海洋大功率往復(fù)式壓縮機(jī)噪聲特性研究*

胡安斌 劉 健 王 鑫 侯小兵 劉守佳 周于富 苗峰華

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院 2. 中石化石油機(jī)械股份有限公司)

0 引 言

大功率往復(fù)式壓縮機(jī)是石油、天然氣及化工等領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備之一[1-4]。為滿足天然氣的產(chǎn)量需求，海洋壓縮機(jī)組需要很大的功率。海洋壓縮機(jī)組由多臺(tái)壓縮機(jī)組成，在工作過程中會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的振動(dòng)和強(qiáng)烈的噪聲，給人的生理和心理都帶來了嚴(yán)重的危害。因此，在剛度和質(zhì)量都有限制的海洋平臺(tái)上，在保證壓縮機(jī)功率和小型化要求的同時(shí)，降低其噪聲輻射顯得更為重要。而研究壓縮機(jī)噪聲特性，確定其輻射噪聲較大位置，是進(jìn)行噪聲控制的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。

目前在壓縮機(jī)噪聲特性分析和降噪處理領(lǐng)域，各學(xué)者的研究對(duì)象多為冰箱[5-6]和空調(diào)[7-8]等小型壓縮機(jī)，而針對(duì)大型大功率壓縮機(jī)的噪聲研究相對(duì)較少，且研究對(duì)象多為在陸地工作的壓縮機(jī)。郭金全[9]以6HHE-VE6型壓縮機(jī)為研究對(duì)象，在距離壓縮機(jī)表面1 m的一個(gè)假想矩形五面體上布置17個(gè)測(cè)點(diǎn)，完成壓縮機(jī)的三維聲強(qiáng)測(cè)試，識(shí)別出主要噪聲源為氣缸處進(jìn)排氣噪聲；肖棟等[10]采用4種波束形成算法在不同的聲源頻率下進(jìn)行壓縮機(jī)噪聲源定位研究，研究結(jié)果表明，除自譜的互功率譜波束形成算法表現(xiàn)優(yōu)異，能夠更為精確地識(shí)別壓縮機(jī)主要噪聲源，為壓縮機(jī)后續(xù)的減振降噪設(shè)計(jì)提供了參考；A.JERIC等[11]研究了壓縮機(jī)外殼對(duì)外部噪聲的影響，通過優(yōu)化壓縮機(jī)外殼結(jié)構(gòu)，達(dá)到了減小主要噪聲幅度的目的；YE K.等[12]以全封閉數(shù)字渦旋壓縮機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了半主動(dòng)控制方法，通過使用附加閥來調(diào)節(jié)室內(nèi)的壓力變化率，從而大大降低噪聲水平；唐鵬等對(duì)天然氣壓縮機(jī)的振動(dòng)噪聲源及其特性進(jìn)行了詳細(xì)分析，采取在進(jìn)氣口安裝消聲器，對(duì)壓縮機(jī)本體安裝隔聲罩的降噪措施，降噪幅度達(dá)20%；A.EIJK等[13]為改善海上平臺(tái)的作業(yè)環(huán)境，減小振動(dòng)噪聲，在壓縮機(jī)、電動(dòng)機(jī)、脈動(dòng)阻尼器、管道和甲板設(shè)計(jì)中采取了一系列的改進(jìn)措施，使海上平臺(tái)的噪聲滿足相關(guān)法律規(guī)定要求。

本文建立了海洋大功率往復(fù)式壓縮機(jī)模型，結(jié)合壓縮機(jī)工況特點(diǎn)確定噪聲分析方法，采用ANSYS和LMS仿真軟件 Virtual.Lab，對(duì)海洋大功率往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)行了振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算和輻射聲場(chǎng)計(jì)算，確認(rèn)氣動(dòng)噪聲為主要聲源。所得結(jié)果可為降低壓縮機(jī)噪聲和對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 噪聲分析理論

