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柴油發(fā)電機(jī)組隔音罩構(gòu)成和設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng) |
摘要:隔音罩是聲學(xué)降噪中最常用的措施方案,又稱靜音箱、預(yù)制式集裝箱電站等。靜音箱式柴油發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)按功能劃分,主要包括吸隔聲模塊,消聲通風(fēng)散熱系統(tǒng),隔聲門,隔聲窗以及主體承重框架等。通常視柴油發(fā)電機(jī)組在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用的需要和用戶的要求有所增減,比如可增加浮筑減振地板,尾氣凈化裝置,移動(dòng)拖車以及消防裝置等配置。制作方法是采用消聲 、 隔振 、 吸聲和隔聲相結(jié)合的綜合方案 , 控制和減小柴油發(fā)電機(jī)的噪聲 , 使柴油發(fā)電機(jī)組隔音罩達(dá)到降噪靜音的目的 。 本文通過分析柴油發(fā)電機(jī)組的各類噪聲聲源產(chǎn)生原理 , 提出消減噪聲的措施 , 從而對(duì)靜音箱的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行探討并優(yōu)化。
一、靜音機(jī)組噪聲分析
柴油發(fā)電機(jī)組可以作為主用電源、備用電源或應(yīng)急電源,廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代社會(huì)的諸多領(lǐng)域。但是柴油發(fā)電機(jī)組在工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲非常大(90 dB(A)~120 dB(A),離機(jī)組1 m處),直接影響了人們的工作和生活,迫切需要噪聲小的發(fā)電機(jī)組,為此靜音型柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)運(yùn)而生。靜音型柴油發(fā)電機(jī)組就是將機(jī)組安置于隔音罩內(nèi),通過隔聲、吸聲、消聲、隔振等技術(shù)措施有效地阻止或減弱噪聲向外傳播,將噪聲源的噪聲控制在箱體內(nèi)部,從而降低其對(duì)外界的影響。隔音罩同時(shí)具備防雨、降噪功能,因而其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵,本文對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組隔音罩的消音降噪結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行分析探討。
為有效控制機(jī)組的噪聲,首先分析機(jī)組噪聲的產(chǎn)生及其分布,以便有針對(duì)性地采用噪聲控制技術(shù)。柴油發(fā)電機(jī)組主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、散熱水箱、公共底座等部件組成,從噪聲產(chǎn)生的原因和部位上來分,發(fā)電機(jī)組噪聲主要是由排氣噪聲、機(jī)械噪聲、燃燒噪聲、冷卻風(fēng)扇和排風(fēng)噪聲和進(jìn)風(fēng)噪聲、發(fā)電機(jī)噪聲等6類噪聲源匯集而成的綜合聲源。
普通柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí),在距離機(jī)組1 m處的噪聲平均值在120dB(A)左右,根據(jù)其傳播路徑(或噪聲控制區(qū)域)可歸納為以下三種噪聲:排氣噪聲、排風(fēng)噪聲和進(jìn)氣噪聲。消減噪聲的措施也相應(yīng)地分為排氣降噪、排風(fēng)降噪和進(jìn)氣降噪。柴油發(fā)電機(jī)組噪聲控制區(qū)域如圖1所示,在不帶隔音罩之前的設(shè)備安裝示意圖如圖2所示。
圖1 柴油發(fā)電機(jī)組隔音罩噪聲控制區(qū)域 |
圖2 柴油發(fā)電機(jī)組的安裝示意圖(不帶隔音罩) |
二、靜音機(jī)組的方案設(shè)計(jì)
靜音機(jī)組的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮如下幾個(gè)方面:
1、框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
