對柴油發電機組隔振降噪與通風散熱的分析

馮 磊 張曉瑋 張 棟

威海廣泰空港設備股份有限公司 山東 威海 264200

引言

在工業生產中柴油發動機的地位不可小覷,但在運行期間產生較大噪音,于醫院、住宅區等公共場所對環境噪音的要求不相符合,需要加強隔振降噪、通風散熱等方面的研究,研發出超靜音發電機組,使市場需求得到滿足。在隔振降噪方面,先要對噪音來源進行分析,并掌握降噪機理,通過優化運行環境、設計消聲器、安裝隔聲罩等方式達到消音效果。在通風散熱方面,可通過優化散熱器設備、優選隔熱散熱材料等方式來實現。

1 柴油機隔振降噪機理與降噪技術

1.1 聲源分析

柴油機的構成部件較多,如發電機、發動機、控制系統等,其中發動機在噪音構成中占比較多,在機體相距1m的位置,噪聲強度通常在88—120dB范圍內,與之相比,發電機的噪音較小,并非主要噪音來源。在降噪方面,可利用靜音艙結構來阻礙聲音傳播。發電機的噪聲多由排煙、設備自身運行、燃燒等產生,尤其是排煙噪音相對較大,且頻率較廣,應注重該位置的靜音處理。為了使柴油機在運行中處于靜音狀態,應從噪聲傳播渠道著手,綜合分析振幅、頻率等信息,結合噪音特征采用相應對策,達到降低噪音的目標。因噪聲性質有所區別,可采用消滅、阻隔、降低等形式處理,借助吸聲材料、消聲器等達到降噪目標。

1.2 降噪機理

降噪可采用以下方式解決,一種是消除噪聲源頭,另一種是阻隔傳播途徑,使噪音在傳播期間逐漸削弱。在阻隔傳播途徑方面,降噪機理如下,在阻性降噪中,聲音在經過某種物體時能夠被吸收,特別是在使用吸聲材料后,因此類材料具有多孔性,在聲波進入后,引發孔隙內空氣與材料纖維振動,受摩擦與粘滯阻力影響,將部分聲能轉變成熱能進行吸收,達到吸聲目標。例如,兩塊海面碰撞的聲音遠遠低于兩塊鐵皮,可將阻性降噪效果較為明顯。在抗性降噪中,吸聲材料對低頻噪聲的吸收效果不夠顯著,可利用吸聲結構來實現。例如,在金屬板、模板上開設一定孔率的孔洞,并在后方設置空腔?？變瓤諝馐苈暡▔毫τ绊?如同活塞般往返運動,聲波在進入孔徑后,受頸壁摩擦作用影響,變成熱能被消耗,多作為消聲器被應用到發動機中[1]。

1.3 降噪技術

以柴油機為例,可從運行環境、聲源等方面著手,采取多樣化降噪技術。

1.3.1 優化運行環境 在機房墻體施工中,要求灰縫緊密,無孔洞與縫隙存在,在墻內粉刷多孔性材料,如石灰膏、水泥等,還可粘貼木屑構成吸音層。機房與操作間之間砌筑墻體,墻上開設兩層玻璃窗,材料為6mm浮法玻璃,兩側玻璃間隔應超過8cm;空氣阻隔夾層,隔墻可降低30—40dB(A)的噪音,常規門窗的降噪范圍在15—20dB(A)之間,采用專用門窗進行降噪處理后,可使運行環境的噪音始終不超過75dB(A)。

1.3.2 設計消聲器 柴油發動機運行中,產生表面輻射與機械噪音,受結構與性能影響,成品設備無法在燃燒和機械傳動方面進行降噪,而排煙噪音能量較大,噪音相對較高,且屬于外部配件,可通過設計消聲器達到降噪效果。消聲器分為阻性、抗性、阻抗復合三種,消聲器利用管道上突變截面使聲波發射反射實效消聲;阻性利用吸聲材料與聲波摩擦,將能量變為熱能達到消聲效果。在抗性消聲器運行中,對中、低頻噪聲具有較強消聲性,而阻性更適用于中、高頻噪音中;復合型帶有上述兩種類型的特點,可在1m處測量時,使噪音均值始終低于83dB,消聲效果相對更好。

1.3.3 安裝隔聲罩 機房隔聲罩的吸音、隔音材料選擇時,應考慮好排風道、進風道布設問題,吸音材料為玻璃棉、礦渣棉等,因不同材料的吸音系數不同,即便相同的吸音材料,對于不同頻率噪音產生的效果也有所區別。對此,材料選擇不但要考慮到柴油機結構、運行環境與價格,還要確定特定頻率中的吸音系數。例如,在采用聚氨基甲脂酸泡沫材料時,有時降噪效果不夠理想,主要因該材料適用于高頻率的噪音,而柴油機發出的噪音屬于中低頻率,最好選擇玻璃棉材料。但因該材料對人體健康不利,可在結構上進行優化,用其他吸音材料將其包裹起來,不但可與玻璃棉一同發揮吸音效果,還可避免玻璃纖維在空氣中擴散,具有隔音降噪、環保雙重價值[2]。

