旋转压缩机止推噪声产生机理分析及试验研究

陈 辉，赵旭敏，叶晓飞，王 伟，竺宁凯

( 珠海格力电器股份有限公司，珠海 519000 )

旋转压缩机止推噪声产生机理分析及试验研究

陈 辉，赵旭敏，叶晓飞，王 伟，竺宁凯

( 珠海格力电器股份有限公司，珠海 519000 )

结合旋转压缩机噪声频谱及声强扫描图谱特性，确定了止推噪声频段主要集中在压缩机泵体底部。通过流场仿真分别计算出压缩机电机上下腔的压力脉动幅值，从而得出转子上下端面气体力差值峰值大小，确定了气体力差值可引起转子轴向跳动，导致曲轴上下止推面碰撞轴承端面，产生止推噪声。本文提出了一种旋转压缩机低噪声综合设计方案，并通过试验对该低噪声综合设计方案进行了验证和分析，测试结果表明，方案合理可行，有效防止了旋转压缩机止推噪声的产生且降低了压缩机噪声总值。

压缩机；止推噪声；频谱；流场

Abstract：The paper comes to a conclusion that the thrust noise is mainly concentrated in the bottom of the compressor pump body through the speciality of the sound power spectrum and sound intensity scanning atlas.The main reason of the gas physical difference of the rotor upside face and bottom face is that the pressure pulsation amplitude on the compressor moter upside chamber and bottom chamber.The gas physical difference is big enough which can cause the rotor moving up and down.The thrust noise is produced by the bent axle and the bearing colliding with each other.The paper provides a scheme of compressor low-noise designing，and the noise spectrum of the low-noise designing compressor is tested and analysed.The test result showed that this scheme is reasonable and feasible，which can prevent the thrust noise producing and reduce the total cost of the compressor noise.

Keywords：Compressor；Thrust noise；Frequency spectrum；Flow field

0 引言

随着人民生活质量的提高，作为现代生活高质量标志之一的空调器，其噪声大小及听觉感受越来越受到人们的重视，压缩机作为空调的主要噪声源，噪声的高低已成为衡量压缩机质量及空调器品质的一个重要指标，压缩机低噪声设计已成为各大企业和科研机构研究的重点[1-2]。

压缩机工作原理导致产生气流脉动和机电噪声，将声学知识与压缩机的工作原理相结合，对压缩机噪声的大小、特性及分布进行精确的测量分析，针对不同频率的噪声成分，设计合适的消音方案，是压缩机低噪声设计的基础[3]。

本文通过对旋转压缩机噪声频谱、声强扫描图谱精确的测量和分析，并结合其工作原理进行严谨的流场仿真计算，找出了出现止推噪声的旋转压缩机止推噪声产生的机理及规律，提出了一种旋转压缩机低噪声综合设计方案，并进行了试验验证，试验数据及音质评估表明，方案合理可行，有效防止了旋转压缩机止推噪声的产生且降低了压缩机噪声总值。

1 止推噪声特性

压缩机的噪声分析要将声学知识与压缩机的工作原理相结合，才能取得更有效的研究结果。压缩机噪声中包含有不同频率的噪声成分，尽管噪声的声功率级大小可以相同，但其频率分布却可以完全不同，因此，为了分析压缩机噪声的声源和寻找合适的消减噪声方法，有必要对噪声频谱及声强扫描图谱的特性进行分析[4-5]。

1.1 噪声频谱分析

为准确获得出现止推噪声的旋转压缩机噪声频谱，更好的分析声源特性，找到主要峰值声源，噪声频谱测试方法采用半球面10点法，如图1所示，10个传声器按照图1所示布置，同时测试10个传声器声压级，通过LMS噪声测试软件计算声功率频谱。

完成噪声数据采集后，利用LMS噪声测试软件计算导出的声功率频谱如图2所示。由图2可以看出声功率频谱低频段峰值比较密集，800～1000Hz频段峰值异常突出，峰值频率在1000Hz左右，并且测试过程中压缩机伴随不连续噪声异响。

