間隙非諧對離心壓氣機離散噪聲的影響

祁明旭， 張美杰， 馬朝臣

(北京理工大學(xué) 機械車輛學(xué)院，北京 100081)

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間隙非諧對離心壓氣機離散噪聲的影響

祁明旭， 張美杰， 馬朝臣

(北京理工大學(xué) 機械車輛學(xué)院，北京 100081)

以主葉片及分流葉片葉頂間隙相同的離心壓氣機為原型，采用數(shù)值方法，對比分析了增大主葉片葉頂間隙同時減小分流葉片葉頂間隙，以及減小主葉片葉頂間隙的同時增加分流葉片葉頂間隙這兩種間隙非諧方案對于離心壓氣機性能的影響. 在此基礎(chǔ)上，基于離心壓氣機內(nèi)部非定常流動參數(shù)，結(jié)合FW-H方程進行了離心壓氣機內(nèi)部離散噪聲分析，研究了間隙非諧對離心壓氣機離散噪聲的影響. 結(jié)果表明，適當(dāng)減小主葉片葉頂間隙，增大分流葉片葉頂間隙，可以在保持壓氣機性能的基礎(chǔ)上有效降低壓氣機離散氣動噪聲.

離心壓氣機；間隙非諧；離散噪聲

隨著汽車排放要求的不斷提高，渦輪增壓器作為發(fā)動機減排及性能提升的重要部件得到了廣泛應(yīng)用. 但在渦輪增壓器被廣泛使用的同時，隨之帶來的噪聲污染又成為制約發(fā)動機噪聲達標(biāo)的關(guān)鍵因素. 從噪聲的產(chǎn)生機理來看，壓氣機氣動噪聲由寬頻噪聲和離散噪聲組成，其中離散噪聲與葉輪轉(zhuǎn)速和葉片數(shù)相關(guān)，是離心壓氣機噪聲的重要組成部分[1]. 劉揚等[2]通過數(shù)值計算，認為離心壓氣機的最大聲功率主要分布在工作葉輪. 溫華兵等[3]對離心壓氣機進口側(cè)的氣動噪聲進行了實驗研究，結(jié)果表明在壓氣機入口氣動噪聲頻譜圖中，約1/2BPF頻率處分布著窄帶葉尖間隙噪聲，并且隨著轉(zhuǎn)速的增大，幅值增大；Raitor等[4]采用實驗手段系統(tǒng)研究了離心壓氣機在不同轉(zhuǎn)速下壓氣機進口和出口處主導(dǎo)噪聲的產(chǎn)生機理，指出在葉輪進口葉尖馬赫數(shù)約等于1時，BPF離散噪聲占主導(dǎo)地位；Khelladi[5]使用一種基于FW-H方程的聲學(xué)模型對離心壓氣機離散氣動噪聲進行了數(shù)值計算，指出葉輪與擴壓器之間的相互作用是壓氣機氣動噪聲的來源. Polacsek[6]則在轉(zhuǎn)子上游安裝尾跡發(fā)生器. 兩種方法在一定程度上都起到了降低壓氣機噪聲的作用，但裝置復(fù)雜，且都以尺寸較大的軸流壓氣機為研究對象，難以應(yīng)用在尺寸較小的車用高速離心壓氣機上. 針對上述問題，作者提出一種間隙非諧的方法，來降低高速離心壓氣機離散氣動噪聲. 即主葉片和分流葉片的葉頂間隙不相等，以打破葉輪典型幾何特征的周期性，抑制同頻脈動波的疊加增益，達到降低壓氣機離散氣動噪聲的目的.

1 數(shù)值模型與方法

1.1 幾何模型

研究對象為J90S車用渦輪增壓器離心壓氣機，工作轉(zhuǎn)速為40 000～80 000 r/min. 該壓氣機葉輪出口直徑90 mm，進口葉頂直徑為62 mm. 葉輪由7支主葉片和7支分流葉片組成，主葉片和分流葉片葉頂間隙均為0.5 mm. 在原型壓氣機基礎(chǔ)上，通過改變主葉片和分流葉片的葉頂間隙尺寸得到兩種間隙非諧模型：模型1對應(yīng)主葉片和分流葉片葉頂間隙分別為0.4 mm和0.6 mm；模型3對應(yīng)主葉片和分流葉片葉頂間隙則分別為0.6 mm和0.4 mm. 各模型的子午結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1及表1所示.

