【壓縮機網(wǎng)】空壓機振動噪聲控制技術是一門“玄學”，其產(chǎn)生機理盤根錯節(jié)，影響因素眾多，“剪不斷理還亂”，沒有一套簡單實用的方案能包治“百病”。空壓機主要包括離心式、螺桿式、渦旋式等等，雖然結構形式各異，但是其振動噪聲產(chǎn)生機理和控制技術仍有諸多相通之處。
本文以螺桿空氣壓縮機為例，分析振動噪聲產(chǎn)生原因，探討振動噪聲控制技術，分享振動噪聲改善案例。希望能對大家有所啟發(fā)，共同促進壓縮機行業(yè)振動噪聲控制技術持續(xù)進步。
一、螺桿空壓機振動噪聲源
1.1研究背景
2023年10月，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)了《關于開展工業(yè)噪聲排污許可管理工作的通知》，明確將推動“十四五”期間工業(yè)噪聲全部納入排污許可證管理。根據(jù)《通知》，凡是屬于《國民經(jīng)濟行業(yè)分類》中的工業(yè)行業(yè)，依據(jù)《固定污染源排污許可分類管理名錄（2019年版）》應申請取得排污許可證或進行排污登記的排污單位，都將納入工業(yè)噪聲排污許可管理。對未按照通知要求依法取得排污許可證排放工業(yè)噪聲的，或未安排污許可證規(guī)定排放工業(yè)噪聲的排污單位依法處罰。
工業(yè)噪聲包括泵、風機、空壓機、冷卻塔、發(fā)電機、汽輪機和排氣放空設備等。噪聲排放限值低，要求嚴格，對空壓機出廠噪聲指標提出了更加嚴苛的要求，如表1所示。
螺桿空壓機經(jīng)歷了從定頻到變頻，從單級壓縮到兩級壓縮的發(fā)展歷程。無油壓縮機的需求也越來越大，因此，小型高速化、高速無油化、高效節(jié)能以及大流量將成為行業(yè)發(fā)展新趨勢，這給壓縮機減振降噪帶來新挑戰(zhàn)。若不加強振動噪聲控制技術研究與應用，將不可避免增加壓縮機振動噪聲，讓企業(yè)和產(chǎn)品在市場競爭中處于不利地位。
1.2螺桿空壓機振動噪聲源
根據(jù)壓縮機結構原理，螺桿空壓機的振動噪聲源包括主機、管道、油氣桶、通風罩、風機和空濾，見圖2。
主機振動噪聲又可以分為機械振動噪聲和流致振動噪聲，見圖3。機械振動噪聲主要是轉子嚙合過程以及軸承回轉運動過程中部件接觸摩擦產(chǎn)生的振動噪聲。流致振動噪聲主要是空壓機工作過程時，吸氣、壓縮和排氣過程產(chǎn)生的氣流脈動所誘發(fā)的振動噪聲。
二、主機振動噪聲控制技術
2.1機械振動噪聲控制技術
（1）轉子嚙合：嚙合間隙過小易導致異常接觸，產(chǎn)生顯著的邊帶頻，通過放大間隙或優(yōu)化工況可進行驗證。正常情況下，隨著加工技術的提升、裝配工藝的改善，嚙合間隙得到有效控制，但偶爾也會遇到一些轉子非正常接觸造成振動噪聲異常的現(xiàn)象，在嚙合頻率兩側產(chǎn)生很多邊帶率。轉子嚙合異常主要與加工精度和嚙合間隙有關，間隙過大導致流量減小，產(chǎn)生流致噪聲；間隙過小，容易產(chǎn)生異常接觸。
針對轉子異常嚙合造成的振動噪聲，可通過放大間隙或者改變工況如溫度和壓力等確認。例如剛開機時溫度較低，運行一段時間之后，溫度升高，轉子嚙合間隙因溫度變形發(fā)生變化，振動噪聲將隨之改變。
?。?）齒輪嚙合：齒輪的加工精度影響轉子軸系的動平衡，誘發(fā)振動噪聲。
齒輪是壓縮機機械振動噪聲的另一個主要來源，齒輪加工精度和嚙合平穩(wěn)性是關鍵。相同的齒輪，不同的供應商生產(chǎn)加工，齒輪振動差異較大，如圖6所示。很多廠家采用螺桿轉子和電機直連的方式取消齒輪，可以徹底消除齒輪嚙合特征頻率，如圖7顯示。從圖中可以看出，采用電機直連后，齒輪嚙合特征頻率消失，軸向和徑向振動均有改善。但是電機和轉子直連，并不能一勞永逸，當電機軸與轉子軸不對中時也會出現(xiàn)異常振動，尤其是2倍頻振動特性顯著升高，見圖8。
