王芳

【摘要】本文采用數(shù)字技術(shù)，針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組研制工作中的降噪問題，結(jié)合機(jī)組科研生產(chǎn)實(shí)例對(duì)小功率燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的降噪進(jìn)行較系統(tǒng)的研究和分析，提出了相應(yīng)解決方案。在設(shè)計(jì)研究過程中，首先測(cè)試和分析了燃?xì)廨啓C(jī)及其發(fā)電機(jī)組的噪聲源特點(diǎn)，制定出切實(shí)可行的消聲和隔聲元件設(shè)計(jì)指標(biāo)。在消聲器設(shè)計(jì)方面，比較和分析了各類消聲器的特點(diǎn)，針對(duì)機(jī)組對(duì)各消聲元件的重量、外形尺寸和流阻等條件的限制，在機(jī)組不同的地方設(shè)置了不同形式的消音器。應(yīng)用二維理論對(duì)主要消聲元件進(jìn)行了驗(yàn)算和設(shè)計(jì)計(jì)算，并對(duì)高溫條件下工作的燃機(jī)排氣消聲器進(jìn)行了分析和理論計(jì)算。在隔聲設(shè)計(jì)方面對(duì)雙層隔聲結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和計(jì)算，設(shè)計(jì)出符合總體降噪要求的燃機(jī)發(fā)電機(jī)組較大型隔聲箱體。本文對(duì)燃機(jī)機(jī)組降噪設(shè)計(jì)工作進(jìn)行了分析和總結(jié)，對(duì)以后設(shè)計(jì)工作提供了理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】燃機(jī)發(fā)電機(jī)組降噪消音器數(shù)字設(shè)計(jì)

1引言

現(xiàn)代化移動(dòng)電源已引起西方各國(guó)政府和軍方的充分重視。法國(guó)、英國(guó)、美國(guó)、日本、俄羅斯等國(guó)的許多發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)廠家已進(jìn)行了各型號(hào)移動(dòng)電源的研制開發(fā)工作，在不遠(yuǎn)的將來將成為各國(guó)的重要戰(zhàn)略裝備。我國(guó)在軍用移動(dòng)電源的研制方面，已經(jīng)明顯落后于西方國(guó)家。根據(jù)當(dāng)前我軍移動(dòng)電源的實(shí)際配備情況，急需配備高品質(zhì)的燃機(jī)發(fā)電機(jī)組設(shè)備。

燃機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組是為了滿足備用應(yīng)急電源的需要而研制開發(fā)的輕型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組。機(jī)組采用單元化和集成化設(shè)計(jì)；采取了良好的降噪措施；采用成熟的先進(jìn)技術(shù)；部分配套件選用國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品；起動(dòng)、運(yùn)行和停機(jī)采用計(jì)算機(jī)全過程自動(dòng)化控制。該機(jī)組具有較好的先進(jìn)性、可靠的使用性、簡(jiǎn)便的維護(hù)性及起動(dòng)迅速、低噪聲、操作自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)?？梢赃m合各種環(huán)境條件下使用。

本文介紹的車載式燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組在總體方案設(shè)計(jì)時(shí)充分借鑒了固定式燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組和車載式燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的成熟經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)用戶技術(shù)要求重點(diǎn)進(jìn)行了總體方案優(yōu)化設(shè)計(jì)。既確保燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的工作性能，又滿足汽車整車的基本動(dòng)力性能要求，特別是汽車在行駛過程中的安全性。

本文主要針對(duì)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的降噪設(shè)計(jì)工作進(jìn)行論述，對(duì)于燃機(jī)機(jī)組來說，降噪設(shè)計(jì)主要分為機(jī)組的消聲設(shè)計(jì)和隔聲設(shè)計(jì)兩方面，其中存在的主要矛盾是較大的消聲、隔聲量與機(jī)組體積、重量和流阻限制之間的矛盾。許多在其它地方具有良好隔聲和消聲效果的聲學(xué)元件，由于受到重量和體積等因素的限制，在燃機(jī)發(fā)電機(jī)組上無法使用，所以選擇消音器和消音形式是燃機(jī)機(jī)組的一個(gè)重要的技術(shù)難題。

近年來，隨著燃機(jī)發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的不斷加嚴(yán)，國(guó)外燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的噪聲水平有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，根據(jù)工業(yè)企業(yè)噪聲控制設(shè)計(jì)規(guī)范GBJ87-85，我公司設(shè)計(jì)研制的燃機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組按相關(guān)的規(guī)定，控制機(jī)組在距離箱體外1米處測(cè)量的噪聲值為85dB（A）以下。

