壓氣機氣動噪聲影響規律試驗研究

曹曉琳,丁占銘,王浩宇,李欣,馬磊,張巖

(中國北方發動機研究所柴油機增壓技術重點實驗室,天津 300400)

隨著對動力要求的提高,渦輪增壓器被廣泛應用于汽車、船舶等領域[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普遍進行了包覆處理,因此壓氣機的氣動噪聲是渦輪增壓器噪聲的主要來源。壓氣機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)和隨機噪聲(random noise)[3]。BPF噪聲是旋轉葉片機械最典型的階次激勵噪聲,BPF噪聲的頻率為軸轉速基頻乘以葉片數; 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為窄帶噪聲; 隨機噪聲的頻譜是連續譜,包含各種頻率成分,隨機噪聲在壓氣機的各種工況下是始終存在的,喘振噪聲是隨機噪聲的極端情況[4]。

國內外學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系,證實葉片通過頻率噪聲由葉尖間隙的規律脈動引起,隨機噪聲由無規律噪聲引起。劉揚等[6]利用流體計算力學和聲學有限元的混合計算方法對壓氣機進口氣動噪聲進行數值預測,研究表明,壓氣機進口氣動噪聲主要由葉片通過頻率噪聲和隨機噪聲組成。現有研究中針對增壓器壓氣機氣動噪聲變化規律開展試驗研究的較少。Bruan等[7]綜述了在ISO362標準下的整機噪聲特性,發現進排氣噪聲是主要噪聲源。哈爾濱工程大學的劉晨[8]針對船舶用柴油機增壓器進行了試驗研究,研究表明壓氣機氣動噪聲主要由葉片通過頻率處發生的葉片諧次噪聲與電鋸噪聲組成,低轉速區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進口氣動噪聲,國內外研究多集中在理論研究與數值預測方面,基于試驗測試方法的研究較少。本研究在試驗測試的基礎上,開展加速噪聲測試以及穩態工況下噪聲測試試驗,研究加速工況與穩態工況下壓氣機氣動噪聲變化規律,分析不同工況下占主導地位的噪聲成分,以期為增壓器噪聲抑制提供理論指導。

1 臺架試驗系統與試驗方法

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、控制系統、滑油系統以及相關連接管路、連接支架等組成。采集系統采用LMS信號采集與分析平臺,采樣頻率設置為51 200 Hz,穩態工況每個試驗點采集20 s。

圖1 增壓器試驗臺架

以增壓器壓氣機進口管道的進氣口圓心作為球心,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

分別進行壓氣機加速噪聲測試與壓氣機穩態工況噪聲測試試驗,本研究中均使用A計權聲級。加速噪聲測試試驗在自循環狀態下進行,轉速由60 000 r/min加速至100 000 r/min。穩態工況噪聲測試試驗增壓器轉速分別為50 000,55 000,60 000,65 000,70 000,75 000,80 000,90 000,100 000 r/min,轉速由低向高進行;轉速低于60 000 r/min時,由外氣源供氣,燃燒室不工作,在冷吹狀態下進行試驗;增壓器轉速達到60 000 r/min時,燃燒室點火,在熱吹狀態下進行試驗。每一等轉速下,從大流量向小流量進行試驗,小流量點盡量接近喘振點,大流量點接近阻塞點,盡可能覆蓋壓氣機的全部工作范圍;每一等轉速線測6～8個點。試驗開始前,分別采集試驗室環境噪聲以及柴油泵等附件產生的背景噪聲,環境噪聲為56 dB,背景噪聲為64 dB。試驗中壓氣機總體噪聲均在90 dB以上,因此背景噪聲和環境噪聲對噪聲測試結果的影響忽略不計。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 試驗結果分析

2.1 加速試驗噪聲變化規律

加速噪聲測試試驗在自循環狀態下進行,模擬真實發動機加速過程中增壓器的工作狀態,其中增壓器轉速、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,加速過程中壓氣機流量均在中高流量區域,試驗最大流量為0.55 kg/s,最大壓比為2.97,最高轉速為101 281 r/min。

圖3 加速曲線

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

圖4 加速試驗噪聲信號階次曲線

由圖4可知,整體來看,隨著轉速的增加,BPF逐漸增大,且隨著轉速增加,BPF增幅較大;轉速低于80 000 r/min時未出現明顯的Buzz Saw噪聲和BPF噪聲,即隨機噪聲為氣動噪聲主要成分;隨著轉速增加,轉速高于80 000 r/min時出現了較明顯的Buzz Saw噪聲和BPF噪聲,且BPF噪聲占主導地位;從圖中可以看到,1階附近的低階噪聲較為明顯,考慮是轉子不平衡機理引起的,不屬于氣動噪聲研究范疇。圖中未出現明顯的TCN,因此加速試驗中,轉速低于80 000 r/min時,隨機噪聲占主導地位,轉速高于80 000 r/min時壓氣機進口噪聲主要由BPF噪聲與Buzz Saw噪聲主導。

2.2 穩態工況噪聲變化規律

穩態試驗下,試驗最高轉速為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。穩態工況試驗測得的壓氣機MAP見圖5。

