往復(fù)式壓縮機(jī)吸氣消聲器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

張則剛，高 麗，孫海濱，蘭同宇，吳 偉

（1.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島266590；2.青島萬寶壓縮機(jī)有限公司，山東 青島266590）

吸氣消聲器是制冷壓縮機(jī)的主要消聲部件[1-2]。目前，國內(nèi)外已經(jīng)對壓縮機(jī)吸氣消聲器展開很多相關(guān)研究。譚書鵬等[3]基于聲波分解法搭建吸氣消聲器的傳遞損失實(shí)驗(yàn)平臺，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。李乾等[4]以具有內(nèi)插隔板式吸氣消聲器為研究對象，采用數(shù)值模擬方法研究了內(nèi)部結(jié)構(gòu)對壓力損失的影響。Kim等[5]以內(nèi)插式吸氣消聲器為研究對象，優(yōu)化了內(nèi)部引流管的結(jié)構(gòu)。韓寶坤等[6]設(shè)計(jì)了一種多腔的吸氣消聲器，提高了消聲器在中高頻消聲效果。

上述研究都是以內(nèi)插式吸氣消聲器為研究對象，分析隔板、引流管和腔室等結(jié)構(gòu)參數(shù)對消聲器消聲性能和阻力特性的影響，而在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)內(nèi)插式吸氣消聲器腔室之間密封性不好，影響消聲器消聲性能和阻力特性。針對這個問題，本文設(shè)計(jì)了一種具有新結(jié)構(gòu)的吸氣消聲器，通過對比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證新結(jié)構(gòu)吸氣消聲器可以改善腔室泄露問題，并對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行聲學(xué)仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可為吸氣消聲器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 改善吸氣消聲器腔室泄露

1.1 消聲器結(jié)構(gòu)模型

如圖1 所示，圖1（a）是傳統(tǒng)內(nèi)插式吸氣消聲器（三腔），圖1（b）是新設(shè)計(jì)的新結(jié)構(gòu)吸氣消聲器（四腔）。新吸氣消聲器相比于內(nèi)插式吸氣消聲器可以更加充分利用壓縮機(jī)內(nèi)部空間，而增大容積和增加腔室對提高消聲效果和性能都有幫助[6]，所以將新消聲器內(nèi)部容積由378 553 mm3設(shè)計(jì)為445 876 mm3，內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為四腔。

圖1 兩種吸氣消聲器模型

新吸氣消聲器初始結(jié)構(gòu)尺寸如圖2 所示，模擬計(jì)算中腔室長度L為40mm，寬度A1為28.8 mm；引流管2 的長度L1為20 mm，其通流截面寬度A2為9 mm；擴(kuò)張孔寬度A3為2 mm，其到隔板的距離L2為30 mm；出口內(nèi)插管長度L3為0。

圖2 新消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 對比消聲器的腔室泄漏

為驗(yàn)證新吸氣消聲器可以改善腔室泄露問題，根據(jù)可再現(xiàn)原則設(shè)計(jì)了4 組實(shí)驗(yàn)，如表1 所示。首先，為確保實(shí)驗(yàn)的可靠性，本文采用某型號壓縮機(jī)法蘭外殼組裝6 臺內(nèi)插式（原始）吸氣消聲器的樣機(jī)，在圖3所示的半消聲室內(nèi)進(jìn)行十點(diǎn)噪聲測試。測完噪聲后，再將樣機(jī)放到冷量實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行性能測試。之后將吸氣消聲器依次更換為剩余3組吸氣消聲器重新測試，保證整個系統(tǒng)只有吸氣消聲器一個變量。最后，取測試結(jié)果均值進(jìn)行對比，如圖4和表2所示。

表1 腔室泄露實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖3 半消音室壓縮機(jī)噪聲測試系統(tǒng)

從圖4（a）和表2可以看出，受腔室泄露影響，內(nèi)插式（原始）消聲器和內(nèi)插式（密封）消聲器相比，在500Hz～2 500 Hz 頻段范圍內(nèi)消聲效果變差，且壓縮機(jī)聲功率級提高0.65 dB；而圖4（b）中兩種新消聲器的消聲效果在整個消聲頻段沒有明顯變化，壓縮機(jī)聲功率級也只降低0.12 dB。因此，可以證明新吸氣消聲器腔室密封性好，改善了腔室泄露問題。

