馬 越，薛 超

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

噪聲對(duì)人的身心健康有著嚴(yán)重的影響，隨著生活水平的提高，人們?cè)絹碓街匾暀C(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的噪聲問題。國(guó)家、地區(qū)和行業(yè)因此制定并實(shí)行了嚴(yán)格的噪聲限值標(biāo)準(zhǔn)來限制噪聲污染[1]。

電機(jī)是產(chǎn)生噪聲的聲源之一。根據(jù)電機(jī)噪聲產(chǎn)生的不同方式，大致可把噪聲分為三大類：電磁噪聲、機(jī)械噪聲和氣動(dòng)噪聲。其中電機(jī)的氣動(dòng)噪聲是由轉(zhuǎn)子及冷卻風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)造成空氣流動(dòng)所產(chǎn)生的，氣動(dòng)噪聲與轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇與轉(zhuǎn)子的形狀、粗糙度、不平衡量及氣流的風(fēng)道截面變化和風(fēng)道形狀有關(guān)。風(fēng)扇噪聲在電機(jī)的噪聲中往往占主要地位。

離心風(fēng)扇內(nèi)部流動(dòng)情況復(fù)雜，其氣動(dòng)噪聲問題有一定的特殊性。葉片相對(duì)于聲學(xué)介質(zhì)具有轉(zhuǎn)動(dòng)特性，這將引起多種流動(dòng)狀態(tài)的存在，而旋轉(zhuǎn)葉片一般是風(fēng)機(jī)主要的噪聲源。離心風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲就其頻率特性而言，可分為寬頻噪聲和離散噪聲[2]。

寬頻噪聲模型是通過雷諾平均N-S方程獲得湍流量，結(jié)合半經(jīng)驗(yàn)公式和萊特希爾基本理論，對(duì)噪聲進(jìn)行模擬的計(jì)算方法。計(jì)算成本較低，適用于工程計(jì)算電機(jī)風(fēng)扇噪聲。

本文以公司迪拜項(xiàng)目電機(jī)用風(fēng)扇為研究對(duì)象，運(yùn)用CFD方法對(duì)電機(jī)內(nèi)風(fēng)路和風(fēng)扇進(jìn)行研究，確定風(fēng)扇外徑尺寸，對(duì)氣動(dòng)噪聲進(jìn)行分析，為電機(jī)降噪和冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考和理論依據(jù)。

1 電機(jī)及風(fēng)扇結(jié)構(gòu)

1.1 電機(jī)內(nèi)風(fēng)路

迪拜項(xiàng)目電機(jī)型號(hào)YWKS500-4P，功率2 950 kW，轉(zhuǎn)速2 016 r/min，效率96.54%。電機(jī)具體風(fēng)路如圖1所示。

圖1 電機(jī)流路示意圖

該電機(jī)風(fēng)路為單風(fēng)路，左端放置離心式風(fēng)扇，利用該風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力，驅(qū)動(dòng)內(nèi)部風(fēng)路流體循環(huán)運(yùn)動(dòng)，通過冷卻器進(jìn)行降溫處理。內(nèi)部流體先后通過定子一側(cè)的繞組端部、轉(zhuǎn)子支架處的軸向通風(fēng)溝、轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)路、定轉(zhuǎn)子空隙、定子徑向風(fēng)路、離心風(fēng)扇、冷卻器，最終進(jìn)入定子繞組端部，組成循環(huán)網(wǎng)絡(luò)[3]。圖中箭頭指示方向?yàn)閮?nèi)風(fēng)路流體的流動(dòng)方向。為降低內(nèi)風(fēng)路流體的溫度，在電機(jī)的頂部安放空水冷卻器。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)內(nèi)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，使內(nèi)風(fēng)路的流體流入冷卻器中，而外風(fēng)路風(fēng)扇將溫度較低的外風(fēng)路流體源源不斷帶入冷卻器冷風(fēng)管道內(nèi)，溫度升高的內(nèi)風(fēng)路流體在冷風(fēng)管壁間隙中流動(dòng)，和低溫管壁交換熱量，進(jìn)而將電機(jī)產(chǎn)生的熱量源源不斷地通過冷卻器帶到空氣中。

1.2 電機(jī)風(fēng)扇示意

分析采用離心結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇，如圖2所示。由于該電機(jī)對(duì)噪聲、溫升有較高要求，故對(duì)現(xiàn)有風(fēng)扇進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，以獲取最佳方案。

圖2 離心風(fēng)扇

離心風(fēng)扇仿真方案一：外徑875 mm，轉(zhuǎn)速1 492 r/min(現(xiàn)有風(fēng)扇)。

離心風(fēng)扇仿真方案二：外徑800 mm，轉(zhuǎn)速2 016 r/min。

離心風(fēng)扇仿真方案三：外徑770 mm，轉(zhuǎn)速2 016 r/min。

離心風(fēng)扇仿真方案四：外徑750 mm，轉(zhuǎn)速2 016 r/min。

2 流場(chǎng)計(jì)算

2.1 基本假設(shè)

電機(jī)內(nèi)部冷卻氣體的流速低于音速，可看作不可壓縮流體；電機(jī)內(nèi)部冷卻氣體雷諾數(shù)大于2 300，屬于湍流流動(dòng)，采用湍流模型進(jìn)行求解；電機(jī)的工作狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)，未考慮瞬態(tài)[4]。

2.2 邊界條件

電機(jī)入口為質(zhì)量流量入口，取額定流量3.8 kg/s。風(fēng)扇入口為質(zhì)量流量入口，取1～5 kg/s。電機(jī)、風(fēng)扇出口采用壓力出口。電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)域轉(zhuǎn)速為2 016 r/min。

