对柴油发电机组隔振降噪与通风散热的分析

冯 磊 张晓玮 张 栋

威海广泰空港设备股份有限公司 山东 威海 264200

引言

在工业生产中柴油发动机的地位不可小觑,但在运行期间产生较大噪音,于医院、住宅区等公共场所对环境噪音的要求不相符合,需要加强隔振降噪、通风散热等方面的研究,研发出超静音发电机组,使市场需求得到满足。在隔振降噪方面,先要对噪音来源进行分析,并掌握降噪机理,通过优化运行环境、设计消声器、安装隔声罩等方式达到消音效果。在通风散热方面,可通过优化散热器设备、优选隔热散热材料等方式来实现。

1 柴油机隔振降噪机理与降噪技术

1.1 声源分析

柴油机的构成部件较多,如发电机、发动机、控制系统等,其中发动机在噪音构成中占比较多,在机体相距1m的位置,噪声强度通常在88—120dB范围内,与之相比,发电机的噪音较小,并非主要噪音来源。在降噪方面,可利用静音舱结构来阻碍声音传播。发电机的噪声多由排烟、设备自身运行、燃烧等产生,尤其是排烟噪音相对较大,且频率较广,应注重该位置的静音处理。为了使柴油机在运行中处于静音状态,应从噪声传播渠道着手,综合分析振幅、频率等信息,结合噪音特征采用相应对策,达到降低噪音的目标。因噪声性质有所区别,可采用消灭、阻隔、降低等形式处理,借助吸声材料、消声器等达到降噪目标。

1.2 降噪机理

降噪可采用以下方式解决,一种是消除噪声源头,另一种是阻隔传播途径,使噪音在传播期间逐渐削弱。在阻隔传播途径方面,降噪机理如下,在阻性降噪中,声音在经过某种物体时能够被吸收,特别是在使用吸声材料后,因此类材料具有多孔性,在声波进入后,引发孔隙内空气与材料纤维振动,受摩擦与粘滞阻力影响,将部分声能转变成热能进行吸收,达到吸声目标。例如,两块海面碰撞的声音远远低于两块铁皮,可将阻性降噪效果较为明显。在抗性降噪中,吸声材料对低频噪声的吸收效果不够显著,可利用吸声结构来实现。例如,在金属板、模板上开设一定孔率的孔洞,并在后方设置空腔。孔内空气受声波压力影响,如同活塞般往返运动,声波在进入孔径后,受颈壁摩擦作用影响,变成热能被消耗,多作为消声器被应用到发动机中[1]。

1.3 降噪技术

以柴油机为例,可从运行环境、声源等方面着手,采取多样化降噪技术。

1.3.1 优化运行环境 在机房墙体施工中,要求灰缝紧密,无孔洞与缝隙存在,在墙内粉刷多孔性材料,如石灰膏、水泥等,还可粘贴木屑构成吸音层。机房与操作间之间砌筑墙体,墙上开设两层玻璃窗,材料为6mm浮法玻璃,两侧玻璃间隔应超过8cm;空气阻隔夹层,隔墙可降低30—40dB(A)的噪音,常规门窗的降噪范围在15—20dB(A)之间,采用专用门窗进行降噪处理后,可使运行环境的噪音始终不超过75dB(A)。

1.3.2 设计消声器 柴油发动机运行中,产生表面辐射与机械噪音,受结构与性能影响,成品设备无法在燃烧和机械传动方面进行降噪,而排烟噪音能量较大,噪音相对较高,且属于外部配件,可通过设计消声器达到降噪效果。消声器分为阻性、抗性、阻抗复合三种,消声器利用管道上突变截面使声波发射反射实效消声;阻性利用吸声材料与声波摩擦,将能量变为热能达到消声效果。在抗性消声器运行中,对中、低频噪声具有较强消声性,而阻性更适用于中、高频噪音中;复合型带有上述两种类型的特点,可在1m处测量时,使噪音均值始终低于83dB,消声效果相对更好。

1.3.3 安装隔声罩 机房隔声罩的吸音、隔音材料选择时,应考虑好排风道、进风道布设问题,吸音材料为玻璃棉、矿渣棉等,因不同材料的吸音系数不同,即便相同的吸音材料,对于不同频率噪音产生的效果也有所区别。对此,材料选择不但要考虑到柴油机结构、运行环境与价格,还要确定特定频率中的吸音系数。例如,在采用聚氨基甲脂酸泡沫材料时,有时降噪效果不够理想,主要因该材料适用于高频率的噪音,而柴油机发出的噪音属于中低频率,最好选择玻璃棉材料。但因该材料对人体健康不利,可在结构上进行优化,用其他吸音材料将其包裹起来,不但可与玻璃棉一同发挥吸音效果,还可避免玻璃纤维在空气中扩散,具有隔音降噪、环保双重价值[2]。

