無油螺桿壓縮機的噪聲實驗研究

周景芝，朱夷詩，章 華，施嘉冬

(1.中石化上海工程有限公司，上海 200040；2.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108)

1 引言

無油螺桿壓縮機是一種回轉容積式壓縮機，廣泛應用在煉油、石化、煤化等領域。與制冷、空壓等噴油螺桿壓縮機相比，其機型更大、轉速及功率更高，相應的噪音也更大。隨著國內環保意識的增強，無油螺桿壓縮機的噪聲問題已成為行業內被重點關注的問題之一。

根據噪聲的產生機理，螺桿壓縮機的噪聲源主要有3個方面：一是機械噪聲；二是氣動噪聲；三是電磁噪聲[1]。機械噪聲是由于設備振動而產生的噪聲，且振動會產生輻射噪聲，尤其是易于輻射高頻噪聲。其主要來源于旋轉軸系的靜、動態不平衡引起的偏心力，通常與壓縮機零部件的加工工藝、轉動部件動平衡以及裝配工藝等有關。氣動噪聲主要來源于螺桿壓縮機周期性的吸排氣，產生氣流脈動噪聲，且轉子高速旋轉時，會產生渦流噪聲。電磁噪聲主要由驅動的主電機產生的。無油螺桿壓縮機的氣動噪聲較為突出，為更好地抑制壓縮機的噪聲，通過實驗方法，研究其頻譜特性，并對其各工況參數進行定量研究，有利于為后續降噪工作提供方向及基礎數據。

2 實驗研究

本實驗臺采用變頻電機直接驅動壓縮機，壓縮機與主電機均固定在鋼結構底座上。實驗平臺配套有實驗所需的所有公用工程管道，包括潤滑油、密封氣、噴淋水等管道。且實驗臺配備了溫度、壓力、流量等測量儀表，所有儀表均按期進行校驗標定。其中，考慮到噪聲及脈動絕大部分發生在壓縮機的排氣側，因此入口采用敞開式吸氣。

本實驗采用的無油螺桿壓縮機主要參數為：轉子直徑255 mm、長徑比1.1、齒數比4(陽轉子)∶6(陰轉子)；本實驗測量采用噪聲統計分析儀為手持式噪聲儀AWA6291，測量范圍為10 Hz～20 kHz，精度為±0.2 dB，具備A、C、Z三種頻率計權模式。噪聲測量依據《GB/T4980-2003容積式壓縮機噪聲的測定》進行。

3 結果分析

3.1 頻譜特性

頻譜分析法是確定主要噪聲源的方法之一，被廣泛應用[2]。螺桿壓縮機作為容積式壓縮機，噪聲主要來源于間歇性的吸排氣工作過程，其頻率通常是齒槽切割氣口頻率(PPF：Pass Pocket Frequency，為陽轉子齒數乘于轉速)的整數倍[3]。并且頻率的分布較寬，部分機型可從1x(PPF)至10x。本機型額定工況下的噪聲頻譜特性如圖1所示(轉速3000 r/min、排氣壓力728 kPa)。

圖1 噪聲頻譜分布

根據圖1可以發現，噪聲在從1xPPF至6xPPF均較大，峰值噪聲主要分布在中高頻段，尤其1×、2×、4×更為顯著，相應頻率的噪聲量已經超過規定的85 dB。因此在設計消音器時，應優先針對這3個頻率進行結構設計。

3.2 排氣壓力

排氣壓力可從排氣脈動和噪聲傳播兩方面影響壓縮機的噪聲。無油螺桿壓縮機為固定的內容積比，在其他條件不變的情況下，壓縮終了壓力為定值。不同的排氣壓力將造成壓縮機的過壓縮和欠壓縮。排氣時產生氣流反復及噴射，引起一定氣流脈動及湍流。傳統的觀點認為氣動噪聲與汽流脈動的變化趨勢較為一致[4]，同時出口氣體密度增大，有利于噪聲的傳播[5]。因此，排氣壓力越高，噪聲將越大。但從本次噴液的無油螺桿壓縮機并不支持上述觀點，其實驗結果如圖2所示(進氣溫度為15 ℃，噴水量為1.98 m3/h，轉速為3000 r/min)。

圖2 排氣壓力的噪聲特性

從實驗結果可以發現，盡管排氣壓力上升，但對噪聲量的影響并不顯著，這與論文[6]的實驗結果相一致。顯然，通過排氣氣流密度控制噪聲傳播對降噪起不到理想的效果。同時，從頻譜圖可以發現，排氣壓力對不同頻率的噪聲影響也并不顯著。這主要由于一方面氣流所引發的噪聲往往頻率較高，較難傳播；另一方面液體對噪聲有較好的吸收作用。

3.3 噴液量

噴液是降噪手段之一，在鍋爐等高溫汽流排放中較為常用。其消聲機理：一方面改變介質密度、速度引起聲阻抗變化，使聲波發生反射；另一方面通過兩相相互作用消耗聲能。實驗結果如圖3所示(進氣溫度為15 ℃，排氣壓力為530 kPa(G)，轉速為3000 r/min)。

圖3 噴液量的噪聲特性

根據實驗結果，隨著噴液量的增加，噪聲量明顯下降，從頻譜圖可以發現，1000 Hz以上的噪聲(波長約0.35 m)下降幅度較大。所噴的液體將在壓縮機的排氣管線上以霧狀流及環狀流的形式分布。微小的液滴對高頻的噪聲(波長小)能夠起到良好的阻隔。同時，排氣管內壁所覆蓋的液膜，通過液體的形變能夠對噪聲有良好的吸收。因此，通過增加噴液量，能夠起到較好的降噪作用，對高頻的噪聲尤其有效。

3.4 轉速

壓縮機噪聲量及其頻譜特性主要取決于轉速。轉速對噪聲的影響結果如圖4所示(進氣溫度為15 ℃，噴液量為2 m3/h，排氣壓力為532 kPa(G))。

圖4 轉速的噪聲特性

從圖4可以看出，轉速直接影響壓縮機噪聲的頻譜特性。壓縮機轉速對噪聲量的影響尤為顯著，由于壓縮機排氣所產生的氣流周期性作用力與旋轉部件的轉速平方成正比，轉速提升，作用力顯著增大，尤其是高頻部分的噪聲。與此同時，隨著轉速的上升，吸排氣口的切割頻率隨之上升，轉子及氣口對氣流的“撞擊”作用也隨之增強，因此，所產生的氣動性噪聲在各頻率下均顯著上升。根據實驗結果，從3000 r/min降低至1000 r/min，噪聲量下降約20 dB(A)。這與早期文獻的趨勢基本一致，通過降低轉速實現降噪是最為有效的手段。

4 結論

本文通過實驗研究壓縮機的頻譜特性，定量分析了排氣壓力、噴液量及轉速對噪聲量的影響。實驗表明，排氣壓力對噪聲影響不大，噴液量和轉速影響較為顯著。通過增大噴液量和降低壓縮機轉速可顯著降低壓縮機噪聲。同時，根據各實驗的噪聲頻譜特性，消音器應重點針對壓縮機的1×、2×及4×頻率開展結構設計。