模型葉頂間隙/mm主葉片分流葉片沿流線分布方式10.40.6均布2-原型0.50.5均布30.60.4均布

1.2 數(shù)值方法與計算網(wǎng)格

計算采用FINE/Turbo軟件包，求解三維雷諾平均湍流N-S方程組. 應(yīng)用格子中心有限體積法，空間差分采用添加人工黏性項的二階中心差分格式. 時間項采用4階Runge-Kutta法迭代求解. 計算采用三層多重網(wǎng)格結(jié)合變時間步長及殘差光順方法進行收斂加速. 湍流模型使用Spalart-Allmaras一方程模型. 對于間隙非諧性能對比的數(shù)值計算，采用動-靜交接面基于混合面模型的定常計算方法；對于氣動噪聲預(yù)測所依賴的非定常計算，采用基于非線性諧波(non-linear harmonic)方法，采用3階諧波，并通過時域轉(zhuǎn)換方法獲得非定常流場. 計算網(wǎng)格采用多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，葉輪、無葉擴壓器及蝸殼流道計算網(wǎng)格單元總數(shù)224萬，其中葉輪流道網(wǎng)格單元64萬，無葉擴壓器及蝸殼網(wǎng)格數(shù)160萬. 圖2給出了計算網(wǎng)格分布. 文獻[7]采用以上數(shù)值方法針對上述研究對象進行了實驗驗證并取得了較好的結(jié)果，證明了數(shù)值方法的有效性.

1.3 氣動噪聲計算方法

首先需對壓氣機內(nèi)部流動進行非定常計算，基于離心壓氣機內(nèi)的非定常流動參數(shù)，利用Farassat針對FW-H方程所提出的Formulation 1A[8]公式，計算壓氣機進口面的近場離散氣動噪聲. 計算針對壓氣機工作轉(zhuǎn)速為60 000 r/min時最高效率工況點和大流量工況點進行，以研究間隙非諧對離心壓氣機離散氣動噪聲的影響.

監(jiān)測點全周分布及放置位置如圖3所示.

壓氣機近場氣動噪聲監(jiān)測面放置在壓氣機進口，每個葉片通道沿葉高方向和周向方向分別為4和7個監(jiān)測點，對應(yīng)每個通道28個離散監(jiān)測點. 在60 000 r/min的效率最高工況點和大流量工況點下，每個監(jiān)測點在葉輪旋轉(zhuǎn)一周時間1 ms內(nèi)共采集512個數(shù)據(jù)用來噪聲近場計算，采集頻率為1 kHz.

2 結(jié)果分析

2.1 氣動性能計算結(jié)果

圖4給出了計算所得的3種不同間隙分布的壓氣機總壓比和效率特性對比結(jié)果.

可以看出，對比模型2(原型)，在各計算轉(zhuǎn)速下，模型1皆具有基本相同的效率和壓比分布規(guī)律，模型3對應(yīng)的壓氣機壓比和效率則皆略有下降，且隨著轉(zhuǎn)速升高，壓比和效率的下降幅度有增大的趨勢，但壓比和效率的最大差異保持在1%以內(nèi). 所以從整體上來看，兩種間隙非諧模型的氣動性能與原型差別皆不明顯. 同時，從模型1和3對比模型2的壓氣機性能變化幅度來看，主葉片的葉頂間隙變化對壓氣機性能的影響幅度大于分流葉片間隙變化所帶來的影響.

2.2 離散氣動噪聲計算結(jié)果

對轉(zhuǎn)速為60 000 r/min時的最高效率工況點和大流量工況點下壓氣機的近場氣動噪聲進行了分析，其中最高效率工況點流量為0.23 kg/s，大流量工況點流量為0.27 kg/s. 圖5及圖6給出了75%葉高處監(jiān)測點在最高效率工況點和大流量工況點的噪聲頻域特性. 可以看出，離心壓氣機離散氣動噪聲主要由7 kHz的壓氣機通道通過頻率和14 kHz的葉片通過頻率組成，其中7 kHz的通道通過頻率噪聲占主導(dǎo)地位. 對比7 kHz頻率處的噪聲可知，模型1在最高效率工況點和大流量工況點的噪聲均低于模型2，其中最高效率點工況噪聲降低3.2 dB，大流量工況則降低2 dB；而模型3相比模型2，7 kHz頻率處噪聲均升高，其中最高效率點工況升高2.5 dB，大流量工況則升高3 dB.

