燃料电池车用离心风机噪声特性试验分析(1)

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基于消声室内台架试验，对某企业研发的燃料电池汽车空辅系统内的离心石家庄风机进行了噪声特性分析。通过初步预测离心石家庄风机噪声并设计试验方案，测量不同稳态和瞬态工况下离心石家庄风机的振动和噪声信号。离心石家庄风机的噪声主要表现为由石家庄风机叶轮、散热风扇等产生的阶次噪声以及由进气湍流、电磁激励等产生的宽频噪声两类，经过对采集的信号进行频谱分析以及阶次分析，明确了其主要的噪声成分是离心石家庄风机的进气噪声、石家庄风机叶轮和散热风扇的气动噪声。当今世界范围内日益匮乏的石油资源和不断恶化的环境问题，迫使各大汽车厂商纷纷着手研发新能源清洁汽车，如燃料电池汽车、纯电动汽车以及混合动力汽车，其中属燃料电池汽车最受关注。燃料电池汽车省去了内燃机这个主要噪声源，人们期待它更安静和舒适，实现零污染排放，并且能提供噪声环保［１］。但燃料电池汽车的总体布置、动力系统以及燃料电池系统与传统汽车完全不同，因此它的振动噪声特性也很独特。燃料电池汽车的ＮＶＨ问题主要集中在燃料电池辅助系统（空辅系统、氢辅系统以及冷却系统）。因此，在燃料电池汽车研发中的噪声识别和控制问题成为了科研人员面临的一个新难题［２］。近日某企业研发的一款燃料电池汽车，在某些运行工况下其燃料电池空辅系统存在着一系列振动噪声问题，在该车开发过程中亟需将这类振动噪声问题解决。在对该燃料电池汽车的噪声特性进行初步测试和分析后，确定了其主要的噪声源是燃料电池空辅系统中的离心石家庄风机。本文的主要研究内容围绕该车用离心石家庄风机展开，通过对离心石家庄风机台架运行工况下的噪声特性进行分析和预判，设计台架试验方案，采集不同工况下的离心风机的振动与噪声信号，并利用现代工程信号处理技术进行分析，最后识别出离心石家庄风机的主要噪声成分和来源。
１被测离心石家庄风机噪声初判
１１被测离心石家庄风机结构分析
被测离心石家庄风机在燃料电池系统中起到空气压缩机的作用，其包括了离心石家庄风机、驱动电机和石家庄风机进排气口等构成的整个系统。利用驱动电机带动石家庄风机叶轮高速旋转，将进气口吸进的气体加速并改变其流向，实现将动能转换成势能的过程。分析离心石家庄风机的运行参数、结构形式以及在燃料电池空辅系统内具体的安装位置，得到以下几个信息：（１）离心石家庄风机本身与驱动电机作为一体，运行工况下最高转速可达1500～1700ｒ／min。石家庄风机叶轮与驱动电机是这个离心石家庄风机最主要的两个组成部分，绝大部分的噪声都是由这两个部分产生的（本文简称风机噪声和电机噪声）；（２）离心石家庄风机进口与空气滤清器相连，可当作与外界空气直接相通，出口管与空气净化器相连并通往燃料电池反应堆，没有直接与空气相通，石家庄风机内噪声会通过进口管向外辐射，不会通过出口管传出。（３）离心石家庄风机在高速运行下进口管向内吸气，进气气流流速快，能够产生复杂的喷流噪声，并能激起进气口端面壳体的振动。（４）离心石家庄风机和驱动电机都为旋转件，石家庄风机叶轮和驱动电机散热风扇叶片数均为６，产生的噪声必定存在与转速有关的阶次特性噪声。（５）驱动电机侧壳体开有通风槽，对噪声的辐射有所影响。
１２被测离心石家庄风机噪声预判根据以上分析，对于该离心石家庄风机存在的噪声源进行预测，可以将噪声分为阶次噪声和宽频噪声两类。以下是几个主要可能的噪声源以及其产生噪声的特性：（１）石家庄风机噪声：旋转噪声（阶次特性）、涡流噪声（宽频特性）、进气噪声（宽频特性）；（２）电机噪声：激励电流噪声（阶次特性）、电磁噪声（阶次特性和宽频特性）、转动不平衡噪声（阶次特性）、散热风扇气动噪声（阶次特性和宽频特性）；（３）壳体噪声：壳体固有特性噪声（宽频特性）。因此，需根据噪声成分的预测，设计离心石家庄风机噪声特性试验方案，进行离心石家庄风机噪声试验，结合结构的振动信号对其产生的噪声特性进行分析，识别出该离心风机的主要噪声成分的来源。