新聞主題	組合式低噪聲柴油機方艙電站的特點

 

摘要：低噪聲方艙電站是針對目前柴油發(fā)電機組的振動和噪聲污染等問題，采用減振、隔聲、吸聲和消聲等技術手段限制振動和噪聲的傳播，在保證額定功率輸出的前提下，達到降低噪聲的效果。組合式方艙是一種可拆卸結構，對結構尺寸較大的方艙，由于受道路運輸條件的限制，可先拆卸成滿足運輸要求的小方艙，到達使用現(xiàn)場后再拼裝成整體。此類方艙電站可用于無機房降噪條件的場所，不必建造機房，可以露天停放，主要用于通信樞紐站的應急備用電力。本文針對康明斯低噪聲發(fā)電機組工作時的聲場分布進行測量分析，通過對柴發(fā)聲強的測量找出其主要噪聲源，針對柴發(fā)的噪聲分布及頻譜特點設計出相應的方艙結構。

 

一、噪聲頻譜分析及聲源識別

 

      為了加強對發(fā)電機噪聲源的識別，為消聲降噪結構設計提供相應的參考，在此以康明斯型柴油發(fā)電機組為實驗研究對象，發(fā)電機組在加載50 kW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1000 m²，且背景噪聲低于50 dB。測試對象為帶載50 kW的康明斯型柴油發(fā)電機組，機組外形尺寸為3000 mm×900mm×1550 mm。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。

      為準確定位各個測點，用角鋼和細鐵絲拉出測量網(wǎng)格，每個網(wǎng)格尺寸大小為300 mm×300 mm。對包圍機組的前、后、左、右和上表面進行測量。測試儀器為B&K公司生產(chǎn)的2260聲學測量分析系統(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)電機組散熱風扇及發(fā)電機出風對聲強測量的影響，在測量風速較大部位的聲強時，在測量探頭上加裝防風帽。

      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110 dB（機組左側面），另一個噪聲較高的頻率處于500～4000 Hz處。

      從發(fā)電機組包絡面的聲強測試等高線圖（圖2）中可以看出發(fā)電機組噪聲主要可以分為A、B、C、D、E個區(qū)域。其中排氣扇區(qū)的噪聲聲壓級為最高，達110 dB，峰值點位于排風扇的中下方；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106.5 dB，峰值點分別位于機油泵上方，油底殼以及調速器區(qū)域。發(fā)電機區(qū)域的噪聲普遍偏低，最高為100 dB左右。從聲壓等高線圖整體分析，發(fā)動機兩側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。

 

圖1  柴油發(fā)電機組噪聲倍頻呈頻譜分布圖

圖2  發(fā)電機組噪聲聲強分布等高線圖

 

二、低噪音電站的結構和原理

 

1、組合式低噪聲發(fā)電機組結構

      組合式低噪聲發(fā)電機組包括柴油機、發(fā)電機、安裝底座、冷卻水箱、啟動蓄電池組、減振橡膠墊、組合式降噪方艙、排煙消聲裝置、日用油箱、系統(tǒng)集成的控制和開關柜等。

（1）公共底座

      安裝底座是發(fā)動機和發(fā)電機的公共底座，其結構為剛性框架。柴油機、發(fā)電機和散熱水箱都安裝在公共底座上。底座下面安裝橡膠減振墊并固定在降噪方艙底板的骨架上，以減小發(fā)電機組工作時振動的傳遞和運輸時車輛振動對發(fā)電機組的損害。

（2）靜音箱外罩

      降噪方艙是發(fā)電機組的防護罩殼，外觀如圖3所示。結構主要由控制柜方艙、動力方艙、消聲器方艙、進風擴展艙、動力擴展艙和排風擴展艙組成。降噪方艙內置進、排風消聲器和排煙消聲裝置，在保證發(fā)電機組正常通風量的前提下降低噪聲的傳播。

（3）啟動系統(tǒng)

      啟動蓄電池組為啟動機提供電力，啟動蓄電池組布置在靠近發(fā)電機組啟動機的方艙內底板上，并給予固定。日用油箱為柴油機提供燃油?？刂崎_關柜是發(fā)電機組的控制系統(tǒng)和電力輸出系統(tǒng)總成，包括啟動、保護、通信等各種功能和發(fā)電機組電力輸出的總開關。

