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6135發(fā)電機組低噪聲方艙電站設(shè)計研究

2011-05-11 11:18:12張振海孫志峰
通信電源技術(shù) 2011年2期
關(guān)鍵詞:玻璃棉消聲進風(fēng)口

張振海,劉 江,孫志峰

(1.重慶通信學(xué)院 營房科,重慶400035;2.重慶通信學(xué)院 軍事目標(biāo)特征控制,重慶400035;3.重慶通信學(xué)院 移動通信,重慶400035)

0 引 言

6135型固定柴油發(fā)電機組做為通信后備電源,其噪聲聲壓級高,分布頻帶寬,不但對通信臺站的正常值勤產(chǎn)生強烈的干擾,同時聲振特征信號也易于遭受敵方的偵測打擊。研制低噪音方艙電站就是為了解決這一突出問題,通過降低發(fā)電機組的噪聲,最終提高其戰(zhàn)場生存能力。作者通過對該機組噪聲倍頻程的測量,分析掌握了其噪聲分布規(guī)律;通過對機組聲強的測量找出其主要噪聲源,并針對機組的噪聲分布及頻譜特性,設(shè)計出了符合降噪要求的雙層隔聲罩結(jié)構(gòu)。

1 噪聲頻譜分析及主要聲源的識別

為了加強對發(fā)電機噪聲源的識別,為消聲降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計提供相應(yīng)的參考,在此以6135型柴油發(fā)電機組為實驗研究對象,機組在加載50kW的穩(wěn)態(tài)工況下進行噪聲測試。

試驗是在本實驗室電源機房中進行,機房房頂較高,面積大于1 000m2,且背景噪聲低于50dB。測試對象為帶載50kW的6135型柴油發(fā)電機組,機組外形尺寸為3 000mm×900mm×1 550mm。為了將整體噪聲與排氣噪聲分開,發(fā)電機機組排氣管通過管道直接通入地下排煙通道。

圖1 機組噪聲測量示意圖

為準(zhǔn)確定位各個測點,用角鋼和細(xì)鐵絲拉出測量網(wǎng)格,每個網(wǎng)格尺寸大小為300mm×300mm。對包圍機組的前、后、左、右和上表面進行測量(圖1)。測試儀器為B&K公司生產(chǎn)的2260聲學(xué)測量分析系統(tǒng)。為提高測量精度,將測量探頭靠近發(fā)電機組的表面以降低干擾,因此設(shè)置測量面距發(fā)電機組外圍尺寸0.1m,各個面上的網(wǎng)格數(shù)目分別為11×6(機組正面和背面)、5×6(機組左面和右面)、11×5(機組頂面)。同時對各個面上的網(wǎng)格節(jié)點進行編號,聲強探頭與測量面保持垂直。為減少發(fā)電機組散熱風(fēng)扇及發(fā)電機出風(fēng)對聲強測量的影響,在測量風(fēng)速較大部位的聲強時,在測量探頭上加裝防風(fēng)帽。

從圖2噪聲頻譜圖上可以看出機組噪聲分布頻段較廣,機組各個表面的噪聲有兩個峰值頻率,其中以頻率為10kHz的噪聲最為強烈,最高達110dB(機組左側(cè)面),另一個噪聲較高的頻率處于500~4 000Hz處。

圖2 發(fā)電機組噪聲倍頻呈頻譜分布圖

圖3 各個測量面的聲強等高線圖

從發(fā)電機組包絡(luò)面的聲強測試等高線圖(圖3)中可以看出發(fā)電機組噪聲主要可以分為三個區(qū)域:分別為發(fā)動機噪聲區(qū)、發(fā)電機噪聲區(qū)和排風(fēng)扇噪聲區(qū)。其中排氣扇區(qū)的噪聲聲壓級為最高,達110dB,峰值點位于排風(fēng)扇的中下方;發(fā)動機噪聲區(qū)的噪聲聲強級僅次于排氣扇區(qū)域,最高達106.5dB,峰值點分別位于機油泵上方,油底殼以及調(diào)速器區(qū)域。發(fā)電機區(qū)域的噪聲普遍偏低,最高為100dB左右。從聲壓等高線圖整體分析,發(fā)動機兩側(cè)的噪聲聲強級整體偏高,等高線梯度變化小,發(fā)動機與發(fā)電機聯(lián)軸器以及發(fā)動機與水箱之間的聲強等高線梯度變化劇烈。

2 降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

發(fā)電機組在運行過程中會產(chǎn)生各種類型的噪聲,且噪聲分布范圍較廣,單純某一種噪聲控制方式很難有效解決機組的噪聲污染問題。為此,根據(jù)測量分析,結(jié)合機組噪聲分布和頻譜特點,方艙內(nèi)空間主要分為四大噪聲區(qū)域以方便噪聲的控制,分別為發(fā)電機噪聲區(qū)、發(fā)動機噪聲區(qū)、內(nèi)燃機排氣噪聲區(qū)和水箱風(fēng)扇排氣噪聲區(qū),對每一部分有針對性地分別處理,根據(jù)這個觀點設(shè)計靜音箱結(jié)構(gòu)簡圖,如圖4所示。

