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        變頻渦旋壓縮機(jī)噪聲特性及降噪方法研究

        2023-12-28 02:25:04張文卓李丙乾許曉明陳建國(guó)閆偉國(guó)李宏坤
        流體機(jī)械 2023年11期

        張文卓,曲 政,李丙乾,許曉明,王 珍,陳建國(guó),閆偉國(guó),李宏坤

        (1.大連大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧大連 116622;2. 松下壓縮機(jī)(大連)有限公司,遼寧大連 116032;3.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧大連 116081)

        0 引言

        渦旋壓縮機(jī)是一種容積式壓縮機(jī),具有零件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及安全性高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于制冷、空調(diào)等領(lǐng)域[1-3]。然而,傳統(tǒng)的定頻渦旋壓縮機(jī)功率是恒定不變的,在工作過程中需通過頻繁地啟停來(lái)控制溫度。相比于定頻渦旋壓縮機(jī),變頻渦旋壓縮機(jī)可以通過控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)輸出功率,無(wú)需頻繁地啟停。因而變頻渦旋壓縮機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)、高效節(jié)能且溫度控制更加精確,具有優(yōu)良的環(huán)境舒適度,在市場(chǎng)中的占有率逐年提升[3-6]。

        氣閥是壓縮機(jī)的核心零部件之一,直接影響壓縮機(jī)的能效、可靠性及噪聲性能等。當(dāng)前排氣閥種類較多,如舌簧閥、網(wǎng)狀閥、條形閥等[7-8]。然而以前對(duì)氣閥的研究多圍繞氣閥的可靠性及受力方面,對(duì)噪聲性能的影響極?。?-10]。而噪聲一直是壓縮機(jī)的核心性能之一,直接決定壓縮機(jī)的質(zhì)量和品質(zhì)??刂茐嚎s機(jī)的噪聲不但是壓縮機(jī)未來(lái)發(fā)展的要求,更是降低噪音污染,改善人類生活環(huán)境的重要措施[6]。然而當(dāng)前對(duì)于新型變頻渦旋壓縮機(jī)的噪聲性能研究相對(duì)較少,缺乏理論上的深度研究。

        基于此,本文圍繞變頻渦旋壓縮機(jī)噪聲特性展開研究,系統(tǒng)分析工況以及轉(zhuǎn)速對(duì)渦旋壓縮機(jī)噪聲性能的影響。在研究過程中發(fā)現(xiàn),排氣閥機(jī)構(gòu)對(duì)變頻渦旋壓縮機(jī)的噪聲性能有較大影響,尤其是中轉(zhuǎn)速下。由此提出變頻渦旋壓縮機(jī)排氣閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略,采用圓片閥替代舌簧閥排氣機(jī)構(gòu),有效改善了旋壓縮機(jī)中轉(zhuǎn)速下的噪聲性能,且相比于中溫工況,低溫工況的降幅更大。

        1 試驗(yàn)方法

        1.1 壓縮機(jī)性能測(cè)試

        采用壓縮機(jī)性能測(cè)試臺(tái)對(duì)變頻渦旋壓縮機(jī)的性能進(jìn)行測(cè)試。采用無(wú)刷直流變頻電機(jī)作為動(dòng)力源,壓縮機(jī)容積比為3.6。壓縮機(jī)分別以不同轉(zhuǎn)速工作于中溫和低溫工況,工況參數(shù)見表1。經(jīng)過時(shí)間為1 000 h 的持續(xù)工作過程,該壓縮機(jī)表現(xiàn)出了優(yōu)良的持久性和穩(wěn)定性。

        表1 壓縮機(jī)性能測(cè)試工況參數(shù)Tab.1 Compressor performance test operating parameters

        1.2 壓縮機(jī)噪聲性能測(cè)試

        將BK3560C 多通道數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)連接用于采集數(shù)據(jù)信息,噪聲測(cè)試在全消聲室內(nèi)進(jìn)行,該消聲室本底噪聲為16.5 dB,截止率為63.5 Hz。采用型號(hào)為B&K 4189 型麥克風(fēng)(配有放大器)測(cè)試壓縮機(jī)噪聲。噪聲測(cè)定頻率響應(yīng)范圍為0~6 400 Hz,頻率分辨率為1 Hz。4 個(gè)麥克風(fēng)與壓縮機(jī)的距離均為1 m,按逆時(shí)針排布同時(shí)測(cè)定壓縮機(jī)噪聲性能。采用4 個(gè)麥克風(fēng)的平均聲壓級(jí)Lsp確定壓縮機(jī)的噪聲性能,公式為:

