Опыт разработки радиальных вентиляторов с уменьшенным шумом входа

В. Г. Караджи, Ю. Г. Московко, ООО «ИННОВЕНТ», info@innovent.ru

Радиальный вентилятор представляет собой лопаточную машину, предназначенную для перемещения заданного секундного расхода воздуха через заданную вентиляционную сеть с соответствующим аэродинамическим сопротивлением. Для решения этой задачи вентилятор обеспечивает требуемую производительность при необходимом полном давлении. Побочным техническим результатом является излучение вентилятором шума. Этот шум «засоряет» окружающую среду. Шум радиального вентилятора имеет в основном аэродинамическое происхождение. С точки зрения теории размерности, уровни шума определяются объемной производительностью и полным давлением вентилятора. Это является принципиальным положением, определяющим возможности снижения аэродинамического шума вентилятора за счет правильного, аэродинамически и энергетически эффективного проектирования вентиляционной сети с учетом особенностей применения вентиляционной системы [1].

Учитывая аэродинамическую природу шума вентилятора можно отметить следующее. Основным источником шума является рабочее колесо. Генерируемый им шум распространяется из входного отверстия вперед по каналу системы (или в свободное пространство), из выходного отверстия вниз по потоку по системе, через корпус вентилятора в окружающее пространство.

Радиальный вентилятор с загнутыми назад лопатками рабочего колеса

Рассмотрим более подробно радиальный вентилятор, имеющий рабочее колесо с загнутыми назад лопатками. Такие рабочие колеса широко используются в вентиляторах, поскольку обеспечивают преобладание статического давления в полном давлении вентилятора. Вентиляторы с такими рабочими колесами (со спиральным корпусом, канальные, крышные) имеют высокие значения КПД по статическим параметрам. Это позволяет использовать рабочие колеса с сильно загнутыми назад лопатками вообще без спирального корпуса (например, крышные или канальные вентиляторы).

В случае вентиляторов с загнутыми назад лопатками рабочего колеса шум на входе (рис. 1) и выходе вентилятора, как правило, имеет хорошо выраженные дискретные составляющие на частоте следования лопаток рабочего колеса f_л = nz/60 и нескольких первых ее гармониках f_лк = кnz/60, к = 2, 3… (n – частота вращения рабочего колеса, об/мин; z – количество лопаток рабочего колеса).

Рисунок 1. Типичный узкополосный спектр уровней звукового давления на входе радиального вентилятора с загнутыми назад лопатками рабочего колеса

Снижение шума на входе радиального вентилятора, имеющего рабочее колесо с загнутыми назад лопатками, представляет значительный интерес в связи с широким применением таких вентиляторов и в связи с наличием выраженных тональных (дискретных) составляющих в шуме вентилятора, которые неприятны для восприятия. Поскольку дискретные составляющие, связанные с частотой следования лопаток рабочего колеса, как правило, играют определяющую роль в шуме на входе таких вентиляторов, представляет интерес именно их снижение. Такие работы проводятся многими авторами и фирмами. В простейшем случае перед входом вентилятора устанавливают глушитель шума того или иного типа.

Однако наибольший интерес представляет воздействие непосредственно на аэродинамический источник шума. Информация в печати о таких работах очень ограничена. Но отдельные результаты этих работ можно заметить в конкретных конструкциях рабочих колес с загнутыми назад лопатками, выпускаемых некоторыми ведущими производителями радиальных вентиляторов [2, 3, 4]. Так, например, на рис. 2а показано рабочее колесо [2], обеспечивающее пониженные уровни аэродинамического шума. Снижение шума на входе предположительно связано с формой входной части лопаток рабочего колеса. Кроме того, лопатка является сильно загнутой назад, пространственно изогнутой.

Рисунок 2. Малошумные колеса: а) R4D [2]; б) RH…G [3]

На этом же рисунке показан еще пример – рабочее колесо RH…G [3].

Будем исходить из предположения, что тональный шум на входе вентилятора связан с аэродинамическим взаимодействием потока с лопатками рабочего колеса, в существенной мере с передней кромкой лопатки [5]. В таком случае можно разработать оптимальную форму передней кромки лопатки, которая должна способствовать снижению тонального шума на частоте следования лопаток на входе вентилятора. Такие поисковые исследовательские работы были нами выполнены. В результате были изготовлены опытные образцы рабочего колеса с загнутыми назад лопатками (рис. 3). Для исследований было взято выпускаемое нами серийное рабочее колесо с загнутыми назад лопатками, типичное для отечественного рынка таких рабочих колес. У лопатки была изменена форма входной части таким образом, чтобы минимально повлиять на аэродинамические характеристики рабочего колеса и максимально повлиять на его тональный шум.

