渦輪增壓器噪聲控制技術(shù)

李偉，李國祥，王桂華，張健健，桑梧海

1. 山東大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2. 康躍科技(山東)有限公司，山東 濰坊 262718

0 引言

現(xiàn)代汽車行業(yè)，幾乎全部柴油機(jī)和絕大部分高性能汽油機(jī)都采用渦輪增壓技術(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)小型化及低速扭矩的提高導(dǎo)致增壓器的運(yùn)行點(diǎn)更接近喘振區(qū)域[1]，葉輪出口線速度隨發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度的增加不斷提升，而葉輪功率和升功率分別隨葉輪出口線速度的3次方和5～6次方增加[2]?，F(xiàn)代渦輪增壓器壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)具有較高的效率和流量[3]，氣動(dòng)優(yōu)化的結(jié)果增加了葉片的平均應(yīng)力，導(dǎo)致渦輪增壓器氣動(dòng)噪聲明顯增加[4-5]。近年來增壓器噪聲問題愈加突出，成為發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中最受關(guān)注的噪聲之一。本文在分析渦輪增壓器工作原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述增壓器各種噪聲的產(chǎn)生機(jī)理及渦輪增壓器噪聲控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并指出渦輪增壓器噪聲控制技術(shù)的發(fā)展方向。

1 渦輪增壓器工作原理及噪聲

圖1 渦輪增壓器工作原理示意圖

1.1 工作原理

渦輪增壓器主要由壓氣機(jī)(壓氣機(jī)殼、葉輪)、渦輪機(jī)(渦輪、渦輪殼)、廢氣旁通閥等組成。工作原理示意圖如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣一部分通過廢氣旁通閥，另一部分驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪驅(qū)動(dòng)同軸的葉輪旋轉(zhuǎn)，新鮮空氣通過進(jìn)氣口被軸向吸入葉輪，氣體在葉輪內(nèi)壓縮后再進(jìn)入擴(kuò)壓器(位于壓氣機(jī)之后，有無葉擴(kuò)壓器與葉片擴(kuò)壓器2種)，在擴(kuò)壓器中部分氣體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能。為進(jìn)一步提升增壓系統(tǒng)的效率，一般在壓氣機(jī)殼下游安裝中冷器，以降低壓縮氣體的溫度，經(jīng)過中冷器后的壓縮氣體最終進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸。通過廢氣旁通閥和渦輪的廢氣匯總后經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管排至外界。

1.2 噪聲產(chǎn)生機(jī)理

渦輪增壓器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲。氣動(dòng)噪聲分為Whoosh噪聲、喘振噪聲、葉片音調(diào)噪聲、電鋸噪聲、葉頂間隙噪聲等。結(jié)構(gòu)噪聲分為軸承系統(tǒng)噪聲與Rattle噪聲等。

根據(jù)萊特希爾理論，在流體中產(chǎn)生聲音有3種機(jī)理：1)波動(dòng)的體積流量——單極子源； 2)波動(dòng)的表面壓力——偶極子源；3)自由湍流——四極子源[6]。當(dāng)葉片速度達(dá)到或超過聲速時(shí)會(huì)產(chǎn)生單極子源。偶極子源是氣動(dòng)噪聲的主要貢獻(xiàn)者，尤其在流量小的情況下。四極子源對(duì)渦輪增壓器而言作用不明顯。由于葉片載荷不均勻，大多數(shù)噪聲由葉輪產(chǎn)生。葉片載荷不均勻與流體運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定密切相關(guān)，非定常仿真分析揭示了壓氣機(jī)在小流量下的流動(dòng)不穩(wěn)定與噪聲之間的聯(lián)系[7]，試驗(yàn)研究證實(shí)在非設(shè)計(jì)工況下的不穩(wěn)定流動(dòng)產(chǎn)生噪聲[8]。在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，流場基本均勻、穩(wěn)定，當(dāng)壓氣機(jī)流量減小時(shí)，流動(dòng)變得不均勻和不穩(wěn)定[9]。壓氣機(jī)內(nèi)部存在2種不穩(wěn)定：旋轉(zhuǎn)失速和喘振。