按照這個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)，燃機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的降噪設(shè)計(jì)工作是一項(xiàng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，它要求設(shè)計(jì)者在有限的空間體積和重量范圍內(nèi)，一定的性能損失條件下以及有限的制造、使用成本和一定的研制周期情況下，采用較成熟的降噪設(shè)計(jì)理論，選擇適當(dāng)?shù)南曉透袈暯Y(jié)構(gòu)，使機(jī)組的噪聲量達(dá)到最佳值，滿足用戶的實(shí)際需要。

燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的降噪設(shè)計(jì)是一門在成熟理論指導(dǎo)下的以試驗(yàn)為基礎(chǔ)的應(yīng)用學(xué)科，其理論涉及到噪聲控制的許多分支領(lǐng)域。

燃機(jī)機(jī)組使用的消音器通常以阻性消音器為主。常溫下使用的阻性消聲器設(shè)計(jì)理論經(jīng)歷了平面波一維理論和二維精確理論兩個(gè)主要階段。由于國(guó)內(nèi)對(duì)吸聲材料的基礎(chǔ)研究比較少，吸聲材料廠家一般只能給出吸聲材料的吸聲系數(shù)，因此，在消聲器的實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，國(guó)內(nèi)大都采用一維經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行消聲器的估算。目前隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，也有很多技術(shù)人員正在采用有限元理論和差分法等對(duì)消聲管道進(jìn)行三維模擬計(jì)算。

本文在消聲器的選擇上應(yīng)用了多種設(shè)計(jì)方法，并應(yīng)用了平行板式消聲器、列管式消聲器。

2降噪設(shè)計(jì)

本文從隔音和消音兩個(gè)方面對(duì)機(jī)組的降噪設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，完成了燃機(jī)機(jī)組的總體降噪設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)過程中首先進(jìn)行了機(jī)組噪聲頻譜的測(cè)試與分析，確定了機(jī)組各主要消聲元件的消聲和隔聲設(shè)計(jì)指標(biāo)，為機(jī)組的降噪設(shè)計(jì)提供可靠的技術(shù)依據(jù)。針對(duì)燃機(jī)設(shè)計(jì)和使用特點(diǎn)，制定了切實(shí)可行的總體降噪設(shè)計(jì)方案，確保了機(jī)組體積小、重量輕和噪聲指標(biāo)低這些鮮明的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。研究和分析了用戶對(duì)機(jī)組安裝廠房周圍的環(huán)境噪聲指標(biāo)要求，根據(jù)廠房的實(shí)際情況，制定出廠房的“二次消音”設(shè)計(jì)方案。

對(duì)國(guó)內(nèi)外同類機(jī)組使用的消聲器進(jìn)行了研究，在分析了抗性、阻性和阻抗復(fù)合式消聲器工作原理和消聲特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)組的具體重量、尺寸和流阻等要求，在機(jī)組的不同位置選取了不同形式的消音器，做為機(jī)組的消聲元件，并采用了二維及三維設(shè)計(jì)理論對(duì)各消音器進(jìn)行了驗(yàn)算和設(shè)計(jì)計(jì)算，針對(duì)不同消聲要求優(yōu)選出適應(yīng)不同情況的消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1機(jī)組總體降噪方案設(shè)計(jì)

燃機(jī)機(jī)組的綜合降噪設(shè)計(jì)工作，主要分為機(jī)組總體降噪方案確定和機(jī)組的消聲設(shè)計(jì)與隔聲設(shè)計(jì)三個(gè)方面。

（1）在燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的降噪設(shè)計(jì)中，存在的主要矛盾是較大的消聲、隔聲量與機(jī)組體積、重量和流阻限制之間的矛盾。許多在其他場(chǎng)合具有良好隔聲和消聲效果的聲學(xué)元件，由于受到重量和體積等因素的限制在燃機(jī)發(fā)電機(jī)組上無法使用。

（2）對(duì)于車載式集裝箱機(jī)組，隔聲和消聲裝置通常占機(jī)組總重量的一半左右（見圖1），在機(jī)組總重量受到限制后，要求機(jī)組的設(shè)計(jì)者必須結(jié)合機(jī)組的實(shí)際情況，在尺寸重量等外部條件受到一定限制的場(chǎng)合，有選擇性地采用體積小、重量輕的消聲和隔聲元器件的結(jié)構(gòu)，將成為機(jī)組降噪設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容。

燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)和機(jī)組的主要機(jī)械、電器輔助設(shè)備均安裝在一個(gè)封閉的集裝箱體內(nèi)，這種設(shè)計(jì)一方面為了滿足集成化設(shè)計(jì)的需要，同時(shí)也是為了將燃機(jī)機(jī)組的主要噪聲源封閉在隔聲箱體內(nèi)，使噪聲經(jīng)隔聲箱體衰減后傳出廂體外，便于機(jī)組噪聲的綜合治理。

