第一章 概述

    涡轮增压器工作过程中产生的主要问题是空气动力噪声和壳体因结构振动而向外辐射的噪声，浮环轴承的油膜振荡、转子系统结构与增压空气的耦合振动与噪声问题。其中空气动力噪声包括涡流噪声和旋转噪声［7］。由于涡轮增压器内部气体流动的复杂性和非定常性，所以很难获得流场的具体信息，使得对涡轮增压器在空气动力学、流固耦合的转子动力学和气动声学方面的研究都比较缓慢，因而国内外学术界对涡轮增压器的振动噪声控制研究也进展缓慢。前人的研究内容和方法大多集中于旋转噪声机理,而对涡流噪声机理的研究较少，仅仅在实验上进行少量的研究工作。对于涡轮增压器工作时产生的啸叫噪声机理，到目前为止还没有公开发表的文献能把此问题解释清楚。北京理工大学与湖南天雁机械有限公司合作，通过对1000台各种型号涡轮增压器噪声台架的试验研究表明，引起涡轮增压器啸叫声的原因非常复杂，啸叫噪声除与涡轮增压器的转子转速有很大的关系外,还与包括蜗壳结构、叶轮与涡轮偏心质量、叶轮端叶前间隙、叶轮端轮背间隙、叶轮叶片的结构、涡轮端叶前间隙、涡轮端径向间隙、涡轮端轮背间隙及油膜振荡、叶片振动等诸多因素相关。故单从旋转噪声机理的角度来分析和控制涡轮增压器噪声是不够的，需要进行深入的空气动力噪声及基于流固耦合的结构动力学、转子动力学的研究和分析，才能为控制噪声提供理论和方法依据。在涡轮增压器减振降噪方面的研究，国内外学者主要用有限元方法和试验方法进行了叶片的振动分析、蜗壳的模态分析和转子的振动特性分析，这些研究工作为涡轮增压器的减振降噪提供了一定的理论基础。

    涡轮增压器的压气机有离心式和轴流式两种。离心压气机由于其内部流动的复杂性和非定常性，很难获得流场的具体信息，使得对离心压气机的流场研究主要集中在实验研究上。随着计算工具的迅猛发展，CFD技术得到了越来越广泛的应用。目前对于离心压气机的流场和气动声学数值仿真主要集中在流场、声场统一求解和Lighthill“声类比”两种方法。在声场与流场统一求解的方法中，由于声波仅取决于压力的微小脉动，所以对计算精度提出了很高的要求，使其在实际求解中尚未得到比较满意的结果。而Lighthill“声类比”方法则已经能够在流场计算的基础上较好地模拟自由空间和规则封闭空间中的声场分布，但对任意形状边界的封闭空间，由于难以直接求解Green函数的解析表达式，从而使该方法的应用受到很大局限。近年来，D.J.Lee等采用Lowson声学方程和离散涡方法来数值预测离心叶轮机械的气动噪声。这种方法虽然简单，但是在流场计算时将流场简化为二维无粘流场，而且划分的网格比较粗糙，不能准确获得声源的具体信息。因此，目前对于离心压气机内部噪声的研究，大多是基于对其内部进行非定常流场计算，然后结合时域和频域方法对流场内部静压脉动的强度和频率进行分析，最后根据声学基本理论，结合FLUENT等计算软件，判定出主要气动噪声源的位置和噪声类型，并采用相应的噪声控制方法和技术。

    到目前为止，在转子动力学计算分析、叶轮与涡轮两轮流固耦合振动、气动声学等涡轮增压器噪声、振动机理等关键问题方面，北京理工大学、上海交通大学、大连理工大学等基于振动理论、流体动力学、声学理论、实验模态理论进行了系统的理论和实验研究，初步掌握了涡轮增压器噪声振动机理。下面逐一介绍涡轮增压器噪声、振动机理与控制研究的基本内容和方法。

