阅读说明：本技术 一种轴流通风机低噪机壳及设计方法 (Low-noise casing of axial flow fan and design method ) 是由 姚永利 陈琳琳 李宏安 陈余平 周根标 杜国栋 田玉宝 张红武 王水霞 翟晓宁 于 2020-07-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种轴流通风机低噪机壳及设计方法,包括同轴设置的机壳外筒和机壳内筒,机壳外筒为双层共振结构,包括外层筒板和内层筒板,外层筒板和内层筒板之间通过支撑筋架分割为多个共振腔,支撑筋架上开设有去重孔；与机壳内筒对应的每个共振腔的内层筒板上设置有多个穿孔,与安装在机壳内筒前端的叶轮相对应的共振腔的内层筒板上不设置穿孔；机壳外筒和机壳内筒之间安装有多个后导流叶片,后导流叶片采用单圆弧叶片；本发明的通风机机壳的机壳外筒采用双层机壳结构,无填充吸声材料,仅利用共振腔对特定频率的窄带噪声进行消除,从而达到机壳辐射噪声的大幅度降低；同时,对后端管道降噪提供极好的支持。(The invention provides a low-noise casing of an axial-flow fan and a design method thereof, wherein the casing comprises a casing outer cylinder and a casing inner cylinder which are coaxially arranged, the casing outer cylinder is of a double-layer resonance structure and comprises an outer-layer cylinder plate and an inner-layer cylinder plate, the space between the outer-layer cylinder plate and the inner-layer cylinder plate is divided into a plurality of resonant cavities through a support rib frame, and the support rib frame is provided with a weight removing hole; the inner layer cylinder plate of each resonant cavity corresponding to the inner cylinder of the shell is provided with a plurality of through holes, and the inner layer cylinder plate of the resonant cavity corresponding to the impeller arranged at the front end of the inner cylinder of the shell is not provided with through holes; a plurality of rear guide vanes are arranged between the outer cylinder and the inner cylinder of the shell, and the rear guide vanes adopt single arc vanes; the outer casing barrel of the ventilator casing adopts a double-layer casing structure, does not have filling sound absorption materials, and only utilizes the resonant cavity to eliminate narrow-band noise with specific frequency, thereby greatly reducing the radiation noise of the casing; meanwhile, the method provides excellent support for noise reduction of the rear pipeline.)

一种轴流通风机低噪机壳及设计方法

技术领域

本发明属于风机领域，涉及轴流通风机机壳，具体涉及一种轴流通风机低噪机壳及设计方法。

背景技术

从声音的物理特征来判断，所有声强和频率无规则变化的声音都可定义为噪声。噪声会造成人们的听力损伤、人体疾病、影响日常生活等。同时在工作中，噪声会降低劳动生产率。更有甚者，高强噪声会损坏建筑物或设施。

风机作为一种动力设备，属于高噪声源。由于许多移动式装备(如机车、船舶、飞机等)对装载设备的尺寸和重量都有严格的限制，所以对通风机的噪声控制就显得更加困难。通风机根据不同结构形式可分为轴流式和离心式。轴流通风机在噪声控制方面，优化叶片型线虽然是降噪途径之一，但要兼顾风机性能，叶片降噪就具有局限性；而在机壳等定子部件设计中考虑隔噪、吸噪等措施，就能够取得较为明显的降噪效果，同时也方便实施。在降噪的同时，要严格控制零部件的尺寸和重量，因此一种轻型低噪轴流通风机的发明成为这种特定要求下亟待解决的问题。

轴流式通风机通常为单层筒形机壳。为了适应低噪的要求，机壳通常做成厚板材卷制焊接而成，或者用铸造机壳，降噪效果更好一些。但对于移动式装备搭载的轻型的要求，单纯地依靠机壳壁厚隔声明显不能实现目标。

低噪风机中的双层壳体是采用较为普遍的手段，对于可查询到的已有技术，其原理主要分两大类：一是采用双层真空壳体，利用真空阻断的原理，达到降噪的效果；二是采用双层共振腔加吸声材料，利用有限的抗性消声加主要的吸声作用，达到降噪目的。

