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移动式柴油发电机组消声器的设计计算

2020-11-02
来源: 礼德动力

柴油发电机组的噪声主要包括柴油机的燃烧噪声、结构振动噪声、电磁噪声以及进、排气噪声.移动式柴油发电机组通常处于隔声罩内,其噪声以进、排气噪声为主,尤其是机组的排气噪声.因此,控制排气噪声已成为改善柴油发电机组整体性能的重要任务[1]

为了降低柴油发电机组的排气噪声,通常需要在排气管的出口端安置消声器.以往由于成本的考虑以及尺寸受限,排气消声器的结构简单,消声效果不佳.虽然针对各种发动机的消声器种类繁多,但应用场合各不相同,简单选用可能会带来众多负面影响,包括排气背压提高、高速气流造成附加噪声等.因此,有针对性地设计一种结构合理的消声器,对于降低柴油发电机组的噪声、提高其在市场的竞争力十分必要.

本文根据某移动式柴油发电机组工作时的排气压力与流速参数,对消声器的结构进行设计计算.根据消声原理,确定了消声器的类型与大体结构;然后通过三维流场的建模与仿真计算,得到该消声器的消声量和流速分布情况;通过调整消声器的结构参数以改变流场参数,最终使消声器满足设计的要求.

1 柴油发电机组及其特点

柴油发电机组的参数如下:柴油机为6缸4冲程,转速n=1 500 r/min,功率为94.4 kW.柴油机正常工作时的废气体积流量Q=16.4 L/s,排气温度T=823K.机组外面的隔声罩尺寸长×宽×高为2 400mm×676mm×1 500mm.

柴油机由于缸内燃烧爆发压力以及运动部件产生的往复惯性力,机组的振动噪声频带很宽.其中的机械噪声可以通过隔声罩内的吸声层予以降低,进、排气噪声可以分别通过隔声罩进排气口的声学处理以及安装消声器来降低.柴油发电机组运行时,机组及消声器管道等部件都向隔声罩内散发热量,使隔声罩内的温度升高,需要利用通风散热用的风机和百叶窗,控制机组工作温度不高于45℃,否则某些控制元件会因温度过高而产生故障[2].机组正常运行也需要足够的新鲜空气,故机组还要进行通风降温.因此,隔声与散热的矛盾需要合理解决.此外,随着运行时间的增加,发电机组消声器中会产生污垢,影响设备的运行性能,为了能定期检查,消声器应安装在易拆装和检修的部位.以上条件需要在消声器设计时加以充分考虑.

2 消声器设计方案

根据柴油机部件的运动特性,估算出噪声主要分布的频域范围在200 Hz附近的低频以及600 Hz以上的中高频,需要有针对性地选择相应的高低频降噪方案以及消声器结构.为了获得较高的降噪量,本文选择了阻抗复合式消声器.由于柴油机的排气中含有许多烟尘颗粒,这些颗粒会堵塞阻性材料中的孔隙,使得消声器的效果在使用过程中变差.因此,阻性设计必须不同于通常的复合式消声器,将阻尼材料粘贴在消声器的外表面,使其起到阻振以及吸收透射声的作用.通风散热用的风机和百叶窗风道壁贴有吸声材料,通过这些措施使机组既满足通风的要求,又满足降噪的需要.

对复合式消声器的抗性部分,由于单腔扩张室消声器效果有限,故采用内插管方法.在扩张室的进、出口分别插入长度为扩张室长度的1/2和1/4长的两根小管,使向前传播的声波与不同界面反射回来的声波相位差180°,利用声波干涉达到消除通过频率的目的[3-4].由于机组上方的空间较大,便于布置消声器.

初步设计的消声器结构方案见图1.流场计算表明,初步设计方案的结构过于简单,内部流场不尽合理,存在着高速流动区域,容易引起高频湍流噪声.方案1的降噪量为13dB,方案2的降噪量为19dB,都没有达到设计的要求.

a) 设计方案1 b) 设计方案2

图1 初步设计的两种消声器结构

Fig.1 Two types of muffler structure

经过改进并且最终确定的消声器结构方案见图2.由图可见,在另一个扩张室内也插入了一个腔室,以增加流体在扩张室里流过的路程.为降低制造工艺难度,在抗性部分的某些直管中插入几块薄片,构成片式消声结构.为合理利用机组上方的空间,串联的扩张室采用U型弯管连接.

消声器设计计算的主要步骤如下:

a) 消声器结构 b) 消声器与隔声罩
图2 最终确定的消声器结构及其在隔声罩内的位置
Fig.2 Structure of muffler and its position in sound insulation encasing

1) 排气噪声的基频f=2τn/(60z)=2×6×1500/(60×4)=75(τ,n,z分别为柴油机的缸数,转速和冲程数,f单位为Hz).

2) 消声器应该具有的总容积其中,n为转速,Vh是通过质量流量Q变换得到,A取值在6~8之间,设计中取6,于是得到消声器应有的总容积Vm=497.3L.

3) 消声器的入口直径柴油机的气体流速v取28 m/s, 于是得到消声器的入口直径d=110 mm.

4) 虽然消声器外壳直径较大时的效果较好,但当直径增大到一定程度后会使上限失效频率降低,综合考虑后取m=16,扩张室直径单位为mm.

5) 由于受到隔声罩的空间及高度的限制,消声器不宜做成一个体积较大的扩张室,但可分成2个串联的腔室.消声器的总长度L=4VSD2=3.27,单位为m; VS 为消声器的总容积.

6) 消声器总长度确定后,就要确定各串联腔室的长度L1,当sin2(Kl)=1时,传声损失最大,所以L1=λ/4=C/(4f)(K为波速,l为插入长度,C为声音在消声器里的速度,f为噪声的基频).