隔音罩需要根據(jù)發(fā)電機(jī)組的尺寸和性能要求而設(shè)計(jì)相對(duì)密閉的具有防雨和降噪功能的箱體,其框架結(jié)構(gòu)一般根據(jù)發(fā)電機(jī)組外形尺寸、機(jī)組功率、降噪要求和使用環(huán)境要求決定,常見的結(jié)構(gòu)形式有標(biāo)準(zhǔn)集裝箱式和折板式。集裝箱式隔音罩結(jié)構(gòu)常采用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱改造成隔音罩安裝發(fā)電機(jī)組,輔助隔聲降噪措施,其結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。折板式隔音罩依據(jù)柴油發(fā)電機(jī)組的外形結(jié)構(gòu)采用鋼板制作的隔聲箱體(罩殼),輔助隔聲降噪措施,并安裝隔聲檢修門以及隔聲觀察窗,其結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。需根據(jù)技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性合理選擇隔音罩框架結(jié)構(gòu),比如功率較大機(jī)組或者需要船運(yùn)的項(xiàng)目或者需出口的項(xiàng)目,優(yōu)先選用集裝箱結(jié)構(gòu);要求空間小或成本低的項(xiàng)目,可以選擇折板式結(jié)構(gòu)。
圖3 集裝箱式柴發(fā)機(jī)組靜音箱結(jié)構(gòu) |
圖4 折板式柴發(fā)機(jī)組靜音箱結(jié)構(gòu) |
2、通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)
柴油發(fā)動(dòng)機(jī)消耗的燃油有部分熱量損耗輻射到周圍的空氣中,提高了隔音罩內(nèi)的溫度,影響了發(fā)電機(jī)組的性能。隔音罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按發(fā)電機(jī)組燃燒和散熱需要的風(fēng)量計(jì)算通風(fēng)所需的進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)截面面積,保證箱體內(nèi)足夠的通風(fēng)量,并且通過合理布置進(jìn)、排風(fēng)口的位置使發(fā)電機(jī)組得到最好的冷卻效果,特殊情況可考慮強(qiáng)制送風(fēng)。
3、隔聲和吸聲計(jì)算及設(shè)計(jì)
利用隔聲構(gòu)件(墻體、門窗等)將噪聲源和接受者隔開,在噪聲的傳播路徑上降低噪聲污染的技術(shù)稱為隔聲技術(shù)。通常采用的設(shè)置聲屏障、隔音罩、隔聲間等聲學(xué)措施就屬于隔聲技術(shù),其可降低噪聲20dB(A)~50dB(A)。
當(dāng)聲波入射到兩種媒質(zhì)的分界面時(shí)將會(huì)發(fā)生反射、透射現(xiàn)象,不同的材料對(duì)聲波的透射效果不同,透射能力越小,隔聲量越大,隔聲性能越好。物體的隔聲量R與構(gòu)件的面密度m(kg/m2)和聲波激發(fā)頻率f(Hz)的關(guān)系為:
R=20lgm+20lgf-42.5..............(公式1)
由公式(1)可知,對(duì)于某一固定頻率,構(gòu)件的隔聲量是隨著面密度的增加而增加的,因此箱體壁板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選擇面密度相對(duì)較大的材料。實(shí)際工程應(yīng)用時(shí),常以平均隔聲量計(jì)算壁板的隔聲量,把隔聲量按主要的入射聲頻率(100 Hz~3200 Hz)求平均,用平均隔聲量R表示,其計(jì)算公式為:
R=13.5lgm+14 m≤200
R=16lgm+8 m>200..............(公式2)
由公式(2)可知,平均隔聲量與面密度緊密相關(guān),而根據(jù)實(shí)際隔聲量的需求可大致確定壁板的材料和厚度。
在進(jìn)行隔聲處理的同時(shí),大量的聲波被反射回箱體內(nèi)部,從而降低壁板的隔聲效果。因此在進(jìn)行隔聲處理的同時(shí)還要在壁板內(nèi)側(cè)貼附吸聲材料,從而對(duì)內(nèi)部噪聲進(jìn)行吸聲處理,有效降低總體噪聲級(jí)。
聲波在傳播過程中遇到各種固體材料時(shí),一部分聲能被反射,一部分聲能進(jìn)入到材料內(nèi)部被吸收,還有很少一部分聲能透射到另一側(cè)。通常將入射聲能E;和反射聲能E,的差值與入射聲E;之比值稱為吸聲系數(shù),記為α,即:
α=(Ei-Er)/Ei..............(公式3)
