某涡旋压缩机降噪研究
董 良,周光宇
(艾默生研发与整体方案中心,苏州,215000)
摘 要：随着人们对居住环境舒适度要求的提高,降低应用于空调机组中涡旋压缩机噪声成为涡旋压缩机领域研究热点。为实现涡旋压缩机降噪目标,本文应用Brüel & Kjær测试软件和硬件,首先通过对涡旋压缩机模态、ODS、声压、声功率以及噪声源定位的测试确定产生噪声问题的原因 , 然后结合实验数据和理论分析确定降噪方案。通过优化轴的设计、 降低压力脉动、增加消音器等技术 , 降低声功率6.2dB(A)。
关键词: 涡旋压缩机;降低噪声;模态; ODS ; 声压;声功率 ; 声源定位
与其它类型的压缩机相比, 涡旋压缩机具有效率高、噪音低、结构简单、振动小、质量轻和体积小的优点,因而广泛的应用于空调与制冷行业[1,2]。目前涡旋压缩机正在朝着两两个方向发展, 一方面高压比、大功率的 产品可以替代传统的并联机组;另一方面小排量的涡旋压缩机也在向下发展, 替代这一领域传统的滚动转子压 缩机,尤其是小排量的变频压缩机市场发展非常迅速[3]。 变频压缩机的高速化、压缩机结构的创新以及新型制冷 剂造成的涡旋压缩机振动特性改变都使得压缩机的振动 噪音控制变得复杂化。为降低涡旋压缩机的噪声振动, 国内外的学者做了很多的工作,也取得了卓越的成就。 Akira Hiwata等对涡旋接触力进行了研究[4],Baratti(2012) 研究了压缩机和整个机组的振动能量和噪声能量之间的相互作用, Olavo (2014)研究通过优化压缩机支撑底板来降低振动能量的传递, shoufei Wu研究了压缩机噪声对整个制冷系统噪声的贡献[5],paul xiubao Huang 通过控制压力脉动来降低压缩机噪声[6] 。但是, 很少有文献提出一套系统化的方法来解决涡旋压缩机在实际工程应用中遇到的噪声振动问题, 因而本文以一款 变频涡旋压缩机为研究对象应用Brüel & Kjær振动测试 和噪声测试系统对其进行了系统的测试和分析,在此基础上有针对性的进行了优化改进,成功实现涡旋压缩机降噪目标。
1 涡旋压缩机噪声振动机理
1.1 涡旋压缩机结构
典型的封闭式压缩机结构如图1所示,主要组成部件有动涡旋、静涡旋、十字滑环、平衡块、轴系、主轴承、底轴承、主轴承座、底轴承座、电机等。定频压缩机使用的是感应电机,变频涡旋压缩机使用的是永磁同步电机,通过变频器改变输入给电机的电流频率实现压缩机的变速运行。
图 1 涡旋压缩机结构[7]
1. 2 噪声振动机理
涡旋压缩机噪声主要包括机械噪声、电磁噪声和流体噪声(气态、液态及气液两相)。其中,机械噪声主要由轴系不平衡、滑动摩擦、机械碰撞以及装配误差引起,通过轴承、轴承座及壳体向外传递和辐射; 电磁噪声主要由定子磁场和转子磁场产生的径向力和转矩波动、转子静偏心和动偏心产生的不平衡磁拉力以及变频器载 波调制引起,通过定子、通过轴承、轴承座和壳体向外传递和辐射; 流体噪声很复杂,主要电机转子产生的旋转气流、进排气的气流脉动、气体缝隙泄漏引起,通过空腔及壳体向外传递和辐射, 液体噪声由制冷剂、润滑油射流和气穴引起,通过流体、壳体向外传递和辐射。封闭式涡旋压缩机是一个全封闭的整体,其噪声包括空气噪声和结构噪声,且以结构噪声为主,而结构噪声由壳体振动引起壳体表面空气振动进而向外部空间辐射噪声。 因此,本文通过测试涡旋压缩机壳体表面振动和近声场噪声,综合分析涡旋压缩机的结构特性、运行时的振动形态及噪声特征以确定产生压缩机噪声的主要原因, 然后基于分析结果做出有针对性的优化设计,从而实现降噪的目标。
2 应用B&K测试系统确定产生噪声的原因
2. 1 声功率测试
基于声压法和B&K声功率测试模块对D型号涡旋压缩机的4500RPM(转每分)的ARI点在半消声室中进行了声功率测试。测试设备如图2所示, 1为B&K声压传感器, 2被测压缩机,3为B&K信号采集板卡, 4为电脑用于安装B&K测试软件。测试结果如图3所示,总的声功率为72.9 dB (A)。 降低噪声5dB(A)是 本文的研究目标,从声功率测试结果初步确定需要降噪的频段: 710-1120Hz , 1800-2800Hz 和 3500-5000Hz。
图 2 声功率测试
图 3 声功率测试结果
2. 2 声压测试
声压测试设备如图4 所示, 1为B&K声压传感器, 2为被测压缩机,3为B&K信号采集板卡, 4为电脑用于安装B&K测试软件。测试结果如图5所示 ,在748Hz、896Hz、1046Hz、1349Hz、1797Hz、2094Hz、2618Hz、3599Hz、4880Hz 声压幅值较大。
图 4 声压测试
图 5 声压测试结果
2. 3 声源定位
运用B&K Noise source Identification模块中的Intensity Mapping对压缩机进行噪声源定位测试,如图6所示, 1为B&K 声强传感器, 2为被测压缩机,3为 B&K 信号信号采集板卡, 4为电脑用于安装 B&K 测试软件。声功率值较高的频段的测试结果如图7所示。
图 6 声源定位
图 7 声学定位结果
2. 4 模态测试
