无油螺杆压缩机的噪声实验研究

周景芝，朱夷诗，章 华，施嘉冬

(1.中石化上海工程有限公司，上海 200040；2.中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 201108)

1 引言

无油螺杆压缩机是一种回转容积式压缩机，广泛应用在炼油、石化、煤化等领域。与制冷、空压等喷油螺杆压缩机相比，其机型更大、转速及功率更高，相应的噪音也更大。随着国内环保意识的增强，无油螺杆压缩机的噪声问题已成为行业内被重点关注的问题之一。

根据噪声的产生机理，螺杆压缩机的噪声源主要有3个方面：一是机械噪声；二是气动噪声；三是电磁噪声[1]。机械噪声是由于设备振动而产生的噪声，且振动会产生辐射噪声，尤其是易于辐射高频噪声。其主要来源于旋转轴系的静、动态不平衡引起的偏心力，通常与压缩机零部件的加工工艺、转动部件动平衡以及装配工艺等有关。气动噪声主要来源于螺杆压缩机周期性的吸排气，产生气流脉动噪声，且转子高速旋转时，会产生涡流噪声。电磁噪声主要由驱动的主电机产生的。无油螺杆压缩机的气动噪声较为突出，为更好地抑制压缩机的噪声，通过实验方法，研究其频谱特性，并对其各工况参数进行定量研究，有利于为后续降噪工作提供方向及基础数据。

2 实验研究

本实验台采用变频电机直接驱动压缩机，压缩机与主电机均固定在钢结构底座上。实验平台配套有实验所需的所有公用工程管道，包括润滑油、密封气、喷淋水等管道。且实验台配备了温度、压力、流量等测量仪表，所有仪表均按期进行校验标定。其中，考虑到噪声及脉动绝大部分发生在压缩机的排气侧，因此入口采用敞开式吸气。

本实验采用的无油螺杆压缩机主要参数为：转子直径255 mm、长径比1.1、齿数比4(阳转子)∶6(阴转子)；本实验测量采用噪声统计分析仪为手持式噪声仪AWA6291，测量范围为10 Hz～20 kHz，精度为±0.2 dB，具备A、C、Z三种频率计权模式。噪声测量依据《GB/T4980-2003容积式压缩机噪声的测定》进行。

3 结果分析

3.1 频谱特性

频谱分析法是确定主要噪声源的方法之一，被广泛应用[2]。螺杆压缩机作为容积式压缩机，噪声主要来源于间歇性的吸排气工作过程，其频率通常是齿槽切割气口频率(PPF：Pass Pocket Frequency，为阳转子齿数乘于转速)的整数倍[3]。并且频率的分布较宽，部分机型可从1x(PPF)至10x。本机型额定工况下的噪声频谱特性如图1所示(转速3000 r/min、排气压力728 kPa)。

图1 噪声频谱分布

根据图1可以发现，噪声在从1xPPF至6xPPF均较大，峰值噪声主要分布在中高频段，尤其1×、2×、4×更为显著，相应频率的噪声量已经超过规定的85 dB。因此在设计消音器时，应优先针对这3个频率进行结构设计。

3.2 排气压力

排气压力可从排气脉动和噪声传播两方面影响压缩机的噪声。无油螺杆压缩机为固定的内容积比，在其他条件不变的情况下，压缩终了压力为定值。不同的排气压力将造成压缩机的过压缩和欠压缩。排气时产生气流反复及喷射，引起一定气流脉动及湍流。传统的观点认为气动噪声与汽流脉动的变化趋势较为一致[4]，同时出口气体密度增大，有利于噪声的传播[5]。因此，排气压力越高，噪声将越大。但从本次喷液的无油螺杆压缩机并不支持上述观点，其实验结果如图2所示(进气温度为15 ℃，喷水量为1.98 m3/h，转速为3000 r/min)。

图2 排气压力的噪声特性

从实验结果可以发现，尽管排气压力上升，但对噪声量的影响并不显著，这与论文[6]的实验结果相一致。显然，通过排气气流密度控制噪声传播对降噪起不到理想的效果。同时，从频谱图可以发现，排气压力对不同频率的噪声影响也并不显著。这主要由于一方面气流所引发的噪声往往频率较高，较难传播；另一方面液体对噪声有较好的吸收作用。

3.3 喷液量

喷液是降噪手段之一，在锅炉等高温汽流排放中较为常用。其消声机理：一方面改变介质密度、速度引起声阻抗变化，使声波发生反射；另一方面通过两相相互作用消耗声能。实验结果如图3所示(进气温度为15 ℃，排气压力为530 kPa(G)，转速为3000 r/min)。

图3 喷液量的噪声特性

根据实验结果，随着喷液量的增加，噪声量明显下降，从频谱图可以发现，1000 Hz以上的噪声(波长约0.35 m)下降幅度较大。所喷的液体将在压缩机的排气管线上以雾状流及环状流的形式分布。微小的液滴对高频的噪声(波长小)能够起到良好的阻隔。同时，排气管内壁所覆盖的液膜，通过液体的形变能够对噪声有良好的吸收。因此，通过增加喷液量，能够起到较好的降噪作用，对高频的噪声尤其有效。

3.4 转速

压缩机噪声量及其频谱特性主要取决于转速。转速对噪声的影响结果如图4所示(进气温度为15 ℃，喷液量为2 m3/h，排气压力为532 kPa(G))。

图4 转速的噪声特性

从图4可以看出，转速直接影响压缩机噪声的频谱特性。压缩机转速对噪声量的影响尤为显著，由于压缩机排气所产生的气流周期性作用力与旋转部件的转速平方成正比，转速提升，作用力显著增大，尤其是高频部分的噪声。与此同时，随着转速的上升，吸排气口的切割频率随之上升，转子及气口对气流的“撞击”作用也随之增强，因此，所产生的气动性噪声在各频率下均显著上升。根据实验结果，从3000 r/min降低至1000 r/min，噪声量下降约20 dB(A)。这与早期文献的趋势基本一致，通过降低转速实现降噪是最为有效的手段。

4 结论

本文通过实验研究压缩机的频谱特性，定量分析了排气压力、喷液量及转速对噪声量的影响。实验表明，排气压力对噪声影响不大，喷液量和转速影响较为显著。通过增大喷液量和降低压缩机转速可显著降低压缩机噪声。同时，根据各实验的噪声频谱特性，消音器应重点针对压缩机的1×、2×及4×频率开展结构设计。