活塞式空调压缩机气流脉动噪声的分析与控制

活塞式空调压缩机气流脉动噪声的分析与控制

1噪声因素分析对冰箱噪声的统计分析表明，复式空气泵的噪声主要来自气流噪声、机械噪声和磁体噪声。在压缩机进行单体噪声源的分析中,压缩机的吸、排气气流动力特性噪声最强;压缩机构件的撞击、摩擦、运动副的旋转、气阀的冲击噪声等机械噪声,带有随机性并呈宽频带特性,很易被其它噪声因素所激发;压缩机的电磁噪声相对于气流噪声和机械噪声相比是较弱的。压缩机的整体噪声实际上是由上述三者综合叠加而成,在实际的分析中是很难分出是哪个因素所引起的,用人耳朵也很难判断,但从试验分析的频谱图中,可以看出不同的噪声源所反映的噪声特征峰是不一样的,各种噪声源所表现噪声频谱图如图1~图3所示。由图可知,机械噪声的波峰频段主要在1800~8000Hz的高频段;气流噪声主要是在630Hz及1800~4000Hz之间有一个突出峰;电机噪声的频段主要是在150~700Hz之间为高峰段。由于影响往复活塞式冰箱压缩机的噪声因素很多,在很多文献中有研究,这里不再详述,本文主要是对气流脉动噪声进行探讨分析。2动脉压缩气在往复活塞式压缩机工作过程中,由电机带动压缩机的曲轴旋转,曲轴带动连杆推动活塞在气缸内作往复运动,实现对制冷系统的制冷剂蒸蒸汽的吸入、压缩、排出、膨胀的周期性工作过程。由于压缩机在每运行一转的过程中要经过吸入,排出的过程,且在每次的吸入和排出过程中是有间隔的,因此,这种每次循环的吸气和排气不连续性产生了气流波动。当高速流动的制冷剂气体从阀组的出口高速喷射出来,与周围的气体激烈混合时产生了喷射噪声。阀口或管口喷射出来的高速气流的外腔的静压低于高压气体的压强,在高速气流周围产生强烈的引射现象,沿气流喷射方向的一定距离内大量气体被喷射气流卷吸进去,从而喷射气体体积越来越大,速度逐渐降低,由此产生气流旋涡。另外当气流中存在障碍物时,由于制冷剂粘滞摩擦力的影响,具有一定速度的气流与障碍物背后相对静止的气体相互作用,就在障碍物下游区形成涡旋的气流,产生了涡流噪声。此种噪声的频率范围约1000~6000Hz。由于压缩机的往复运动促使压缩机的吸排气阀片不断吸排气体,使压缩机在运行过程中的气流不断波动,气流脉动噪声也就无法避免。任何一个压缩机即使没有颤振,也会产生气流脉动。脉动压力的振幅值也与排气期间管道内脉动压力相互作用的程度有关,脉动压力作用的程度取决于压出开始瞬时的活塞速度,因为排出气阀的气体流速和活塞速度成正比,气体流速的大小决定了脉动压力互相作用的程度。振幅值还与排气管路的容量有关,排气管内的压力脉动值还和排气阀的工作状态有关,如果气阀通道的截面积很小或由于弹簧的刚性较大或运动部件质量较大而导致气阀延迟开启,则排气开始瞬时的压力脉动值增大。从图4曲线来看,气阀颤振时其噪声的峰值是比较高的。3脉动气流噪声如前所述,使用往复活塞式压缩机,脉动的气流噪声就不可避免,脉动气流噪声对整个制冷循环引起的危害,主要表现在以下几个方面:(1)由于脉动气流的噪声激发,使制冷剂气体与压缩机的冷冻机油形成冲击,它还会冲击压缩机壳体、高压管及其它一些零件,产生冲击噪声。(2)脉动气流在喷射出管口时,其产生的各段频率与管道、消音盖、壳体、簧等零件的固有频率相同时,就会产生共振,引起共鸣噪声。有时与制冷系统的管道,箱体,底板等部件的固有频率相同时,也会产生共鸣噪声,试验表明,此共鸣频率一般在200~500Hz范围。图5为脉动气流噪音激发外壳噪音示意图。