1.2.1 旋轉(zhuǎn)失速與Whoosh噪聲

旋轉(zhuǎn)失速是一種二維或三維局部失穩(wěn)，其不僅引起氣流紊亂和氣動(dòng)噪聲增加，而且?guī)斫惶孀饔昧娃D(zhuǎn)子系統(tǒng)的徑向跳動(dòng)，嚴(yán)重影響增壓器的安全運(yùn)行。根據(jù)失速特性,失速可分為模態(tài)型和尖峰型[10-11]；根據(jù)發(fā)生位置，失速可分為葉輪失速和擴(kuò)壓器失速，擴(kuò)壓器失速又可分為無葉擴(kuò)壓器失速和葉片擴(kuò)壓器失速。

1.2.1.1 無葉擴(kuò)壓器失速

無葉擴(kuò)壓器失速目前主要由邊界層出現(xiàn)徑向反向流動(dòng)[12]與中心流動(dòng)的不穩(wěn)定性[13]引起。無葉擴(kuò)壓器失速有2種：一種是擴(kuò)壓器出口氣流的反向流動(dòng)，另一種是從葉輪輪轂側(cè)和葉輪子午線(從進(jìn)口到出口頂端的葉輪型線)側(cè)產(chǎn)生的局部分離區(qū)域的增長，前者在相對(duì)較高的流量系數(shù)下可觀察到，后者在較低的流量系數(shù)下能觀察到[14]。大尺寸渦旋和反向流動(dòng)[15-17]是無葉擴(kuò)壓器失速發(fā)生時(shí)流場的2個(gè)主要特征，二者互相影響。Sun等[18]認(rèn)為葉輪泄漏流動(dòng)和葉輪通道出口的強(qiáng)壓力變化是初始分離渦旋形成的原因。Marconcini等[19]對(duì)失速時(shí)的流場特征進(jìn)行了非定常仿真分析，失速團(tuán)的旋轉(zhuǎn)及反向流動(dòng)清晰可見。

1.2.1.2 葉片擴(kuò)壓器失速

由于受到擴(kuò)壓器葉片角度及形狀等的影響，葉片擴(kuò)壓器失速更加復(fù)雜[20]。葉片擴(kuò)壓器氣流分離開始后1.00～1.26 s時(shí)，葉片擴(kuò)壓器在距離輪轂20%的葉片高度上第8～11葉片通道內(nèi)葉片輪轂側(cè)的瞬時(shí)絕對(duì)速度分布[21]如圖2所示。葉片擴(kuò)壓器失速是由擴(kuò)壓器通道喉口區(qū)域附近的堵塞演化引起的。失速首先在葉輪子午線側(cè)附近，然后移動(dòng)到葉輪輪轂側(cè)，在葉輪輪轂側(cè)附近產(chǎn)生龍卷風(fēng)型渦旋，由于無葉空間中的邊界層分離，導(dǎo)致葉輪輪轂側(cè)附近的喉口區(qū)域堵塞，葉片擴(kuò)壓器通道內(nèi)的堵塞擴(kuò)展到葉輪通道并最終發(fā)展為整級(jí)失速。

a)經(jīng)過1.00 s b)經(jīng)過1.14 s c)經(jīng)過1.26 s 圖2 葉片擴(kuò)壓器距輪轂20%葉片高度上第8～11葉片通道內(nèi)葉片輪轂側(cè)的瞬時(shí)絕對(duì)速度分布

