核芯動平衡機測量增壓器壓氣機氣動噪聲的研究

傅鷺鳴

摘要：文章論述了渦輪增壓器壓氣機產生氣動脈沖噪聲的根源及機理，提出了在高速核芯動平衡機上進行核芯體氣動脈沖噪聲預測量的必要性和缺陷，給出改進方案增加氣動脈沖噪聲測量的有效性。

Abstract： This paper explains the causes and mechanism of the turbocharger compressor aerodynamic noises. The pulsation noise pre-inspection necessity and defect on High Speed Core Balancing machine been put forward， and research a better tooling design to get effective pulsation test.

關鍵詞：渦輪增壓器;氣動脈沖噪聲;機理

Key words： turbocharger;aerodynamic pulsation noise;mechanism

中圖分類號：U448.213? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0001-03

0? 引言

在國內乘用車市場，隨著碳排放國六標準的提出，為了改善車輛的燃油經濟性和減少排放，渦輪增壓技術成為內燃機技術發展的必然選擇，對汽油機渦輪增壓器的需求日益增加。汽油機渦輪增壓器的工作條件較為苛刻，工作轉速最高可達到30萬轉/分鐘，高速轉動引起振動和氣動噪聲等一系列問題，嚴重影響車輛的乘坐舒適性。因此，近年來渦輪增壓器噪聲問題得到了關注。由于渦輪增壓器引起的噪聲種類多樣且機理復雜，其中壓氣機葉輪引起的氣動噪聲是眾多增壓器噪聲中主要噪聲的一種。在未完全裝配成增壓器總成之前，如何進行壓氣機氣動噪聲的預判是一個較困難的問題。本文針對如何鑒別增壓器核芯轉子壓氣機氣動噪聲的問題進行研究，擬應用高速核芯動平衡的預測量方法改進并提出檢測對策。

1? 壓氣機氣動噪聲產生的原因

渦輪增壓器的結構組成如圖1所示。渦輪增壓器由渦殼引入發動機廢氣作為動力驅動渦輪，由渦輪帶動壓氣機葉輪吸入外界新鮮空氣送入發動機幫助燃油充分燃燒，提高發動機輸出功率。隨著轉速的逐步提高，渦輪增壓器會產生一種與轉速同步的嘯叫聲，噪聲頻率隨渦輪增壓器轉速增加而提高。這種噪聲被稱為渦輪增壓器同步噪聲，包括同步振動噪聲和同步脈沖噪聲。同步振動噪聲屬于結構振動輻射噪聲，可通過高速核芯動平衡降低或消除同步振動噪聲。同步脈沖噪聲屬于空氣動力噪聲，一般由于壓氣輪制造加工誤差造成壓氣輪旋轉時，渦輪增壓器中的氣流產生周期性波動引起的氣流脈沖噪聲，主要通過進氣管路以及整車進氣口進行噪聲傳播[1，2]。

溫華兵，桑晶晶等人的研究發現，轉速對渦輪增壓器壓氣機氣動噪聲的影響更大[3]。覃玄等人的研究則表明，葉輪尾緣處噪聲的大小反映出整個壓氣機噪聲的大小[4]。本文主要針對壓氣輪葉尖跳動超差時，研究在高速核芯動平衡機上的脈沖測量方法。

2? 噪聲測量方法及原理

高速核芯動平衡機的脈沖測量工裝如圖2所示，主要由壓殼工裝本體、內部流道、曲面環（與葉輪型線配合，內孔與葉輪葉片保持一定間隙）、脈沖出氣管、脈沖傳感器等部分組成。

渦輪增壓器高速核芯動平衡機通過渦輪端壓縮空氣吹動渦輪部件，帶動壓氣輪一起達到設定轉速。在升速過程中，測量中間體的振動加速度，可得到對應的g值以供動平衡修正做參考。脈沖測量是通過接在壓殼工裝脈沖管上的壓力傳感器，采集高速核芯動平衡機壓端出氣口的氣流壓力變化，將經過傳感器的最大壓力定為允許脈沖值。通過在高速核芯動平衡機上設定g值和脈沖允許值（單位Pa）進行動平衡修正和脈沖預測量攔截達到降噪的要求。

3? 噪聲測量方案及測量結果

溫華兵和覃玄[3，4]研究發現，壓氣輪的葉型變化、葉尖彎曲、葉片邊緣毛刺、葉尖高度差、葉尖跳動超差等會造成壓氣輪的同步脈沖嘯叫。

目前主流噪聲測量是通過冷試設備進行增壓器總成的同步振動噪聲測試和同步脈沖噪聲測試，測試結果較全面和準確。但缺點是總成產品出現問題需要拆解、返工，增加了生產成本及返修風險。因此若能在核芯動平衡工序設定脈沖允許值，對壓氣輪葉尖跳動或葉尖高度超差的產品進行脈沖噪聲預測量具有重要的工程意義。葉片彎曲、葉片邊緣毛刺和葉片葉型問題在高速核芯動平衡機不平衡量和脈沖測試中均較容易識別，也可通過目視檢查進行攔截。

葉尖高度差過大或葉尖跳動超差產品無法用肉眼識別，必須通過光學量儀進行全檢才能發現，不具備可操作性。

脈沖噪聲預測量方案，使用原裝曲面環和如圖3所示的通用脈沖管進行葉尖跳動超差件的測量。脈沖允許值一般設為120Pa。

經過20次測量，得到如圖4所示的測量結果。由圖4可以知，脈沖壓力的測量值在39～78Pa之間變化，均小于允許脈沖值120Pa。

但是在整車上體現為脈沖嘯叫，說明脈沖測量無法有效分辨葉尖跳動超差產品。

4? 噪聲測量的影響因素

高速核芯動平衡機壓端曲面環的內孔設計是為了防止葉輪轉子因核芯體初始動平衡量太大而擦殼，與葉片的間隙設計比，實際增壓器中壓殼內孔與葉輪的間隙大。這個間隙越大，則增壓壓比越低，測得的氣動噪聲也越低。所以，縮小曲面環與葉輪的間隙是加強脈沖測量結果的重要影響因素。