吸聲系數(shù)α的取值在0~1之間,α在0.2以上的材料被稱為吸聲材料,α在0.5以上的材料就是理想的吸聲材料。吸聲系數(shù)α的值與入射聲波的頻率有關(guān),同一材料不同頻率的聲波其吸聲系數(shù)有不同的值;不同材料的吸聲系數(shù)不同,其吸聲效果也不同。箱體吸聲降噪量ΔLp計(jì)算公式為:
ΔLp=10lg(ā1/ā2)..............(公式4)
其中:ā?、ā?分別為箱體表面經(jīng)處理前、后的平均吸聲系數(shù)。
箱體內(nèi)表面的平均吸聲系數(shù)計(jì)算公式為:
ā=ΣαiSi..............(公式5)
其中:Si為第i個(gè)表面的面積,m²;S為箱體內(nèi)表面面積的總和,m²。
如現(xiàn)場(chǎng)條件比較復(fù)雜,平均吸聲系數(shù)a難以準(zhǔn)確計(jì)算時(shí),可以利用吸聲系數(shù)與混響時(shí)間即衰減60 dB所需要的時(shí)間Tso計(jì)算,其關(guān)系為:
T60=0.161V/S•ā..............(公式6)
其中:V為箱體容積,m³。
則公式(4)可簡(jiǎn)化為:
ΔLp=10lg(T1/T2)..............(公式7)
其中:T?、T?分別為吸聲處理前、后的混響時(shí)間。
在吸聲降噪過程中,常采用多孔吸聲材料(如礦棉或硅酸鋁棉等)、薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)、穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)和微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)減噪的目的。發(fā)電機(jī)組用隔音罩常采用穿孔板結(jié)合吸聲材料的復(fù)合結(jié)構(gòu),如圖5所示。對(duì)門進(jìn)行加厚和密封處理,對(duì)觀察窗采用雙層玻璃結(jié)構(gòu)并進(jìn)行密封處理,最大限度地密封了噪聲,有效地解決了噪聲從門、窗和空隙中傳出的問題,同時(shí)逃生門鎖還需要具備內(nèi)部開啟功能。
4、進(jìn)、排風(fēng)口噪聲處理
為保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作以及給機(jī)組本身創(chuàng)造良好的散熱條件,機(jī)組的進(jìn)風(fēng)通道必須能夠使進(jìn)風(fēng)順暢地進(jìn)入隔音罩,進(jìn)風(fēng)量必須大于機(jī)組的空氣消耗量與排風(fēng)量之和,但同時(shí)機(jī)組的機(jī)械噪聲、氣流噪聲也會(huì)通過這個(gè)進(jìn)風(fēng)通道輻射到隔音罩外面。
發(fā)電機(jī)組風(fēng)扇噪聲是由旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲組成的,旋轉(zhuǎn)噪聲由風(fēng)扇的葉片切割空氣流產(chǎn)生周期性擾動(dòng)而產(chǎn)生;渦流噪聲是由于風(fēng)扇運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的周圍空氣發(fā)生渦流脫體,使空氣發(fā)生擾動(dòng),形成氣體的壓縮與稀疏過程而形成的,是一個(gè)寬頻噪聲。發(fā)電機(jī)組的排風(fēng)噪聲、氣流噪聲、風(fēng)扇噪聲、機(jī)械噪聲等也都是通過排風(fēng)通道輻射出去的。
由于隔音罩箱體采取自然進(jìn)風(fēng)(特殊情況采用強(qiáng)制送風(fēng))和強(qiáng)制排風(fēng),因此按照區(qū)域劃分為進(jìn)氣噪聲區(qū)和排風(fēng)噪聲區(qū)。為防止噪聲從進(jìn)、排風(fēng)風(fēng)道向外傳播,進(jìn)、排風(fēng)風(fēng)口均必須安裝消聲系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)如圖6所示。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇排風(fēng)量和空氣燃燒量,可以計(jì)算進(jìn)、排風(fēng)風(fēng)量并設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)消聲通道,即設(shè)計(jì)折板式阻性消聲器,起到進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)消聲作用。折板式阻性消聲器是在消聲器內(nèi)壁或通道空間安裝吸聲材料(硅酸鋁棉)或吸聲結(jié)構(gòu),利用聲波在多孔性吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)中傳播,因摩擦將聲能轉(zhuǎn)化為熱能而散發(fā)掉,使沿管道傳播的噪聲隨距離而衰減,從而達(dá)到消聲的目的。在消聲器片出口處安裝百葉窗(或電動(dòng)百葉窗)避免雨水進(jìn)入。