2.2流致振動噪聲控制技術
（1）內壓縮共振腔：衰減內壓縮過程中的氣流脈動，從源頭上抑制氣流脈動誘發(fā)的噪聲。壓縮機工作過程分為吸氣、壓縮和排氣三個環(huán)節(jié)，由于吸氣壓力較低，脈動相對較小，噪聲不高，但是壓縮和排氣過程脈動相對較大。針對內壓縮過程流致噪聲，研發(fā)設計內壓縮共振腔，可以起到良好的降噪效果。
?。?）聲波干涉器：基于聲波干涉原理，將兩路相位差為180°的聲波相互疊加衰減。
針對排氣噪聲，可以設計聲波干涉器，在排氣端面上設計旁支流道，使兩路氣流脈動的波峰和波谷相互疊加，聲波相互抵消，氣流脈動會衰減，噪聲隨之降低。應用聲波干涉器后，氣流脈動可明顯改善。
?。?）內置消聲器：基于赫姆霍茲共振原理，設計穿孔板消聲器，衰減排氣過程中的氣流脈動，降低氣流脈動誘發(fā)的管道振動噪聲。
（4）內外壓比匹配性：嚴重的“過壓縮”與“欠壓縮”現(xiàn)象會誘發(fā)較大的振動噪聲。
內外壓力不匹配的情況下，導致振動異常和能效惡化，因此通過永磁變頻電機降速調節(jié)流量可以使內外壓力更匹配。相同流量下，相對于滑閥容量調節(jié)，采用變頻壓縮機后氣流脈動幅值衰減50%，噪聲降低5dBA。
2.3減振降噪技術應用
?。?）兩級壓縮
在結構設計方面，由于兩級壓縮機重心相對較高，在殼體和排氣座位置可增設加強筋，提升局部強度；考慮到左右擺動，對支腳位置結構可進行優(yōu)化。在氣流脈動控制方面，基于壓縮機的運行工況和振動噪聲特性，可分別在級間流道和排氣流道設計氣流脈動衰減裝置。
?。?）噴水螺桿壓縮機
對于噴水螺桿壓縮機減振降噪，在壓力和溫度作用下，基于壓力場和溫度場計算轉子變形量以及殼體的變形，可優(yōu)化轉子嚙合間隙和齒頂間隙。在軸承力和氣體力的作用下，建立振動數(shù)值模型，預測并優(yōu)化殼體的振動響應。通過結構優(yōu)化，殼體振動可改善40%。
三、機組振動噪聲控制技術
3.1管路系統(tǒng)振動噪聲控制技術
?。?）管道優(yōu)化
優(yōu)化管道結構，減小彎頭數(shù)量，增加彎管半徑有助于降低管道振動噪聲。
從圖15可以看出，彎管半徑越大，β越小，氣流脈動激勵降低。除了氣流脈動激勵之外，我們還要考慮到管道的結構模態(tài)，避免共振。因此，一方面要抑制氣流脈動激勵源，另一方面要降低管道的振動響應，通過管道優(yōu)化降低管道噪音。
?。?）小流量消聲器
消聲器應用到管路系統(tǒng)后，氣流脈動幅值衰減率可超過70%，機組噪聲改善效果超過8dBA。
（3）無油壓縮機消聲器
振動噪聲是干式無油壓縮機的一個痛點，缺少了潤滑油的潤滑與吸聲，主機和管路系統(tǒng)噪聲容易暴露出來。由于主機壁厚相對較厚而管道壁厚較薄，排氣管路噪聲突出，甚至超過120dBA。工藝螺桿壓縮機對振動的要求更高，一旦因為振動導致管道出現(xiàn)故障，很可能會帶來致命的危險。圖17是通過現(xiàn)場測試分析之后，提出的一種管道消音器。實驗結果表明，振動噪聲改善80%以上，噪聲降低20dBA，得到了客戶的認可。
3.2油氣桶振動噪聲控制技術
?。?）油氣桶結構優(yōu)化
油氣桶主要起分油的效果，但是也會產(chǎn)生一些異常的噪音。如圖18，含油的壓縮空氣直接吹到油氣桶下面的擋板上，會產(chǎn)生擾油噪聲，也會造成壓力損失。因此，提出了兩種避免擾油的結構，一個是含油壓縮空氣從上面吹入，通過潤滑油從中間油孔流出，收集到下面的集油室；另一個是含油壓縮空氣從邊緣進，下面有個擋油板。經(jīng)此優(yōu)化，油分桶分油效果顯著提升，壓力損失得到改善，氣流擾油噪聲降低，油分桶噪聲可有效降低。
3.3風機振動噪聲控制技術
在風機選型上，一般情況下，離心風機比軸流風機的噪聲要低。在風機設計方面，可以從葉輪和蝸殼上進行優(yōu)化。