圖4 消聲器噪聲實(shí)驗(yàn)聲壓級頻譜圖

同時，從表2中可以看出，上下蓋式（原始）消聲器和新消聲器（原始）相比，壓縮機(jī)聲功率級降低1.87 dB，制冷量提高7.4 W，性能系數(shù)提高0.016，說明新吸氣消聲器具有更好的消聲效果和阻力特性。

表2 壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

為進(jìn)一步增強(qiáng)新吸氣消聲器消聲效果，本文還對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了聲學(xué)仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 新吸氣消聲器聲學(xué)性能仿真分析

2.1 吸氣消聲器的聲學(xué)性能評價

常見的消聲器消聲性能指標(biāo)有插入損失、傳遞損失和減噪量[7]。其中傳遞損失又稱消聲量，定義為消聲器入射聲功率級與透射聲功率級之差，其不受聲源管道系統(tǒng)和末端阻抗的影響，是消聲器本身具有的特性，通常用來衡量消聲器的消聲性能[8-9]。

因此，本文采用傳遞損失（TL）來評價吸氣消聲器的聲學(xué)性能，即[10]：

式中：Win、Wout分別表示消聲器的輸入聲功率、輸出聲功率，W；pin、pout分別表示消聲器的輸入聲壓、輸出聲壓，Pa；Ain、Aout分別表示消聲器的進(jìn)口截面面積、出口截面面積，m2。

在模擬計(jì)算過程中，每次僅改變4個參數(shù)（引流管2 的長度、引流管2 的通流截面寬度、擴(kuò)張孔位置和出口內(nèi)插管長度）其中1 個值。下面使用LMS Virtual.Lab對從吸氣消聲器內(nèi)部所提取出的模型進(jìn)行聲學(xué)傳遞損失仿真計(jì)算，在消聲器入口輸入一個平面波，出口設(shè)置為無反射邊界，所有壁面都是剛性壁面，采用有限元法計(jì)算出口和入口之間的傳遞損失。

2.2 引流管2的長度對消聲器傳遞損失的影響

引流管2 的長度L1分別取0、10 mm、20 mm 和30 mm，模擬結(jié)果如圖5（a）所示。由圖可以看出，四腔引流管長度主要影響1 100 Hz～2 900 Hz 的消聲頻段，L1取10 mm 時消聲器的消聲效果明顯優(yōu)于其他長度。因此，為獲得較好的聲學(xué)性能，引流管2的長度應(yīng)優(yōu)先選為10 mm。

2.3 引流管2的通流截面寬度對傳遞損失的影響

保持引流管2 的高不變，通流截面寬度A2分別取7 mm、8 mm、9 mm、10 mm和11 mm，模擬結(jié)果如圖5（b）所示。由圖可以看出，A2主要影響1 100 Hz～3 200 Hz 的消聲頻段。A2為7 mm、8 mm、10 mm和11 mm 時，隨著A2減小，消聲量增加，但增加幅度較小。當(dāng)A2為9 mm（此時引流管1 和2 的通流截面尺寸相同）時，消聲量相比于其他4 種方案降低明顯，尤其是在2 000 Hz～3 200 Hz 頻段內(nèi)，通過分析得出，此時引流管1和2之間產(chǎn)生共振。

因此，選取引流管通流截面時應(yīng)避免與相鄰腔室引流管的通流截面尺寸相同，同時盡量減小引流管通流截面寬度。

2.4 擴(kuò)張孔位置對消聲器傳遞損失的影響

擴(kuò)張孔與隔板的距離L2分別取0、9.5 mm、19 mm、28.5 mm 和38 mm，模擬結(jié)果如圖5（c）所示。由圖可以看出，在700 Hz～2 800 Hz范圍內(nèi)，擴(kuò)張孔在引流管中間位置時，消聲效果最好。但L2取0和3 8mm時，消聲器消聲頻段更寬一些，表現(xiàn)在2 800 Hz～3 300 Hz頻段。因此，在優(yōu)化擴(kuò)張孔位置時，需要根據(jù)具體針對頻段來選擇。如果消聲器內(nèi)有多個共振腔，孔的位置可以搭配選擇，既能拓寬消聲頻段，也能獲得整體不錯的消聲效果。