Рисунок 3. Фото входа в рабочее колесо со специальной формой входной части лопаток для снижения тонального шума на входе вентилятора

Результаты испытаний

Рабочее колесо с усовершенствованной формой лопатки и такое же серийное колесо были испытаны в составе канального вентилятора и вентилятора со спиральным корпусом с целью выявления влияния формы передней кромки лопаток на аэродинамические и акустические характеристики вентиляторов.

Эти работы позволили разобраться с физикой влияния входной части лопатки на тональную составляющую шума на входе и отработать такую форму передней кромки, при которой без существенных изменений аэродинамической характеристики вентилятора удалось снизить шум на входе вентилятора на лопаточной частоте и ее гармониках и, соответственно, снизить общий шум на входе вентилятора [6] (рис. 4, 5). На рис. 5 представлены узкополосные спектры уровней звукового давления на входе образцов вентиляторов. Шум измерялся в контрольной точке на оси входного отверстия на расстоянии 1 м от него. На выходе вентилятора был установлен глушитель шума. Вентиляторы работали вблизи максимальных значений КПД (коэффициент производительности примерно φ ~ 0,30–0,33). Сеть при этом для каждого вентилятора при акустических измерениях была одна и та же. Единственное отличие состояло в количестве лопаток рабочего колеса: у серийного колеса было 13 лопаток, у модифицированного колеса – 11 лопаток. Из рис. 5 видно, насколько удалось снизить шум на лопаточной частоте и ее первой гармонике за счет профилирования входной части лопаток рабочего колеса. Кроме того, поскольку изменение входной части лопатки привело к некоторому улучшению аэродинамики межлопаточных каналов, было получено некоторое снижение уровней шума и на выходе канального вентилятора.

Рисунок 4. Безразмерные аэродинамические характеристики канального вентилятора с серийным рабочим колесом и малошумным рабочим колесом

Рисунок 5. Сравнение узкополосных спектров уровней звукового давления на входе канального вентилятора с серийным рабочим колесом и с малошумным рабочим колесом на режиме, близком к номинальному; сеть одна и та же

На рис. 6 приведены результаты измерения уровней звукового давления в октавных полосах частот на входе типичного вентилятора низкого давления со спиральным корпусом. Вентилятор испытывался с серийным колесом и с малошумным колесом, отличающимся наличием предкрылков, показанных на рис. 3. Из этого рисунка также видно, что малошумное рабочее колесо работает и в спиральном корпусе.

Рисунок 6. Октавные спектры уровней звукового давления на входе радиального вентилятора низкого давления со спиральным корпусом на режиме, близком к номинальному, с серийным рабочим колесом и с малошумным колесом. Сеть одна и та же; производительность примерно одна и та же

Для подтверждения справедливости технического решения такие же испытания проводились и с другими вентиляторами, с канальными и со спиральными корпусами. Испытывались как отечественные рабочие колеса, так и импортные малошумные европейского производства. Разработанный нами подход к профилированию передней кромки лопаток рабочего колеса во всех случаях приводил к снижению уровней дискретных составляющих и общего шума на входе вентиляторов. Например, на рис. 7 приведены узкополосные спектры уровней звукового давления на входе одного из типичных представителей импортных канальных вентиляторов (схема со свободным колесом), для которого также получено снижение уровней шума на лопаточной частоте и ее гармониках.

Рисунок 7. Узкополосные спектры уровней звукового давления на входе импортного канального вентилятора (схема со свободным колесом)

Таким образом, правильное формирование входной части загнутых назад лопаток радиального рабочего колеса, как правило, позволяет существенно снизить шум на входе радиального вентилятора.

Литература

1. Караджи В. Г., Московко Ю. Г. Способы увеличения аэродинамической эффективности вентиляционных систем // АВОК. – 2009. – № 5.
2. Каталог EBM Papst, 2010.
3. Каталог Ziehl-Abegg, 2010.
4. Каталог Novenco (c сайта фирмы).
5. Борьба с шумом на производстве: Справочник / Е. Я. Юдин, Л. А. Борисов, И. В. Горенштейн и др.; Под общ. ред. Е. Я. Юдина. – М. : Машиностроение, 1985.
6. Караджи В. Г., Московко Ю. Г. Радиальное рабочее колесо (варианты), лопатка для него и канальный вентилятор с этим рабочим колесом. Международная заявка OW 2007 / 091923 А1, 2007.