阻性消聲器的降噪量與吸聲材料的聲學(xué)性能、氣流通道周長(zhǎng)、斷面面積以及管道長(zhǎng)度等因素有關(guān),A.N.別洛夫由一維理論推導(dǎo)出長(zhǎng)度為?的消聲器的降噪量ΔL為:
ΔL=φ(α0)•L•?/S?..............(公式8)
其中:φ(α0)為消聲系數(shù);?為消聲器有效部分長(zhǎng),m;L為消聲器的通道斷面周長(zhǎng),m;S?為消聲器的有效橫截面面積,m²。
由公式(8)可推導(dǎo)出阻性消聲器長(zhǎng)度?為:
?=ΔL•S?/φ(α0)•L..............(公式9)
圖5 柴油發(fā)電機(jī)組靜音箱隔聲板結(jié)構(gòu) |
圖6 靜音發(fā)電機(jī)組進(jìn)排風(fēng)消聲系統(tǒng) |
5、柴油發(fā)電機(jī)組噪聲的控制
由于柴油發(fā)電機(jī)組排氣(煙)噪聲級(jí)別最強(qiáng),排氣管路是機(jī)組最大的噪聲擴(kuò)散源,在排氣管上安裝消聲器是最直接有效的手段。整個(gè)排氣(煙)系統(tǒng)的總阻力P計(jì)算公式為:
P=P?+P?..............(公式10)
其中:P?為排氣(煙)管的背壓;P?為消聲器的背壓。
排氣(煙)管的背壓計(jì)算公式為:
P?=6.32L?×Q2/{D5×(t+273)}
其中:L?為排氣直管當(dāng)量總長(zhǎng)度,當(dāng)排氣系統(tǒng)中采用彎管時(shí),應(yīng)將彎管折算成直管的當(dāng)量長(zhǎng)度,m;Q為廢氣流量,m³/s;D為排氣管直徑,m;t為排氣(煙)溫度,℃。
發(fā)電機(jī)組的最大允許排氣背壓為一定值(可查發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)表),由公式(11)可知,設(shè)計(jì)排氣(煙)管路時(shí),盡可能減小管路排氣背壓,通常采用降低排氣通道中各部件的氣流速度、少用彎頭,并擴(kuò)大排氣管直徑的方法??刹扇≡诔R?guī)抗性消聲器的基礎(chǔ)上增加一個(gè)阻性消聲器形成兩級(jí)擴(kuò)張式消聲器,或者直接在柴油發(fā)電機(jī)組的排氣(煙)口安裝阻抗復(fù)合式消聲器,對(duì)發(fā)電機(jī)組的排氣(煙)噪聲進(jìn)行處理,同時(shí)對(duì)箱體內(nèi)的排氣(煙)管路進(jìn)行隔熱包扎,以減少排氣(煙)系統(tǒng)熱輻射對(duì)箱體的溫升作用。在發(fā)電機(jī)排氣彎頭與管路連接的位置須安裝波紋管,吸收和補(bǔ)償排氣(煙)管的熱脹冷縮、防止剛性件破裂。消聲器的選擇必須滿足發(fā)動(dòng)機(jī)排氣(煙)背壓的要求,消聲器會(huì)使排氣(煙)管路的排氣阻力增大,將影響柴油發(fā)電機(jī)組的使用性能。經(jīng)測(cè)量可知,安裝阻抗復(fù)合式消聲器后的排氣(煙)噪聲(排氣管出口1m處)可降低25 dB(A)~30 dB(A)。
6、柴油發(fā)電機(jī)組隔振設(shè)計(jì)
針對(duì)發(fā)電機(jī)組的固有頻率,在發(fā)電機(jī)組的合適位置放置橡膠減振器/墊,以減少機(jī)組振動(dòng)對(duì)基礎(chǔ)或建筑物的損壞以及通過振動(dòng)而傳播噪聲。發(fā)電機(jī)組的隔振一般采用橡膠減振器,發(fā)電機(jī)通過橡膠減振器安裝在機(jī)組底座上,機(jī)組底座與隔音罩底板之間配置高效減振膠墊(或彈簧減振器),對(duì)機(jī)組進(jìn)行二次隔振處理。
7、供油系統(tǒng)設(shè)計(jì)
柴油發(fā)電機(jī)組可配置滿足機(jī)組全負(fù)荷運(yùn)行8h所需的底座油箱。底座油箱與發(fā)電機(jī)組的進(jìn)、回油接口用高壓軟油管進(jìn)行連接,進(jìn)油管路設(shè)置過濾器。大功率機(jī)組需考慮單獨(dú)的日用油箱供油。
8、消防、配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)用戶需求配置機(jī)組自動(dòng)消防氣體滅火系統(tǒng),配備滅火器、消防應(yīng)急燈、防火閥等消防設(shè)備設(shè)施;根據(jù)用戶需求,配置對(duì)外供電接口(接線箱),并安裝照明系統(tǒng)。
