陳 輝，趙旭敏，葉曉飛，王 偉，竺寧凱

( 珠海格力電器股份有限公司，珠海 519000 )

旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)止推噪聲產(chǎn)生機(jī)理分析及試驗(yàn)研究

陳 輝，趙旭敏，葉曉飛，王 偉，竺寧凱

( 珠海格力電器股份有限公司，珠海 519000 )

結(jié)合旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)噪聲頻譜及聲強(qiáng)掃描圖譜特性，確定了止推噪聲頻段主要集中在壓縮機(jī)泵體底部。通過流場(chǎng)仿真分別計(jì)算出壓縮機(jī)電機(jī)上下腔的壓力脈動(dòng)幅值，從而得出轉(zhuǎn)子上下端面氣體力差值峰值大小，確定了氣體力差值可引起轉(zhuǎn)子軸向跳動(dòng)，導(dǎo)致曲軸上下止推面碰撞軸承端面，產(chǎn)生止推噪聲。本文提出了一種旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)低噪聲綜合設(shè)計(jì)方案，并通過試驗(yàn)對(duì)該低噪聲綜合設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證和分析，測(cè)試結(jié)果表明，方案合理可行，有效防止了旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)止推噪聲的產(chǎn)生且降低了壓縮機(jī)噪聲總值。

壓縮機(jī)；止推噪聲；頻譜；流場(chǎng)

Abstract：The paper comes to a conclusion that the thrust noise is mainly concentrated in the bottom of the compressor pump body through the speciality of the sound power spectrum and sound intensity scanning atlas.The main reason of the gas physical difference of the rotor upside face and bottom face is that the pressure pulsation amplitude on the compressor moter upside chamber and bottom chamber.The gas physical difference is big enough which can cause the rotor moving up and down.The thrust noise is produced by the bent axle and the bearing colliding with each other.The paper provides a scheme of compressor low-noise designing，and the noise spectrum of the low-noise designing compressor is tested and analysed.The test result showed that this scheme is reasonable and feasible，which can prevent the thrust noise producing and reduce the total cost of the compressor noise.

Keywords：Compressor；Thrust noise；Frequency spectrum；Flow field

0 引言

隨著人民生活質(zhì)量的提高，作為現(xiàn)代生活高質(zhì)量標(biāo)志之一的空調(diào)器，其噪聲大小及聽覺感受越來越受到人們的重視，壓縮機(jī)作為空調(diào)的主要噪聲源，噪聲的高低已成為衡量壓縮機(jī)質(zhì)量及空調(diào)器品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，壓縮機(jī)低噪聲設(shè)計(jì)已成為各大企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)研究的重點(diǎn)[1-2]。

壓縮機(jī)工作原理導(dǎo)致產(chǎn)生氣流脈動(dòng)和機(jī)電噪聲，將聲學(xué)知識(shí)與壓縮機(jī)的工作原理相結(jié)合，對(duì)壓縮機(jī)噪聲的大小、特性及分布進(jìn)行精確的測(cè)量分析，針對(duì)不同頻率的噪聲成分，設(shè)計(jì)合適的消音方案，是壓縮機(jī)低噪聲設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[3]。

本文通過對(duì)旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)噪聲頻譜、聲強(qiáng)掃描圖譜精確的測(cè)量和分析，并結(jié)合其工作原理進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧鲌?chǎng)仿真計(jì)算，找出了出現(xiàn)止推噪聲的旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)止推噪聲產(chǎn)生的機(jī)理及規(guī)律，提出了一種旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)低噪聲綜合設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)數(shù)據(jù)及音質(zhì)評(píng)估表明，方案合理可行，有效防止了旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)止推噪聲的產(chǎn)生且降低了壓縮機(jī)噪聲總值。

1 止推噪聲特性

壓縮機(jī)的噪聲分析要將聲學(xué)知識(shí)與壓縮機(jī)的工作原理相結(jié)合，才能取得更有效的研究結(jié)果。壓縮機(jī)噪聲中包含有不同頻率的噪聲成分，盡管噪聲的聲功率級(jí)大小可以相同，但其頻率分布卻可以完全不同，因此，為了分析壓縮機(jī)噪聲的聲源和尋找合適的消減噪聲方法，有必要對(duì)噪聲頻譜及聲強(qiáng)掃描圖譜的特性進(jìn)行分析[4-5]。