      組合式方艙根據(jù)運輸條件設計成6個獨立的小方艙，方便移動和運輸，到達使用地點后再拼裝成整體，6個小方艙通過螺栓和密封條連接（內部結構如圖4所示）。分別為控制柜方艙、動力方艙、消聲器方艙、進風擴展艙、動力擴展艙及排風擴展艙，其中控制柜方艙、動力方艙及消聲器方艙分別為從左至右依次設置在組合式方艙的下部，進風擴展艙、動力擴展艙及排風擴展艙分別設置在控制柜方艙、動力方艙及消聲器方艙的頂面。同時，方艙電站還配日用油箱。排煙管自柴油發(fā)電機組上連接到排煙消聲器并從排風擴展艙頂端伸出。排煙管、油管分別用法蘭盤和密封墊片連接，電纜用母排連接。在結構設計上充分考慮了方艙拆裝的工藝性和可靠性。

2、低噪聲原理

（1）減振功能

      柴油機和發(fā)電機通過飛輪殼和連接套對中定位連成一體，柴油機的飛輪盤和發(fā)電機的連接盤用螺栓連接傳遞動力。由于柴油機的飛輪殼和發(fā)電機的連接套具有足夠的剛性和強度，其定位凸臺和止口與軸的同軸度精度很高，能保證柴油機和發(fā)電機連接的同軸度和整體剛度。最大限度地減少發(fā)電機組運轉時主軸上的扭振。

      橡膠減振墊安裝在底座和動力方艙底板骨架之間，有效地隔斷發(fā)電機組運轉時的振動向方艙傳遞，同時能緩沖運輸時車輛振動對發(fā)電機組的沖擊。

      橡膠減振墊結構為一種壓剪復合型橡膠隔振墊，具有較高的承載能力，較低的剛度和較大的阻尼比，固有頻率可做到5Hz。由于很低的固有頻率，使減振墊在發(fā)電機組開動時或方艙電站移動時不容易引起共振，而較大的阻尼比使振動時的激振很快衰減。同時，上蓋板特有的碗形設計能很好地保護橡膠材料，剛性十足的漏斗型底板和橢圓形平面結構使底板的安裝強度大大增強。碗形上蓋板和漏斗型底板凹凸相扣，在極端情況下，當橡膠墊遭到破壞時發(fā)電機組也不會因橡膠墊損壞而造成結構破壞，有效地減振和隔振衰減了振動噪聲的傳播。

（2）吸聲、消聲功能

      動力方艙四周墻壁和頂板均采用高效吸音材料鋪設，里層材料為鍍鋅沖孔鋼板，沖孔鋼板和高效吸音材料的配合就像無數(shù)聲音活塞，當噪聲穿過沖孔鋼板小孔沖擊吸音材料時，就像推動活塞運動一樣，聲波引起吸聲材料孔隙中的空氣和細小纖維的振動。由于摩擦和黏滯阻力，把一部分噪聲能量變成聲音活塞的動能消耗掉，從而減少了部分噪聲向外傳播。

      排煙噪聲是柴油機空氣動力噪聲的主要部分，噪聲一般要比柴油機整機高10～15dB（A），消聲器是控制排煙噪聲的一種基本方法，正確選配消聲器（或消聲器組合）可使排氣噪聲減弱30～40dB（A）以上。

      發(fā)電機組排煙系統(tǒng)的降噪處理：在柴油機允許的排煙背壓范圍內，應用一個波紋減振節(jié)，一個阻性消聲器和一個抗性消聲器的組合，有效地隔斷了排煙振動和排煙噪聲的傳播。同時，對排煙管道進行隔熱、隔音包扎，也改善了發(fā)電機組的運行環(huán)境和由排煙管引起的噪聲。

