离心风机风舌噪声机理与试验研究

的强度。在这前提与基础上，控制风舌部位的噪声
便有了先决条件，由于风舌噪声强度主要决定于风
舌相对间隙的大小，而风舌半径对叶片通道频率级
的影响比之与风舌间隙要小得多。当风舌间隙过小
时，气流在当地对风舌冲击引起的压力脉动明显增 大，旋转噪声的峰值也将急剧增加。由于图 2 所示 的叶轮外缘处实际的速度图形呈现出明显的最小与
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离心风机风舌噪声机理与试验研究———门艳忠，等
2003 年第 12 期
机调查结果和以上关于风舌区噪声机理的分析，确
定风舌噪声试验研究方案：
图 2 叶轮出口实际气片流动图案 Fig. 2 Impeller export actual air current flows
试验结果表明，尾迹具有相对稳定性。它相当 于一般分离时的旋涡区域。当流出中间叶道时尾迹
题。多年来，除消声器外，利用离心式通风机本身结 构上的改进控制噪声的，在国内进行研究的人较少，
Δt 0.142 0.158 0.228 0.104 6 0.104 6 0.068 7 0.066 9 0.077 r 0.079 0.043 0.09 0.081 0.081 0.052 0.061 0.072 2
关键词：地热井；射流式液动锤；冲击回转钻进；分流
中图号：TK523
文献标识码：A
1 引言
法之一。
目前在地热井钻进中使用的钻头主要有金刚石 2 射流式液动锤冲击回转钻进的特点
钻头、球齿钻头、牙轮钻头，PDC 钻头，应用比较普遍
（1）提高钻进速度，因为岩石的动硬度比岩石的
的是牙轮钻头喷射钻进。当钻进至中硬及中硬以上 静硬度低，碎岩比功小。这样通过冲击回转钻进就
舌尖部的圆弧半径 r。通常用 Δt = t / R 来表示蜗舌
与叶轮间相对间隙，r
=
r R
来表示蜗舌尖部圆弧相对
半径（ R 为叶轮半径）。
由表 1 可见，国内产品中即使是相同叶轮形式 的风机，其相对风舌间隙与风舌形状也有明显差别， 几乎每种系列产品都不一样。与国外的研究情况相 比，国内产品利用改善风舌间隙与风舌形状以降低 噪声是有可能的。 2 风舌间隙中气流特性与噪声控制分析
图 3 不同相对间隙η— Q 曲线 Fig. 3 η— Q curve of different relative gap
最大的曲线形状，这将在风舌处引起多种压力脉冲
随时间的变化。结果其合成声场的频谱包含许多同
等重要的谐波成分。随着叶轮外缘径向距离（风舌
间隙）的增加，在舌部的速度图形及由此而产生的压
减小，但最小声压级是在 Δt = 0.034 处。这几乎与 Lerdel 和 Smith 的试验结果相反。
本试验是在总结了以上国外研究概况的基础
上，对国内离心风机的产品现状作了调查，结果如表
1 所示。
层。由于叶片旋转效应的结果，吸力面与压力面上 附面层的形态与结构截然不同。在叶片吸力面上附 面层厚，有扩展特性，结果在吸力面上形成一个低速 微团的积聚区，称为“尾迹区”。从而使在叶轮出口 沿尾迹区的速度大为削弱，约为气流核心部分平均 流量速度的 25% ～ 30% ，而在压力面一侧，由于附 面层较薄，气流速度在较宽的区域内反而比平均流 量速度要大。它犹如通道发生“堵塞”时形成的一股 “射流”，称之“射流区”。在尾迹区与射流区之间，有 极大的速度梯度，形成“剪层”。结果使径向面实际 速度剖面图形如图 2 所示。
易斜地层时，通常采用高效钻头，改变钻井参数，进 可以在较低的钻压和转速下达到破碎岩石的目的，
行高压喷射，投入巨资改善碎岩效果。但由于岩石 从而达到提高钻进速度、降低钻进时间的目的；
强度较高及岩屑压持效应，并未达到完全体积破碎
（2）降低钻进成本，通过冲击回转钻进可以使钻
的效果。结合采用传统的牙轮喷射钻进，在2 000 m 头体积破碎岩石，可以延长钻头的使用寿Baidu Nhomakorabea，从而降
（1）取离心式模型风机为试验风机。 （2）试验主要包括：在选取合理的风舌形状下， 分别取 5 种不同的风舌相对间隙值如表 2 所示。表 2 中实际值指的是每 1 种方案试验风舌（可更换）制 成后的实际相对间隙测量值（ r 为蜗舌半径，取 r = 0 . 66）。
表 2 5 种不同的风舌相对间隙值
Tab. 2 5 different kinds of fan tongue relative gap
［1］门艳忠 . 4ZTL—1800 联收机风机噪声及性能的研究［D］. 硕士论 文，2002 .
