基于半波長(cháng)管原理，周明龍等[8]針對螺桿壓縮機氣流脈動(dòng)的周期特性，結合壓縮機結構的內部空間，在排氣端面上設計氣流脈動(dòng)衰減裝置，從排氣源頭上衰減氣流脈動(dòng)幅值，降低氣流脈動(dòng)誘發(fā)的氣動(dòng)噪聲。圖4是應用在螺桿壓縮機排氣端面的一種具體結構。
【壓縮機網(wǎng)】②赫姆霍茲氣流脈動(dòng)衰減腔
赫姆霍茲共振器是聲學(xué)中一個(gè)比較常見(jiàn)的降噪裝置，其主要由短管和腔體組成，如圖5所示，在一定條件下可用其來(lái)消減螺桿壓縮機排氣腔內的氣流脈動(dòng)幅值[9,10,11,12]。
根據赫姆霍茲共振器的結構尺寸可以計算出赫姆霍茲共振器的固有頻率 fr：
式中 c—流體介質(zhì)聲速；
S—短管截面積；
L—短管有效長(cháng)度；
V—腔體體積。
當入射聲波pi的頻率接近赫姆霍茲共振器的固有頻率時(shí)，在赫姆霍茲共振器的短管中產(chǎn)生強烈振動(dòng)，通過(guò)克服摩擦阻力而消耗聲能，從而降低下游聲波的幅值。
基于赫姆霍茲共振器原理，武曉昆等[13]在螺桿壓縮機的排氣軸承座上設計赫姆霍茲氣流脈動(dòng)衰減腔，排氣氣流脈動(dòng)幅值衰減30%以上，氣流脈動(dòng)基頻下的機腳振動(dòng)加速度可降低36.2%-40.9%。
?、?穿孔板脈動(dòng)衰減器
穿孔板脈動(dòng)衰減器結構如圖6所示，其脈動(dòng)衰減機理是穿孔板上每個(gè)穿孔與其對應的腔體組成的系統類(lèi)似赫姆霍茲氣流脈動(dòng)衰減腔，穿孔板脈動(dòng)衰減器可以看成許多赫姆霍茲氣流脈動(dòng)衰減腔的并聯(lián)。
按照馬大猷院士經(jīng)典理論[14]，穿孔板脈動(dòng)衰減器的衰減頻率fMPA可以表示為
式中 c—流體介質(zhì)聲速；
t—穿孔板厚度；
d—穿孔孔徑；
D—穿孔板腔體深度；
P—穿孔率（穿孔面積/全面積100%）。
基于穿孔板設計原理，劉華等[15]針對變頻螺桿壓縮機排氣氣流脈動(dòng)誘發(fā)的氣動(dòng)噪聲設計寬頻帶穿孔板氣流脈動(dòng)衰減器。應用氣流脈動(dòng)衰減器后，在運行轉速3000～4500rpm區間，氣流脈動(dòng)基頻排氣噪聲值下降3.0dBA以上；在排氣噪聲較大的高轉速運行區間4500～5100rpm，排氣噪聲值下降5.0dBA到7.5dBA，實(shí)現了變頻螺桿壓縮機全頻率段的降噪。
4.2 噪聲傳遞路徑隔聲
?、?機殼雙層壁設計
螺桿壓縮機機殼采用雙層壁結構，可以阻礙振動(dòng)噪聲的傳遞，降低壓縮機的整體噪聲。格力，大冷等企業(yè)將機體外殼采用雙層壁結構，減弱噪聲向外輻射的能力，起到隔離噪聲的作用。此外，壓縮機采用液體冷卻方式（如油冷、水冷等），不僅可阻礙噪聲的傳遞，而且采用液冷方式后可取消風(fēng)冷方式的風(fēng)扇，也有助于降低螺桿壓縮機的整體噪聲。
?、?隔聲罩設計
根據螺桿壓縮機的噪聲頻譜特性，設計隔聲罩結構，優(yōu)化隔聲罩的吸聲材料，可以有效降低壓縮機的遠場(chǎng)噪聲。程雙靈等[16]通過(guò)對隔聲罩結構和吸聲材料的優(yōu)化，螺桿壓縮機噪聲下降了近10dBA。
4.3 氣流脈動(dòng)衰減