1.1 噪聲頻譜分析

為準(zhǔn)確獲得出現(xiàn)止推噪聲的旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)噪聲頻譜，更好的分析聲源特性，找到主要峰值聲源，噪聲頻譜測(cè)試方法采用半球面10點(diǎn)法，如圖1所示，10個(gè)傳聲器按照?qǐng)D1所示布置，同時(shí)測(cè)試10個(gè)傳聲器聲壓級(jí)，通過LMS噪聲測(cè)試軟件計(jì)算聲功率頻譜。

完成噪聲數(shù)據(jù)采集后，利用LMS噪聲測(cè)試軟件計(jì)算導(dǎo)出的聲功率頻譜如圖2所示。由圖2可以看出聲功率頻譜低頻段峰值比較密集，800～1000Hz頻段峰值異常突出，峰值頻率在1000Hz左右，并且測(cè)試過程中壓縮機(jī)伴隨不連續(xù)噪聲異響。

1.2 聲強(qiáng)掃描圖譜分析

為更好的確定異響峰值聲源，通過聲強(qiáng)掃描識(shí)別出異響峰值聲源主要集中在壓縮機(jī)泵體下部位置，如圖3所示。旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)的主要噪聲源主要為空氣動(dòng)力噪聲(制冷劑氣體流動(dòng)以及密閉機(jī)殼中形成的氣柱等引起的氣流脈動(dòng)性噪聲)、機(jī)械噪聲(壓縮機(jī)各零部件碰撞、敲擊、摩擦、共振以及殼體振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械噪聲)及電磁噪聲[6]。結(jié)合噪聲頻譜、聲強(qiáng)掃描譜及音質(zhì)評(píng)估，基本斷定為機(jī)械撞擊噪聲，即曲軸軸向跳動(dòng)引起曲軸止推面碰撞軸承端面產(chǎn)生不連續(xù)撞擊聲。

圖1 半球面10點(diǎn)法示意圖

圖2 聲功率頻譜

圖3 聲強(qiáng)掃面圖譜

2 止推噪聲產(chǎn)生機(jī)理

2.1 流場(chǎng)仿真計(jì)算

為找出曲軸上下跳動(dòng)的原因，研究該止推噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，利用Fluent軟件仿真計(jì)算相同吸氣壓力下，不同排氣壓力時(shí)壓縮機(jī)電機(jī)上下腔的壓力脈動(dòng)大小，從而計(jì)算轉(zhuǎn)子所受氣體力大小，圖4為仿真計(jì)算網(wǎng)格模型示意圖。

圖4 計(jì)算網(wǎng)格模型示意圖

邊界條件設(shè)定：壓縮機(jī)上軸承排氣口設(shè)為速度入口，上蓋排氣管出口設(shè)為壓力出口；排氣壓力3.35MPa/2.95MPa，吸氣壓力0.996MPa，壓縮機(jī)電機(jī)上下腔氣體壓力脈動(dòng)曲線計(jì)算結(jié)果如圖5所示，其中紅線對(duì)應(yīng)排氣壓力3.35MPa時(shí)的電機(jī)上下腔壓差，藍(lán)線對(duì)應(yīng)排氣壓力2.95MPa的上下腔壓差。

由圖5可以看出，電機(jī)上下腔氣體壓力脈動(dòng)較大，幅值在-15000～13000Pa左右，下腔壓力峰值較上腔壓力峰值大2000Pa，且吸氣壓力相同的情況下，排氣壓力越大，則電機(jī)上下腔氣體壓力脈動(dòng)越大。

