压气机气动噪声影响规律试验研究

2023-08-28曹晓琳丁占铭王浩宇李欣马磊张岩

车用发动机 2023年4期

曹晓琳,丁占铭,王浩宇,李欣,马磊,张岩

(中国北方发动机研究所柴油机增压技术重点实验室,天津 300400)

随着对动力要求的提高,涡轮增压器被广泛应用于汽车、船舶等领域[1-2],但涡轮增压器引起的噪声问题日益显著。由于增压器排气系统普遍进行了包覆处理,因此压气机的气动噪声是涡轮增压器噪声的主要来源。压气机气动噪声主要包括叶片通过频率(BPF)噪声、锯齿(Buzz-Saw)噪声、叶尖间隙噪声(TCN)和随机噪声(random noise)[3]。BPF噪声是旋转叶片机械最典型的阶次激励噪声,BPF噪声的频率为轴转速基频乘以叶片数; TCN为窄带噪声,频率大约为BPF的一半; Buzz Saw噪声在频谱上的形态为窄带噪声; 随机噪声的频谱是连续谱,包含各种频率成分,随机噪声在压气机的各种工况下是始终存在的,喘振噪声是随机噪声的极端情况[4]。

国内外学者针对增压器噪声问题开展了一些研究。Fukano[5]分析了叶顶间隙的流动与噪声间的关系,证实叶片通过频率噪声由叶尖间隙的规律脉动引起,随机噪声由无规律噪声引起。刘扬等[6]利用流体计算力学和声学有限元的混合计算方法对压气机进口气动噪声进行数值预测,研究表明,压气机进口气动噪声主要由叶片通过频率噪声和随机噪声组成。现有研究中针对增压器压气机气动噪声变化规律开展试验研究的较少。Bruan等[7]综述了在ISO362标准下的整机噪声特性,发现进排气噪声是主要噪声源。哈尔滨工程大学的刘晨[8]针对船舶用柴油机增压器进行了试验研究,研究表明压气机气动噪声主要由叶片通过频率处发生的叶片谐次噪声与电锯噪声组成,低转速区域没有明显的叶尖间隙噪声。

综上所述,针对车用增压器压气机进口气动噪声,国内外研究多集中在理论研究与数值预测方面,基于试验测试方法的研究较少。本研究在试验测试的基础上,开展加速噪声测试以及稳态工况下噪声测试试验,研究加速工况与稳态工况下压气机气动噪声变化规律,分析不同工况下占主导地位的噪声成分,以期为增压器噪声抑制提供理论指导。

1 台架试验系统与试验方法

针对某车用涡轮增压器搭建噪声测试试验平台,气动噪声测试试验台架见图1,主要由涡轮增压器、采集系统、控制系统、滑油系统以及相关连接管路、连接支架等组成。采集系统采用LMS信号采集与分析平台,采样频率设置为51 200 Hz,稳态工况每个试验点采集20 s。

图1 增压器试验台架

以增压器压气机进口管道的进气口圆心作为球心,以半径0.8 m的球面作为测试面,在测试平面上布置5个测点,即布置5个噪声传感器,噪声传感器选用PCB声级计,测点布置示意见图2。

图2 测点布置示意

分别进行压气机加速噪声测试与压气机稳态工况噪声测试试验,本研究中均使用A计权声级。加速噪声测试试验在自循环状态下进行,转速由60 000 r/min加速至100 000 r/min。稳态工况噪声测试试验增压器转速分别为50 000,55 000,60 000,65 000,70 000,75 000,80 000,90 000,100 000 r/min,转速由低向高进行;转速低于60 000 r/min时,由外气源供气,燃烧室不工作,在冷吹状态下进行试验;增压器转速达到60 000 r/min时,燃烧室点火,在热吹状态下进行试验。每一等转速下,从大流量向小流量进行试验,小流量点尽量接近喘振点,大流量点接近阻塞点,尽可能覆盖压气机的全部工作范围;每一等转速线测6～8个点。试验开始前,分别采集试验室环境噪声以及柴油泵等附件产生的背景噪声,环境噪声为56 dB,背景噪声为64 dB。试验中压气机总体噪声均在90 dB以上,因此背景噪声和环境噪声对噪声测试结果的影响忽略不计。5个传感器测得的噪声值变化不超过±1 dB,可见选用球形测试面是合理的。

2 试验结果分析

2.1 加速试验噪声变化规律

加速噪声测试试验在自循环状态下进行,模拟真实发动机加速过程中增压器的工作状态,其中增压器转速、流量、压比随时间变化曲线见图3。由图3可知,加速时间为97 s,加速过程中压气机流量均在中高流量区域,试验最大流量为0.55 kg/s,最大压比为2.97,最高转速为101 281 r/min。

图3 加速曲线

利用LMS分析软件绘制colormap图,定义转速对应频率为一阶频率。BPF对应的频率为转速的七倍频。对加速试验采集到的噪声信号进行阶次分析,得到的分析结果见图4。