數(shù)值聲學(xué)主要分為聲學(xué)有限元法和聲學(xué)邊界元法，二者的原理是利用聲學(xué)有限元和聲學(xué)邊界元求解Helmholtz方程[14]，邊界元法比有限法適用的計(jì)算范圍廣，計(jì)算精度高且計(jì)算量小。

聲學(xué)邊界元法可以分為直接和間接邊界元2種方法。直接法以結(jié)構(gòu)表面聲壓和結(jié)構(gòu)表面法向振速為邊界量，適用于具有封閉表面結(jié)構(gòu)的聲輻射和聲散射計(jì)算。間接法以結(jié)構(gòu)表面的聲壓差和速度差為邊界量，可用于表面不封閉結(jié)構(gòu)的聲輻射和聲散射計(jì)算。由于本文研究的是壓縮機(jī)的外聲場(chǎng)，且壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)本身封閉(面網(wǎng)格也是封閉的)，所以壓縮機(jī)噪聲輻射計(jì)算采用直接邊界元法。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：na為邊界元網(wǎng)格上所有節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

不在邊界Ωa上聲場(chǎng)V中任意一點(diǎn)r處聲壓p(r)的計(jì)算，可以通過邊界上的聲壓和法向振動(dòng)速度積分得到，即有：

p(r)={Ci}T{pi}+{Di}T{vni}r∈V且r?Ωa

(5)

式中：系數(shù)矩陣向量{Ci}和{Di}的元素分別為：

(6)

(7)

2 壓縮機(jī)聲場(chǎng)仿真分析

設(shè)海洋大功率往復(fù)式壓縮機(jī)的工作原理與陸地功率往復(fù)式壓縮機(jī)相同，且其功率低于陸地壓縮機(jī)。二者的區(qū)別在于：陸地壓縮機(jī)有3列對(duì)置的氣缸，而設(shè)計(jì)的海洋壓縮機(jī)只有1列對(duì)置的氣缸，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)和受力情況一致，噪聲的產(chǎn)生機(jī)理也相同，二者噪聲峰值頻率和噪聲顯著頻段不同。海洋壓縮機(jī)聲場(chǎng)仿真計(jì)算主要包括2部分：①在ANSYS軟件中完成壓縮機(jī)振動(dòng)響應(yīng)的分析計(jì)算；②以振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果為邊界條件在Virtual. Lab(以下簡(jiǎn)稱VL)中完成輻射聲場(chǎng)的計(jì)算。具體計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 聲學(xué)仿真計(jì)算流程Fig.1 Acoustic simulation calculation process

2.1 壓縮機(jī)振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算

2.1.1 有限元模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，利用Solidworks軟件完成海洋大功率壓縮機(jī)三維建模，并根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。將三維模型導(dǎo)入ANSYS中，設(shè)置材料屬性，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2.1.2 載荷計(jì)算

海洋壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，所受載荷包括氣缸內(nèi)氣體力、活塞對(duì)氣缸壁的側(cè)向力與通過連桿傳遞到主軸承上的載荷。海洋壓縮機(jī)載荷計(jì)算的運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

氣體力是往復(fù)式壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中氣缸氣室內(nèi)氣體脈動(dòng)對(duì)內(nèi)壁的沖擊作用力。海洋大功率往復(fù)式壓縮機(jī)為雙作用式，包括2個(gè)氣室：端蓋一側(cè)氣室(簡(jiǎn)稱蓋側(cè)氣室)和軸承一側(cè)氣室(簡(jiǎn)稱軸側(cè)氣室)。結(jié)合受力分析及壓縮機(jī)工況，計(jì)算得到氣室內(nèi)氣體壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線，如圖3所示。

圖2 海洋大功率往復(fù)式壓縮機(jī)三維模型Fig.2 Three-dimensional model of marine compressor

表1 海洋壓縮機(jī)設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)Table 1 Operation parameters of marine compressor

