旋叶式压缩机

振动噪声分析与控制

何泽银陶平安胡立志向银编著

内 容 简 介

本书是作者根据多年的理论研究和科研实践经验编写而成的，从理论和应用两个方面深入浅出地阐述了旋叶式压缩机振动噪声研究的理论、技术和方法。全书共分为4篇： 第1篇为旋叶式压缩机结构设计与性能分析； 第2篇为旋叶式压缩机排气系统振动噪声； 第3篇为旋叶式压缩机整机振动噪声； 第4篇为旋叶式压缩机振动噪声控制。主要内容包括旋叶式压缩机型线设计、动力学分析、动态功耗研究、排气阀片运动规律研究、排气阀片气动噪声及试验研究、整机振动噪声激励源、振动噪声预估与测试研究、多体碰摩响应及试验研究，以及用于旋叶式压缩机振动噪声控制的声子晶体研究等。本书理论与实践相结合，强调理论，突出应用，同时兼顾学术与工程，做到提高与普及相结合。

本书可作为从事车辆热管理系统、流体泵设计的科研人员与工程技术人员的参考书。

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图书在版编目 （CIP） 数据

旋叶式压缩机振动噪声分析与控制 / 何泽银等编著. ?? 北京 : 清华大学出版社, 2025. 12.

ISBN 978?7?302?70507?9

Ⅰ. TH45

中国国家版本馆CIP数据核字第2025S0P448号

责任编辑： ?苗庆波

封面设计： ?傅瑞学

责任校对： ?欧洋

责任印制： ?宋林

出版发行： ?清华大学出版社

网址： ?https://www.tup.com.cn， https://www.wqxuetang.com

地址： ?北京清华大学学研大厦A座

邮编： ?100084

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投稿与读者服务： ?010?62776969, c?service@tup.tsinghua.edu.cn

质量反馈： ?010?62772015, zhiliang@tup.tsinghua.edu.cn

印装者： ?三河市东方印刷有限公司

经销： ?全国新华书店

开本： ?185mm×260mm印张： ?13〓〓 ?字数： ?312千字

版次： ?2025年12月第1版印次： ?2025年12月第1次印刷

定价： ?68.00元

产品编号： ?104711?01

前言

旋叶式压缩机作为一种典型的小型车用热管理设备，能适度调节车内空气湿度、温度等相关舒适性指标，为驾驶人及乘客带来良好的驾乘体验。在实际运行工况下，旋叶式压缩机服役条件复杂多变，会引发多源时变激励，而且在压缩机内部流场、结构场及工作介质的相互作用下，还会引起压缩机系统严重的振动噪声问题，使车内声音品质恶劣。

本书理论与实用性相结合，从旋叶式压缩机结构设计与性能分析、排气系统振动噪声、整机振动噪声，以及用于旋叶式压缩机振动噪声控制的声子晶体研究等方面阐述了旋叶式压缩机振动噪声研究的理论、技术和方法，可以使热管理领域相关人员对压缩机振动噪声的基本原理、控制方法和工程应用有一个比较全面的认识。

本书分为4篇，共12章。

第1篇为旋叶式压缩机结构设计与性能分析。首先介绍了旋叶式压缩机的基本工作原理，分析了叶片运动特性、容积效率、叶片动态接触特性等性能指标； 然后，为提高旋叶式压缩机容积效率与动态接触特性，设计了新型缸体型线并对新型压缩机进行了性能分析； 最后，研究了旋叶式压缩机叶片动态摩擦功耗，测试、分析了整机动态功耗。

第2篇为旋叶式压缩机排气系统振动噪声。首先研究了排气阀片启闭过程中的运动规律； 其次，对排气阀片振动位移进行了模拟测试，研究阀片设计参数与其动态特性的关系，并设计改进排气阀片； 再次，基于改进阀片结构参数，通过悬臂梁及流固耦合模型，研究了阀片模态频率、模态振型及阀片振动响应特性； 最后，对压缩机改进前后进行噪声测试，验证了改进阀片结构设计的有效性。

