阮學云，賈世林，王 相

（安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232001）

礦用FBD 對旋式軸流風機是我國井下使用最為廣泛的局部通風機之一，但運行時產(chǎn)生的噪聲大，且噪聲源頻譜呈現(xiàn)寬頻形式，治理難度大，噪聲問題尚未得到有效解決。該類型風機一般布置在掘進巷道中，噪聲值約在90 ～ 120 dBA，隨著風機使用年限增加，結構疲勞積累或零件的損耗等問題逐漸出現(xiàn)，噪聲值可達到120 dBA 以上［1］，遠超出《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定噪聲限值85 dBA 的要求［2］。

消聲器是一種通過不同結構設計或搭配吸聲材料達到有效消聲的噪聲治理裝置，將消聲器應用在風機噪聲治理，能有效阻止或減弱噪聲的輻射，且對風機效率的影響較小。Stewart［3］將波動方程、傳遞矩陣法和時域等方法引入消聲器的研究，使得消聲器的結構形式不斷改變，消聲效果不斷優(yōu)化。馬大猷［4］院士首創(chuàng)微穿孔板和小孔消聲器消聲理論，使噪聲控制向前邁進了一大步。魏軍等［5］將片式消聲器和陣列消聲器結合，形成一種用于軌道交通的新型消聲器，并通過仿真和實驗的手段驗證消聲效果優(yōu)化了2 ～ 4 dB。李海龍等［6］為探究高階模態(tài)下計算平面波在消聲器中的傳遞損失，采用消聲器進出口管道加隔板的方式計算聲學性能，并與傳統(tǒng)的計算方法進行比較，驗證了該方法的可行性。張岐宇［7］根據(jù)聲模態(tài)設計并改進煤礦風井消聲器，成功將多個并聯(lián)抗性消聲器與多個并聯(lián)蜂窩式消聲器結合，使用仿真和理論計算對消聲器進行了理論驗證。付琪琪［8］對羅茨風機進風口消聲器研究，通過改變消聲器的長度、擴張腔數(shù)量、穿孔管參數(shù)，分析消聲器傳遞損失的變化，并對消聲器的壓力損失做進一步探究。

本文以礦用FBD 軸流風機為研究對象，通過對風機進行聲學測試，基于所得結果設計出兩種消聲器，并通過對比分析，進一步優(yōu)化改進消聲效果優(yōu)良的矩形槽出口消聲器。試驗最后所設計的消聲器滿足設計要求，符合國家標準。

1 風機噪聲的形成機理與測試

1.1 風機噪聲機理

風機運行時，高速旋轉的葉片帶動氣流，撞擊周圍空氣，由此產(chǎn)生的巨大噪聲即氣動噪聲，按產(chǎn)生方式的不同，又可分為旋轉噪聲和渦流噪聲。旋轉噪聲頻率由下式計算：

式中，f為旋轉噪聲頻率，Hz；n為風機轉速，r/min；Z為葉片數(shù)量；i為高次諧頻（i=1，2，3…）。

渦流噪聲的頻率由下式計算：

式中，f為渦流噪聲頻率，Hz；Sr為斯特勞哈爾系數(shù)；V為氣流相對葉片速度，m/s；D為氣流入射方向物體厚度，m；i為序數(shù)（i=1，2，3…）。

機械設備運轉時會產(chǎn)生機械噪聲和電磁噪聲［9］，但此噪聲在整體研究中影響小，所以在噪聲研究中往往將其忽略。

1.2 噪聲測試

測試對象為礦用FBD No.7.0/2×45 kW 對旋式軸流風機，主要參數(shù)如表1 所示。

表1 礦用FBD No.7.0/2×45 kW 對旋式軸流風機參數(shù)Tab.1 Parameters of FBD series No.7.0/2×45 kW axial flow fan

測點位置應選在沒有氣流漩渦處，分別為進風口軸線兩側45°、靠近進風口第一節(jié)法蘭兩側、葉輪兩側和出風口軸線兩側45°，測點距表面1 m，與圓心平齊，并使用激光測距儀進行標定，測點分布如圖1 所示。

圖1 測點分布示意圖Fig.1 Diagram of test point distribution

測試噪聲數(shù)據(jù)時，風機處理風量為700 m3/min，當風機啟動至穩(wěn)定后，采集相關噪聲數(shù)據(jù)，并從測試設備中導出。噪聲治理前，風機各測點處噪聲1/3 倍頻程圖如圖2 所示，表2 為噪聲治理前各測點處聲壓級。

圖2 治理前各測點噪聲1/3 倍頻程圖Fig.2 1/3 octave band noise for each measurement point before noise treatment

表2 噪聲治理前各測點處聲壓級Tab.2 Sound pressure level at each measurement point before noise treatment

由測試數(shù)據(jù)可知，進風口頻率特性呈寬頻狀，中高頻較為突出，其中500 ～ 2 500 Hz 頻率段噪聲值范圍在78.1 ～ 88.5 dBA，出風口頻率特性也呈寬頻狀，其中500 ～ 630 Hz 以及2 000 ～ 4 000 Hz 噪聲值范圍在85.3 ～ 89.8 dBA，且整體噪聲值高于進風口。測試點8 的聲壓級最大，為96.6 dBA，測試點5 處的聲壓級最小，為89.3 dBA，均大于規(guī)定限定值。因此，需要對風機出口噪聲進行消聲器設計。