1.2.1 噪声源识别内容与方法

    目前，国内外主要采用基于声强测试、基于声全息测试分析和基于声阵列测试这三种方法对汽车和发动机进行噪声源识别研究。但是基于声强的噪声测试由于测试时间比较长，所以只限于稳定工况。基于声全息的声源识别目前也主要用于稳定工况和限于理论算法的研究。声阵列测量法是目前最有效的声源识别方法，可用于稳态声源、非稳态声源和移动声源识别。基于传声器阵列理论方法可以较好地实现在普通实验室环境条件下对涡轮增压器噪声进行测试与噪声源识别。

    Billingsley首次使用传声器阵列测量方法技术进行气动噪声源研究。他们将一个直线排列的传声器阵列应用在剑桥大学的飞机发动机实验台上，对发动机的排气噪声声源的分布进行了测量分析。之后，他们应用这种阵列对Rolls Royce/SNECMA Olympus发动机的噪声源分布进行了研究。Soderman和Noble则第一次把线性传声器阵列测量技术应用在风洞内的声学研究之中，应用传声器阵列技术的目的是要抑制由于风洞壁面等引起的不需要的噪声反射信号，为此他们应用了时间延迟技术，较好地实现了对低频噪声信号的抑制。Fischer 等则应用了一个圆弧形排列的传声器阵列对发动机噪声源进行了试验，他们让传声器阵列圆弧的中心位于发动机喷管的出口位置。这种形式的传声器阵列目前仍然在Rolls Royce公司全尺寸发动机实验台架上使用。法国ONERA的Blacodon、Caplot和Elias等人成功地将线性传声器阵列应用在消声的开式喷流风洞中，研究了直升机叶片旋涡干涉噪声源的位置，他们应用了两种不同的时间域信号处理技术，一种是时域信号的延迟和求和处理方法，一种是时域信号的延迟和乘积处理方法，研究结果表明声源是在叶片-旋涡干涉面的某一确定的位置。

    作者在普通的涡轮增压器实验室采用声阵列测量方法技术较好地把涡轮增压器主要声源部位识别出来。

1.2.2 流场计算分析内容及方法

    国外对蜗壳内流场的研究比较早，研究方法主要是用计算机对涡轮进行流场分析。一些发达国家在20世纪60年代中后期就已经开始用计算机进行径流式涡轮的空气动力学与三维流场分析，并且用先进的激光测试技术来进行三维粘性流场的验证分析。而蜗壳内流场的数值计算则兴起于20世纪70年代，目前多采用有限元法和有限差分法求解。为了研究的简便，数学模型的建立多基于二维或者准三维的假设，假定气体是理想气体，且在计算中多不考虑流体的粘性。A.Hamed等用蜗壳截面上的源/汇连续分布模拟流通速度的影响，采用有限差分法求解导出的带纽曼边界条件的泊松差分方程，研究了蜗壳形状以及流通速度分布对蜗壳内流动的影响，并用有限元法计算了蜗壳—有叶喷嘴组件中二维不可压缩非粘性流动。在此基础上，E.A.Baskharone等又进行了三维可压缩非粘性流动计算。Chen Shou-rue等提出了一个蜗壳内流体流动的三维数学模型，对三种蜗壳计算结果的分析表明了蜗壳形状对其出口流动状态的影响。不过，受计算条件所限，蜗壳内的流动多是基于稳态流动的假设，这样计算结果不甚准确。近几年，随着计算机技术的迅速发展以及大型CFD模拟软件的大量涌现，已经可以对蜗壳内流场进行三维瞬态模拟计算。

    叶轮机械内部流场是非常复杂的，其内部流动是粘性、非定常的三维运动。根据雷诺数的大小，其内部流动可以分为三维层流流动、转捩流动和三维湍流流动；经常遇见的现象有分离流动，旋转失速、激波与附面层之间的相互干扰、激波与激波之间的相互干扰、激波与涡系间的相互干扰、喘振、颤振、抖振、叶片尾迹区内的复杂流动、动叶顶隙泄漏流动、叶片排间的相互干扰等。根据流动速度的快慢又可分成亚声速流动、跨声速流动和超声速流动。内部流动工质也可能处于单相或两相状态，并且其内部不可避免地出现二次流动，这些二次流动以各种涡系形式存在。目前已经确定的涡运动形式有：通道涡、尾涡、泄漏涡、角涡和刮壁涡等。上述这些流动现象对涡流噪声的影响程度还有待研究。