第3篇为旋叶式压缩机整机振动噪声。首先介绍了旋叶式压缩机整机振动噪声的几种激励源，包括机械激励、压力脉动特性、碰摩激励等； 然后，以机械激励、气流脉动激励为力学边界条件，分析了压缩机振动响应与噪声分布规律，而后搭建噪声试验台架开展噪声测试研究，揭示在多源激励作用下的压缩机噪声传播机制与分布规律； 最后，针对压缩机启动阶段的异常碰摩振动，研究了压缩机系统碰摩动态响应规律，并搭建压缩机整机振动测试试验台，提出了碰摩振动控制方法，阐明了压缩机碰摩振动产生的机理。

第4篇为旋叶式压缩机振动噪声控制。介绍了几种新型声子晶体，这些新型声子晶体具有优越的振动与声衰减性能，将为旋叶式压缩机提供新的振动与噪声控制方案。

本书由重庆交通大学何泽银联合重庆建设汽车系统股份有限公司陶平安、胡立志、向银编著。其中，何泽银负责全书编写和统稿，陶平安编写第3章和第9章，胡立志编写第5章和第7章，向银编写第10章，李俊潇、罗胜曦、杨金明、刘威参与其他章节编写工作，娄秋枫、陈健明、姜龙辉、蒲知宇对部分内容进行了编辑。