        式中,LPA,LPB,LPC,LPD分別為對(duì)應(yīng)麥克風(fēng)測(cè)定的聲壓級(jí)。

        1.3 壓縮機(jī)振動(dòng)性能測(cè)試

        采用相同的數(shù)據(jù)采集卡,并結(jié)合加速度傳感器對(duì)各零部件的振動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)試,頻率響應(yīng)范圍為0~6 400 Hz,頻率分辨率為1 Hz。測(cè)試時(shí)同時(shí)測(cè)定x(切向)、y(徑向)和z(軸向)3 個(gè)方向的加速度。

        2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.1 壓縮機(jī)性能分析

        針對(duì)中溫和低溫工況不同轉(zhuǎn)速下的壓縮機(jī)性能分別進(jìn)行了研究。相比于中溫工況(壓力比約為4.0),低溫工況下的壓力比顯著提升,約為7.9。值得注意的是,此排氣溫度并沒有隨著轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的變化而變化,表明壓縮機(jī)工作正常,排氣口無(wú)堵塞。此外,隨著轉(zhuǎn)速增加,中低溫工況下冷媒循環(huán)量呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。相比于低溫工況,中溫工況下相同轉(zhuǎn)速的冷媒循環(huán)量約為低溫工況的1.6倍。隨著轉(zhuǎn)速的增加,壓縮機(jī)輸入功率和輸出功率頁(yè)均呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。而在相同轉(zhuǎn)速下,兩種工況壓縮機(jī)的輸入功率幾乎一樣,但中溫工況下的輸出功率卻明顯增加,這也導(dǎo)致中溫工況下的制冷系數(shù)COP 明顯高于低溫工況。

        2.2 噪聲特性分析

        針對(duì)中溫和低溫工況不同轉(zhuǎn)頻下壓縮機(jī)的噪聲性能分別進(jìn)行了測(cè)試,獲得的聲壓時(shí)域譜如圖1 所示。在不同工況及轉(zhuǎn)頻下壓縮機(jī)聲壓均呈現(xiàn)周期性波動(dòng)趨勢(shì),波動(dòng)周期分布較均勻,峰值比較平均,表明壓縮機(jī)工作穩(wěn)定,無(wú)異響。不同轉(zhuǎn)速下低溫工況聲壓的幅值均高于中溫工況,表明低溫工況的噪聲大于中溫工況。這主要是因?yàn)榈蜏毓r下壓力比增加使得壓縮機(jī)內(nèi)部冷媒的壓力脈動(dòng)增大,導(dǎo)致氣動(dòng)噪聲增加顯著。在其他制冷壓縮機(jī)的研究中,也取得了類似的結(jié)論[11-13]。此外,各轉(zhuǎn)頻下變頻渦旋壓縮機(jī)的平均總聲壓級(jí),如圖1(d)所示,通常壓縮機(jī)平均聲壓級(jí)與轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì),而在本壓縮機(jī)的中轉(zhuǎn)速為70 r/s 時(shí)中、低溫工況的聲壓級(jí)有明顯的突增。且在低溫工況下,相比于轉(zhuǎn)速分別為30,110,70 r/s 下的聲壓級(jí)增幅更加明顯,表明在中轉(zhuǎn)速下有額外的噪聲源引起了壓縮機(jī)的噪聲激增。

        圖1 壓縮機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的平均聲壓時(shí)域譜Fig. 1 Time domain spectrum of average sound pressure at different compressor speeds

        通過傅里葉變換獲得中、低溫工況下不同轉(zhuǎn)速A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的1/3 倍頻程圖譜,如圖2 所示。在110 r/s 下中、低溫工況全頻段頻譜的特征基本吻合,無(wú)明顯差別。在轉(zhuǎn)速分別為30,70 r/s 下0~3 000 Hz 頻段范圍內(nèi)的頻譜基本重合,而在3 000~6 000 Hz 頻段范圍內(nèi)低溫工況噪聲明顯大于中溫工況。在轉(zhuǎn)速為70 r/s時(shí),4 500 Hz頻段的噪聲極大,已成為壓縮機(jī)整體噪聲的主要貢獻(xiàn)源。根據(jù)頻譜并結(jié)合整體平均聲壓級(jí),可以看出中轉(zhuǎn)速下噪聲增加的主要原因來(lái)自于4 500 Hz 頻段聲壓級(jí)的大幅度增加。因此確定4 500 Hz 頻段附近的噪聲源,并降低該噪聲是本論文研究的重點(diǎn)。

