新型穿孔隔聲罩隔聲性能

張 權(quán)，趙宸翦，羅曉春，程 偉

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

近年來(lái)，世界燃?xì)廨啓C(jī)工業(yè)取得相當(dāng)?shù)某删秃惋w速的發(fā)展，幾家著名的公司GE、ABB、Siemens和西屋等與航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、研究、制造廠(chǎng)合作開(kāi)發(fā)，將燃?xì)廨啓C(jī)擴(kuò)展應(yīng)用在航空及船舶等領(lǐng)域。隨著燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組功率的提升及使用范圍的增加，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組振動(dòng)、噪聲等舒適性方面的要求越來(lái)越嚴(yán)苛，尤其是對(duì)使用人員造成直接影響的噪聲方面。各燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)家在該方面均進(jìn)行大量投入，從燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組本體（噪聲源）設(shè)計(jì)、傳播途徑等方面進(jìn)行改進(jìn)。受限于技術(shù)及加工能力方面的影響，進(jìn)一步降低噪聲源變得越來(lái)越困難。目前，主要通過(guò)傳播途徑對(duì)噪聲進(jìn)行控制，使用隔聲罩已被證明為最有效的方式之一。隨著設(shè)備空間、質(zhì)量尺寸要求限制，對(duì)發(fā)電機(jī)等噪聲較少的設(shè)備將被罩在隔聲罩以外，即隔聲罩單獨(dú)覆蓋燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)型式，該型式研究及應(yīng)用相對(duì)較少。

此外，隨著對(duì)設(shè)備運(yùn)行時(shí)的環(huán)境要求越來(lái)越高，而噪聲是用戶(hù)舒適性體驗(yàn)最重要的影響因素之一，因此，對(duì)不同功率等級(jí)、不同結(jié)構(gòu)尺寸的高噪聲設(shè)備均存在加裝隔聲罩的需求。

鑒于上述情況，本文對(duì)旋轉(zhuǎn)軸穿隔聲罩密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，解決穿孔結(jié)構(gòu)的密封、連接和穩(wěn)定運(yùn)行等問(wèn)題，同時(shí)確保整體隔聲效果仍滿(mǎn)足指標(biāo)要求[1-5]。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 總體方案

新型穿孔隔聲罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案充分借鑒了以往柴油發(fā)電機(jī)組裝置用隔聲罩成熟的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，按照技術(shù)要求對(duì)旋轉(zhuǎn)軸穿隔聲罩等進(jìn)行了相應(yīng)的初步設(shè)計(jì)，具體結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1。根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)定隔聲目標(biāo)≥25 dB。

圖1 方案示意圖

1.2 隔聲罩主體部分

隔聲罩主體采用傳統(tǒng)的隔聲罩結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)現(xiàn)有某隔聲罩結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行等比例縮放。總體尺寸為2 000 mm×1 500 mm×1 500 mm，為了盡量接近實(shí)際情況，主體框架采用矩形鋼結(jié)構(gòu)，兩側(cè)及頂部采用隔聲板結(jié)構(gòu)形式，前方采用隔聲門(mén)結(jié)構(gòu)形式，無(wú)限接近實(shí)際情況，充分考慮結(jié)構(gòu)的維修方便性，同時(shí)可驗(yàn)證門(mén)板結(jié)構(gòu)的密封結(jié)構(gòu)。后方采用鋼板結(jié)構(gòu)形式，方便穿孔結(jié)構(gòu)的安裝，具體結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖2。

圖2 主體結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 穿孔隔聲結(jié)構(gòu)

穿孔隔聲結(jié)構(gòu)形式主要是依托盡量低的軸間隙來(lái)降低漏聲量，具體結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖3?？傮w尺寸為800 mm×800 mm×500 mm，通過(guò)安裝吊耳完成與隔聲罩主體的安裝。隔聲結(jié)構(gòu)通過(guò)改變?cè)肼暤膫鬟f形式隔聲結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)噪聲的初步降低，由于隔聲結(jié)構(gòu)與軸之間需預(yù)留足夠的空間，避免出現(xiàn)軸系磕碰造成安全隱患。結(jié)構(gòu)內(nèi)徑為290 mm，后續(xù)有200 mm軸進(jìn)行穿孔，單邊間距為45 mm，空間距離較為安全。耐磨護(hù)套主要成份為石墨結(jié)構(gòu)，其本身不僅具有一定的潤(rùn)滑性，發(fā)生摩擦?xí)r不會(huì)對(duì)軸系產(chǎn)生影響，并且密度、強(qiáng)度等均較低，發(fā)生磕碰時(shí)同樣不會(huì)對(duì)軸系產(chǎn)生影響，具有一定的保護(hù)作用，采用哈弗式結(jié)構(gòu)，便于拆卸和安裝，通過(guò)過(guò)盈配合的方式避免出現(xiàn)漏聲的情況?？紤]安裝誤差接不同結(jié)構(gòu)形式的要求，設(shè)定了軸與耐磨護(hù)套最大單邊間距為10 mm的軸向間距，滿(mǎn)足聯(lián)軸器1 cm補(bǔ)償量的設(shè)計(jì)值。

圖3 穿孔結(jié)構(gòu)示意圖

2 隔聲性能計(jì)算

2.1 理論計(jì)算

隔聲效果估算情況：隔聲量與穿孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系為

式中：L為總隔聲量；S為開(kāi)孔的面積，即孔的面積減去軸測(cè)面積。

根據(jù)設(shè)定值，當(dāng)孔徑220 mm、軸頸200 mm時(shí)，隔聲量約為21.8 dB，無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)值[6-7]。

穿孔隔聲結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖3，總體尺寸為500 mm×800 mm，聲波在通過(guò)其進(jìn)行傳播方程為

由于軸和管壁為硬邊界，穿孔隔聲結(jié)構(gòu)的隔聲量估算公式為

式中：Lw為隔聲量；m為截面積比；l為軸段長(zhǎng)度。

經(jīng)估算及經(jīng)驗(yàn)公式可知，其隔聲效果與軸孔徑疊加后為30 dB，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.2 仿真計(jì)算

根據(jù)結(jié)構(gòu)模型建立有限元模型，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4，按照邊界條件設(shè)定進(jìn)口聲壓為120 dB，計(jì)算經(jīng)過(guò)模型的傳遞損失。

圖4 隔聲結(jié)構(gòu)有限元模型

場(chǎng)地進(jìn)氣改造后具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知，總體隔聲量約為30 dB，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖5 場(chǎng)地進(jìn)氣改造后

2.3 測(cè)試結(jié)果

照GJB 4058—2000噪聲振動(dòng)測(cè)量方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔聲測(cè)試，具體見(jiàn)圖6，在隔聲罩內(nèi)放入功率放大器及噪聲測(cè)試傳感器，在隔聲罩外1 m位置放置噪聲測(cè)試傳感器。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試示意圖

具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖7可知當(dāng)噪聲源為85 dB時(shí)，隔聲罩外噪聲為58 dB，背景噪聲為43 dB，隔聲量為27 dB，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖7 罩外噪聲指標(biāo)對(duì)比

3 結(jié)論

本文根據(jù)目前環(huán)境噪聲使用需求，借鑒以往某柴油發(fā)電機(jī)組項(xiàng)目使用經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)新型穿孔隔聲罩，提出設(shè)計(jì)目標(biāo)，經(jīng)過(guò)理論、仿真、試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸穿過(guò)隔聲罩這種新型結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)有重要的借鑒意義。