1.2 声强扫描图谱分析

为更好的确定异响峰值声源，通过声强扫描识别出异响峰值声源主要集中在压缩机泵体下部位置，如图3所示。旋转压缩机的主要噪声源主要为空气动力噪声(制冷剂气体流动以及密闭机壳中形成的气柱等引起的气流脉动性噪声)、机械噪声(压缩机各零部件碰撞、敲击、摩擦、共振以及壳体振动产生的机械噪声)及电磁噪声[6]。结合噪声频谱、声强扫描谱及音质评估，基本断定为机械撞击噪声，即曲轴轴向跳动引起曲轴止推面碰撞轴承端面产生不连续撞击声。

图1 半球面10点法示意图

图2 声功率频谱

图3 声强扫面图谱

2 止推噪声产生机理

2.1 流场仿真计算

为找出曲轴上下跳动的原因，研究该止推噪声的产生机理，利用Fluent软件仿真计算相同吸气压力下，不同排气压力时压缩机电机上下腔的压力脉动大小，从而计算转子所受气体力大小，图4为仿真计算网格模型示意图。

图4 计算网格模型示意图

边界条件设定：压缩机上轴承排气口设为速度入口，上盖排气管出口设为压力出口；排气压力3.35MPa/2.95MPa，吸气压力0.996MPa，压缩机电机上下腔气体压力脉动曲线计算结果如图5所示，其中红线对应排气压力3.35MPa时的电机上下腔压差，蓝线对应排气压力2.95MPa的上下腔压差。

由图5可以看出，电机上下腔气体压力脉动较大，幅值在-15000～13000Pa左右，下腔压力峰值较上腔压力峰值大2000Pa，且吸气压力相同的情况下，排气压力越大，则电机上下腔气体压力脉动越大。

图5 电机上下腔气体压力脉动曲线

图6 转子轴向受力示意图

2.2 转子受力分析

旋转压缩机运行过程中，转子轴向受力成分主要由气体力和重力组成，转子轴向受力示意图如图6所示，由于压缩机电机上下腔气体压力为周期性脉动变化，故转子上下端面所受的气体力也同样为周期性变化，且电机上下腔气体压力脉动越大，转子上下端面所受的气体力波动也越大，由于电机下腔的气体压力大于电机上腔的气体压力，故转子所受的气体力合力方向向上，与重力方向相反，当转子下端面的气体力与上端面的气体力差值大于转子和曲轴(连接在一起)重力之和时，则会出现转子上下跳动的现象。

其中气体力依据公式F=PS计算得出，F-气体力，P-压差，S-受力面积，重力由G=Mg计算得出，G-重力，M-质量，g-重力系数。依据压缩机电机上下腔气体压力脉动曲线计算结果得出转子上下端面所受气体力脉动曲线如图7所示。

图7 转子轴向受力示意图

图中深色线对应排气压力3.35MPa时的转子上下端面气体力脉动曲线，淡色线对应排气压力2.95MPa时的转子上下端面气体力脉动曲线。由图7可以看出，转子上下端面所受气体力幅值波动较大，在-53.2～44.5N左右，下端面气体力峰值较上端面气体力峰值大8.7N，且吸气压力相同的情况下，排气压力越大，则转子上下端面气体力差值越大，该旋转压缩机转子和曲轴的质量总和大小M为0.75kg，故重力大小G为7.35N，方向朝下，由于气体力峰值差值F最大为8.7N，方向朝上，转子轴向合力为1.35N，方向朝上，故转子上下端面气体力峰值差值F可导致转子与曲轴轴向跳动，旋转压缩机电机上下腔体压力脉动幅值较大是压缩机止推噪声产生的根本原因。

3 低噪设计及试验分析

结合旋转压缩机声功率频谱和声强扫面图谱分析得出压缩机止推噪声由曲轴轴向跳动引起曲轴止推面碰撞轴承端面产生，经流场仿真计算发现压缩机电机上下腔体气体压力脉动较大，转子上下端面所受的气体力差值大于转子与曲轴的重力之和，导致转子与曲轴轴向跳动碰撞轴承端面。

