矿用大型风机扩散消声器的研制
摘要：利用通风机出口扩散理论和空气动力性噪声降噪有机结合，在结构上采用扩散段和消声段相结合，以将消声、回收动能和降低阻力三个问题同时解决。使矿用大型风机噪声排放达到国家排放标准，为我国矿用大型风机的噪声治理找到一条新途径。
关键词：大型风机 消声器 研制
在矿井开采过程中，机电设备的噪声污染己达到非常严重的程度，特别是大型风机，由于其功率大，转速高，在运行过程中会产生强烈的空气动力性噪声和机械噪声，对环境造成严重污染，影响了人们的正常工作和生活。国产大型风机其噪声值多在110 dB(A)以上，因此在实际生产过程中，除选用低噪声设备外，必须对噪声的传输途径进行控制，即噪声治理，才能达到国家相关排放标准，减少对环境的污染。
1 大型风机扩散消声器的设计依据
1.1 大型风机噪声特征及治理方案
大型风机噪声是煤矿的主要噪声源之一，治理难度大，治理费用高，一直是噪声治理的难题之一。根据山东新汶矿业集团公司协庄煤矿西风井的噪声源布置、噪声估算和该类型风机噪声类比数据、风机性能参数和电机房、风机房尺寸，风机扩散理论以及《工业企业厂界噪声标准》中Ⅱ类标准，即昼间60 dB(A)，夜间50 dB(A)，设计研制了扩散型消声器。
1.1.1 风机扩散理论和扩散器的作用
所谓扩散器就是一个过流断面积逐渐加大的流道。
风机外壳出口处气流有较高的动压，随着气流直接抛入大气的同时，其动压损失于大气，无益于通风，若将动压的一部分转换为静压，可以减少损失，在阻力损失最小的前提下，最大限度地增加静压，这就是通风机外壳出口处安装扩散器的目的。
1.1.2 声学设计
以新汶矿业集团公司协庄煤矿西风井为例，设计说明如下:
该风机房位于山东省新泰市谷里镇小窑沟村北、蒙馆公路南，场地东西长115.5 m，南北宽26.8 m，总占地面积3093 m2。
风机型号为GAF22.4-15-11（两台）；出口噪声为106 dB(A)；风量Q=125 m3/s；风机出口段层尺寸d=2553 mm。风机出口噪声及频谱特性如表1所示。
根据现场情况，利用风机的扩散理论研制设计了扩散型消声塔(见图1)，从而达到消声、节能的双重目的。
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表1 风机出口噪声及频谱特性
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 图1 扩散消声器示意图 |
1.2 消声量的确定
根据对协庄矿西风井两台GAF22.4-15-11风机模拟测试，分析可知扩散器口噪声很高，而且频带宽是风机噪声的重要来源，同时风机内空气污浊湿度大，为了保证通流面积的逐渐扩大和动能最大限度的回收，根据多次测算，扩散角设计成10°，呈圆锥性，从风机口算起塔体垂直高17 m，顶部安装不同厚度消声片两层，每层3 m，消声器出口的噪声限值： LAK=LAM+20lg3(r/D)+K
式中：LAK为消声器的出口噪声值，dB(A)；LAM为达标点噪声值，取50 dB(A)；r为消声器的出口至达标点的距离，取27 m；D为扩散器出口当量直径，取6.14 m；K为根据模拟测试经推算得到的系数，取3。
则：LAK=50+20lg（3×27/6.14）+3=72.4 dB(A)
1.3 消声器气流再生噪声的计算
在阻性消声器内，气流产生的噪声主要有两种，一种是消声器内壁面或其他构件在气流冲击下产生振动而辐射噪声，即结构噪声以低频噪声为主，另一种是消声器高速气流的湍流脉动而起的噪声，即为湍流噪声，以中高频噪声为主。
再生噪声A声级与气体流速的关系为： LA=A+60lV
式中：A为与消声材料有关的系数；V为消声器内流速m/s。
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表2 为再生噪声级与流速的关系
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本设计125 m3/s计算，在扩散器的上方设置两段消声，上消声段的平均直径为2257 mm,下消声段的平均直径为1749 mm，根据扩散理论和再生噪声，确定：上层流速（面积16 m2），为125/16＝7.8 m/s；下层流速（面积9.6 m2）为125/9.6＝13 m/s；扩散器出口再生噪声可达73 dB(A)。
1.4 吸声材料的选择及性能
由于井下的空气潮湿有毒，所以作为扩散器口消声器的吸声材料应具有防潮、防腐和阻燃性质，经过多个方案比较确定：扩散板采用B型穿孔板，这种板的特点是强度高、装饰性好、吸声效果佳、防火、防水。
吸声体采用300、200、150 mm三种不同规格吸声片组成，材料为防水离心玻璃棉，其中高频吸声系数在0.8以上，由于厚度加大，低频吸声系数也在0.3以上，这样做的目的在于加宽吸声频带，提高吸声效果，尽可能地满足风机低频吸声的要求。
1.5 风机房隔声及吸声处理
从风机主扇噪声构成来看，在风机出口安装扩散型消声器，只是对风机的空气动力性噪声有所降低，但对于电机噪声、机壳噪声仍需采取其他措施。以新汶矿业集团公司协庄煤矿西风井主扇为例，还必须对这两部分噪声加以综合治理，经过反复推测比较采取了如下措施。
（1）房建成隔声间，不仅墙体有足够的隔声量，其门、窗也根据等透视原则设计成隔声门、窗。
（2）房内吸声，为保证高、中、低频均有降噪量，室内吸声体包括房顶铺满式吸声顶，四周墙壁安装了低频吸声性能较好的双腔共振吸声体。
（3）由于电机功率大，散热量高，因此根据电机散热量设计，安装散热罩，以保证电机的正常运转。
（4）机房安装换气消声器，以保证机房内气流畅通。
2 风机噪声治理前后噪声测试情况
在消声塔出口处检测可知：消声塔出口处噪声值为74 dB(A)，消声塔的消声量为△L=106-74=32 dB(A)。隔声墙外设4个监测点，并对各测点治理前后的噪声进行监测，经治理后隔声室1 m处的噪声值为65 dB(A)左右，隔声量为38 dB(A)左右，风机房到界外的距离为20 m，经过20 m的自然衰减，边界外噪声不超过50 dB(A)，达到了国家规定的排放标准。
3 结 论
新汶矿业集团公司协庄煤矿西风井噪声治理工程竣工，投入正常运行后，机房全封闭，机房内温度低于同期未改造前的温度，改造后的风机运转正常。矿机阻力没有增加，达到通风阻力不超过98.0665 Pa要求。保证了矿井的生产安全，经环境监测部门监测，厂界外噪声达到了国家排放标准，使周围居民免受噪声之苦，改善了周围居民的生活环境质量，解除了居民与企业的污染纠纷，居民与企业关系大大改善，生产、生活秩序恢复正常，社会稳定，社会环境效益明显。
参考文献
1 杨玉启.机械噪声控制技术.北京：中国农业机械出版社，1983
2 方舟群.噪声控制.北京：北京出版社，1984
3 王文奇.噪声控制技术及其应用.沈阳：辽宁科学技术出版社，1985
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