(3)气流的脉动还会通过高压邦迪管将脉动转化为振动向壳体及外接高压管传递,再向制冷器具传递,引起共鸣噪声,造成制冷器具的箱体有很明显的振感,有时还会使制冷器具的隔板,抽屉,搁架等产生“咝咝”的声音,让用户难应接受。(4)气流脉动噪声还会引起管道受力状态恶化而断裂。气流脉动可以显著地表现为高速的气流冲击高压管,使高压管不停地颤动。由于高压管是双层卷焊的邦迪管,极易引起管道在高频颤动下产生裂纹,甚至导致高压管的断裂,影响压缩机的经济性及可靠性。(5)气流的脉动还会引起压缩机排气量的增加或减少,引起某些指示功率增加,使气阀的工作恶化。因压缩机吸排气阀是周期性的开启和关闭,但当受到脉动气流等作用力和反作用力时,就会使气阀受到异常的外力作用,会使气阀的受力发生改变,导致关闭不严产生泄气或气阀的功能降低或丧失,严重时会出现变形或断裂。4通过研究改进气流扰动噪声的方法4.1压缩孔口设置,采用体积和体积来布置于缸面消除往复活塞式冰箱压缩机的气流脉动噪声的有效方法,就是在压缩机的吸气部位和排气部位设置缓冲消音腔,吸排气消音腔的大小决定了对脉动气流的衰减程度,吸排气缓冲容器做得尽可能大,且尽可能离气缸近,这样脉动压力振幅值就会降低,伴随的功率损失也较小,相反压力振幅值增大。在排气管道中安放缓冲腔容积的大小和安放位置对管系气柱固有频率的大小都有影响。通常有两种安装方法,一种是在缸面紧挨着气缸而设置,如图6所示,这可以有效的降低排气通道的压力脉动,但此方法是要增大缸面的面积,使缸面的螺钉受力不好分布,消音腔的容积不能做大,而且缸面增大导致气缸孔的中心高太高,使曲轴的偏心轴受力力臂较大,而产生很多副作用,对压缩机的可靠性还存在隐患。此方法只适用于很小排气容积的压缩机使用。目前最常用的方法是采用п字形布置,此种方法较前者离气缸距离稍许远一点,但此种布置有很多好处,可以将气缸孔做大很多,不受缸面面积的限制,可以按п字形设置串联的两级排气消音室,每个容腔可以做得较大。试验证明,当排气消音腔的容积比气缸容积至少要大10倍,安装位置又足够靠近汽缸,气流缓冲的效果就很明显,过滤声波效果就好,当气阀全开时,流入后续管道的气流就足够平稳。一般来讲,п字形结构是两个排气缓冲腔,但目前行业中也有较多使用一个缓冲消音腔,如果缓冲器的总容积较大也是可以消除管路内的压力脉动,达到较理想的效果,见图7。4.2缓冲消音腔和高压盘管联合从气缸排出的制冷剂气体经过排气缓冲消音腔进行缓冲滤波后,其高压气体的脉动状态大为降低,但是,气体压力的波动值仍十分不稳定,仍需要经过一段高压盘管继续进行滤波。管系气柱固有频率取决于管道的配管方式、长度、通流面积以及制冷剂的压力和温度等。改变管系气柱的固有频率避开共振的最简单的方法是改变管道长度或形状,通过高压盘管不仅能改变管系的气柱固有频率,而且可以降低气流脉动的幅值。通过设置缓冲消音腔和高压盘管两者联合可以达到以下的目的:(1)脉动气流通过衰减器后,剩余的压力不均匀度降到允许的范围内;(2)压力损失不超过平均的压力的1%;(3)缓冲消音腔出,入口处应是无反射端,以避免在缓冲消音腔内似及在管道中产生驻波。由于气流脉动的存在,在排气管道中的压力脉动对功率消耗的影响比吸气管道中压力脉动对功率消耗的影响要强烈的多。4.3降低压力、缓和脉动气流在排气高压盘管中端加装缓冲器有益于对高压脉动气流的滤波衰减作用,形状见图8。