某多級軸流壓縮機雙層穿孔板降噪方案設(shè)計及試驗驗證*

金偉楠 盧傅安 劉長勝 任霽筇 王海倫 于 晃

（沈鼓集團股份有限公司）

0 引言

軸流壓縮機具有大流量、體積小、效率高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于冶金、化工、石油、航空等領(lǐng)域。軸流壓縮機在運行過程中會產(chǎn)生較大的噪聲，近年來噪聲的高低已成為衡量壓縮機性能好壞的重要技術(shù)指標(biāo)。文獻(xiàn)[1-4]對葉輪機械氣動噪聲的進(jìn)行了研究，其中離散噪聲在噪聲頻譜圖上表現(xiàn)出較高的峰值，對整體噪聲的貢獻(xiàn)最大，針對離散噪聲進(jìn)行控制可以有效降低葉輪機械噪聲。

針對某多級軸流壓縮機的噪聲過大問題，選用穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)作為降噪材料，針對壓縮機主要離散噪聲設(shè)計了帶蜂窩結(jié)構(gòu)的雙層穿孔板降噪結(jié)構(gòu)。自從20世紀(jì)70年代馬大猷教授開創(chuàng)性的提出可用于計算和設(shè)計的微穿孔板吸聲體理論[6]，國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了對穿孔板吸聲特性的研究。部分學(xué)者對擴散聲場、有切向流及高聲強條件下穿孔板吸聲特性進(jìn)行了理論和試驗方面的研究[7-13]，提出了一些適用于特定條件的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。也有學(xué)者將穿孔板降噪結(jié)構(gòu)應(yīng)用于工程實踐，王占學(xué)等[14]針對某單級軸流壓縮機排氣噪聲，設(shè)計了微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對1000～4000Hz 頻率范圍內(nèi)噪聲的有效控制；曾吾等[15]采用試驗研究方法對不同轉(zhuǎn)速、不同進(jìn)口馬赫數(shù)工況下跨音單級軸流壓氣機進(jìn)氣管道鋪設(shè)單段、三段微穿孔板蜂窩吸聲結(jié)構(gòu)以及硬壁管道的降噪效果進(jìn)行對比分析；張勝利等[16]在風(fēng)洞改造項目中采用主動降噪加被動降噪的方案，通過對氣動、結(jié)構(gòu)、振動的聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計以及在風(fēng)洞噪聲傳播途徑上鋪設(shè)微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對噪聲的有效控制，提高了風(fēng)洞測試精度。

1 穿孔板吸聲理論基礎(chǔ)

1.1 線性模型

馬大猷教授提出的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)[6]，使得在x滿足1＜x＜10時，對應(yīng)的阻抗率為：

管長t如果不是比管徑大的多，還需要加上末端修正值。聲質(zhì)量的末端修正值由末端的聲輻射而來，考慮兩端輻射，使其有效管長增加0.85d。聲阻的末端修正是由空氣出入微管時部分沿障板流動產(chǎn)生摩擦所致。兩端都是無窮障板時，聲阻率增加約，η為流體的粘滯系數(shù)。

考慮穿孔率σ，穿孔板的相對聲阻抗可表示為：

1.2 高聲強條件下的模型

在高聲強條件下多孔板結(jié)構(gòu)的聲阻抗依賴于入射聲壓級的大小，表現(xiàn)出非線性特性。多孔結(jié)構(gòu)在高聲壓級下的阻抗模型有多種，如A.Cummings模型[7]、馬大猷模型[8]、T.H.Melling模型[9]等。

馬大猷教授從前人的測量結(jié)果看到管的末端修正量隨質(zhì)點振動速度的增加而減小，并且與質(zhì)點振動速度，穿孔率有關(guān)[8]。因此，他提出應(yīng)在瑞利末端修正量的基礎(chǔ)上再乘以一個因數(shù)，該因數(shù)為：

