(shè)置具有吸聲和隔聲效果的隔聲裙，降噪效果顯著.康立剛[6]按照《工業(yè)企業(yè)廠界噪聲標(biāo)準(zhǔn)》的I類標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)口采用阻性消聲裝置，排風(fēng)口采用阻性和坑性復(fù)合式消聲裝置，通過消聲裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計(jì)減少氣體流動(dòng)阻力損失，提升空氣動(dòng)力性能，降噪量在進(jìn)風(fēng)口處有31.2 dB，出風(fēng)口處有28.8 dB.Yazici M和Han M H[7]設(shè)計(jì)出一種用于安裝在冷卻塔上的聲音衰減裝置，將穿孔內(nèi)墻安裝在外殼中，穿孔壁后面附有吸聲材料.張懷軍[8]通過對塔中緩沖填料的設(shè)計(jì)，提出降噪量在15 dB以上的前提是最小布置填料的密度為1.6 kg/m2.李澤峰[9]通過對大型折板消聲器，寬頻帶阻抗復(fù)合吸聲板的設(shè)計(jì)，針對噪聲源頻譜特性有效降低噪聲，并用流場分析軟件和聲場分析軟件證明了方案的合理性.

而針對風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲上的降噪處理，張勝利和席德科[10]通過比較風(fēng)機(jī)噪聲與葉片數(shù)、徑向間隙、整流罩和集流器之間的關(guān)系得出，葉片數(shù)少的葉輪可提高風(fēng)機(jī)工作效率，合理的風(fēng)機(jī)通風(fēng)管的設(shè)計(jì)有助于減少阻尼和提高進(jìn)口氣流均勻度，以此達(dá)到降低風(fēng)機(jī)噪聲效果.孫少明等[11]通過仿生非光滑葉片的設(shè)計(jì)，很好地起到導(dǎo)流作用以減少翼型表面的壓力脈動(dòng)，從而減少前后翼型間的氣流干擾作用.歐陽華等[12]采用PIV技術(shù)測試低速的軸流風(fēng)機(jī)流場，并采用CFD方法對流場進(jìn)行數(shù)值模擬，對比計(jì)算與測試結(jié)果表明均勻進(jìn)氣下氣動(dòng)噪聲聲源主要是葉片尾緣渦脫落噪聲和葉尖渦噪聲，同時(shí)來流湍流及不均勻度對風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲的影響不可忽略.

冷卻塔風(fēng)扇的常年運(yùn)轉(zhuǎn)需要人力檢修維護(hù)，為了防止風(fēng)扇疲態(tài)作業(yè)帶來不必要的安全隱患，通常會在冷卻塔風(fēng)扇入口下方設(shè)計(jì)一條用于檢修的混凝土十字結(jié)構(gòu)梁.而十字梁這類鈍體在流體繞經(jīng)后尾跡會有一系列周期性尾渦的形成，增加風(fēng)扇來流的不均勻度，并且一系列漩渦的脫落撞擊到葉片前緣與葉片尾緣渦脫落作用增大風(fēng)扇湍流噪聲與離散噪聲.所以，如何通過對十字梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)來控制這類鈍體產(chǎn)生的渦抑或是減少風(fēng)扇來流的不均勻度，降低風(fēng)扇的氣動(dòng)噪聲是本次實(shí)驗(yàn)研究的目的所在.

1 研究對象

由于電廠冷卻塔實(shí)驗(yàn)條件限制，我們選用了一個(gè)工作方式，噪聲產(chǎn)生機(jī)理一致的冷卻水塔模型作為本次實(shí)驗(yàn)研究對象.實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1.

圖1 冷卻塔實(shí)驗(yàn)裝置圖Figure 1 Cooling tower test device

選取的冷卻塔模型是一種每小時(shí)的水流量在50 t左右的機(jī)力通風(fēng)逆流式冷卻塔，外形尺寸在入口擴(kuò)張段的直徑有1 830 mm，出口收縮段的內(nèi)徑有965 mm.并配有一個(gè)運(yùn)行電壓380 V，功率1.5 kW/h的三相驅(qū)動(dòng)電機(jī).實(shí)驗(yàn)的風(fēng)扇模型是一個(gè)直徑930 mm的四葉型風(fēng)扇.在實(shí)驗(yàn)原始模型情況下，風(fēng)機(jī)與塔體直接接觸，風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)會帶動(dòng)塔體震動(dòng)對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生二次干擾.為了消除塔體震動(dòng)的影響，設(shè)計(jì)了一個(gè)高2.5 m的鋼支架結(jié)構(gòu)用于固定風(fēng)機(jī).