圖3 活塞兩側(cè)氣室壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線Fig.3 The pressure of the air chambers on both sides of the piston varies with the crankshaft angle

海洋大功率往復(fù)式壓縮機(jī)為對(duì)置式布置，其對(duì)置的兩側(cè)活塞側(cè)向力相等，計(jì)算得到活塞側(cè)向力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線，結(jié)果如圖4所示。

圖4 側(cè)向力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線Fig.4 Lateral force varies with crankshaft angle

結(jié)合受力分析及壓縮機(jī)工況，采用多體動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算主軸承載荷隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線，結(jié)果如圖5所示。

圖5 主軸承載荷隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線Fig.5 Bearing load varies with crankshaft rotation angle

2.1.3 求解及后處理

約束及載荷施加后，運(yùn)行求解。壓縮機(jī)整機(jī)變形云圖如圖6所示。壓縮機(jī)表面振動(dòng)速度云圖如圖7所示。

圖6 海洋壓縮機(jī)整機(jī)變形云圖Fig.6 Deformation diagram of the whole marine compressor

圖7 壓縮機(jī)表面振動(dòng)速度云圖Fig.7 Surface vibration velocity diagram of the compressor

由圖7可知，振動(dòng)速度較大位置主要集中在緩沖罐與氣缸處，最大振速可達(dá)120 mm/s。海洋壓縮機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析結(jié)果將作為振動(dòng)數(shù)據(jù)源應(yīng)用于其噪聲分析。

2.2 壓縮機(jī)輻射聲場(chǎng)計(jì)算

2.2.1 邊界元模型建立

將振動(dòng)分析有限元網(wǎng)格導(dǎo)入VL中，在有限元模型的基礎(chǔ)上，提取表面網(wǎng)格作為聲學(xué)分析的邊界元網(wǎng)格。

2.2.2 定義流體材料

流體材料指聲音傳播介質(zhì)，只需要定義聲音在介質(zhì)中的傳播速度和介質(zhì)密度即可。壓縮機(jī)噪聲的傳播介質(zhì)是空氣，其傳播速度為340 m/s，空氣密度為1.225 kg/m3。定義完成后，將該材料屬性施加到邊界元網(wǎng)格上。

2.2.3 定義場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格和反射面

場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算過程無影響，其作用是提取計(jì)算分析結(jié)果，仿真所定義的場(chǎng)點(diǎn)等同于試驗(yàn)測(cè)試的測(cè)點(diǎn)。根據(jù)GB/T 4986—2003《容積式壓縮機(jī)噪聲聲功率級(jí)的測(cè)定 工程法》的規(guī)定，測(cè)量表面與基準(zhǔn)體對(duì)應(yīng)面平行且相距1 m。因此仿真定義的場(chǎng)點(diǎn)距離壓縮機(jī)基準(zhǔn)面為1 m，在振動(dòng)仿真中，振動(dòng)響應(yīng)最大處為氣缸位置，初步認(rèn)定氣缸為壓縮機(jī)的主要噪聲源，所以定義壓縮機(jī)靠近氣缸兩側(cè)面的場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格。

海洋壓縮機(jī)安裝在甲板上，甲板與地面一樣，對(duì)聲波的吸收作用較弱，因此分析時(shí)將甲板視作地面處理，同時(shí)由于海洋壓縮機(jī)安裝的周圍無墻體等聲波反射面，因此只定義甲板這一反射面。場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格及反射面如圖8所示。

圖8 場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格及反射面Fig.8 Field point grid and reflective surface

2.2.4 邊界條件定義

將ANSYS軟件中計(jì)算的振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果文件導(dǎo)入VL中，提取振動(dòng)位移，將位移作為聲學(xué)分析的邊界條件。由于在VL中提取的位移在有限元(結(jié)構(gòu))網(wǎng)格上，所以首先需要進(jìn)行數(shù)據(jù)映射轉(zhuǎn)移計(jì)算，即將結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上的振動(dòng)位移轉(zhuǎn)移到邊界元網(wǎng)格上，隨后完成邊界條件定義及聲場(chǎng)計(jì)算。