限于作者水平，书中的错误和不足之处在所难免，恳请广大读者批评指正。

编者

2025年10月

目录

第1篇旋叶式压缩机结构设计与性能分析

第1章旋叶式压缩机叶片动力学分析

1．1叶片运动特性规律

1．1．1基于数学模型的叶片运动学分析

1．1．2基于多刚体模型的叶片运动学分析

1．1．3叶片运动学特性影响规律研究

1．2基元腔压力计算与测试

1．2．1基元腔压力解析计算

1．2．2基元腔气体压力测试

1．2．3基元腔压力解析值与测试值对比

1．3基于多刚柔耦合模型的叶片动力学分析

1．3．1刚柔耦合动力学理论

1．3．2刚柔耦合建模与求解

1．4本章小结

第2章旋叶式压缩机型线设计及性能分析

2．1新型旋叶式压缩机缸体型线设计

2．2新型旋叶式压缩机叶片性能分析

2．2．1叶片运动学特性分析

2．2．2叶片动力学特性分析

2．3新型旋叶式压缩机基元容积计算

2．4系统参数对叶片动态接触激励的影响

2．4．1转子转速

2．4．2背压力

2．4．3叶片数目

2．4．4叶片偏距

2．4．5叶片头部结构

2．5本章小结

第3章旋叶式压缩机动态功耗研究

3．1叶片动态摩擦功耗研究及分析

3．1．1叶片动态摩擦功耗模型

3．1．2叶片动态摩擦功耗影响因素分析

3．2整机动态功耗测试及分析

3．2．1整机动态功耗试验测试

3．2．2整机动态功耗影响因素分析

3．3本章小结

第2篇旋叶式压缩机排气系统振动噪声

第4章旋叶式压缩机排气阀片运动规律研究

4．1排气结构的工作原理

4．2排气阀片运动模型的构建

4．2．1单质点模型的建立

4．2．2运动微分方程的建立

4．2．3初始条件与边界条件

4．3排气阀片振动位移

4．4本章小结

第5章旋叶式压缩机排气阀片开度响应及试验研究

5．1排气阀片位移试验

5．1．1阀片开度测试系统搭建

5．1．2计算结果与测试结果

5．2排气阀片动态特性分析

5．2．1阀片厚度

5．2．2主轴转速

5．2．3阀片升程

5．3排气阀片设计

5．4本章小结

第6章旋叶式压缩机排气阀片流固耦合振动特性研究

6．1排气阀片振动模态分析

6．1．1排气阀片悬臂梁解析模型

6．1．2排气阀片模态分析

6．2排气阀片流固耦合分析

6．2．1排气阀片流固耦合模型的建立

6．2．2流固耦合数值求解算法

6．2．3网格划分与条件设定

6．2．4仿真模型验证

6．3数值模拟结果分析与讨论

6．3．1等效应力

6．3．2阀片最大位移

6．3．3流场分析

6．4本章小结

第7章旋叶式压缩机排气阀片气动噪声及试验研究

7．1基于宽频噪声模型的气动噪声分析

7．2整机噪声试验研究

7．2．1噪声测试系统搭建

7．2．2噪声测试结果分析

7．3本章小结

第3篇旋叶式压缩机整机振动噪声

第8章旋叶式压缩机整机振动噪声激励源

8．1叶片动态机械激励研究

8．2内流道压力脉动特性研究

8．2．1计算流体力学基本理论

8．2．2压力脉动有限元模型

8．2．3流场结果分析

8．3叶片碰摩激励研究

8．3．1多体约束动力学分析

8．3．2多刚体碰摩力模型

8．3．3叶片与缸体的碰摩

8．3．4叶片与转子槽的碰摩

8．4本章小结

第9章旋叶式压缩机振动噪声预估与测试研究

9．1整机振动模态分析

9．1．1模态理论

9．1．2有限元网格模型

9．1．3模态分析结果

9．2整机振动响应分析

9．2．1振动响应计算方法

9．2．2振动响应计算边界条件

9．2．3振动响应分析结果

9．3整机辐射噪声预估

