大功率往復(fù)式壓縮機噪聲模擬與試驗研究

胡安斌，劉健，王鑫，侯小兵，薛成智，柳夢雪

（1.中國石油大學(xué)（華東）機電工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.中石化石油機械股份有限公司，武漢 430000）

大功率往復(fù)式壓縮機是油氣增壓、集輸過程中的關(guān)鍵設(shè)備之一，運行過程中會輻射出較大噪聲，近年來由于人們安全環(huán)保意識的提高[1]，在保證壓縮機功能的同時，噪聲控制成為其研制過程中的重要部分。噪聲控制需要從噪聲源、噪聲傳播途徑和接受者三方面著手，噪聲控制優(yōu)先的次序是：噪聲源控制、傳播途徑控制和接受者保護[2]。因此要從根源上解決壓縮機噪聲問題，就必須對其噪聲源進(jìn)行深入的理論分析，仿真計算及試驗研究。

蘭同宇等[3]采用對比測試分析法對5種不同工況下的某型號冰箱壓縮機進(jìn)行了噪聲頻譜測試與聲源識別，確認(rèn)氣動噪聲為主要聲源，機械噪聲為次要聲源，而電磁噪聲對整機影響較??；郭金泉[4]以6HHE-VE6壓縮機為研究對象，采用聲強技術(shù)，對機體表面進(jìn)行三維聲強測試，完成噪聲源的識別與定位，并根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的降噪措施；沈九兵等[5]針對某R22半封閉螺桿制冷壓縮機，進(jìn)行仿真模擬和實驗測量，并進(jìn)一步分析了壓縮機排氣流道優(yōu)化設(shè)計對氣流脈動和噪聲的影響，通過對排氣端座進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化有效地降低了壓縮機噪聲。Song等[6]對空壓機穩(wěn)態(tài)運行時的聲功率和聲壓級、聲強和加速度級進(jìn)行了測量和分析。通過對測量結(jié)果的分析，確定了噪聲源及其相應(yīng)的頻帶，并實施了進(jìn)氣消聲器和隔振墊兩種降噪措施。Jeric等[7]研究了壓縮機外殼對外部噪聲的影響，通過優(yōu)化壓縮機外殼的結(jié)構(gòu)，達(dá)到了減小主要噪聲的幅度的目的。Konig等[8]將帕克聲共振理論應(yīng)用于離心式壓縮機噪聲特征頻率的計算，并將計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比分析。Liu等[9]將計算流體力學(xué)（CFD）與聲學(xué)邊界元法（BEM）相結(jié)合，提出一種預(yù)測壓縮機葉片通過頻率噪聲的數(shù)值方法，并用實驗數(shù)據(jù)驗證了該數(shù)值方法對預(yù)測壓縮機噪聲具有足夠的精度。

本文建立了大功率往復(fù)式壓縮機模型，結(jié)合壓縮機工況特點確定噪聲分析方法，利用仿真軟件對大功率往復(fù)式壓縮機進(jìn)行數(shù)值模擬，并采用一種基于九測點空間包絡(luò)基準(zhǔn)體測試模型的大功率往復(fù)式壓縮機噪聲測試方法，驗證仿真的正確性。

1 壓縮機聲場仿真分析

在ANSYS中完成壓縮機振動響應(yīng)的分析計算，并以振動響應(yīng)為邊界條件在LMS Virtual.Lab（以下簡稱VL）中完成輻射聲場的計算。具體流程如圖1所示。

圖1 聲學(xué)仿真計算流程

1.1 壓縮機振動響應(yīng)計算

大功率往復(fù)式壓縮機主機總成與三維實體模型如圖2所示。

圖2 壓縮機主機總成三維模型圖

將三維模型導(dǎo)入ANSYS，設(shè)置材料屬性，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，施加載荷后，壓縮機由電機驅(qū)動，采用曲柄滑塊機構(gòu)傳動，受力分析如圖3所示。