2.3 網(wǎng)格劃分

分析采用的網(wǎng)格模型為六面體網(wǎng)格和多面體網(wǎng)格，以保證計(jì)算結(jié)果的精度。電機(jī)網(wǎng)格數(shù)量為2 800萬，風(fēng)扇網(wǎng)格數(shù)量為300萬，如圖3、圖4所示。

圖3 電機(jī)網(wǎng)格截面圖

圖4 風(fēng)扇網(wǎng)格截面圖

2.4 電機(jī)計(jì)算結(jié)果

電機(jī)額定流量為3.8 kg/s，風(fēng)阻為3 242 Pa。

由于仿真時(shí)未帶離心風(fēng)扇，所以出口壓力大于進(jìn)口壓力，由圖5、圖6可以看出，經(jīng)過電機(jī)定轉(zhuǎn)子后，壓力降低明顯，通過擋風(fēng)圈后，壓力也有所降低。

圖5 電機(jī)總壓圖

圖6 電機(jī)流速圖

2.5 風(fēng)扇計(jì)算結(jié)果

由圖7可以看出，電機(jī)風(fēng)扇外徑由875 mm變?yōu)?50 mm后，轉(zhuǎn)速提高，性能更好。

圖7 風(fēng)扇風(fēng)路性能曲線圖

電機(jī)額定流量3.8 kg/s時(shí)，風(fēng)壓約為3 122 Pa，略小于電機(jī)內(nèi)風(fēng)阻3 242 Pa。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，方案四外徑750 mm風(fēng)扇可以滿足要求。

3 離心風(fēng)扇噪聲計(jì)算

3.1 噪聲計(jì)算模型

對(duì)方案四的風(fēng)扇(正反轉(zhuǎn))進(jìn)行噪聲仿真。只考慮風(fēng)扇本身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲，有利于評(píng)價(jià)風(fēng)扇自身性能的優(yōu)劣。

3.2 噪聲計(jì)算邊界條件

進(jìn)口邊界條件設(shè)定為滯止進(jìn)口，總壓為0；出口邊界條件設(shè)定為壓力出口，靜壓為0。

3.3 正轉(zhuǎn)噪聲計(jì)算結(jié)果

Proudman聲功率(dB)可評(píng)估各向同性湍流產(chǎn)生的偶極聲源的局部影響。它能顯示湍流結(jié)構(gòu)在風(fēng)扇周圍的流體場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生的每單位體積的聲功率。用來表示聲源位置和聲強(qiáng)度大小。

在葉片進(jìn)口處有較大負(fù)壓，葉片出口有較大正壓，壓力梯度變化均勻。由圖8～圖10可以看出，聲功率沿葉片方向發(fā)散，葉片進(jìn)口聲功率最強(qiáng)，聲功率從外徑到空間逐漸減小。

圖8 聲功率云圖

圖9 風(fēng)扇徑向聲功率云圖

圖10 風(fēng)扇軸向聲功率云圖

對(duì)圖11所示位置進(jìn)行探測(cè)。

圖11 風(fēng)扇聲功率測(cè)點(diǎn)

在風(fēng)扇四周布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的平均聲功率為58.3 dB。

3.4 反轉(zhuǎn)噪聲計(jì)算結(jié)果

電機(jī)試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行了反轉(zhuǎn)試驗(yàn)，進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，如圖12～圖14所示。

圖12 聲功率云圖(反轉(zhuǎn))

圖13 風(fēng)扇徑向聲功率云圖(反轉(zhuǎn))

圖14 風(fēng)扇軸向聲功率云圖(反轉(zhuǎn))

風(fēng)扇反轉(zhuǎn)后，風(fēng)扇壓力增大，葉片壓力梯度變化劇烈，產(chǎn)生較大的壓力波動(dòng)，氣流分離，產(chǎn)生繞流。反轉(zhuǎn)后，聲功率并未沿葉片方向發(fā)散，而是周向發(fā)散，相對(duì)于風(fēng)扇正轉(zhuǎn)，其聲功率明顯較大，且周向分布明顯。

在風(fēng)扇四周布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的平均聲功率為72.1 dB，明顯大于正轉(zhuǎn)聲功率58.3 dB。

3.5 電機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

電機(jī)正轉(zhuǎn)結(jié)果：電機(jī)噪聲77 dB；電阻法溫升45.2 K，PT100溫升48.5 K。

電機(jī)反轉(zhuǎn)結(jié)果：電機(jī)噪聲80dB；電阻法溫升62.6 K，PT100溫升66.9 K；電機(jī)整體噪聲是機(jī)械噪聲、電磁噪聲、氣動(dòng)噪聲相互作用的結(jié)果。單獨(dú)分析風(fēng)扇噪聲只能提供相對(duì)趨勢(shì)性的判斷。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，反轉(zhuǎn)噪聲比正轉(zhuǎn)噪聲大，驗(yàn)證了CFD仿真結(jié)果。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用CFD方法對(duì)電機(jī)、風(fēng)扇進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

(1) 迪拜項(xiàng)目電機(jī)風(fēng)阻為3 242 Pa，方案四外徑為750 mm離心風(fēng)扇滿足匹配要求。

(2) 迪拜項(xiàng)目電機(jī)噪聲77 dB，電阻法溫升45.2 K，PT100溫升48.5 K。設(shè)計(jì)風(fēng)扇滿足電機(jī)溫升、噪聲要求。

(3) 方案四風(fēng)扇正轉(zhuǎn)噪聲低于反轉(zhuǎn)噪聲，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了CFD結(jié)果。

(4) 可以通過CFD方法對(duì)風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲仿真進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。