李宏坤 周 帥 張曉雯/大連理工大學機械工程學院振動工程研究所

李秀剛/沈陽鼓風機集團股份有限公司

不同類型擴壓器對離心式壓縮機結構振動與輻射噪聲影響的試驗研究*

李宏坤 周 帥 張曉雯/大連理工大學機械工程學院振動工程研究所

李秀剛/沈陽鼓風機集團股份有限公司

0 引言

擴壓器是離心壓縮機靜止件中不可或缺的部件，擴壓器是由葉輪出口兩側隔板組成的環(huán)形通道，結構形式主要有無葉擴壓器和葉片擴壓器[1]。無葉擴壓器是由隔板兩個平行光滑的壁面構成的環(huán)形通道，通道截面為一系列同心圓。當氣體流經無葉擴壓器內時，方向角通常是不會改變的，因此其具有比較寬的穩(wěn)定工況范圍、平坦的性能曲線等優(yōu)點。無葉擴壓器結構簡單、加工容易，但是氣體流經無葉擴壓器時流程遠，摩擦后損失會比較大。葉片擴壓器是通過按著圓周在無葉擴壓器的平行光滑的壁面內均勻布置一定數(shù)量的葉片而組成，氣體流經葉片擴壓器內時，氣流方向由葉片決定，所以流動狀況好、流動損失相比較而言是很小的。與無葉擴壓器相比，葉片擴壓器的效率在設計工況運行時比較高（大概能達到35%）。這種擴壓縮器結構緊湊、外徑尺寸小，最佳工況點的效率比較高。但是也存在穩(wěn)定工作的范圍窄，在壓縮機工況調節(jié)流量減少時，發(fā)生旋轉脫離時，葉片擴壓器相對來說容易造成壓縮機的喘振。本文通過試驗研究不同類型擴壓器對壓縮機壓力脈動、振動以及輻射噪聲的影響。

1 壓縮機性能試驗

壓縮機簡單示意圖如圖1。其主要組成部分為電動機、齒輪箱、擴壓器、葉輪以及進口導葉，齒輪箱傳動比為11.419。

試驗是為了驗證不同類型擴壓器對壓縮機的壓力脈動、振動與聲強的影響，在試驗過程中所選的壓縮機擴壓器分別為全高葉片擴壓器、楔形葉片擴壓器、無葉擴壓器以及半高葉片擴壓器，擴壓器類型見圖2，擴壓器出口的壓力脈動受到擴壓器的影響較大，而擴壓器進口以及葉輪進口基本不受擴壓器影響，因此本文將主要針對擴壓器出口處的數(shù)據進行分析。

本次試驗的試驗對象為沈鼓φ200模型級試驗臺，其葉輪直徑為240mm，葉片數(shù)為13。試驗過程中，在壓縮機模型級試驗臺的試驗中，取4個不同流量的測點，由于擴壓器類型不同以及喘振等因素，不可能保證每次試驗中對應的流量點相同，因此將4個流量點粗略描述如下：

測量點1：第一流量點（最大流量點）；

測量點2：第二流量點（設計流量點）；

測量點3：第三流量點（介于設計流量與最小流量之間一選定流量點）；

測量點4：第四流量點（最小流量點）。

試驗過程中，在不發(fā)生喘振的情況下，最小流量點盡量接近喘振點，最大流量點和設計流量點盡量接近設計值。電機轉速2 412r/min，轉化成葉片通過頻率約為5 967Hz，試驗過程中馬赫數(shù)為1。試驗中對葉輪擴壓器出口的壓力脈動信號(PP)、機殼和管道的振動速度信號和聲強進行了采集。試驗臺結構圖見圖3，傳感器安裝圖見圖4。

2 試驗設備介紹

壓力脈動試驗中采用的采集設備為PCB106A傳感器、NI PCI4472高速數(shù)據采集儀以及北京東方所的DASP數(shù)據采集軟件。PCB為美國知名傳感器廠商產品，精度較高，見圖5。美國國家儀器（NI）是美國一家從事與測試、控制、設計領域相關的著名公司，其NIPCI4472數(shù)據采集卡為一塊8通道數(shù)據采集卡，具有24位分辨率，110dB動態(tài)范圍，最高采樣頻率可達10.24kHz。