1.2.1.3 葉輪失速

旋轉(zhuǎn)失速時(shí)葉輪通道的流動(dòng)表現(xiàn)出明顯的非均勻特性，反向流動(dòng)、渦旋和部分通道堵塞是葉輪失速時(shí)流場的主要特征。葉輪流量小于設(shè)計(jì)流量時(shí)，葉片壓力側(cè)產(chǎn)生明顯大尺度渦旋，繼續(xù)減小流量，葉輪出口區(qū)域反向流動(dòng)渦旋開始發(fā)展，內(nèi)部流場表現(xiàn)出明顯不對(duì)稱性。葉輪失速時(shí)，由于氣流角(葉輪進(jìn)口旋轉(zhuǎn)方向與進(jìn)入氣流的夾角，一般為銳角)明顯減小,導(dǎo)致每個(gè)葉片通道的出口區(qū)域產(chǎn)生大尺寸渦旋，部分葉片出現(xiàn)幾乎占據(jù)整個(gè)通道的與旋轉(zhuǎn)方向相反的渦旋，導(dǎo)致部分葉片通道部分堵塞， 3種設(shè)計(jì)流量QN下葉輪50%葉片高度位置處相對(duì)速度分布的演變[22]如圖3所示。

a)0.2QN b) 0.4QN c) 0.6QN 圖3 3種流量下葉輪50%葉片高度位置處相對(duì)速度的演變

1.2.1.4 開爾文-赫爾姆霍茲不穩(wěn)定性

在接近葉輪失速時(shí)，存在開爾文-赫爾姆霍茲不穩(wěn)定性，該不穩(wěn)定現(xiàn)象與旋轉(zhuǎn)失速及旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性不同，此時(shí)增壓器仍在穩(wěn)定運(yùn)行，該不穩(wěn)定是局部的，可能是旋轉(zhuǎn)失速的前兆。流量的減少導(dǎo)致在分離葉片前緣接近子午線位置積累低動(dòng)量流體，低動(dòng)量流體與主流流體形成強(qiáng)烈的剪切層區(qū)。在接近葉輪失速條件下，剪切層中的強(qiáng)速度梯度使開爾文-赫爾姆霍茲不穩(wěn)定性發(fā)展并導(dǎo)致周期性的渦旋形成[23]。

1.2.1.5 Whoosh噪聲

旋轉(zhuǎn)失速是Whoosh噪聲的來源。葉輪質(zhì)量流量為77 g/s時(shí)50%葉片高度位置的葉輪子午線速度(子午速度)如圖4所示，圖4中黑色所示為標(biāo)記葉輪葉片。當(dāng)增壓器轉(zhuǎn)速不變時(shí)，子午線的型線及相對(duì)位置固定，故葉輪質(zhì)量流量為77 g/s時(shí)，葉輪子午線速度恒定不變，但葉輪在旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)發(fā)生失速團(tuán)的演化及傳播。葉輪旋轉(zhuǎn)90°過程中2個(gè)失速團(tuán)(①②)的演化及傳播如圖4所示，其中θ0為葉輪旋轉(zhuǎn)起始角度。2個(gè)失速團(tuán)導(dǎo)致大約1.8 kHz的氣動(dòng)噪聲[24]。

a)θ0 b)θ0+30° c)θ0+60° d)θ0+90° 圖4 葉輪質(zhì)量流量為77 g/s時(shí)葉輪50%葉片高度位置失速團(tuán)的演化

1.2.2 喘振及喘振噪聲

出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速后再減少流量到一定程度，開始出現(xiàn)喘振。喘振是一維不穩(wěn)定，其特征是整個(gè)壓氣機(jī)系統(tǒng)周向平均質(zhì)量流量的振蕩。在較寬的頻率范圍內(nèi)，喘振往往與旋轉(zhuǎn)失速并存。在近喘振點(diǎn)，擴(kuò)壓器和葉輪流場明顯不規(guī)則。失速發(fā)生在葉片頂端，反向流動(dòng)由子午線側(cè)進(jìn)一步延伸到葉輪上游，葉片通道內(nèi)軸向速度為負(fù)。在近喘振情況下存在流場與聲學(xué)的耦合，在設(shè)計(jì)運(yùn)行工況下沒有流場與聲學(xué)耦合現(xiàn)象的發(fā)生。

