風(fēng)冷式柴油發(fā)電機(jī)組降噪研究

崔再鐸，景 月，祝賀利

CUI Zai-duo, JING Yue, ZHU He-li

（沈陽(yáng)航天新光集團(tuán)有限公司，沈陽(yáng) 110043）

0 引言

風(fēng)冷式柴油發(fā)電機(jī)組以其良好的低溫啟動(dòng)性能及適應(yīng)性得到快速發(fā)展，柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急備用電源在通信、醫(yī)療及軍用產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，尤其在軍用中對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的高低溫性能及噪音有很高要求。風(fēng)冷式機(jī)組除自身的冷卻風(fēng)扇外還需要根據(jù)機(jī)組整體散熱要求選擇安裝合適風(fēng)量的軸流式冷卻風(fēng)扇，風(fēng)扇本身及機(jī)組靜音箱通風(fēng)口會(huì)產(chǎn)生較高的噪音。大功率機(jī)組冷卻方式基本都采用水冷式，對(duì)小功率且外形尺寸有嚴(yán)格限定的機(jī)組，風(fēng)冷式發(fā)動(dòng)機(jī)小巧的體積就顯示出優(yōu)勢(shì)，在風(fēng)冷式發(fā)電機(jī)組降噪研究方面，康明斯、沃爾沃等國(guó)際領(lǐng)先品牌風(fēng)冷機(jī)組噪聲值也相對(duì)較高，軍用產(chǎn)品與德國(guó)Fischer Panda、日本Kubota等公司更有很大差距[1]，因此更全面的對(duì)風(fēng)冷式柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行降噪研究，提升國(guó)產(chǎn)風(fēng)冷式柴油發(fā)電機(jī)組整體性能具有很好的現(xiàn)實(shí)意義。

1 風(fēng)冷式柴油發(fā)電機(jī)組噪聲分析及降噪措施

1.1 噪聲源分析

柴油發(fā)電機(jī)組主要由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)及控制系統(tǒng)組成，不加任何降噪措施時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲聲壓等級(jí)1m處一般在90dB～120dB[2]，必須對(duì)其進(jìn)行全局噪聲控制，靜音機(jī)箱是降低機(jī)組噪聲的有效技術(shù)手段。風(fēng)冷式柴油發(fā)電機(jī)組的噪聲主要分為以下五類。

1）內(nèi)燃機(jī)排煙噪聲是一種高溫、高速的脈動(dòng)性氣流噪聲，該噪聲成分復(fù)雜，頻率帶寬，并包含大量熱能，是機(jī)組噪聲控制的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

2）排氣噪聲指靜音箱體出風(fēng)口處噪聲，包括排風(fēng)噪聲、氣流噪聲和風(fēng)扇噪聲等。因靜音機(jī)箱普遍采用強(qiáng)制排風(fēng)方式，使得噪聲向箱體外傳播，該處噪聲源較多，各處噪聲頻率分布不同，噪聲聲級(jí)較高。

3）進(jìn)氣噪聲泛指靜音箱體進(jìn)氣處噪聲，包括發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣噪聲和靜音箱體通風(fēng)口處進(jìn)氣噪聲，與進(jìn)氣管的長(zhǎng)度、空氣過濾器及靜音箱體開口形式有關(guān)。

4）燃燒噪聲指發(fā)動(dòng)機(jī)在工作狀態(tài)下通過缸體表面輻射的噪聲。燃燒噪聲的峰值僅與轉(zhuǎn)速、缸數(shù)、沖程及制造精度有關(guān)[3]。

5）機(jī)械噪聲是機(jī)組工作時(shí)振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，大部分機(jī)組雖有減振措施，但不可避免會(huì)造成靜音機(jī)箱內(nèi)部共振，產(chǎn)生低頻噪聲。

1.2 主要降噪技術(shù)措施

對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行噪聲控制，首先要減小各聲源處噪聲，而后再對(duì)機(jī)組全局進(jìn)行噪聲綜合控制，根據(jù)各處噪聲不同的產(chǎn)生機(jī)理，主要有以下四種與之相適應(yīng)的降噪措施。

1）消聲措施

機(jī)組排氣采用消聲器，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)排煙噪聲特性，消聲器有阻性消聲器、抗性消聲器和阻抗復(fù)合型消聲器，通過排煙通道及擴(kuò)張室的合理設(shè)計(jì)，可以達(dá)到良好的降噪效果。

2）隔聲措施

對(duì)于靜音及超靜音發(fā)電機(jī)組，發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲是最主要的噪聲源，采用各類隔聲材料來(lái)隔離噪音是最有效的技術(shù)手段。材料隔聲效果隨隔聲材料面密度的增大而越來(lái)越好，在實(shí)際設(shè)計(jì)中要根據(jù)隔聲量選用合適的隔聲材料及設(shè)計(jì)厚度。