        對(duì)轉(zhuǎn)速為70 r/s 時(shí)壓縮機(jī)下支撐焊點(diǎn)、上支撐焊點(diǎn)和上蓋中心點(diǎn)處的振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果如圖3 所示。從圖中可以看出,在上蓋中心點(diǎn)的軸向上,在4 500 Hz 頻段附近有明顯的特征峰,幅值極大。且4 500 Hz 附近的峰強(qiáng)度從上蓋、上支撐至下支撐依次降低,表明在4 500 Hz 頻段附近的噪聲源主要來(lái)自于壓縮機(jī)上端。另外,在切向、徑向和軸向3 個(gè)方向上,軸向在4 500 Hz 頻段處的振動(dòng)最大。上蓋中心點(diǎn)沿軸向上、下運(yùn)動(dòng)的部件只有排氣閥片。由此推測(cè)4 500 Hz 頻段處的振動(dòng)主要源自于排氣閥機(jī)構(gòu)。

        圖3 壓縮機(jī)振動(dòng)頻譜Fig.3 Vibration spectrum of compressor

        基于上述分析,將氣閥去除,對(duì)壓縮機(jī)的噪聲性能進(jìn)行測(cè)試,在中、低溫工況下的測(cè)試結(jié)果如圖4 所示。相比于舌簧閥,無(wú)氣閥壓縮機(jī)中、低溫工況時(shí)轉(zhuǎn)速分別為30,70,110 r/s 下的聲壓級(jí)均有大幅度下降。根據(jù)倍頻程圖譜如圖4(a)~(c)可以看出,聲壓級(jí)下降頻率范圍主要位于3 000~6 000 Hz 頻段。且去掉氣閥后壓縮機(jī)聲壓級(jí)與轉(zhuǎn)速基本呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)(如圖4(d)所示)。表明氣閥產(chǎn)生的噪聲對(duì)壓縮機(jī)的噪聲性能影響較大。在轉(zhuǎn)速為70 r/s 時(shí),無(wú)閥壓縮機(jī)的噪聲下降尤為明顯,表明在中轉(zhuǎn)速下氣閥對(duì)壓縮機(jī)整體聲壓級(jí)的貢獻(xiàn)極大。值得注意的是,壓縮機(jī)的氣閥對(duì)排氣溫度、COP 等性能具有較大影響[14-16]。而且制冷壓縮機(jī)在進(jìn)氣口處安裝有溫度傳感器用于檢測(cè)外部溫度,當(dāng)溫度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生信號(hào)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。若無(wú)氣閥結(jié)構(gòu),在關(guān)閉時(shí)刻容易使排氣口處高溫高壓的冷媒回流至進(jìn)氣口,刺激溫度傳感器使壓縮機(jī)恢復(fù)啟動(dòng),因此制冷壓縮機(jī)必須安裝有氣閥結(jié)構(gòu)[17]。

        圖4 中、低溫工況下舌簧閥與無(wú)閥壓縮機(jī)A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)1/3 倍頻程圖譜Fig.4 1/3 octave spectrum of A weighing sound pressure level of tongue spring valve and valveless compressor at medium and low temperature

        3 變頻渦旋壓縮機(jī)噪聲性能優(yōu)化方法

        通過上述分析可以看出,排氣閥機(jī)構(gòu)對(duì)壓縮機(jī)的整體噪聲影響極大,而無(wú)排氣閥又不利于壓縮機(jī)的性能。因此,改善壓縮機(jī)氣閥結(jié)構(gòu),對(duì)于優(yōu)化壓縮機(jī)的整體噪聲,降低壓縮機(jī)的聲壓級(jí)是非常必要的。

        基于此,本文設(shè)計(jì)圓片閥排氣機(jī)構(gòu)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的舌簧閥排氣機(jī)構(gòu),如圖5 所示。

        圖5 壓縮機(jī)排氣閥結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of compressor exhaust valve