3.4空濾噪聲控制技術
空濾噪聲主要是由于空氣流速過大導致，可以通過優(yōu)化結構，適當增加過濾面積，降低流速，降低空濾的氣動噪聲。
3.5隔聲罩噪聲優(yōu)化技術
隔聲罩設計，門板是一個著眼點，要加強密封設計，防止漏聲。另外，吸聲材料性能越好降噪效果越大。但是還需兼顧成本，不能一味增加吸聲材料的投入。因此，需要測試吸聲材料的吸聲性能，針對不同的噪聲特性，選擇合適的吸聲材料和門板厚度，實現(xiàn)降噪效果和成本的平衡。此外，隔聲罩需要考慮密封設計，減少漏聲現(xiàn)象；優(yōu)化通風罩設計，也可降低漏聲量。
總結與展望
在“雙碳目標”背景下，伴隨著壓縮機節(jié)能減排快速推進，減振降噪的重要性也與日俱增?？諌簷C振動噪聲主要來源于主機、進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、油路系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，而主機振動噪聲來源于轉子及齒輪嚙合過程中產(chǎn)生的機械性振動噪聲和氣體壓縮過程中氣流脈動誘發(fā)的流致性振動噪聲，通過殼體向外傳遞與輻射。因此，優(yōu)化吸排氣流道，開發(fā)內壓縮共振腔、聲波干涉器和穿孔管消聲器等措施可降低主機振動噪聲；優(yōu)化管道結構，設計管路消聲器，改善氣路系統(tǒng)的振動噪聲，優(yōu)化隔聲罩等措施，可從路徑上衰減振動噪聲，實現(xiàn)空壓機振動噪聲的預期目標。
無油鼓風機、工藝螺桿壓縮機將是未來行業(yè)產(chǎn)品發(fā)展的趨勢之一，這些領域的振動噪聲問題也非常突出。因此，在優(yōu)化氣流脈動誘發(fā)的氣動噪聲方面，還有很多工作值得我們一起去探討。
來源：本站原創(chuàng)
【壓縮機網(wǎng)】空壓機振動噪聲控制技術是一門“玄學”，其產(chǎn)生機理盤根錯節(jié)，影響因素眾多，“剪不斷理還亂”，沒有一套簡單實用的方案能包治“百病”。空壓機主要包括離心式、螺桿式、渦旋式等等，雖然結構形式各異，但是其振動噪聲產(chǎn)生機理和控制技術仍有諸多相通之處。
本文以螺桿空氣壓縮機為例，分析振動噪聲產(chǎn)生原因，探討振動噪聲控制技術，分享振動噪聲改善案例。希望能對大家有所啟發(fā)，共同促進壓縮機行業(yè)振動噪聲控制技術持續(xù)進步。
一、螺桿空壓機振動噪聲源
1.1研究背景
2023年10月，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)了《關于開展工業(yè)噪聲排污許可管理工作的通知》，明確將推動“十四五”期間工業(yè)噪聲全部納入排污許可證管理。根據(jù)《通知》，凡是屬于《國民經(jīng)濟行業(yè)分類》中的工業(yè)行業(yè)，依據(jù)《固定污染源排污許可分類管理名錄（2019年版）》應申請取得排污許可證或進行排污登記的排污單位，都將納入工業(yè)噪聲排污許可管理。對未按照通知要求依法取得排污許可證排放工業(yè)噪聲的，或未安排污許可證規(guī)定排放工業(yè)噪聲的排污單位依法處罰。
工業(yè)噪聲包括泵、風機、空壓機、冷卻塔、發(fā)電機、汽輪機和排氣放空設備等。噪聲排放限值低，要求嚴格，對空壓機出廠噪聲指標提出了更加嚴苛的要求，如表1所示。
螺桿空壓機經(jīng)歷了從定頻到變頻，從單級壓縮到兩級壓縮的發(fā)展歷程。無油壓縮機的需求也越來越大，因此，小型高速化、高速無油化、高效節(jié)能以及大流量將成為行業(yè)發(fā)展新趨勢，這給壓縮機減振降噪帶來新挑戰(zhàn)。若不加強振動噪聲控制技術研究與應用，將不可避免增加壓縮機振動噪聲，讓企業(yè)和產(chǎn)品在市場競爭中處于不利地位。
