专利名称：减小风机噪音的旋转喉道截流装置及其方法
技术领域：
本发明涉及离心风机的噪音的降低，特别是涉及一种可附加在这种风机上的旋转截流装置以及降低风机运转所产生的噪音振动的方法。
离心风机广泛应用于蒸汽发生器/发电厂系统、加工厂、煤矿、隧道通风以及其它需要送入大量空气或气体的系统中。人们已经了解到这些风机本来就有很大的噪音，并且已经进行了特殊的工作以把发出的风机噪音降到环境允许的程度。所采用的标准噪音降低方法包括广泛的风机壳体的声音隔离，气道上下游的声音隔离，以及风机入口和出口消音器装置的安装。然而，这种噪音降低方法大大增加了风机的安装费用，而且入口和出口消音器还会产生导致功耗增大的压降损失。
由于这些已知离心风机降低噪音结构中的缺陷，因而人们开发出了各种其它的降低噪音装置。例如哈塞特(Hassett)的美国专利3，712，412号便公开了一种通过使用可转动谐振器腔室对诸如来自高速风扇的高速流体流进行噪音抑制的噪音抑制系统。查理斯(Chaliis)的美国专利4，174，020和4，279，325号则公开了一种具有离心风机声音处理腔室的固定式噪音隔离装置。同样，切林顿(Cherington)等人的美国专利4，475，621号也公开了一种燃烧炉的噪音降低腔室的应用。然而，还需要为进一步有效地降低大型风机，例如离心式风机所产生的噪音进行改进工作。
本发明提供了一种适用于附加在离心风机上的旋转截流装置及其操作方法，以便降低产生大多数这种噪音位置处的风机噪音，也就是在风机喉道截流区域由叶轮叶片以高表面速度通过该区域而产生的噪音。该旋转截流装置既可以作为离心风机组件的附加装置也可以作为其内部的一部分。
该旋转截流装置包括一可附加在风机壳体并部分封住圆筒状转子的罩壳，该转子包括一组四分之一波长和/或亥姆霍兹谐振器腔并位于十分靠近风机叶轮叶片的位置处。该旋转截流装置的转子是可转动的并且具有变速驱动装置，以便使风机中具有平均流速的气流与转子谐振器腔室口部之间的相对流动速度可以调整，这样可以形成有效的谐振压力脉冲的相互作用，从而大大降低在叶片通过频率及其谐波下由风机叶轮叶片产生的压力脉冲。这些在叶片通过频率及其谐波下的压力脉冲基本上对应于由离心风机所产生的高组别的噪音。该噪音频率由风机叶轮的表面速度与风机叶轮叶片的数目之间的关系来确定。离心风机的叶片通过频率是由以下的表达式给出的Fbp＝nb/60其中Fbp＝叶片通过频率(Hz)n＝风机叶轮的转速(rpm)b＝叶轮中的叶片数目＝频率模式1、2、3等等。
可以理解，本发明的旋转截流装置可以取代传统的通常安装在离心风机壳体上的固定式喉道截流装置，其安装位置位于壳体排出导管与靠近叶轮的涡道相交叉处。该截流装置既可以是一个新的离心风机组件也可以通过拆去壳体排出口上的已装上的固定式截流装置并换之以本发明的旋转截流装置来翻新现有的离心风机。
截流装置中的谐振器腔通常由四分之一波长的管形或亥姆霍兹谐振腔构成，或者两者都有，带有开着的外端(口部)和关闭的内端。该装置的转子带有一整套谐振器腔，它可以最有效地用成行或者交错的方式布满转子的表面。谐振器腔的长度将小于转子的直径，而四分之一波长谐振器腔的长度-直径比(L/D)应在8/1-15/1范围内，以在第一模式声学特性下获得最佳效果。谐振器腔最好取为与转子轴线交叉。
四分之一波长谐振器的腔室深度或长度是由关系L＝c/4f给出的，其中L＝谐振器腔的长度(m)c＝声音在腔室的空气或气体中的速度(m/sec)f＝谐振频率(Hz)(风机叶片通过频率和/双叶片通过频率)这个公式可以由任何与谐振器口部大小、谐振器形状、加入的质量效应等相关的正确因素进行实验验证。
