壓氣機(jī)氣動(dòng)噪聲影響規(guī)律試驗(yàn)研究

曹曉琳,丁占銘,王浩宇,李欣,馬磊,張巖

(中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所柴油機(jī)增壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300400)

隨著對(duì)動(dòng)力要求的提高,渦輪增壓器被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、船舶等領(lǐng)域[1-2],但渦輪增壓器引起的噪聲問(wèn)題日益顯著。由于增壓器排氣系統(tǒng)普遍進(jìn)行了包覆處理,因此壓氣機(jī)的氣動(dòng)噪聲是渦輪增壓器噪聲的主要來(lái)源。壓氣機(jī)氣動(dòng)噪聲主要包括葉片通過(guò)頻率(BPF)噪聲、鋸齒(Buzz-Saw)噪聲、葉尖間隙噪聲(TCN)和隨機(jī)噪聲(random noise)[3]。BPF噪聲是旋轉(zhuǎn)葉片機(jī)械最典型的階次激勵(lì)噪聲,BPF噪聲的頻率為軸轉(zhuǎn)速基頻乘以葉片數(shù); TCN為窄帶噪聲,頻率大約為BPF的一半; Buzz Saw噪聲在頻譜上的形態(tài)為窄帶噪聲; 隨機(jī)噪聲的頻譜是連續(xù)譜,包含各種頻率成分,隨機(jī)噪聲在壓氣機(jī)的各種工況下是始終存在的,喘振噪聲是隨機(jī)噪聲的極端情況[4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)增壓器噪聲問(wèn)題開(kāi)展了一些研究。Fukano[5]分析了葉頂間隙的流動(dòng)與噪聲間的關(guān)系,證實(shí)葉片通過(guò)頻率噪聲由葉尖間隙的規(guī)律脈動(dòng)引起,隨機(jī)噪聲由無(wú)規(guī)律噪聲引起。劉揚(yáng)等[6]利用流體計(jì)算力學(xué)和聲學(xué)有限元的混合計(jì)算方法對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)口氣動(dòng)噪聲進(jìn)行數(shù)值預(yù)測(cè),研究表明,壓氣機(jī)進(jìn)口氣動(dòng)噪聲主要由葉片通過(guò)頻率噪聲和隨機(jī)噪聲組成?，F(xiàn)有研究中針對(duì)增壓器壓氣機(jī)氣動(dòng)噪聲變化規(guī)律開(kāi)展試驗(yàn)研究的較少。Bruan等[7]綜述了在ISO362標(biāo)準(zhǔn)下的整機(jī)噪聲特性,發(fā)現(xiàn)進(jìn)排氣噪聲是主要噪聲源。哈爾濱工程大學(xué)的劉晨[8]針對(duì)船舶用柴油機(jī)增壓器進(jìn)行了試驗(yàn)研究,研究表明壓氣機(jī)氣動(dòng)噪聲主要由葉片通過(guò)頻率處發(fā)生的葉片諧次噪聲與電鋸噪聲組成,低轉(zhuǎn)速區(qū)域沒(méi)有明顯的葉尖間隙噪聲。

綜上所述,針對(duì)車(chē)用增壓器壓氣機(jī)進(jìn)口氣動(dòng)噪聲,國(guó)內(nèi)外研究多集中在理論研究與數(shù)值預(yù)測(cè)方面,基于試驗(yàn)測(cè)試方法的研究較少。本研究在試驗(yàn)測(cè)試的基礎(chǔ)上,開(kāi)展加速噪聲測(cè)試以及穩(wěn)態(tài)工況下噪聲測(cè)試試驗(yàn),研究加速工況與穩(wěn)態(tài)工況下壓氣機(jī)氣動(dòng)噪聲變化規(guī)律,分析不同工況下占主導(dǎo)地位的噪聲成分,以期為增壓器噪聲抑制提供理論指導(dǎo)。

1 臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)方法

針對(duì)某車(chē)用渦輪增壓器搭建噪聲測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái),氣動(dòng)噪聲測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)架見(jiàn)圖1,主要由渦輪增壓器、采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)以及相關(guān)連接管路、連接支架等組成。采集系統(tǒng)采用LMS信號(hào)采集與分析平臺(tái),采樣頻率設(shè)置為51 200 Hz,穩(wěn)態(tài)工況每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)采集20 s。