1.2螺桿空壓機振動噪聲源
根據(jù)壓縮機結構原理，螺桿空壓機的振動噪聲源包括主機、管道、油氣桶、通風罩、風機和空濾，見圖2。
主機振動噪聲又可以分為機械振動噪聲和流致振動噪聲，見圖3。機械振動噪聲主要是轉子嚙合過程以及軸承回轉運動過程中部件接觸摩擦產(chǎn)生的振動噪聲。流致振動噪聲主要是空壓機工作過程時，吸氣、壓縮和排氣過程產(chǎn)生的氣流脈動所誘發(fā)的振動噪聲。
二、主機振動噪聲控制技術
2.1機械振動噪聲控制技術
（1）轉子嚙合：嚙合間隙過小易導致異常接觸，產(chǎn)生顯著的邊帶頻，通過放大間隙或優(yōu)化工況可進行驗證。正常情況下，隨著加工技術的提升、裝配工藝的改善，嚙合間隙得到有效控制，但偶爾也會遇到一些轉子非正常接觸造成振動噪聲異常的現(xiàn)象，在嚙合頻率兩側產(chǎn)生很多邊帶率。轉子嚙合異常主要與加工精度和嚙合間隙有關，間隙過大導致流量減小，產(chǎn)生流致噪聲；間隙過小，容易產(chǎn)生異常接觸。
針對轉子異常嚙合造成的振動噪聲，可通過放大間隙或者改變工況如溫度和壓力等確認。例如剛開機時溫度較低，運行一段時間之后，溫度升高，轉子嚙合間隙因溫度變形發(fā)生變化，振動噪聲將隨之改變。
?。?）齒輪嚙合：齒輪的加工精度影響轉子軸系的動平衡，誘發(fā)振動噪聲。
齒輪是壓縮機機械振動噪聲的另一個主要來源，齒輪加工精度和嚙合平穩(wěn)性是關鍵。相同的齒輪，不同的供應商生產(chǎn)加工，齒輪振動差異較大，如圖6所示。很多廠家采用螺桿轉子和電機直連的方式取消齒輪，可以徹底消除齒輪嚙合特征頻率，如圖7顯示。從圖中可以看出，采用電機直連后，齒輪嚙合特征頻率消失，軸向和徑向振動均有改善。但是電機和轉子直連，并不能一勞永逸，當電機軸與轉子軸不對中時也會出現(xiàn)異常振動，尤其是2倍頻振動特性顯著升高，見圖8。
2.2流致振動噪聲控制技術
（1）內壓縮共振腔：衰減內壓縮過程中的氣流脈動，從源頭上抑制氣流脈動誘發(fā)的噪聲。壓縮機工作過程分為吸氣、壓縮和排氣三個環(huán)節(jié)，由于吸氣壓力較低，脈動相對較小，噪聲不高，但是壓縮和排氣過程脈動相對較大。針對內壓縮過程流致噪聲，研發(fā)設計內壓縮共振腔，可以起到良好的降噪效果。
?。?）聲波干涉器：基于聲波干涉原理，將兩路相位差為180°的聲波相互疊加衰減。
針對排氣噪聲，可以設計聲波干涉器，在排氣端面上設計旁支流道，使兩路氣流脈動的波峰和波谷相互疊加，聲波相互抵消，氣流脈動會衰減，噪聲隨之降低。應用聲波干涉器后，氣流脈動可明顯改善。
?。?）內置消聲器：基于赫姆霍茲共振原理，設計穿孔板消聲器，衰減排氣過程中的氣流脈動，降低氣流脈動誘發(fā)的管道振動噪聲。
（4）內外壓比匹配性：嚴重的“過壓縮”與“欠壓縮”現(xiàn)象會誘發(fā)較大的振動噪聲。
內外壓力不匹配的情況下，導致振動異常和能效惡化，因此通過永磁變頻電機降速調節(jié)流量可以使內外壓力更匹配。相同流量下，相對于滑閥容量調節(jié)，采用變頻壓縮機后氣流脈動幅值衰減50%，噪聲降低5dBA。
2.3減振降噪技術應用
?。?）兩級壓縮
在結構設計方面，由于兩級壓縮機重心相對較高，在殼體和排氣座位置可增設加強筋，提升局部強度；考慮到左右擺動，對支腳位置結構可進行優(yōu)化。在氣流脈動控制方面，基于壓縮機的運行工況和振動噪聲特性，可分別在級間流道和排氣流道設計氣流脈動衰減裝置。
?。?）噴水螺桿壓縮機
對于噴水螺桿壓縮機減振降噪，在壓力和溫度作用下，基于壓力場和溫度場計算轉子變形量以及殼體的變形，可優(yōu)化轉子嚙合間隙和齒頂間隙。在軸承力和氣體力的作用下，建立振動數(shù)值模型，預測并優(yōu)化殼體的振動響應。通過結構優(yōu)化，殼體振動可改善40%。