虽然装置转子中的谐振器腔形状基本上是具有筒形截面且布置成与转子轴线交叉的直的腔室，但其它截面形状也是可以接受的，诸如L形或U形腔室，或者可以采用任何形式的亥姆霍兹谐振器腔。用亥姆霍兹谐振器腔特别有利，因为这可以在转子内设置更多的腔室，并且可让人们使用更小直径的转子。
亥姆霍兹谐振器腔的基本频率由下列公式给出
f=c/2πS/1′V]]>而1′＝1+6r/3π其中f＝亥姆霍兹谐振器腔的频率(Hz)(风机的叶片通过频率和/或双叶片通过频率)c＝声音在腔室的空气或气体中的速度(m/s)S＝谐振器开口或口部的截面积(m2)l′＝谐振器颈部的有效长度(m)V＝谐振器腔室的体积(未计颈部体积)(m3)l＝谐振器颈部的长度(m)r＝谐振器开口的半径(m)该亥姆霍兹谐振器的频率公式可以由任何与谐振器口部及颈部、腔室的形状、加入的质量效应等相关的正确因素进行实验验证。
由于离心风机/谐振器转子结构使其相对于转子的风机流速可能会不足以在转子中产生谐振器腔的“声塞”，因此，本发明的转子便能够进行旋转调整，以便使谐振器腔的角度相对于穿过风机轴线的平面可以改变，从而提供最大限度的声降。由于离心风机/谐振器转子结构使其风机流速在固定转子内产生固定谐振器腔的声塞，因而转子装置可以包括使之以相对于风机叶轮表面速度的相对表面速度转动的驱动装置。
旋转截流装置的旋转可以与离心风机叶轮的旋转方向相同，也可以与风机叶轮的旋转方向相反。谐振器的旋转方向、其旋转速度和表面速度均可选择成使离心风机的噪音降低效果为最大程度的形式。
旋转截流装置既可以用于恒定速度的离心风机，也可以用于可变速度的离心风机。对于可变速度的风机，旋转截流装置有两个不同的特点(1)谐振器腔必须调整到覆盖音频范围的程度，这基本上是风机最高速度范围的频率范围，此处的噪音是最大的。(2)旋转截流装置相对于风机叶轮速度的表面速度需要相对于风机叶轮可调整。
该旋转截流装置适用于叶轮直径在18-144英寸的离心风机。该截流装置合适的转子尺寸其直径为4-36英寸，长度则为8-48英寸，其较佳的尺寸是直径为8-24英寸，长为12-36英寸。旋转截流装置转子的表面速度可以在风机叶轮表面速度的30-100%的范围内，且设置成使附加该旋转截流装置的离心风机实现最大噪音降低的形式。
虽然小风机的转速高达5，200rpm，而典型的离心风机的叶轮旋转速度一般设计为720-3，600rpm。由旋转截流装置叶片通过频率产生的相应基本音频对于在720-3，600rpm下运转的10片和12片叶片的叶轮则基本上是在120-720Hz，而第一谐波频率则是其两部那么高。
本发明的旋转截流谐振器装置解决了固定式，即通常使用在离心风机上的非旋转式声音谐振器的缺陷，而后者则由于在大范围的气流流速和音频下都有谐振器的“声塞”现象而变得相对效率较低。这种具有可调表面速度的旋转截流谐振器装置可以克服这种声塞问题。这种旋转截流装置大大降低了离心风机的叶片通过频率的声音脉冲及第一谐波，例如20-25分贝。该装置也能够用来大大降低对围绕在离心风机壳体及相邻通道上的固定噪音隔离装置的需求甚至完全取消它。
下面参照以下附图对本发明进行进一步描述，其中
图1是表示典型离心风机结构的总侧视图，它具有一与风机排出口相邻的传统固定喉道截流构造;
图2是表示带有马达驱动组件的离心风机的正视图，它具有一安装在本发明风机壳体上的旋转截流装置;
图3是表示离心风机组件的沿图2中2-2线的侧视剖视图，它显示出旋转喉道截流装置的安装位置;