2 柴油机发热机理与散热措施

2.1 发热机理

在柴油机运行时,主要高温部件为机体、排烟系统以及其他高速旋转的部件,相比来看,发电机自身的效率较高,没有过高的热辐射影响,但排烟系统的热量比重较高,特别是10KW的发电机组来说,多采用后排方式,排气管道从前方穿入经过静音舱后才达到后方排除,如若隔热设计不到位,势必影响机组运行效果。排气材质普遍是金属,且热传导系数较高,管道内外温差可达400℃,在有限的空间内运行会产生强大热源,如若处理不当很容易迅速升温,超过警戒值后致使设备瘫痪。在机组正常运行时,因排气管、内部发动机等高温部件可将自身热量传递到静音舱中,使舱体内部温度提升,还可能影响零部件的安全性,特别是部分控制线、舱体后方的油箱桶等,对上述部件安全性的研究对掌握发电机组内部温度情况,规避风险具有重要意义。通常情况下,在ANSYS结构基础上进行热响应分析,热稳态平衡方程如下:

式中,t代表的是时间,单位为s;{T}代表的是温度矩阵;[C]代表的是比热矩阵;[K]代表的是热传导矩阵;Q代表的是热流率载荷向量。输入到柴油机系统内热量与机体自身热量相加后,得出输出系统的热量,如若满足上述条件,则为热稳态情况,稳态热分析的关键在于温度固定,不会受时间影响发生改变,在此条件下的能量平衡方程可表示为:

式中,[K]代表的是热传导矩阵;{T}代表的是温度矩阵;Q代表的是热流率载荷向量。根据温度场分析可知,排气系统属于关键热源,管道初始温度约340℃,侧板与后板与排气部件距离较近,在热辐射影响下温度较高,侧板温度在120—160℃之间,常规吸音棉的高温耐受力低于120℃,一旦高于该温度便会使材料熔化,虽然复合阻尼钢板的温度承受力可达200℃,但其最佳运行温度在30—100℃之间,如若超过该温度,不但会影响吸音效果,还会使寿命受到影响。对此,需要用耐高温的材料将其包裹起来,不但可减少热量在舱体内释放,还可避免排气管道与周围相邻板面产生高温接触,使舱体应用更为可靠,还可满足降噪要求。

2.2 散热技术

2.2.1 散热设备材质选择

以风冷散热器为例,此类设备的指标包括环境温度、散热面积、材料导热性能等方面,通常采用导热系数较强的材料,有助于热量散失,如铜、银、铝等,铝的导热系数为121W/k/m,机械强度较高,加工性能良好;银的导热系数为364W/k/m,导热率较高,强度良好,成本高昂;铜的导热系数为164W/k/m,,可选择铸造加工,强度良好且适用范围较广。可见,银的导热系数是铝的2倍,效果十分可观,但成本较高,不适用于柴油发电机中。综合来看,最终选择铝材料作为设备材质,其在机械强度、导热心梗等方面均能够符合静音机组要求,散热设备的结构与尺寸等可结合实际需求而定。在隔热保温材料选择中,可采用纳米气凝胶保温毡,根据温度场分析可知,柴油机发电机组中高温位置普遍不超过400℃,该材料属于导热系数最低的材料,还具有便于裁剪、易包裹等特点,可将其作为隔热保温材料,与常规材料相比隔热效果更强、成本较低、使用寿命较长。在隔热效果相同的情况下,保温毡的厚度更为轻薄,适用于排气管道中。

2.2.2 功率损耗

静音型柴油机在降低噪音的同时,还会增加发动机内有功功率的损害,一些发电机利用强制排风方式,静音箱中的通风面积超过水冷式,散热量应使机组满载、过载工作条件得以满足。以20k W风冷柴油机组为例,该机组中各项功率损耗对机组有功功率产生较大影响,与关键部件选型紧密相关,损耗情况如下:消声器的损耗效率在4—5%之间;发动机的温升损耗为每提升5℃,损耗量为2%;发动机每提升100m,损耗为1%;发电机的温升损耗超过40℃,每提升5℃,损耗量超过3%;静音机箱为整体损耗,损耗效率在20—30%之间[3]。