1.2.3 流道喉舌及葉片音調(diào)噪聲

葉片音調(diào)噪聲中最主要是葉片通過頻率(blade passing frequency，BPF)噪聲，葉片通過頻率

f=if0N，

式中：i為諧次，f0為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率，N為葉片數(shù)量。

增壓器轉(zhuǎn)速越高，i相同的情況下，f越高。壓氣機(jī)殼的流道喉舌對(duì)葉輪內(nèi)流體流動(dòng)及壓氣機(jī)殼流道內(nèi)的壓力分布產(chǎn)生重要影響，由于喉舌對(duì)上游氣流的作用，葉輪掃過喉舌時(shí)，在喉舌附近產(chǎn)生強(qiáng)的湍流，形成渦旋，葉輪通道周期性經(jīng)歷阻塞、暢通的變化，再加上進(jìn)入氣流的擾動(dòng)，導(dǎo)致葉片壓力周期性變化，產(chǎn)生壓氣機(jī)BPF噪聲。葉片掃過喉舌過程中，部分葉片通道經(jīng)歷典型的阻塞和暢通，如圖5所示。隨著葉片接近喉舌，多個(gè)渦旋在葉輪通道4內(nèi)發(fā)展，幾乎占據(jù)了部分葉片的整個(gè)通道4，造成葉片通道4阻塞。葉片通過喉舌后，葉片通道4逐步暢通，相應(yīng)流量恢復(fù)。渦輪進(jìn)口流場圓周和軸向方向呈現(xiàn)明顯不均勻性，尤其是在喉舌區(qū)域。此外，渦輪內(nèi)部流場存在明顯壓力和速度梯度。當(dāng)渦輪掃過喉舌時(shí)，渦輪應(yīng)力周期性變化，再加上進(jìn)入氣流的擾動(dòng)，產(chǎn)生渦輪機(jī)BPF噪聲。壓氣機(jī)及渦輪機(jī)的BPF可至20 kHz以上。

f)θ0+240° g)θ0+270° h)θ0+300° i)θ0+330° 圖5 失速時(shí)葉片掃過喉舌不同位置時(shí)相對(duì)速度的演變

1.2.4 電鋸噪聲

圖6 軸流式發(fā)動(dòng)機(jī)渦扇在超音速下產(chǎn)生的激波

當(dāng)葉片速度達(dá)到或超過聲速時(shí)才會(huì)產(chǎn)生單極子源。在超聲速情況下，旋轉(zhuǎn)激波將會(huì)附著在葉片上，單極子源頻率是旋轉(zhuǎn)頻率的諧波，此類旋轉(zhuǎn)激波噪聲稱為電鋸噪聲。在超音速情況下，轉(zhuǎn)子引起的壓力場由在上游擴(kuò)散的激波和膨脹波組成，激波一般位于葉片前緣附近，如果類似鋸齒的壓力波波形規(guī)則，且沖擊強(qiáng)度不高，則所有沖擊相對(duì)于迎面而來的流體以不受干擾的聲速傳播到葉輪的上游。軸流式渦扇葉片在超音速情況下產(chǎn)生的激波如圖6所示[25]，圖6中Ma、Ma′分別為渦扇進(jìn)氣口和出氣口的馬赫數(shù)，Mrel為Ma和Ma′平方和的算術(shù)平方根，x方向?yàn)轭愃其忼X的壓力波的傳播方向。電鋸噪聲通常發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)高功率工況下。由于附著在葉片上的激波在上游方向可以有效傳播，在下游方向卻不能，因此壓氣機(jī)殼出口的電鋸噪聲頻率一般在葉片通過頻率以下。