图4是表示旋转截流装置转子的正视图，它具有一适用于离心风机的特殊成行排列的谐振器腔结构;
图5A和5B是表示沿图4中5A和5B线的剖视图，它显示出了旋转截流转子的特殊结构谐振器腔的细节，该转子具有大小适于在风机叶片通过频率下谐振的较长的腔室及在两个叶片通过频率(或第一谐波)下谐振的较短的腔室;
图6是表示适用于截流装置转子的典型亥姆霍兹谐振器腔的剖视图;
图7是表示一种采用在转子中设置四个相同亥姆霍兹谐振器腔的组合节省空间结构的截流装置转子的剖视图;
图8是表示具有一可选择的谐振器转子离心风机组件的侧视图，其谐振器腔的角度可相对于风机叶轮调整。
如图1所示为典型离心风机10的侧视图，其风机壳体11呈涡旋状以便为气体流经壳体提供一截面逐渐增大的区域。风机壳体11包括一可转动的叶轮12，它具有一个中心气流入口12a和多个叶片12b，比如10-16片，这些叶片决定了叶轮直径。应当明确，在风机运转期间，气流自叶轮中心入口12a沿径向从叶片12b之间朝外流动，而后穿过扩张式壳体11和排出口13。位于壳体11并靠近叶轮12的排出口13的交叉部分的是传统的固定型喉道截流机构14。人们发现叶片12b以高速通过该固定喉道截流机构14是产生不希望的震动噪音的主要原因，而这种噪音是在运转期间由传统离心风机所产生并发出的。
如图2和图3所示，本发明的离心风机组件20包括一个壳体21，它包容有一安装在旋转轴23上的叶轮22，该旋转轴23通过一连接装置23a直接与驱动装置，例如电动马达24相连。一旋转喉道截流声音谐振装置25安装在邻近叶轮22外围周边和风机壳体排出口29的离心风机组件壳体21上。从图3可以更清楚地看到，风机壳体21包围着装有叶片的叶轮22，该叶轮22具有一中心入口22a和多片叶片22b，例如10-14片。旋转谐振装置25具有一位于下部的部分罩壳26，它通过两个支撑件27a和27b和两个安置在风机壳体21靠近并低于排出口29处的端板28a和28b支撑住。下部罩壳26部分包围着纵向伸延的筒形转子30，转子30通过轴承32被可旋转地支撑住两个端部，并通过驱动装置33，例如皮带和带轮由可变速马达34驱动。为了获得良好的降低噪音效果，风机叶轮22的外壁与转子30之间的距离“D”可以在大约小直径风机叶轮的1.0英寸(约合25.4)毫米到大直径的风机的6.0英寸之间变化。
如图4进一步表明的那样，转子30所具有的延伸出来的驱动轴31由定位轴承32支撑住其两端，该轴承则通过端板28和风机壳体21安装并支撑住。
如图4和图5所详细描述的那样，旋转谐振器转子30包括多个谐振器腔36，每个都相对于转子轴线的横向延伸并具有不同的深度及长度。这些腔室36的位置、大小及形状选择成提供一能使由离心风机20的叶轮叶片22b的运转所产生的不同音频衰减的谐振器。转子30包括至少两个，通常为30-100个谐振器腔36，每个谐振器腔都具有一位于转子圆筒形表面的外部开口35。如图5A和5B，腔室36可以是圆筒形的并且可以取为横穿转子轴线，其长度小于转子的直径，且长度/直径比在8/1-16/1的范围内。腔室36包括设置在转子相对两侧的较长的腔室36a，以收集初级音频，还有用来收集第一声音谐波的较短的腔室36b。虽然腔室36如图4所示是成行排列的结构，但是它们都可选择地在转子30上设置成交错排列的结构。
对于典型的带有离心风机的设备，其旋转截流装置25可以根据风机的尺寸设计成转子直径为4-36英寸而长度为8-48英寸。这种截流装置可以附加在带有直径为18-114英寸的叶轮的离心风机上，以提供一有效消间的离心风机组件，具有一较大直径的离心风机组件可采用大直径旋转截流装置的叶轮。