圖3 壓縮機內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力分析

由圖3可知，壓縮機主要載荷包括：氣缸內(nèi)的氣體壓力P，活塞對氣缸壁的側(cè)向力FN，通過連桿力作用于曲軸，進(jìn)而傳遞到主軸承上的軸承載荷。

根據(jù)壓縮機運行工況，確定其載荷計算參數(shù)如表1所示。

表1 壓縮機運行參數(shù)

(1)氣體力載荷計算

氣體力是往復(fù)式壓縮機在運行過程中氣缸氣缸內(nèi)氣體脈動對內(nèi)壁的沖擊作用，大功率往復(fù)式壓縮機為雙作用式，包括兩個氣室：端蓋一側(cè)氣室（簡稱“蓋側(cè)氣室”）和軸承一側(cè)氣室（簡稱“軸側(cè)氣室”），氣室內(nèi)氣體壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線如圖4所示。

圖4 氣室壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線

圖中粗實線為靠近電機的氣缸壓力變化曲線，細(xì)實線為中間氣缸壓力變化曲線，圖中虛線為遠(yuǎn)離電機的氣缸壓力變化曲線。

(2)側(cè)向力載荷計算

研究的壓縮機類型為對置式，其特點為對置的兩側(cè)活塞側(cè)向力相等，計算同一側(cè)活塞的側(cè)向力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線如圖5所示。

圖5 側(cè)向力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線

(3)主軸承載荷計算

采用多體動力學(xué)理論完成主軸承載荷的計算。

利用有限元軟件建立曲軸剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，確定約束和邊界條件，對軸系進(jìn)行多體動力學(xué)仿真分析，最后獲取主軸承載荷，第一列軸承載荷如圖6所示。

圖6 第一列主軸承載荷

圖中粗實線為往復(fù)方向力變化曲線，細(xì)實線為曲軸軸線方向力變化曲線，圖中虛線為垂直于壓縮機水平底面的方向力變化曲線。

提取上述載荷計算結(jié)果數(shù)據(jù)，生成Excel表格，在ANSYS中以Tabular形式施加載荷。求解壓縮機整機變形云圖如圖7所示。壓縮機表面振動速度云圖如圖8所示。

圖7 壓縮機整機變形云圖

由圖7、圖8可知，壓縮機變形區(qū)和振動速度較大的位置都主要集中在氣缸與緩沖罐位置。

圖8 壓縮機表面振動速度云圖

1.2 壓縮機輻射聲場計算

將有限元網(wǎng)格導(dǎo)入VL中，在有限元網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，提取表面網(wǎng)格作為聲學(xué)分析的邊界元網(wǎng)格，定義流體材料，場點網(wǎng)格和反射面，邊界條件后進(jìn)行求解。

由振動響應(yīng)分析可知，壓縮機變形區(qū)和振動速度較大的位置都主要集中在氣缸與緩沖罐位置。因此定義壓縮機靠近氣缸兩側(cè)面的場點網(wǎng)格。反射面通常指的是墻體和地面等反射物，由于壓縮機氣缸兩側(cè)與墻面相距較遠(yuǎn)且電機一側(cè)不參與計算，因此，只定義地面這一個反射面。在振動響應(yīng)分析中，壓縮機單個周期時間歷程為0.060 2 s，設(shè)置了59個載荷步，每隔6個載荷步提取一次整機振動速度結(jié)果，因此，聲學(xué)分析每隔0.006 1 s提取一次場點A計權(quán)聲壓結(jié)果，部分載荷步聲壓云圖如圖9所示。

圖9 壓縮機側(cè)面聲壓云圖

由聲壓云圖可知，在壓縮機的一個運轉(zhuǎn)周期內(nèi)，氣缸兩側(cè)噪聲聲壓級在86 dB～95 dB之間，呈現(xiàn)中間高，兩側(cè)低的特點，中間氣缸處噪聲較為顯著，且由于地面的反射作用使得下方的聲壓級較高。

1.3 壓縮機噪聲特性研究

對壓縮機噪聲特性的研究，采用傅立葉變換將時域內(nèi)的噪聲信號轉(zhuǎn)換為頻域進(jìn)行分析，傅立葉變換的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

