离心压气机气动噪声异频非谐控制方法研究

离心压气机气动噪声是影响车用增压器整体噪声水平、形成环境污染的主要因素，研究离心压气机的噪声抑制方法至关重要。已有研究结果表明旋转噪声和涡流噪声是气动噪声的主要构成因素，而噪声的峰值主要集中在基频及其谐波处。采用异频非谐方法可以分散噪声峰值分布从而有效抑制气动噪声，该机理已经证明在低速叶轮机械中是可行的。以该机理作为增压器高速离心压气机气动降噪作用机理的基础上，针对高速离心压气机间隙涡非谐、动静干涉非谐以及尾迹射流非谐三种非谐效应展开研究，分析非谐方法的气动效应并确定无量纲非谐范围；研究非谐方法对于脉动涡运动特性及频域特性的影响机制及其对于噪声峰值频率、幅值以及频带的影响规律，探求有效降低离心压气机气动噪声的非谐方法并进行试验验证。本项目在对离心压气机气动降噪本身具有重要应用价值的同时，在完善异频非谐方法控制气动噪声的理论方面同样具有重要的学术价值。

以降低车用增压器离心压气机离散噪声为目的，采用数值方法和试验手段，研究了压气机叶轮叶片非谐及叶顶间隙非谐对离心压气机气动噪声的影响，建立了离心压气机叶片非谐和间隙非谐设计的准则，通过合理的非谐设计，在保证压气机气动性能的基础上，有效降低了增压器离心压气机离散噪声。课题首先针对90mm级车用涡轮增压器离心压气机，基于三维流场数值分析和 FW-H声学方程相结合的方法，研究了离心压气机内离散气动噪声的构成及其特性。结果表明，载荷噪声和厚度噪声作为离心压气机离散气动噪声的主要构成，其中载荷噪声占主导地位；而从噪声频率上来看，通道通过频率（PPF）相比叶片通过频率(BPF)对应的噪声则占据主导地位；其次，采用参数化设计方法进行了非谐离心压气机叶轮设计，研究了间隙非谐、叶片非谐及尾缘非谐对于离心压气机性能的影响。结果表明，对于间隙非谐而言，在保持叶轮叶顶平均间隙相同的前提下，应减小主叶片叶顶间隙、增加分流叶片叶顶间隙以保证非谐叶轮具有与原型叶轮基本相同的气动性能；对于叶片栅距非谐而言，应使分流叶片周向偏移范围限于±20%栅距以内以控制非谐对压气机气动性能的负面影响；对于叶片尾缘非谐，应分别控制主叶片和分流叶片后弯角相对变化量在15%以内；再次，基于非线性谐函数方法和FW-H声学方程，研究了间隙非谐和叶片栅距非谐对离心压气机近场离散噪声的影响。结果表明，减小主叶片叶顶间隙并增加分流叶片叶顶间隙的间隙非谐方法可有效改善峰值气动噪声水平；对于栅距非谐，分流叶片向主叶片压力面侧和吸力面侧偏移的两种非谐模型皆可有效降低压气机的近场离散噪声水平。最后，采用数控五轴铣的手段加工了原型和五种非谐模型的叶轮，并应用声级计直接测量的方法对采用原型叶轮和五种非谐叶轮的离心压气机远场噪声进行了试验研究，以验证间隙非谐和栅距非谐对离心压气机气动噪声的影响。结果表明，减小主叶片叶顶间隙、增大分流叶片叶顶间隙的间隙非谐方法可有效降低离心压气机的通道通过频率噪声和总离散噪声，其中通道通过频率噪声最高下降约8dB，总噪声最高下降4dB；结果还表明，栅距非谐方法对离散噪声的影响规律与叶轮的转速是密切相关的，在较高转速条件下，两种叶片栅距非谐设计皆有利于气动噪声的降低，对应压气机总噪声最大降幅为3.1dB，基频噪声值最大降幅为6.9dB。