不同类型扩压器对离心式压缩机结构振动与辐射噪声影响的试验研究*

李宏坤 周 帅 张晓雯/大连理工大学机械工程学院振动工程研究所

李秀刚/沈阳鼓风机集团股份有限公司

不同类型扩压器对离心式压缩机结构振动与辐射噪声影响的试验研究*

李宏坤 周 帅 张晓雯/大连理工大学机械工程学院振动工程研究所

李秀刚/沈阳鼓风机集团股份有限公司

0 引言

扩压器是离心压缩机静止件中不可或缺的部件，扩压器是由叶轮出口两侧隔板组成的环形通道，结构形式主要有无叶扩压器和叶片扩压器[1]。无叶扩压器是由隔板两个平行光滑的壁面构成的环形通道，通道截面为一系列同心圆。当气体流经无叶扩压器内时，方向角通常是不会改变的，因此其具有比较宽的稳定工况范围、平坦的性能曲线等优点。无叶扩压器结构简单、加工容易，但是气体流经无叶扩压器时流程远，摩擦后损失会比较大。叶片扩压器是通过按着圆周在无叶扩压器的平行光滑的壁面内均匀布置一定数量的叶片而组成，气体流经叶片扩压器内时，气流方向由叶片决定，所以流动状况好、流动损失相比较而言是很小的。与无叶扩压器相比，叶片扩压器的效率在设计工况运行时比较高（大概能达到35%）。这种扩压缩器结构紧凑、外径尺寸小，最佳工况点的效率比较高。但是也存在稳定工作的范围窄，在压缩机工况调节流量减少时，发生旋转脱离时，叶片扩压器相对来说容易造成压缩机的喘振。本文通过试验研究不同类型扩压器对压缩机压力脉动、振动以及辐射噪声的影响。

1 压缩机性能试验

压缩机简单示意图如图1。其主要组成部分为电动机、齿轮箱、扩压器、叶轮以及进口导叶，齿轮箱传动比为11.419。

试验是为了验证不同类型扩压器对压缩机的压力脉动、振动与声强的影响，在试验过程中所选的压缩机扩压器分别为全高叶片扩压器、楔形叶片扩压器、无叶扩压器以及半高叶片扩压器，扩压器类型见图2，扩压器出口的压力脉动受到扩压器的影响较大，而扩压器进口以及叶轮进口基本不受扩压器影响，因此本文将主要针对扩压器出口处的数据进行分析。

本次试验的试验对象为沈鼓φ200模型级试验台，其叶轮直径为240mm，叶片数为13。试验过程中，在压缩机模型级试验台的试验中，取4个不同流量的测点，由于扩压器类型不同以及喘振等因素，不可能保证每次试验中对应的流量点相同，因此将4个流量点粗略描述如下：

测量点1：第一流量点（最大流量点）；

测量点2：第二流量点（设计流量点）；

测量点3：第三流量点（介于设计流量与最小流量之间一选定流量点）；

测量点4：第四流量点（最小流量点）。

试验过程中，在不发生喘振的情况下，最小流量点尽量接近喘振点，最大流量点和设计流量点尽量接近设计值。电机转速2 412r/min，转化成叶片通过频率约为5 967Hz，试验过程中马赫数为1。试验中对叶轮扩压器出口的压力脉动信号(PP)、机壳和管道的振动速度信号和声强进行了采集。试验台结构图见图3，传感器安装图见图4。

2 试验设备介绍

压力脉动试验中采用的采集设备为PCB106A传感器、NI PCI4472高速数据采集仪以及北京东方所的DASP数据采集软件。PCB为美国知名传感器厂商产品，精度较高，见图5。美国国家仪器（NI）是美国一家从事与测试、控制、设计领域相关的著名公司，其NIPCI4472数据采集卡为一块8通道数据采集卡，具有24位分辨率，110dB动态范围，最高采样频率可达10.24kHz。