取場點1到6的數(shù)據(jù)進(jìn)行1/3倍頻程譜分析，場點為靠近氣缸、緩沖罐兩側(cè)反射面的頂點和中點，反射面與氣缸的距離為1 m，如圖10所示。

圖10 場點選取及對應(yīng)測點編號

根據(jù)聲波疊加原理[10]，大小相差10 dB的兩聲壓級疊加結(jié)果等于較大的聲壓級。由此定義頻帶聲壓級最大值以下10 dB范圍內(nèi)的頻率區(qū)域為噪聲顯著頻段，該頻段噪聲占壓縮機總輻射噪聲的主要部分，也決定了壓縮機輻射噪聲的特點[11]?？紤]計權(quán)聲級可能會對壓縮機噪聲特性分析產(chǎn)生影響，因此，提取第30載荷步上述6個場點的線性聲壓級（不采用計權(quán)修正）信息進(jìn)行1/3倍頻程譜分析，仿真頻率曲線將在第三節(jié)中和測試曲線一并給出。

計算6個場點總線性聲壓級如表2所示。

表2 各場點總線性聲壓級/dB

由表2可知，各測點線性聲壓級均在95 dB左右。

2 大功率往復(fù)式壓縮機噪聲測試實驗

以塔榆增壓站2號壓縮機為測試對象，壓縮機型號為江漢石油鉆頭股份有限公司武漢壓縮機分公司生產(chǎn)的6RDSA-1型，壓縮機的運行參數(shù)如表1所示，累計運行時間8 580小時。基于現(xiàn)場測試，對單臺壓縮機的噪聲測試過程進(jìn)行介紹。

2.1 測試儀器

壓縮機噪聲測試采用DH5902數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，主要由MPA傳聲器、數(shù)據(jù)采集儀、計算機、傳聲器可調(diào)節(jié)支架等組成。

2.2 測試方法與測點布置

采用九測點空間包絡(luò)測試模型：先在被測壓縮機周圍設(shè)定一個基準(zhǔn)體（假想的、恰好包絡(luò)被測物體的最小平行六面體），在基準(zhǔn)體周圍設(shè)定包絡(luò)壓縮機、各邊平行于基準(zhǔn)體的邊、與基準(zhǔn)體各個面距離1米的假想表面，在假想表面的中心和角上布置傳感器[12]，測點布置如圖11所示。測點1到6與仿真中場點1到場點6一一對應(yīng)。

圖11 噪聲特性測試測點布置

面聲壓測試的主要目的是：了解壓縮機各個側(cè)面聲壓分布情況，確定噪聲較大位置，研究每個側(cè)面的噪聲特性，同時與仿真分析結(jié)果對比分析。每個面布置4×4=16個測點，側(cè)面測點分布如圖12所示。

圖12 面聲壓測試測點布置

3 壓縮機噪聲測試結(jié)果分析

3.1 噪聲特性測試分析

(1)環(huán)境噪聲的測試與分析

由于測試是在廠房而不是消聲室進(jìn)行的，環(huán)境噪聲會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響，因此，首先在機器未運行的工況下對環(huán)境噪聲進(jìn)行測試。聲壓級定義為聲壓的有效值與基準(zhǔn)聲壓的有效值之比[13]即：

式中：pe為實際測量聲壓；pr為參考聲壓，一般取值為pr=2×10-5Pa。

各測點聲壓值取均方根值，由式（2）可計算得到壓縮機機未啟動工況下各測點的聲壓級，如表3所示。

由表3可知，由于其他機組運行的緣故，二號機組的環(huán)境噪聲較大。通過環(huán)境噪聲的測量可以對運行工況下的測試結(jié)果進(jìn)行修正，具體修正值如表4所示。

(2)運行工況下噪聲特性分析

在一號機和三號機停機，二號穩(wěn)定運行的工況下，測試二號機的噪聲特性，各測點聲壓級1/3倍頻程曲線如圖13所示。

表3 環(huán)境噪聲聲壓級/dB(A)

圖13 穩(wěn)定工況下各測點1/3倍頻程曲線

表4 環(huán)境噪聲修正值/dB(A)