目前氣流脈動(dòng)衰減與抑制主要針對特定運行工況，當壓縮機運行工況變化較大時(shí)，尤其是變頻螺桿壓縮機變轉速工況，氣流脈動(dòng)衰減裝置的衰減效果減弱甚至消失。為了滿(mǎn)足不同運行工況下氣流脈動(dòng)衰減效果，拓寬氣流脈動(dòng)衰減頻率范圍，往往只能被動(dòng)的采用多個(gè)衰減裝置并聯(lián)或者串聯(lián)，不僅會(huì )犧牲衰減效果，還會(huì )帶來(lái)衰減裝置體積過(guò)大無(wú)法安裝甚至被動(dòng)增加壓縮機體積。因此，根據壓縮機的運行工況和氣流脈動(dòng)特性，自動(dòng)調節氣流脈動(dòng)衰減裝置的衰減頻率，有效降低壓螺桿縮機氣流脈動(dòng)的衰減裝置迫在眉睫。周明龍等[17]等根據壓縮機運行特性設計的一種可調頻自適應氣流脈動(dòng)衰減器將成為一種新的趨勢。
4.4 主動(dòng)減振
在螺桿壓縮機運行過(guò)程中，根據所檢測到的壓縮機振動(dòng)信號，振動(dòng)數據經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)處理，通過(guò)一定的控制策略，驅動(dòng)作動(dòng)器對壓縮機施加外部激勵（如力，力矩等），最終達到抑制螺桿壓縮機振動(dòng)，降低機械振動(dòng)輻射噪聲的目的。目前國內主動(dòng)減振技術(shù)還處于機理的研究階段，離實(shí)際應用還有較大距離。但是基于主動(dòng)減振降噪技術(shù)的良好發(fā)展前景，以及螺桿壓縮機振動(dòng)產(chǎn)生機理的深入研究，主動(dòng)減振降噪技術(shù)將逐步應用到螺桿壓縮機減振降噪領(lǐng)域。
4.5 有源降噪
有源降噪是利用聲波的相消干涉原理，通過(guò)引入電聲裝置產(chǎn)生額外的噪聲源與不希望的原始噪聲進(jìn)行疊加，從而達到降低或者抑制噪聲的目的。
有源降噪具有良好的低頻降噪效果，最適用于控制低頻諧波噪聲，目前主要集中應用在耳機和汽車(chē)等領(lǐng)域。隨著(zhù)有源技術(shù)的發(fā)展，以及螺桿壓縮機噪聲的深入研究，有源降噪將逐步應用到螺桿壓縮機降噪領(lǐng)域。
五、振動(dòng)噪聲發(fā)展趨勢
5.1 轉子材料
?、?轉子材質(zhì)替換。隨著(zhù)非金屬材料性能的改善和加工精度的提高，其良好的減振降噪性能逐漸顯現出來(lái)。在滿(mǎn)足使用要求的情況下，螺桿壓縮機的陽(yáng)轉子可采用金屬鋼芯上注塑非金屬材料的結構，陰轉子采用金屬材料，降低陰陽(yáng)轉子嚙合過(guò)程中產(chǎn)生的機械性振動(dòng)噪聲。
?、?轉子表面處理。在轉子表面噴涂自潤滑封嚴涂層，一方面涂層的封嚴特性可減小轉子間的嚙合間隙，降低齒間容積的泄露通道內流體流動(dòng)誘發(fā)的流體動(dòng)力性噪聲；另一方面涂層的自潤滑特性可降低轉子嚙合的摩擦系數，降低轉子嚙合過(guò)程中產(chǎn)生的機械振動(dòng)噪聲。
5.2 轉子型線(xiàn)
?、?增加轉子齒數。螺桿壓縮機隨著(zhù)轉子齒數的增加，增加了轉子嚙合過(guò)程中的重合系數，使嚙合載荷平均分配在較多的齒面上，減小單位齒面壓力，降低轉子嚙合過(guò)程中產(chǎn)生的機械振動(dòng)噪聲。此外，轉子齒數較少時(shí)，轉子嚙合頻率低，低頻噪聲波長(cháng)較長(cháng)，其衍射能力強，傳播距離更遠，低頻噪聲控制較難；而轉子齒數增多，轉子嚙合頻率向高頻偏移，在傳播過(guò)程中容易被吸收衰減，高頻噪聲容易控制，使壓縮機遠場(chǎng)噪聲值更低。
?、?優(yōu)化齒型設計。在理論研究和實(shí)驗研究的基礎上優(yōu)化轉子的齒型設計，如增大扭轉角增加重合系數，增加嚙合線(xiàn)長(cháng)度減小單位嚙合線(xiàn)上的載荷等措施減小轉子轉動(dòng)過(guò)程中的齒面接觸力，降低轉子嚙合過(guò)程中產(chǎn)生的機械振動(dòng)噪聲，使運行過(guò)程中轉子的振動(dòng)平穩，噪聲穩定。