高聲壓級下的相對聲阻抗表示為：

其中，u0為質(zhì)點振動速度的峰值。

1.3 切向流條件下的模型

穿孔在有流條件下的精確的數(shù)學(xué)阻抗模型是不容易得到的，因此目前用的模型大部分是基于實驗的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。有流條件下的模型有Rao、Munjal 模型[12]、Kooi、Sarin模型[13]、Cummings模型[10]等。

Lee[11]等通過實驗方法測量了各種參數(shù)條件下小孔的阻抗，在此基礎(chǔ)上利用非線性回歸方法求解回歸系數(shù)。在其回歸模型中有一特征頻率f0對應(yīng)其阻抗的最小值，其中f0表示為：

穿孔板的相對聲阻表示為：

穿孔板的相對聲抗表示為：

為了避免聲壓級引起的非線性效應(yīng)，試驗樣本數(shù)據(jù)是在聲壓級130dB左右下測量的，另外該回歸模型的其它參數(shù)適用范圍如下：f∈[60,4000]Hz;d∈[2,9]mm;t∈[1,5]mm;M∈[0,0.2];σ∈[2.79%,22.3%]。

2 被動降噪方案設(shè)計

2.1 軸流壓縮機噪聲源分析

葉輪機械氣動噪聲主要包括離散噪聲和寬頻噪聲，離散噪聲對整體噪聲的貢獻(xiàn)最大，因此針對離散噪聲的頻率范圍進(jìn)行降噪方案設(shè)計。軸流壓縮機的氣動噪聲主要由作用在動、靜葉片之間強烈的動靜干涉產(chǎn)生，其主要噪聲源為靜葉葉片和動葉葉片上的非定常壓力脈動。上游葉片尾跡與下游葉片之間的干涉頻率（葉片通過頻率，BPF）可以采用公式(9)計算：

式中，n為主軸轉(zhuǎn)速，r/min；Z1為上游葉片的葉片數(shù)。

研究對象為四級軸流壓縮機，每級由動、靜葉片排組成，各級動葉片數(shù)均為26 片，前三級靜葉片為51 片，第四級靜葉片為29片。壓縮機轉(zhuǎn)速范圍為295～522r/min，根據(jù)軸流壓縮機各級葉片數(shù)及工作轉(zhuǎn)速，帶入公式（9）中計算得到各工況對應(yīng)的葉片通過頻率及其倍頻。將動葉片通過頻率的1～4倍頻作為主要的降噪設(shè)計頻率，本文采用的軸流壓縮機主要離散噪聲頻率范圍為128～905Hz。

2.2 降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)軸流壓縮機噪聲特性及長期安全穩(wěn)定運行的要求，選用能夠滿足在軸流壓縮機的溫度、壓力范圍內(nèi)長期運行的雙層穿孔板加蜂窩降噪結(jié)構(gòu)。

相比于單層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，采用雙層穿孔板結(jié)構(gòu)可以有效拓寬吸聲頻帶范圍；穿孔板和蜂窩結(jié)構(gòu)均采用不銹鋼材料，并采用全釬焊的加工工藝進(jìn)行焊接，可以保障降噪結(jié)構(gòu)的強度。圖1為雙層穿孔板加蜂窩結(jié)構(gòu)的示意圖，降噪結(jié)構(gòu)由兩層穿孔板、剛性背板、中間的蜂窩芯及支撐筋板組成。

圖1 雙層穿孔板降噪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of noise reduction structure of double-layer perforated plate

切向氣流和聲壓級對穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)的非線性聲學(xué)特性產(chǎn)生影響，使得聲阻抗發(fā)生變化。根據(jù)章節(jié)1中穿孔板吸聲理論，同時采用現(xiàn)有研究成果中的經(jīng)驗公式[8，11]對切向流和高聲強條件下聲阻抗進(jìn)行修正，編制雙層穿孔板吸聲性能預(yù)測方法。通過調(diào)整蜂窩高度、板厚、孔徑、穿孔率，使得降噪結(jié)構(gòu)的吸聲性能曲線覆蓋軸流壓縮機主要離散噪聲頻率范圍，且兩個吸聲峰值之間的波谷位置吸聲系數(shù)大于0.65，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整設(shè)計確定了降噪結(jié)構(gòu)的參數(shù)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 雙層穿孔板降噪結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Noise reduction structure parameters of doublelayer perforated plate