7) 为消除波长的奇数倍和偶数倍的通过频率,在消声器各扩张室内插入内插管长度分别为相应扩张室长度的0.5和0.25倍[5]

关于阻性部分的设计,将阻尼吸声材料粘贴在消声器的外表面,使其起到阻振以及吸收透射声的作用,从而在一定程度上减少了消声器外壳的振动以及管内噪声的透射.由于排气温度在500℃以上,外壳上的吸声材料采用岩棉,其内部有着大量的空隙,具有耐高温、减振性能高的特点[6]

An overview of the completed and clinically relevant adjuvant phase Ⅲ trials is given in Table 2.

3 消声器内部流场的计算

根据初步设计,利用FLUENT软件的前处理工具Gambit进行建模、划分网格和设定边界条件,然后将网格导入FLUENT中.选用隐式非稳态模型、能量方程和Spalart-Allmaras黏度方程.流体介质的密度根据废气成分计算得到.进口质量流量(体积流量和密度的乘积)为0.13 kg,入口温度为823K,出口压力为常压,环境温度为300 K.为了有利于收敛,增加它们的值来加快收敛.计算时,时间步长设为0.01s,计算叠代200步以后,进出口流量差达到3.5%,于是认为结果收敛.

4 计算结果及分析

4.1 消声器的流场计算结果

图3给出了消声器流场计算的结果,从中可以观察到整个流场区域内的压力和温度分布情况.在沿着流体流动的方向上,压力和温度总体是减小的.由于在腔内某些区域涡流产生变化,在局部区域内,幅值会发生变化.虽然消声器管道内插入了一些隔板和腔室用于提高消声量,但在气流的出口端,压力和速度都降低很多,空气动力性能如流体的速度、压力等有所降低.

a) 压力云图

b) 速度云图

图3 消声器内部流场计算结果

Fig.3 Internal flow field of muffler

流线图模拟了消声器内部流体流动时的整个过程(图4),从中不仅可以看到速度的变化情况、幅值大小、流体从进入到流出的整个过程,更重要的是可以发现产生涡流的区域以及空气动力性能降低的部位,以便判断消声器的结构设计是否合理,建模和边界条件的设置是否正确,从而采取措施减少因涡流产生的噪声.

a) 速度矢量图

b) 流线图

图4 消声器内部流场计算结果

Fig.4 Internal flow field of muffler

4.2 隔声罩内的流场计算结果

由于柴油发电机组外部采用密封式的隔声罩,其降噪量需要达到25dB.因此,除了安装消声器外,还需要对隔声罩的冷风进出口进行声学处理.进气通道的壁面采用玻璃棉吸声材料,其对高频噪声的吸声效果较好.在条件允许时,还可采用微穿孔板,可以有效地吸收低频噪声,本设计中未考虑此项.

消声器内的流体和隔声罩内的流体没有物质交换,只是通过较小的传热系数有少量的热量交换,因此消声器对隔声罩内的影响较小.从图5a)可以看到,隔声罩内流体的压力和消声器的出口端相近.由于有热量的传递,隔声罩内的温度有少量的升高,这是难免的.

a) 压力云图

b) 速度云图

b) 温度云图
图5 隔声罩连同消声器的内部流场计算结果
Fig.5 Internal flow field of muffler and sound insulation encasing

4.3 声场计算结果

声场计算时,在设定好进出口参数后,借鉴文献[8]的做法,沿轴线在进口外1m处以及外斜45°方向的1m处设定两个测点,取0~2 000 Hz频段加以分析.

从图6可以发现,柴油机废气刚进入消声器时进口端的噪声声压级LP1最大幅值在119dB左右,消声器出口端的噪声声压级LP2最大幅值在103dB左右,且中高频幅值较小.超过1594Hz即高频失效频率的噪声声压级相对于中低频较小,在计算降噪量时对总的声压级LP影响很小,因此,整个频带的声压级仍然按照公式计算.

本文采用消声器进出口总的声衰减量来衡量它的性能.利用公式LP=10lg(100.1Lp1+100.1LP2+…+100.1LPn) 可以求得LP1=128 dB,LP2=110 dB,因此声衰减量为18 dB.考虑到吸声材料的作用,消声量一般可以增加10 dB左右,因此,总的消声量预计可达25 dB以上.

1/3倍频程谱可以用来说明噪声主要集中在哪个频带范围内.从图7可以看出,噪声能量主要集中在100~600Hz的频带范围.噪声通过消声器后,主要能量集中在100~250Hz,在600Hz以上的幅值降低很多.这说明抗性消声器的设计比较合理,取得较好效果.消声器的壁面上粘贴阻振吸声材料,可以降低由气流激励结构振动所产生的附加噪声,预计消声器整体的声衰减量可满足设计要求,达到降噪25dB以上的结果.

a) 进口端

b) 出口端

图6 消声器进出口端声压级谱图

Fig.6 Inlet and outlet sound pressure level of muffler

a) 进口端

b) 出口端
图7 消声器进出口端声压级1/3倍频程谱图
Fig.7 Inlet and outlet 1/3 octave band sound pressure level of muffler

5 结论

1) 根据发电机组的进、排气参数,利用CFD软件以及相应的经验公式,采用阻抗复合技术进行了消声器的结构设计;

2) 利用柴油发电机组上方的空间,合理布置排气消声器的流道;

3) 在不显著影响柴油机正常工作的前提下,在较宽的频带范围内取得明显的消声效果,所采取的阻性技术兼顾了吸振以及隔热的作用,使发电机组内部的温度不致由于安装消声器而升高.