圖5 電機(jī)上下腔氣體壓力脈動(dòng)曲線

圖6 轉(zhuǎn)子軸向受力示意圖

2.2 轉(zhuǎn)子受力分析

旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子軸向受力成分主要由氣體力和重力組成，轉(zhuǎn)子軸向受力示意圖如圖6所示，由于壓縮機(jī)電機(jī)上下腔氣體壓力為周期性脈動(dòng)變化，故轉(zhuǎn)子上下端面所受的氣體力也同樣為周期性變化，且電機(jī)上下腔氣體壓力脈動(dòng)越大，轉(zhuǎn)子上下端面所受的氣體力波動(dòng)也越大，由于電機(jī)下腔的氣體壓力大于電機(jī)上腔的氣體壓力，故轉(zhuǎn)子所受的氣體力合力方向向上，與重力方向相反，當(dāng)轉(zhuǎn)子下端面的氣體力與上端面的氣體力差值大于轉(zhuǎn)子和曲軸(連接在一起)重力之和時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子上下跳動(dòng)的現(xiàn)象。

其中氣體力依據(jù)公式F=PS計(jì)算得出，F(xiàn)-氣體力，P-壓差，S-受力面積，重力由G=Mg計(jì)算得出，G-重力，M-質(zhì)量，g-重力系數(shù)。依據(jù)壓縮機(jī)電機(jī)上下腔氣體壓力脈動(dòng)曲線計(jì)算結(jié)果得出轉(zhuǎn)子上下端面所受氣體力脈動(dòng)曲線如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)子軸向受力示意圖

圖中深色線對(duì)應(yīng)排氣壓力3.35MPa時(shí)的轉(zhuǎn)子上下端面氣體力脈動(dòng)曲線，淡色線對(duì)應(yīng)排氣壓力2.95MPa時(shí)的轉(zhuǎn)子上下端面氣體力脈動(dòng)曲線。由圖7可以看出，轉(zhuǎn)子上下端面所受氣體力幅值波動(dòng)較大，在-53.2～44.5N左右，下端面氣體力峰值較上端面氣體力峰值大8.7N，且吸氣壓力相同的情況下，排氣壓力越大，則轉(zhuǎn)子上下端面氣體力差值越大，該旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和曲軸的質(zhì)量總和大小M為0.75kg，故重力大小G為7.35N，方向朝下，由于氣體力峰值差值F最大為8.7N，方向朝上，轉(zhuǎn)子軸向合力為1.35N，方向朝上，故轉(zhuǎn)子上下端面氣體力峰值差值F可導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與曲軸軸向跳動(dòng)，旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)電機(jī)上下腔體壓力脈動(dòng)幅值較大是壓縮機(jī)止推噪聲產(chǎn)生的根本原因。

3 低噪設(shè)計(jì)及試驗(yàn)分析

結(jié)合旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)聲功率頻譜和聲強(qiáng)掃面圖譜分析得出壓縮機(jī)止推噪聲由曲軸軸向跳動(dòng)引起曲軸止推面碰撞軸承端面產(chǎn)生，經(jīng)流場(chǎng)仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)電機(jī)上下腔體氣體壓力脈動(dòng)較大，轉(zhuǎn)子上下端面所受的氣體力差值大于轉(zhuǎn)子與曲軸的重力之和，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與曲軸軸向跳動(dòng)碰撞軸承端面。

3.1 改進(jìn)方案

為解決旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)止推噪聲問題，重點(diǎn)在于減少壓縮機(jī)電機(jī)上下腔的壓力脈動(dòng)幅值，增強(qiáng)壓縮機(jī)工作時(shí)軸系的穩(wěn)定性。

由流場(chǎng)仿真計(jì)算可知，壓縮機(jī)電機(jī)下腔壓力峰值較大，為降低電機(jī)下腔壓力脈動(dòng)，縮小電機(jī)下腔與上腔的壓力峰值差值，故制定出壓縮機(jī)電機(jī)整體向上抬高、同時(shí)轉(zhuǎn)子增加流通孔方案，如圖8所示。