3）吸聲措施

除隔聲材料的使用外，對(duì)傳到靜音箱體內(nèi)壁的噪聲要利用吸聲材料作為內(nèi)襯來(lái)吸收入射到其上的聲波能量，從而減弱反射聲波能量，降低機(jī)組噪聲。常采用吸聲材料有玻璃棉、聚氨酯泡沬塑料和巖棉板等。這些材料為多孔性吸聲材料，當(dāng)聲波入射到材料表面，引起材料空腔中空氣和微小纖維的振動(dòng)，內(nèi)摩擦和粘滯阻力使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能[4]，提高了中、低頻聲波的吸聲效果。

4）減振措施

發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的工作會(huì)使發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)，由此引發(fā)的機(jī)械振動(dòng)不僅產(chǎn)生噪聲，而且降低了機(jī)組的使用性能，必須采用減震器或隔振器對(duì)機(jī)組做減振處理[5,6]。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮機(jī)組振動(dòng)頻率與減振器振動(dòng)頻率，使固有頻率隔開，避免共振。

2 靜音箱體降噪計(jì)算

2.1 隔聲計(jì)算

靜音箱體可以有效阻斷機(jī)組噪聲向外傳播，降低發(fā)電機(jī)組噪聲。隔聲材料的使用可以讓箱體內(nèi)部聲波的傳播方向發(fā)生改變，經(jīng)過一系列反射、折射過程使穿透隔聲材料的聲波能量減弱[7]，降低穿過隔聲體的噪聲。隔聲量與隔聲材料的面密度、中心頻率有關(guān)。

單層隔聲材料的隔聲量計(jì)算公式：

式中，m為板的面密度（kg/m2）；

f為聲波激發(fā)頻率（Hz）。

隔音材料面密度越大，越難被激發(fā)振動(dòng)，噪音也就越難穿過隔音材料，因此設(shè)計(jì)時(shí)在允許范圍內(nèi)盡可能選擇面密度更大的隔音材料，機(jī)組箱體隔音效果也就越優(yōu)異。而柴油發(fā)電機(jī)組的噪聲源復(fù)雜，聲波的激發(fā)頻率很難精準(zhǔn)確定，因此常選用經(jīng)驗(yàn)公式確定隔音量：

式中， m為板的面密度（kg/m2）。

2.2 吸聲計(jì)算

靜音及超靜音柴油發(fā)電機(jī)組靜音箱體隔音與吸音材料復(fù)合使用，箱體內(nèi)部聲波經(jīng)隔音層反射回箱體，聲波產(chǎn)生疊加，聲級(jí)與聲壓變強(qiáng)，需要內(nèi)襯吸音材料吸收反射聲波能量，聲波遇到吸音材料時(shí)激發(fā)材料內(nèi)部振動(dòng)，聲波能量轉(zhuǎn)化為材料內(nèi)部機(jī)械能及熱能，聲波能量下降噪音也隨之降低，根據(jù)材料屬性不同，吸音能力也不同，吸音量計(jì)算公式：

式中，a1為吸音材料前表面吸音系數(shù)；

a為吸音材料后表面吸音系數(shù)。

2.3 排煙消聲器降噪計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)排煙噪聲是機(jī)組最大的噪聲源，而且伴隨著大量的熱能，必須在排煙消聲器的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)上力求降低排煙噪音。消聲器主要有阻性消聲器、抗性消聲器和阻抗復(fù)合型消聲器，根據(jù)機(jī)組的功率、背壓及噪聲頻率特性等因素設(shè)計(jì)合適類型的消聲器。

阻性消聲器消聲量：

式中， a為平均吸聲系數(shù)；

P 為內(nèi)襯吸聲材料后截面有效周長(zhǎng)，（m）；

L 為消聲器有效長(zhǎng)度（m）；

S 為內(nèi)襯吸聲材料后消聲通道有效截面積（m2）。

抗性消聲器消聲量：

式中， n為擴(kuò)張比；

kl為擴(kuò)張腔有效長(zhǎng)度（m）；

2.4 減振計(jì)算

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)氣缸內(nèi)部點(diǎn)燃力使曲軸等運(yùn)動(dòng)件回轉(zhuǎn)產(chǎn)生偏心，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)不但產(chǎn)生噪音，而且降低機(jī)組工作的穩(wěn)定性，必須設(shè)計(jì)合理的減振方案。

將機(jī)組減振模型等效為懸置橡膠標(biāo)準(zhǔn)模型[8]，頻率比為：

式中，fF為強(qiáng)制振動(dòng)頻率；

fN為自振固有頻率。

在穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)下，傳遞率為：

式中，λ為頻率比；

ε為系統(tǒng)阻尼比。

實(shí)際情況下，ε值很小，可近似取值為0，公式簡(jiǎn)化為：

3 風(fēng)冷式柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)實(shí)例

根據(jù)上述隔音及吸音計(jì)算結(jié)果，選擇固有頻率為6.5Hz無(wú)諧振峰減振器，靜音箱體通風(fēng)口進(jìn)風(fēng)與排風(fēng)面積保持平衡，結(jié)合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)20kw風(fēng)冷式柴油發(fā)電機(jī)組外形圖如圖1所示。