用移动力锤法进行模态实验,3个加速度传感器布置在压缩机壳体的不同方向获取压缩机的响应,力锤和3个加速度传感器接在B&K信号采集板卡上,B&K信号采集板卡与电脑连接,应用 B&K PULsE Labshop 完成所有数据的采集,最后将模态数据导入后处理软件完成模态参数提取。模态测试设备如图 8 所示。电机定子椭圆模态和三角形模态的固有频率分别为1395Hz和2329Hz。
图 8 模态测试
2.5 ODS测试
ODS测试设备如图 9 所示,参考点加速度传感器固定在压缩机壳上,由于加速度传感器数量有限,在测试过程中需要移动其他传感器来压缩机壳体表面的振动。实验过程中需要采集所有传感器的自谱和移动的传感器 相对参考点的互谱,在后处理时基于自谱数据和互谱数据完成ODS的FRF拟合,最后可计算出各个频率上的ODS振型。所有加速度传感器都和B&K 信号采集板卡连接,应用B&K PULSE LabShop完成所有数据的采集。声压幅值较大的频率对应的ODS测试结果如图10 所示, 图中上面的亮线为主轴承座所在的位置, 下面的亮线为电机所在的位置。
图 9 ODS 测试
图 10 ODS 振型
2. 6 测试数据分析
声功率测试结果表明710-1120Hz , 1800-2800Hz 和4000-6400Hz 这三个频段噪声值偏大,这三个频段是本文降噪研究的主要频率范围。在此三个频段范围内通过 声压频谱分析可知, 748Hz、896Hz、1046Hz、1349Hz、1797Hz、2094Hz、2618Hz、3599Hz、4880Hz处的声压幅值较大,这些频率的噪声对整个压缩机噪声的贡献较大,降低这些频率的噪声可有有效降低压缩机的噪声。声源定位测试表明,中心频率为800Hz时压缩机的噪声主要来自压缩机底部,中心频率为1000Hz时压缩机的噪声主要来自压缩机涡旋区域和底部区域,中心频率为1250Hz时压缩机的噪声主要来自压缩机涡旋区域、电机区域以及底部区域,中心频率为2500Hz时压缩机的噪声主要来自压缩机的主轴承座区域和电机区域。模态结果表明电机定子椭圆模态和三角形模态的固有频率分别为1395Hz和2329Hz。1340Hz的ODS振型和电机定子椭圆模态振型一致, 2393Hz的ODS振型包括明显的主轴承座的椭圆振型和微小的电机定子的三角形模态振型,电机定子的三角形模态固有频率为2329Hz ,但是模态实验没有识别出主轴承座的固有频率。再结合声源定位测试结果 (中心频率为2500Hz时压缩机的噪声主要来自压缩机的主轴承座区域和电机区域,电机区域高亮度区域的面积较小且中心位置的声强值也较小),可以确定该频段的噪声主要由轴系传递给主轴承座的振动引起的。而中心频率为1000Hz的的频段的噪声主要由 电机2阶径向力波产生的受迫振动引起的,中心频率为1250Hz的的频段的噪声主要由轴的18阶谐频和电机3 阶径向力波为激励引起电机定子共振(电机定子椭圆模态的固有频率为1395Hz) 造成的。压缩机在3500-5000Hz范围内噪声主要由吸排气的气流压力脉动造成的。
3 降噪措施与结果
3.1 降噪措施
为降低中低频噪声,本文对压缩机内部做了结构优化,同时增加壳体厚度降低壳体向外辐射的能量。为降
低高频噪声,本文优化了涡旋和吸排气结构设计以减小气体脉动,增加了消声结构。
3. 2 改进后的测试结果
图11为改进前后压缩机声功率对比结果, 改进前的声功率(Total 值)为 72.9dB(A) , 改进后的声功率 (Total值)为66.7dB(A),通过本次改进降低压缩机噪声6.2dB(A) 。改进前后的声压频谱如图 12 所示, 频谱结 果表明改进后的压缩机样机的基频噪声全频段都降低了, 而谐频在中低频段没有明显改善,这可能由于压缩机样 机装配时的装配误差过大造成的。
图 11 改进前后压缩机声功率对比图
图 12 改进前后压缩机声压对比图
4 结论与展望
本文基于Brüel & Kjær测试系统,通过对涡旋压缩机模态、ODS、声压、声功率以及声源定位的测试确定 产生噪声问题的原因, 然后提出了有针对性降噪措施, 成功降低压缩机噪声 6.2dB(A) 。实践验证了本文提出的系统性应用Brüel & Kjær振动测试和噪声测试功能降低 涡旋压缩机噪声的方法论是可行可靠的。
参考文献
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[3] 贾肤丽.涡旋压缩机减振设计分析[D].天津: 天津大学, 2015;
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[6] paul xiubao HuANG, sean YONkERs. Gas pulsation control by a shunt pulsation Trap with perforated Tubes and an Optional Absorptive silencer [J]. 23nd International compressor Engineering conference at purdue, July 11-14, 2016, 1022:1-9;
[7] www.google.com.copeland一scroll;