三、隔音罩的制作及注意事項(xiàng)
1、隔音罩的制作
吸隔聲模塊是隔音罩最基本也是最重要的組成部分,在其他組成部分性能恒定的情況下(密封性良好),吸隔聲模塊的聲學(xué)性能直接決定隔音罩的降噪效果。通俗的來講,如果隔音罩要取得達(dá)到某一數(shù)值降噪量的效果,那么吸隔聲模塊的整體吸隔聲效果就必須要大于這一數(shù)值。因此吸隔聲模塊的結(jié)構(gòu),是設(shè)計(jì)隔音罩,保證其達(dá)到設(shè)計(jì)降噪效果,首要考慮的因素。進(jìn)一步來講,吸隔聲模塊組成結(jié)構(gòu)的選材是隔音罩降噪應(yīng)用成功的關(guān)鍵。圖7、圖8是隔音罩的3D模擬圖。
吸隔聲模塊結(jié)構(gòu)顧名思義,包括吸聲與隔聲兩個(gè)部分。隔聲部分主要功能是使用隔聲材料阻斷聲音傳播的空氣途徑,將噪聲的負(fù)面影響控制在隔音罩空間區(qū)域內(nèi)。吸聲部分是隔聲部分的補(bǔ)充,但是必不可少。當(dāng)聲波被隔聲材料阻斷后,就會(huì)被反射,經(jīng)過多次反射后,隔音罩空間區(qū)域內(nèi)的聲波就會(huì)疊加,使隔音罩內(nèi)的聲壓級(jí)高于噪聲源設(shè)備原有的聲壓級(jí)。通過使用吸聲材料,可最大限度的降低聲波的反射,同時(shí)衰減吸收聲波傳遞的聲能量。
吸隔聲模塊結(jié)構(gòu)通常選用1-2mm的優(yōu)質(zhì)鍍鋅鋼板折制成型,作為隔聲材料,為了抑制鋼板的吻合效應(yīng),在內(nèi)表面敷有一層3-5mm的阻尼涂料,來提高隔聲性能。型腔內(nèi)填吸聲棉,根據(jù)所要隔斷的噪聲聲波特性,選擇不同的容重和厚度。吸聲棉用吸聲膜包裹,防止?jié)B漏。腔外用鍍鋅穿孔板作為保護(hù)面,孔板穿孔率25%以上。
2、隔音罩制作的注意事項(xiàng)
隔聲降噪應(yīng)從柴油發(fā)電機(jī)組噪音的傳播途徑著手,柴油機(jī)的隔聲,有局部隔聲和整機(jī)隔聲兩種。
(1)局部隔聲
局部隔聲指僅在噪聲輻射較強(qiáng)的表面上裝隔音罩殼。采用隔音罩殼應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。
① 罩殼的固定應(yīng)有彈性,罩殼與基本結(jié)構(gòu)表面應(yīng)留有適當(dāng)?shù)拈g隔,罩殼的自振頻率應(yīng)控制在100~300Hz以下。
② 采用阻尼涂層或?qū)訝畈牧献龈粢粽謿?,可提高隔聲效果?/span>
③ 必須注意罩殼的密封。
(2)整機(jī)隔聲
整機(jī)隔聲就是在緊靠柴油機(jī)外表面裝一套整機(jī)隔音罩,可以使柴油機(jī)總表面噪聲降低10~35dB(A)。與局部隔聲相比,整機(jī)隔聲的優(yōu)點(diǎn)是隔聲量大,缺點(diǎn)是會(huì)使機(jī)組的外形尺寸加大,重量增加,同時(shí)需要通風(fēng)散熱。
① 轉(zhuǎn)子斜槽后,由于徑向力沿軸向長(zhǎng)度上各處相位不同,可產(chǎn)生扭力力矩,導(dǎo)致鐵芯扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲,這在大型電機(jī)及鐵芯很長(zhǎng)的電機(jī)中應(yīng)特別注意。
② 增加電機(jī)定子剛度及避免機(jī)械共振增加定子鐵芯軛的厚度以增加剛度,可降低電機(jī)的振動(dòng)及噪聲。因此,多極數(shù)電機(jī)中軛厚不能單純從磁路計(jì)算觀點(diǎn)考慮。再者,應(yīng)避免機(jī)械共振,即避免主要的力波頻率與定子機(jī)座、端蓋等結(jié)構(gòu)件的固有頻率接近或吻合。
圖7 柴油發(fā)電機(jī)組隔音罩側(cè)視圖 |
圖8 柴油發(fā)電機(jī)組隔音罩正視圖 |
總結(jié):
現(xiàn)代社會(huì)環(huán)境對(duì)噪聲要求日趨嚴(yán)格,對(duì)帶隔音罩的柴油發(fā)電機(jī)組的降噪要求也越來越高,在設(shè)計(jì)柴油發(fā)電機(jī)隔音罩結(jié)構(gòu)方案時(shí),需要綜合利用噪聲控制技術(shù),針對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組不同部位噪聲的特點(diǎn),分別采用隔聲、吸聲、消聲和隔振等控制措施,合理選擇性價(jià)比高的降噪材料,充分利用靜音箱體空間來設(shè)計(jì)降噪結(jié)構(gòu)方案,可使噪聲降至75 dB(A),達(dá)到國(guó)家環(huán)境要求的標(biāo)準(zhǔn)。
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