螺桿式制冷機組振動噪聲特性分析

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(1. 海軍駐431廠軍代表室，遼寧 葫蘆島 125004；2.武漢第二艦船設計研究所，武漢 430064)

螺桿式制冷機組因其結構簡單、緊湊、易損件少、使用可靠，且在高壓縮比工況下仍能保持較高的輸汽系數和較低的排氣溫度，在空調冷水系統中得到了廣泛的應用[1]。由于螺桿式壓縮機轉速和運行功率高，使螺桿式制冷機組成為重要的系統振動噪聲源[2]，其振動和噪聲對周圍環境和工作人員產生不利的影響，因而對螺桿式制冷機組振動和噪聲的控制引起了人們的重視。當前對螺桿式制冷機組振動噪聲特性的研究多集中于對螺桿式制冷壓縮機振動噪聲特性的研究[3-6]，而缺少制冷壓縮機安裝于機組后對機組總體振動噪聲特性的系統研究。因此，考慮以某型螺桿式制冷機組為例，通過理論研究和試驗測試，對制冷機組振動噪聲的產生機理、頻譜特性、傳遞路徑等進行綜合分析。

1 機組組成及其振動噪聲特性

1.1 機組組成

螺桿式制冷機組由兩臺半封閉螺桿式制冷壓縮機、一臺組合式冷凝器、一臺組合式蒸發器、一個底部機架等部件組成，見圖1。制冷壓縮機通過減振橡膠墊安裝于冷凝器、蒸發器支架上，壓縮機進排氣管路與機組蒸發器、冷凝器之間為剛性連接；冷凝器、蒸發器剛性安裝在機組公共底部機腳上；機組側向采用減振器與背向基座連接，機組底部剛性安裝于地基基座上。

圖1 螺桿式制冷機組組成示意圖

1.2 機組振動噪聲分析

螺桿式制冷機組振動和噪聲主要來源于機組唯一的運動部件——制冷壓縮機。制冷機組產生的噪聲主要有氣流噪聲、耦合噪聲、電機噪聲。

1) 氣流噪聲。由于制冷介質在壓縮機中周期性吸入-壓縮-排出，當螺桿壓縮單元內的制冷介質與排出管道相通時，由于二者之間的壓差，會導致氣流的噴注噪聲的產生。

2) 耦合噪聲。在壓縮機的排出管道，氣流壓力高、流速快，在氣流流態發生改變的地方(如彎頭等)，氣流與管道產生相互作用，誘發耦合噪聲。

3) 電機噪聲。種類繁多，主要有①電機軸承本身結構、制造和安裝偏差而導致的軸承噪聲；②徑向交變的電磁力激發的電磁噪聲。

制冷機組中，壓縮機是機組的主要振動源，引發振動的主要原因如下。

1) 動不平衡。制冷機組中，壓縮機轉子螺桿及其聯接軸的動不平衡會對機組的振動產生較大的影響。

2) 螺桿的嚙合。當壓縮機做功時，陰陽螺桿轉子高速嚙合，對制冷介質壓縮做功。在這一過程中，壓縮制冷介質力的周期性變化通過氣固耦合作用傳遞給螺桿，再經過支撐部件傳遞給機組。

3) 管道的耦合振動。在制冷介質的高壓輸送管路，存在著較強的制冷介質與管路之間的相互作用，引發管路的振動，從而導致機組的振動。

1.3 傳播途徑

螺桿式制冷機組噪聲傳播途徑為：壓縮機→隔聲罩→艙室；其振動傳播途徑為：壓縮機→壓縮機機腳和進排氣管路→冷凝器、蒸發器→設備底部機架→地基基座。

1.4 機組振動噪聲測試

通過試驗測試，可以獲得螺桿式制冷機組的振動和噪聲頻譜特性，結合理論分析和機組的運行方式、結構特點等，就能全面掌握機組的振動噪聲特性，為機組的振動噪聲控制提供客觀的依據。

螺桿式制冷機組振動噪聲測試布置如圖2，振動測試布置于機組機腳、壓縮機機腳和壓縮機進排氣管法蘭上，噪聲測點布置于距離機組包絡面1 m的中心高度處，分別采用振動加速度計和傳聲器測量機組的振動和噪聲。

圖2 螺桿式制冷機組振動噪聲測試布置

通過測試，得到螺桿式制冷機組典型的機腳振動加速度峰值譜和輻射噪聲聲壓峰值譜，見圖3。

圖3 螺桿式制冷機組振動噪聲峰值譜

從螺桿式制冷機組振動噪聲的峰值譜曲線可以看出，制冷機組的振動噪聲特性與螺桿壓縮機的運行特性密切相關，機組的振動噪聲頻譜具有顯著的相似性，呈現出明顯的離散頻率峰值。該離散頻率峰值多分布在壓縮機的軸頻、倍頻及轉子的嚙合頻率等處。這表明機組的振動噪聲很大程度上決定于壓縮機轉動的動平衡、轉子嚙合、進排氣脈動以及軸承支撐等狀態。機組加速度的測試數據表明，壓縮機機腳和壓縮機進排氣管法蘭上的振動加速度級遠大于機組機腳的振動加速度級(高20～30dB)，因此，要控制機組的振動噪聲必須從控制螺桿壓縮機及其傳播路徑上的振動噪聲入手。

2 控制措施

1) 優選振動噪聲水平低的螺桿壓縮機，從源頭降低機組的振動噪聲。

2) 為壓縮機選擇合適的減振器，把壓縮機的安裝方式改為彈性安裝形式，減少壓縮機振動沿機組支架的傳遞。

3) 在壓縮機進排氣口增裝金屬減振接管，減少壓縮機振動沿管路的傳遞。

4) 增強機組底座的剛度，根據底座的模態計算結果，適當增加底座材料厚度。

5) 從增加密封性和內壁吸聲性能的角度設計壓縮機隔音罩，提高隔音罩的隔音效果。

6) 機組內部支架結構敷設阻尼材料，抑制結構件振動的傳遞。

7) 優化機組制冷管系的布置，防止管路的“聲短路”。

3 結束語

由于螺桿式制冷機組振動噪聲的復雜性，文中應用理論分析和試驗測試兩種研究方法分析螺桿式制冷機組振動噪聲源及傳遞路徑特性，并據此提出相應的控制措施，可為此類制冷機組的振動噪聲控制提供指導。在后續的工作中，還需結合機組振動噪聲控制措施的應用測試，開展機組振動噪聲特性與其控制措施的針對性定量研究。

[1] 陳仲智.螺桿式制冷機的應用技術[J].制冷設備,1994(3):20-22.

[2] ASHRAE.ASHRAE handbook-2007 HVAC applications[M]. Atlanta American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers, Inc.2007.

[3] 卜嘯華. 螺桿制冷壓縮機的噪聲分析及其對策[J].制冷,1994(1):37-42.

[4] 張為民,王 珺.螺桿制冷壓縮機噪聲的研究[J].低溫與特氣,2001(4):32-33.

[5] 邱 琦,曹永建,劉 輝.螺桿制冷壓縮機噪聲解決實例分析[J].低溫與特氣,2003(8):19-20.

[6] 靳春梅,樊 靈,邱 琦,等.螺桿制冷壓縮機振動噪聲研究綜述[J].流體機械,2002(10):60-62.