DASP為北京振動與噪聲技術研究所開發(fā)的軟件。利用NI公司的DAQ-mx作為NI4472的軟件驅動，配合東方所DASP數(shù)據采集軟件可對速度、加速度、位移、轉速聲壓的信號進行采集。聲強測試試驗采用北京東方所的DASP測試軟件的聲學平臺進行數(shù)據采集和分析，噪聲測試平臺可對聲強、聲壓以及環(huán)境噪聲品質進行測試以及后續(xù)處理。聲強傳感器采用INV9212型ICP聲強傳感器，其主要由兩個傳聲器、隔離柱手柄支架以及導線組成見圖6，兩個聲傳感器的靈敏度分別為45.9mv/Pa和48.5mv/Pa。其中隔離柱的長度為25mm，根據手冊可知其頻率響應范圍為80Hz～25kHz，基本包括噪聲測試所需的頻率范圍，數(shù)據處理過程中設置1/3倍頻程以及A計權。同時對壓縮機尺寸進行測量壓縮機主要部件大約為長180cm，高120cm，聲強測量網格劃分見圖4（d），網格長度為30cm，高為20cm，一共有6×6個網格，測量過程為依次從上到下，從左到右對36個點進行測量。測量時整體網格距離壓縮機約為1m，壓縮機關鍵部件在網格上的投影見圖4（d）。

3 壓力脈動及數(shù)據分析

3.1壓力脈動頻譜分析

聲壓傳感器分別安裝在葉輪進口、擴壓器進口以及擴壓器出口處，經分析可知壓力脈動值受擴壓器影響最大的點在擴壓器出口處，因此著重對擴壓器出口處的壓力脈動數(shù)據進行分析。圖7～圖10為不同擴壓器在設計流量點出口的壓力脈動數(shù)據的時頻域分析圖。

3.2數(shù)據分析

對壓力脈動時頻圖分析可以看出擴壓器出口壓力脈動的主要分量為葉片通過頻率，因此選擇葉片通過頻率處壓力脈動幅值作為評價擴壓器對壓縮機壓力脈動影響的指標，圖11為各個擴壓器對應壓力脈動的數(shù)據對比。

從壓縮機出口的壓力脈動幅值可以看出，在設計流量下（第二流量點）總體的壓力脈動幅值從大到小依次為全高擴壓器、無葉擴壓器、楔形擴壓器以及半高擴壓器。對比全高擴壓器和楔形擴壓器，除最大流量點（第一流量點）外，楔形擴壓器出口的壓力脈動幅值都小于全高擴壓器，在設計流量點（第二流量點）處其壓力脈動幅值甚至小于無葉擴壓器，能夠有效降低壓力脈動。對比無葉擴壓器和半高擴壓器，除去最小流量點（第四流量點）外，其壓力脈動幅值都比無葉擴壓器小。

4 振動數(shù)據分析

4.1振動信號頻譜分析

不同擴壓器對壓縮機壓力脈動產生影響的同時會對壓縮機振動產生一定的作用。本文分別對壓縮機的機殼以及管道的振動進行了數(shù)據采集和分析。圖12至圖15為不同擴壓器對應的壓縮機出口管道處，設計流量時振動速度時頻域分析圖。

4.2數(shù)據分析

由圖12到圖15的數(shù)據分析可知葉片通過頻率處已不再是管道振動的主要分量，較低的頻率主要為機械傳動以及與管道支撐相關。因此本文在考慮葉片通過頻率的同時，也對振動的有效值進行了分析。圖16～圖18分別為機殼葉片通過頻率處振動幅值、出口管道葉片通過頻率處振動幅值以及出口管道振動有效值數(shù)據對比。

由圖16可以看出，全高擴壓器的振動幅值在所有流量點都大于其他擴壓器，在第一流量點楔形擴壓器、無葉擴壓器振動幅值相差不大。

由圖17數(shù)據對比可得全高擴壓器在第二流量點和第三流量點管道振動幅值普遍高于其他擴壓器，在最大流量點和第三流量點楔形擴壓器與半高擴壓器以及無葉擴壓器振動幅值相近。

由圖18可以看出，在最大流量點以及設計流量點楔形擴壓器所對應的管道振動有效值小于全高擴壓器所對應的管道振動有效值，并且與無葉擴壓器以及半高擴壓器水平相近。比較半高以及無葉擴壓器數(shù)據可發(fā)現(xiàn)無葉擴壓器無明顯優(yōu)勢，整體振動水平與半高擴壓器持平。

5 聲強分析

最后對整個網格中的聲強進行了整體分析[2]，數(shù)據分析過程中采用A計權以及1/3倍頻程分析[3]。圖19到圖22分別為當壓縮機裝配有全高擴壓器、楔形擴壓器、無葉擴壓器以及半高擴壓器時，在設計流量點的整體聲壓分布。

從分析結果看出，無論壓縮機裝配何種擴壓器，其噪聲強度較大的位置總為管道和葉輪的投影處。對各組數(shù)據進行對比可得，總體的聲壓水平從大到小依次為全高擴壓器、楔形擴壓器、無葉擴壓器以及半高擴壓器。