六、結論
對于螺桿壓縮機的振動(dòng)噪聲問(wèn)題，本文全面地介紹了螺桿壓縮機振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的機理及相應的控制措施。西安交通大學(xué)一直致力于螺桿壓縮機的研究，在螺桿壓縮機熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)計算、轉子型線(xiàn)優(yōu)化、噴油優(yōu)化、排氣氣流脈動(dòng)研究的基礎上，目前對螺桿壓縮機振動(dòng)噪聲的研究也取得了一定的成果，但是振動(dòng)噪聲影響因素眾多，且互相影響，互相制約，給螺桿壓縮機的減振降噪增加了難度，導致理論計算結果與實(shí)驗結果還存在一定差距，工程應用中還沒(méi)有形成系統的減振降噪的設計理論和方法。因此，從理論研究上降低壓縮機振動(dòng)噪聲并應用于實(shí)踐還需要進(jìn)一步的努力。
參考文獻
[1] Jia X, Liu B, Feng J, et al. Influence of an Orifice Plate on Gas Pulsation in a Reciprocating Compressor Piping System[J]. ARCHIVE Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part E Journal of Process Mechanical Engineering 1989-1996 (vols, 2015, 229(1).
[2]邢子文, 束鵬程. 螺桿壓縮機研究進(jìn)展及應用趨勢[J]. 通用機械, 2006(1):22-29.
[3]邢子文. 螺桿壓縮機—理論、設計及應用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2000.
[4]M.P.諾頓.工程噪聲和振動(dòng)分析基礎[M]．盛元生，等譯．北京：航空工業(yè)出版社，1993.
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gas-flow generated noise from twin screw compressors[J].
International Compressor Engineering Conference at Purdue:
West Lafayette, USA, 2000.
[6] 靳春梅，樊靈，邱琦，等. 半封閉螺桿壓縮機降噪研究[J]. 噪聲與振動(dòng)控制，2003(4): 37-38.
[7] 殷玉楓, 張建水. 結構參數對軸承振動(dòng)噪聲的影響[J]. 噪聲與振動(dòng)控制, 2014, 34(1):76-81.
[8] 周明龍,陳文卿,等.一種主動(dòng)衰減螺桿壓縮機氣流脈動(dòng)裝置:中國, 201610965311.0[P].2016-11-04.
[9]Wu X, Xing Z, Chen W, et al. Performance investigation of a pressure pulsation dampener applied in the discharge chamber of a twin screw refrigeration compressor[J]. International Journal of Refrigeration, 2018, 85.