2003 年第 12 期
煤矿机械
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文章编号：1003-079（4 2003）12-0027-03
离心风机风舌噪声机理与试验研究
门艳忠1，于占斌2 （1. 黑龙江科技学院，黑龙江 哈尔滨 150027；2. 大庆市电业局，黑龙江 大庆 163001）
层、花岗岩地层等硬岩脉时无法进尺或进尺较慢，使 而降低了钻杆之间的磨损，减小钻具损失；
所消耗的材料增多，钻头、钻具损坏严重，使每米的
（5）液动冲击器配合取心可以减少岩心堵塞；
钻进成本大大的增加，降低了施工单位的经济效益，
（6）现代石油钻井、地热钻井设备和钻具、循环
甚至给施工单位带来巨大的经济损失。而液动锤冲 系统基本满足液动冲击回转钻进的要求。
（3）根据 5 种试验方案，按风机正常的实际工况 即转速为 2 000 r / min 时，测量风机各工况下的声压 级及风机性能（效率、全压、功率）数据。
风舌一次，风 舌 上 就 受 到 一 次 曲 线 脉 动 的 冲 击 波。 与旋转噪声不同，涡流噪声是由于气流沿叶面附面 层脱离及其叶片后缘的尾迹形成。这些旋涡不论是 在叶轮内外或机壳扩压部分都是无规则产生、发展 或衰减，因而涡流噪声具有广泛的频率带。
Δt
设计值
6.6 / 210 = 0.033
实际值 0.03
10 / 210 = 0.048
0.05
15 / 210 = 0.071
0.07
20 / 210 = 0.095
0.095
25 / 210 = 0.119
0.12
r （6.6 / 210） 0.031 0.031 0.031 0.031 0.031
在国外则引起普遍重视，国外的研究大部分工作是
降低叶片通道噪声，在某些情况下也包含了降低宽
频噪声。离心式风机蜗壳出口附近带有舌状结构，
一般称为蜗舌（见图 1）。它的作用是防止部分气体
在蜗壳内循环流动。蜗舌附近的流动较为复杂，对
风机的噪声和气动性能影响也较大，这种影响主要
取决于蜗舌的结构，即蜗舌与叶轮间的距离 t 和蜗
摘 要：通过试验对离心通风机的风舌噪声机理及不同风舌间隙对离心风机噪声的影响规律
进行了研究，并在试验的基础上，运用两目标函数优化原理确定了不同风机蜗舌距离对风机噪声的
影响规律。结果表明，选择适当风舌间隙是降低风机噪声，提高风机效率的重要手段之一。
关键词：通风机；蜗舌距离；噪声
中图号：TH432
文献标识码：A
离心式通风机噪声主要是由于叶片旋转时产生 周期性的力而形成的旋转噪声和沿叶片表面附面层 脱离产生旋涡而形成的涡流噪声所组成。不论是旋 转噪声或涡流噪声，它们都和风舌间隙中的气流特 性密切相关。
离心式风机叶轮出口沿周向的气流速度场与压
力场是很不均匀的［1］。即使是无粘性流动，由按理
想气体运 动 方 程 所 确 定 的 径 向 面 相 对 速 度 图 形 可
摘 要：液动冲击器冲击回转钻进技术应用于地热井钻进中，可以数倍提高钻进速度。但由
于钻进工艺要求，钻进中泵量高，钻压大，泥浆固相含量高，对冲击器工作影响很大。研究分流对冲
击器的影响，采用分流技术，改善流量过大对冲击器的负面影响，提高冲击器工作稳定性，提高钻进
效率，推动液动锤冲击回转技术在地热井钻进中的应用。
以内井段，在 2 000 m 以内井段钻进时效率高，工期 低钻进成本；
也较短，但随着井深的增加，岩石的钻进难度加大，
（3）提高井身质量，因为需要的钻压低，所以钻
此时钻压、扭矩都相应增大，时效大幅度降低，钻头 孔偏斜较小，它具有很好的防斜效果；
磨损、跳钻和断齿现象严重，或者碰到灰岩、泥岩地
（4）要求的低转速可以降低钻杆传递的扭矩，从
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煤矿机械
