螺杆式制冷机组振动噪声特性分析

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(1. 海军驻431厂军代表室，辽宁 葫芦岛 125004；2.武汉第二舰船设计研究所，武汉 430064)

螺杆式制冷机组因其结构简单、紧凑、易损件少、使用可靠，且在高压缩比工况下仍能保持较高的输汽系数和较低的排气温度，在空调冷水系统中得到了广泛的应用[1]。由于螺杆式压缩机转速和运行功率高，使螺杆式制冷机组成为重要的系统振动噪声源[2]，其振动和噪声对周围环境和工作人员产生不利的影响，因而对螺杆式制冷机组振动和噪声的控制引起了人们的重视。当前对螺杆式制冷机组振动噪声特性的研究多集中于对螺杆式制冷压缩机振动噪声特性的研究[3-6]，而缺少制冷压缩机安装于机组后对机组总体振动噪声特性的系统研究。因此，考虑以某型螺杆式制冷机组为例，通过理论研究和试验测试，对制冷机组振动噪声的产生机理、频谱特性、传递路径等进行综合分析。

1 机组组成及其振动噪声特性

1.1 机组组成

螺杆式制冷机组由两台半封闭螺杆式制冷压缩机、一台组合式冷凝器、一台组合式蒸发器、一个底部机架等部件组成，见图1。制冷压缩机通过减振橡胶垫安装于冷凝器、蒸发器支架上，压缩机进排气管路与机组蒸发器、冷凝器之间为刚性连接；冷凝器、蒸发器刚性安装在机组公共底部机脚上；机组侧向采用减振器与背向基座连接，机组底部刚性安装于地基基座上。

图1 螺杆式制冷机组组成示意图

1.2 机组振动噪声分析

螺杆式制冷机组振动和噪声主要来源于机组唯一的运动部件——制冷压缩机。制冷机组产生的噪声主要有气流噪声、耦合噪声、电机噪声。

1) 气流噪声。由于制冷介质在压缩机中周期性吸入-压缩-排出，当螺杆压缩单元内的制冷介质与排出管道相通时，由于二者之间的压差，会导致气流的喷注噪声的产生。

2) 耦合噪声。在压缩机的排出管道，气流压力高、流速快，在气流流态发生改变的地方(如弯头等)，气流与管道产生相互作用，诱发耦合噪声。

3) 电机噪声。种类繁多，主要有①电机轴承本身结构、制造和安装偏差而导致的轴承噪声；②径向交变的电磁力激发的电磁噪声。

制冷机组中，压缩机是机组的主要振动源，引发振动的主要原因如下。

1) 动不平衡。制冷机组中，压缩机转子螺杆及其联接轴的动不平衡会对机组的振动产生较大的影响。

2) 螺杆的啮合。当压缩机做功时，阴阳螺杆转子高速啮合，对制冷介质压缩做功。在这一过程中，压缩制冷介质力的周期性变化通过气固耦合作用传递给螺杆，再经过支撑部件传递给机组。

3) 管道的耦合振动。在制冷介质的高压输送管路，存在着较强的制冷介质与管路之间的相互作用，引发管路的振动，从而导致机组的振动。

1.3 传播途径

螺杆式制冷机组噪声传播途径为：压缩机→隔声罩→舱室；其振动传播途径为：压缩机→压缩机机脚和进排气管路→冷凝器、蒸发器→设备底部机架→地基基座。

1.4 机组振动噪声测试

通过试验测试，可以获得螺杆式制冷机组的振动和噪声频谱特性，结合理论分析和机组的运行方式、结构特点等，就能全面掌握机组的振动噪声特性，为机组的振动噪声控制提供客观的依据。

螺杆式制冷机组振动噪声测试布置如图2，振动测试布置于机组机脚、压缩机机脚和压缩机进排气管法兰上，噪声测点布置于距离机组包络面1 m的中心高度处，分别采用振动加速度计和传声器测量机组的振动和噪声。

图2 螺杆式制冷机组振动噪声测试布置

通过测试，得到螺杆式制冷机组典型的机脚振动加速度峰值谱和辐射噪声声压峰值谱，见图3。

图3 螺杆式制冷机组振动噪声峰值谱

从螺杆式制冷机组振动噪声的峰值谱曲线可以看出，制冷机组的振动噪声特性与螺杆压缩机的运行特性密切相关，机组的振动噪声频谱具有显著的相似性，呈现出明显的离散频率峰值。该离散频率峰值多分布在压缩机的轴频、倍频及转子的啮合频率等处。这表明机组的振动噪声很大程度上决定于压缩机转动的动平衡、转子啮合、进排气脉动以及轴承支撑等状态。机组加速度的测试数据表明，压缩机机脚和压缩机进排气管法兰上的振动加速度级远大于机组机脚的振动加速度级(高20～30dB)，因此，要控制机组的振动噪声必须从控制螺杆压缩机及其传播路径上的振动噪声入手。

2 控制措施

1) 优选振动噪声水平低的螺杆压缩机，从源头降低机组的振动噪声。

2) 为压缩机选择合适的减振器，把压缩机的安装方式改为弹性安装形式，减少压缩机振动沿机组支架的传递。

3) 在压缩机进排气口增装金属减振接管，减少压缩机振动沿管路的传递。

4) 增强机组底座的刚度，根据底座的模态计算结果，适当增加底座材料厚度。

5) 从增加密封性和内壁吸声性能的角度设计压缩机隔音罩，提高隔音罩的隔音效果。

6) 机组内部支架结构敷设阻尼材料，抑制结构件振动的传递。

7) 优化机组制冷管系的布置，防止管路的“声短路”。

3 结束语

由于螺杆式制冷机组振动噪声的复杂性，文中应用理论分析和试验测试两种研究方法分析螺杆式制冷机组振动噪声源及传递路径特性，并据此提出相应的控制措施，可为此类制冷机组的振动噪声控制提供指导。在后续的工作中，还需结合机组振动噪声控制措施的应用测试，开展机组振动噪声特性与其控制措施的针对性定量研究。

[1] 陈仲智.螺杆式制冷机的应用技术[J].制冷设备,1994(3):20-22.

[2] ASHRAE.ASHRAE handbook-2007 HVAC applications[M]. Atlanta American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers, Inc.2007.

[3] 卜啸华. 螺杆制冷压缩机的噪声分析及其对策[J].制冷,1994(1):37-42.

[4] 张为民,王 珺.螺杆制冷压缩机噪声的研究[J].低温与特气,2001(4):32-33.

[5] 邱 琦,曹永建,刘 辉.螺杆制冷压缩机噪声解决实例分析[J].低温与特气,2003(8):19-20.

[6] 靳春梅,樊 灵,邱 琦,等.螺杆制冷压缩机振动噪声研究综述[J].流体机械,2002(10):60-62.