圖1 增壓器試驗(yàn)臺(tái)架

以增壓器壓氣機(jī)進(jìn)口管道的進(jìn)氣口圓心作為球心,以半徑0.8 m的球面作為測(cè)試面,在測(cè)試平面上布置5個(gè)測(cè)點(diǎn),即布置5個(gè)噪聲傳感器,噪聲傳感器選用PCB聲級(jí)計(jì),測(cè)點(diǎn)布置示意見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置示意

分別進(jìn)行壓氣機(jī)加速噪聲測(cè)試與壓氣機(jī)穩(wěn)態(tài)工況噪聲測(cè)試試驗(yàn),本研究中均使用A計(jì)權(quán)聲級(jí)。加速噪聲測(cè)試試驗(yàn)在自循環(huán)狀態(tài)下進(jìn)行,轉(zhuǎn)速由60 000 r/min加速至100 000 r/min。穩(wěn)態(tài)工況噪聲測(cè)試試驗(yàn)增壓器轉(zhuǎn)速分別為50 000,55 000,60 000,65 000,70 000,75 000,80 000,90 000,100 000 r/min,轉(zhuǎn)速由低向高進(jìn)行;轉(zhuǎn)速低于60 000 r/min時(shí),由外氣源供氣,燃燒室不工作,在冷吹狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn);增壓器轉(zhuǎn)速達(dá)到60 000 r/min時(shí),燃燒室點(diǎn)火,在熱吹狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)。每一等轉(zhuǎn)速下,從大流量向小流量進(jìn)行試驗(yàn),小流量點(diǎn)盡量接近喘振點(diǎn),大流量點(diǎn)接近阻塞點(diǎn),盡可能覆蓋壓氣機(jī)的全部工作范圍;每一等轉(zhuǎn)速線(xiàn)測(cè)6～8個(gè)點(diǎn)。試驗(yàn)開(kāi)始前,分別采集試驗(yàn)室環(huán)境噪聲以及柴油泵等附件產(chǎn)生的背景噪聲,環(huán)境噪聲為56 dB,背景噪聲為64 dB。試驗(yàn)中壓氣機(jī)總體噪聲均在90 dB以上,因此背景噪聲和環(huán)境噪聲對(duì)噪聲測(cè)試結(jié)果的影響忽略不計(jì)。5個(gè)傳感器測(cè)得的噪聲值變化不超過(guò)±1 dB,可見(jiàn)選用球形測(cè)試面是合理的。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 加速試驗(yàn)噪聲變化規(guī)律

加速噪聲測(cè)試試驗(yàn)在自循環(huán)狀態(tài)下進(jìn)行,模擬真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)加速過(guò)程中增壓器的工作狀態(tài),其中增壓器轉(zhuǎn)速、流量、壓比隨時(shí)間變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。由圖3可知,加速時(shí)間為97 s,加速過(guò)程中壓氣機(jī)流量均在中高流量區(qū)域,試驗(yàn)最大流量為0.55 kg/s,最大壓比為2.97,最高轉(zhuǎn)速為101 281 r/min。

圖3 加速曲線(xiàn)

利用LMS分析軟件繪制colormap圖,定義轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)頻率為一階頻率。BPF對(duì)應(yīng)的頻率為轉(zhuǎn)速的七倍頻。對(duì)加速試驗(yàn)采集到的噪聲信號(hào)進(jìn)行階次分析,得到的分析結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 加速試驗(yàn)噪聲信號(hào)階次曲線(xiàn)

由圖4可知,整體來(lái)看,隨著轉(zhuǎn)速的增加,BPF逐漸增大,且隨著轉(zhuǎn)速增加,BPF增幅較大;轉(zhuǎn)速低于80 000 r/min時(shí)未出現(xiàn)明顯的Buzz Saw噪聲和BPF噪聲,即隨機(jī)噪聲為氣動(dòng)噪聲主要成分;隨著轉(zhuǎn)速增加,轉(zhuǎn)速高于80 000 r/min時(shí)出現(xiàn)了較明顯的Buzz Saw噪聲和BPF噪聲,且BPF噪聲占主導(dǎo)地位;從圖中可以看到,1階附近的低階噪聲較為明顯,考慮是轉(zhuǎn)子不平衡機(jī)理引起的,不屬于氣動(dòng)噪聲研究范疇。圖中未出現(xiàn)明顯的TCN,因此加速試驗(yàn)中,轉(zhuǎn)速低于80 000 r/min時(shí),隨機(jī)噪聲占主導(dǎo)地位,轉(zhuǎn)速高于80 000 r/min時(shí)壓氣機(jī)進(jìn)口噪聲主要由BPF噪聲與Buzz Saw噪聲主導(dǎo)。

