車載式燃氣輪機發(fā)電機組降噪的數(shù)字設(shè)計方法

王芳

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

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

1引言

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

燃機燃氣輪機發(fā)電機組是為了滿足備用應(yīng)急電源的需要而研制開發(fā)的輕型燃氣輪機發(fā)電機組。機組采用單元化和集成化設(shè)計；采取了良好的降噪措施；采用成熟的先進技術(shù)；部分配套件選用國外先進產(chǎn)品；起動、運行和停機采用計算機全過程自動化控制。該機組具有較好的先進性、可靠的使用性、簡便的維護性及起動迅速、低噪聲、操作自動化程度高等特點?？梢赃m合各種環(huán)境條件下使用。

本文介紹的車載式燃氣輪機發(fā)電機組在總體方案設(shè)計時充分借鑒了固定式燃氣輪機發(fā)電機組和車載式燃氣輪機發(fā)電機組的成熟經(jīng)驗。針對用戶技術(shù)要求重點進行了總體方案優(yōu)化設(shè)計。既確保燃氣輪機發(fā)電機組的工作性能，又滿足汽車整車的基本動力性能要求，特別是汽車在行駛過程中的安全性。

本文主要針對燃機發(fā)電機組的降噪設(shè)計工作進行論述，對于燃機機組來說，降噪設(shè)計主要分為機組的消聲設(shè)計和隔聲設(shè)計兩方面，其中存在的主要矛盾是較大的消聲、隔聲量與機組體積、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，在燃機發(fā)電機組上無法使用，所以選擇消音器和消音形式是燃機機組的一個重要的技術(shù)難題。

近年來，隨著燃機發(fā)電機組產(chǎn)品標準的不斷加嚴，國外燃機發(fā)電機組的噪聲水平有了長足的進步，根據(jù)工業(yè)企業(yè)噪聲控制設(shè)計規(guī)范GBJ87-85，我公司設(shè)計研制的燃機燃氣輪機發(fā)電機組按相關(guān)的規(guī)定，控制機組在距離箱體外1米處測量的噪聲值為85dB（A）以下。

按照這個設(shè)計目標，燃機燃氣輪機發(fā)電機組的降噪設(shè)計工作是一項系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計過程，它要求設(shè)計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)計理論，選擇適當(dāng)?shù)南曉透袈暯Y(jié)構(gòu)，使機組的噪聲量達到最佳值，滿足用戶的實際需要。

燃機發(fā)電機組的降噪設(shè)計是一門在成熟理論指導(dǎo)下的以試驗為基礎(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。

燃機機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)計理論經(jīng)歷了平面波一維理論和二維精確理論兩個主要階段。由于國內(nèi)對吸聲材料的基礎(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，在消聲器的實際設(shè)計過程中，國內(nèi)大都采用一維經(jīng)驗公式進行消聲器的估算。目前隨著現(xiàn)代計算機技術(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消聲管道進行三維模擬計算。

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

2降噪設(shè)計

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

對國內(nèi)外同類機組使用的消聲器進行了研究，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的基礎(chǔ)上，結(jié)合機組的具體重量、尺寸和流阻等要求，在機組的不同位置選取了不同形式的消音器，做為機組的消聲元件，并采用了二維及三維設(shè)計理論對各消音器進行了驗算和設(shè)計計算，針對不同消聲要求優(yōu)選出適應(yīng)不同情況的消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1機組總體降噪方案設(shè)計

燃機機組的綜合降噪設(shè)計工作，主要分為機組總體降噪方案確定和機組的消聲設(shè)計與隔聲設(shè)計三個方面。

（1）在燃機發(fā)電機組的降噪設(shè)計中，存在的主要矛盾是較大的消聲、隔聲量與機組體積、重量和流阻限制之間的矛盾。許多在其他場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發(fā)電機組上無法使用。

（2）對于車載式集裝箱機組，隔聲和消聲裝置通常占機組總重量的一半左右（見圖1），在機組總重量受到限制后，要求機組的設(shè)計者必須結(jié)合機組的實際情況，在尺寸重量等外部條件受到一定限制的場合，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)，將成為機組降噪設(shè)計的主要研究內(nèi)容。

燃氣輪機、發(fā)電機和機組的主要機械、電器輔助設(shè)備均安裝在一個封閉的集裝箱體內(nèi)，這種設(shè)計一方面為了滿足集成化設(shè)計的需要，同時也是為了將燃機機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，便于機組噪聲的綜合治理。