圖8 改進(jìn)方案示意圖

旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)低噪聲設(shè)計(jì)過程中，壓縮機(jī)電機(jī)整體向上抬高，即適當(dāng)減少尺寸A，增大尺寸B，使壓縮機(jī)電機(jī)上下腔空間大小更加合理，防止壓縮機(jī)電機(jī)上下腔體氣流脈動(dòng)產(chǎn)生氣體湍流，降低氣流脈動(dòng)性噪聲，同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)置流通孔，增大氣體流通路徑，減少氣體流通阻力。

通過上述方案，減少了壓縮機(jī)電機(jī)上下腔體壓力脈動(dòng)和轉(zhuǎn)子上下端面氣體力波動(dòng)幅值，可有效縮小轉(zhuǎn)子上下端面所受的氣體力差值，防止轉(zhuǎn)子與曲軸上下跳動(dòng)，產(chǎn)生止推噪聲。

3.2 試驗(yàn)及分析

同樣采用半球面10點(diǎn)法進(jìn)行噪聲數(shù)據(jù)采集，低噪設(shè)計(jì)方案壓縮機(jī)聲功率頻譜測(cè)試結(jié)果如圖9所示，且測(cè)試過程中壓縮機(jī)不連續(xù)噪聲異響消失。

圖9 聲功率頻譜

由圖9與圖2對(duì)比得出，低噪設(shè)計(jì)方案壓縮機(jī)較原設(shè)計(jì)方案壓縮機(jī)聲功率頻譜在800～1000Hz頻段峰值降低4～5dB左右 ，低頻段噪聲峰值異常突出問題改善明顯，且噪聲峰值頻率在5000Hz左右，音質(zhì)評(píng)估電磁與氣流噪音占主導(dǎo)，機(jī)械撞擊噪聲消失。

對(duì)噪聲總值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，低噪設(shè)計(jì)方案壓縮機(jī)各頻率下噪聲總值較原設(shè)計(jì)方案壓縮機(jī)降低2～3dB左右，對(duì)比結(jié)果如圖10所示，從聲功率頻譜和噪聲總值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，低噪設(shè)計(jì)方案有效減少了壓縮機(jī)電機(jī)上下腔的壓力脈動(dòng)幅值，防止轉(zhuǎn)子與曲軸上下跳動(dòng)，產(chǎn)生止推噪聲。

圖10 噪聲總值對(duì)比

4 結(jié)束語

(1)采用半球面10點(diǎn)法測(cè)試采集出現(xiàn)止推噪聲的旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)噪聲數(shù)據(jù)，確保了聲功率譜的準(zhǔn)確性，通過對(duì)壓縮機(jī)聲功率譜和聲強(qiáng)掃面圖譜的嚴(yán)謹(jǐn)分析，斷定了曲軸軸向跳動(dòng)引起曲軸止推面碰撞軸承端面是壓縮機(jī)止推噪聲產(chǎn)生的主要原因。

(2)通過流場(chǎng)仿真計(jì)算，確定出現(xiàn)止推噪聲的壓縮機(jī)電機(jī)上下腔體氣體壓力脈動(dòng)較大，轉(zhuǎn)子上下端面氣體力峰值合力大于曲軸與轉(zhuǎn)子的重力之和，且方向相反，從而引起曲軸轉(zhuǎn)子上下跳動(dòng)。。

(3)提出了一種壓縮機(jī)低噪設(shè)計(jì)方案，經(jīng)試驗(yàn)得出該低噪設(shè)計(jì)方案合理可行，有效防止了壓縮機(jī)止推噪聲的產(chǎn)生，且壓縮機(jī)噪聲總值有所降低。

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AnalysisandExperimentalStudyforProductionMechanismofInverterCompressorTrustNoise

CHEN Hui，ZHAO Xumin，YE Xiaofei，WANG Wei，ZHU Ningkai

( Zhuhai Gree Electrical Appliances Co.，LTD，Zhuhai 519000，China )

2016-11-29；

2017-2-27

陳輝(1986-)，男，助理工程師，研究方向：壓縮機(jī)設(shè)計(jì)。E-mail：583770910@qq.com

ISSN1005-9180(2017)03-024-05

TB652文獻(xiàn)標(biāo)示碼A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.03.005