2 十字梁結(jié)構(gòu)對氣動(dòng)噪聲的影響

2.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)改變量主要是針對在未添加十字梁，添加方形十字梁，添加圓形十字梁和添加翼形十字梁(NACA0024)四種工況下冷卻塔出口處噪聲情況進(jìn)行噪聲測量.三種梁結(jié)構(gòu)相對來流的最大尺寸都是50 mm，十字梁結(jié)構(gòu)的位置距離風(fēng)扇0.45 m.通過分析比對四種不同工況下模型冷卻塔出口噪聲頻譜圖以及能量圖，研究來流湍流度以及來流不均勻?qū)︼L(fēng)扇葉片作用引起氣動(dòng)噪聲的影響.實(shí)驗(yàn)采集系統(tǒng)包含麥克風(fēng)、前置放大器、電信號調(diào)理器、A/D采集卡，通過編寫MATLAB采集程序讀取測量點(diǎn)的頻譜特性曲線.麥克風(fēng)的測量位置距離冷卻塔出口邊緣1 m，高0.5 m處.采樣時(shí)間為20 s，采樣頻率為每秒51 200次，靈敏度為0.054 76 mV/Pa.在實(shí)驗(yàn)背景噪聲不影響情況下同一種工況重復(fù)測量五組.具體噪聲測量簡圖如圖2.

圖2 冷卻塔出口噪聲測試裝置簡圖Figure 2 Schematic diagram of cooling tower noise test device

2.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在未添加十字梁，添加截面為翼形十字梁(NACA0024)、圓形十字梁、方形十字梁，四種工況條件下冷卻塔出口噪聲頻譜圖如圖3.頻譜圖主要以寬頻帶噪聲為主，在個(gè)別離散頻率點(diǎn)處出現(xiàn)明顯的波峰，而這個(gè)頻率點(diǎn)也是風(fēng)扇葉片通過頻率(Blade Passing Frequency，BPF)，與風(fēng)扇自身的葉片數(shù)和風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)速度有關(guān).具體計(jì)算公式如下[10]：

(1)

式中n為風(fēng)扇的葉片數(shù)，z為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速單位是轉(zhuǎn)/分(r/min)，i為諧波數(shù).

圖3 四種工況下出口噪聲頻譜圖Figure 3 Spectrum of outlet noise

模型冷卻塔中風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為945 r/min，葉片數(shù)為4，由式(1)計(jì)算得葉片通過頻率的基頻為63Hz。該頻率點(diǎn)恰好對應(yīng)圖3中的離散峰值點(diǎn).符合風(fēng)扇噪聲由寬頻和離散兩部分組成的噪聲特性.

鈍體在流體繞經(jīng)后尾跡會有一系列尾渦的形成，例如流體力學(xué)中經(jīng)典的卡門渦街現(xiàn)象.在一定的Re范圍內(nèi)尾渦振蕩脫落后作用于風(fēng)扇葉片，加大了部分由來流湍流度變大，來流更不均勻引起的風(fēng)扇噪聲.如圖4所示，通過截取風(fēng)扇通過頻率(BPF)處冷卻塔出口噪聲的總聲壓值，相比于未加十字梁和加了翼形十字梁這兩種情況，添加了圓柱十字梁和方柱十字梁結(jié)構(gòu)的冷卻塔出口噪聲有3到4個(gè)dB的增大，也正是由于來流湍流的干涉作用加劇風(fēng)扇吸力面渦流作用及風(fēng)扇尾渦脫落之間的干涉噪聲影響.圖5是四種工況下出口噪聲能量比較圖，相比于沒有十字梁和翼型十字梁，添加了方形、圓形十字梁結(jié)構(gòu)的能量圖在風(fēng)扇噪聲BPF處有一個(gè)明顯的突增.產(chǎn)生能量突增的主要原因是流體流經(jīng)方柱和圓柱這類頓體的時(shí)候，柱體后緣上下兩側(cè)會有渦周期性地輪流脫落，使得柱體后面的流場相較于未添加十字梁更加紊亂，從而加劇了風(fēng)扇來流的湍流度及不穩(wěn)定度干擾，增大風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲.而翼型十字梁結(jié)構(gòu)由于自身具有很好的導(dǎo)流作用，風(fēng)扇來流相較于圓柱和方柱體更加平穩(wěn).根據(jù)聲學(xué)總聲壓級計(jì)算公式[9]:

式中Lp為麥克風(fēng)測量點(diǎn)的聲壓值，E表示聲能量值，Pref為參考聲壓.相比較方形十字梁和沒有十字梁兩種工況在能量圖穩(wěn)定段處的能量差為0.1，代入公式得到兩則聲壓差值為1 dB.

圖4 四種不同工況下BPF處噪聲頻譜圖Figure 4 Noise spectrum at BPF

圖5 四種不同工況下出口噪聲能量圖Figure 5 Energy diagram of outlet noise

3 阻尼網(wǎng)對氣動(dòng)噪聲的影響

3.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為減少來流湍流度以及不均勻流作用于葉片表面產(chǎn)生脈動(dòng)壓力的氣動(dòng)噪聲影響，通過阻尼網(wǎng)的設(shè)計(jì)安裝控制來流湍流及不均勻度，其作用原理主要是通過壓降的作用整流氣流的軸向速度分布，降低其縱向湍流度.阻尼網(wǎng)的組成通常是由細(xì)長的鋼絲或則銅絲網(wǎng)編織而成.阻尼網(wǎng)的一個(gè)重要參數(shù)是開孔率，開孔率定義為阻尼網(wǎng)開孔面積大小與阻尼網(wǎng)總面積大小之比，然而開孔率的大小也影響著氣流的穩(wěn)定程度，過小的開孔率會因?yàn)榫W(wǎng)孔射流的隨機(jī)性紊亂流場的均勻性，增大氣流的軸向湍流度.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)結(jié)論，阻尼網(wǎng)的開孔率應(yīng)至少大于0.57[13].實(shí)驗(yàn)選擇的阻尼網(wǎng)的絲徑為0.5 mm，孔徑為2.2 mm，計(jì)算得到孔系率為0.6.