2.2 穩(wěn)態(tài)工況噪聲變化規(guī)律

穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)下,試驗(yàn)最高轉(zhuǎn)速為100 000 r/min,最大流量為0.58 kg/s,最高壓比為3.14,最高壓氣機(jī)效率為80.6%。每個(gè)工況點(diǎn)采集5次噪聲信號(hào),取5次的平均值作為噪聲值。穩(wěn)態(tài)工況試驗(yàn)測(cè)得的壓氣機(jī)MAP見(jiàn)圖5。

圖5 壓氣機(jī)MAP

對(duì)采集到的噪聲信號(hào)進(jìn)行FFT處理,得到每個(gè)工況下壓氣機(jī)進(jìn)口氣動(dòng)噪聲的頻譜信息,取BPF對(duì)應(yīng)頻率的噪聲峰值作為BPF噪聲的幅值,BPF頻率一半頻率所對(duì)應(yīng)的噪聲峰值作為T(mén)CN的幅值,總聲壓級(jí)作為總體噪聲的幅值,分析BPF噪聲、TCN、總體噪聲變化規(guī)律。

2.2.1 BPF噪聲變化規(guī)律

試驗(yàn)測(cè)得的BPF噪聲最大值為93.8 dB,對(duì)應(yīng)工況轉(zhuǎn)速為80 000 r/min,流量為0.42 kg/s,壓比為1.87,壓氣機(jī)效率為67.9%。不同工況下BPF噪聲分布見(jiàn)圖6。

圖6 BPF噪聲分布規(guī)律

由圖6可知,BPF噪聲幅值最大的區(qū)間出現(xiàn)在低轉(zhuǎn)速大流量區(qū)域與高轉(zhuǎn)速中間流量區(qū)域。結(jié)合壓氣機(jī)MAP可以看出,在壓氣機(jī)最高效率線(xiàn)上的點(diǎn)BPF噪聲幅值為該轉(zhuǎn)速下最小的。分析BPF噪聲隨轉(zhuǎn)速變化可知：1)轉(zhuǎn)速低于80 000 r/min時(shí),相同流量下隨著轉(zhuǎn)速的增加,BPF噪聲幅值增加,與加速工況測(cè)試結(jié)果相一致;同一轉(zhuǎn)速下隨著流量增加,BPF噪聲幅值先減小后增加。2)轉(zhuǎn)速高于80 000 r/min時(shí),大多數(shù)流量點(diǎn)下,隨著轉(zhuǎn)速的升高BPF噪聲幅值增加,與加速工況測(cè)試結(jié)果相一致。當(dāng)流量處于0.35～0.45 kg/s區(qū)間時(shí), 隨著轉(zhuǎn)速增加,BPF噪聲幅值先增大后減小,同一轉(zhuǎn)速下隨著流量的增加,BPF噪聲幅值先增大后減小。

2.2.2 TCN變化規(guī)律

在大多數(shù)工況點(diǎn)上TCN并不明顯,且TCN的幅值遠(yuǎn)小于BPF噪聲的幅值。TCN幅值明顯的點(diǎn)均出現(xiàn)在每條轉(zhuǎn)速線(xiàn)的接近喘振點(diǎn)的小流量點(diǎn),出于試驗(yàn)安全的考慮,當(dāng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速高于80 000 r/min時(shí),測(cè)試工況并沒(méi)有無(wú)限接近喘振點(diǎn),因此80 000 r/min以上的點(diǎn)均沒(méi)有出現(xiàn)明顯的TCN。每條轉(zhuǎn)速線(xiàn)下TCN最大幅值分布見(jiàn)表1。

表1 TCN最大峰值分布

由表1可知,隨著轉(zhuǎn)速的增加,TCN峰值變化不大,TCN最大值為94.71 dB,對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為65 000 r/min。每個(gè)轉(zhuǎn)速下TCN對(duì)應(yīng)的頻譜區(qū)別不大,TCN幅值最大的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻譜圖見(jiàn)圖7。該工況下總體噪聲為115.29 dB。

圖7 TCN峰值頻譜

結(jié)合圖7可以看出,在小流量區(qū)間,BPF噪聲不明顯,TCN的幅值遠(yuǎn)大于BPF噪聲的幅值,與試驗(yàn)測(cè)得的BPF噪聲變化規(guī)律相一致,且頻譜中未出現(xiàn)明顯的Buzz Saw噪聲。TCN的幅值與總體噪聲的幅值相差近20 dB,分析是隨機(jī)噪聲影響較大。綜上可知,在接近喘振點(diǎn)的小流量區(qū)域,TCN與隨機(jī)噪聲占主導(dǎo)地位。