通过这个小容腔进行缓冲后,高压的脉动气流就得以缓和,但此时的压力仍然较高,再通过后段的高压盘管进行降低压力,使脉动的高压气流得以平缓,然后再从另一端的小口径盘管流出,压力进一步地降低,使脉动的气流更进一步的缓和,最后再进入到冰箱系统的管道中时,带给器具的脉动将大大减少,从而减少了脉动气流噪声的传递。4.4无排气缓冲器的噪声往复活塞式压缩机在排气时,会产生一个很大的冲击,它会冲击阀座产生很强的噪声,其频率特性表现在2000~4000Hz频段,这个声音是人耳感觉最敏感的区域,也是质量反馈中最大的一个故障点。为了消除此频段的噪声,可在压缩机的排气通道上设置缓冲器,此缓冲器具有弹性和韧性,完全可以承受脉动气流的高速冲击,延缓冲击排气阀片拍打阀座的力度,使阀片的撞击噪声大大降低,同时还可以降低脉动气流和拍打阀座两固有频段的激发共振。通过试验得知,无排气缓冲器的噪声的频段高峰值在2500~3150Hz,整机噪音为42.7dB;而采用了排气缓冲装置后,压缩机在2500~3150Hz频段的噪声明显降低,试验整机噪音为36.6dB,噪音降低效果相当明显。4.5排气缓冲腔设计气流脉动的基频总是与气阀开启的频率相一致。当气阀开启频率与吸排气系统中的气体谐振频率相同时,响应幅值以及一些有害的响应,如噪声、流动的能量损失等都将变得显著起来。除共振外,气流脉动的幅值大小随排气阀后或吸气阀前紧挨的一段容积大小而变化。通过加大与气缸容积相邻的气腔容积可以改变其响应的幅值和频率,避免共振。为此,设计工程师便利用压缩机上闲置的容积稍作变更让它作为排气缓冲腔,扩大了排气消音腔的容积,使刚排出的高压脉动气体得到缓冲,减少了脉动气流的噪声及其传递。如图9所示,在气缸的一边有两个原有排气消音缓冲腔,而在气缸另一边的有个容腔,原本作为吸气缓冲腔,可是由于被塑料消音腔所替代,所以未被使用,通过将此腔与另两个排气缓冲腔进行连接,使消音腔的容积增大了50%,可以使压缩机的噪声比原噪声减少1~2dB。当然设置较多的缓冲腔有助于脉动气流的缓冲衰减,但也会增加气流流动阻力,这两者是相互矛盾,需要在实际运用中酌情采用。5对结构和工作原理进行优化在冰箱活塞式压缩机的应用上,还有一些有效的方法进行可以避免气流脉动噪声的传递和激发。目前主要采用的方法有:(1)使用PBT工程塑料吸气腔。因PBT工程塑料是一个较好的吸音材料,可以在吸气缓冲时吸附较强声波,减少脉动的吸气气流向外部系统的吸气管道传递噪音。(2)对吸排气阀组的结构进行优化,减少气流流道结构上的尖角。气流在吸气部位及排气通道上的锐角处易产生涡旋噪音。(3)对吸排气阀片的有效力臂进行优化,减少阀片的延迟关闭和阀片的颤抖现象,阀片的形状和厚度及阀舌的长短要合理配置,这个对于压缩机的高频噪音来说至关重要。(4)改变支承簧的载荷位移量,减少簧的自振和激振。(5)改变壳体的形状和厚度,避开气流脉动共振频段,防止壳体及其它零件的频率响应。(6)将排气缓冲腔设置成卧式结构,可以达到好的消音效果。气流脉动噪声是往复活塞式压缩机噪声源的一个重要方面,有效解决压缩机的气流脉动噪声就可以解决由此引起的一系列问题,诸如高频噪声,共鸣噪声,管道共振,系统气流喷发噪声等。气流脉动噪声与压缩机的高频噪声紧密联系在一起,两者不能孤立地对待,解决气流脉动噪声可以很好地缓解高频噪声的影响,就可以与制冷系统的匹配达到较为理想的效果。6压缩机噪声由于目前往复活塞式压缩机的结构及声源极其复杂,而且压缩机的声源影响因素很多,如吸排气压力大小、制冷剂入口速度、制冷剂入口的温度、压缩机壳温等等,而这些参