DASP为北京振动与噪声技术研究所开发的软件。利用NI公司的DAQ-mx作为NI4472的软件驱动，配合东方所DASP数据采集软件可对速度、加速度、位移、转速声压的信号进行采集。声强测试试验采用北京东方所的DASP测试软件的声学平台进行数据采集和分析，噪声测试平台可对声强、声压以及环境噪声品质进行测试以及后续处理。声强传感器采用INV9212型ICP声强传感器，其主要由两个传声器、隔离柱手柄支架以及导线组成见图6，两个声传感器的灵敏度分别为45.9mv/Pa和48.5mv/Pa。其中隔离柱的长度为25mm，根据手册可知其频率响应范围为80Hz～25kHz，基本包括噪声测试所需的频率范围，数据处理过程中设置1/3倍频程以及A计权。同时对压缩机尺寸进行测量压缩机主要部件大约为长180cm，高120cm，声强测量网格划分见图4（d），网格长度为30cm，高为20cm，一共有6×6个网格，测量过程为依次从上到下，从左到右对36个点进行测量。测量时整体网格距离压缩机约为1m，压缩机关键部件在网格上的投影见图4（d）。

3 压力脉动及数据分析

3.1压力脉动频谱分析

声压传感器分别安装在叶轮进口、扩压器进口以及扩压器出口处，经分析可知压力脉动值受扩压器影响最大的点在扩压器出口处，因此着重对扩压器出口处的压力脉动数据进行分析。图7～图10为不同扩压器在设计流量点出口的压力脉动数据的时频域分析图。

3.2数据分析

对压力脉动时频图分析可以看出扩压器出口压力脉动的主要分量为叶片通过频率，因此选择叶片通过频率处压力脉动幅值作为评价扩压器对压缩机压力脉动影响的指标，图11为各个扩压器对应压力脉动的数据对比。

从压缩机出口的压力脉动幅值可以看出，在设计流量下（第二流量点）总体的压力脉动幅值从大到小依次为全高扩压器、无叶扩压器、楔形扩压器以及半高扩压器。对比全高扩压器和楔形扩压器，除最大流量点（第一流量点）外，楔形扩压器出口的压力脉动幅值都小于全高扩压器，在设计流量点（第二流量点）处其压力脉动幅值甚至小于无叶扩压器，能够有效降低压力脉动。对比无叶扩压器和半高扩压器，除去最小流量点（第四流量点）外，其压力脉动幅值都比无叶扩压器小。

4 振动数据分析

4.1振动信号频谱分析

不同扩压器对压缩机压力脉动产生影响的同时会对压缩机振动产生一定的作用。本文分别对压缩机的机壳以及管道的振动进行了数据采集和分析。图12至图15为不同扩压器对应的压缩机出口管道处，设计流量时振动速度时频域分析图。

4.2数据分析

由图12到图15的数据分析可知叶片通过频率处已不再是管道振动的主要分量，较低的频率主要为机械传动以及与管道支撑相关。因此本文在考虑叶片通过频率的同时，也对振动的有效值进行了分析。图16～图18分别为机壳叶片通过频率处振动幅值、出口管道叶片通过频率处振动幅值以及出口管道振动有效值数据对比。

由图16可以看出，全高扩压器的振动幅值在所有流量点都大于其他扩压器，在第一流量点楔形扩压器、无叶扩压器振动幅值相差不大。

由图17数据对比可得全高扩压器在第二流量点和第三流量点管道振动幅值普遍高于其他扩压器，在最大流量点和第三流量点楔形扩压器与半高扩压器以及无叶扩压器振动幅值相近。

由图18可以看出，在最大流量点以及设计流量点楔形扩压器所对应的管道振动有效值小于全高扩压器所对应的管道振动有效值，并且与无叶扩压器以及半高扩压器水平相近。比较半高以及无叶扩压器数据可发现无叶扩压器无明显优势，整体振动水平与半高扩压器持平。

5 声强分析

最后对整个网格中的声强进行了整体分析[2]，数据分析过程中采用A计权以及1/3倍频程分析[3]。图19到图22分别为当压缩机装配有全高扩压器、楔形扩压器、无叶扩压器以及半高扩压器时，在设计流量点的整体声压分布。

从分析结果看出，无论压缩机装配何种扩压器，其噪声强度较大的位置总为管道和叶轮的投影处。对各组数据进行对比可得，总体的声压水平从大到小依次为全高扩压器、楔形扩压器、无叶扩压器以及半高扩压器。

