金偉楠 盧傅安 劉長勝 任霽筇 王海倫 于 晃

（沈鼓集團(tuán)股份有限公司）

0 引言

軸流壓縮機(jī)具有大流量、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于冶金、化工、石油、航空等領(lǐng)域。軸流壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，近年來噪聲的高低已成為衡量壓縮機(jī)性能好壞的重要技術(shù)指標(biāo)。文獻(xiàn)[1-4]對(duì)葉輪機(jī)械氣動(dòng)噪聲的進(jìn)行了研究，其中離散噪聲在噪聲頻譜圖上表現(xiàn)出較高的峰值，對(duì)整體噪聲的貢獻(xiàn)最大，針對(duì)離散噪聲進(jìn)行控制可以有效降低葉輪機(jī)械噪聲。

針對(duì)某多級(jí)軸流壓縮機(jī)的噪聲過大問題，選用穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)作為降噪材料，針對(duì)壓縮機(jī)主要離散噪聲設(shè)計(jì)了帶蜂窩結(jié)構(gòu)的雙層穿孔板降噪結(jié)構(gòu)。自從20世紀(jì)70年代馬大猷教授開創(chuàng)性的提出可用于計(jì)算和設(shè)計(jì)的微穿孔板吸聲體理論[6]，國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了對(duì)穿孔板吸聲特性的研究。部分學(xué)者對(duì)擴(kuò)散聲場(chǎng)、有切向流及高聲強(qiáng)條件下穿孔板吸聲特性進(jìn)行了理論和試驗(yàn)方面的研究[7-13]，提出了一些適用于特定條件的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。也有學(xué)者將穿孔板降噪結(jié)構(gòu)應(yīng)用于工程實(shí)踐，王占學(xué)等[14]針對(duì)某單級(jí)軸流壓縮機(jī)排氣噪聲，設(shè)計(jì)了微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)1000～4000Hz 頻率范圍內(nèi)噪聲的有效控制；曾吾等[15]采用試驗(yàn)研究方法對(duì)不同轉(zhuǎn)速、不同進(jìn)口馬赫數(shù)工況下跨音單級(jí)軸流壓氣機(jī)進(jìn)氣管道鋪設(shè)單段、三段微穿孔板蜂窩吸聲結(jié)構(gòu)以及硬壁管道的降噪效果進(jìn)行對(duì)比分析；張勝利等[16]在風(fēng)洞改造項(xiàng)目中采用主動(dòng)降噪加被動(dòng)降噪的方案，通過對(duì)氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、振動(dòng)的聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及在風(fēng)洞噪聲傳播途徑上鋪設(shè)微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)噪聲的有效控制，提高了風(fēng)洞測(cè)試精度。

1 穿孔板吸聲理論基礎(chǔ)

1.1 線性模型

馬大猷教授提出的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)[6]，使得在x滿足1＜x＜10時(shí)，對(duì)應(yīng)的阻抗率為：

管長t如果不是比管徑大的多，還需要加上末端修正值。聲質(zhì)量的末端修正值由末端的聲輻射而來，考慮兩端輻射，使其有效管長增加0.85d。聲阻的末端修正是由空氣出入微管時(shí)部分沿障板流動(dòng)產(chǎn)生摩擦所致。兩端都是無窮障板時(shí)，聲阻率增加約，η為流體的粘滯系數(shù)。

考慮穿孔率σ，穿孔板的相對(duì)聲阻抗可表示為：

1.2 高聲強(qiáng)條件下的模型

在高聲強(qiáng)條件下多孔板結(jié)構(gòu)的聲阻抗依賴于入射聲壓級(jí)的大小，表現(xiàn)出非線性特性。多孔結(jié)構(gòu)在高聲壓級(jí)下的阻抗模型有多種，如A.Cummings模型[7]、馬大猷模型[8]、T.H.Melling模型[9]等。

馬大猷教授從前人的測(cè)量結(jié)果看到管的末端修正量隨質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的增加而減小，并且與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，穿孔率有關(guān)[8]。因此，他提出應(yīng)在瑞利末端修正量的基礎(chǔ)上再乘以一個(gè)因數(shù)，該因數(shù)為：