[10] 曹顏玉, 姜來(lái)舉, 王文凱,等. 亥姆赫茲共鳴器衰減壓縮機氣流脈動(dòng)的數值模擬與實(shí)驗研究[J]. 壓縮機技術(shù), 2017(2):9-13.
[11] 劉博想, 馮健美, 王玉莉. 利用亥姆霍茲共鳴器衰減壓縮機閥腔內壓力脈動(dòng)的研究[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報, 2012, 46(5):85-90.
[12]Ermilov M A, Kryuchkov A N, Balyaba M V, et al. Development of a Pressure Pulsation Damper for Gas Pressure Regulators with Account of Operation Parameters [J]. Procedia Engineering, 2015, 106:277-283.
[13] 武曉昆, 陳文卿, 周明龍,等. 雙螺桿壓縮機氣流脈動(dòng)衰減器的研究與開(kāi)發(fā)[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報, 2017, 51(4):23-29.
[14] 馬大猷. 噪聲與振動(dòng)控制工程手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2002.
[16]程雙靈, 李國良, 張秋菊. 螺桿壓縮機噪聲控制的研究[J]. 流體機械, 2007, 35(2):43-45.
[17] 周明龍,陳文卿,楊僑明,邢子文.一種可調頻自適應氣流脈動(dòng)衰減器:中國, 201810860811 .7[P].2018-08-01.
作者簡(jiǎn)介
周明龍，碩士，中級工程師，長(cháng)期從事螺桿壓縮機振動(dòng)噪聲控制新技術(shù)研究。
陳文卿，博士，研究員，長(cháng)期從事螺桿壓縮機新技術(shù)研究。
【壓縮機網(wǎng)】②赫姆霍茲氣流脈動(dòng)衰減腔
赫姆霍茲共振器是聲學(xué)中一個(gè)比較常見(jiàn)的降噪裝置，其主要由短管和腔體組成，如圖5所示，在一定條件下可用其來(lái)消減螺桿壓縮機排氣腔內的氣流脈動(dòng)幅值[9,10,11,12]。
根據赫姆霍茲共振器的結構尺寸可以計算出赫姆霍茲共振器的固有頻率 fr：
式中 c—流體介質(zhì)聲速；
S—短管截面積；
L—短管有效長(cháng)度；
V—腔體體積。
當入射聲波pi的頻率接近赫姆霍茲共振器的固有頻率時(shí)，在赫姆霍茲共振器的短管中產(chǎn)生強烈振動(dòng)，通過(guò)克服摩擦阻力而消耗聲能，從而降低下游聲波的幅值。
基于赫姆霍茲共振器原理，武曉昆等[13]在螺桿壓縮機的排氣軸承座上設計赫姆霍茲氣流脈動(dòng)衰減腔，排氣氣流脈動(dòng)幅值衰減30%以上，氣流脈動(dòng)基頻下的機腳振動(dòng)加速度可降低36.2%-40.9%。
?、?穿孔板脈動(dòng)衰減器
穿孔板脈動(dòng)衰減器結構如圖6所示，其脈動(dòng)衰減機理是穿孔板上每個(gè)穿孔與其對應的腔體組成的系統類(lèi)似赫姆霍茲氣流脈動(dòng)衰減腔，穿孔板脈動(dòng)衰減器可以看成許多赫姆霍茲氣流脈動(dòng)衰減腔的并聯(lián)。
按照馬大猷院士經(jīng)典理論[14]，穿孔板脈動(dòng)衰減器的衰減頻率fMPA可以表示為
式中 c—流體介質(zhì)聲速；
t—穿孔板厚度；
