壓氣機(jī)氣動噪聲影響規(guī)律試驗研究

曹曉琳,丁占銘,王浩宇,李欣,馬磊,張巖

(中國北方發(fā)動機(jī)研究所柴油機(jī)增壓技術(shù)重點實驗室,天津 300400)

隨著對動力要求的提高,渦輪增壓器被廣泛應(yīng)用于汽車、船舶等領(lǐng)域[1-2],但渦輪增壓器引起的噪聲問題日益顯著。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)的氣動噪聲是渦輪增壓器噪聲的主要來源。壓氣機(jī)氣動噪聲主要包括葉片通過頻率(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]。

國內(nèi)外學(xué)者針對增壓器噪聲問題開展了一些研究。Fukano[5]分析了葉頂間隙的流動與噪聲間的關(guān)系,證實葉片通過頻率噪聲由葉尖間隙的規(guī)律脈動引起,隨機(jī)噪聲由無規(guī)律噪聲引起。劉揚等[6]利用流體計算力學(xué)和聲學(xué)有限元的混合計算方法對壓氣機(jī)進(jìn)口氣動噪聲進(jìn)行數(shù)值預(yù)測,研究表明,壓氣機(jī)進(jìn)口氣動噪聲主要由葉片通過頻率噪聲和隨機(jī)噪聲組成。現(xiàn)有研究中針對增壓器壓氣機(jī)氣動噪聲變化規(guī)律開展試驗研究的較少。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]針對船舶用柴油機(jī)增壓器進(jìn)行了試驗研究,研究表明壓氣機(jī)氣動噪聲主要由葉片通過頻率處發(fā)生的葉片諧次噪聲與電鋸噪聲組成,低轉(zhuǎn)速區(qū)域沒有明顯的葉尖間隙噪聲。

綜上所述,針對車用增壓器壓氣機(jī)進(jìn)口氣動噪聲,國內(nèi)外研究多集中在理論研究與數(shù)值預(yù)測方面,基于試驗測試方法的研究較少。本研究在試驗測試的基礎(chǔ)上,開展加速噪聲測試以及穩(wěn)態(tài)工況下噪聲測試試驗,研究加速工況與穩(wěn)態(tài)工況下壓氣機(jī)氣動噪聲變化規(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 臺架試驗系統(tǒng)與試驗方法

針對某車用渦輪增壓器搭建噪聲測試試驗平臺,氣動噪聲測試試驗臺架見圖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信號采集與分析平臺,采樣頻率設(shè)置為51 200 Hz,穩(wěn)態(tài)工況每個試驗點采集20 s。

圖1 增壓器試驗臺架

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的球面作為測試面,在測試平面上布置5個測點,即布置5個噪聲傳感器,噪聲傳感器選用PCB聲級計,測點布置示意見圖2。

圖2 測點布置示意

分別進(jìn)行壓氣機(jī)加速噪聲測試與壓氣機(jī)穩(wěn)態(tài)工況噪聲測試試驗,本研究中均使用A計權(quán)聲級。加速噪聲測試試驗在自循環(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)工況噪聲測試試驗增壓器轉(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,由外氣源供氣,燃燒室不工作,在冷吹狀態(tài)下進(jìn)行試驗;增壓器轉(zhuǎn)速達(dá)到60 000 r/min時,燃燒室點火,在熱吹狀態(tài)下進(jìn)行試驗。每一等轉(zhuǎn)速下,從大流量向小流量進(jìn)行試驗,小流量點盡量接近喘振點,大流量點接近阻塞點,盡可能覆蓋壓氣機(jī)的全部工作范圍;每一等轉(zhuǎn)速線測6～8個點。試驗開始前,分別采集試驗室環(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)境噪聲對噪聲測試結(jié)果的影響忽略不計。5個傳感器測得的噪聲值變化不超過±1 dB,可見選用球形測試面是合理的。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 加速試驗噪聲變化規(guī)律