轴流式通风机要达到指定的低噪声指标要求，圆筒形的机壳厚度要足够厚才有可能起到隔声效果。可在严格的外形尺寸和重量限定的前提下，这足够的厚度是不可能实现的。虽然铸造机壳的降噪效果会好一些，但其周期和开模成本都不具备优势。同时，单一靠壁厚的隔噪设计也不能达到整个系统的真正降噪，只是暂时在风机段隔离了噪声，可噪声在后端的管道中仍然存在并持续传播，对系统降噪是十分不利的。

而对于双层真空壳体，在批量小、成本低的轴流通风机上应用不具备可行性。对于双层共振腔加吸声材料，这种方式的重点还是利用吸声材料的作用，达到降噪目的。但对于特殊场合，非金属的吸声材料是不能够采用的。同时，这种配合吸声材料的双层结构共振腔，开孔率较高，通常都在25％以上，才能配合达到吸声效果；也因此，这种双层结构的抗性降噪的作用就非常有限，单独使用基本没有实施的意义。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种轴流通风机低噪机壳及设计方法，解决现有技术中设计的轴流通风机机壳在外形尺寸和重量限定的前提下，降噪效果不足的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种轴流通风机低噪机壳，包括同轴设置的机壳外筒和机壳内筒，机壳外筒的轴向长度大于机壳内筒的轴向长度，机壳外筒的后端和机壳内筒的后端平齐设置，机壳内筒用于安装电机，机壳外筒内机壳内筒的前端用于安装通过电机带动的叶轮；

所述的机壳外筒为双层共振结构，包括外层筒板和内层筒板，外层筒板和内层筒板之间通过支撑筋架分割为多个共振腔，支撑筋架上开设有去重孔；

与机壳内筒对应的每个共振腔的内层筒板上设置有多个穿孔，与安装在机壳内筒前端的叶轮相对应的共振腔的内层筒板上不设置穿孔；

所述的机壳外筒和机壳内筒之间安装有多个后导流叶片，后导流叶片采用单圆弧叶片；

本发明还具有如下技术特征：

所述的支撑筋架包括轴向筋板和周向筋板，轴向筋板和周向筋板上均设有去重孔。

所述的机壳内筒上也设置有穿孔。

本发明还保护一种如上所述的轴流通风机低噪机壳的设计方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，机壳外筒的外层筒板和内层筒板采用薄板焊接的方式安装在支撑筋架上，支撑筋架上开设有去重孔；

步骤二，后导流叶片采用单圆弧叶片，通过流场分析计算得出圆周均布数量；

步骤三，采用双层薄板筒体结构设计轻型低噪机壳：

采用如下所述的计算公式得到平均隔声量值；

当m≤200kg/m²时，R＝13.5logm+14；当m＞200kg/m²时，R＝16logm+8

式中：

R表示计算出的平均隔声量的数值，平均隔声量的单位为dB；

m表示筒体单位面积的质量的数值，筒体单位面积的质量的单位为kg/m²；

步骤四，平均隔声量值设定轴流通风机低噪机壳的初步的结构参数，所述的结构参数包括共振腔长度、内层筒板外径、内层筒板内径、穿孔直径、内层筒板厚度、穿孔率和穿孔间距，给定检测结构参数对应的消振频率，通过共振腔降噪计算，获得计算消音量；反复调整结构参数并计算结构参数对应的消音量，获得结构参数、消振频率和消音量的最优化匹配关系，得到初步筛选的典型方式的轴流通风机低噪机壳的结构参数；

步骤五，制造典型方式的轴流通风机低噪机壳对应的样机，通过样机试验、调整，找到匹配最优的结果。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(Ⅰ)本发明的通风机机壳的机壳外筒采用双层机壳结构，无填充吸声材料，仅利用共振腔对特定频率的窄带噪声进行消除，从而达到机壳辐射噪声的大幅度降低；同时，对后端管道降噪提供极好的支持。

(Ⅱ)本发明的通风机机壳利用共振腔原理，在降噪方法上采用抗性共振腔降噪，不采用任何非金属材料，不增加系统阻力，使风机前后管道内噪声极大的降低，从而减少噪声的传播。同时严格控制风机外形尺寸和重量。

