不同類型擴(kuò)壓器對離心式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)振動與輻射噪聲影響的試驗(yàn)研究*

李宏坤 周 帥 張曉雯/大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院振動工程研究所

李秀剛/沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

不同類型擴(kuò)壓器對離心式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)振動與輻射噪聲影響的試驗(yàn)研究*

李宏坤 周 帥 張曉雯/大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院振動工程研究所

李秀剛/沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

0 引言

擴(kuò)壓器是離心壓縮機(jī)靜止件中不可或缺的部件，擴(kuò)壓器是由葉輪出口兩側(cè)隔板組成的環(huán)形通道，結(jié)構(gòu)形式主要有無葉擴(kuò)壓器和葉片擴(kuò)壓器[1]。無葉擴(kuò)壓器是由隔板兩個平行光滑的壁面構(gòu)成的環(huán)形通道，通道截面為一系列同心圓。當(dāng)氣體流經(jīng)無葉擴(kuò)壓器內(nèi)時，方向角通常是不會改變的，因此其具有比較寬的穩(wěn)定工況范圍、平坦的性能曲線等優(yōu)點(diǎn)。無葉擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)簡單、加工容易，但是氣體流經(jīng)無葉擴(kuò)壓器時流程遠(yuǎn)，摩擦后損失會比較大。葉片擴(kuò)壓器是通過按著圓周在無葉擴(kuò)壓器的平行光滑的壁面內(nèi)均勻布置一定數(shù)量的葉片而組成，氣體流經(jīng)葉片擴(kuò)壓器內(nèi)時，氣流方向由葉片決定，所以流動狀況好、流動損失相比較而言是很小的。與無葉擴(kuò)壓器相比，葉片擴(kuò)壓器的效率在設(shè)計工況運(yùn)行時比較高（大概能達(dá)到35%）。這種擴(kuò)壓縮器結(jié)構(gòu)緊湊、外徑尺寸小，最佳工況點(diǎn)的效率比較高。但是也存在穩(wěn)定工作的范圍窄，在壓縮機(jī)工況調(diào)節(jié)流量減少時，發(fā)生旋轉(zhuǎn)脫離時，葉片擴(kuò)壓器相對來說容易造成壓縮機(jī)的喘振。本文通過試驗(yàn)研究不同類型擴(kuò)壓器對壓縮機(jī)壓力脈動、振動以及輻射噪聲的影響。

1 壓縮機(jī)性能試驗(yàn)

壓縮機(jī)簡單示意圖如圖1。其主要組成部分為電動機(jī)、齒輪箱、擴(kuò)壓器、葉輪以及進(jìn)口導(dǎo)葉，齒輪箱傳動比為11.419。

試驗(yàn)是為了驗(yàn)證不同類型擴(kuò)壓器對壓縮機(jī)的壓力脈動、振動與聲強(qiáng)的影響，在試驗(yàn)過程中所選的壓縮機(jī)擴(kuò)壓器分別為全高葉片擴(kuò)壓器、楔形葉片擴(kuò)壓器、無葉擴(kuò)壓器以及半高葉片擴(kuò)壓器，擴(kuò)壓器類型見圖2，擴(kuò)壓器出口的壓力脈動受到擴(kuò)壓器的影響較大，而擴(kuò)壓器進(jìn)口以及葉輪進(jìn)口基本不受擴(kuò)壓器影響，因此本文將主要針對擴(kuò)壓器出口處的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

本次試驗(yàn)的試驗(yàn)對象為沈鼓φ200模型級試驗(yàn)臺，其葉輪直徑為240mm，葉片數(shù)為13。試驗(yàn)過程中，在壓縮機(jī)模型級試驗(yàn)臺的試驗(yàn)中，取4個不同流量的測點(diǎn)，由于擴(kuò)壓器類型不同以及喘振等因素，不可能保證每次試驗(yàn)中對應(yīng)的流量點(diǎn)相同，因此將4個流量點(diǎn)粗略描述如下：

測量點(diǎn)1：第一流量點(diǎn)（最大流量點(diǎn)）；

測量點(diǎn)2：第二流量點(diǎn)（設(shè)計流量點(diǎn)）；

測量點(diǎn)3：第三流量點(diǎn)（介于設(shè)計流量與最小流量之間一選定流量點(diǎn)）；

測量點(diǎn)4：第四流量點(diǎn)（最小流量點(diǎn)）。

試驗(yàn)過程中，在不發(fā)生喘振的情況下，最小流量點(diǎn)盡量接近喘振點(diǎn)，最大流量點(diǎn)和設(shè)計流量點(diǎn)盡量接近設(shè)計值。電機(jī)轉(zhuǎn)速2 412r/min，轉(zhuǎn)化成葉片通過頻率約為5 967Hz，試驗(yàn)過程中馬赫數(shù)為1。試驗(yàn)中對葉輪擴(kuò)壓器出口的壓力脈動信號(PP)、機(jī)殼和管道的振動速度信號和聲強(qiáng)進(jìn)行了采集。試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)圖見圖3，傳感器安裝圖見圖4。

