变频涡旋压缩机噪声特性及降噪方法研究

2023-12-28张文卓李丙乾许晓明陈建国闫伟国李宏坤

流体机械 2023年11期

张文卓，曲政，李丙乾，许晓明，王珍，陈建国，闫伟国，李宏坤

（1.大连大学机械工程学院，辽宁大连 116622；2. 松下压缩机（大连）有限公司，辽宁大连 116032；3.大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116081）

0 引言

涡旋压缩机是一种容积式压缩机，具有零件少、结构简单及安全性高等优点，广泛应用于制冷、空调等领域［1-3］。然而，传统的定频涡旋压缩机功率是恒定不变的，在工作过程中需通过频繁地启停来控制温度。相比于定频涡旋压缩机，变频涡旋压缩机可以通过控制压缩机的转速调节输出功率，无需频繁地启停。因而变频涡旋压缩机运行更加平稳、高效节能且温度控制更加精确，具有优良的环境舒适度，在市场中的占有率逐年提升［3-6］。

气阀是压缩机的核心零部件之一，直接影响压缩机的能效、可靠性及噪声性能等。当前排气阀种类较多，如舌簧阀、网状阀、条形阀等［7-8］。然而以前对气阀的研究多围绕气阀的可靠性及受力方面，对噪声性能的影响极小［9-10］。而噪声一直是压缩机的核心性能之一，直接决定压缩机的质量和品质。控制压缩机的噪声不但是压缩机未来发展的要求，更是降低噪音污染，改善人类生活环境的重要措施［6］。然而当前对于新型变频涡旋压缩机的噪声性能研究相对较少，缺乏理论上的深度研究。

基于此，本文围绕变频涡旋压缩机噪声特性展开研究，系统分析工况以及转速对涡旋压缩机噪声性能的影响。在研究过程中发现，排气阀机构对变频涡旋压缩机的噪声性能有较大影响，尤其是中转速下。由此提出变频涡旋压缩机排气阀结构优化策略，采用圆片阀替代舌簧阀排气机构，有效改善了旋压缩机中转速下的噪声性能，且相比于中温工况，低温工况的降幅更大。

1 试验方法

1.1 压缩机性能测试

采用压缩机性能测试台对变频涡旋压缩机的性能进行测试。采用无刷直流变频电机作为动力源，压缩机容积比为3.6。压缩机分别以不同转速工作于中温和低温工况，工况参数见表1。经过时间为1 000 h 的持续工作过程，该压缩机表现出了优良的持久性和稳定性。

表1 压缩机性能测试工况参数Tab.1 Compressor performance test operating parameters

1.2 压缩机噪声性能测试

将BK3560C 多通道数据采集卡与计算机连接用于采集数据信息，噪声测试在全消声室内进行，该消声室本底噪声为16.5 dB，截止率为63.5 Hz。采用型号为B&K 4189 型麦克风（配有放大器）测试压缩机噪声。噪声测定频率响应范围为0～6 400 Hz，频率分辨率为1 Hz。4 个麦克风与压缩机的距离均为1 m，按逆时针排布同时测定压缩机噪声性能。采用4 个麦克风的平均声压级Lsp确定压缩机的噪声性能，公式为：

式中，LPA，LPB，LPC，LPD分别为对应麦克风测定的声压级。

1.3 压缩机振动性能测试

采用相同的数据采集卡，并结合加速度传感器对各零部件的振动特性进行测试，频率响应范围为0～6 400 Hz，频率分辨率为1 Hz。测试时同时测定x（切向）、y（径向）和z（轴向）3 个方向的加速度。

2 试验结果及分析

2.1 压缩机性能分析

针对中温和低温工况不同转速下的压缩机性能分别进行了研究。相比于中温工况（压力比约为4.0），低温工况下的压力比显著提升，约为7.9。值得注意的是，此排气温度并没有随着转动频率的变化而变化，表明压缩机工作正常，排气口无堵塞。此外，随着转速增加，中低温工况下冷媒循环量呈线性增长趋势。相比于低温工况，中温工况下相同转速的冷媒循环量约为低温工况的1.6倍。随着转速的增加，压缩机输入功率和输出功率页均呈线性增长趋势。而在相同转速下，两种工况压缩机的输入功率几乎一样，但中温工况下的输出功率却明显增加，这也导致中温工况下的制冷系数COP 明显高于低温工况。

2.2 噪声特性分析

针对中温和低温工况不同转频下压缩机的噪声性能分别进行了测试，获得的声压时域谱如图1 所示。在不同工况及转频下压缩机声压均呈现周期性波动趋势，波动周期分布较均匀，峰值比较平均，表明压缩机工作稳定，无异响。不同转速下低温工况声压的幅值均高于中温工况，表明低温工况的噪声大于中温工况。这主要是因为低温工况下压力比增加使得压缩机内部冷媒的压力脉动增大，导致气动噪声增加显著。在其他制冷压缩机的研究中，也取得了类似的结论［11-13］。此外，各转频下变频涡旋压缩机的平均总声压级，如图1（d）所示，通常压缩机平均声压级与转速呈线性增长趋势，而在本压缩机的中转速为70 r/s 时中、低温工况的声压级有明显的突增。且在低温工况下，相比于转速分别为30，110，70 r/s 下的声压级增幅更加明显，表明在中转速下有额外的噪声源引起了压缩机的噪声激增。

图1 压缩机不同转速下的平均声压时域谱Fig. 1 Time domain spectrum of average sound pressure at different compressor speeds