2.3 降噪結(jié)構(gòu)吸聲性能測試

根據(jù)設(shè)計得到的雙層穿孔板加蜂窩降噪結(jié)構(gòu)參數(shù)，加工試驗樣件。由于試驗臺尺寸限制，測試樣件第二層后腔厚度由設(shè)計值90mm 改為40mm。計算得到不同后腔厚度方案的吸聲系數(shù)，如下圖2所示，（1）第二層后腔厚度40mm方案的吸聲峰值頻率相比于設(shè)計方案，向高頻方向移動；（2）100～200Hz 范圍內(nèi)，設(shè)計方案吸聲系數(shù)高于0.4，200～1400Hz 范圍內(nèi)，吸聲系數(shù)均高于0.65，在軸流壓縮機主要噪聲頻率范圍內(nèi)均有較高的吸聲系數(shù)。

圖2 不同腔深方案吸聲系數(shù)對比Fig.2 Comparison of sound absorption coefficient of different cavity depth schemes

聲襯阻抗流管測試平臺如圖3 所示，主要包括：1）測量傳 聲 器GRAS46BP，22 個；2）大 功率 揚 聲 器，BMS 4592nd-mid，4 個；3）數(shù)據(jù)采集卡輸出NI USB-6259，輸入PXI-4496；4）活塞式標(biāo)準(zhǔn)聲源，B&K4228；5）溫度計，TP3001。

圖3 流管測試實驗臺Fig.3 Flow duct test bench

測量方法采用聲阻抗直接提取法，具體見文獻(xiàn)[17]。

測試條件為氣流流速50m/s、聲壓級130dB，測量得到雙層穿孔板加蜂窩結(jié)構(gòu)的聲阻抗，計算得到不同頻率的吸聲系數(shù)。

圖4為流管法測試結(jié)果與計算結(jié)果對比，200～1000Hz頻率范圍內(nèi)，測試結(jié)果的峰值頻率和吸聲系數(shù)曲線均與計算結(jié)果符合良好。由于試驗臺限制，200Hz以下的頻率范圍內(nèi)，聲阻抗測量結(jié)果偏差較大，因此計算得到的聲阻抗波動較大。

圖4 降噪結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)Fig.4 Sound absorption coefficient of noise reduction structure

2.4 降噪結(jié)構(gòu)布置

降噪結(jié)構(gòu)鋪設(shè)位置為壓縮機出口下游的尾錐段，安裝在管道外機殼的內(nèi)壁上，第一層穿孔板表面與管道上、下游壁面平齊，保證沿氣流方向無逆差存在，如圖5所示。降噪結(jié)構(gòu)鋪設(shè)總長度約為外殼體內(nèi)壁面直徑的1.3倍。

圖5 降噪結(jié)構(gòu)布置示意圖Fig.5 Schematic diagram of noise reduction structure

3 現(xiàn)場測試結(jié)果分析

軸流壓縮機現(xiàn)場調(diào)試的過程中，對壓縮機內(nèi)流場的噪聲進(jìn)行了測量。降噪結(jié)構(gòu)上、下游噪聲測點分別布置在降噪結(jié)構(gòu)進(jìn)口前1米截面和降噪結(jié)構(gòu)出口后1 米截面。為了驗證降噪結(jié)構(gòu)的效果，在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)分別選取了低（300r/min）、中（400r/min）、高（500r/min）三個不同轉(zhuǎn)速工況，提取了降噪結(jié)構(gòu)上、下游的時域信號，通過傅里葉變換得到測試結(jié)果的頻域信號，并對結(jié)果進(jìn)行對比分析。