2 風機消聲器的設計研究

2.1 消聲器選擇

消聲器主要分為抗性消聲器、阻性消聲器以及阻抗復合型消聲器［10］。決定抗性消聲器消聲量的主要參數(shù)是長度和擴張比，擴張比與長度越大，消聲效果越好。但煤礦井下巷道環(huán)境復雜，空間有限，難以使用大尺寸消聲器，因此礦用FBD 軸流風機并不適用抗性消聲器。阻抗復合消聲器對寬頻有著良好的消聲效果，但其結構復雜，對風機產(chǎn)生較大的壓力損失，而礦用FBD 軸流風機一般風量較大，為保證風機有足夠的風量和效率，也不適宜使用該種消聲器。

阻性消聲器對中高頻率噪音有著較好的消聲效果，符合礦用FBD 軸流風機的降噪需求，且型號種類多樣，可根據(jù)實際環(huán)境選擇，大多結構簡單，占用空間相對較小，壓力損失較低，通過控制消聲器的插片結構和吸聲材料參數(shù)，可以有效控制消聲器的消聲效果。

2.2 模型建立

根據(jù)噪聲標準，為滿足使用條件，需要先確定降噪量。由于入射聲波頻率過高，會產(chǎn)生上限失效頻率現(xiàn)象，該現(xiàn)象是由于聲波形成聲束狀傳播，與吸聲材料的接觸減少，引起消聲量的下降，經(jīng)驗公式如下：

式中，fn為上限失效頻率，Hz；c為聲速，m/s；D為氣流通道寬度，m。

確定消聲頻率段后，可由上式確定消聲器氣流通道寬度，一般選取150 ～ 200 mm。阻性消聲器的主要尺寸包括有效長度、橫截面積以及斷面周長，這些尺寸是影響阻性消聲器消聲結構的重要因素。由于井下空間有限，消聲器長度不超過3 m［11］。吸聲材料是決定阻性消聲器消聲性能的重要因素，超細玻璃棉作為綜合性能較好的吸聲材料，在一定范圍內(nèi)，材料厚度越厚，低頻吸聲效果越好。因此，材料厚度可以根據(jù)消聲頻率下限確定，其公式如下：

式中，H為材料厚度，mm；fl為下限頻率，Hz；β為吸聲材料貝塔參數(shù)，可查表獲得。

本文采用Virtual Lab 的有限元法對消聲器進行聲學數(shù)值仿真，主要針對軸流風機出口進行消聲器設計，并給出兩種模型方案進行對比，模型圖見圖3。

圖3 兩種方案的出口消聲器模型Fig.3 Exit muffler model for two schemes

利用Virtual Lab 劃分網(wǎng)格，為保證計算精度，網(wǎng)格最大尺寸設為10 mm，定義網(wǎng)格類型為聲學網(wǎng)格，設置流體材料和屬性，其中空氣聲速設置為340 m/s，密度為1.225 kg/m3。多孔材料模型選擇Delany-Bazley-Miki 模型對應玻璃棉吸聲材料，孔隙率選擇默認值0.97，流阻率設置為11 000 Pas/m3。進口處賦單位質(zhì)點振動速度-1 m/s，出口定義無反射邊界條件。設置計算頻率為100 ～ 2 500 Hz。計算完成后，查看進出口的聲壓響應并進行傳遞損失計算，最后提取兩種方案出口消聲器傳遞損失曲線，如圖4 所示。

圖4 兩種方案出口消聲器聲壓響應傳遞損失曲線圖Fig.4 Pressure sensitivity losses of outlet mufflers for both schemes

根據(jù)數(shù)值模擬結果，分析兩種出口消聲器消聲效果。矩形槽出口消聲器傳遞損失采用實線表示，在中低頻處隨著頻率的增大，其傳遞損失量不斷增加，在1 600 Hz 處達到峰值42 dB，隨后傳遞損失量開始下降，分別在2 000 Hz 到達到29 dB，2 500 Hz達到25 dB，并逐漸保持平穩(wěn)。圓形槽出口消聲器傳遞損失采用點線表示，在中低頻處隨著頻率的增大，其傳遞損失量不斷增加，在1 500 Hz 處達到峰值41 dB，隨后傳遞損失量開始下降，分別在2 000 Hz 到達到29 dB，2 500 Hz 達到25 dB，并逐漸保持平穩(wěn)。

兩種方案的進口消聲器總體趨勢基本一致，低頻消聲效果較差，中高頻消聲效果較好，符合阻性消聲器的聲學特性。圓形槽傳遞損失峰值較矩形槽向低頻移動，可以根據(jù)具體消聲頻率段選擇消聲器。對比之前所測得噪聲數(shù)據(jù)，方案1 相比于方案2 更加滿足設計要求，并且方案1 整體結構較為簡單，在探究消聲器傳遞損失的影響因素時，能夠更準確地分析結果，因此選用方案1 作為研究對象。