截流装置的转子30也可以有选择地带有一组亥姆霍兹型谐振腔40，该腔具有不同的几何形状以覆盖所需的谐振频率，通常如图6所示。这些亥姆霍兹谐振器腔一般都具有一小直径的开口41，其直径为d且颈部长度为1，通向一具有较大直径和体积V的谐振腔42。该亥姆霍兹谐振器腔40通常设置成对称于谐振器的转子30轴线的两个、三个或四个沿圆周等距的谐振器形式，而后者已由图7的剖视图示出。
为了使离心风机/谐振器转子的布置相对于谐振器转子的风机气流速度不会产生谐振器腔的声塞，因而可以采用可供选择的另外一种结构的旋转喉道截流装置，其转子中的谐振器腔的角度是可以相对风机叶轮轴线平面进行调整的。对于图8所示的本发明的实施例，离心风机50具有一壳体51并包含可旋转的叶轮52，该叶轮带有多个类似于图3的叶片53。一喉道截流装置54设置在风机叶轮52的周边和风机排出口55附近，并可旋转地安置在壳体51中。旋转截流装置54包括一组基本上平行的谐振器腔56。该截流装置54在一根伸延的轴55上并可绕其纵向轴线转动，以便使腔室56相对于竖直面或相对于穿过风机叶轮轴线的公共平面之间的夹角“A”可以调整到在腔室56中产生最大声音吸收的程度，从而在装有叶片的叶轮52运转期间产生出最小的噪音振动。
下面通过安置在一离心风机组件上的旋转截流装置典型实例的应用对本发明进行进一步的说明，但并不仅仅限于这一范围。
实例一台旋转截流装置安设并附加在与风机壳体排出喉口相邻的离心风机上，通常如图3所示。离心风机与旋转截流装置具有下列尺寸及运转特性风机叶轮直径(英寸)18转子直径(英寸)8转子长度(英寸)14转子中的谐振器腔数目60腔室直径(英寸)0.625风机转速(rpm)2，300风机叶轮叶片及双叶片460，920通过频率(H3)
转子双向运转速度(rpm)500-6，000风机叶片喉道截流速度(fps)200转子表面速度(fps)70-200叶轮与转子外表面的间距(英寸) 2通过截流装置的转子在相对于风机叶轮的两个方向以不同的速度的运转，通常由通过风机壳体中传统固定式喉道截流点的风机叶轮叶片产生的噪音由截流装置转子上的多个腔室有效地吸收了。
虽然对本发明进行了概括性地并根据特定的实施例进行了描述，但是应当明确在下列权利要求所确定的范围内可以有各种的改进和各种变形。
权利要求
1.一种适用于离心风机的旋转截流谐振器装置，用以降低由风机装有叶片的叶轮运转而产生的噪音，其特征在于，它包括一个适于附加在离心风机壳体中的排出口附近壳体上的罩壳；一可旋转地支撑在所述罩壳中的圆筒形转子，所述转子具有一组设置在转子中的不同深度的谐振器腔，用以吸收由风机叶轮旋转而产生的声音脉冲；与所述转子相连使之在所述罩壳中相对于离心风机叶轮旋转的装置，以使由离心风机运转而产生的噪音通过所述转子谐振器腔的吸收而得到明显的降低。
2.如权利要求1所述的旋转谐振器装置，其特征在于所述转子是由安设在风机壳体上的轴承可旋转地支撑住其每个端部的。
3.如权利要求1所述的旋转谐振器装置，其特征在于所述转子可以与安装在离心风机上的叶轮相同的方向旋转。
4.如权利要求1所述的旋转谐振器装置，其特征在于所述转子可以与安装在离心风机上的叶轮相反的方向旋转。
5.如权利要求1所述的旋转谐振器装置，其特征在于所述转子中的谐振器腔是圆筒形的。
6.如权利要求1所述的旋转谐振器装置，其特征在于所述谐振器腔布置成与转子轴线横穿的形式。
7.如权利要求1所述的旋转谐振器装置，其特征在于所述转子中的谐振器腔每个都具有一在8/1-16/1范围内的长度/直径比。
