吴 斌 张勤建 赵 雷 周 慧 吴强波 仓 荣

（加西贝拉压缩机有限公司 嘉兴 314006）

引言

蒙特利尔议定书明确对氢氟碳化合物进行管控，目前商用冷柜常用的制冷剂为R134a和R404A，两者均属于氢氟碳化合物，因此市场急需一种新的替代制冷剂。R290制冷剂为碳氢化合物，为天然制冷剂，且具有良好的物理、化学以及热力学性能，因而众多压缩机制造商开始向R290制冷剂切换，推出了一系列的R290定频和变频压缩机，抢占市场先机。

R290制冷剂在正常运转过程中吸排气压力较大，带来更大的整机噪音，另外，市场更加青睐中低背压（LMBP）通用的大规格商用产品，因而其吸排气压力过大带来的噪音问题将更加凸显，包括过大的内排气管路气流脉动引发更大的管路振动，过大的气体力导致更加剧烈的泵体振动等。内排气管路是压缩机振动和噪声传递的重要途径，李程等[2]认为解决压缩机管线振动问题，需同时考虑管道的振动和气流脉动，采取相应的减振措施，才能达到有效的减振效果；李金娣等[3]通过对内排气盘管进行结构优化，降低排气压力脉动，有效地降低了整机噪音。但是上述工作均未从压缩机系统的角度全面阐释内排气管路的气流脉动问题，包括压力脉动和速度脉动，并且未进行内排气管路结构模态分析。基于此，本文以内排气管路为研究对象，从压缩机系统的角度对内排气管路的气流脉动进行仿真计算，并结合结构模态分析，最终有效降低了R290压缩机噪音，相关研究方法和结果可用于内排气管路的设计与优化。

1 气流脉动分析

往复式压缩机吸排气阀片周期性启闭，吸排气过程具有周期性的特点，内排气管路中制冷剂气体的压力和速度随之进行周期性变化，呈现气流脉动状态，气流脉动包括压力脉动和速度脉动。LMBP工况下，R290制冷剂吸排气压力较高，气流脉动更为剧烈，在内排气管路弯头等截面突变处产生更强的振动。内排气管路的气流脉动起因存在于整个吸排气系统，因而，从系统的角度对内排气管路的气流脉动水平进行评估，提出相应的脉动衰减方法是可行的并且必要的。

通过一维元件“管道”和三维元件“腔体”对压缩机进行系统建模，包括吸排气消声器、气缸、阀板上吸排气口以及内排气管路等关键零部件，考虑制冷剂气体在上述零部件中的热质交换以及制冷剂和吸排气阀片的流固耦合过程，求解模型包括流体质量方程、动量方程、能量方程以及阀片运动控制方程[1]，现说明如下:

一维元件“管道”中流体流动和热交换的瞬态方程可表示如下：

其中，S为两个“管道”交界面的面积，ρ为流体密度，u为流速，p为压力，et为总能，分别表示沿着“管道”的摩擦力和热流量对流场的影响。

三维元件“腔体”中，控制热质交换过程的方程如下：

其中，∂v表示“腔体”的边界，u是气体的速度矢量，b是边界的速度矢量，n是指向“腔体”外法线方向的标准单位向量，q为气缸中热流量，mij表示在i方向流入“腔体”的质量流量，Tij表示相应的动能，ijα为模型中定义的耗散因子。

考虑流体和阀片的流固耦合相互作用，相应的控制方程如下：

其中，P为动量，ω为固有频率，ζ为阻尼比，c为阻尼系数），f(x)是阀片前后静压差和有效受力面积的乘积。

在LMBP工况下，R290压缩机气缸容积为7.2 ml，为减小内排气管路气流脉动水平，适当增加内排气管路消音包的容积，对消音包容积增加前后的方案进行系统仿真计算，获取内排气管路末端的气流脉动数据进行对比分析，包括压力脉动和速度脉动，分别如图1～4所示。其中，图1和图2分别显示了当压缩机运转稳定以后，内排气管路末端压力脉动和速度脉动随时间变化规律，从图中可以得到脉动最大振幅，脉动峰-峰值等参数用以评估脉动的剧烈程度，本文提取稳定活塞周期内的压力脉动和速度脉动，并计算其峰-峰值，评估消音包容积增加前后内排气管路末端的脉动水平，如图3和图4所示，稳定活塞周期内，消音包容积增加前后，压力脉动和速度脉动对比如表1所示。