图4 加速试验噪声信号阶次曲线

由图4可知,整体来看,随着转速的增加,BPF逐渐增大,且随着转速增加,BPF增幅较大;转速低于80 000 r/min时未出现明显的Buzz Saw噪声和BPF噪声,即随机噪声为气动噪声主要成分;随着转速增加,转速高于80 000 r/min时出现了较明显的Buzz Saw噪声和BPF噪声,且BPF噪声占主导地位;从图中可以看到,1阶附近的低阶噪声较为明显,考虑是转子不平衡机理引起的,不属于气动噪声研究范畴。图中未出现明显的TCN,因此加速试验中,转速低于80 000 r/min时,随机噪声占主导地位,转速高于80 000 r/min时压气机进口噪声主要由BPF噪声与Buzz Saw噪声主导。

2.2 稳态工况噪声变化规律

稳态试验下,试验最高转速为100 000 r/min,最大流量为0.58 kg/s,最高压比为3.14,最高压气机效率为80.6%。每个工况点采集5次噪声信号,取5次的平均值作为噪声值。稳态工况试验测得的压气机MAP见图5。

图5 压气机MAP

对采集到的噪声信号进行FFT处理,得到每个工况下压气机进口气动噪声的频谱信息,取BPF对应频率的噪声峰值作为BPF噪声的幅值,BPF频率一半频率所对应的噪声峰值作为TCN的幅值,总声压级作为总体噪声的幅值,分析BPF噪声、TCN、总体噪声变化规律。

2.2.1 BPF噪声变化规律

试验测得的BPF噪声最大值为93.8 dB,对应工况转速为80 000 r/min,流量为0.42 kg/s,压比为1.87,压气机效率为67.9%。不同工况下BPF噪声分布见图6。

图6 BPF噪声分布规律

由图6可知,BPF噪声幅值最大的区间出现在低转速大流量区域与高转速中间流量区域。结合压气机MAP可以看出,在压气机最高效率线上的点BPF噪声幅值为该转速下最小的。分析BPF噪声随转速变化可知：1)转速低于80 000 r/min时,相同流量下随着转速的增加,BPF噪声幅值增加,与加速工况测试结果相一致;同一转速下随着流量增加,BPF噪声幅值先减小后增加。2)转速高于80 000 r/min时,大多数流量点下,随着转速的升高BPF噪声幅值增加,与加速工况测试结果相一致。当流量处于0.35～0.45 kg/s区间时, 随着转速增加,BPF噪声幅值先增大后减小,同一转速下随着流量的增加,BPF噪声幅值先增大后减小。

2.2.2 TCN变化规律

在大多数工况点上TCN并不明显,且TCN的幅值远小于BPF噪声的幅值。TCN幅值明显的点均出现在每条转速线的接近喘振点的小流量点,出于试验安全的考虑,当压气机转速高于80 000 r/min时,测试工况并没有无限接近喘振点,因此80 000 r/min以上的点均没有出现明显的TCN。每条转速线下TCN最大幅值分布见表1。

表1 TCN最大峰值分布

由表1可知,随着转速的增加,TCN峰值变化不大,TCN最大值为94.71 dB,对应转速为65 000 r/min。每个转速下TCN对应的频谱区别不大,TCN幅值最大的点对应的频谱图见图7。该工况下总体噪声为115.29 dB。

图7 TCN峰值频谱

结合图7可以看出,在小流量区间,BPF噪声不明显,TCN的幅值远大于BPF噪声的幅值,与试验测得的BPF噪声变化规律相一致,且频谱中未出现明显的Buzz Saw噪声。TCN的幅值与总体噪声的幅值相差近20 dB,分析是随机噪声影响较大。综上可知,在接近喘振点的小流量区域,TCN与随机噪声占主导地位。

2.2.3 总体噪声变化规律

试验测得的总体噪声值最大值为117 dB,对应工况转速为100 000 r/min,对应的流量为0.52 kg/s,压比为2.95,压气机效率为76.6%。总体噪声变化规律见图8。

图8 总体噪声变化规律

如图8所示,在中高流量区域,相同流量下,随着转速的增加总体噪声值增加;同一转速线下,转速低于80 000 r/min时,随着流量的增加,总体噪声先减小后增大。转速高于80 000 r/min时,随着流量的增加,总体噪声值减小;总体噪声最大的区域为接近喘振点的小流量区域与高转速的中流量区域。结合TCN噪声化规律分析可知：接近喘振点的小流量高压比区域占主导地位的为TCN与随机噪声;压气机转速低于80 000 r/min的中高流量区域, TCN与Buzz Saw噪声不明显,BPF噪声的幅值与总体噪声幅值相差近20 dB,因此该区域气动噪声中随机噪声占主导地位。由加速噪声测试可知,动态加速试验中转速高于80 000 r/min时中高流量区域出现了较明显的Buzz Saw噪声和BPF噪声。对稳态工况同一转速下不同流量点进行频谱分析,结果见图9。

图9 90 000 r/min不同流量点频谱

由图9知,低中高3个流量点的总体噪声值随流量增加而减小,且一阶转速频率明显,与加速噪声测试结果相符,属于转子不平衡激励,不做考虑。低流量点的频谱曲线除转速频率外,未出现其他明显的特征频率。对于中高流量点两条线,除一阶转速频率外,三、四、五阶频率幅值较大,结合加速噪声测试结果,可以判断其为Buzz Saw噪声,BPF噪声幅值与Buzz Saw噪声幅值相当。因此在中高流量区域,压气机进口气动噪声中BPF噪声与Buzz Saw噪声占主导地位。据此得到总体噪声的MAP,如图10所示。