6 结论

该研究以某离心式压缩机模型级试验台为研究对象，对四种不同类型的扩压器（即全高叶片扩压器、半高叶片扩压器、无叶扩压器以及楔形叶片扩压器）进行实验研究，并分别对安装四种不同类型扩压器的压缩机进行压力脉动测试、振动测试和声强测试。

通过对叶轮进口、扩压器进口以及扩压器出口进行压力脉动测试以及对机壳和管道的进行振动测试，对比四种不同类型扩压器的数据结果显示：在设计流量点附近可以得到全高扩压器与楔形扩压器的各项指标差距不大，但远优于半高扩压器和无叶扩压器，而楔形扩压器的压力脉动、机壳和管路振动等指标要优于全高叶片扩压器；无叶扩压器和半高扩压器在压力脉动幅值、振动幅值以及振动有效值等指标优于楔形叶片扩压器；对比半高叶片扩压器和无叶扩压器，在设计流量点附近，在压力脉动幅值、振动幅值以及振动有效值等指标优于无叶扩压器，在某些非工况调节的特定场合，相比无叶扩压器，半高扩压器更具优势。在工程应用时侧重点不同，综合考虑性能和振动指标时，选择楔形扩压器有一定的优势。

通过对安装有不同扩压器的压缩机进行声强测试，并对声压信号进行处理，处理结果显示在频谱分析以及倍频程分析中，压缩机安装有全高扩压器以及楔形扩压器的辐射噪声参数相近，在整体声强分析中安装楔形扩压器的压缩机辐射噪声水平比安装全高扩压器时略低。当压缩机安装有半高以及无叶扩压器时，其辐射噪声性能较好，并且半高扩压器时辐射噪声水平要优于无叶扩压器。

从分析可以看出，尽管是同一个叶轮，安装不同的扩压器压缩机组的性能、辐射噪声和结构振动都有明显的影响，因此在今后的设计中要根据不同的需求进行优化设计。

[1]黄钟岳，王晓放.透平式压缩机[M].北京：化学工业出版社，2004．

[2]郭金泉，杨晓翔，陈仲波.6HHE-VE6型压缩机辐射噪声三维声强试验分析[J].压缩机技术，2006（1）：10-12，9.

[3]甘长胜，孟昭朋，林泽安，等.压缩机噪声测量的声强法研究[J].流体机械，1997，25(11)：7-9．

：扩压器是离心压缩机中的重要部件之一，不同类型的扩压器对压缩机的各方面性能影响很大。本文以MCL离心压缩机为研究对象，分别选取了全高叶片扩压器、楔形扩压器、半高叶片扩压器和无叶扩压器4种扩压器，在φ200模型级试验台上，开展了在不同流量下，不同扩压器对压力脉动（PP）、振动和声强影响的试验，获得不同类型的扩压器对结构振动与辐射噪声的影响的结果，选择楔形扩压器更具有优势，为离心压缩机的优化设计打下基础。

扩压器；压力脉动；振动；声强

Experimental Investigations o f the Effecto f Different Diffuse r Types on the Vibration and Noise Radiation for CentrifugalCompressors

Li Hong-kun，Zhou Shuai，Zhang Xiao-wen/ School of Mechanical Engineering,Dalian UniversityofTechnology
Li Xiu-gang/Shenyang Blower Works Group Corporation

diffuser;pressure pulsation; vibration;sound intensity

TH452；TK05

A

1006-8155（2016）06-0034-07

10.16492/j.fjjs.2016.06.0021

*资助项目：辽宁省科技创新重大专项项目（201303002）资助

2015-12-20辽宁大连116024

Abstract:The diffuser isan importantpartofa centrifugal compressor having an important impact on the performance of the compressor. In this paper,four different diffusers,a high-vaned diffuser,a wedge vane diffuser,a half-high-vaned diffuser and a non-vaned diffuser are combined with a MCL centrifugal compressor and tested on aφ200model stage test rig.The pressure oscillations,vibration and sound intensity were measured under different flow conditions.The results for the differentdiffuser typeswith respect to vibration and radiated noise showed the wedge vane diffuser tobeadvantageous.