在1/3倍頻程曲線中，橫坐標(biāo)指代各頻段中心頻率，由圖13可知，壓縮機運行工況下噪聲的顯著頻段為50 Hz～200 Hz，屬于低頻噪聲。

計算各測點總聲壓級，通過修正獲得各測點總聲壓級和修正聲壓級，如表5所示。

表5 各測點總聲壓級和修正聲壓級/dB(A)

由表5可知，啟動后測點6，7，9的總聲壓級比較大，分析可知：測點6聲壓級較大的原因可能是由于該點靠近氣缸，氣動噪聲較明顯，表現(xiàn)為現(xiàn)場測試時氣缸處有明顯的嘯叫現(xiàn)象；測點7位于壓縮機正上方，啟動后，直接接受機體、氣缸和電機等輻射的噪聲，因此噪聲變化明顯；測點9壓級最大且變化量最大，一方面，可能是因為電機電磁噪聲較大緣故，另一方面，可能是因為該位置空間狹小，由于墻體的反射作用使噪聲混響，呈現(xiàn)較大的聲壓級。

(3)測試與仿真結(jié)果對比分析

在仿真分析時均采用線性計權(quán)聲壓級，而在測試中，由于測試軟件分析時采用的是A計權(quán)聲級，因此，需要將A計權(quán)聲級轉(zhuǎn)化為線性計權(quán)聲級才可以對比分析。將測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為線性計權(quán)聲級，計算總聲壓級，與仿真計算結(jié)果對比，如表6所示。

表6 線性總聲壓級對比分析/dB

選取與仿真6個場點對應(yīng)的測點數(shù)據(jù)進(jìn)行線性計權(quán)1/3倍頻程分析，觀察仿真與測試的區(qū)別，如圖14所示。

圖14 仿真與試驗頻譜對比分析

結(jié)合表5和圖14分析可知，仿真與測試分析的1/3倍頻程譜曲線整體走向基本一致，顯著頻段均為中心頻率在125 Hz以內(nèi)的1/3倍頻帶，壓縮機噪聲呈明顯低頻特性。但仿真頻譜曲線整體位于測試頻譜曲線之上，顯著頻段內(nèi)各頻帶聲壓級和總聲壓級差別在3 dB～5 dB之間，考慮測試結(jié)果是對一段時間內(nèi)的聲壓取均值，而仿真分析是取得某一時刻的瞬時值，兩者之間可能存在差異，但總體上，可以認(rèn)為兩者結(jié)果是一致的。

3.2 面聲壓測試分析

側(cè)面聲壓測試及分析側(cè)面聲壓測試時，每個測點測量兩組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)測試3分鐘。由軟件計算出各測點的A計權(quán)聲壓級，采用插值法繪制聲壓云圖，如圖15所示。

圖15 側(cè)面聲壓對比分析

由圖15可知，測試A計權(quán)聲壓級在84 dB～95 dB之間，與仿真值相同，且都是中間氣缸處聲壓級較大，可以認(rèn)為氣缸處噪聲是壓縮機主要噪聲源之一。

4 結(jié)語

本文以大功率往復(fù)式壓縮機為研究對象，采用有限元和聲學(xué)邊界元方法，對其進(jìn)行數(shù)值模擬，并完成了試驗驗證。根據(jù)上述研究結(jié)果，可得如下結(jié)論。

(1)壓縮機噪聲聲壓云圖的模擬與試驗結(jié)果基本一致。在中間氣缸處聲壓級較大，可以認(rèn)為氣缸處噪聲是壓縮機主要噪聲源之一。

(2)通過1/3倍頻程分析，發(fā)現(xiàn)場點噪聲顯著頻段為125 Hz以內(nèi)的1/3倍頻帶，呈明顯低頻特性。

(3)雖然仿真與測試頻譜曲線存在差異，但整體走向和主要特征一致，可認(rèn)為仿真計算方法可以有效地預(yù)測壓縮機輻射噪聲，當(dāng)研究某大型壓縮機噪聲特性而實驗條件不足時，可以用此仿真方法進(jìn)行噪聲預(yù)測。