高聲壓級(jí)下的相對(duì)聲阻抗表示為：

其中，u0為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的峰值。

1.3 切向流條件下的模型

穿孔在有流條件下的精確的數(shù)學(xué)阻抗模型是不容易得到的，因此目前用的模型大部分是基于實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。有流條件下的模型有Rao、Munjal 模型[12]、Kooi、Sarin模型[13]、Cummings模型[10]等。

Lee[11]等通過實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量了各種參數(shù)條件下小孔的阻抗，在此基礎(chǔ)上利用非線性回歸方法求解回歸系數(shù)。在其回歸模型中有一特征頻率f0對(duì)應(yīng)其阻抗的最小值，其中f0表示為：

穿孔板的相對(duì)聲阻表示為：

穿孔板的相對(duì)聲抗表示為：

為了避免聲壓級(jí)引起的非線性效應(yīng)，試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)是在聲壓級(jí)130dB左右下測(cè)量的，另外該回歸模型的其它參數(shù)適用范圍如下：f∈[60,4000]Hz;d∈[2,9]mm;t∈[1,5]mm;M∈[0,0.2];σ∈[2.79%,22.3%]。

2 被動(dòng)降噪方案設(shè)計(jì)

2.1 軸流壓縮機(jī)噪聲源分析

葉輪機(jī)械氣動(dòng)噪聲主要包括離散噪聲和寬頻噪聲，離散噪聲對(duì)整體噪聲的貢獻(xiàn)最大，因此針對(duì)離散噪聲的頻率范圍進(jìn)行降噪方案設(shè)計(jì)。軸流壓縮機(jī)的氣動(dòng)噪聲主要由作用在動(dòng)、靜葉片之間強(qiáng)烈的動(dòng)靜干涉產(chǎn)生，其主要噪聲源為靜葉葉片和動(dòng)葉葉片上的非定常壓力脈動(dòng)。上游葉片尾跡與下游葉片之間的干涉頻率（葉片通過頻率，BPF）可以采用公式(9)計(jì)算：

式中，n為主軸轉(zhuǎn)速，r/min；Z1為上游葉片的葉片數(shù)。

研究對(duì)象為四級(jí)軸流壓縮機(jī)，每級(jí)由動(dòng)、靜葉片排組成，各級(jí)動(dòng)葉片數(shù)均為26 片，前三級(jí)靜葉片為51 片，第四級(jí)靜葉片為29片。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為295～522r/min，根據(jù)軸流壓縮機(jī)各級(jí)葉片數(shù)及工作轉(zhuǎn)速，帶入公式（9）中計(jì)算得到各工況對(duì)應(yīng)的葉片通過頻率及其倍頻。將動(dòng)葉片通過頻率的1～4倍頻作為主要的降噪設(shè)計(jì)頻率，本文采用的軸流壓縮機(jī)主要離散噪聲頻率范圍為128～905Hz。

2.2 降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)軸流壓縮機(jī)噪聲特性及長期安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求，選用能夠滿足在軸流壓縮機(jī)的溫度、壓力范圍內(nèi)長期運(yùn)行的雙層穿孔板加蜂窩降噪結(jié)構(gòu)。

相比于單層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，采用雙層穿孔板結(jié)構(gòu)可以有效拓寬吸聲頻帶范圍；穿孔板和蜂窩結(jié)構(gòu)均采用不銹鋼材料，并采用全釬焊的加工工藝進(jìn)行焊接，可以保障降噪結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。圖1為雙層穿孔板加蜂窩結(jié)構(gòu)的示意圖，降噪結(jié)構(gòu)由兩層穿孔板、剛性背板、中間的蜂窩芯及支撐筋板組成。

圖1 雙層穿孔板降噪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of noise reduction structure of double-layer perforated plate

切向氣流和聲壓級(jí)對(duì)穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)的非線性聲學(xué)特性產(chǎn)生影響，使得聲阻抗發(fā)生變化。根據(jù)章節(jié)1中穿孔板吸聲理論，同時(shí)采用現(xiàn)有研究成果中的經(jīng)驗(yàn)公式[8，11]對(duì)切向流和高聲強(qiáng)條件下聲阻抗進(jìn)行修正，編制雙層穿孔板吸聲性能預(yù)測(cè)方法。通過調(diào)整蜂窩高度、板厚、孔徑、穿孔率，使得降噪結(jié)構(gòu)的吸聲性能曲線覆蓋軸流壓縮機(jī)主要離散噪聲頻率范圍，且兩個(gè)吸聲峰值之間的波谷位置吸聲系數(shù)大于0.65，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整設(shè)計(jì)確定了降噪結(jié)構(gòu)的參數(shù)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 雙層穿孔板降噪結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Noise reduction structure parameters of doublelayer perforated plate