圖4 靜音箱模擬結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 吸聲和隔聲量計算

為確保隔聲結(jié)構(gòu)的效果,隔聲罩采用金屬鋼板,但由于金屬鋼板為剛性壁面,機組噪聲遇到內(nèi)壁易形成多次反射,造成混響和聲能量的迭加,艙內(nèi)聲壓級可因此增加3~5dB(A)。為消除混響,又不致影響隔聲性能,采用穿孔板后貼纖維吸聲材料的結(jié)構(gòu),這樣既可保證吸聲降噪效果,又不占用有限的空間。

吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能好壞,主要用其吸聲系數(shù)的高低來表示。吸聲系數(shù)是指聲波入射到物體表面時,其能量被吸收的百分率,即被吸收的聲能與入射總聲能之比,通常用符號α來表示。吸聲材料種類繁多,設(shè)計中吸聲材料的選擇主要考慮以下幾個方面:

(1)吸聲材料的吸聲能力和頻段

在選用吸聲材料時,首先應(yīng)滿足有利于降低聲波頻譜中峰值頻段的噪聲,因為聲能量主要集中在幾個峰值頻率,噪聲峰值降低了,總的噪聲輻射就可明顯降低。柴油發(fā)電機組的噪聲集中在中、低頻段,為此吸聲材料應(yīng)在中、低頻段有較高的吸聲系數(shù)。在厚度不變的情況下,材料的容重越大則其吸聲頻率就越向低頻方向移動,其吸聲系數(shù)就越大。

(2)吸聲材料的物理特性

發(fā)電機組工作時散發(fā)大量熱量,內(nèi)層隔聲結(jié)構(gòu)內(nèi)空間有限,加之相對封閉,因此穩(wěn)態(tài)溫度是比較高的。所以還應(yīng)充分考慮吸聲材料的耐熱和安全性能。

綜合以上因素,將吸聲材料選定為體積密度為32kg/m3的無堿超細(xì)玻璃棉。超細(xì)玻璃棉的吸聲特性見表1。

表1 超細(xì)玻璃棉的吸聲特性(混響室法)

由以上數(shù)據(jù)可知,所選用的超細(xì)玻璃棉不僅在高頻,而且在中、低頻也有較好的吸聲效果,而這種吸聲特性正符合是柴油發(fā)電機組噪聲的頻譜特點,所以選擇超細(xì)玻璃棉是合適的。

有限空間內(nèi)的吸聲效果常用吸聲量A來表示:

則超細(xì)玻璃棉的平均吸聲系數(shù)可通過下式計算:

吸聲處理前后的聲壓級差ΔL(dB),可近似用下式進行估算:

可見超細(xì)玻璃棉有很好的吸聲效果,選用方案是可行的。

方艙各表面面板內(nèi)表面均采用吸聲結(jié)構(gòu),即采用穿孔板和隔聲壁板間填充吸聲材料的結(jié)構(gòu),這是一種建立在微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的既有阻又有抗的共振式消聲器,實際上是阻抗復(fù)合式消聲器的一種特殊型式,其吸收系數(shù)高、吸收頻帶寬、壓力損失少、氣流再生噪聲低,能承受較高氣流速度的沖擊。穿孔板為1mm鋼板,穿孔率為20%~25%,孔徑為6mm,后貼厚度為50mm、面密度M為32kg/m2的無堿超細(xì)玻璃棉,為防止吸聲材料受氣流影響飛落,在吸聲材料和穿孔板間以玻璃布為襯層。

為保證內(nèi)層隔聲罩內(nèi)機組的通風(fēng)散熱,在內(nèi)層隔聲罩后部,對應(yīng)機組柴油機和發(fā)電機連接部位,開有進風(fēng)口。由于柴油機是整個機組散熱的主要來源,進風(fēng)口開在靠近柴油機尾側(cè)的位置,可充分利用機組前端冷卻風(fēng)扇工作時形成的負(fù)壓,使外界進入的低溫空氣對整個柴油機進行冷卻。為防止柴油機噪聲從進風(fēng)口傳出,內(nèi)層隔聲罩的進風(fēng)口和外層壁板上的進風(fēng)口間設(shè)置消聲器,并在消聲器內(nèi)壁貼附高效吸聲材料。

在機組的發(fā)動機散熱水箱出風(fēng)處,設(shè)置阻性折板式消聲器,將發(fā)電機組的總體出風(fēng)從方艙前上方向外排出,并最終通過法欄與外接的出風(fēng)通道相連接,將出風(fēng)直接引出機房。

2.3 排氣風(fēng)扇消聲器

排氣風(fēng)扇消聲器采用多通道折板式消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計,這種消聲器適用于風(fēng)速不高的通風(fēng)管道,可以增加聲波在管道內(nèi)的傳播路程,使材料能更多地接觸聲波,如圖5。特別是對中高頻聲波,能增加傳播中的反射次數(shù),從而使中高頻的消聲特性有明顯地改善。為了盡量減少消聲器的阻力損失,通道截面積設(shè)計為發(fā)電機組水箱風(fēng)扇處截面積的2倍。

