無油螺桿壓縮機的噪聲實驗研究

周景芝，朱夷詩，章 華，施嘉冬

(1.中石化上海工程有限公司，上海 200040；2.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108)

1 引言

無油螺桿壓縮機是一種回轉容積式壓縮機，廣泛應用在煉油、石化、煤化等領域。與制冷、空壓等噴油螺桿壓縮機相比，其機型更大、轉速及功率更高，相應的噪音也更大。隨著國內環(huán)保意識的增強，無油螺桿壓縮機的噪聲問題已成為行業(yè)內被重點關注的問題之一。

根據(jù)噪聲的產(chǎn)生機理，螺桿壓縮機的噪聲源主要有3個方面：一是機械噪聲；二是氣動噪聲；三是電磁噪聲[1]。機械噪聲是由于設備振動而產(chǎn)生的噪聲，且振動會產(chǎn)生輻射噪聲，尤其是易于輻射高頻噪聲。其主要來源于旋轉軸系的靜、動態(tài)不平衡引起的偏心力，通常與壓縮機零部件的加工工藝、轉動部件動平衡以及裝配工藝等有關。氣動噪聲主要來源于螺桿壓縮機周期性的吸排氣，產(chǎn)生氣流脈動噪聲，且轉子高速旋轉時，會產(chǎn)生渦流噪聲。電磁噪聲主要由驅動的主電機產(chǎn)生的。無油螺桿壓縮機的氣動噪聲較為突出，為更好地抑制壓縮機的噪聲，通過實驗方法，研究其頻譜特性，并對其各工況參數(shù)進行定量研究，有利于為后續(xù)降噪工作提供方向及基礎數(shù)據(jù)。

2 實驗研究

本實驗臺采用變頻電機直接驅動壓縮機，壓縮機與主電機均固定在鋼結構底座上。實驗平臺配套有實驗所需的所有公用工程管道，包括潤滑油、密封氣、噴淋水等管道。且實驗臺配備了溫度、壓力、流量等測量儀表，所有儀表均按期進行校驗標定。其中，考慮到噪聲及脈動絕大部分發(fā)生在壓縮機的排氣側，因此入口采用敞開式吸氣。

本實驗采用的無油螺桿壓縮機主要參數(shù)為：轉子直徑255 mm、長徑比1.1、齒數(shù)比4(陽轉子)∶6(陰轉子)；本實驗測量采用噪聲統(tǒng)計分析儀為手持式噪聲儀AWA6291，測量范圍為10 Hz～20 kHz，精度為±0.2 dB，具備A、C、Z三種頻率計權模式。噪聲測量依據(jù)《GB/T4980-2003容積式壓縮機噪聲的測定》進行。

3 結果分析

3.1 頻譜特性

頻譜分析法是確定主要噪聲源的方法之一，被廣泛應用[2]。螺桿壓縮機作為容積式壓縮機，噪聲主要來源于間歇性的吸排氣工作過程，其頻率通常是齒槽切割氣口頻率(PPF：Pass Pocket Frequency，為陽轉子齒數(shù)乘于轉速)的整數(shù)倍[3]。并且頻率的分布較寬，部分機型可從1x(PPF)至10x。本機型額定工況下的噪聲頻譜特性如圖1所示(轉速3000 r/min、排氣壓力728 kPa)。

圖1 噪聲頻譜分布

根據(jù)圖1可以發(fā)現(xiàn)，噪聲在從1xPPF至6xPPF均較大，峰值噪聲主要分布在中高頻段，尤其1×、2×、4×更為顯著，相應頻率的噪聲量已經(jīng)超過規(guī)定的85 dB。因此在設計消音器時，應優(yōu)先針對這3個頻率進行結構設計。

