柴油发电机组机房的低噪声工程设计

    一. 引言

      柴油发电机组运行时，通常会产生95-110db(a)的噪声，如果没有采取必要的降噪措施，机组运行的噪声，将对周围环境造成严重损害。为了保护和改善环境质量，必须对噪声进行控制。国家标准gb12348-90和gb12349-90对环境噪声的要求是：二类标准（适用于居住、商业、工业混杂区及商业中心区）昼间60db(a)、夜间50db(a)；三类标准（适用于工业区）昼间65db(a)、夜间55db(a)。通常按昼间60db(a)的标准进行低噪声工程设计。

      科泰公司通过采用高效吸音材料，用先进销售工艺工业化销售的降噪消声装置对进、排风通道和排气系统进行了降噪处理，确保机组在满足通风条件，也即不降低输出功率的前提下，完全满足了国家标准对环境噪声的要求。公司在多年的设计施工实践中形成了独具一格的低噪声工程设计规范。

      二、 设计思路

      柴油发电机组是多发声源的复杂机器，随着机组结构型式和尺寸、运转工况的不同，各个发声源对总噪声的影响是不同的，一般情况下，机组各类噪声大致按如下顺序排列：排气噪声、燃烧噪声或机械噪声、风扇噪声、进气噪声。降噪设计的基本思路是：首先查明各种声源中的很大噪声成分及其频率特性，采取有关技术措施，将各声源的噪声级尽量降低到大致相同的水平，其中容易降低的噪声源可以降低的多一些，降噪还要和其他技术要求（如对机组输出功率的影响、降噪成本等多种具体因素）综合起来考虑。

      下面按照各类噪声源分别说明降噪的技术措施：

      1. 排气噪声的控制

      排气噪声是发动机噪声中能量很大，成分很多的部分。它的基频是发动机的发火频率，在整个的排气噪声频谱中应呈现出基频及其高次谐波的延伸。

      噪声成分主要有以下几种：

      a. 周期性的排气所引起的低频脉动噪声；

      b. 排气管道内的气柱共振噪声；

      c. 气缸的亥姆霍兹共振噪声；

      d. 高速气流通过排气门环隙及曲折的管道时所产生的喷注噪声。

      e. 涡流噪声以及排气系统在管内压力波激励下所产生的再生噪声形成了连续性高频噪声谱，频率均在1000hz以上，随气流速度增加，频率显著提高。

      排气噪声是发动机空气动力噪声的主要部分。其噪声一般要比发动机整机高10-15db（a），是首先要进行降噪控制的部分。消声器是控制排气噪声的一种基本方法。正确选配消声器（或消声器组合）可使排气噪声减弱20-30db（a）以上。

      根据消声原理，消声器结构可分为阻性消声器和抗性消声器两大类：

      1） 阻性消声器（即我们平时称呼为工业型消声器）是利用多孔吸声材料，以一定方式布置在管道内，当气流通过阻性消声器时，声波便引起吸声材料孔隙中的空气和细小纤维的震动。由于摩擦和粘滞阻力，声能变为热能而吸收，从而起到消声作用。

      2） 抗性消声器（即我们平时称呼为住宅型消声器）是利用不同形状的管道和共振腔进行适当的组合，借助于管道截面和形状的变化而引起的声阻抗不匹配所产生的反射和干涉作用，达到衰减噪声的目的。其消声效果，与管道形状、尺寸和结构有关。一般选择性较强，适用于窄带噪声和低、中频噪声的消减。

      机组排气系统的降噪处理：我们一般利用一个波纹减震节、一个工业型消声器和一个住宅型消声器的组合，有效地隔断了排气震动和排气噪声的传播。同时，对排气管道进行隔热隔音包扎，也能改善机组的运行环境和由排气管引起的噪声。

      2. 机械噪声和燃烧噪声的控制

      机械噪声主要是发动机各运动零部件在运转过程中受气体压力和运动惯性力的周期变化所引起的震动或相互冲击而产生的，其中很为严重的有以下几种：

      a. 活塞曲柄连杆机构的噪声（主要为高频噪声）；

      b. 配气机构的噪声（主要为低、中频段噪声）；

      c. 传动齿轮噪声（噪声谱是一种连续而宽广的频谱）；

      d. 不平衡惯性力引起的机械震动及噪声。

      e. 燃烧噪声是燃烧过程产生的结构震动和噪声。在气缸内燃烧噪声（尤其是低频部分）声压级是很高的，但是，发动机结构中大多数零件的刚性较高，其自振频率多处于中高频区域，由于对声波传播频率响应不匹配，因而在低频段很高的气缸压力级峰值不能顺利地传出，而中高频段的气缸压力级则相对易于传出。

      控制机械噪声和燃烧噪声的有效办法:

      一、是对机组进行隔震处理，机组的隔震一般采用高效减震胶垫，现在这一部分技术已经非常成熟。经过隔震处理，机组表面的震动被有效隔断。

      二、是在噪声的传播通道上进行降噪处理，减少声源对外的辐射，个别对噪声指标控制特别严的机房还要在内墙和天花粘贴高效吸音材料，使噪声源在传出机房前已被有效衰减以提高机房的降噪效果。

      3. 冷却风扇和排风通道噪声的控制

      风扇噪声是由旋转噪声和涡流噪声组成。旋转噪声由旋转风扇叶片切割空气流产生周期性扰动而引起。涡流噪声是气流在旋转的叶片截面上分离时，由于气体具有粘性，便滑脱或分裂成一系列的漩涡流，从而辐射一种非稳定的流动噪声。排风通道直接与外界相通，空气流速很大，气流噪声、风扇噪声和机械噪声经此通道辐射出去。

      控制风扇和排风通道噪声的手段，主要是设计一个好的排风吸音通道，这个吸音通道可由导风槽和排风降噪箱组成，也可由导风槽和一至几组的吸音挡板组成。排风降噪箱的工作原理，类似于阻性消声器。可通过更换吸音材料（改变材料的吸音系数），改变吸音材料的厚度、排风通道的长度、宽度等参数来提高吸音效果。在设计排风吸音通道时，要特别注意排风口的有效渺幡巍怼啤笑桅痞兀必须满足机组散热的需要，以免排风口风阻增大而致排风噪声增大和机组高水温停机。

      4. 进气噪声控制

      机组工作在封闭的机房里面，从广义上讲，进气系统包括机组的进风通道和发动机的进气系统。进风通道和排风通道一样直接与外界相通，空气的流速很大，气流的噪声和机组运转的噪声都经进风通道辐射到外面。发动机进气系统的噪声是由进气门周期性开、闭而产生的压力波动所形成，其噪声频率一般处于500hz以下的低频范围。

      对于涡轮增压发动机，由于增压器的转速很高，因此其进气噪声明显高于非增压发动机。涡轮增压器的压气机噪声是由叶片周期性冲击空气而产生的旋转噪声和高速气流形成的涡流噪声所组成，且是一种连续性高频噪声，其主要能量分布在500-10000hz范围。

      由于柴油发电机组一般都配置有设计合理的空气滤清器，其本身就具有一定的消声作用。考虑到进气噪声相对较低，故对发动机的进气系统一般不做另外处理。对机组的进气通道，则要从风道的设计，隔音材料的选用等方渺幡巍怼啤笑桅痞兀行综合控制。其基本思路是：

      a. 进风净渺幡巍怼啤笑桅痞兀符合设计规范，以保证发动机的进气系统和机组的冷却系统有足够的新鲜空气吸入；

      b. 进风通道需经吸声处理，一般采用进风百叶窗 + 导风槽 + 消声挡板的组合，如果有充足的空间，也可采用进风百叶窗+降噪箱的组合。

      三、 设计指导原则

      在机组降噪方案的设计和施工时，应充分考虑到机组正常运行时所需的很低进、出风量标准以及排放背压不能超出额定许用背压值等因素，否则将会严重影响到机组的功率输出，使机组的温升较高，频繁发生故障甚至会缩短柴油发电机组的使用寿命 。

      通常机组排风口的渺幡巍怼啤笑桅痞兀应略大于水箱的有效渺幡巍怼啤笑桅痞兀，从降低风阻考虑，排风口离前面障碍物的距离应大于等于600-2000，机组进风量应大于机组的排风量和燃气量的总和，其客观效果是机组在运行时机房内不能产生负压。在满足机组排风量要求的前提下，机房的降噪效果主要由进排风通道消声箱的长度和选用的吸音材料决定。

      消声器的设计主要考虑消声量、消声频率范围（主要为消声量峰值的频率范围）及阻力损失三大指标，此外消声器还应具有好的结构刚性、防止受激振而辐射再生噪声；尺寸适宜；便于安装等。在某些情况下（如安装在排烟管道上）要求内部结构能耐高温和抗腐蚀。

      在机房结构的设计上，机房与操作室应用厚度240mm的隔墙隔开；墙壁上开三层防爆玻璃观察窗（玻璃厚度量4-5mm），外面两层玻璃的间隔应大于100mm，面向机房的玻璃上端很好与机房地坪面略为倾斜，使噪声反射效果更好，并能防止结雾；操作室与机房之间的门应用双层夹板制成的隔音门。若做成一个门洞两扇隔音门，则降噪效果更佳。

      四、设计计算：

      1． 排风口渺幡巍怼啤笑桅痞兀a排(m2)

      a 排 = k·s 水箱 (m2)

      式中s水箱 为水箱净渺幡巍怼啤笑桅痞兀，k为风阻系数，k值见表1

      2．进风口渺幡巍怼啤笑桅痞兀粗计算

      a进≈1.2·a排(m2)

      3．进风量计算

      q进 = a进·v风·k-1(m3/s)