2.2.3 换热量计算

在散热器运行中,换热量可用以下公式计算。

式中,Q代表的是换热量,单位为W;A代表的是传热面积,单位为m3;K代表的是传热系数,单位为W/(m2K);Δtm代表的是冷热流体间的温差均值,单位为K;当前市场上性价比较高的散热器类型为Acp2128,机油出口温度为91℃,常规柴油机合理的机油温度位于75—90℃,91℃机油对柴油机来说温度相对较高,为了便于散热,需要安装小型风扇,促进通风,使机油温度始终处于合理范围内,否则会因机油温度过高,影响发动机高效运行;但若机油过低还会降低运行功率,使燃料消耗增加,润滑程度较低,增加磨损程度,降低设备寿命。对此,不可将散热器放在隔板等高温位置,而是要调整到发动机侧边,便于通风。此外,因静音箱中的空间有限,需要进行结构调整,将原本的310mm×270mm×150mm调整成200mm×418.5mm×150mm,使内部空间得以拓展,同样便于通风散热[4]。

3 柴油机降噪通风的实验检测

3.1 实验要求

根据GB2820-90标准,该实验规定应与柴油机出厂实验要求相符合。在检测期间,对大气环境进行设定,即环境湿度为30%、温度为24.85℃、气压为100KPa;测试方法应满足GB2820.6中的规定,在正式测试前进行精度校验;实验所用机油牌号均要满足实验要求,经过过滤、脱水后,才可正式投入使用;在实验开展100h后及时更换新机油,用过的柴油在50h沉淀后进行过滤。在实验期间,应确保机组内全部附件完整,各附件均具备合格证件。在柴油机状态检测中,常温状态下,选择五种固定负载作为不同工况进行对比,即0、25%、50%、75%、100%,在实验平台上对机组电压、频率的稳态调整参数进行研究。该实验共计启动3次发动机,每次间隔约15min。一般情况下,机组稳态电压约为220V,机组转速在3000r/min左右,频率位于50Hz左右,经过电流调节使工况发生转变。

3.2 实验方法

为了达到隔振降噪的效果,对柴油机的静音舱进行优化,先绘制舱体结构的二维平台图,由代工厂进行生产,再对设计方案进行噪声检测实验,借助现有的声音检测设备,分别在发电机组裸机、带有静音舱两种状态下进行噪音检测。噪音大小用分贝计算,分贝属于对比声音的响度单位,通常利用比率取对数的方式获得,该比率包含能量、强度、声压等多种物理量。该实验的噪音采集方式如下:在发动机转速相同的情况,与之相距3m的位置利用分贝仪进行采样,将采集的声音数据整理后取平均值。根据均值对比裸机、柴油机噪音强度。同时,运用ANSYS软件进行热分析,探索空气流动的最佳路径[5]。

3.3 实验结果

3.3.1 降噪效果

根据检测结果可知,噪音强度普遍位于97—105dB范围内,在噪音要求较高的公共场所中,如医院、居民区等,上述噪音指标与要求不符。针对带有静音舱的柴油机进行检测后,发现其噪音值在70—73dB范围内,且检测点的位置分别为机组前方、后方与两侧,计算出噪音强度均值为71.6dB,与裸机状态相比,噪音值降低20—30dB,达到了良好的降噪效果。

3.3.2 散热量计算

柴油机作为主要热源,应确保其冷却空气量,计算公式如下。

式中,Q代表的是需要释放的热量,单位为kJ;t1代表的是流向气缸空气温度,单位为℃;t2代表的是离开空气温度,单位为℃;p代表的是冷空气密度,单位为kg/m3;Cp代表的是空气顶压比热,单位为kJ/kg·℃。该实验所用柴油机性能较高,在高温50℃环境下持续运行11h,过载10%的情况下运行1h后,对发动机冷空气流量进行计算,发现该机组总冷却风量为52000L/min,各项指标能够符合要求,说明该设备能够在高温状态下正常运转。

表1 噪音实验结果

4 结论

综上所述,在柴油发电机组运行中,为了控制噪音、促进通风,需要从降噪、散热两个层面着手探寻解决对策。根据本文研究可知,通过优化运行环境、设计消声器、安装隔声罩等方式达到消音效果,通过优选散热设备材质,做好功率损耗、换热量计算等,可使机组性能得到极大提升,可选择合适风量与风压的散热设备,可在高温环境下正常运行,且噪声始终处于合理范围。