2.2.3 總體噪聲變化規(guī)律

試驗(yàn)測(cè)得的總體噪聲值最大值為117 dB,對(duì)應(yīng)工況轉(zhuǎn)速為100 000 r/min,對(duì)應(yīng)的流量為0.52 kg/s,壓比為2.95,壓氣機(jī)效率為76.6%。總體噪聲變化規(guī)律見(jiàn)圖8。

圖8 總體噪聲變化規(guī)律

如圖8所示,在中高流量區(qū)域,相同流量下,隨著轉(zhuǎn)速的增加總體噪聲值增加;同一轉(zhuǎn)速線(xiàn)下,轉(zhuǎn)速低于80 000 r/min時(shí),隨著流量的增加,總體噪聲先減小后增大。轉(zhuǎn)速高于80 000 r/min時(shí),隨著流量的增加,總體噪聲值減小;總體噪聲最大的區(qū)域?yàn)榻咏顸c(diǎn)的小流量區(qū)域與高轉(zhuǎn)速的中流量區(qū)域。結(jié)合TCN噪聲化規(guī)律分析可知：接近喘振點(diǎn)的小流量高壓比區(qū)域占主導(dǎo)地位的為T(mén)CN與隨機(jī)噪聲;壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速低于80 000 r/min的中高流量區(qū)域, TCN與Buzz Saw噪聲不明顯,BPF噪聲的幅值與總體噪聲幅值相差近20 dB,因此該區(qū)域氣動(dòng)噪聲中隨機(jī)噪聲占主導(dǎo)地位。由加速噪聲測(cè)試可知,動(dòng)態(tài)加速試驗(yàn)中轉(zhuǎn)速高于80 000 r/min時(shí)中高流量區(qū)域出現(xiàn)了較明顯的Buzz Saw噪聲和BPF噪聲。對(duì)穩(wěn)態(tài)工況同一轉(zhuǎn)速下不同流量點(diǎn)進(jìn)行頻譜分析,結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 90 000 r/min不同流量點(diǎn)頻譜

由圖9知,低中高3個(gè)流量點(diǎn)的總體噪聲值隨流量增加而減小,且一階轉(zhuǎn)速頻率明顯,與加速噪聲測(cè)試結(jié)果相符,屬于轉(zhuǎn)子不平衡激勵(lì),不做考慮。低流量點(diǎn)的頻譜曲線(xiàn)除轉(zhuǎn)速頻率外,未出現(xiàn)其他明顯的特征頻率。對(duì)于中高流量點(diǎn)兩條線(xiàn),除一階轉(zhuǎn)速頻率外,三、四、五階頻率幅值較大,結(jié)合加速噪聲測(cè)試結(jié)果,可以判斷其為Buzz Saw噪聲,BPF噪聲幅值與Buzz Saw噪聲幅值相當(dāng)。因此在中高流量區(qū)域,壓氣機(jī)進(jìn)口氣動(dòng)噪聲中BPF噪聲與Buzz Saw噪聲占主導(dǎo)地位。據(jù)此得到總體噪聲的MAP,如圖10所示。

3 結(jié)論

a) 在中高流量區(qū)域,轉(zhuǎn)速低于80 000 r/min時(shí),壓氣機(jī)進(jìn)口氣動(dòng)噪聲中隨機(jī)噪聲占主導(dǎo)地位,轉(zhuǎn)速高于80 000 r/min時(shí)壓氣機(jī)進(jìn)口噪聲主要由BPF噪聲與Buzz Saw噪聲主導(dǎo);接近喘振點(diǎn)的小流量高壓比區(qū)域,TCN與隨機(jī)噪聲占主導(dǎo)地位;

b) 隨著轉(zhuǎn)速的增加,BPF噪聲增加,總體噪聲增加,TCN變化不明顯,Buzz Saw噪聲增加;

c) 轉(zhuǎn)速低于80 000 r/min時(shí),同一轉(zhuǎn)速下隨著流量增加,BPF噪聲幅值先減小后增加,總體噪聲先減小后增大,TCN僅出現(xiàn)在小流量區(qū)域,變化不明顯,未出現(xiàn)明顯的Buzz Saw噪聲;

d) 轉(zhuǎn)速高于80 000 r/min時(shí),同一轉(zhuǎn)速下隨著流量的增加,BPF噪聲幅值先增大后減小,總體噪聲值減小,TCN消失,Buzz Saw噪聲變化不明顯。