1.2.5 旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性與葉頂間隙噪聲

旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性與旋轉(zhuǎn)失速有很大不同，在壓氣機(jī)的穩(wěn)定范圍內(nèi)存在葉片旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性，它不一定導(dǎo)致全葉高的旋轉(zhuǎn)失速，但會(huì)增加葉頂間隙噪聲并激勵(lì)葉片振動(dòng)。葉片旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定沿周向傳播，其周向速度一般為轉(zhuǎn)子速度的50%～60%。發(fā)生旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定時(shí)，葉頂間隙內(nèi)存在反向流動(dòng)，造成葉片頂端區(qū)域堵塞，葉片壓力面與吸力面之間壓差驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的葉頂間隙流動(dòng)和相鄰葉片流動(dòng)周期性相互作用，在每個(gè)葉片頂端形成強(qiáng)烈波動(dòng)的渦旋，波動(dòng)的葉頂渦旋沿圓周方向傳播[26]。在某些情況下不穩(wěn)定的渦旋脫落，在聲譜中產(chǎn)生一個(gè)峰值，該現(xiàn)象在葉頂間隙處最為明顯，稱為葉頂間隙噪聲。產(chǎn)生葉頂間隙噪聲的3個(gè)必要條件是旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性、存在相對(duì)大的葉頂間隙和葉片壓力面及吸力面間存在足夠高的壓差，這時(shí)葉輪的實(shí)際流量小于或等于設(shè)計(jì)流量。實(shí)際運(yùn)行時(shí)絕大部分轉(zhuǎn)速為亞音速，故葉頂間隙噪聲成為不可忽視的重要噪聲。

1.2.6 軸承系統(tǒng)噪聲

增壓器浮動(dòng)軸承與渦輪轉(zhuǎn)子、擴(kuò)壓器殼均為間隙配合，浮動(dòng)軸承與渦輪轉(zhuǎn)子、擴(kuò)壓器殼間的油膜分別稱為內(nèi)油膜、外油膜。在軸承間隙中潤滑油流量差的推動(dòng)下，油膜具有推動(dòng)轉(zhuǎn)子繞軸承中心渦動(dòng)的固有特性。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低時(shí)，轉(zhuǎn)子中心處在一個(gè)穩(wěn)定的偏心距和偏位角下工作，該轉(zhuǎn)子中心所在位置稱為平衡位置。但當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加到某一數(shù)值后，轉(zhuǎn)子中心不再維持在該平衡位置運(yùn)轉(zhuǎn)，而開始繞平衡位置渦動(dòng)，即轉(zhuǎn)子中心繞平衡位置作封閉軌跡的運(yùn)動(dòng)，因是內(nèi)油膜驅(qū)動(dòng)，因此該運(yùn)動(dòng)又稱為內(nèi)油膜渦動(dòng)。同理，浮動(dòng)軸承繞平衡位置的渦動(dòng)又稱為外油膜渦動(dòng)。渦動(dòng)的角頻率(簡稱渦動(dòng)頻率)隨著增壓器轉(zhuǎn)速的升高而升高。內(nèi)油膜及外油膜渦動(dòng)相互作用，軸承內(nèi)油膜間隙明顯小于外油膜間隙，內(nèi)油膜摩擦力明顯高于外油膜，導(dǎo)致內(nèi)油膜溫度明顯高于外油膜，軸承系統(tǒng)噪聲主要由內(nèi)油膜渦動(dòng)產(chǎn)生[27]。

油膜渦動(dòng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[28]：轉(zhuǎn)子剛開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，浮動(dòng)軸承未旋轉(zhuǎn)，內(nèi)油膜開始出現(xiàn)渦動(dòng)，其渦動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率的0.5倍；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速約為25 000 r/min時(shí)，浮動(dòng)軸承開始轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)油膜渦動(dòng)頻率發(fā)生跳躍，為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率與浮動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)頻率之和的0.5倍；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加到約58 000 r/min，當(dāng)內(nèi)油膜渦動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)子固有頻率一致時(shí)，轉(zhuǎn)子及軸承系統(tǒng)發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，出現(xiàn)油膜振蕩，此時(shí)內(nèi)油膜渦動(dòng)頻率再次發(fā)生跳躍；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速約為80 000 r/min時(shí)，開始有較明顯的外油膜渦動(dòng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速約為125 000 r/min時(shí)，外油膜渦動(dòng)不再明顯；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速約為136 000 r/min時(shí)，內(nèi)油膜渦動(dòng)頻率隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加而快速下降。急加速及急減速工況容易出現(xiàn)油膜振蕩。