三個工況的總壓條件相同，進(jìn)口容積流量分別為46674m3/min、79653m3/min、88810m3/min，降噪結(jié)構(gòu)進(jìn)口流速分別為46.41m/s、72.67m/s、76.35m/s，降噪結(jié)構(gòu)出口流速分別為32.19m/s、50.41m/s、52.96m/s。圖6 為測量得到的降噪結(jié)構(gòu)上、下游截面總聲壓級的對比，從圖中可以看出三個工況下，壓縮機噪聲從降噪結(jié)構(gòu)上游傳播至降噪結(jié)構(gòu)下游的過程中，聲壓級分別降低了8.7dB、6.9dB 和10.3dB。

圖6 降噪結(jié)構(gòu)上、下游截面聲壓級對比Fig.6 Comparison of upper and lower section sound pressure level of noise reduction structure

圖7 為不同工況對應(yīng)的降噪結(jié)構(gòu)上、下游截面頻譜對比。由圖中可以看出：1）軸流壓縮機的葉片通過頻率及其倍頻的離散噪聲明顯高于其它頻率下的寬頻噪聲的聲壓級，因此對葉片通過頻率及其倍頻的抑制可以有效降低軸流壓縮機的噪聲；2）軸流壓縮機的一倍頻葉片通過頻率通常具有較高的聲壓級，但從三個工況測試結(jié)果看，一倍頻葉片通過頻率的聲壓級均明顯低于二、三倍頻，分析可能是由于在傳播的過程中被阻截；3）“工況1”壓縮機出口頻譜中二倍葉片通過頻率的聲壓級最高，為127.2dB，降噪結(jié)構(gòu)后為119.5dB，降噪量7.7dB；“工況2”壓縮機出口頻譜中二、三倍葉片通過頻率的聲壓級最高，分別為130.1dB、126.7dB，降噪結(jié)構(gòu)后分別為125.8dB、112.5dB，降噪量分別為4.3dB、14.2dB；“工況3”壓縮機出口頻譜中二、三倍葉片通過頻率的聲壓級最高，分別為139.3dB、140.8dB，降噪結(jié)構(gòu)后分別為131.1dB、127.3dB，降噪量分別為8.2dB、13.5dB；（4）200～1000Hz頻率范圍內(nèi)，降噪結(jié)構(gòu)后截面聲壓級的頻譜圖明顯低于降噪結(jié)構(gòu)前，降噪結(jié)構(gòu)在此頻率范圍內(nèi)吸聲性能良好，符合設(shè)計預(yù)期。同時，在1000～2500Hz的頻率范圍內(nèi)，降噪結(jié)構(gòu)仍有吸聲效果。

圖7 不同工況下降噪結(jié)構(gòu)上、下游截面頻譜對比Fig.7 Frequency spectrum comparison of upper and lower section of noise reduction structure in different working condition

4 結(jié)論

針對某多級軸流壓縮機噪聲過高問題，做了雙層穿孔板降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計，在壓縮機現(xiàn)場運行過程中對降噪結(jié)構(gòu)上、下游截面進(jìn)行了噪聲測量，通過對測量結(jié)果分析得到如下結(jié)論：

1）采用流管法試驗對根據(jù)經(jīng)驗公式設(shè)計得到的降噪方案進(jìn)行驗證，測試結(jié)果與計算結(jié)果符合良好，證明了所選用的阻抗修正模型在高聲強、切向流條件下精度較高；

2）文中分析的三個工況，壓縮機噪聲從降噪結(jié)構(gòu)上游傳播至降噪結(jié)構(gòu)下游的過程中，聲壓級分別降低了8.7dB、6.9dB和10.3dB，證明降噪方案設(shè)計的有效性。同時，說明了穿孔板加蜂窩的降噪結(jié)構(gòu)，適用于軸流壓縮機噪聲的控制；

3）根據(jù)噪聲測試頻譜圖分析結(jié)果，一倍頻葉片通過頻率可能在傳播的過程中被阻截，因此，在軸流壓縮機設(shè)計階段，可以通過優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)調(diào)整阻截頻率，使幅值較高的離散噪聲被阻截，進(jìn)而實現(xiàn)對軸流壓縮機噪聲的有效控制。