2 試驗(yàn)設(shè)備介紹

壓力脈動試驗(yàn)中采用的采集設(shè)備為PCB106A傳感器、NI PCI4472高速數(shù)據(jù)采集儀以及北京東方所的DASP數(shù)據(jù)采集軟件。PCB為美國知名傳感器廠商產(chǎn)品，精度較高，見圖5。美國國家儀器（NI）是美國一家從事與測試、控制、設(shè)計領(lǐng)域相關(guān)的著名公司，其NIPCI4472數(shù)據(jù)采集卡為一塊8通道數(shù)據(jù)采集卡，具有24位分辨率，110dB動態(tài)范圍，最高采樣頻率可達(dá)10.24kHz。

DASP為北京振動與噪聲技術(shù)研究所開發(fā)的軟件。利用NI公司的DAQ-mx作為NI4472的軟件驅(qū)動，配合東方所DASP數(shù)據(jù)采集軟件可對速度、加速度、位移、轉(zhuǎn)速聲壓的信號進(jìn)行采集。聲強(qiáng)測試試驗(yàn)采用北京東方所的DASP測試軟件的聲學(xué)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，噪聲測試平臺可對聲強(qiáng)、聲壓以及環(huán)境噪聲品質(zhì)進(jìn)行測試以及后續(xù)處理。聲強(qiáng)傳感器采用INV9212型ICP聲強(qiáng)傳感器，其主要由兩個傳聲器、隔離柱手柄支架以及導(dǎo)線組成見圖6，兩個聲傳感器的靈敏度分別為45.9mv/Pa和48.5mv/Pa。其中隔離柱的長度為25mm，根據(jù)手冊可知其頻率響應(yīng)范圍為80Hz～25kHz，基本包括噪聲測試所需的頻率范圍，數(shù)據(jù)處理過程中設(shè)置1/3倍頻程以及A計權(quán)。同時對壓縮機(jī)尺寸進(jìn)行測量壓縮機(jī)主要部件大約為長180cm，高120cm，聲強(qiáng)測量網(wǎng)格劃分見圖4（d），網(wǎng)格長度為30cm，高為20cm，一共有6×6個網(wǎng)格，測量過程為依次從上到下，從左到右對36個點(diǎn)進(jìn)行測量。測量時整體網(wǎng)格距離壓縮機(jī)約為1m，壓縮機(jī)關(guān)鍵部件在網(wǎng)格上的投影見圖4（d）。

3 壓力脈動及數(shù)據(jù)分析

3.1壓力脈動頻譜分析

聲壓傳感器分別安裝在葉輪進(jìn)口、擴(kuò)壓器進(jìn)口以及擴(kuò)壓器出口處，經(jīng)分析可知壓力脈動值受擴(kuò)壓器影響最大的點(diǎn)在擴(kuò)壓器出口處，因此著重對擴(kuò)壓器出口處的壓力脈動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖7～圖10為不同擴(kuò)壓器在設(shè)計流量點(diǎn)出口的壓力脈動數(shù)據(jù)的時頻域分析圖。

3.2數(shù)據(jù)分析

對壓力脈動時頻圖分析可以看出擴(kuò)壓器出口壓力脈動的主要分量為葉片通過頻率，因此選擇葉片通過頻率處壓力脈動幅值作為評價擴(kuò)壓器對壓縮機(jī)壓力脈動影響的指標(biāo)，圖11為各個擴(kuò)壓器對應(yīng)壓力脈動的數(shù)據(jù)對比。

從壓縮機(jī)出口的壓力脈動幅值可以看出，在設(shè)計流量下（第二流量點(diǎn)）總體的壓力脈動幅值從大到小依次為全高擴(kuò)壓器、無葉擴(kuò)壓器、楔形擴(kuò)壓器以及半高擴(kuò)壓器。對比全高擴(kuò)壓器和楔形擴(kuò)壓器，除最大流量點(diǎn)（第一流量點(diǎn)）外，楔形擴(kuò)壓器出口的壓力脈動幅值都小于全高擴(kuò)壓器，在設(shè)計流量點(diǎn)（第二流量點(diǎn)）處其壓力脈動幅值甚至小于無葉擴(kuò)壓器，能夠有效降低壓力脈動。對比無葉擴(kuò)壓器和半高擴(kuò)壓器，除去最小流量點(diǎn)（第四流量點(diǎn)）外，其壓力脈動幅值都比無葉擴(kuò)壓器小。