1.2.7 Rattle 噪聲

增壓器采用通流能力小的渦輪機(jī)提升低速段的增壓壓力及進(jìn)氣流量。為保證增壓器的可靠性，高速段通過廢氣旁通閥排掉部分廢氣，避免增壓器超速。廢氣旁通閥普遍采用壓氣機(jī)出口壓力驅(qū)動(dòng)，雖然解決了增壓器的可靠性問題，但帶來了不可忽視的Rattle噪聲。為保證廢氣旁通機(jī)構(gòu)在高溫下正常工作，各運(yùn)動(dòng)部件之間存在設(shè)計(jì)間隙，旁通閥開啟時(shí)，由于缺少約束，零部件間發(fā)生振動(dòng)敲擊產(chǎn)生Rattle 噪聲。此外，進(jìn)、排氣脈沖，發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定時(shí)部分轉(zhuǎn)速區(qū)域增壓壓力變化劇烈[29]，執(zhí)行器設(shè)計(jì)、匹配不合理[30-31]等也可能產(chǎn)生Rattle 噪聲。Rattle 噪聲雖聲壓級(jí)不高，但處于人耳比較敏感的頻率段，且由于處于高溫環(huán)境一般難以設(shè)置降噪措施，該噪聲容易被識(shí)別。

2 Whoosh噪聲研究現(xiàn)狀

3 噪聲控制技術(shù)綜合分析及發(fā)展方向

3.1 噪聲控制技術(shù)綜合分析

由于現(xiàn)代消聲器的良好阻尼特性及后處理措施，渦輪增壓器渦輪機(jī)的噪聲通常與進(jìn)氣側(cè)和壓氣機(jī)有關(guān)。雖然空氣濾清器會(huì)衰減壓氣機(jī)進(jìn)口的噪聲，但未衰減的高頻噪聲仍會(huì)通過壓氣機(jī)與空氣濾清器和中冷器的聯(lián)接管道傳播。噪聲問題具有固有的主觀性，人類可感知的聲音頻率大約為20～20 000 Hz，人最敏感的聲音頻率大約為2000～4000 Hz。由于計(jì)算機(jī)能力的提升和仿真方法的改進(jìn)，現(xiàn)在已可以采用大渦模擬或分離渦流模擬研究渦輪增壓器內(nèi)部的復(fù)雜流動(dòng)及噪聲源。目前主要采取主動(dòng)降噪和被動(dòng)降噪2種措施降低渦輪增壓器的噪聲。

3.1.1 主動(dòng)降噪

旋轉(zhuǎn)失速是決定壓氣機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)范圍的主要限制因素之一，改善旋轉(zhuǎn)失速有利于改善Whoosh噪聲。旋轉(zhuǎn)失速的研究一直集中在減少旋轉(zhuǎn)失速的發(fā)生和擴(kuò)大穩(wěn)定工作范圍上，空氣噴射是擴(kuò)大壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍最有效的途徑之一。在無葉擴(kuò)壓器中注入相對(duì)較高流速的空氣，改善低流動(dòng)區(qū)域的流動(dòng)，阻止從無葉擴(kuò)壓器到葉輪的反向流動(dòng)，Halawa等[45]、Zhang等[46]通過數(shù)值分析和試驗(yàn)討論了空氣注入位置、流量和方向等的變化對(duì)失速的影響。在葉輪前緣噴入空氣使前緣頂端附近的吸入側(cè)產(chǎn)生更高的壓力，改變?nèi)~輪前緣頂端泄漏軌跡，改善頂端泄漏流動(dòng)與吸力面分離流動(dòng)之間的相互作用。壓氣機(jī)殼流道的非軸對(duì)稱流場對(duì)失速和喘振有顯著影響，并引起周向差異，可以建立和開發(fā)考慮非均勻流場和周向差異的新壓氣機(jī)殼設(shè)計(jì)方法，以提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定性[47]?？梢酝ㄟ^設(shè)計(jì)帶收縮壁的擴(kuò)壓器[48]和增加葉片出口角[49]來抑制失速團(tuán)速度。葉片擴(kuò)壓器前緣輪轂側(cè)設(shè)計(jì)錐形擴(kuò)壓葉片可抑制前緣渦旋的演化，有效防止葉片擴(kuò)壓器在低流量下失速，不僅能有效降低葉片通過頻率噪聲水平，而且能有效降低寬帶噪聲，同時(shí)能夠提升壓氣機(jī)的性能[50]。實(shí)際應(yīng)用中還可以通過選用更小的壓氣機(jī)，減小葉輪Trim值(壓氣機(jī)葉片的進(jìn)氣端直徑平方和出氣端直徑平方之比，再乘以100)，增加機(jī)匣結(jié)構(gòu)等方式改善Whoosh噪聲。