d—穿孔孔徑；
D—穿孔板腔體深度；
P—穿孔率（穿孔面積/全面積100%）。
基于穿孔板設計原理，劉華等[15]針對變頻螺桿壓縮機排氣氣流脈動(dòng)誘發(fā)的氣動(dòng)噪聲設計寬頻帶穿孔板氣流脈動(dòng)衰減器。應用氣流脈動(dòng)衰減器后，在運行轉速3000～4500rpm區間，氣流脈動(dòng)基頻排氣噪聲值下降3.0dBA以上；在排氣噪聲較大的高轉速運行區間4500～5100rpm，排氣噪聲值下降5.0dBA到7.5dBA，實(shí)現了變頻螺桿壓縮機全頻率段的降噪。
4.2 噪聲傳遞路徑隔聲
?、?機殼雙層壁設計
螺桿壓縮機機殼采用雙層壁結構，可以阻礙振動(dòng)噪聲的傳遞，降低壓縮機的整體噪聲。格力，大冷等企業(yè)將機體外殼采用雙層壁結構，減弱噪聲向外輻射的能力，起到隔離噪聲的作用。此外，壓縮機采用液體冷卻方式（如油冷、水冷等），不僅可阻礙噪聲的傳遞，而且采用液冷方式后可取消風(fēng)冷方式的風(fēng)扇，也有助于降低螺桿壓縮機的整體噪聲。
?、?隔聲罩設計
根據螺桿壓縮機的噪聲頻譜特性，設計隔聲罩結構，優(yōu)化隔聲罩的吸聲材料，可以有效降低壓縮機的遠場(chǎng)噪聲。程雙靈等[16]通過(guò)對隔聲罩結構和吸聲材料的優(yōu)化，螺桿壓縮機噪聲下降了近10dBA。
4.3 氣流脈動(dòng)衰減
目前氣流脈動(dòng)衰減與抑制主要針對特定運行工況，當壓縮機運行工況變化較大時(shí)，尤其是變頻螺桿壓縮機變轉速工況，氣流脈動(dòng)衰減裝置的衰減效果減弱甚至消失。為了滿(mǎn)足不同運行工況下氣流脈動(dòng)衰減效果，拓寬氣流脈動(dòng)衰減頻率范圍，往往只能被動(dòng)的采用多個(gè)衰減裝置并聯(lián)或者串聯(lián)，不僅會(huì )犧牲衰減效果，還會(huì )帶來(lái)衰減裝置體積過(guò)大無(wú)法安裝甚至被動(dòng)增加壓縮機體積。因此，根據壓縮機的運行工況和氣流脈動(dòng)特性，自動(dòng)調節氣流脈動(dòng)衰減裝置的衰減頻率，有效降低壓螺桿縮機氣流脈動(dòng)的衰減裝置迫在眉睫。周明龍等[17]等根據壓縮機運行特性設計的一種可調頻自適應氣流脈動(dòng)衰減器將成為一種新的趨勢。
4.4 主動(dòng)減振
在螺桿壓縮機運行過(guò)程中，根據所檢測到的壓縮機振動(dòng)信號，振動(dòng)數據經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)處理，通過(guò)一定的控制策略，驅動(dòng)作動(dòng)器對壓縮機施加外部激勵（如力，力矩等），最終達到抑制螺桿壓縮機振動(dòng)，降低機械振動(dòng)輻射噪聲的目的。目前國內主動(dòng)減振技術(shù)還處于機理的研究階段，離實(shí)際應用還有較大距離。但是基于主動(dòng)減振降噪技術(shù)的良好發(fā)展前景，以及螺桿壓縮機振動(dòng)產(chǎn)生機理的深入研究，主動(dòng)減振降噪技術(shù)將逐步應用到螺桿壓縮機減振降噪領(lǐng)域。
4.5 有源降噪
有源降噪是利用聲波的相消干涉原理，通過(guò)引入電聲裝置產(chǎn)生額外的噪聲源與不希望的原始噪聲進(jìn)行疊加，從而達到降低或者抑制噪聲的目的。
有源降噪具有良好的低頻降噪效果，最適用于控制低頻諧波噪聲，目前主要集中應用在耳機和汽車(chē)等領(lǐng)域。隨著(zhù)有源技術(shù)的發(fā)展，以及螺桿壓縮機噪聲的深入研究，有源降噪將逐步應用到螺桿壓縮機降噪領(lǐng)域。
