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闭式柴油发电机组降噪研究

2021-03-19
来源: 礼德动力

1 引言

近年来,随着人民生活水平的不断提高,环境法规日趋严格,噪声作为污染源也相应得到重视。而柴油发电机组作为医院、居民楼、公共设施等的备用电源,运行时会产生噪声造成污染。因此,探讨和研究发电机组的噪声控制有重大意义。发电机组有开式和闭式两种结构:开式发电机组噪声大,一般在机房中使用;闭式发电机组装有隔声罩,能有效降低噪声。我国暂时还没有针对闭式发电机组的噪声标准,欧盟对闭式发电机组有明确的噪声限值要求[1],如表1所示。就目前的研究现状来看,对发电机组降噪已有学者对此进行了研究。文献[2]对某枢纽楼1600kW开式发电机组进行进、排风口设计和消声器的设计满足了《城市区域环境噪声标准值》的要求。文献[3]从噪声源和噪声传递两个方面出发,改进变速箱降低柴油机转速、改造原舱体和加装消声器,解决了超过《军事作业噪声容许限值及测量》规定值的问题。然而大多数学者都是针对开式发电机组,并且我国没有专门发电机组的噪声标准。针对出口欧洲的某中型闭式发电机组噪声过大问题,采用频谱分析与声源分离法,识别机组的显著噪声,对声源排序,并依次进行降噪处理。最终解决了噪声超标问题,使机组噪声达到欧盟标准。

表1 CE噪声指令要求的发电机组噪声限值
Tab.1 Generator Set Noise Limit From CE Noise Directive

2 闭式发电机组的结构形式及噪声传播方式

柴油发电机组的噪声源主要由以下几部分组成[4]:发动机机体,进排气系统,冷却风扇,发电机。发动机在固定转速下运行,机组噪声属于稳态噪声。

声波在闭式发电机组内的传播有以下几种方式[5]:(1)声波直射或衍射到发电机组外部,如进风口、出风口等,噪声直接泄露到外界。(2)声波穿透降噪箱壁板,透射到降噪箱外部。(3)声波传播时被多孔隙吸声材料吸收,声能转换成热能。(4)声波被金属面板反射,最终以前3种方式中的一种进行传播。

3 柴油发电机组的试验方法和测试系统

研究对象为某50Hz闭式柴油发电机组,机组常载功率380kW,备载功率418kW。发动机转速1500r/min,风扇转速1800r/min。降噪箱长4.6m,宽1.7m,高2.4m。

3.1 测试系统

测试采用LMS SCADAS Mobile多通道振动噪声测试系统,麦克风的型号为GRAS 40AE,麦克风标定器的型号为GRAS 42AB,数据分析使用LMS test.lab软件。

3.2 试验方法

试验依据标准ISO8528-10[6]和ISO6798-1996[7]进行噪声测试:距离发电机组d=1m处布置15个麦克风测试机组噪声,M1~M15,L1/L2/L3分别为机组降噪箱的长宽高。距离排气管外表面d=1m处的径向布置两个麦克风测试排气噪声,M16~M17,如图1所示。

图1 噪声测点图
Fig.1 Microphone Position

3.4 试验工况

试验利用分部运行法进行声源分离,分离出风扇噪声、排气噪声和发动机机体噪声。使用启停风扇的方法分离风扇噪声,排气口引长管至100m远处的方法分离排气噪声。实验详细工况,如表2所示。

表2 试验详细工况
Tab.2 Test Condition

4 噪声测试结果及分析

试验机组常用功率为380kW,欧盟要求机组在75%常用载荷下的噪声排放不得超过98分贝(A计权声功率级),如表1所示。声压级和声功率计均为A计权平均值,数据均处理为1/3倍频程形式。声功率计算公式如下:

式中:LW—声功率;LP—测试表面处的声压级;S—测试表面的面积;S0—单位面积。

工况1测试结果,75%常用载荷下机组1m声压级为84.9分贝,声功率级为104.7分贝,超过限值6.7分贝,不满足欧盟标准要求。

对采集的数据进行傅里叶变换,得到噪声频谱。工况1是发电机组的噪声频谱,机组在中高频的宽频带噪声能量较高,且在160Hz,250Hz,500Hz,800Hz处分别有较高的尖峰,如图 2 所示。

图2 工况1-4机组的平均噪声频谱
Fig.2 Generator Set Noise Spectrum of Condition 1 to Condition 4

4.1 风扇噪声

风扇噪声主要分为叶片通过噪声和涡流噪声。风扇旋转时,叶片周期性切割空气,引起周围空气压力脉动产生的噪声称为叶片通过噪声,其特征频率如下[8]

式中:Z—风扇叶片数;n—风扇转速(r/min);k—谐波次数。

涡流噪声是指风扇旋转时,叶片带动周围空气产生涡流,由于粘滞力的作用,涡流又分裂为一系列小涡流,涡流和涡流分裂使空气产生扰动,空气不断的压缩与稀疏,从而形成宽频噪声[9]

试验机组的冷却风扇转速1800r/min,9个叶片,叶片通过噪声的特征频率为270Hz。由于数据均已处理成1/3倍频程数据,因此250Hz尖峰实际是270Hz的风扇叶片通过噪声,500Hz和800Hz噪声分别是叶片通过噪声的2阶和3阶谐波分量,如图3所示。