改善壓力分布不均勻性，以改善葉輪受力，是控制渦輪增壓器噪聲的有效措施之一。增加葉輪與喉舌的距離[51-53]、優(yōu)化流道設(shè)計(jì)，可以改善壓力分布。增加葉輪葉片數(shù)會(huì)使得單個(gè)葉片受力減小，減小噪聲幅值，同時(shí)葉片音調(diào)頻率增加，可能會(huì)降低人耳敏感度。采用周向不均勻設(shè)計(jì)的葉輪可以明顯改善人耳聽力范圍內(nèi)的噪聲[54]。

調(diào)整軸承間隙或結(jié)構(gòu)等改善油膜渦動(dòng)是改善軸承系統(tǒng)噪聲的最常見措施。合理設(shè)計(jì)軸承間隙[55]，軸承內(nèi)、外表面開槽[56]，采用半浮動(dòng)軸承[57]等可以改善油膜渦動(dòng)。Kumah等[58]研究發(fā)現(xiàn)渦輪端和壓氣機(jī)端浮動(dòng)軸承采用不同內(nèi)、外間隙更有利于改善油膜渦動(dòng)，并設(shè)計(jì)出“不同軸承間隙”結(jié)構(gòu)。

增壓器執(zhí)行器增加穩(wěn)壓腔結(jié)構(gòu)，降低執(zhí)行器入口的壓力脈沖，有利于改善Rattle噪聲。若空間排布允許，該穩(wěn)壓腔還可以單獨(dú)排布在脈沖電磁閥與執(zhí)行器之間[59-60]；如果空間排布受限，可以考慮將穩(wěn)壓腔與執(zhí)行器集成在一起。采取減小旁通閥門機(jī)構(gòu)零部件配合間隙或增加彈性墊片等方式消除傳動(dòng)片與套座、閥門蓋與閥桿之間的間隙[61]，限制零部件運(yùn)動(dòng)自由度，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略控制增壓壓力變化，優(yōu)化執(zhí)行器的控制也是常用降噪措施。Toussaint等[62]將普通扁平式旁通閥門調(diào)整為新型整體式球形閥門結(jié)構(gòu)，與扁平旁通閥門相比，在可控性、噪聲、可靠性等方面存在顯著優(yōu)勢，降低對(duì)噪聲的敏感性，但新型整體式球形閥門鑄造及加工工藝復(fù)雜，成本增加。

3.1.2 被動(dòng)降噪

消聲器是有效控制增壓器噪聲的被動(dòng)措施，在壓氣機(jī)進(jìn)口[63-64]及出口安裝合適的消聲器可以改善特定頻率段的噪聲。有的增壓器廠家還將壓氣機(jī)殼和消聲器集成，這樣可以部分解決空間排布問題。通過增加管道壁厚或?qū)⒐艿啦牧嫌伤芰险{(diào)整為金屬等，在一定程度上改善噪聲，但會(huì)增加成本。對(duì)管道或后處理進(jìn)行被動(dòng)聲學(xué)包裹也會(huì)在一定程度上改善噪聲[65]，但該方法除增加成本外，還需考慮空間排布問題，同時(shí)還要考慮包裹聯(lián)接可靠性問題，該措施實(shí)際應(yīng)用不多。對(duì)于海洋用的大型渦輪增壓器，通用的措施是用隔音外殼封閉整個(gè)裝置。除管道外，中冷器及后處理裝置是與渦輪增壓器相關(guān)的部件，中冷器及后處理裝置可以作為消聲器來控制進(jìn)排氣系統(tǒng)噪聲。