2.3 降噪結(jié)構(gòu)吸聲性能測(cè)試

根據(jù)設(shè)計(jì)得到的雙層穿孔板加蜂窩降噪結(jié)構(gòu)參數(shù)，加工試驗(yàn)樣件。由于試驗(yàn)臺(tái)尺寸限制，測(cè)試樣件第二層后腔厚度由設(shè)計(jì)值90mm 改為40mm。計(jì)算得到不同后腔厚度方案的吸聲系數(shù)，如下圖2所示，（1）第二層后腔厚度40mm方案的吸聲峰值頻率相比于設(shè)計(jì)方案，向高頻方向移動(dòng)；（2）100～200Hz 范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)方案吸聲系數(shù)高于0.4，200～1400Hz 范圍內(nèi)，吸聲系數(shù)均高于0.65，在軸流壓縮機(jī)主要噪聲頻率范圍內(nèi)均有較高的吸聲系數(shù)。

圖2 不同腔深方案吸聲系數(shù)對(duì)比Fig.2 Comparison of sound absorption coefficient of different cavity depth schemes

聲襯阻抗流管測(cè)試平臺(tái)如圖3 所示，主要包括：1）測(cè)量傳 聲 器GRAS46BP，22 個(gè)；2）大 功率 揚(yáng) 聲 器，BMS 4592nd-mid，4 個(gè)；3）數(shù)據(jù)采集卡輸出NI USB-6259，輸入PXI-4496；4）活塞式標(biāo)準(zhǔn)聲源，B&K4228；5）溫度計(jì)，TP3001。

圖3 流管測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.3 Flow duct test bench

測(cè)量方法采用聲阻抗直接提取法，具體見文獻(xiàn)[17]。

測(cè)試條件為氣流流速50m/s、聲壓級(jí)130dB，測(cè)量得到雙層穿孔板加蜂窩結(jié)構(gòu)的聲阻抗，計(jì)算得到不同頻率的吸聲系數(shù)。

圖4為流管法測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比，200～1000Hz頻率范圍內(nèi)，測(cè)試結(jié)果的峰值頻率和吸聲系數(shù)曲線均與計(jì)算結(jié)果符合良好。由于試驗(yàn)臺(tái)限制，200Hz以下的頻率范圍內(nèi)，聲阻抗測(cè)量結(jié)果偏差較大，因此計(jì)算得到的聲阻抗波動(dòng)較大。

圖4 降噪結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)Fig.4 Sound absorption coefficient of noise reduction structure

2.4 降噪結(jié)構(gòu)布置

降噪結(jié)構(gòu)鋪設(shè)位置為壓縮機(jī)出口下游的尾錐段，安裝在管道外機(jī)殼的內(nèi)壁上，第一層穿孔板表面與管道上、下游壁面平齊，保證沿氣流方向無逆差存在，如圖5所示。降噪結(jié)構(gòu)鋪設(shè)總長度約為外殼體內(nèi)壁面直徑的1.3倍。

圖5 降噪結(jié)構(gòu)布置示意圖Fig.5 Schematic diagram of noise reduction structure

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析

軸流壓縮機(jī)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的過程中，對(duì)壓縮機(jī)內(nèi)流場(chǎng)的噪聲進(jìn)行了測(cè)量。降噪結(jié)構(gòu)上、下游噪聲測(cè)點(diǎn)分別布置在降噪結(jié)構(gòu)進(jìn)口前1米截面和降噪結(jié)構(gòu)出口后1 米截面。為了驗(yàn)證降噪結(jié)構(gòu)的效果，在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)分別選取了低（300r/min）、中（400r/min）、高（500r/min）三個(gè)不同轉(zhuǎn)速工況，提取了降噪結(jié)構(gòu)上、下游的時(shí)域信號(hào)，通過傅里葉變換得到測(cè)試結(jié)果的頻域信號(hào)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