3.1 改进方案

为解决旋转压缩机止推噪声问题，重点在于减少压缩机电机上下腔的压力脉动幅值，增强压缩机工作时轴系的稳定性。

由流场仿真计算可知，压缩机电机下腔压力峰值较大，为降低电机下腔压力脉动，缩小电机下腔与上腔的压力峰值差值，故制定出压缩机电机整体向上抬高、同时转子增加流通孔方案，如图8所示。

图8 改进方案示意图

旋转压缩机低噪声设计过程中，压缩机电机整体向上抬高，即适当减少尺寸A，增大尺寸B，使压缩机电机上下腔空间大小更加合理，防止压缩机电机上下腔体气流脉动产生气体湍流，降低气流脉动性噪声，同时电机转子设置流通孔，增大气体流通路径，减少气体流通阻力。

通过上述方案，减少了压缩机电机上下腔体压力脉动和转子上下端面气体力波动幅值，可有效缩小转子上下端面所受的气体力差值，防止转子与曲轴上下跳动，产生止推噪声。

3.2 试验及分析

同样采用半球面10点法进行噪声数据采集，低噪设计方案压缩机声功率频谱测试结果如图9所示，且测试过程中压缩机不连续噪声异响消失。

图9 声功率频谱

由图9与图2对比得出，低噪设计方案压缩机较原设计方案压缩机声功率频谱在800～1000Hz频段峰值降低4～5dB左右 ，低频段噪声峰值异常突出问题改善明显，且噪声峰值频率在5000Hz左右，音质评估电磁与气流噪音占主导，机械撞击噪声消失。

对噪声总值对比发现，低噪设计方案压缩机各频率下噪声总值较原设计方案压缩机降低2～3dB左右，对比结果如图10所示，从声功率频谱和噪声总值对比发现，低噪设计方案有效减少了压缩机电机上下腔的压力脉动幅值，防止转子与曲轴上下跳动，产生止推噪声。

图10 噪声总值对比

4 结束语

(1)采用半球面10点法测试采集出现止推噪声的旋转压缩机噪声数据，确保了声功率谱的准确性，通过对压缩机声功率谱和声强扫面图谱的严谨分析，断定了曲轴轴向跳动引起曲轴止推面碰撞轴承端面是压缩机止推噪声产生的主要原因。

(2)通过流场仿真计算，确定出现止推噪声的压缩机电机上下腔体气体压力脉动较大，转子上下端面气体力峰值合力大于曲轴与转子的重力之和，且方向相反，从而引起曲轴转子上下跳动。。

(3)提出了一种压缩机低噪设计方案，经试验得出该低噪设计方案合理可行，有效防止了压缩机止推噪声的产生，且压缩机噪声总值有所降低。

[1] 仇颖，李红旗.全封闭制冷压缩机噪声研究的现状与特点[J].家电科技，2005，(12)：48-50

[2] 李祥松，贾光，周亚辉.滚动转子式压缩机噪音分析与降噪措施的探讨[ J].中国工程机械学报，2009，7(1)：105-108

[3] 马国远，李红旗.旋转压缩机[M].北京：机械工业出版社，2001

[4] 周易，蒋伟康，肖宏强.转子压缩机外壳的辐射噪声特性辨识[J].家电科技，2013，(8)：53-55

[5] 朱雄云，李双，王安柱.旋转压缩机低频噪声源识别及噪声抑制[J].苏州大学学报，2009，29(1)：16-18

[6] 王鑫，王飞，刘伟彤，等.空调常见噪声及解决措施的探讨[A].中国家用电器技术大会论文集，2013：274-276

AnalysisandExperimentalStudyforProductionMechanismofInverterCompressorTrustNoise

CHEN Hui，ZHAO Xumin，YE Xiaofei，WANG Wei，ZHU Ningkai

( Zhuhai Gree Electrical Appliances Co.，LTD，Zhuhai 519000，China )

2016-11-29；

2017-2-27

陈辉(1986-)，男，助理工程师，研究方向：压缩机设计。E-mail：583770910@qq.com

ISSN1005-9180(2017)03-024-05

TB652文献标示码A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.03.005