進(jìn)氣管道形狀影響葉輪周向壓力分布，壓氣機(jī)前采用普通直管對(duì)喘振線的改善表現(xiàn)最差，錐形管不僅改善了喘振線，而且在大流量時(shí)還能適當(dāng)增加壓氣機(jī)的壓比，能適當(dāng)提升壓氣機(jī)性能。壓氣機(jī)進(jìn)口增加預(yù)旋裝置有利于改善喘振，但預(yù)旋裝置主要在研發(fā)階段，實(shí)際應(yīng)用較少。自循環(huán)套管處理是一種廣泛應(yīng)用的被動(dòng)控制方法，可擴(kuò)展高壓縮比離心壓縮機(jī)的工作范圍。優(yōu)化的非對(duì)稱自循環(huán)套管處理比對(duì)稱的自循環(huán)套管處理更能有效提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定性，可以減少主葉片入口處的周向流動(dòng)畸變。

3.1.3 關(guān)系噪聲的過程控制

除主動(dòng)降噪和被動(dòng)降噪外，關(guān)系噪聲的過程控制容易被忽略。工程應(yīng)用中需識(shí)別關(guān)系噪聲的重要產(chǎn)品特性及過程特性，進(jìn)行針對(duì)性過程控制。流道鑄瘤、鑄孔，鑄造或加工過程的流道偏擺，流道毛刺及飛邊等尖銳結(jié)構(gòu)，貫穿流道的螺紋孔結(jié)構(gòu)，葉輪和渦輪不合理的尖銳去重結(jié)構(gòu)等都會(huì)對(duì)增壓器噪聲產(chǎn)生不利影響。改善壓氣機(jī)和渦輪機(jī)的流道粗糙度可以改善流場氣流的均勻性，有利于改善噪聲。

3.2 發(fā)展方向

過去10 a來計(jì)算機(jī)設(shè)備和仿真方法的發(fā)展提高了數(shù)值模擬方法合理預(yù)測氣動(dòng)噪聲的能力。為更好地進(jìn)行數(shù)值分析和試驗(yàn)研究，需高精度噪聲測量設(shè)備，大學(xué)與產(chǎn)業(yè)的合作有待加強(qiáng)。由于沒有完整描述流動(dòng)不穩(wěn)定性和固體表面非定常壓力載荷的時(shí)空演化，同時(shí)缺乏聲音產(chǎn)生機(jī)制的知識(shí)，限制了壓氣機(jī)及增壓器在聲學(xué)性能方面的優(yōu)化。雖然對(duì)旋轉(zhuǎn)失速及其相對(duì)不穩(wěn)定性的研究已有多年，但在一種新的壓氣機(jī)系統(tǒng)中，仍無法有效預(yù)測失速。進(jìn)排氣脈沖有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，但進(jìn)、排氣脈沖對(duì)增壓器噪聲的影響還不清晰。增壓器朝著小型化、更高壓比和更高轉(zhuǎn)速方向發(fā)展，必將進(jìn)一步凸顯增壓器氣動(dòng)噪聲控制的重要性。壓氣機(jī)氣動(dòng)噪聲是渦輪增壓器噪聲控制的重點(diǎn)及難點(diǎn)，只有聯(lián)合主動(dòng)和被動(dòng)降噪措施，才能有效控制該噪聲。相比于壓氣機(jī)，對(duì)渦輪機(jī)的研究偏少，近幾年渦輪機(jī)葉片音調(diào)噪聲愈加突出。渦輪增壓器與整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)乃至整車系統(tǒng)相結(jié)合，進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)合控制將是后續(xù)增壓器噪聲控制的方向。將來的工作旨在揭示流場不穩(wěn)定性、噪聲源和觀測到的噪聲之間的相關(guān)性。