离心风机基础知识与鼓风机噪声特性预算方法解析

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离心风机基础知识与鼓风机噪声特性预算方法解析

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：离心风机、鼓风机、气动噪声、噪声预算、声功率级、频谱特性、降噪措施

引言

在工业通风、物料输送、废水处理、火力发电等诸多领域，离心风机作为一种关键的气体输送设备，发挥着不可替代的作用。其性能的优劣直接影响到整个系统的效率、能耗与运行成本。而在风机诸多性能指标中，噪声特性日益成为一个重要的评价维度，不仅关乎工作环境的舒适性，更与环保法规的合规性紧密相连。作为一名风机技术从业者，深入理解离心风机的基础知识，并掌握其噪声特性的预算方法，对于风机的设计、选型、安装及降噪治理都具有至关重要的意义。本文将系统阐述离心风机的基本工作原理、结构及性能参数，并重点解析其气动噪声的产生机理与工程上常用的噪声预算方法。

第一章离心风机基础知识

1.1 工作原理与基本结构

离心风机的工作原理基于牛顿第三定律和流体力学中的欧拉方程。当叶轮被电机驱动高速旋转时，叶片间的气体在离心力的作用下，从叶轮中心（进口）被抛向叶轮外缘（出口）。在此过程中，气体的静压能和动能均获得增加。高速气流随后进入蜗壳形机壳，蜗壳的流通截面逐渐扩大，使气流速度降低，将部分动能进一步转化为静压能，最后以较高的压力从出口排出。与此同时，叶轮中心部位因气体被甩出而形成低压区，外部气体在大气压作用下被 continuously 吸入，从而形成连续的气体流动。

其主要结构由以下几大部分组成：

进风口：

叶轮

叶轮：

机壳：

叶轮

主轴与轴承箱：

叶轮

驱动装置：

联轴器

1.2 主要性能参数

流量（Q）：

全压（P）：

静压（Ps）：

功率（N）：

轴功率（Nz）：

主轴

有效功率（Ne）：

效率（η）：

转速（n）：

叶轮

第二章鼓风机噪声的产生机理与特性

风机噪声是空气动力性噪声、机械噪声和电磁噪声的综合体，其中以空气动力性噪声为主，通常占总噪声的80%以上。其产生机理复杂，主要可分为以下几类：

2.1 旋转噪声（离散频率噪声）

又称叶片通过频率噪声。当叶轮旋转时，叶片周期性地撞击、切割和排挤空气质点，引起空气压力的脉动，从而产生噪声。其基频（主导频率）计算公式为：
叶片通过频率等于风机转速乘以叶片数再除以六十 (f = n * Z / 60)
单位是赫兹 (Hz)。除此之外，还会产生该频率的高次谐波（2f, 3f, ...）。旋转噪声在频谱上表现为突出的离散线谱，能量集中，穿透性强。

2.2 涡流噪声（宽频带噪声）

又称湍流噪声。气流流经叶片表面时，会在其后方产生剧烈的涡漩脱落。这些涡漩的形成和破裂会引起气流压力和速度的随机脉动，从而产生一种频带很宽的噪声。其频率范围很广，频谱呈连续的宽频带特性，峰值频率与气流和叶片之间的相对速度有关。雷诺数、叶片形状和表面粗糙度都会影响涡流噪声的强度。

2.3 其他噪声源

进口气流畸变噪声：

叶轮

蜗壳舌部干涉噪声：

叶轮

机械噪声：

轴承

电磁噪声：

风机噪声的频谱通常是上述各种噪声的综合体现，在低频段以旋转噪声及其谐波为主，在中高频段则以涡流噪声和蜗壳舌部干涉噪声为主。

第三章鼓风机噪声特性的预算方法

在风机设计或选型阶段，无法直接测量噪声时，需要通过理论或经验公式进行噪声预算（或称为预测）。这对于评估风机对环境的影响和预先规划降噪措施至关重要。

3.1 声功率级与声压级

噪声预算的核心是计算声功率级（Lw）。声功率级表示声源在单位时间内辐射的总声能量，是声源本身的固有特性，与测量距离和环境无关。而声压级（Lp）是我们人耳或麦克风听到或测量到的声音强弱，它会随着距离和环境的改变而变化。工程上通常先预算声功率级，再根据传播规律推算特定位置的声压级。