2.2.5 求解及后處理

振動(dòng)響應(yīng)分析時(shí)，壓縮機(jī)單個(gè)周期時(shí)間歷程為0.060 s，設(shè)置60個(gè)載荷步，每隔6個(gè)載荷步提取一次整機(jī)振動(dòng)結(jié)果，因此聲學(xué)分析中每隔0.006 s提取一次場(chǎng)點(diǎn)聲壓云圖，部分載荷步聲壓云圖如圖9所示。

圖9 海洋壓縮機(jī)聲壓云圖Fig.9 Sound pressure distribution of marine compressor

由圖9可知：在1個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)，氣缸兩側(cè)聲壓級(jí)較高，可達(dá)100 dB以上，這與機(jī)體振動(dòng)烈度有關(guān)；中間位置存在峰值，說明氣缸處噪聲較大；下方聲壓級(jí)普遍高于上方聲壓級(jí)，說明由于地面的反射作用，會(huì)使壓縮機(jī)輻射噪聲增強(qiáng)。

2.3 壓縮機(jī)噪聲特性研究

對(duì)壓縮機(jī)噪聲特性進(jìn)行研究，采用傅里葉變換將時(shí)域內(nèi)的噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域進(jìn)行分析，傅里葉變換的數(shù)學(xué)表達(dá)式為[15]：

(8)

式中：f為頻率，Hz；t為時(shí)間，s。

取第30載荷步(0.030 s)時(shí)刻場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格上對(duì)應(yīng)壓縮機(jī)測(cè)點(diǎn)位置聲壓信息進(jìn)行倍頻程譜分析，場(chǎng)點(diǎn)選取位置如圖10所示，場(chǎng)點(diǎn)為網(wǎng)格的頂點(diǎn)和中點(diǎn)。

圖10 海洋壓縮機(jī)場(chǎng)點(diǎn)選取Fig.10 Field point selection of marine compressor

圖11 各場(chǎng)點(diǎn)倍頻程譜曲線及顯著頻段Fig.11 octave spectrum of each field point

3 大功率往復(fù)式壓縮機(jī)降噪措施

由噪聲的定義可知，降低噪聲可從噪聲源的控制、傳播途徑的控制和接受者的防護(hù)3個(gè)方面考慮[17]。其中，噪聲源的控制屬于主動(dòng)降噪，上述對(duì)壓縮機(jī)的噪聲特性分析可為壓縮機(jī)的降噪設(shè)計(jì)提供參考。傳播途徑的控制和接受者的防護(hù)屬于被動(dòng)降噪，指通過吸聲、消聲或隔聲等方法對(duì)噪聲進(jìn)行控制，對(duì)于已經(jīng)運(yùn)行的設(shè)備，該方法成本低，效果較好[18]。由前文的分析可知，氣缸為壓縮機(jī)的主要噪聲源，因此對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)噪聲和氣缸處噪聲的控制，提出如下控制方法。

3.1 進(jìn)(排)氣系統(tǒng)噪聲的控制

3.1.1 進(jìn)、排氣管道安裝消聲器

氣閥的間斷啟閉會(huì)在進(jìn)氣口附近產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，形成低頻噪聲，可在該位置安裝消聲器。本文設(shè)計(jì)了帶有擴(kuò)張室與微穿孔管的復(fù)合式消聲器，可提高低頻噪聲的控制效果。帶有擴(kuò)張室與微穿孔管的復(fù)合消聲器結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 帶有擴(kuò)張室與微穿孔管的復(fù)合消聲器結(jié)構(gòu)Fig.12 Compound muffler with expansion chamber and micro-perforated tube