2.5 出口內(nèi)插管長度對消聲器傳遞損失的影響

出口內(nèi)插管長度L3分別取0、5 mm、10 mm 和15 mm，模擬結(jié)果如圖5（d）所示。由圖可以看出，L3為5 mm、10 mm 和15 mm 時，消聲量都優(yōu)于L3為0時。在1 100 Hz～2 000 Hz頻段內(nèi)，消聲器消聲量會隨著L3的增加而增大，但增大的幅度不大；在2 000 Hz～3 000 Hz 頻段內(nèi)，L3的不同主要會影響消聲峰值的位置，且隨著L3的增加消聲峰值向低頻方向移動。因此，出口內(nèi)插管長度應(yīng)選取大于0，并根據(jù)實(shí)際情況選取合適的內(nèi)插管長度。

圖5 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸氣消聲器傳遞損失的影響

3 實(shí)驗(yàn)對比

從圖4（c）可以看出，新吸氣消聲器消聲效果在1 250 Hz和2 500 Hz～4 000 Hz頻段需要增強(qiáng)，但從聲學(xué)仿真分析結(jié)果來看，優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)對1 250 Hz附近的消聲效果影響不大，所以本文側(cè)重考慮增強(qiáng)2 500 Hz～4 000 Hz頻段的消聲效果，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)：L1為10 mm，A2為7 mm，L2為38 mm，L3為10 mm。

新消聲器優(yōu)化前、后的傳遞損失曲線如圖6 所示，可以看出優(yōu)化后的新消聲器除了在1 200 Hz～2 100 Hz 頻段的傳遞損失有所降低，在其他頻段的傳遞損失都有所提升，在500 Hz～800 Hz 和2 200 Hz～2 900 Hz 頻段的傳遞損失提高比較明顯。

圖6 新消聲器優(yōu)化前、后的傳遞損失

將優(yōu)化后的新消聲器用第1.2節(jié)所述的實(shí)驗(yàn)方法組裝成樣機(jī)，進(jìn)行噪聲和性能測試，保證整個系統(tǒng)只有消聲器一個變量，取測試結(jié)果均值與新消聲器（原始）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖7和表3所示。

從圖7 可以看出，壓縮機(jī)在500 Hz～800 Hz 和2 200 Hz～2 900 Hz頻段的聲壓級降低，在600 Hz處差值最大，在1 250Hz～2200Hz頻段的聲壓級上升，與圖6 的仿真結(jié)果相一致，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。從表3 中可以看出，優(yōu)化新結(jié)構(gòu)消聲器使壓縮機(jī)聲功率級降低0.64 dB，但制冷量和性能參數(shù)也略有下降。最終，優(yōu)化后的新結(jié)構(gòu)消聲器相比于內(nèi)插式（原始）消聲器，整機(jī)噪聲降低2.51 dB，制冷量提高5.63 W，性能參數(shù)提高0.015。

圖7 新消聲器優(yōu)化前、后的整機(jī)噪聲頻譜

表3 新消聲器優(yōu)化前、后整機(jī)性能參數(shù)

4 結(jié)語

為改善吸氣消聲器腔室泄露的問題，設(shè)計(jì)了一種新結(jié)構(gòu)吸氣消聲器。通過增加腔室和增大容積，達(dá)到降噪和提效的目的，并通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化了消聲器內(nèi)部引流管2的長度、引流管2的通流截面寬度、擴(kuò)張孔位置和出口內(nèi)插管長度等4 個結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終總結(jié)出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）引流管2 的長度為腔室長度的1/4 時，吸氣消聲器降噪效果最好。

（2）引流管2 的通流截面面積大小對消聲效果影響不大，但與相鄰腔室引流管通流截面尺寸相同時，會產(chǎn)生共振，使在2 000 Hz～3 200 Hz 附近的消聲效果明顯降低。

（3）共振腔的擴(kuò)張孔在引流管中間位置時，吸氣消聲器在700 Hz～2 800 Hz 頻段的消聲效果最好；擴(kuò)張孔在引流管兩端時，吸氣消聲器在2 800 Hz～3 300 Hz頻段的消聲效果更好一些。

（4）隨著出口內(nèi)插管長度增加，吸氣消聲器在2 000 Hz～3 500 Hz 頻段的消聲峰值會逐漸向低頻方向移動。