由于排氣管是柴油發(fā)電機組的最大噪聲擴散源,因此抑制排氣噪聲最簡單且最有效的方法就是在排氣管上安裝消聲器。所采用的消聲器應(yīng)盡量減少通道各部件的壓力損失,故要堅持以下原則:1)盡量降低排氣通道中各部件的氣流速度;2)盡量減小排氣通道中直角彎頭的使用次數(shù),并擴大排氣管截面。因此,進行消聲處理時設(shè)計遵循以上原則,在原有消聲器的基礎(chǔ)上再加一抗性消聲器形成兩級擴張式(抗性)。經(jīng)實際測量可知,排氣噪聲(排氣管出口1m處)減少了30dB(消聲器安裝前為108dB,安裝后為75dB)以上,達到了預(yù)期目的。但是,采用消聲器會使排氣管中氣流阻力增大,降低柴油發(fā)電機組的有效功率,因此要加以注意。

圖5 排氣風(fēng)扇消聲器

排氣風(fēng)扇消聲器為阻性消聲器結(jié)構(gòu),其噪聲衰減量

也可表示為

式中,A為消聲系數(shù),其由吸聲壁面的法向聲導(dǎo)率決定;S為消聲通道截面面積;F為未消聲通道截面周長;L為消聲通道有效長度。

式中,α為襯貼材料的吸聲系數(shù)。

將發(fā)電機組排氣風(fēng)扇消聲器結(jié)構(gòu)簡化為四個片式消聲器進行計算,簡化后各個消聲器模型的參數(shù)及最終消聲量如表2所示。

表2 消聲器消聲量計算表

從計算結(jié)果中可以看出,排氣風(fēng)扇消聲器的消聲效果是理想的,可以實現(xiàn)將機組風(fēng)扇排氣噪聲降低至小于85dB的目標(biāo)。

2.4 發(fā)動機艙進氣消聲器

方艙電站的發(fā)動機進氣消聲結(jié)構(gòu)可以視其為一個室式消聲器。室式消聲器是在壁面上均襯貼吸聲材料,形成小消聲室,在室的兩對角設(shè)置進出口風(fēng)管,如圖6所示。當(dāng)聲波進入消聲室后,就在小室內(nèi)經(jīng)多次反射而被材料所吸收。又由于管道從進風(fēng)口至室內(nèi),又從室內(nèi)至出風(fēng)口,截面發(fā)生兩次突變,故還起到抗性消聲器的作用?;谶@些原因,室式消聲器的消聲頻帶較寬,消聲量也較大。

圖6 室式消聲器結(jié)構(gòu)圖

室式消聲器的傳聲損失LTL按以下公式估計:

式中,S為進風(fēng)口(出風(fēng)口)的面積;Sm為小室內(nèi)吸聲襯貼表面面積;α為材料平均吸聲系數(shù);D為進風(fēng)口至出風(fēng)口的距離。

從上式可以看出,括號內(nèi)第一項為進口到出口的直達聲,cosθ相當(dāng)于指向性因數(shù);(1-ˉα)/Smα為房間常數(shù)的倒數(shù)1/R,前項為直接聲隨距離的衰減,后項為混響聲的衰減。進口相當(dāng)于聲源,出口相當(dāng)于接收點。設(shè)計出室式消聲器的結(jié)構(gòu)之后即可計算出發(fā)動機艙的降噪量。

發(fā)動機是一個強熱源,雙層隔聲罩的低噪聲結(jié)構(gòu)會對發(fā)動機的通風(fēng)散熱產(chǎn)生極大影響。為確保發(fā)電機組不因工作環(huán)境溫度過高而影響其功率輸出,需要首先確定機組通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)。故只能設(shè)計出發(fā)動機艙的基本結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上通過計算不同結(jié)構(gòu)的組合方式,設(shè)計滿足發(fā)電機組散熱要求的一系列發(fā)動機艙結(jié)構(gòu)。然后計算其降噪量,最終得到符合機組要求的低噪聲機組艙。

3 小 結(jié)

通過實驗測量6135柴油發(fā)電機組的噪聲分布及其頻率特性和機組工作時的熱量分布情況,設(shè)計出有效控制其噪聲污染的方艙消聲結(jié)構(gòu):即針對發(fā)電機組排風(fēng)扇采用折板式阻性消聲器,對于噪聲級較高的發(fā)動機采用雙層隔聲罩以降低噪聲,對于發(fā)電機部分采用單層隔聲罩降低噪聲。由于發(fā)動機是一個強熱源,雙層隔聲罩上的進風(fēng)通道會影響到隔聲罩的隔聲質(zhì)量和機組的通風(fēng)散熱效果,為此需要確定雙層隔聲罩的結(jié)構(gòu)形式以滿足機組的總體降噪要求,這將在今后的實驗研究中做進一步的深入研究。

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