（3）在隔聲箱體的設(shè)計(jì)中，首先要解決機(jī)艙的通風(fēng)形式問題。為確保機(jī)艙內(nèi)的所有設(shè)備正常工作，必須對(duì)廂體內(nèi)部的燃機(jī)、發(fā)電機(jī)以及所有機(jī)械和電器元件進(jìn)行通風(fēng)冷卻，保證廂體內(nèi)的所有設(shè)備在適當(dāng)?shù)臏囟认掳踩煽康墓ぷ?。?duì)于小功率燃機(jī)發(fā)電機(jī)組，主機(jī)艙的冷卻形式我們進(jìn)行了“通艙冷卻”。通艙冷去可以減少進(jìn)排風(fēng)口的數(shù)量，便于廂體外排風(fēng)管道與外界排風(fēng)管道德轉(zhuǎn)接，由于通風(fēng)口數(shù)量相對(duì)較少，利于消聲元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。但是卻使機(jī)組排風(fēng)機(jī)負(fù)荷加大，發(fā)電機(jī)端箱體由于受到燃機(jī)部位傳來的噪聲的影響而使其隔聲性能等級(jí)有所提高。所以在排氣端設(shè)計(jì)了整體隔艙式消音器。

2.2燃機(jī)機(jī)組消聲器

燃機(jī)機(jī)組的消聲器主要有兩個(gè)：進(jìn)風(fēng)消音器和進(jìn)氣消音器。在機(jī)組消聲器設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮了以下幾個(gè)方面的問題：（1）消聲性能；（2）氣動(dòng)特性；（3）機(jī)械性能；（4）制造成本。燃機(jī)機(jī)組各個(gè)系統(tǒng)分別考慮了不同的因素，采用了不同形式的消音器。下面就著重對(duì)幾個(gè)消音器分別進(jìn)行論述：

2.2.1進(jìn)風(fēng)消音器的選擇

進(jìn)風(fēng)消音器選擇了列管式消聲器，這是因?yàn)樵谡麄€(gè)系統(tǒng)的消音方面，進(jìn)風(fēng)消音器占的比重最大，他要消去機(jī)組30dB（A）的噪聲，并且此處消音器的體積要求不能太大，所以選擇了在同樣體積情況下消音量比較大的列管式消音器作為進(jìn)風(fēng)消音器。進(jìn)風(fēng)消音器的外形尺寸：0.95（長(zhǎng)）×0.662（寬）×1.868（高）。它在機(jī)組的操作艙內(nèi)兩側(cè)，進(jìn)風(fēng)過濾器的后面，有效控制了機(jī)組進(jìn)風(fēng)的噪聲。詳情見下圖2和表1的消音頻譜。

進(jìn)氣消聲器是選用先進(jìn)的阻性消聲器。具有體積小、重量輕、消聲頻譜寬、消聲量大及流阻損失小等特點(diǎn)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由吹塑成型的穿孔塑料管，塑料管周圍覆以吸音材料。其外部框架由鋼板機(jī)加成型。

消聲器是控制氣流噪聲通過管道向外傳播的有效工具。它是一種能阻止聲音傳播而允許氣流通過的裝置。主要的目的就是降低機(jī)組的噪聲，所以消聲器的一個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)就是消聲器的消音器的消聲量的大小。這部分也是進(jìn)氣系統(tǒng)流阻損失比較嚴(yán)重的地方，所以衡量消聲器的另一個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)是消聲器的流阻特性。

消聲器的流阻可用下式表示：

P=ξρV2/2

其中：P---消聲器流阻損失，單位：Pa

ξ-----流阻系數(shù)

ρ-----流體密度，單位：kg/m3

V-----流體的平均速度，單位：m/s

管道內(nèi)壁摩擦產(chǎn)生的壓力損失可由下式?jīng)Q定：

V=Q/（ρA）=20/（1.225×2.48）=6.58m/s

Pv=ρV2/2=1.225×6.582/2=26.5Pa

P管=λPvL/d

式中：Pv氣體的動(dòng)壓；ρ為氣體的密度；V為管道最小截面處的流速；L為管道長(zhǎng)度950mm；d為橫截面的等效直徑，等于四倍面積S與周長(zhǎng)F之比（如圖3），即：

d=4S/F=0.04m

比例常數(shù)λ為摩擦阻力系數(shù)。通常消聲器內(nèi)的雷諾數(shù)大于105，λ僅決定于壁面的相對(duì)粗糙度，相對(duì)粗糙度的比值用k/a表示。（k—壁面粗糙峰高度，a—管道等效直徑）

