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原文传递船用涡轮增压器离心压气机气动噪声特性分析

论文题名：	船用涡轮增压器离心压气机气动噪声特性分析
关键词：	船用柴油机;涡轮增压器;离心压气机;气动噪声
摘要：	随着船舶行业对船用低速机经济性要求的不断提高，大流量、高增压比离心压气机开始被大量应用在船用低速机涡轮增压器，高压比使得压气机内流动复杂，流动诱导噪声增大。相关法规对船用低速机噪声的要求也越来越高，国际海事组织(IMO)当前的标准对船舶主机舱噪声要求为不超过105dB(A)，而我国现行增压器相关标准对压比大于3.5的船用低速机增压器噪声限值仍为120dB(A)。船用低速机噪声主要包括燃烧噪声、机械噪声和气动噪声，气动噪声在中、高频段有突出贡献，而涡轮增压器离心压气机是气动噪声的主要来源，降低离心压气机气动噪声可以有效控制柴油机噪声。涡轮增压器运行工况多变，噪声特性随运行工况变化，噪声源成分复杂且不易分解，噪声机理有待进一步研究。涡轮增压器离心压气机气动噪声在过去几十年已经成为中外学者研究的热点问题，但研究对象多选择车用涡轮增压器，针对船用涡轮增压器的研究较少。本文通过试验测试和数值计算对船用低速机涡轮增压器的离心压气机气动噪声开展研究，探究了混合计算气动声学(CAA)方法的准确性及适用性，分析了离心压气机气动噪声特性与流动机理，为今后离心压气机气动噪声控制和低噪声压气机设计奠定了基础。本文主要开展的工作如下: 　　(1)通过船用低速机辐射噪声测试、船用涡轮增压器辐射噪声测试和离心压气机气动噪声测试，分析了离心压气机气动噪声特性及其对低速机噪声的贡献。离心压气机气动噪声主要由离散单音噪声、多重单音噪声和宽频噪声组成，其中离散单音占主导，高转速下的多重单音噪声峰值也具有较高的声压级。采用人工神经网络(ANN)可以将有限工况的试验结果用于测试运行范围内任意工况的噪声分析，并给出气动噪声map图。ANN模型可以给出较为准确的气动噪声谱，ANN预测总声压级与试验测试的误差小于3.2dB，但有限数据会使ANN模型对线性频谱细节的预测存在较大误差。　　(2)验证了基于计算流体力学(CFD)与声学边界元(BEM)的混和CAA预测方法在气动噪声预测上的可行性和准确性，讨论了CFD计算数值模型和非定常CFD计算时间参数对压气机流动及气动噪声预测的影响。结果发现全流道可以考虑叶片差异和叶片相互作用，更准确的预测压气机气动噪声。过大的叶片表面粗糙度会导致压气机紊流增强，宽频噪声增大，实际应用中Rα应低于12.1μm，且在噪声研究中不可忽略。过大的非定常CFD计算时间步长会导致计算失真，2°的时间步长可以在降低计算量的同时得到较好的预测结果，在合理时间步长的基础上增加计算总时间有助于准确预测频谱细节。基于分析得到的数值模型和时间参数，数值预测和试验测试的气动噪声平均声压级仅相差0.5dB。　　(3)基于CFD和BEM耦合的混合CAA方法，研究了理想进气条件下设计工况、设计转速近喘振工况和极限工况下压气机非定常流动及气动噪声特性，分析了压气机非定常流动特征与气动噪声的关联，讨论了不同气动噪声成分的流体机理。在不考虑进气消声器的情况下，设计工况下压气机离散单音噪声由叶片气动力产生，主要受叶片和来流干涉及叶轮和扩压器动静干涉作用影响。多重单音噪声主要来源于叶轮前缘的外延激波，叶轮和蜗舌之间的动静干涉对离散单音噪声和多重单音噪声均有一定影响。设计转速近喘振工况和极限工况下压气机内均出现明显的失速现象，使宽频噪声声压级增大超过20dB，但离散单音噪声仍为主导噪声成分。失速现象使得宽频噪声声压级高于多重单音噪声峰值，导致多重单音噪声峰值影响减小。　　(4)验证了基于CFD和FEM的混合CAA方法在压气机气动噪声计算中的适用性和准确性。安装进气消声器可以有效控制压气机气动噪声，但进气消声器结构使压气机内部流动复杂，降低了压气机气动性能。混合CAA方法也可用于预测进气消声器插入损失，计算误差不超过3dB。分析了直管路进气条件下不同工况的压气机非定常流动及气动噪声特性，结果表明设计工况和近喘振工况下直管路对压气机流动和气动噪声影响较小，压气机气动噪声特性和流动机理与理想进气基本相同。分析了变截面管路对压气机流动和气动噪声的影响，发现增大进气截面会使压气机气动性能微增，而截面突缩会导致压气机流动恶化，气动性能明显降低。截面变化平缓的锥形管内压气机气动噪声特性与直管路相似。缩放喷管使压气机内出现明显失速现象，管内的辐射噪声增大，宽频噪声贡献度显著增加。收缩管使压气机气动噪声源增强，但收缩管截面变化使噪声发生反射，导致管内传播的压气机气动噪声声压级较低。
作者：	刘晨
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	张文平
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2021