3 消聲器內(nèi)部流場優(yōu)化

消聲器的結構在一定程度上會造成軸流風機風量損失，增加風機額外功率，因此在考慮消聲效果的同時，還應該保證消聲器內(nèi)部氣流穩(wěn)定，減小壓力損失［12］。

通過Fluent 模擬仿真，將矩形槽出口消聲器模型導入ICEM模塊中進行網(wǎng)格劃分，設置邊界條件。入口端選擇質(zhì)量流入口mass-flow-inlet，方向垂直于進口面，可根據(jù)軸流風機風量算出質(zhì)量，對軸流風機分別設置400 m3/min、500 m3/min、600 m3/min、700 m3/min 四種工況，流體為不可壓縮，采用壓力基求解器進行求解，湍流模型方程使用Realizable k-ε 模型，該模型能夠較好地處理彎曲流線及瞬變流動，消聲器出口端選擇壓力pressure-outlet 取值相對大氣壓0 Pa，消聲器的插片與壁面設置為wall，無滑移。

插片結構是影響消聲器內(nèi)部流場并造成壓力損失的主要因素［13］，為使消聲器內(nèi)流場穩(wěn)定，減小壓力損失，在不影響消聲器聲學效果的前提下對插片結構進行優(yōu)化，將插片前后端改成頂角為30 °的三角狀。通過對比優(yōu)化前后的內(nèi)部流場分析圖可以看出，優(yōu)化后的插片結構使消聲器內(nèi)部流場整體得到了較大的改善，消聲器進氣口處插片對氣流的阻擋作用得到明顯減小，最大壓力從原來的1 067.84 Pa 降低到300.00 Pa，幾乎沒有產(chǎn)生回流現(xiàn)象。在插片尾部漩渦脫落現(xiàn)象減少，湍動能從原來最大100.00 m2s2降低到50.00 m2s2，能量損失減少［14］。同時由于阻力的減小，消音器進出口處的壓力梯度變化降低，見圖5、圖6。

圖5 優(yōu)化前消聲器內(nèi)部流場分析Fig.5 Internal flow field of muffler before optimisation

圖6 優(yōu)化后消聲器內(nèi)部流場分析Fig.6 Internal flow field of mufflers after optimisation

比較優(yōu)化前后出口消聲器的壓力損失發(fā)現(xiàn)，插片的結構優(yōu)化使消聲器壓力損失得到極大的改善，如表3 所示。

表3 不同工況下優(yōu)化后矩形槽出口消聲器的全壓損失Tab.3 Full pressure losses of optimized rectangular slot outlet muffler under different working conditions

4 試驗驗證

圖7 為上述設計優(yōu)化后的矩形槽出口消聲器實物圖，安裝在礦用FBD No.7.0/2×45 kW 對旋式軸流風機的出口處。

圖7 出口消聲器實物圖Fig.7 Physical view of outlet muffler

測試時風機處理風量同樣為700 m3/min，啟動風機至穩(wěn)定運行后，采集相關噪聲數(shù)據(jù)的并導出測試結果，圖8 為風機各測點1/3 倍頻程圖。

圖8 安裝風機進出口消聲器各測點噪聲1/3 倍頻程圖Fig.8 1/3 octave noise map at each measurement point with inlet and outlet mufflers

分析數(shù)據(jù)可知，安裝出口消聲器后，各測點低頻段聲壓級出現(xiàn)一定程度下降，中高頻段聲壓級出現(xiàn)較大程度下降，風機進風口測點800 Hz 及1 000 Hz處聲壓級下降平均值較大，分別達到21 dB 及22.1 dB，風機出風口測點1 250 Hz 及1 600 Hz 聲壓級下降平均值較大，分別達到24.4 dB 及31.5 dB，整體噪聲值趨勢基本與數(shù)值模擬趨勢相吻合。由于在實際測中，各位置聲波相互干擾，因此實際測試中整體聲壓級下降值比數(shù)值模擬值略小。由表4可知，安裝消聲器后，風機測點7 處的聲壓級最大，為81.1 dBA，低于規(guī)定噪聲限定值85 dBA。因此，風機進出口安裝上述消聲器能夠達到國家標準。

表4 安裝出口消聲器后各測點處聲壓級Tab.4 Sound pressure level at each measurement point with outlet muffler

5 總結

針對礦用FBD No.7.0/2×45 kW 對旋式軸流風機在使用過程中噪聲值不符合國家標準要求的問題，通過現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，治理前風機噪聲呈寬頻狀，中高頻較突出，最大噪聲值達到96.6 dBA，基于此，設計出矩形槽和圓形槽出口消聲器。利用LMS Virtual Lab 中的有限元法對消聲器進行聲學數(shù)值仿真，通過分析兩者的傳遞損失，確定采用矩形槽消聲器。對矩形槽消聲器進行Fluent 內(nèi)部流場分析，得出壓力損失，并進行結構優(yōu)化。在試驗驗證中，安裝優(yōu)化后消聲器的風機最大降噪量為16.0 dB，最大噪聲值為81.1 dBA，整機滿足國家標準要求。