脈沖傳感器的脈動壓力測量值由壓氣機氣流的聲波壓力決定。聲波一般為正弦波，有波峰和波谷，即聲波的低壓區和高壓區。當壓氣機葉輪旋轉時，聲波經過脈沖管中的脈沖壓力傳感器位置時，若低壓區正好經過，則測量結果會明顯偏弱，只有當高壓區經過壓力傳感器位置時，才能測得最大脈沖值，說明可通過調整傳感器安裝位置改善脈沖測量。

5? 噪聲測量方法的改進研究

5.1 曲面環位置的調整

曲面環的位置影響壓氣機葉輪出氣口的氣流流速與流量，通過在曲面環背后增加特制尺寸墊片的方式縮小曲面環與葉輪的間隙，以達到增加出氣口壓力的目的。設計了兩款墊片，分別調整間隙至0.50mm和0.25mm進行試驗，對葉尖跳動超差核芯體進行測試，每組測量20遍，得到圖5所示的測量結果曲線。

由圖5數據可看出，曲面環與葉片的間隙越小，脈沖值越大。原始位置和0.50mm間隙位置的數據一致性較好，但0.25mm間隙的數據波動大不穩定。同時，由于0.25mm的間隙接近實際增壓器壓殼與葉輪的間隙，核芯體屬于撓性轉子，未做動平衡的產品若初始量較高，測量時葉輪或渦輪會大幅甩動，產生擦殼而造成工裝和產品損壞，故不建議將曲面環調整到0.25mm間隙或更小間隙位置。

5.2 脈沖管的設計及調整

通用脈沖管的脈沖傳感器位置固定，出氣孔位置在脈沖傳感器后段。現有出氣孔閥片是圓盤片鉆有特定直徑孔，這種通用脈沖管的設計無法準確區分不同產品脈沖波動的變化，由于不同產品聲波不同，若傳遞的波峰未經過脈沖傳感器的位置，則測量數值將會變弱。

改進設計后的脈沖管結構如圖6所示，改進后的結構能夠調整傳感器和出氣孔閥片相對位置。

圖6改進后的脈沖管，在脈沖管上打出交錯排列的兩組傳感器位置孔，每組3個相互交叉程90°。出氣孔閥片位置可在脈沖傳感器前后位置調整。出氣孔閥片為圓盤片帶孔，可將聲波反彈回傳感器位置產生聲波的疊加或削弱，通過調整傳感器和閥片的相互位置，使經過傳感器位置的波峰疊加得到強化的脈沖值。

5.3 對比試驗

選取六個零件，3件合格，3件葉尖跳動超差值不同的產品。用原脈沖管進行試驗，每個零件各測試10遍，得到如圖7所示的脈沖曲線圖。

從圖7中可以看出，第4、5、14為合格件，6、7、15為超差件。測試結果14號件與6、7號件曲線重疊，無法進行有效識別。

測試零件不變，更換改進后的脈沖管，調整脈沖傳感器與出氣孔閥片位置，進行上述相同的測量，得到圖8所示的脈沖曲線圖。

圖8中可見，區別最明顯的是脈沖傳感器1號位置和出氣孔閥片3號位置。6、15號產品均能有效的與14號產品拉開差距，與其他好產品之間的差距更明顯。第7號產品葉尖跳動值為0.08mm;第6號跳動值為0.13mm;第15號跳動值為0.21mm（合格值要求≤0.05mm）。可見當脈沖傳感器1號位置和出氣孔閥片3號位置時可檢測葉尖，跳動值≥0.13mm的產品。當葉尖跳動超差范圍在0.05～0.13之間時，高速核芯動平衡機無法準確有效的判別。但圖8中顯示6、7、15號件在轉速60000～80000轉范圍內（Peak 1）與其他產品拉開距離。可通過大批量生產驗證，進行數據分析，最終決定是否可在此轉速段增加脈沖公差要求以區分葉尖跳動超差較小的產品。

對葉片彎曲或缺損的產品，也使用新的脈沖管做了相應測試。結果見表1。SP為脈沖傳感器位置，OP為出氣孔閥片位置。

表1數據顯示，在SP1號和OP3號位置同樣得到脈沖最大值。說明此組位置可有效判別壓氣輪葉片彎曲、葉尖跳動超差0.13mm以上的不良產品。

6? 結論

通過對脈沖管的改造和曲面環位置調整的研究，可知高速核芯動平衡機進行脈沖超差預測量有一定局限性，總結如下：

①高速核芯動平衡機可以通過調整脈沖傳感器和出氣孔閥片位置測出部分葉尖跳動超差較大的產品。

②曲面環位置的調整可以加大脈沖值，但需謹慎，避免擦殼風險。

參考文獻：

[1]龐劍，諶剛，何華，等.汽車噪聲與振動[M].北京理工出版社，2006.

[2]劉芯娟，陳友祥，歐陽彩云.汽車發動機渦輪增壓器噪聲研究及優化[J].汽車實用技術，2016，4（07）：41-43.

[3]溫華兵，桑晶晶，劉紅丹，楊興林.渦輪增壓器壓氣機的氣動噪聲源特性研究[J].車用發動機，2014，4（05）：87-92.

[4]覃玄.渦輪增壓器壓氣機氣動噪聲分析[D].哈爾濱工程大學，2015.