9．3．1声学理论基础

9．3．2压缩机噪声预估边界元模型

9．3．3压缩机表面声压计算结果

9．4整机噪声测试

9．4．1试验方法

9．4．2噪声测试系统

9．4．3辐射噪声测试结果

9．5压缩机噪声预估值与测试值对比分析

9．6本章小结

第10章旋叶式压缩机多体碰摩响应及试验研究

10．1多刚体动态接触关系

10．1．1叶片与缸体的动态接触关系

10．1．2叶片与叶片槽底部的动态接触关系

10．1．3叶片与叶片槽侧面的动态接触关系

10．1．4转子与缸体的动态接触关系

10．2启动阶段的气体作用力模型

10．2．1基元腔压力

10．2．2压缩机各部件所受气体作用力

10．3多体碰摩动力学分析

10．3．1多体碰摩动力学方程

10．3．2碰摩响应结果

10．3．3不同吸、排气压力下的碰摩响应特性规律

10．3．4压缩机启动阶段整机振动分析

10．4碰摩振动试验研究

10．5启动阶段振动控制研究

10．5．1球阀结构

10．5．2叶片槽间隙

10．6本章小结

第4篇旋叶式压缩机振动噪声控制

第11章双侧空心不对称二维散射体声子晶体带隙机理

11．1新型声子晶体的结构与建模

11．2新型声子晶体带隙机理与分析

11．2．1带隙计算

11．2．2带隙形成机理

11．3基于等效弹簧质量模型的声子晶体能带计算

11．4新型声子晶体结构参数对带隙的影响

11．4．1包裹层缺口数量及布置位置对带隙的影响

11．4.2包裹层与散射体连接形式对带隙的影响

11．4．3空心圆柱散射体高度

11．5新型声子晶体的优势对比

11．6本章小结

第12章基于蹦床声子晶体的彩虹捕获效应研究

12．1新型声子晶体结构与理论

12．2蹦床声子晶体能带结构计算及调控

12．2．1带隙计算与对比

12．2．2带隙调控与分析

12．3蹦床声子晶体彩虹捕获效应分析

12．3．1阵列模型及方法

12．3．2无序度对彩虹捕获效应的影响

12．4本章小结

参考文献

旋叶式压缩机是一种新型回转式压缩机，具有部件少、转速高、效率高、成本低等优点，被广泛应用于中小排量汽车空调系统中。在实际运行工况下，旋叶式压缩机使役条件复杂多变，引发多源时变激励，而且压缩机内部流场、结构场及工作介质相互作用，从而导致压缩机系统严重的振动噪声问题，使车内声品质加剧恶劣。因此本书针对旋叶式压缩机多源激励机理与噪声优化问题，通过理论与实用性相结合，从旋叶式压缩机结构设计与性能分析、排气系统振动噪声、整机振动噪声，以及用于旋叶式压缩机振动噪声控制的声子晶体研究等方面阐述了旋叶式压缩机振动噪声研究的理论、技术和方法，可以使相关人员对流体泵振动与噪声的基本原理、控制方法和工程应用有一个比较全面的认识。

本书是作者根据多年的理论研究和科研实践经验编写而成的，从理论和应用两个方面深入浅出地阐述了旋叶式压缩机振动噪声研究的理论、技术和方法。

何泽银，男，1985年08月生，工学博士/博士后，教授，机电与车辆工程学院。主要研究领域及学术专长：振动噪声预估与控制、流体传动与智能驱动。近年来科研项目及成果：主持国家自然科学基金项目、军队合作项目、重庆市科技局项目、重庆市教委科技项目、企业横向项目等10余项；发表含中科院SCI一区TOP期刊论文在内的高水平论文20余篇；授权发明专利6项（其中2项专利已授权日本M公司使用）；获“基于变压力角滚刀的齿轮副齿根应力计算软件”、“涡旋压缩机关键参数设计软件”等软件著作权4项。“高性能特种车桥关键技术及产业化”、“低排放低噪声汽车空调压缩机研制及产业化”分别获重庆市科技进步奖一等奖（3/11）、三等奖（6/7）。