通过傅里叶变换获得中、低温工况下不同转速A 计权声压级的1/3 倍频程图谱，如图2 所示。在110 r/s 下中、低温工况全频段频谱的特征基本吻合，无明显差别。在转速分别为30，70 r/s 下0～3 000 Hz 频段范围内的频谱基本重合，而在3 000～6 000 Hz 频段范围内低温工况噪声明显大于中温工况。在转速为70 r/s时，4 500 Hz频段的噪声极大，已成为压缩机整体噪声的主要贡献源。根据频谱并结合整体平均声压级，可以看出中转速下噪声增加的主要原因来自于4 500 Hz 频段声压级的大幅度增加。因此确定4 500 Hz 频段附近的噪声源，并降低该噪声是本论文研究的重点。

对转速为70 r/s 时压缩机下支撑焊点、上支撑焊点和上盖中心点处的振动进行了测量，结果如图3 所示。从图中可以看出，在上盖中心点的轴向上，在4 500 Hz 频段附近有明显的特征峰，幅值极大。且4 500 Hz 附近的峰强度从上盖、上支撑至下支撑依次降低，表明在4 500 Hz 频段附近的噪声源主要来自于压缩机上端。另外，在切向、径向和轴向3 个方向上，轴向在4 500 Hz 频段处的振动最大。上盖中心点沿轴向上、下运动的部件只有排气阀片。由此推测4 500 Hz 频段处的振动主要源自于排气阀机构。

图3 压缩机振动频谱Fig.3 Vibration spectrum of compressor

基于上述分析，将气阀去除，对压缩机的噪声性能进行测试，在中、低温工况下的测试结果如图4 所示。相比于舌簧阀，无气阀压缩机中、低温工况时转速分别为30，70，110 r/s 下的声压级均有大幅度下降。根据倍频程图谱如图4（a）～（c）可以看出，声压级下降频率范围主要位于3 000～6 000 Hz 频段。且去掉气阀后压缩机声压级与转速基本呈线性增长趋势（如图4（d）所示）。表明气阀产生的噪声对压缩机的噪声性能影响较大。在转速为70 r/s 时，无阀压缩机的噪声下降尤为明显，表明在中转速下气阀对压缩机整体声压级的贡献极大。值得注意的是，压缩机的气阀对排气温度、COP 等性能具有较大影响［14-16］。而且制冷压缩机在进气口处安装有温度传感器用于检测外部温度，当温度过高时会产生信号驱动压缩机运转。若无气阀结构，在关闭时刻容易使排气口处高温高压的冷媒回流至进气口，刺激温度传感器使压缩机恢复启动，因此制冷压缩机必须安装有气阀结构［17］。

图4 中、低温工况下舌簧阀与无阀压缩机A 计权声压级1/3 倍频程图谱Fig.4 1/3 octave spectrum of A weighing sound pressure level of tongue spring valve and valveless compressor at medium and low temperature

3 变频涡旋压缩机噪声性能优化方法

通过上述分析可以看出，排气阀机构对压缩机的整体噪声影响极大，而无排气阀又不利于压缩机的性能。因此，改善压缩机气阀结构，对于优化压缩机的整体噪声，降低压缩机的声压级是非常必要的。

基于此，本文设计圆片阀排气机构来代替传统的舌簧阀排气机构，如图5 所示。

图5 压缩机排气阀结构Fig.5 Structure of compressor exhaust valve

两气阀阀片厚度、排气孔尺寸均保持一致。相比于舌簧阀，圆片阀自身无刚度，在工作过程中其运动完全受内、外部压力影响，当排气压力大于外部冷凝压力时阀片打开向上运动。排气结束后阀片下端气体压力显著下降，在内外压差作用下快速回落［18-19］。相比于圆片阀，舌簧阀自身具有弹性，在排气阀打开后相当于施加一个反向作用力加速阀片反向运动。因而圆片阀反向运动撞击阀座的速度会明显小于舌簧阀，由阀片拍击引起的噪声也会显著降低。

为了明确圆片阀对压缩机噪声性能的影响，对不同工况下压缩机的噪声性能进行了测试，获得的中温工况下A 计权1/3 倍频程声压级图谱如图6 所示。从图中可以看出，各转频下采用圆片阀下降的主要频段均位于4 500 Hz 左右的频率区间内。相比于舌簧阀压缩机，圆片阀压缩机在转速分别为30，70，110 r/s 下的总声压级分别降低0.99，3.83，1.82 dB。相比于中温工况，低温工况下圆片阀下降的更加明显。低温工况下圆片阀压缩机在转速分别为30，70，110 r/s 下的总声压级分别降低1.42，4.15，1.98 dB，由此可以看出采用圆片阀排气机构可降低由压缩机排气阀产生的噪声，使压缩机整体声压级下降非常显著。

图6 中低温工况下圆片阀和舌簧阀压缩机A 计权声压级1/3 倍频程图谱Fig.6 1/3 octave spectrum of disc valve and tongue spring valve compressor A weighing sound pressure level under medium and low temperature conditions

进一步对圆片阀涡旋压缩机中、低温工况以及各转速下的性能进行了测试，结果如图7 所示。与舌簧阀变频涡旋压缩机趋势一致，随着转频增加，冷媒循环量、输入功率以及制冷量均呈线性增长趋势。中温工况下压缩机的冷媒循环量和制冷量以及COP 明显高于低温工况。与舌簧阀压缩机相比，该圆片阀压缩机在中、低温工况各转速下的冷媒循环量、输入功率、制冷量以及COP 均无明显变化，表明将排气机构改成圆片阀对压缩机的性能并没有产生明显影响。