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压缩机为什么会有振动噪声?喷油螺杆、无油螺杆和离心机我们挨个分析

案例详情
01
振动噪声机理


众所周知,轻轻敲击下音叉就能发声,双手一拍也能发声,这是因为运动的物体或者部件偏离原来位置,就会产生振动,导致周围的空气介质产生压差,产生噪声。声音在我们日常生活中随处可见,低至树叶飘落沙沙时非常安静的声音;高到嫦娥5号点火升空瞬间发出让人难以忍受的轰鸣声。


空压机噪声一般属于较吵和很吵的范围内,长时间处于很吵的环境内工作,将对听觉系统产生不可逆的伤害,其产生机理如图1所示。

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一方面,空压机转子等运动部件在做回转运动中受力产生振动,振动又会通过轴承和机壳等结构支撑部件向外传递,通过壳体向外辐射噪声,产生机械性振动噪声。另一方面空压机工作过程中,气体压力升高,压力就偏离了原来的位置,诱发压力波动(压差),通过机壳和管道等部件向外传递振动,辐射噪声,产生流致性振动噪声。因此,根据振动噪声的产生机理,空压机可以划分为机械性振动噪声和流致性振动噪声,主要来源于转子等运动部件和气流脉动的诱发激励。


高校科研单位和行业同仁对空压机振动噪声控制做了很多研究,从转子刚度设计、转子啮合状态、机械部件加工精度,运动部件间的装配间隙等方面入手,降低机械振动噪声源;进行结构模态分析避免共振,采用双层壁或者加水套或者油套,应用减振垫和选用吸声效果好的吸声棉等措施进一步阻碍振动噪声的传递,机械性振动噪声得到有效控制,相反流致性振动噪声逐渐暴露出来,成为制约空压机振动噪声的关键因素。


02
减振降噪技术


空压机减振降噪技术路线是通过理论计算与试验研究相结合,持续迭代,不断优化。首先,基于空压机工作过程流场计算,将流场的计算结果作为声学的激励,进行流场-声场联合仿真,分析预测压缩机振动噪声特性。其次,通过试验研究来验证并完善流场及声场的数值模型,分析压缩机几何特性对流场及声场的影响,将结果反馈到压缩机减振降噪设计上,如转子/叶轮型线和间隙、吸排气流道等部件的优化设计,源头上抑制流致性振动噪声。最后,针对已经研发定型的空压机产品,开发气流脉动衰减腔、声波干涉器和穿孔管消声器等,路径上衰减流致性振动噪声。


2.1 喷油螺杆空压机

喷油螺杆压缩机振动噪声主要来源于阴阳转子啮合过程中产生的机械振动,通过齿轮、轴承和壳体向外传递振动,辐射噪声。压缩机属于容积式压缩机,存在内压缩过程,不可避免的产生气流脉动,通过吸气孔口和排气孔口向外辐射。随着机械加工装配精度的提升,机械性振动噪声得到控制,流致性振动噪声成为制约着压缩机振动噪声的主要因素。喷油空压机噪声以低频为主,主要集中在阴阳转子啮合频率的前6倍频,尤其是前4倍频更为显著。


根据喷油螺杆机振动噪声的特点,基于声波干涉技术,在排气端面上设计一款气流脉动衰减装置,即利用旁支流道与主流道的流程差,产生两路幅值相等、相位相反的气流脉动,相互抵消,从排气源头上衰减排气气流脉动,如图2所示。通过压缩机的振动噪声测试分析,结合理论研究,设计出一套定制化的减振降噪技术方案,使200kW机组法兰面振动下降到10m/s^2以内,改善了50%,空压机远场1m距离处噪声改善5.0dBA,降低到80dBA以内。