通过启停风扇的方法,分离风扇噪声。由工况2和4可知,当风扇停止运行时,中高频的宽频噪声从(70~75)分贝降低到约60分贝,250Hz/500Hz/750Hz的叶片通过噪声消失。关停风扇后,机组1m处的声压级从84.9分贝降低到75.6分贝,如图2所示。

4.2 发动机机体噪声和排气噪声

发动机的机体噪声是由于燃烧室内气压急剧上升,致使发动机各部件振动而引起的噪声。排气系统噪声主要由周期性的脉动噪声,涡流噪声和空气柱共鸣噪声组成。排气噪声的低频部分由周期性的脉动气流产生,与发动机机体噪声的频率重叠。6缸发动机燃烧激励频率主要是3阶和6阶,转速1500r/min,即75Hz和150Hz,与80Hz和160Hz相对应,该噪声由发动机机体噪声和排气噪声共同组成,如图3所示。

为了识别发动机噪声,使用排气管尾端加装长管的方法,将排气噪声与发动机噪声分离。由工况3和工况4可知,当把排气引走时,机组在160Hz处的声压级为71.3分贝。当排气噪声与发动机噪声混合在一起时,160Hz处噪声为72.9分贝,经计算可得,在160Hz处排气噪声对机组总噪声的贡献量为67.8分贝,如图2所示。

在排气口测试的有无消声器的噪声数据,排气噪声以涡流噪声为主,中高频噪声能量高,经消声器消声后,中高频的噪声降低到65分贝以下。排气噪声在80Hz和160Hz处有两个尖峰,经消声器消声后,80Hz和160Hz的噪声下降了约18分贝,如图3所示。

图3 排气噪声频谱
Fig.3 Exhaust Noise Spectrum

4.3 各声源贡献量

75%常用载荷下,机组1m处声压级为84.9分贝,由工况2和3可计算出风扇噪声贡献量为83.8分贝,由工况3和4可计算出发动机机体噪声贡献量为75.6分贝,排气噪声贡献量为70.6分贝。机组内噪声源排序依次为:冷却风扇,发动机机体,排气,如图4所示。

图4 各声源贡献量
Fig.4 Noise Source Contribution Plot

5 降噪处理

根据上节声源排序的结果,风扇噪声贡献量最大,且低频的风扇噪声较难处理,考虑从声源处降低风扇噪声。

对风扇噪声,有经典公式可知[10]

式中:d1、d2—风扇结构改变前、后的直径;n1、n2—风扇结构改变前、后的转速;C1、C2—风扇结构改变前、后的风量;PWL—风扇结构改变前、后是声功率。

由式3可知降低风扇转速,减小风扇直径能有效的降低噪声。为满足冷却要求,保持风量基本不变,选择将风扇转速从1800r/min降低至1350r/min,风扇直径从850mm增加至880mm,同时将风扇螺旋角从30°增加至45°。工况1与工况7是改变风扇后的测试数据,机组1m处声压级从84.9分贝降低到79.6分贝,降低了5.3分贝。风扇的叶片通过频率从250Hz偏移到200Hz,风扇400Hz的2阶通过噪声依然有较高的峰值,中高频的风扇涡流噪声大大降低,如图5所示。

图5 工况1/7/8机组的平均噪声频谱
Fig.5 Generator Set Noise Spectrum of Condition 1/7/8

发动机机体噪声和排气噪声一般无法控制,下面主要讨论从传递路径上进行降噪。

发动机机体噪声主要集中在低频的80Hz和160Hz,对应发动机的3阶和6阶。根据经验,3阶和6阶噪声一般由发动机振动产生,考虑降低发动机振动的传递。更换较软的减振垫后,此时风扇处于关停状态,排气噪声已隔离。80Hz处发动机的3阶噪声从63.3分贝降低到了58.8分贝,160Hz噪声从71.3分贝降低到68.5分贝。机组平均声压级从75.6分贝降低到了74.5分贝,降低了1.1分贝,如图6所示。

图6 机组平均噪声频谱
Fig.6 Generator Set Noise Spectrum of Condition 3 and Condition 6

经过上述的降噪措施,机组噪声在160Hz,200Hz和400Hz处仍有尖峰,为此,将消声器增加Helmholtz谐振腔,加强对160Hz处的降噪,增加冷却系统排风腔内吸音棉的厚度,从原来的40mm增加至100mm。机组最终的噪声测试。结果表明,经一系列降噪措施后,风扇叶片通过噪声尖峰消失,160Hz低频排气噪声下降1.5分贝,发动机3阶噪声尖峰减小,机组平均声压级降低到78.3分贝,声功率级降低到98.1分贝,满足CE要求。

6 结论

分析了闭式柴油发电机组各个噪声源和传递机理,从噪声源本身和传递路径两方面对噪声进行控制,采取降低风扇转速、更换减振垫、增加吸音棉厚度和改善消声器性能等降噪措施,并利用试验验证了所提降噪优化措施的有效性与可行性,降噪效果明显,使所开发的重型闭式发电机组的噪声满足了欧盟法规要求。