目录

第1篇旋叶式压缩机结构设计与性能分析

第1章旋叶式压缩机叶片动力学分析

1.1叶片运动特性规律

1.1.1基于数学模型的叶片运动学分析

1.1.2基于多刚体模型的叶片运动学分析

1.1.3叶片运动学特性影响规律研究

1.2基元腔压力计算与测试

1.2.1基元腔压力解析计算

1.2.2基元腔气体压力测试

1.2.3基元腔压力解析值与测试值对比

1.3基于多刚柔耦合模型的叶片动力学分析

1.3.1刚柔耦合动力学理论

1.3.2刚柔耦合建模与求解

1.4本章小结

第2章旋叶式压缩机型线设计及性能分析

2.1新型旋叶式压缩机缸体型线设计

2.2新型旋叶式压缩机叶片性能分析

2.2.1叶片运动学特性分析

2.2.2叶片动力学特性分析

2.3新型旋叶式压缩机基元容积计算

2.4系统参数对叶片动态接触激励的影响

2.4.1转子转速

2.4.2背压力

2.4.3叶片数目

2.4.4叶片偏距

2.4.5叶片头部结构

2.5本章小结

第3章旋叶式压缩机动态功耗研究

3.1叶片动态摩擦功耗研究及分析

3.1.1叶片动态摩擦功耗模型

3.1.2叶片动态摩擦功耗影响因素分析

3.2整机动态功耗测试及分析

3.2.1整机动态功耗试验测试

3.2.2整机动态功耗影响因素分析

3.3本章小结

第2篇旋叶式压缩机排气系统振动噪声

第4章旋叶式压缩机排气阀片运动规律研究

4.1排气结构的工作原理

4.2排气阀片运动模型的构建

4.2.1单质点模型的建立

4.2.2运动微分方程的建立

4.2.3初始条件与边界条件

4.3排气阀片振动位移

4.4本章小结

第5章旋叶式压缩机排气阀片开度响应及试验研究

5.1排气阀片位移试验

5.1.1阀片开度测试系统搭建

5.1.2计算结果与测试结果

5.2排气阀片动态特性分析

5.2.1阀片厚度

5.2.2主轴转速

5.2.3阀片升程

5.3排气阀片设计

5.4本章小结

第6章旋叶式压缩机排气阀片流固耦合振动特性研究

6.1排气阀片振动模态分析

6.1.1排气阀片悬臂梁解析模型

6.1.2排气阀片模态分析

6.2排气阀片流固耦合分析

6.2.1排气阀片流固耦合模型的建立

6.2.2流固耦合数值求解算法

6.2.3网格划分与条件设定

6.2.4仿真模型验证

6.3数值模拟结果分析与讨论

6.3.1等效应力

6.3.2阀片最大位移

6.3.3流场分析

6.4本章小结

第7章旋叶式压缩机排气阀片气动噪声及试验研究

7.1基于宽频噪声模型的气动噪声分析

7.2整机噪声试验研究

7.2.1噪声测试系统搭建

7.2.2噪声测试结果分析

7.3本章小结

第3篇旋叶式压缩机整机振动噪声

第8章旋叶式压缩机整机振动噪声激励源

8.1叶片动态机械激励研究

8.2内流道压力脉动特性研究

8.2.1计算流体力学基本理论

8.2.2压力脉动有限元模型

8.2.3流场结果分析

8.3叶片碰摩激励研究

8.3.1多体约束动力学分析

8.3.2多刚体碰摩力模型

8.3.3叶片与缸体的碰摩

8.3.4叶片与转子槽的碰摩

8.4本章小结

第9章旋叶式压缩机振动噪声预估与测试研究

9.1整机振动模态分析

9.1.1模态理论

9.1.2有限元网格模型

9.1.3模态分析结果

9.2整机振动响应分析

9.2.1振动响应计算方法

9.2.2振动响应计算边界条件

9.2.3振动响应分析结果

9.3整机辐射噪声预估

9.3.1声学理论基础

9.3.2压缩机噪声预估边界元模型

9.3.3压缩机表面声压计算结果

9.4整机噪声测试

9.4.1试验方法

9.4.2噪声测试系统

9.4.3辐射噪声测试结果

9.5压缩机噪声预估值与测试值对比分析

9.6本章小结

第10章旋叶式压缩机多体碰摩响应及试验研究

10.1多刚体动态接触关系

10.1.1叶片与缸体的动态接触关系

10.1.2叶片与叶片槽底部的动态接触关系

10.1.3叶片与叶片槽侧面的动态接触关系

10.1.4转子与缸体的动态接触关系

10.2启动阶段的气体作用力模型

10.2.1基元腔压力

10.2.2压缩机各部件所受气体作用力

10.3多体碰摩动力学分析

10.3.1多体碰摩动力学方程

10.3.2碰摩响应结果

10.3.3不同吸、排气压力下的碰摩响应特性规律

10.3.4压缩机启动阶段整机振动分析

10.4碰摩振动试验研究

10.5启动阶段振动控制研究

10.5.1球阀结构

10.5.2叶片槽间隙

10.6本章小结

第4篇旋叶式压缩机振动噪声控制

第11章双侧空心不对称二维散射体声子晶体带隙机理

11.1新型声子晶体的结构与建模

11.2新型声子晶体带隙机理与分析

11.2.1带隙计算

11.2.2带隙形成机理

11.3基于等效弹簧质量模型的声子晶体能带计算

11.4新型声子晶体结构参数对带隙的影响

11.4.1包裹层缺口数量及布置位置对带隙的影响

11.4.2包裹层与散射体连接形式对带隙的影响

11.4.3空心圆柱散射体高度

11.5新型声子晶体的优势对比

11.6本章小结

第12章基于蹦床声子晶体的彩虹捕获效应研究

12.1新型声子晶体结构与理论

12.2蹦床声子晶体能带结构计算及调控

12.2.1带隙计算与对比

12.2.2带隙调控与分析

12.3蹦床声子晶体彩虹捕获效应分析

12.3.1阵列模型及方法

12.3.2无序度对彩虹捕获效应的影响

12.4本章小结

参考文献