      進、排風通道是發(fā)電機組燃氣量供應、冷卻和熱風排出的通道，同時也是發(fā)電機組噪聲泄出的出口。為了保證發(fā)電機組的正常通風量，使發(fā)電機組滿功率輸出和減少噪聲排放，在發(fā)電機組的進、排風通道都設有阻性片式消聲器，片式消聲器通道的有效面積滿足正常通風量的要求，同時在與進、排風擴張艙對接時分別形成1～2個擴張腔，新風路徑為電動百葉窗-擴張腔-排風消聲器-動力方艙。噪聲通過進風通道泄出的路徑沿新風路徑逆向傳播。熱風沿排風通道排出的路徑為散熱水箱-消聲器-擴張腔-消聲器-擴張腔-電動百葉窗排出方艙外。噪聲沿排風通道泄出與熱風同向傳播。由于布置了擴張腔，使噪聲在經(jīng)過片式消聲器衰減后再經(jīng)擴張腔擴張產(chǎn)生聲阻抗不匹配的反射和干涉作用，達到噪聲再衰減的目的。同時由于進、排風路徑的拉長，使噪聲在泄出過程中自然衰減，增加了降噪效果。

3、技術特點

（1）易拆易裝的整體結構

      組合式結構能拆易合，方便道路運輸，降噪方艙由控制柜方艙、動力方艙、消聲器方艙、進風擴展艙、動力擴展艙和排風擴展艙6個小方艙組合而成。能拆易合，到達使用地點后再拼裝成整體，方便移動和道路運輸。

      組合式方艙把日用油箱、控制開關柜和進風消聲器固定在控制柜方艙，發(fā)電機組整體固定在動力方艙，排風消聲器和排煙消聲系統(tǒng)固定在消聲器方艙，進風擴展艙和排風擴展艙分別安裝電動百葉窗，可以控制進、排風的方向。動力擴展艙起連接作用。這6個小方艙分別在其接口處用螺栓和密封條連接。排煙管、油管分別用法蘭和密封墊片連接，電纜用母排連接。在結構設計上充分考慮方艙拆裝的工藝性和可靠性。

（2）降噪裝置的功率損失小

      降噪裝置的功率損失很小，滿足額定功率低噪聲工作。大功率柴油發(fā)電機組運行時，通常會產(chǎn)生110dB（A）以上的噪聲，必須對振動、噪聲進行控制。本項目降噪方艙通過減振和隔振裝置，以及機艙采用高效吸音材料，用降噪消聲裝置對進、排氣系統(tǒng)進行降噪處理，滿足了國家環(huán)保要求。

      一般來說，方艙降噪處理改變了發(fā)電機組正常的工作環(huán)境，如果處理不好，將會影響發(fā)電機組的功率輸出，嚴重時會停機保護。通過對發(fā)電機組進、排風量和排氣背壓的準確設計，把握了滿功率輸出和降噪的平衡點，確保發(fā)電機組在滿足通風冷卻及允許排氣背壓條件下實現(xiàn)低噪聲工作的要求，達到了額定功率低噪聲工作的目的。

 

圖3  組合式低噪聲發(fā)電機組的示意圖

圖4  低噪聲發(fā)電機組內部構造圖

 

三、噪聲計算公式與降噪設計

 

1、總體結構設計

      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，結合機組噪聲分布和頻譜特點，方艙內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)、內燃機排氣噪聲區(qū)和水箱風扇排氣噪聲區(qū)，對每一部分有針對性地分別處理，根據(jù)這個觀點設計靜音箱結構簡圖。

2、吸聲和隔聲量計算

      為確保隔聲結構的效果，隔聲罩采用金屬鋼板，但由于金屬鋼板為剛性壁面，機組噪聲遇到內壁易形成多次反射，造成混響和聲能量的迭加，艙內聲壓級可因此增加3～5 dB（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構，這樣既可保證吸聲降噪效果，又不占用有限的空間。

      吸聲材料或吸聲結構的吸聲性能好壞，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，內層隔聲結構內空間有限，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32 kg/m³的無堿超細玻璃棉。超細玻璃棉的吸聲特性見表1。

表1    超細玻璃棉的吸聲特性（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，所以選擇超細玻璃棉是合適的。