圖7、圖8給出了3種模型對應(yīng)的離心壓氣機進口近場氣動噪聲對比結(jié)果. 對于同一模型，大流量工況點的壓氣機進口離散氣動噪聲高于最高效率工況點. 相比模型2(原型)，在最高效率點工況，模型1進口離散氣動噪聲明顯降低，而模型3則顯著增大；在大流量工況，模型1進口離散氣動噪聲仍然有所降低，而模型3則依然有所升高. 以上結(jié)果說明，模型1的間隙非諧方案可有效抑制離心壓氣機近場離散氣動噪聲，在最高效率工況點和大流量工況點，有效地抑制了同頻脈動波的疊加增益，使離心壓氣機的離散氣動噪聲顯著降低. 模型3的非諧方案則不僅沒有起到抑制作用，反而使得壓氣機離散氣動噪聲升高.

3 結(jié) 論

為降低車用渦輪增壓器離散氣動噪聲，對葉輪葉頂間隙對于壓氣機氣動性能的影響進行了分析，并在此基礎(chǔ)上研究了間隙非諧對于離心壓氣機離散氣動噪聲的影響. 結(jié)果表明，間隙非諧對于離心壓氣機離散氣動噪聲具有明顯的影響. 針對本文所研究的離心壓氣機間隙非諧方案，增大主葉片葉頂間隙、減小分流葉片葉頂間隙的間隙非諧方法使得壓氣機葉片通過頻率對應(yīng)的離散噪聲明顯升高，在所分析的60 000 r/min轉(zhuǎn)速對應(yīng)的兩個工況點下，噪聲升幅達3 dB；減小主葉片葉頂間隙、增大分流葉片葉頂間隙的間隙非諧方法則可以在保持壓氣機性能的基礎(chǔ)上有效降低壓氣機葉片通過頻率對應(yīng)的離散氣動噪聲，在所分析的工況點下降幅達3.2 dB.

[2] 劉揚，張文平，杜炳鑫，等.增壓器離心壓氣機氣動噪聲數(shù)值分析[J].車用發(fā)動機，2013(2):31-35．

Liu Yang， Zhang Wenping， Du Bingxin， et al. Numerical analysis of aerodynamic noise for turbocharger centrifugal compressor[J]. Vehicle Engine， 2013(2):31-35. (in Chinese)

[3] 溫華兵，徐文江，鮑蘇寧，等.柴油機廢氣渦輪增壓器噪聲機理及性能試驗研究[J].內(nèi)燃機工程，2013，34(1):76-80.

Wen Huangbing， Xu Wenjiang， Bao Suning， et al. Experimental research on noise characteristics and mechanism of marine diesel engine turbocharger[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering， 2013，34(1):76-80. (in Chinese)

[4] Raitor T， Neise W. Sound generation in centrifugal compressors [J]. Journal of Sound and Vibration， 2008，314(3):738-756．

[5] Khelladi S， Kouidri S， Bakir F， et al. Predicting tonal noise from a high rotational speed centrifugal fan[J]. Journal of Sound and Vibration， 2008，313(1):113-133.

[6] Polacsek C， Desbois-Lavergne F. Fan interaction noise reduction using a wake generator: experiments and computational aeroacoustics[J]. Journal of Sound and Vibration， 2003，265(4):725-743．

[7] Qi M X， Ma C C， Yang C. Numerical optimization on a centrifugal turbocharger compressor SAE International Journal of Fuels and Lubricants[J]. 2009(1):1175-1180.

[8] Farassat F. Derivation of formulations 1 and 1A of farassat, NASA/TM-2007-214853[R]. Hampton， USA: NASA， 2007．

(責(zé)任編輯：孫竹鳳)

Influences of Dis-Tuned Tip Clearance on the Discrete Aerodynamic Noise in Centrifugal Compressor

QI Ming-xu， ZHANG Mei-jie， MA Chao-chen

(School of Mechanical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China)

Based on the compressor model with same main blade and splitter blade tip clearance, the influence of dis-tuned tip clearances of main blade and splitter blade on the compressor performances was numerically studied. With the dis-tuned tip clearance models, the FW-H equations were solved by using the unsteady flow results inside the compressor, and the influences of dis-tuned tip clearance on the compressor discrete aerodynamic noise were investigated. Results indicate that the dis-tuned tip clearance configuration with increased splitter tip clearance and decreased main blade tip clearance can decrease the discrete aerodynamic noise of centrifugal compressor effectively, while keeping its performance nearly unchanged.

centrifugal compressor; dis-tuned tip clearance; discrete aerodynamic noise

2014-07-06

國家自然科學(xué)基金資助項目(51006011，51276018)

祁明旭(1975—)，男，博士，副教授，E-mail:qimx@bit.edu.cn.

U 464.332

A

1001-0645(2016)05-0475-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.05.007