圖5 壓氣機MAP

對采集到的噪聲信號進行FFT處理,得到每個工況下壓氣機進口氣動噪聲的頻譜信息,取BPF對應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、總體噪聲變化規律。

2.2.1 BPF噪聲變化規律

試驗測得的BPF噪聲最大值為93.8 dB,對應工況轉速為80 000 r/min,流量為0.42 kg/s,壓比為1.87,壓氣機效率為67.9%。不同工況下BPF噪聲分布見圖6。

圖6 BPF噪聲分布規律

由圖6可知,BPF噪聲幅值最大的區間出現在低轉速大流量區域與高轉速中間流量區域。結合壓氣機MAP可以看出,在壓氣機最高效率線上的點BPF噪聲幅值為該轉速下最小的。分析BPF噪聲隨轉速變化可知：1)轉速低于80 000 r/min時,相同流量下隨著轉速的增加,BPF噪聲幅值增加,與加速工況測試結果相一致;同一轉速下隨著流量增加,BPF噪聲幅值先減小后增加。2)轉速高于80 000 r/min時,大多數流量點下,隨著轉速的升高BPF噪聲幅值增加,與加速工況測試結果相一致。當流量處于0.35～0.45 kg/s區間時, 隨著轉速增加,BPF噪聲幅值先增大后減小,同一轉速下隨著流量的增加,BPF噪聲幅值先增大后減小。

2.2.2 TCN變化規律

在大多數工況點上TCN并不明顯,且TCN的幅值遠小于BPF噪聲的幅值。TCN幅值明顯的點均出現在每條轉速線的接近喘振點的小流量點,出于試驗安全的考慮,當壓氣機轉速高于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明顯的TCN。每條轉速線下TCN最大幅值分布見表1。

表1 TCN最大峰值分布

由表1可知,隨著轉速的增加,TCN峰值變化不大,TCN最大值為94.71 dB,對應轉速為65 000 r/min。每個轉速下TCN對應的頻譜區別不大,TCN幅值最大的點對應的頻譜圖見圖7。該工況下總體噪聲為115.29 dB。

圖7 TCN峰值頻譜

結合圖7可以看出,在小流量區間,BPF噪聲不明顯,TCN的幅值遠大于BPF噪聲的幅值,與試驗測得的BPF噪聲變化規律相一致,且頻譜中未出現明顯的Buzz Saw噪聲。TCN的幅值與總體噪聲的幅值相差近20 dB,分析是隨機噪聲影響較大。綜上可知,在接近喘振點的小流量區域,TCN與隨機噪聲占主導地位。

2.2.3 總體噪聲變化規律

試驗測得的總體噪聲值最大值為117 dB,對應工況轉速為100 000 r/min,對應的流量為0.52 kg/s,壓比為2.95,壓氣機效率為76.6%。總體噪聲變化規律見圖8。

圖8 總體噪聲變化規律

如圖8所示,在中高流量區域,相同流量下,隨著轉速的增加總體噪聲值增加;同一轉速線下,轉速低于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;總體噪聲最大的區域為接近喘振點的小流量區域與高轉速的中流量區域。結合TCN噪聲化規律分析可知：接近喘振點的小流量高壓比區域占主導地位的為TCN與隨機噪聲;壓氣機轉速低于80 000 r/min的中高流量區域, 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,因此該區域氣動噪聲中隨機噪聲占主導地位。由加速噪聲測試可知,動態加速試驗中轉速高于80 000 r/min時中高流量區域出現了較明顯的Buzz Saw噪聲和BPF噪聲。對穩態工況同一轉速下不同流量點進行頻譜分析,結果見圖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,且一階轉速頻率明顯,與加速噪聲測試結果相符,屬于轉子不平衡激勵,不做考慮。低流量點的頻譜曲線除轉速頻率外,未出現其他明顯的特征頻率。對于中高流量點兩條線,除一階轉速頻率外,三、四、五階頻率幅值較大,結合加速噪聲測試結果,可以判斷其為Buzz Saw噪聲,BPF噪聲幅值與Buzz Saw噪聲幅值相當。因此在中高流量區域,壓氣機進口氣動噪聲中BPF噪聲與Buzz Saw噪聲占主導地位。據此得到總體噪聲的MAP,如圖10所示。

3 結論

a) 在中高流量區域,轉速低于80 000 r/min時,壓氣機進口氣動噪聲中隨機噪聲占主導地位,轉速高于80 000 r/min時壓氣機進口噪聲主要由BPF噪聲與Buzz Saw噪聲主導;接近喘振點的小流量高壓比區域,TCN與隨機噪聲占主導地位;

b) 隨著轉速的增加,BPF噪聲增加,總體噪聲增加,TCN變化不明顯,Buzz Saw噪聲增加;

c) 轉速低于80 000 r/min時,同一轉速下隨著流量增加,BPF噪聲幅值先減小后增加,總體噪聲先減小后增大,TCN僅出現在小流量區域,變化不明顯,未出現明顯的Buzz Saw噪聲;

d) 轉速高于80 000 r/min時,同一轉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。