① 有限空間內的吸聲效果常用吸聲量A來表示：

A=Sα.................（公式1）

式中，s為吸聲面積；

α為平均吸聲系數(shù)，為各個頻率所對應的吸聲系數(shù)的算術平均值。

② 則超細玻璃棉的平均吸聲系數(shù)可通過下式計算：

Α=（1.13+0.90+0.69+0.70+0.87+0.90）÷6≈0.87.................（公式2）

③ 吸聲處理前后的聲壓級差△L（dB），可近似用下式進行估算：

?L=101g（α₂/α₁）.................（公式3）

④ 隔聲結構內壁的平均吸聲系數(shù)a1約為0.14，則超細玻璃棉的理論吸聲量為：

?L=101g（α₂/α₁）=101g（0.87/0.14）=7.9dB.................（公式4）

      可見超細玻璃棉有很好的吸聲效果，選用方案是可行的。

      方艙各表面面板內表面均采用吸聲結構，即采用穿孔板和隔聲壁板間填充吸聲材料的結構，這是一種建立在微穿孔板吸聲結構基礎上的既有阻又有抗的共振式消聲器，實際上是阻抗復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1 mm鋼板，穿孔率為20%～25%，孔徑為6 mm，后貼厚度為50 mm、面密度M為32 kg/m²的無堿超細玻璃棉，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。

      為保證內層隔聲罩內機組的通風散熱，在內層隔聲罩后部，對應機組柴油機和發(fā)電機連接部位，開有進風口。由于柴油機是整個機組散熱的主要來源，進風口開在靠近柴油機尾側的位置，可充分利用機組前端冷卻風扇工作時形成的負壓，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口傳出，內層隔聲罩的進風口和外層壁板上的進風口間設置消聲器，并在消聲器內壁貼附高效吸聲材料。

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

3、排氣風扇消聲器

      排氣風扇消聲器采用多通道折板式消聲器結構設計，這種消聲器適用于風速不高的通風管道，可以增加聲波在管道內的傳播路程，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，通道截面積設計為發(fā)電機組水箱風扇處截面積的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，進行消聲處理時設計遵循以上原則，在原有消聲器的基礎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1 m處）減少了30 dB（消聲器安裝前為108 dB，安裝后為75 dB）以上，達到了預期目的。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。

① 排氣風扇消聲器為阻性消聲器結構，其噪聲衰減也可表示為

D=101g（I₀/I₁）.................（公式5）

② 也可表示為

D=A（FL/S）.................（公式6）

式中，A為消聲系數(shù)，其由吸聲壁面的法向聲導率決定；

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。

③ 消聲系數(shù)即：

A=4.34g_e=4.34｛（1-√1-α）/（1+√1-α）｝.................（公式7）

式中，α為襯貼材料的吸聲系數(shù)。

      將發(fā)電機組排氣風扇消聲器結構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

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

4、發(fā)動機艙進氣消聲器

      方艙電站的發(fā)動機進氣消聲結構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，在室的兩對角設置進出口風管，如圖6所示。當聲波進入消聲室后，就在小室內經(jīng)多次反射而被材料所吸收。又由于管道從進風口至室內，又從室內至出風口，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。

      室式消聲器的傳聲損失L_TL按以下公式估計：

L_TL=-101g｛S（cosθ/2πD²）+[（1-α）/S_mα]｝.................（公式8）

式中，S為進風口（出風口）的面積；

Sm為小室內吸聲襯貼表面面積；

α為材料平均吸聲系數(shù)；

D為進風口至出風口的距離。

Cosθ=W/D.................（公式9）

      從上式可以看出，括號內第一項為進口到出口的直達聲，cosθ相當于指向性因數(shù)；（1-α）/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。進口相當于聲源，出口相當于接收點。設計出室式消聲器的結構之后即可計算出發(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構會對發(fā)動機的通風散熱產(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散熱結構。故只能設計出發(fā)動機艙的基本結構，在此基礎上通過計算不同結構的組合方式，設計滿足發(fā)電機組散熱要求的一系列發(fā)動機艙結構。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。

 

圖5  低噪音發(fā)電機組排氣風扇消聲器結構圖

圖6  低噪音發(fā)電機組室式消聲器結構圖

 

總結：

      康明斯型固定柴油發(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?？得魉构就ㄟ^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，設計出了符合降噪要求的雙層隔聲罩結構。通過實驗測量康明斯柴油發(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，設計出有效控制其噪聲污染的方艙消聲結構：即針對發(fā)電機組排風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通道會影響到隔聲罩的隔聲質量和機組的通風散熱效果，為此需要確定雙層隔聲罩的結構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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