五、振動(dòng)噪聲發(fā)展趨勢
5.1 轉子材料
?、?轉子材質(zhì)替換。隨著(zhù)非金屬材料性能的改善和加工精度的提高，其良好的減振降噪性能逐漸顯現出來(lái)。在滿(mǎn)足使用要求的情況下，螺桿壓縮機的陽(yáng)轉子可采用金屬鋼芯上注塑非金屬材料的結構，陰轉子采用金屬材料，降低陰陽(yáng)轉子嚙合過(guò)程中產(chǎn)生的機械性振動(dòng)噪聲。
?、?轉子表面處理。在轉子表面噴涂自潤滑封嚴涂層，一方面涂層的封嚴特性可減小轉子間的嚙合間隙，降低齒間容積的泄露通道內流體流動(dòng)誘發(fā)的流體動(dòng)力性噪聲；另一方面涂層的自潤滑特性可降低轉子嚙合的摩擦系數，降低轉子嚙合過(guò)程中產(chǎn)生的機械振動(dòng)噪聲。
5.2 轉子型線(xiàn)
?、?增加轉子齒數。螺桿壓縮機隨著(zhù)轉子齒數的增加，增加了轉子嚙合過(guò)程中的重合系數，使嚙合載荷平均分配在較多的齒面上，減小單位齒面壓力，降低轉子嚙合過(guò)程中產(chǎn)生的機械振動(dòng)噪聲。此外，轉子齒數較少時(shí)，轉子嚙合頻率低，低頻噪聲波長(cháng)較長(cháng)，其衍射能力強，傳播距離更遠，低頻噪聲控制較難；而轉子齒數增多，轉子嚙合頻率向高頻偏移，在傳播過(guò)程中容易被吸收衰減，高頻噪聲容易控制，使壓縮機遠場(chǎng)噪聲值更低。
?、?優(yōu)化齒型設計。在理論研究和實(shí)驗研究的基礎上優(yōu)化轉子的齒型設計，如增大扭轉角增加重合系數，增加嚙合線(xiàn)長(cháng)度減小單位嚙合線(xiàn)上的載荷等措施減小轉子轉動(dòng)過(guò)程中的齒面接觸力，降低轉子嚙合過(guò)程中產(chǎn)生的機械振動(dòng)噪聲，使運行過(guò)程中轉子的振動(dòng)平穩，噪聲穩定。
六、結論
對于螺桿壓縮機的振動(dòng)噪聲問(wèn)題，本文全面地介紹了螺桿壓縮機振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的機理及相應的控制措施。西安交通大學(xué)一直致力于螺桿壓縮機的研究，在螺桿壓縮機熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)計算、轉子型線(xiàn)優(yōu)化、噴油優(yōu)化、排氣氣流脈動(dòng)研究的基礎上，目前對螺桿壓縮機振動(dòng)噪聲的研究也取得了一定的成果，但是振動(dòng)噪聲影響因素眾多，且互相影響，互相制約，給螺桿壓縮機的減振降噪增加了難度，導致理論計算結果與實(shí)驗結果還存在一定差距，工程應用中還沒(méi)有形成系統的減振降噪的設計理論和方法。因此，從理論研究上降低壓縮機振動(dòng)噪聲并應用于實(shí)踐還需要進(jìn)一步的努力。
參考文獻
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[17] 周明龍,陳文卿,楊僑明,邢子文.一種可調頻自適應氣流脈動(dòng)衰減器:中國, 201810860811 .7[P].2018-08-01.
作者簡(jiǎn)介
周明龍，碩士，中級工程師，長(cháng)期從事螺桿壓縮機振動(dòng)噪聲控制新技術(shù)研究。
陳文卿，博士，研究員，長(cháng)期從事螺桿壓縮機新技術(shù)研究。
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