三、機組振動噪聲控制技術
3.1管路系統(tǒng)振動噪聲控制技術
?。?）管道優(yōu)化
優(yōu)化管道結構，減小彎頭數(shù)量，增加彎管半徑有助于降低管道振動噪聲。
從圖15可以看出，彎管半徑越大，β越小，氣流脈動激勵降低。除了氣流脈動激勵之外，我們還要考慮到管道的結構模態(tài)，避免共振。因此，一方面要抑制氣流脈動激勵源，另一方面要降低管道的振動響應，通過管道優(yōu)化降低管道噪音。
?。?）小流量消聲器
消聲器應用到管路系統(tǒng)后，氣流脈動幅值衰減率可超過70%，機組噪聲改善效果超過8dBA。
（3）無油壓縮機消聲器
振動噪聲是干式無油壓縮機的一個痛點，缺少了潤滑油的潤滑與吸聲，主機和管路系統(tǒng)噪聲容易暴露出來。由于主機壁厚相對較厚而管道壁厚較薄，排氣管路噪聲突出，甚至超過120dBA。工藝螺桿壓縮機對振動的要求更高，一旦因為振動導致管道出現(xiàn)故障，很可能會帶來致命的危險。圖17是通過現(xiàn)場測試分析之后，提出的一種管道消音器。實驗結果表明，振動噪聲改善80%以上，噪聲降低20dBA，得到了客戶的認可。
3.2油氣桶振動噪聲控制技術
?。?）油氣桶結構優(yōu)化
油氣桶主要起分油的效果，但是也會產(chǎn)生一些異常的噪音。如圖18，含油的壓縮空氣直接吹到油氣桶下面的擋板上，會產(chǎn)生擾油噪聲，也會造成壓力損失。因此，提出了兩種避免擾油的結構，一個是含油壓縮空氣從上面吹入，通過潤滑油從中間油孔流出，收集到下面的集油室；另一個是含油壓縮空氣從邊緣進，下面有個擋油板。經(jīng)此優(yōu)化，油分桶分油效果顯著提升，壓力損失得到改善，氣流擾油噪聲降低，油分桶噪聲可有效降低。
3.3風機振動噪聲控制技術
在風機選型上，一般情況下，離心風機比軸流風機的噪聲要低。在風機設計方面，可以從葉輪和蝸殼上進行優(yōu)化。
3.4空濾噪聲控制技術
空濾噪聲主要是由于空氣流速過大導致，可以通過優(yōu)化結構，適當增加過濾面積，降低流速，降低空濾的氣動噪聲。
3.5隔聲罩噪聲優(yōu)化技術
隔聲罩設計，門板是一個著眼點，要加強密封設計，防止漏聲。另外，吸聲材料性能越好降噪效果越大。但是還需兼顧成本，不能一味增加吸聲材料的投入。因此，需要測試吸聲材料的吸聲性能，針對不同的噪聲特性，選擇合適的吸聲材料和門板厚度，實現(xiàn)降噪效果和成本的平衡。此外，隔聲罩需要考慮密封設計，減少漏聲現(xiàn)象；優(yōu)化通風罩設計，也可降低漏聲量。
總結與展望
在“雙碳目標”背景下，伴隨著壓縮機節(jié)能減排快速推進，減振降噪的重要性也與日俱增?？諌簷C振動噪聲主要來源于主機、進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、油路系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，而主機振動噪聲來源于轉子及齒輪嚙合過程中產(chǎn)生的機械性振動噪聲和氣體壓縮過程中氣流脈動誘發(fā)的流致性振動噪聲，通過殼體向外傳遞與輻射。因此，優(yōu)化吸排氣流道，開發(fā)內壓縮共振腔、聲波干涉器和穿孔管消聲器等措施可降低主機振動噪聲；優(yōu)化管道結構，設計管路消聲器，改善氣路系統(tǒng)的振動噪聲，優(yōu)化隔聲罩等措施，可從路徑上衰減振動噪聲，實現(xiàn)空壓機振動噪聲的預期目標。
無油鼓風機、工藝螺桿壓縮機將是未來行業(yè)產(chǎn)品發(fā)展的趨勢之一，這些領域的振動噪聲問題也非常突出。因此，在優(yōu)化氣流脈動誘發(fā)的氣動噪聲方面，還有很多工作值得我們一起去探討。
來源：本站原創(chuàng)
網(wǎng)友評論
條評論
最新評論