其消聲原理為：當(dāng)氣流通過消聲器的穿孔管進(jìn)入擴(kuò)張室時(shí)，由于體積膨脹，緩沖作用使氣體脈動(dòng)壓力降低，強(qiáng)度減弱，達(dá)到降噪的目的。穿孔管的設(shè)置可以使消聲器在較寬的頻帶上降噪。針對(duì)強(qiáng)烈的低頻噪聲，可考慮使用文氏管消聲器。文氏管消聲器與普通消聲器結(jié)構(gòu)基本相同，區(qū)別在于把插入管改為孔徑漸變的文氏管。該消聲器對(duì)低頻噪聲的控制效果顯著，同時(shí)，在文氏管消聲器出氣口端設(shè)計(jì)有雙層微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，可使消聲頻帶更寬。

3.1.2 管道使用節(jié)流孔板

節(jié)流孔板是一個(gè)阻尼元件，它通過改變氣流通過的橫截面積來削減氣流的脈動(dòng)作用，從而抑制管道內(nèi)駐波的形成，最終降低管道輻射的噪聲。節(jié)流孔板的孔徑一般取管徑的0.43～0.50倍，厚度取3～5 mm。

3.1.3 對(duì)進(jìn)、排氣管道進(jìn)行隔聲包扎

管道內(nèi)氣體壓力變化會(huì)激發(fā)管道的振動(dòng)，從而輻射出噪聲。通過對(duì)管道噪聲輻射嚴(yán)重處進(jìn)行隔聲包扎，利用其阻尼作用可削弱管道振動(dòng)產(chǎn)生的再生噪聲。包扎內(nèi)層材料常采用瀝青油氈[19]。

3.2 氣缸處噪聲的控制

氣缸處噪聲主要由氣缸內(nèi)氣動(dòng)噪聲和活塞敲擊噪聲組成，其降噪設(shè)計(jì)也將從這兩方面進(jìn)行。由于氣體必須在氣缸內(nèi)完成壓縮過程，所以氣動(dòng)噪聲不可避免，其控制難度也較高，僅對(duì)活塞敲擊噪聲的控制方法進(jìn)行介紹。

(1)提高平衡精度。通過對(duì)曲軸進(jìn)行動(dòng)、靜平衡精度的調(diào)節(jié)降低不平衡力矩，降低活塞所受的側(cè)壓力，從而降低活塞的敲擊噪聲。

(2)提高行程缸徑比，也可使活塞力減小。

(3)使用自動(dòng)控制熱膨脹的鑲鋼片活塞，減小冷態(tài)的最大間隙，同時(shí)可將活塞銷偏心安裝，推向主推力面1～2 mm，減小活塞對(duì)氣缸的沖擊力，從而使噪聲降低[20]。

4 結(jié) 論

(1)應(yīng)用有限元法和邊界元法對(duì)海洋壓縮機(jī)噪聲進(jìn)行了仿真分析，包括振動(dòng)響應(yīng)的計(jì)算和輻射聲場(chǎng)計(jì)算兩部分，預(yù)測(cè)了海洋壓縮機(jī)噪聲輻射情況及噪聲特性。在確定氣缸為主要噪聲源后，對(duì)海洋壓縮機(jī)提出了具有針對(duì)性的降噪方法。

(2)通過分析，得到了海洋壓縮機(jī)氣缸兩側(cè)聲壓云圖，氣缸兩側(cè)聲壓級(jí)最高可達(dá)100 dB以上；云圖中間位置存在峰值，說明氣缸處噪聲值較大；下方聲壓級(jí)普遍高于上方聲壓級(jí)，其原因是地面的反射作用使得壓縮機(jī)輻射噪聲增強(qiáng)；通過倍頻程譜分析，發(fā)現(xiàn)海洋壓縮機(jī)噪聲顯著頻段在40～400 Hz內(nèi)，整體呈現(xiàn)低頻特性。

(3)海洋壓縮機(jī)噪聲的預(yù)測(cè)分析結(jié)果可為其研制階段的噪聲控制和壓縮機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。