6 結論

該研究以某離心式壓縮機模型級試驗臺為研究對象，對四種不同類型的擴壓器（即全高葉片擴壓器、半高葉片擴壓器、無葉擴壓器以及楔形葉片擴壓器）進行實驗研究，并分別對安裝四種不同類型擴壓器的壓縮機進行壓力脈動測試、振動測試和聲強測試。

通過對葉輪進口、擴壓器進口以及擴壓器出口進行壓力脈動測試以及對機殼和管道的進行振動測試，對比四種不同類型擴壓器的數(shù)據結果顯示：在設計流量點附近可以得到全高擴壓器與楔形擴壓器的各項指標差距不大，但遠優(yōu)于半高擴壓器和無葉擴壓器，而楔形擴壓器的壓力脈動、機殼和管路振動等指標要優(yōu)于全高葉片擴壓器；無葉擴壓器和半高擴壓器在壓力脈動幅值、振動幅值以及振動有效值等指標優(yōu)于楔形葉片擴壓器；對比半高葉片擴壓器和無葉擴壓器，在設計流量點附近，在壓力脈動幅值、振動幅值以及振動有效值等指標優(yōu)于無葉擴壓器，在某些非工況調節(jié)的特定場合，相比無葉擴壓器，半高擴壓器更具優(yōu)勢。在工程應用時側重點不同，綜合考慮性能和振動指標時，選擇楔形擴壓器有一定的優(yōu)勢。

通過對安裝有不同擴壓器的壓縮機進行聲強測試，并對聲壓信號進行處理，處理結果顯示在頻譜分析以及倍頻程分析中，壓縮機安裝有全高擴壓器以及楔形擴壓器的輻射噪聲參數(shù)相近，在整體聲強分析中安裝楔形擴壓器的壓縮機輻射噪聲水平比安裝全高擴壓器時略低。當壓縮機安裝有半高以及無葉擴壓器時，其輻射噪聲性能較好，并且半高擴壓器時輻射噪聲水平要優(yōu)于無葉擴壓器。

從分析可以看出，盡管是同一個葉輪，安裝不同的擴壓器壓縮機組的性能、輻射噪聲和結構振動都有明顯的影響，因此在今后的設計中要根據不同的需求進行優(yōu)化設計。

[1]黃鐘岳，王曉放.透平式壓縮機[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004．

[2]郭金泉，楊曉翔，陳仲波.6HHE-VE6型壓縮機輻射噪聲三維聲強試驗分析[J].壓縮機技術，2006（1）：10-12，9.

[3]甘長勝，孟昭朋，林澤安，等.壓縮機噪聲測量的聲強法研究[J].流體機械，1997，25(11)：7-9．

：擴壓器是離心壓縮機中的重要部件之一，不同類型的擴壓器對壓縮機的各方面性能影響很大。本文以MCL離心壓縮機為研究對象，分別選取了全高葉片擴壓器、楔形擴壓器、半高葉片擴壓器和無葉擴壓器4種擴壓器，在φ200模型級試驗臺上，開展了在不同流量下，不同擴壓器對壓力脈動（PP）、振動和聲強影響的試驗，獲得不同類型的擴壓器對結構振動與輻射噪聲的影響的結果，選擇楔形擴壓器更具有優(yōu)勢，為離心壓縮機的優(yōu)化設計打下基礎。

擴壓器；壓力脈動；振動；聲強

Experimental Investigations o f the Effecto f Different Diffuse r Types on the Vibration and Noise Radiation for CentrifugalCompressors

Li Hong-kun，Zhou Shuai，Zhang Xiao-wen/ School of Mechanical Engineering,Dalian UniversityofTechnology
Li Xiu-gang/Shenyang Blower Works Group Corporation

diffuser;pressure pulsation; vibration;sound intensity

TH452；TK05

A

1006-8155（2016）06-0034-07

10.16492/j.fjjs.2016.06.0021

*資助項目：遼寧省科技創(chuàng)新重大專項項目（201303002）資助

2015-12-20遼寧大連116024

Abstract:The diffuser isan importantpartofa centrifugal compressor having an important impact on the performance of the compressor. In this paper,four different diffusers,a high-vaned diffuser,a wedge vane diffuser,a half-high-vaned diffuser and a non-vaned diffuser are combined with a MCL centrifugal compressor and tested on aφ200model stage test rig.The pressure oscillations,vibration and sound intensity were measured under different flow conditions.The results for the differentdiffuser typeswith respect to vibration and radiated noise showed the wedge vane diffuser tobeadvantageous.