（3）在隔聲箱體的設(shè)計中，首先要解決機艙的通風(fēng)形式問題。為確保機艙內(nèi)的所有設(shè)備正常工作，必須對廂體內(nèi)部的燃機、發(fā)電機以及所有機械和電器元件進行通風(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煽康墓ぷ鳌τ谛」β嗜紮C發(fā)電機組，主機艙的冷卻形式我們進行了“通艙冷卻”。通艙冷去可以減少進排風(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)量相對較少，利于消聲元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。但是卻使機組排風(fēng)機負荷加大，發(fā)電機端箱體由于受到燃機部位傳來的噪聲的影響而使其隔聲性能等級有所提高。所以在排氣端設(shè)計了整體隔艙式消音器。

2.2燃機機組消聲器

燃機機組的消聲器主要有兩個：進風(fēng)消音器和進氣消音器。在機組消聲器設(shè)計時主要考慮了以下幾個方面的問題：（1）消聲性能；（2）氣動特性；（3）機械性能；（4）制造成本。燃機機組各個系統(tǒng)分別考慮了不同的因素，采用了不同形式的消音器。下面就著重對幾個消音器分別進行論述：

2.2.1進風(fēng)消音器的選擇

進風(fēng)消音器選擇了列管式消聲器，這是因為在整個系統(tǒng)的消音方面，進風(fēng)消音器占的比重最大，他要消去機組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風(fēng)消音器。進風(fēng)消音器的外形尺寸：0.95（長）×0.662（寬）×1.868（高）。它在機組的操作艙內(nèi)兩側(cè)，進風(fēng)過濾器的后面，有效控制了機組進風(fēng)的噪聲。詳情見下圖2和表1的消音頻譜。

進氣消聲器是選用先進的阻性消聲器。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。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組的噪聲，所以消聲器的一個主要技術(shù)指標就是消聲器的消音器的消聲量的大小。這部分也是進氣系統(tǒng)流阻損失比較嚴重的地方，所以衡量消聲器的另一個主要技術(shù)指標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為管道長度950mm；d為橫截面的等效直徑，等于四倍面積S與周長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粗糙度，相對粗糙度的比值用k/a表示。（k—壁面粗糙峰高度，a—管道等效直徑）

對于穿孔板護面結(jié)構(gòu)的消聲管道，λ約為0.04～0.06，一般情況下計算時取為0.05。

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

ξ擴=（1-S/S0）2=（1-1/m）2

ξ縮=0.5（1-1/m）

在管道進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=0.261，則對應(yīng)的總壓損失分別為：

P擴=Pvξ擴=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+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機組進氣消音器的選擇

機組進氣流阻包括進氣消音器、百葉窗和過濾器三部分。由于進氣系統(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氣消音器，見圖4。進氣消音器的截面尺寸1496mm×596mm，消音器的長度不應(yīng)大于800mm，進氣流量約為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。

進氣面積0.54m2，平行板寬度75mm，間隔103mm。（7片消聲片）。消聲量計算如公式（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，米；

L------管道橫截面積，米2；

F------消聲器長度，米。

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

燃機進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算如下：

Re=vd/ν=1.53×105

進氣面積0.54m2，平行板寬度75mm，間隔103mm。

Pv=ρV2/2=1.225×19.72/2=24.3mmH2O

P擴=ξ擴×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+P縮+P延程=9.9+6.06+0.44=16.4mmH2O

流阻損失16.4mmH2O達到設(shè)計要求，可以使用。

3結(jié)語

本文所闡述的燃氣輪機發(fā)電機組是為移動通信備用應(yīng)急電源的需要而研制開發(fā)的輕型燃氣輪機發(fā)電機組。機組采用單元化和集成化設(shè)計；采取了良好的降噪措施；采用成熟的先進技術(shù)；部分配套件選用世界上的先進產(chǎn)品；起動、運行和停機采用計算機全過程自動化控制。所以機組具有較好的先進性、可靠的使用性、簡便的維護性、起動迅速、低噪聲、操作自動化程度高、發(fā)電品質(zhì)好等特點；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，這在整個發(fā)電機組的行業(yè)都是一個倍受矚目的研究課題，相信隨著科技的進步，不久的將來降噪這個問題將會采用更先進的方法來解決。

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