表1 消音包容积增加前后压力和速度脉动对比

图1 内排气管路末端压力脉动曲线图

从表1中可以看出，当消音包容积增加26.1 %的时候，压力脉动峰-峰值和速度脉动峰-峰值分别降低25 %和21.76 %，有效地降低了气流脉动水平，削弱了管路激振力，使得内排气管路的振动较为缓和。

2 模态分析

气流脉动是引起内排气管路振动的重要原因，在通过适当增加消音包容积降低气流脉动水平以后，有必要对管路进行模态分析，对比固有频率和振型的变化，以确定结构的变化是否会引起结构共振。以压缩机内排气管路为模态研究对象，包括盖板、内排气管、消音包和壳体排气管，各零部件通过焊接连接，消音包容积增加前后的方案分别为a方案和b方案。

在进行模态分析之前需对几何模型进行网格划分，网格划分的质量影响整个数值模拟研究的速度和准确性；整个内排气管路为装配体，因此各零部件之间需要定义接触，并被定义为绑定接触，内排气管路两端定义固定约束，最终建立的模态分析模型如图5。

设置内排气管路各零部件材料属性，包括弹性模量、泊松比以及密度，对上述有限元模型进行求解，提取前7阶振形图和结构固有频率值用于对比消音包容积增加前后结构模态的变化。第1～7阶振形图对比如图6所示。

图2 内排气管路末端速度脉动曲线

图3 稳定活塞周期内的压力脉动曲线

图4 稳定活塞周期内的速度脉动曲线

图5 模态分析模型

图6 内排气管路振动模态

对比a方案和b方案结构振形图可知，内排气管路主要存在摆动变形、扭转变形以及呼吸式变形等3种振动形式，第1、2阶振型为摆动变形，呈现绕固定约束点摆动弯曲的状态，第3、4、7阶振型为扭转变形，绕固定约束点扭转弯曲，第5、6阶振型为呼吸式变形，绕固定约束点呼吸式弯曲，另外，弯头处是较易引起振动变形的部位，在进行结构设计时应充分考虑。对比2种方案前7阶振型的变化，消音包容积增加后，对振型的影响较小，变化几乎可以忽略。

2种方案第1～7阶固有频率对比如图7所示，从图7中可以看到，2种方案所有7阶固有频率基本也没有区别，变化很小。结合模态振型变化和固有频率的变化可知，内排气管路消音包容积增加后对结构共振的影响不大。

3 整机噪音测试

通过对内排气管路的气流脉动和结构模态分析，我们发现当消音包的容积增加时，使得内排气管路末端的气流脉动水平降低的同时，内排气管路本身的结构模态，包括固有频率和振型均没有太大的影响，变化几乎可忽略，因此可以推断适当增加消音包的容积可以有效地降低内排气管路的振动，

从而向壳体传递较低的振动，向外辐射较低的噪音。为验证这一推断，我们对消音包容积增加前后的两种内排气管路方案进行了整机噪音测试，如图8所示，发现消音包容积增加后，整机噪声下降明显，降低至42 dB(A)，满足设计要求。消音包容积增加后整机噪声频谱图如图9所示。

4 结论

降低内排气管路中气流脉动以及改善其本身的结构模态，避免管路共振是往复活塞式压缩机减振降噪的重要途径，本文通过增加内排气管路消音包的容积，但不影响结构模态，降低内排气管路气流脉动，达到压缩机减振降噪的目的，取得了如下结论：

图6 内排气管路振动模态

图7 内排气管路模态频率

图8 消音包容积增加前后整机噪音测试

图9 消音包容积增加后整机噪声频谱

1）内排气管路气流脉动问题成因于压缩机系统中，本文提出从系统的角度对内排气管路的气流脉动进行仿真分析，提供了一种实用性好，工程意义明显的方法。

2）R290制冷系统因吸排气压力较高，产生更大的内排气管路振动问题，内排气管路作为振动的传递路径之一，通过壳体辐射更大的整机噪音，通过适当增加内排气管路消音包的容积，有效降低了气流压力脉动，增加26.1 %的消音包容积，可减小压力脉动25 %，减小速度脉动21.76 %。

3）对消音包容积增加前后的内排气管路进行结构模态分析，通过分析前7阶结构振型和固有频率，发现消音包容积增加前后对振型和固有频率的影响非常小，几乎可忽略。

4）适当增加内排气管路消音包的容积，在基本不影响结构的振动、变形以及固有频率的基础上，降低了内排气管路的气流脉动，有效抑制内排气管路的振动，整机噪音下降明显并满足设计要求。