2 柴油機發熱機理與散熱措施

2.1 發熱機理

在柴油機運行時,主要高溫部件為機體、排煙系統以及其他高速旋轉的部件,相比來看,發電機自身的效率較高,沒有過高的熱輻射影響,但排煙系統的熱量比重較高,特別是10KW的發電機組來說,多采用后排方式,排氣管道從前方穿入經過靜音艙后才達到后方排除,如若隔熱設計不到位,勢必影響機組運行效果。排氣材質普遍是金屬,且熱傳導系數較高,管道內外溫差可達400℃,在有限的空間內運行會產生強大熱源,如若處理不當很容易迅速升溫,超過警戒值后致使設備癱瘓。在機組正常運行時,因排氣管、內部發動機等高溫部件可將自身熱量傳遞到靜音艙中,使艙體內部溫度提升,還可能影響零部件的安全性,特別是部分控制線、艙體后方的油箱桶等,對上述部件安全性的研究對掌握發電機組內部溫度情況,規避風險具有重要意義。通常情況下,在ANSYS結構基礎上進行熱響應分析,熱穩態平衡方程如下:

式中,t代表的是時間,單位為s;{T}代表的是溫度矩陣;[C]代表的是比熱矩陣;[K]代表的是熱傳導矩陣;Q代表的是熱流率載荷向量。輸入到柴油機系統內熱量與機體自身熱量相加后,得出輸出系統的熱量,如若滿足上述條件,則為熱穩態情況,穩態熱分析的關鍵在于溫度固定,不會受時間影響發生改變,在此條件下的能量平衡方程可表示為:

式中,[K]代表的是熱傳導矩陣;{T}代表的是溫度矩陣;Q代表的是熱流率載荷向量。根據溫度場分析可知,排氣系統屬于關鍵熱源,管道初始溫度約340℃,側板與后板與排氣部件距離較近,在熱輻射影響下溫度較高,側板溫度在120—160℃之間,常規吸音棉的高溫耐受力低于120℃,一旦高于該溫度便會使材料熔化,雖然復合阻尼鋼板的溫度承受力可達200℃,但其最佳運行溫度在30—100℃之間,如若超過該溫度,不但會影響吸音效果,還會使壽命受到影響。對此,需要用耐高溫的材料將其包裹起來,不但可減少熱量在艙體內釋放,還可避免排氣管道與周圍相鄰板面產生高溫接觸,使艙體應用更為可靠,還可滿足降噪要求。

2.2 散熱技術

2.2.1 散熱設備材質選擇

以風冷散熱器為例,此類設備的指標包括環境溫度、散熱面積、材料導熱性能等方面,通常采用導熱系數較強的材料,有助于熱量散失,如銅、銀、鋁等,鋁的導熱系數為121W/k/m,機械強度較高,加工性能良好;銀的導熱系數為364W/k/m,導熱率較高,強度良好,成本高昂;銅的導熱系數為164W/k/m,,可選擇鑄造加工,強度良好且適用范圍較廣?？梢?銀的導熱系數是鋁的2倍,效果十分可觀,但成本較高,不適用于柴油發電機中。綜合來看,最終選擇鋁材料作為設備材質,其在機械強度、導熱心梗等方面均能夠符合靜音機組要求,散熱設備的結構與尺寸等可結合實際需求而定。在隔熱保溫材料選擇中,可采用納米氣凝膠保溫氈,根據溫度場分析可知,柴油機發電機組中高溫位置普遍不超過400℃,該材料屬于導熱系數最低的材料,還具有便于裁剪、易包裹等特點,可將其作為隔熱保溫材料,與常規材料相比隔熱效果更強、成本較低、使用壽命較長。在隔熱效果相同的情況下,保溫氈的厚度更為輕薄,適用于排氣管道中。

2.2.2 功率損耗

靜音型柴油機在降低噪音的同時,還會增加發動機內有功功率的損害,一些發電機利用強制排風方式,靜音箱中的通風面積超過水冷式,散熱量應使機組滿載、過載工作條件得以滿足。以20k W風冷柴油機組為例,該機組中各項功率損耗對機組有功功率產生較大影響,與關鍵部件選型緊密相關,損耗情況如下:消聲器的損耗效率在4—5%之間;發動機的溫升損耗為每提升5℃,損耗量為2%;發動機每提升100m,損耗為1%;發電機的溫升損耗超過40℃,每提升5℃,損耗量超過3%;靜音機箱為整體損耗,損耗效率在20—30%之間[3]。