實(shí)驗(yàn)具體方法是在風(fēng)扇軸向下15 cm處開始安裝第一層網(wǎng)，第二、三層網(wǎng)安裝位置與第一層網(wǎng)的間距分別為10 cm和20 cm.通過分別分析比較加了第一層網(wǎng)、第二層網(wǎng)、第三層網(wǎng)，第一、二層網(wǎng)，第一、三層網(wǎng)，第二、三層網(wǎng)和不加網(wǎng)這七種情況下模型冷卻塔出口噪聲的頻譜圖，探究不同網(wǎng)組合對降低來流軸向湍流度，減少不均勻流，提升風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲性能的影響.實(shí)驗(yàn)安裝簡圖如圖6.

圖6 阻尼網(wǎng)安裝位置簡圖Figure 6 Installation diagram with damping nets

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

分析比對在不同網(wǎng)結(jié)構(gòu)組合下的冷卻塔出口固定測量點(diǎn)總聲壓值大小，不同阻尼網(wǎng)組合的整流效果也各有不同.

如圖7是選取了未加網(wǎng)，添加第二層網(wǎng)、第二第三兩層網(wǎng)、三層網(wǎng)下測得冷卻塔出口噪聲頻譜進(jìn)行比較.相對于未加阻尼網(wǎng)的情況下，其他三種情況在表征風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)噪聲BPF點(diǎn)(63 Hz)處有明顯的下降，而對于湍流噪聲只有在高頻段整個(gè)寬頻帶略有下移.圖8表示的是加不同阻尼網(wǎng)層數(shù)出口噪聲能量圖，在添加阻尼網(wǎng)情況下能量在BPF處有大幅度衰減，其中在添加三層網(wǎng)的情況下在頻率110 Hz附近處能量突增，這可能與第一層網(wǎng)的位置與風(fēng)扇的距離太近，發(fā)生射流現(xiàn)象擾亂流場的穩(wěn)定性有關(guān).

圖7 加不同阻尼網(wǎng)層數(shù)出口噪聲頻譜圖Figure 7 Ppectrum of output noise with different damping network layers

表1對不同阻尼網(wǎng)組合情況下測得的出口噪聲聲壓值大小情況對比.相比于未安裝篩網(wǎng)的情況下，除了添加下層阻尼網(wǎng)情況下總聲壓值增大了，其它不同阻尼網(wǎng)組合下測得的總聲壓值都有不同大小的減少.其中在添加了方形十字梁的情況下，由于來流的湍流度和不均勻度的增大，阻尼網(wǎng)的整流作用也更加的明顯，對降低風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲效果也更好.

4 結(jié) 論

氣體在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)流過固體桿件這類的鈍體時(shí)，會有一系列尾渦振蕩脫落后作用于風(fēng)扇葉片，一方面加大風(fēng)扇來流湍流度度及不均勻流引起的風(fēng)扇湍流噪聲.另一方面也加劇風(fēng)扇自身尾渦脫落而產(chǎn)生的離散噪聲.實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，相對于未添加十字梁結(jié)構(gòu)的情況下，添加了截面為方形或圓形的十字梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的紊亂干擾加大對風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲的影響，而選擇截面為對稱翼型具有良好導(dǎo)流作用的十字結(jié)構(gòu)能有效降低冷卻塔氣動(dòng)噪聲的影響.

合理的選擇阻尼網(wǎng)安裝位置及層數(shù)能有效降低來流湍流度大小，減少來流不均勻度對風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在安裝了第二、第三層阻尼網(wǎng)情況下測得的噪聲最低，效果更佳.并且阻尼網(wǎng)的安裝位置與風(fēng)扇位置不能靠得太近，在避免發(fā)生射流的情況下適當(dāng)?shù)脑黾雍Y網(wǎng)的層數(shù)對降低冷卻塔風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲效果更加明顯.

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Studyonaerodynamicnoiseofaxialflowcoolingtowers

LIANG Shigai1, SU Zhongdi1,3, LI Kaihui1, DONG Jianing1, XU Wenxiang2, YANG Haibo2

(1.College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China; 2.College of Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 200620, China; 3.The University of Hong Kong Zhejiang Institute of Reasearch and Innovation, Hangzhou 311300, China)

2096-2835(2017)03-0287-06

10.3969/j.issn.2096-2835.2017.03.004

2017-05-06 《中國計(jì)量大學(xué)學(xué)報(bào)》網(wǎng)址zgjl.cbpt.cnki.net

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