3.2 排氣壓力

排氣壓力可從排氣脈動和噪聲傳播兩方面影響壓縮機的噪聲。無油螺桿壓縮機為固定的內容積比，在其他條件不變的情況下，壓縮終了壓力為定值。不同的排氣壓力將造成壓縮機的過壓縮和欠壓縮。排氣時產(chǎn)生氣流反復及噴射，引起一定氣流脈動及湍流。傳統(tǒng)的觀點認為氣動噪聲與汽流脈動的變化趨勢較為一致[4]，同時出口氣體密度增大，有利于噪聲的傳播[5]。因此，排氣壓力越高，噪聲將越大。但從本次噴液的無油螺桿壓縮機并不支持上述觀點，其實驗結果如圖2所示(進氣溫度為15 ℃，噴水量為1.98 m3/h，轉速為3000 r/min)。

圖2 排氣壓力的噪聲特性

從實驗結果可以發(fā)現(xiàn)，盡管排氣壓力上升，但對噪聲量的影響并不顯著，這與論文[6]的實驗結果相一致。顯然，通過排氣氣流密度控制噪聲傳播對降噪起不到理想的效果。同時，從頻譜圖可以發(fā)現(xiàn)，排氣壓力對不同頻率的噪聲影響也并不顯著。這主要由于一方面氣流所引發(fā)的噪聲往往頻率較高，較難傳播；另一方面液體對噪聲有較好的吸收作用。

3.3 噴液量

噴液是降噪手段之一，在鍋爐等高溫汽流排放中較為常用。其消聲機理：一方面改變介質密度、速度引起聲阻抗變化，使聲波發(fā)生反射；另一方面通過兩相相互作用消耗聲能。實驗結果如圖3所示(進氣溫度為15 ℃，排氣壓力為530 kPa(G)，轉速為3000 r/min)。

圖3 噴液量的噪聲特性

根據(jù)實驗結果，隨著噴液量的增加，噪聲量明顯下降，從頻譜圖可以發(fā)現(xiàn)，1000 Hz以上的噪聲(波長約0.35 m)下降幅度較大。所噴的液體將在壓縮機的排氣管線上以霧狀流及環(huán)狀流的形式分布。微小的液滴對高頻的噪聲(波長小)能夠起到良好的阻隔。同時，排氣管內壁所覆蓋的液膜，通過液體的形變能夠對噪聲有良好的吸收。因此，通過增加噴液量，能夠起到較好的降噪作用，對高頻的噪聲尤其有效。

3.4 轉速

壓縮機噪聲量及其頻譜特性主要取決于轉速。轉速對噪聲的影響結果如圖4所示(進氣溫度為15 ℃，噴液量為2 m3/h，排氣壓力為532 kPa(G))。

圖4 轉速的噪聲特性

從圖4可以看出，轉速直接影響壓縮機噪聲的頻譜特性。壓縮機轉速對噪聲量的影響尤為顯著，由于壓縮機排氣所產(chǎn)生的氣流周期性作用力與旋轉部件的轉速平方成正比，轉速提升，作用力顯著增大，尤其是高頻部分的噪聲。與此同時，隨著轉速的上升，吸排氣口的切割頻率隨之上升，轉子及氣口對氣流的“撞擊”作用也隨之增強，因此，所產(chǎn)生的氣動性噪聲在各頻率下均顯著上升。根據(jù)實驗結果，從3000 r/min降低至1000 r/min，噪聲量下降約20 dB(A)。這與早期文獻的趨勢基本一致，通過降低轉速實現(xiàn)降噪是最為有效的手段。

4 結論

本文通過實驗研究壓縮機的頻譜特性，定量分析了排氣壓力、噴液量及轉速對噪聲量的影響。實驗表明，排氣壓力對噪聲影響不大，噴液量和轉速影響較為顯著。通過增大噴液量和降低壓縮機轉速可顯著降低壓縮機噪聲。同時，根據(jù)各實驗的噪聲頻譜特性，消音器應重點針對壓縮機的1×、2×及4×頻率開展結構設計。