2.2.3 換熱量計算

在散熱器運行中,換熱量可用以下公式計算。

式中,Q代表的是換熱量,單位為W;A代表的是傳熱面積,單位為m3;K代表的是傳熱系數,單位為W/(m2K);Δtm代表的是冷熱流體間的溫差均值,單位為K;當前市場上性價比較高的散熱器類型為Acp2128,機油出口溫度為91℃,常規柴油機合理的機油溫度位于75—90℃,91℃機油對柴油機來說溫度相對較高,為了便于散熱,需要安裝小型風扇,促進通風,使機油溫度始終處于合理范圍內,否則會因機油溫度過高,影響發動機高效運行;但若機油過低還會降低運行功率,使燃料消耗增加,潤滑程度較低,增加磨損程度,降低設備壽命。對此,不可將散熱器放在隔板等高溫位置,而是要調整到發動機側邊,便于通風。此外,因靜音箱中的空間有限,需要進行結構調整,將原本的310mm×270mm×150mm調整成200mm×418.5mm×150mm,使內部空間得以拓展,同樣便于通風散熱[4]。

3 柴油機降噪通風的實驗檢測

3.1 實驗要求

根據GB2820-90標準,該實驗規定應與柴油機出廠實驗要求相符合。在檢測期間,對大氣環境進行設定,即環境濕度為30%、溫度為24.85℃、氣壓為100KPa;測試方法應滿足GB2820.6中的規定,在正式測試前進行精度校驗;實驗所用機油牌號均要滿足實驗要求,經過過濾、脫水后,才可正式投入使用;在實驗開展100h后及時更換新機油,用過的柴油在50h沉淀后進行過濾。在實驗期間,應確保機組內全部附件完整,各附件均具備合格證件。在柴油機狀態檢測中,常溫狀態下,選擇五種固定負載作為不同工況進行對比,即0、25%、50%、75%、100%,在實驗平臺上對機組電壓、頻率的穩態調整參數進行研究。該實驗共計啟動3次發動機,每次間隔約15min。一般情況下,機組穩態電壓約為220V,機組轉速在3000r/min左右,頻率位于50Hz左右,經過電流調節使工況發生轉變。

3.2 實驗方法

為了達到隔振降噪的效果,對柴油機的靜音艙進行優化,先繪制艙體結構的二維平臺圖,由代工廠進行生產,再對設計方案進行噪聲檢測實驗,借助現有的聲音檢測設備,分別在發電機組裸機、帶有靜音艙兩種狀態下進行噪音檢測。噪音大小用分貝計算,分貝屬于對比聲音的響度單位,通常利用比率取對數的方式獲得,該比率包含能量、強度、聲壓等多種物理量。該實驗的噪音采集方式如下:在發動機轉速相同的情況,與之相距3m的位置利用分貝儀進行采樣,將采集的聲音數據整理后取平均值。根據均值對比裸機、柴油機噪音強度。同時,運用ANSYS軟件進行熱分析,探索空氣流動的最佳路徑[5]。

3.3 實驗結果

3.3.1 降噪效果

根據檢測結果可知,噪音強度普遍位于97—105dB范圍內,在噪音要求較高的公共場所中,如醫院、居民區等,上述噪音指標與要求不符。針對帶有靜音艙的柴油機進行檢測后,發現其噪音值在70—73dB范圍內,且檢測點的位置分別為機組前方、后方與兩側,計算出噪音強度均值為71.6dB,與裸機狀態相比,噪音值降低20—30dB,達到了良好的降噪效果。

3.3.2 散熱量計算

柴油機作為主要熱源,應確保其冷卻空氣量,計算公式如下。

式中,Q代表的是需要釋放的熱量,單位為kJ;t1代表的是流向氣缸空氣溫度,單位為℃;t2代表的是離開空氣溫度,單位為℃;p代表的是冷空氣密度,單位為kg/m3;Cp代表的是空氣頂壓比熱,單位為kJ/kg·℃。該實驗所用柴油機性能較高,在高溫50℃環境下持續運行11h,過載10%的情況下運行1h后,對發動機冷空氣流量進行計算,發現該機組總冷卻風量為52000L/min,各項指標能夠符合要求,說明該設備能夠在高溫狀態下正常運轉。

表1 噪音實驗結果

4 結論

綜上所述,在柴油發電機組運行中,為了控制噪音、促進通風,需要從降噪、散熱兩個層面著手探尋解決對策。根據本文研究可知,通過優化運行環境、設計消聲器、安裝隔聲罩等方式達到消音效果,通過優選散熱設備材質,做好功率損耗、換熱量計算等,可使機組性能得到極大提升,可選擇合適風量與風壓的散熱設備,可在高溫環境下正常運行,且噪聲始終處于合理范圍。