8.如权利要求1所述的旋转谐振器装置，其特征在于谐振腔是亥姆霍兹型的。
9.如权利要求1所述的旋转谐振器装置，其特征在于所述罩壳和转子是在邻接并低于风机排出口的位置处与风机壳体相连的。
10.如权利要求1所述的旋转谐振器装置，其特征在于所述转子包括旋转驱动装置并且以随离心风机叶轮旋转速度而变化的表面速度进行旋转。
11.如权利要求1所述的旋转谐振器装置，其特征在于所述转子具有8-24英寸的直径，12-36英寸的长度，并包含30-100个谐振器腔。
12.如权利要求9所述的旋转谐振器装置，其特征在于所述转子中谐振器腔的角度可相对于风机叶轮轴线可旋转地调整。
13.一种适用于离心风机的旋转截流谐振器装置，用以降低由风机装有叶片的叶轮的运转而产生的噪音，其特征在于，该装置包括一个带有适于附加在靠近离心风机壳体排出口且低于排出口的壳体上的两个端板上的罩壳;一可旋转地支撑在所述罩壳中的圆筒形转子，所述转子具有一组设置在转子中与转子轴线交叉的不同深度的谐振器腔，用以吸收由风机叶轮旋转产生的声音脉冲，所述腔室长度、直径比在8/1-16/1范围内;以及与所述转子的一端相连并使之在所述罩壳中以一相对于离心风机叶轮的旋转叶片截流速度进行旋转的驱动装置，以使由离心风机运转所产生的噪音通过在所述转子谐振器腔中的吸收而得到明显的降低。
14.一种带有适于实现离心风机降噪的旋转谐振器截流装置的离心风机，其特征在于，它包括(a)一个带有一入口和一排出口并包括一与驱动装置相连的可旋转叶轮的壳体;(b)一个附加在所述离心风机壳体排出口附近位置的壳体上的罩壳;(c)一可旋转地支撑在所述罩壳中的圆筒形转子，所述转子具有一组设置在转子中与转子轴线交叉的不同深度的谐振器腔，用以吸收由风机叶轮运转而产生的声音脉冲，所述腔室的长度、直径比在8/1-16/1范围内;以及(d)与所述转子的一端相连使之在所述罩壳中以一相对于离心风机叶轮的旋转叶片截流速度的速度进行旋转的驱动装置，以使由离心风机运转所产生的噪音通过在所述转子谐振器腔中的吸收而得到明显的降低。
15.一种降低由离心风机运转而产生的噪音的方法，其特征在于，包括(a)将一台旋转截流装置安置在离心风机壳体的靠近壳体排出口的位置处，所述装置包括一个可在罩壳中转动并带有一组谐振腔的转子，该谐振器腔的尺寸设定成能吸收离心风机叶轮运转期间所产生的声音脉冲;(b)让离心风机叶轮以一预定的旋转速度旋转，以提供所需的气体流速和来自风机的排气压力;(c)以等于30-100%的装有叶片的风机叶轮旋转表面速度转动所述转子，以将噪音吸收在转子的谐振器腔中并降低出自离心风机的噪音。
16.如权利要求15所述的降低离心风机噪音的方法，其特征在于风机叶轮的旋转速度为720-3，600rpm。
17.如权利要求15所述的降低离心风机噪音的方法，其特征在于由叶轮叶片产生的叶片通过音频为120-720Hz，而噪音降低20-25分贝。
全文摘要
一种用于降低旋转离心风机叶轮叶片所产生的噪音的旋转截流装置。该旋转装置包括一安装在离心风机排出口附近的转子。该转子包括一组谐振器腔，每一个腔室都布置成与转子轴线交叉的形式。转子可以相对于风机叶轮旋转地进行调整，或者可以由马达以风机叶轮表面速度30—100％的表面速度进行驱动，以有效地吸收由风机的离心风机叶片通过频率产生的声音脉冲及其谐波，从而大大降低离心风机所产生的噪音。
文档编号F01N1/02GK1104727SQ9411492
公开日1995年7月5日 申请日期1994年8月2日 优先权日1993年8月2日
发明者弗兰蒂则克·L·艾辛格 申请人:福斯特·惠勒能源公司