        兩氣閥閥片厚度、排氣孔尺寸均保持一致。相比于舌簧閥,圓片閥自身無(wú)剛度,在工作過程中其運(yùn)動(dòng)完全受內(nèi)、外部壓力影響,當(dāng)排氣壓力大于外部冷凝壓力時(shí)閥片打開向上運(yùn)動(dòng)。排氣結(jié)束后閥片下端氣體壓力顯著下降,在內(nèi)外壓差作用下快速回落[18-19]。相比于圓片閥,舌簧閥自身具有彈性,在排氣閥打開后相當(dāng)于施加一個(gè)反向作用力加速閥片反向運(yùn)動(dòng)。因而圓片閥反向運(yùn)動(dòng)撞擊閥座的速度會(huì)明顯小于舌簧閥,由閥片拍擊引起的噪聲也會(huì)顯著降低。

        為了明確圓片閥對(duì)壓縮機(jī)噪聲性能的影響,對(duì)不同工況下壓縮機(jī)的噪聲性能進(jìn)行了測(cè)試,獲得的中溫工況下A 計(jì)權(quán)1/3 倍頻程聲壓級(jí)圖譜如圖6 所示。從圖中可以看出,各轉(zhuǎn)頻下采用圓片閥下降的主要頻段均位于4 500 Hz 左右的頻率區(qū)間內(nèi)。相比于舌簧閥壓縮機(jī),圓片閥壓縮機(jī)在轉(zhuǎn)速分別為30,70,110 r/s 下的總聲壓級(jí)分別降低0.99,3.83,1.82 dB。相比于中溫工況,低溫工況下圓片閥下降的更加明顯。低溫工況下圓片閥壓縮機(jī)在轉(zhuǎn)速分別為30,70,110 r/s 下的總聲壓級(jí)分別降低1.42,4.15,1.98 dB,由此可以看出采用圓片閥排氣機(jī)構(gòu)可降低由壓縮機(jī)排氣閥產(chǎn)生的噪聲,使壓縮機(jī)整體聲壓級(jí)下降非常顯著。

        圖6 中低溫工況下圓片閥和舌簧閥壓縮機(jī)A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)1/3 倍頻程圖譜Fig.6 1/3 octave spectrum of disc valve and tongue spring valve compressor A weighing sound pressure level under medium and low temperature conditions

        進(jìn)一步對(duì)圓片閥渦旋壓縮機(jī)中、低溫工況以及各轉(zhuǎn)速下的性能進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果如圖7 所示。與舌簧閥變頻渦旋壓縮機(jī)趨勢(shì)一致,隨著轉(zhuǎn)頻增加,冷媒循環(huán)量、輸入功率以及制冷量均呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。中溫工況下壓縮機(jī)的冷媒循環(huán)量和制冷量以及COP 明顯高于低溫工況。與舌簧閥壓縮機(jī)相比,該圓片閥壓縮機(jī)在中、低溫工況各轉(zhuǎn)速下的冷媒循環(huán)量、輸入功率、制冷量以及COP 均無(wú)明顯變化,表明將排氣機(jī)構(gòu)改成圓片閥對(duì)壓縮機(jī)的性能并沒有產(chǎn)生明顯影響。

        圖7 中低溫工況下圓片閥壓縮機(jī)的性能Fig.7 Performance of disc valve compressors at medium and low temperature

        4 結(jié)論

        (1)隨著轉(zhuǎn)速的增加,渦旋壓縮機(jī)的冷媒循環(huán)量、電機(jī)輸入功率以及制冷量均呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。同時(shí),相比于中溫工況,低溫工況下壓縮機(jī)的壓力比顯著增大,在相應(yīng)轉(zhuǎn)速下低溫工況的噪聲均高于中溫工況。

        (2)在中轉(zhuǎn)速下舌簧閥壓縮機(jī)有額外噪聲位于4 500 Hz 附近的寬頻段,該噪聲主要源自于排氣閥機(jī)構(gòu)。

        (3)采用圓片閥替代舌簧閥。相比于舌簧閥,圓片閥自身無(wú)剛性,開啟階段能夠有效減小冷媒的壓力脈動(dòng)。且在閉合階段,可減小由閥片反向運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的拍擊噪聲。因此采用圓片排氣閥顯著改善中轉(zhuǎn)速下渦旋壓縮機(jī)的噪聲性能。另外,采用圓片閥排氣機(jī)構(gòu)并不會(huì)影響壓縮機(jī)的其他各項(xiàng)性能,比如制冷量以及COP 等。

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