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2.2 无油螺杆空压机

相对于喷油压缩机,无油压缩机采用同步齿轮驱动,转子间不接触,避免了转子啮合过程中机械振动噪声的产生,以气动噪声为主。但无油空压机缺少了润滑油对波长较短的中高频声波的衰减,导致中高频噪声突出,噪声频带宽,整机噪声偏大,压缩机近表噪声甚至超过120dBA。此外,无油机排气压力相对较小,需要从型线齿形,排气流场内压力变化曲线、温度变形等方面进行优化设计,调整齿顶间隙、啮合间隙和吸排气端面间隙,力求受力更小,气流脉动更低,从正向设计上抑制噪声。

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因此,根据无油螺杆空压机振动噪声特点,开发内压缩降噪技术,在压缩机升压过程中就开始衰减气流脉动,降低气动噪声,此外在排气管路上研发出一种宽频穿孔消声器,进一步衰减空压机排气噪声,如图3所示。通过某款无油压缩机的振动噪声测试分析,结合理论研究,制定出一套定制化的减振降噪技术方案。试验结果表明,应用减振降噪技术方案后,某款无油压缩机应用减振降噪技术方案后,全转速下噪声降低11~16dBA,将所有转速下噪声值在85dBA以下。


2.3 离心空压机

离心压缩机叶轮与汽缸无接触,运动部件少,机械噪声低,气动噪声成为主要噪声源。离心机属于速度式压缩机,无内压缩过程,气流脉动小,因此,相对于螺杆压缩机,噪声值更低。离心机的运行转速高,噪声频率高,尖锐刺耳,主要以转子转频噪声为主。针对离心压缩机的振动噪声控制,首先要进行正向低噪设计,除了必要的转子动力学的分析,还要建立全流道的CFD的模型进行流场计算,然后把流场的结果和声场进行流场-声场耦合计算,预测空压机的噪声特性。通过流场和声场的反复迭代,进行结构优化设计,确定最佳的气动设计,最小的噪声设计。

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例如叶轮气动设计方面,在叶片的压力面和吸力面,不能有明显的低速流团出现,特别是叶轮吸力面容易出现低速流团,这对离心压缩机噪声有非常大的不利影响,同样对性能也有不利影响,如图4所示。在流道设计方面的一个基本原则就是在整个全流道内既不能诱发新的脉动源,又不能放大气流脉动。通过对离心压缩机CFD仿真计算的结果分析,蜗舌附近位置处的压力脉动往往较大,需要重点关注与优化。


根据离心空压机的噪声特点,基于流场和声场分析的结果,首先优化设计叶轮与蜗壳间的间隙,尤其是叶轮与蜗舌的间隙,从源头上抑制气流脉动降低气动噪声,其次设计一款宽频低阻消声器,从路径上进一步衰减噪声,实验结果表明,离心机在5~9.6万rpm,降噪10dBA以上。


03
结论与展望


3.1 结论

空压机振动噪声主要来源于机转子旋转过程中带动运动部件产生的机械性振动噪声和压缩机升压过程中产生气流脉动诱发的流致性振动噪声;在振动噪声特点上,喷油压缩机以低频为主,传播距离远,降噪难度大,无油压缩机以中高频噪声凸显,频带宽,噪声大;离心压缩机运行转速高,以高频为主。


通过转子动力学优化设计和关键部件间隙优化设计,抑制升压过程诱发的流致性振动噪声,是空压机减振降噪的有效途径。研发气流脉动衰减装置,设计宽频消声器等减振降噪技术方案有助于进一步降低空压机振动噪声。


 3.2 展望

减振降噪是实现空压机环境友好型的一种手段,相信未来空压机生产企业中这是会经常遇到的问题和常见被讨论的话题,需要引起更多的关注,尤其是噪声问题突出的无油螺杆鼓风机。

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   螺杆鼓风机流量大,气动噪声高,排气噪声甚至超过120dBA,是主要噪声源。目前常用的阻式消声器低频效果差,压损大,还会污染洁净的介质;而抗式消声器管径大,波长较短的中高频声波直接通过排气管而达不到的降噪效果。基于鼓风机低中高频噪声均较突出,针对6000rpm以内无油机研发一种低阻宽频的抗式消声器,综合降噪效果预计达到30~40dBA。

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