(Ⅲ)本发明的通风机机壳通过共振腔原理降低噪声，能够在有限的空间内，达到极大降低噪声的目标。

(Ⅳ)本发明的通风机机壳在通风机外形尺寸要保证小于765mm×700mm×630mm，重量小于210公斤的限制条件下，通风机在额定工况下，噪声不能超过76分贝。

附图说明

图1为本发明的轴流通风机低噪机壳的整体结构示意图。

图2为本发明的轴流通风机低噪机壳的内部结构示意图。

图3为本发明的共振腔的结构示意图。

图4为本发明的支撑筋架的结构示意图。

图5为后导流叶片分布示意图。

图6为后导流叶片的流场分析示意图。

图7为方式一的机壳辐射噪声特性图。

图8为方式一的机壳辐射噪声特性图。

图9为方式一的机壳管道进口和管道出口辐射噪声特性图，图中上层为管道进口，下层为管道出口。

图10为方式二的机壳管道进口和管道出口辐射噪声特性图，图中上层为管道进口，下层为管道出口。

图中各个标号的含义为：1-机壳外筒，2-机壳内筒，3-电机，4-叶轮，5-穿孔，6-后导流叶片；

101-外层筒板，102-内层筒板，103-支撑筋架，104-共振腔，105-去重孔；

10301-轴向筋板，10302-周向筋板。

以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

传统通风机机壳在限定的外形尺寸和重量条件下，无法实现本发明的目的。需要说明的是，本发明不限于唯一实施例，通过调整本发明中提到的主要参数的匹配，也能够达到本发明的目的。在具体工程项目研制过程中，由于加工精度、生产成本等综合因素考虑，适当取舍穿孔的面积和穿孔大小，均可作为替代方案。

本发明要达到的技术要求是：在通风机外形尺寸要保证小于765mm×700mm×630mm，重量小于210公斤的限制条件下，通风机在额定工况下，噪声不能超过76分贝。

需要说明的是，本发明中的所有零部件和材料，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的零部件和材料。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例给出一种轴流通风机低噪机壳，如图1至图5所示，包括同轴设置的机壳外筒1和机壳内筒2，机壳外筒1的轴向长度大于机壳内筒2的轴向长度，机壳外筒1的后端和机壳内筒2的后端平齐设置，机壳内筒2用于安装电机3，机壳外筒1内机壳内筒2的前端用于安装通过电机3带动的叶轮4；

机壳外筒1为双层共振结构，包括外层筒板101和内层筒板102，外层筒板101和内层筒板102之间通过支撑筋架103分割为多个共振腔104，支撑筋架103上开设有去重孔105；

与机壳内筒2对应的每个共振腔104的内层筒板102上设置有多个穿孔5，与安装在机壳内筒2前端的叶轮4相对应的共振腔104的内层筒板102上不设置穿孔；

机壳外筒1和机壳内筒2之间安装有多个后导流叶片6，后导流叶片6采用单圆弧叶片；在优化流场的前提下，兼顾支撑作用。

作为本实施例的一种优选方案，支撑筋架103包括轴向筋板10301和周向筋板10302，轴向筋板10301和周向筋板10302上均设有去重孔105。在保证足够支撑强度的前提下，完美的解决了减重问题。

作为本实施例的一种优选方案，机壳内筒2上也设置有穿孔。更好地降噪。

实施例2：

本实施例给出如实施例1中轴流通风机低噪机壳的设计方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，机壳外筒的外层筒板和内层筒板采用薄板焊接的方式安装在支撑筋架上，支撑筋架上开设有去重孔，如图4所示。

步骤二，后导流叶片采用单圆弧叶片，通过流场分析计算得出圆周均布数量；后导流叶片采用单圆弧设计，在优化流场的前提下，兼顾支撑作用。单圆弧导流叶片便于加工制造，薄板型利于减重，圆周均布数量经流场分析计算得出。和后导流叶片分布图形和流场分析图如图5和图6所示。