3.2 基于比声功率级的预算方法（常用方法）

这是目前国际标准化组织（ISO）和工程界普遍推荐的方法，其核心思想是利用风机性能参数和无量纲的“比声功率级（Kw）”来预算声功率级。

步骤一：计算风机的比转速（ns）

比转速是一个相似准则，代表了风机的流量、压力和转速之间的综合关系，反映了风机的类型和性能特点。计算公式为：
比转速等于转速乘以流量的二分之一次方再除以全压的四分之三次方 (ns = n * Q^(1/2) / P^(3/4))
式中n, Q, P需使用法定单位（r/min, m³/s, Pa）。比转速相同的风机，其几何形状、性能和噪声特性相似。

步骤二：确定比声功率级（Kw）

比声功率级定义为：
比声功率级等于声功率级减去十乘以常用对数以十为底流量乘以全压的平方的对数 (Kw = Lw - 10 * lg(Q * P²))
Kw是一个无量纲数，其值与风机的效率、型式和比转速有关。对于后向叶片离心风机，在最高效率点附近运行时，其Kw值可通过经验公式或图表查得。通常，效率越高，Kw值越低。一些研究给出了Kw与效率η和比转速ns的经验关系，或可通过查阅相关设计手册和数据库获取特定类型风机的典型Kw值。

步骤三：计算声功率级（Lw）

由上式 rearranged 得到总声功率级的预算公式：
声功率级等于比声功率级加上十乘以常用对数以十为底流量乘以全压的平方的对数 (Lw = Kw + 10 * lg(Q * P²))
单位为分贝 (dB)，基准值为10⁻¹² W。

步骤四：计算A计权声功率级（LwA）

A计权网络模拟人耳对频率的响应，对低频声进行衰减，其值更接近人耳的主观感受。总声功率级Lw减去一个修正值即可得到LwA。对于离心风机，这个修正值通常在-5 dB(A) 到 -10 dB(A)之间，具体需根据风机的频谱特性确定。

3.3 频谱特性的预算

仅有总声功率级还不够，还需要知道噪声在不同频率上的分布（频谱），以便采取针对性的降噪措施（如设计消声器）。

通常将音频范围划分为8个倍频带或更细的1/3倍频带。每个频带中心频率的声功率级（Lwi）可以通过总声功率级（Lw）减去一个频谱修正值（Cfi）得到：
第i频带声功率级等于总声功率级加上频谱修正值 (Lwi = Lw + Cfi)
Cfi的值因风机类型、比转速和运行工况而异，通常为负值。这些修正值可以通过实验数据统计得到，并收录在相关的国家标准或设计手册中。例如，对于后向离心风机，其频谱在低频段（63-250 Hz）的修正值较小（例如-5至-10 dB），而在中高频段（500-4000 Hz）的修正值较大（例如-15至-25 dB），表明其能量更多集中在低频。

旋转噪声的峰值必须单独考虑，其声功率级可通过专门的经验公式估算，并在频谱相应位置（f = nZ/60及其谐波处）叠加一个突出的峰值。

第四章影响噪声预算的因素与降噪途径

噪声预算的结果会受到多种因素的影响，在实际应用中需加以考虑：

运行工况：

结构参数：

叶轮

系统阻抗：

基于噪声产生的机理，主要的降噪途径包括：

声源控制（根本途径）：

气动设计优化：

合理选择结构参数：

加工与动平衡：

传播路径控制：

消声器：

隔声罩：

减振：

合理安装与维护：

结论

对离心风机噪声特性进行准确的预算是风机正向设计和环保合规的重要环节。本文系统梳理了离心风机的基础知识，并重点解析了基于比声功率级的工程噪声预算方法。该方法将噪声与风机的核心性能参数（流量、全压）和效率联系起来，概念清晰，实用性强。掌握这一方法，风机技术人员可以在设计选型阶段就对产品的噪声水平有一个量化的预估，从而能够提前规划和优化降噪策略，实现性能、成本与环保要求的最佳平衡。需要注意的是，理论预算存在一定误差，最终还需以精确的实测数据进行验证和修正。随着计算流体动力学（CFD）和计算气动声学（CAA）技术的发展，更精细、更准确的噪声预测将成为可能，推动风机技术向更高效率、更低噪声的方向持续发展。

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