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文章编号：1003-079（4 2003）12-0029-02
地热井射流式冲击器冲击回转钻进的分流试验研究
谭凡教，祁宏军，殷 琨，王如生 （吉林大学 建设工程学院，吉林 长春 130026）
图 4 不同相对间隙 LA— Q 曲线 Fig. 4 LA—Q curve of different relative gap
从图 3 和图 4 中可以看出，在 t 值小时效率低，噪 声高，随着 t 值增加，效率亦不断增加而噪声有所下 降。当 t 增加到 20 mm 时，效率达到最高而噪声亦最 低，此时对应的 Q = 0.462。随着 t 的再增大，
扩大，并占据了出口截面的相当一部分。实际气体 项目
1
2
3
4
5
在叶轮出口的这种很不均匀的流场，随着时间呈周 期性脉动变化，尤其在间隙最小的风舌区，机壳上的 风舌受到这种随时间脉动的压力冲击最大，从而形 成了风机中主要气动噪声源。由以上分析可知，由 “尾迹—射流”的流动结构图案与机壳之间形成的气 动噪声包含了旋转噪声与涡流噪声。由于叶轮旋转 所引起的旋转噪声具有固定的频率，每当叶片通过
知，吸力面速度要比压力面的速度大，并且按近于线
性分布。但实际气体是有粘性的，沿叶面存在附面
图 1 蜗舌结构示意图 Fig. 1 Fan tongue structure
国外对蜗舌结构研究内容 较 广 的 是 英 国 Leidel，其 风 舌 相 对 间 隙 研 究 范 围 Δt = 0.016 ～ 0.4； Smith 的 Δt = 0.06 ～ 0.6；Embliton 的研究范围最小 Δt = 0 ～ 0.08。Embliton 得出的结论与其他人不同， 全部测量的声压级没有随风舌间隙的放大而单调地
1 引言 离心式通风机的噪声已严重影响其使用性能，
表 1 国内 8 种风机产品风舌间隙 Tab. 1 8 kinds of fan product tongue gap of internal
所以，降低离心式通风机噪声是一个亟待解决的问
系列 4 ～ 72 4 ～ 73 4 ～ 68 5 ～ 48 6 ～ 48 9 ～ 19 9 ～ 26 9 ～ 35
击回转钻进正是解决地热井硬岩钻进难题的有效方 3 分流试验
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 则效率反而下降，噪声的最低点继续下降，但速率很慢。 得效率、噪声综合考虑都较为满意的值。
该现象可以这样来分析，蜗舌距离很小时，则叶 参考文献：
片每通过蜗舌一次，气流就冲击蜗舌一次，使得旋转 噪声的峰值增大，同时气流冲击到蜗舌上亦引起涡 流而产生 涡 流 噪 声，蜗 舌 距 离 越 小，这 种 现 象 越 明 显。与此同时，这种涡流区在蜗舌另一侧也同时出
为了控制与降低上述气体动力噪声，从风机设 计角度看，要求叶片设计具有最佳气动性能，也就是 要求获得 沿 叶 面（ 特 别 是 吸 力 面 上 ）的 最 佳 流 速 分 布，从而控制叶道中附面层的脱离与发展，减弱“尾
（4）试验方法：噪声测量按 GB2888—82 标 准。 风机性能试验方法按 GB1236—85 标准。
力随时间的变化曲线将变得较平坦光滑。这样，较
高的谐波比叶片通道频率本身衰减得更快。当然， 风舌间隙也不能增加过大，因为当间隙增加到一定 程度后，较高的谐波成分的衰减不明显了，噪声不再 继续下降，而过大的风舌间隙将使风机的气动性能 降低。 3 风机风舌降噪试验方案
根据离心式风机特点及国外研究资料，国内风
（5）主要测试仪器：变频调速器、精密声级计、功 率表、多功能热式测速仪。
4 试验结果 将 5 组试验数据处理后得到在风机转速 n = 2
000 r / min 下，不同相对间隙Δt 时，风机效率η、A 声 级 LA 随流量 Q 的变化曲线如图 3 和图 4 所示。
迹—射流”效应，也就从根本上控制与减弱了噪声源