加速噪聲測試試驗在自循環(huán)狀態(tài)下進(jìn)行,模擬真實發(fā)動機(jī)加速過程中增壓器的工作狀態(tài),其中增壓器轉(zhuǎn)速、流量、壓比隨時間變化曲線見圖3。由圖3可知,加速時間為97 s,加速過程中壓氣機(jī)流量均在中高流量區(qū)域,試驗最大流量為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

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

圖4 加速試驗噪聲信號階次曲線

由圖4可知,整體來看,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時未出現(xiàn)明顯的Buzz Saw噪聲和BPF噪聲,即隨機(jī)噪聲為氣動噪聲主要成分;隨著轉(zhuǎn)速增加,轉(zhuǎn)速高于80 000 r/min時出現(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,不屬于氣動噪聲研究范疇。圖中未出現(xiàn)明顯的TCN,因此加速試驗中,轉(zhuǎn)速低于80 000 r/min時,隨機(jī)噪聲占主導(dǎo)地位,轉(zhuǎn)速高于80 000 r/min時壓氣機(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)試驗下,試驗最高轉(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%。每個工況點采集5次噪聲信號,取5次的平均值作為噪聲值。穩(wěn)態(tài)工況試驗測得的壓氣機(jī)MAP見圖5。

圖5 壓氣機(jī)MAP

對采集到的噪聲信號進(jìn)行FFT處理,得到每個工況下壓氣機(jī)進(jìn)口氣動噪聲的頻譜信息,取BPF對應(yīng)頻率的噪聲峰值作為BPF噪聲的幅值,BPF頻率一半頻率所對應(yīng)的噪聲峰值作為TCN的幅值,總聲壓級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

試驗測得的BPF噪聲最大值為93.8 dB,對應(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)最高效率線上的點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,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,大多數(shù)流量點下,隨著轉(zhuǎn)速的升高BPF噪聲幅值增加,與加速工況測試結(jié)果相一致。當(dāng)流量處于0.35～0.45 kg/s區(qū)間時, 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幅值明顯的點均出現(xiàn)在每條轉(zhuǎn)速線的接近喘振點的小流量點,出于試驗安全的考慮,當(dāng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速高于80 000 r/min時,測試工況并沒有無限接近喘振點,因此80 000 r/min以上的點均沒有出現(xiàn)明顯的TCN。每條轉(zhuǎn)速線下TCN最大幅值分布見表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,對應(yīng)轉(zhuǎn)速為65 000 r/min。每個轉(zhuǎn)速下TCN對應(yīng)的頻譜區(qū)別不大,TCN幅值最大的點對應(yīng)的頻譜圖見圖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,與試驗測得的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

試驗測得的總體噪聲值最大值為117 dB,對應(yīng)工況轉(zhuǎn)速為100 000 r/min,對應(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)速線下,轉(zhuǎn)速低于80 000 r/min時,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,隨著流量的增加,總體噪聲值減小;總體噪聲最大的區(qū)域為接近喘振點的小流量區(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：接近喘振點的小流量高壓比區(qū)域占主導(dǎo)地位的為TCN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)域氣動噪聲中隨機(jī)噪聲占主導(dǎo)地位。由加速噪聲測試可知,動態(tài)加速試驗中轉(zhuǎn)速高于80 000 r/min時中高流量區(qū)域出現(xiàn)了較明顯的Buzz Saw噪聲和BPF噪聲。對穩(wěn)態(tài)工況同一轉(zhuǎn)速下不同流量點進(jìn)行頻譜分析,結(jié)果見圖9。

圖9 90 000 r/min不同流量點頻譜

由圖9知,低中高3個流量點的總體噪聲值隨流量增加而減小,且一階轉(zhuǎn)速頻率明顯,與加速噪聲測試結(jié)果相符,屬于轉(zhuǎn)子不平衡激勵,不做考慮。低流量點的頻譜曲線除轉(zhuǎn)速頻率外,未出現(xiàn)其他明顯的特征頻率。對于中高流量點兩條線,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,壓氣機(jī)進(jìn)口氣動噪聲中隨機(jī)噪聲占主導(dǎo)地位,轉(zhuǎn)速高于80 000 r/min時壓氣機(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,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,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。