變頻渦旋壓縮機(jī)噪聲特性及降噪方法研究

張文卓，曲 政，李丙乾，許曉明，王 珍，陳建國，閆偉國，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］。然而以前對氣閥的研究多圍繞氣閥的可靠性及受力方面，對噪聲性能的影響極?。?-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)前對于新型變頻渦旋壓縮機(jī)的噪聲性能研究相對較少，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)性能測試

采用壓縮機(jī)性能測試臺對變頻渦旋壓縮機(jī)的性能進(jìn)行測試。采用無刷直流變頻電機(jī)作為動力源，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)性能測試工況參數(shù)Tab.1 Compressor performance test operating parameters

1.2 壓縮機(jī)噪聲性能測試

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。采用型號為B&K 4189 型麥克風(fēng)（配有放大器）測試壓縮機(jī)噪聲。噪聲測定頻率響應(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)測定壓縮機(jī)噪聲性能。采用4 個(gè)麥克風(fēng)的平均聲壓級Lsp確定壓縮機(jī)的噪聲性能，公式為：

式中，LPA，LPB，LPC，LPD分別為對應(yīng)麥克風(fēng)測定的聲壓級。

1.3 壓縮機(jī)振動性能測試

采用相同的數(shù)據(jù)采集卡，并結(jié)合加速度傳感器對各零部件的振動特性進(jìn)行測試，頻率響應(yīng)范圍為0～6 400 Hz，頻率分辨率為1 Hz。測試時(shí)同時(shí)測定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)動頻率的變化而變化，表明壓縮機(jī)工作正常，排氣口無堵塞。此外，隨著轉(zhuǎn)速增加，中低溫工況下冷媒循環(huán)量呈線性增長趨勢。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均呈線性增長趨勢。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)周期性波動趨勢，波動周期分布較均勻，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)部冷媒的壓力脈動增大，導(dǎo)致氣動噪聲增加顯著。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，如圖1（d）所示，通常壓縮機(jī)平均聲壓級與轉(zhuǎn)速呈線性增長趨勢，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，可以看出中轉(zhuǎn)速下噪聲增加的主要原因來自于4 500 Hz 頻段聲壓級的大幅度增加。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)處的振動進(jìn)行了測量，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 頻段處的振動最大。上蓋中心點(diǎn)沿軸向上、下運(yùn)動的部件只有排氣閥片。由此推測4 500 Hz 頻段處的振動主要源自于排氣閥機(jī)構(gòu)。

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

基于上述分析，將氣閥去除，對壓縮機(jī)的噪聲性能進(jìn)行測試，在中、低溫工況下的測試結(jié)果如圖4 所示。相比于舌簧閥，無氣閥壓縮機(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)聲壓級與轉(zhuǎn)速基本呈線性增長趨勢（如圖4（d）所示）。表明氣閥產(chǎn)生的噪聲對壓縮機(jī)的噪聲性能影響較大。在轉(zhuǎn)速為70 r/s 時(shí)，無閥壓縮機(jī)的噪聲下降尤為明顯，表明在中轉(zhuǎn)速下氣閥對壓縮機(jī)整體聲壓級的貢獻(xiàn)極大。值得注意的是，壓縮機(jī)的氣閥對排氣溫度、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外部溫度，當(dāng)溫度過高時(shí)會產(chǎn)生信號驅(qū)動壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。若無氣閥結(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，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閥壓縮機(jī)A 計(jì)權(quán)聲壓級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)對壓縮機(jī)的整體噪聲影響極大，而無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)，對于優(yōu)化壓縮機(jī)的整體噪聲，降低壓縮機(jī)的聲壓級是非常必要的。

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，圓片閥自身無剛度，在工作過程中其運(yùn)動完全受內(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。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。因而圓片閥反向運(yùn)動撞擊閥座的速度會明顯小于舌簧閥，由閥片拍擊引起的噪聲也會顯著降低。

為了明確圓片閥對壓縮機(jī)噪聲性能的影響，對不同工況下壓縮機(jī)的噪聲性能進(jìn)行了測試，獲得的中溫工況下A 計(jì)權(quán)1/3 倍頻程聲壓級圖譜如圖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)行了測試，結(jié)果如圖7 所示。與舌簧閥變頻渦旋壓縮機(jī)趨勢一致，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趨勢。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 均無明顯變化，表明將排氣機(jī)構(gòu)改成圓片閥對壓縮機(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趨勢。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，圓片閥自身無剛性，開啟階段能夠有效減小冷媒的壓力脈動。且在閉合階段，可減小由閥片反向運(yùn)動帶來的拍擊噪聲。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)并不會影響壓縮機(jī)的其他各項(xiàng)性能，比如制冷量以及COP 等。