      式中q进为进风量

      a进 为粗算的进风口渺幡巍怼啤笑桅痞兀(m2)

      v风 为风速(m3/s)，一般取3级风的风

      速平均值4.4(m/s) 进行计算

      风速表见表2（很强风速不应超过8m/s）

      4．进、排风降噪箱风道长l风

      l风 = c

      式中c为常数，其值与降噪效果

      有关，c值见表3

      5．排气背压的计算

      1） 排气系统背压p（kpa）

      在进行排气系统计算时，可先作这样的设定:机组标准配置的波纹避震节、工业型消声器等同于同管径的直管，弯头折算成直管当量长度，把以上三项和连接直管的长度相加后用排气管背压的计算公式计算背压，可使整个计算简化，并不失计算精度，消声器背压的计算特指住宅型消声器的计算。

      p =（p排 + p消）≤〔p〕

      p排 为排气管的背压（kpa）

      p消 为消声器的背压（kpa）

      [p]为系统许用背压值（kpa）

      表1：风阻系数

      附加物              k

      无降噪箱           1

      防鼠网              1.05~1.1

      百叶窗              1.2~1.5

      降噪箱              3

      降噪箱+防鼠网    3.05~3.1

      降噪箱+百叶窗    3.2~3.5

      表3：c值

             db(a) c(mm)
             70 1600
             65 1800
             60 2000
     表2：风速表
             风级 名称 风速（m/s）

              0     无风  0~0.2

              1     软风 0.3~1.5

              2     轻风 1.6~3.3

              3     微风 3.4~5.4

              4     和风 5.5~7.9

              5     清劲风 8.0~10.7

              6     强风 10.8~13.8

              7     疾风 13.9~17.1

              8     大风 17.2~20.7

              9     烈风 20.8~24.4

              10   狂风 24.5~28.4

              11   暴风 28.5~32.6

              12   飓风 32.7~36.9

      表4：直管当量长度表管径（英寸） 45度弯头（m/每个弯头） 90度弯头（m/每个弯头）

                            3.5                               0.57                                   1.33

                            4                                  0.65                                   1.52

                            5                                  0.81                                   1.90

                            6                                  0.98                                   2.28

                            7                                  1.22                                   2.70

                            8                                  1.39                                   3.04

                           10                                 1.74                                   3.8

                           12                                 2.09                                   4.56

                           14                                 2.44                                   5.32

      2） p 排 =6.32 l×q2 × 1d5 t+273

      式中：l为直管当量总长度（m）见表4

      q为排气流量（m3/s）

      d为排气管直径（m）

      t 为排气温度（℃）

      3）消声器背压p消的计算先计算消声器的管流速v管

      v 管 = q（m3/s） (m/s)

      a 管 （ m2）

      式中a管为消声器排烟口的截渺幡巍怼啤笑桅痞兀，用计算出的管流速值从图1（流速/阻力曲图）查出消声器的阻力值f阻，则排气背压

      p消= f阻（毫米水柱）×673 (毫米水柱)t+273

      五、计算示例：

      机组kv275e、发动机tad740ge：

      住宅型消声器6″（排烟口截渺幡巍怼啤笑桅痞兀为0.0214m2，排气量41.8m3/min=0.697m3/s ，见volvo销售手册)

      计算消声器的管流速：

      v 消 = q（ m3/s） = 0.697 =32.55(m/s)

      a 消 （ m2） 0.0214

      查图1：流速/阻力曲线图，得消声器的阻力值f阻=90（毫米水柱）

      计算消声器的背压：

      p消= f阻（毫米水柱）×673×9.8×10-3 t=540℃(见volvo销售手册) t＋273 = 90×673×9.8×10-3 =1.055(kpa) 540＋273

      计算排气管的背压：

      假如在住宅型消声器前面有一工业型消声器，一波纹管避震节，2个90°弯头，总长度3米，管径 φ108 ，其背压为p排1，则当量长度l1=3+2×1.52=6米（见表4）

      p排1= 6.32×l1（米）×q2（ m3/s） × 1 ×10-3 d15（ 米 ） t+273 = 6.32×6×0.6972 × 1 ×10-3 =1.54(kpa) 0.1085 540+273

      再假如在住宅型消声器后面有排气管30米，弯头5个，管径 φ165 ，则当量长度l2=30+5+2 .28=41.4(米)

      p排2= 6.32×l2（米）×q2（ m3/s） × 1 ×10-3 d25（ 米 ） t+273 = 6.32×41.4×0.6972 × 1 ×10-3 =1.28(kpa) 0.1655 540+273

      排气管的总背压：p排=p排1+p排2=1.54+1.28=2.82(kpa)

      排气系统的背压：p=p排+p消=2.82+1.055=3.875(kpa)

      系统的许用背压值[p]=10(kpa)

      很后得出：p=3.875≤[p]=10(kpa)

      六、结语

      柴油发电机组机房经过低噪音工程处理以后一般能达到60db(a)的水平，随着降噪工程技术的不断进步和新型高校吸音材料的应用，柴油发电机组工作时噪声扰人的事实将成为历史

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