三個(gè)工況的總壓條件相同，進(jìn)口容積流量分別為46674m3/min、79653m3/min、88810m3/min，降噪結(jié)構(gòu)進(jìn)口流速分別為46.41m/s、72.67m/s、76.35m/s，降噪結(jié)構(gòu)出口流速分別為32.19m/s、50.41m/s、52.96m/s。圖6 為測(cè)量得到的降噪結(jié)構(gòu)上、下游截面總聲壓級(jí)的對(duì)比，從圖中可以看出三個(gè)工況下，壓縮機(jī)噪聲從降噪結(jié)構(gòu)上游傳播至降噪結(jié)構(gòu)下游的過程中，聲壓級(jí)分別降低了8.7dB、6.9dB 和10.3dB。

圖6 降噪結(jié)構(gòu)上、下游截面聲壓級(jí)對(duì)比Fig.6 Comparison of upper and lower section sound pressure level of noise reduction structure

圖7 為不同工況對(duì)應(yīng)的降噪結(jié)構(gòu)上、下游截面頻譜對(duì)比。由圖中可以看出：1）軸流壓縮機(jī)的葉片通過頻率及其倍頻的離散噪聲明顯高于其它頻率下的寬頻噪聲的聲壓級(jí)，因此對(duì)葉片通過頻率及其倍頻的抑制可以有效降低軸流壓縮機(jī)的噪聲；2）軸流壓縮機(jī)的一倍頻葉片通過頻率通常具有較高的聲壓級(jí)，但從三個(gè)工況測(cè)試結(jié)果看，一倍頻葉片通過頻率的聲壓級(jí)均明顯低于二、三倍頻，分析可能是由于在傳播的過程中被阻截；3）“工況1”壓縮機(jī)出口頻譜中二倍葉片通過頻率的聲壓級(jí)最高，為127.2dB，降噪結(jié)構(gòu)后為119.5dB，降噪量7.7dB；“工況2”壓縮機(jī)出口頻譜中二、三倍葉片通過頻率的聲壓級(jí)最高，分別為130.1dB、126.7dB，降噪結(jié)構(gòu)后分別為125.8dB、112.5dB，降噪量分別為4.3dB、14.2dB；“工況3”壓縮機(jī)出口頻譜中二、三倍葉片通過頻率的聲壓級(jí)最高，分別為139.3dB、140.8dB，降噪結(jié)構(gòu)后分別為131.1dB、127.3dB，降噪量分別為8.2dB、13.5dB；（4）200～1000Hz頻率范圍內(nèi)，降噪結(jié)構(gòu)后截面聲壓級(jí)的頻譜圖明顯低于降噪結(jié)構(gòu)前，降噪結(jié)構(gòu)在此頻率范圍內(nèi)吸聲性能良好，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。同時(shí)，在1000～2500Hz的頻率范圍內(nèi)，降噪結(jié)構(gòu)仍有吸聲效果。

圖7 不同工況下降噪結(jié)構(gòu)上、下游截面頻譜對(duì)比Fig.7 Frequency spectrum comparison of upper and lower section of noise reduction structure in different working condition

4 結(jié)論

針對(duì)某多級(jí)軸流壓縮機(jī)噪聲過高問題，做了雙層穿孔板降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在壓縮機(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過程中對(duì)降噪結(jié)構(gòu)上、下游截面進(jìn)行了噪聲測(cè)量，通過對(duì)測(cè)量結(jié)果分析得到如下結(jié)論：

1）采用流管法試驗(yàn)對(duì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)得到的降噪方案進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果符合良好，證明了所選用的阻抗修正模型在高聲強(qiáng)、切向流條件下精度較高；

2）文中分析的三個(gè)工況，壓縮機(jī)噪聲從降噪結(jié)構(gòu)上游傳播至降噪結(jié)構(gòu)下游的過程中，聲壓級(jí)分別降低了8.7dB、6.9dB和10.3dB，證明降噪方案設(shè)計(jì)的有效性。同時(shí)，說明了穿孔板加蜂窩的降噪結(jié)構(gòu)，適用于軸流壓縮機(jī)噪聲的控制；

3）根據(jù)噪聲測(cè)試頻譜圖分析結(jié)果，一倍頻葉片通過頻率可能在傳播的過程中被阻截，因此，在軸流壓縮機(jī)設(shè)計(jì)階段，可以通過優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)調(diào)整阻截頻率，使幅值較高的離散噪聲被阻截，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)軸流壓縮機(jī)噪聲的有效控制。