本实施例中，后导流叶片的均布数量为17个。

步骤三，采用双层薄板筒体结构设计轻型低噪机壳：

采用如下计算公式得到平均隔声量值；

当m≤200kg/m²时，R＝13.5logm+14；当m＞200kg/m²时，R＝16logm+8

式中：

R表示计算出的平均隔声量的数值，平均隔声量的单位为dB；

m表示筒体单位面积的质量的数值，筒体单位面积的质量的单位为kg/m²；

步骤四，平均隔声量值设定轴流通风机低噪机壳的初步的结构参数，结构参数包括共振腔长度、内层筒板外径、内层筒板内径、穿孔直径、内层筒板厚度、穿孔率和穿孔间距，给定检测结构参数对应的消振频率，通过共振腔降噪计算，获得计算消音量；反复调整结构参数并计算结构参数对应的消音量，获得结构参数、消振频率和消音量的最优化匹配关系，得到初步筛选的典型方式的轴流通风机低噪机壳的结构参数；

例如，在对比多个设计方案后，找到如下所示的方式一至方式四的四种初步筛选的典型方式。

方式一：常规双层筒体，即无穿孔；

方式二：双层筒体，内层穿孔(单一孔径，间距相同)；

方式三：双层筒体，内层穿孔(不同孔径，不同间距)；

方式四：双层筒体，内层穿孔(单一孔径，不同间距)。

采用轻型低噪机壳的以上不同的四种初步筛选的典型方式，其共振腔降噪计算的结果对比如表1所示。

表1四种初步筛选的典型方式共振腔降噪计算的结果

从表1中可以看出，根据对计算出的特定频率下的尖峰噪声进行针对性降噪，效果会很明显。为了达到最优的降噪效果，可利用双层机壳的内层进行打孔降噪，单频降噪计算可达14～17分贝左右。同时还可以在机壳内筒打孔，同样起到特定频率下降低噪声尖峰值的效果。

步骤五，制造典型方式的轴流通风机低噪机壳对应的样机，通过样机试验、调整，找到匹配最优的结果。

采用轻型低噪机壳的不同的四种方式进行加工制造，对产成的零部件组装的样机进行噪声检测，得到1/3倍频程噪声特性如下：

风机机壳辐射噪声具体测试数值对比如图7、图8以及表2、3所示。

表2四种初步筛选的典型方式共振腔噪声测试结果对比表

由图7、图8和表2可知，从以上这四种方式的轻型低噪机壳隔噪效果对比可以看出，在有效轴向长度内，穿孔大小、板厚和穿孔率(孔距)的匹配对降噪效果的影响。这几种不同的匹配关系的降噪结果和设计预期的计算结果变化趋势完全吻合，因此本发明选用了方式四作为最终样机设计的方案。同时证明了此设计方法能够在轻型低噪设计中应用，并取得了预期效果。

风机前后进出口管道噪声在方式一和方式二不同条件下测试数值对比如图9、图10和表3所示。

表3两种典型方式共振腔对管道噪声影响的测试结果对比表

从如图9、图10和表3中所示的以上管道进出口测试的噪声数据可以看出，轻型低噪机壳的降噪效果反馈到管道进口，降噪效果良好；作用到管道出口效果更大，因此可以得知轻型低噪机壳对整个系统的降噪作用是巨大的。

本设计方法应用的样机最终达到的技术条件是：通风机外形尺寸765mm×600mm×610mm，重量207公斤，完全满足了尺寸小于765mm×700mm×630mm，重量小于210公斤的限制条件下。经过实物样机测试，通风机在额定工况下，噪声测试结果为75.82分贝，达到了不能超过76分贝的设计要求(详见方式4噪声数据)。这种轻型低噪轴流通风机的推广应用将具有巨大的节能降本和环境保护示范效果。

应用例：

本发明经过样机实物试验，性能达到设计目标，证明本发明可行。

【主要技术参数对比】

名称	单位	目标值	实测值
				流量	m<sup>3</sup>/h	8000	8000
风压	Pa	2000	2150
				噪声	dB(A)	≯76	75.8
外形尺寸	mm	765mm×700mm×630mm	765mm×600mm×610mm
				重量	kg	≤210	207
功率	kW	7.5	7.5

应用本发明的设计方法，设计出由不同部件组装而成的样机。经样机试验验证，噪声满足设计要求。试验结果充分证明了这种设计方法有效。采用本设计方法和技术所设计的轻型低噪轴流通风机，能够完成传统轴流通风机无法满足的限重、降噪任务。尤其是在尺寸和重量都有严格限制的移动装备上，能够提高低噪通风机设计水平。