4 振動數(shù)據(jù)分析

4.1振動信號頻譜分析

不同擴(kuò)壓器對壓縮機(jī)壓力脈動產(chǎn)生影響的同時會對壓縮機(jī)振動產(chǎn)生一定的作用。本文分別對壓縮機(jī)的機(jī)殼以及管道的振動進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和分析。圖12至圖15為不同擴(kuò)壓器對應(yīng)的壓縮機(jī)出口管道處，設(shè)計流量時振動速度時頻域分析圖。

4.2數(shù)據(jù)分析

由圖12到圖15的數(shù)據(jù)分析可知葉片通過頻率處已不再是管道振動的主要分量，較低的頻率主要為機(jī)械傳動以及與管道支撐相關(guān)。因此本文在考慮葉片通過頻率的同時，也對振動的有效值進(jìn)行了分析。圖16～圖18分別為機(jī)殼葉片通過頻率處振動幅值、出口管道葉片通過頻率處振動幅值以及出口管道振動有效值數(shù)據(jù)對比。

由圖16可以看出，全高擴(kuò)壓器的振動幅值在所有流量點(diǎn)都大于其他擴(kuò)壓器，在第一流量點(diǎn)楔形擴(kuò)壓器、無葉擴(kuò)壓器振動幅值相差不大。

由圖17數(shù)據(jù)對比可得全高擴(kuò)壓器在第二流量點(diǎn)和第三流量點(diǎn)管道振動幅值普遍高于其他擴(kuò)壓器，在最大流量點(diǎn)和第三流量點(diǎn)楔形擴(kuò)壓器與半高擴(kuò)壓器以及無葉擴(kuò)壓器振動幅值相近。

由圖18可以看出，在最大流量點(diǎn)以及設(shè)計流量點(diǎn)楔形擴(kuò)壓器所對應(yīng)的管道振動有效值小于全高擴(kuò)壓器所對應(yīng)的管道振動有效值，并且與無葉擴(kuò)壓器以及半高擴(kuò)壓器水平相近。比較半高以及無葉擴(kuò)壓器數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)無葉擴(kuò)壓器無明顯優(yōu)勢，整體振動水平與半高擴(kuò)壓器持平。

5 聲強(qiáng)分析

最后對整個網(wǎng)格中的聲強(qiáng)進(jìn)行了整體分析[2]，數(shù)據(jù)分析過程中采用A計權(quán)以及1/3倍頻程分析[3]。圖19到圖22分別為當(dāng)壓縮機(jī)裝配有全高擴(kuò)壓器、楔形擴(kuò)壓器、無葉擴(kuò)壓器以及半高擴(kuò)壓器時，在設(shè)計流量點(diǎn)的整體聲壓分布。

從分析結(jié)果看出，無論壓縮機(jī)裝配何種擴(kuò)壓器，其噪聲強(qiáng)度較大的位置總為管道和葉輪的投影處。對各組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比可得，總體的聲壓水平從大到小依次為全高擴(kuò)壓器、楔形擴(kuò)壓器、無葉擴(kuò)壓器以及半高擴(kuò)壓器。

6 結(jié)論

該研究以某離心式壓縮機(jī)模型級試驗(yàn)臺為研究對象，對四種不同類型的擴(kuò)壓器（即全高葉片擴(kuò)壓器、半高葉片擴(kuò)壓器、無葉擴(kuò)壓器以及楔形葉片擴(kuò)壓器）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并分別對安裝四種不同類型擴(kuò)壓器的壓縮機(jī)進(jìn)行壓力脈動測試、振動測試和聲強(qiáng)測試。