對(duì)于穿孔板護(hù)面結(jié)構(gòu)的消聲管道，λ約為0.04～0.06，一般情況下計(jì)算時(shí)取為0.05。

當(dāng)管道突然擴(kuò)大和縮小時(shí)（直角過渡），局部阻力系數(shù)分別為：

ξ擴(kuò)=（1-S/S0）2=（1-1/m）2

ξ縮=0.5（1-1/m）

在管道進(jìn)口端的局部損失系數(shù)ξ縮=0.256，管道出口端的局部損失系數(shù)ξ擴(kuò)=0.261，則對(duì)應(yīng)的總壓損失分別為：

P擴(kuò)=Pvξ擴(kuò)=26.5×0.261=6.9Pa

P縮=Pvξ縮=26.5×0.256=6.6Pa

管道內(nèi)部的總壓損失為：

P管=λPvL/d=0.05×26.5×0.95/0.04=31.4Pa

則消聲管道總的壓力損失▽P為：

P=P擴(kuò)+P縮+P管=45Pa=4.6mmH2O

所以該消聲器滿足了我們的消音量和流阻限值，可以應(yīng)用。

2.2.2機(jī)組進(jìn)氣消音器的選擇

機(jī)組進(jìn)氣流阻包括進(jìn)氣消音器、百葉窗和過濾器三部分。由于進(jìn)氣系統(tǒng)的重量要求以及成本的要求，此處我們選擇了平行板式消音器作為進(jìn)氣消音器，見圖4。進(jìn)氣消音器的截面尺寸1496mm×596mm，消音器的長(zhǎng)度不應(yīng)大于800mm，進(jìn)氣流量約為13kg/s（15℃），消音器的消音量不小于15dB（A），流阻損失不大于20mmH2O。

圖5中陰影部分為吸聲材料層，內(nèi)部填充容重30Kg/m3的玻璃纖維棉，外層包覆無堿玻璃絲布，最外層用穿孔率為20%的1mm厚鍍鋅穿孔板作為防護(hù)面，穿孔直徑Φ=2.5mm，消音器外殼內(nèi)吸聲結(jié)構(gòu)與吸聲片相同，厚度約為吸聲片厚度的一半。

進(jìn)氣面積0.54m2，平行板寬度75mm，間隔103mm。（7片消聲片）。消聲量計(jì)算如公式（2.3.21），表2為消音頻譜。

消聲量為△L阻性=1.3αPL/F（分貝）（2.3.21）

式中：α----消聲器內(nèi)部飾面的吸聲系數(shù)；

P------管道橫截面的周長(zhǎng)，米；

L------管道橫截面積，米2；

F------消聲器長(zhǎng)度，米。

消聲器后的聲壓級(jí)為96.2dB（A），傳聲損失為122.31-96.2=26.11dB（A）。

燃機(jī)進(jìn)氣部分流阻主要在于平板消音器的流阻，平行板消音器的流阻計(jì)算如下：

Re=vd/ν=1.53×105

進(jìn)氣面積0.54m2，平行板寬度75mm，間隔103mm。

Pv=ρV2/2=1.225×19.72/2=24.3mmH2O

P擴(kuò)=ξ擴(kuò)×Pv=1/2（1-1350/655）2×24.3=9.9mmH2O

P縮=ξ縮×Pv=1/2（1-655/1350）×24.3=6.06mmH2O

P延程=λPvL/d=0.0032×24.3×1/〔2×103×655/（103+655）〕=0.44mmH2O

H=P擴(kuò)+P縮+P延程=9.9+6.06+0.44=16.4mmH2O

流阻損失16.4mmH2O達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以使用。

3結(jié)語(yǔ)

本文所闡述的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組是為移動(dòng)通信備用應(yīng)急電源的需要而研制開發(fā)的輕型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組。機(jī)組采用單元化和集成化設(shè)計(jì)；采取了良好的降噪措施；采用成熟的先進(jìn)技術(shù)；部分配套件選用世界上的先進(jìn)產(chǎn)品；起動(dòng)、運(yùn)行和停機(jī)采用計(jì)算機(jī)全過程自動(dòng)化控制。所以機(jī)組具有較好的先進(jìn)性、可靠的使用性、簡(jiǎn)便的維護(hù)性、起動(dòng)迅速、低噪聲、操作自動(dòng)化程度高、發(fā)電品質(zhì)好等特點(diǎn)；適合多種環(huán)境條件下使用。最主要的是它的低噪音受到了所有用戶的青睞，這在整個(gè)發(fā)電機(jī)組的行業(yè)都是一個(gè)倍受矚目的研究課題，相信隨著科技的進(jìn)步，不久的將來降噪這個(gè)問題將會(huì)采用更先進(jìn)的方法來解決。

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