圖1 機(jī)組外形圖

3.1 靜音箱體降噪層設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)靜音箱體結(jié)構(gòu)由外向內(nèi)分別為2mm厚鋼板、2mm厚隔聲氈、45mm厚優(yōu)質(zhì)巖棉板及1mm厚鋁制穿孔板，穿孔板穿孔率為25%，穿孔直徑1mm，此時(shí)整體重量較輕，隔音與吸音效果良好。

鋼板主要起隔聲作用；隔聲氈材料內(nèi)損較大，與鋼板復(fù)合使用可有效增強(qiáng)隔聲性能，還具備一定的隔震效果；巖棉板主要起吸聲作用，對(duì)中高頻噪聲有很好的吸收效果，還能消除材料空腔中駐波，降低聲壓；鋁制穿孔板固定整個(gè)降噪層，還能與巖棉板形成共振吸聲結(jié)構(gòu)，吸收低頻噪聲，靜音箱體降噪層整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 靜音箱體降噪層結(jié)構(gòu)圖

靜音箱體排風(fēng)口采用直接沖孔和防雨降噪百葉窗相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，在野外作業(yè)時(shí)靜音機(jī)箱底部不會(huì)淋雨，因此采用直接沖圓孔設(shè)計(jì)，通風(fēng)效率是百葉窗的1倍以上。箱體側(cè)面通風(fēng)處采用靜音防雨百葉窗，雖然百葉窗通風(fēng)效率較低，但能起到防雨降噪作用，實(shí)驗(yàn)機(jī)組百葉窗采用1.5mm厚鋼板、5mm厚吸聲層加1mm厚鋁制穿孔板結(jié)構(gòu)，靜音防雨百葉窗結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 靜音防雨百葉窗結(jié)構(gòu)見圖

3.2 靜音排煙消聲器設(shè)計(jì)

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排煙過程伴隨著大量的熱能及噪聲，風(fēng)冷式柴油發(fā)電機(jī)組排煙消聲器采用雙層穿孔板加玻璃纖維內(nèi)襯材料阻抗復(fù)合型消聲器，消聲器擴(kuò)張比為12，功率損耗低于4%，噪聲頻段主要集中在中低頻，降噪效果大于28dB。玻璃纖維內(nèi)襯材料的使用使消聲器具有良好的隔熱性能，未使用前消聲器表面最高溫度高于210℃，使用后表面溫度不高于92℃，優(yōu)異的隔熱性能有利于機(jī)組高溫試驗(yàn)的通過，靜音排煙消聲器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 靜音消聲器結(jié)構(gòu)圖

3.3 冷卻風(fēng)量設(shè)計(jì)

靜音及超靜音型柴油發(fā)電機(jī)組在創(chuàng)造低噪音的同時(shí)，損耗了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的有功功率，也給機(jī)組冷卻帶來(lái)更高的要求。風(fēng)冷式柴油發(fā)電機(jī)組較水冷式柴油發(fā)電機(jī)組降噪更困難，采用強(qiáng)制排風(fēng)手段，就必須增加箱體通風(fēng)面積[9]，散熱量必須保證機(jī)組滿載及過載工作條件，而且追求散熱量就要增加箱體開口面積及排風(fēng)風(fēng)扇功率，大的散熱量往往伴隨大的噪音。靜音柴油發(fā)電機(jī)組各項(xiàng)因素功率損耗如表1所示。

表1 靜音柴油發(fā)電機(jī)組功率損耗表

對(duì)性能要求很高的柴油發(fā)電機(jī)組，需要通過高低溫試驗(yàn)，高溫50℃時(shí)滿載運(yùn)行11h，過載10%運(yùn)行1h，低溫零下40℃實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)成功，高低溫對(duì)機(jī)組功率影響很大，必須在設(shè)計(jì)初期就對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)性能及功率做全面考慮，對(duì)冷卻風(fēng)量做精確計(jì)算，此臺(tái)20kw機(jī)組總冷卻風(fēng)量達(dá)到52000L/min，確保功率余量使機(jī)組在高低溫環(huán)境下正常運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

在規(guī)定柴油發(fā)電機(jī)組外形尺寸、冷卻方式、常用功率、備用功率、高低溫試驗(yàn)條件、低噪音等一系列嚴(yán)格指標(biāo)情況下，為保證機(jī)組實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，通過鋼板、隔聲氈、巖棉板及微穿孔板的復(fù)合使用及合理厚度設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)良好的隔聲與吸聲效果。雙層穿孔板加玻璃纖維內(nèi)襯材料阻抗復(fù)合型消聲器的設(shè)計(jì)，在盡可能小的降低機(jī)組有功功率條件下實(shí)現(xiàn)28dB的降噪效果。通過冷卻風(fēng)量的計(jì)算，在高溫條件下也會(huì)實(shí)現(xiàn)熱平衡，保證機(jī)組的冷卻效果，且靜音箱體通風(fēng)開口處防雨百葉窗、靜音百葉窗、直接沖孔相結(jié)合，最大限度的屏蔽噪音。通過全局噪聲控制，機(jī)組1m處噪聲測(cè)量均值達(dá)到83dB，為進(jìn)一步降低風(fēng)冷式柴油發(fā)電機(jī)組噪聲及提高機(jī)組性能提供了大量數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)。

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