通過對葉輪進(jìn)口、擴(kuò)壓器進(jìn)口以及擴(kuò)壓器出口進(jìn)行壓力脈動測試以及對機(jī)殼和管道的進(jìn)行振動測試，對比四種不同類型擴(kuò)壓器的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示：在設(shè)計流量點(diǎn)附近可以得到全高擴(kuò)壓器與楔形擴(kuò)壓器的各項(xiàng)指標(biāo)差距不大，但遠(yuǎn)優(yōu)于半高擴(kuò)壓器和無葉擴(kuò)壓器，而楔形擴(kuò)壓器的壓力脈動、機(jī)殼和管路振動等指標(biāo)要優(yōu)于全高葉片擴(kuò)壓器；無葉擴(kuò)壓器和半高擴(kuò)壓器在壓力脈動幅值、振動幅值以及振動有效值等指標(biāo)優(yōu)于楔形葉片擴(kuò)壓器；對比半高葉片擴(kuò)壓器和無葉擴(kuò)壓器，在設(shè)計流量點(diǎn)附近，在壓力脈動幅值、振動幅值以及振動有效值等指標(biāo)優(yōu)于無葉擴(kuò)壓器，在某些非工況調(diào)節(jié)的特定場合，相比無葉擴(kuò)壓器，半高擴(kuò)壓器更具優(yōu)勢。在工程應(yīng)用時側(cè)重點(diǎn)不同，綜合考慮性能和振動指標(biāo)時，選擇楔形擴(kuò)壓器有一定的優(yōu)勢。

通過對安裝有不同擴(kuò)壓器的壓縮機(jī)進(jìn)行聲強(qiáng)測試，并對聲壓信號進(jìn)行處理，處理結(jié)果顯示在頻譜分析以及倍頻程分析中，壓縮機(jī)安裝有全高擴(kuò)壓器以及楔形擴(kuò)壓器的輻射噪聲參數(shù)相近，在整體聲強(qiáng)分析中安裝楔形擴(kuò)壓器的壓縮機(jī)輻射噪聲水平比安裝全高擴(kuò)壓器時略低。當(dāng)壓縮機(jī)安裝有半高以及無葉擴(kuò)壓器時，其輻射噪聲性能較好，并且半高擴(kuò)壓器時輻射噪聲水平要優(yōu)于無葉擴(kuò)壓器。

從分析可以看出，盡管是同一個葉輪，安裝不同的擴(kuò)壓器壓縮機(jī)組的性能、輻射噪聲和結(jié)構(gòu)振動都有明顯的影響，因此在今后的設(shè)計中要根據(jù)不同的需求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

[1]黃鐘岳，王曉放.透平式壓縮機(jī)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004．

[2]郭金泉，楊曉翔，陳仲波.6HHE-VE6型壓縮機(jī)輻射噪聲三維聲強(qiáng)試驗(yàn)分析[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2006（1）：10-12，9.

[3]甘長勝，孟昭朋，林澤安，等.壓縮機(jī)噪聲測量的聲強(qiáng)法研究[J].流體機(jī)械，1997，25(11)：7-9．

：擴(kuò)壓器是離心壓縮機(jī)中的重要部件之一，不同類型的擴(kuò)壓器對壓縮機(jī)的各方面性能影響很大。本文以MCL離心壓縮機(jī)為研究對象，分別選取了全高葉片擴(kuò)壓器、楔形擴(kuò)壓器、半高葉片擴(kuò)壓器和無葉擴(kuò)壓器4種擴(kuò)壓器，在φ200模型級試驗(yàn)臺上，開展了在不同流量下，不同擴(kuò)壓器對壓力脈動（PP）、振動和聲強(qiáng)影響的試驗(yàn)，獲得不同類型的擴(kuò)壓器對結(jié)構(gòu)振動與輻射噪聲的影響的結(jié)果，選擇楔形擴(kuò)壓器更具有優(yōu)勢，為離心壓縮機(jī)的優(yōu)化設(shè)計打下基礎(chǔ)。

擴(kuò)壓器；壓力脈動；振動；聲強(qiáng)

Experimental Investigations o f the Effecto f Different Diffuse r Types on the Vibration and Noise Radiation for CentrifugalCompressors

Li Hong-kun，Zhou Shuai，Zhang Xiao-wen/ School of Mechanical Engineering,Dalian UniversityofTechnology
Li Xiu-gang/Shenyang Blower Works Group Corporation

diffuser;pressure pulsation; vibration;sound intensity

TH452；TK05

A

1006-8155（2016）06-0034-07

10.16492/j.fjjs.2016.06.0021

*資助項(xiàng)目：遼寧省科技創(chuàng)新重大專項(xiàng)項(xiàng)目（201303002）資助

2015-12-20遼寧大連116024

Abstract:The diffuser isan importantpartofa centrifugal compressor having an important impact on the performance of the compressor. In this paper,four different diffusers,a high-vaned diffuser,a wedge vane diffuser,a half-high-vaned diffuser and a non-vaned diffuser are combined with a MCL centrifugal compressor and tested on aφ200model stage test rig.The pressure oscillations,vibration and sound intensity were measured under different flow conditions.The results for the differentdiffuser typeswith respect to vibration and radiated noise showed the wedge vane diffuser tobeadvantageous.