箱式發電機組的低噪聲控制原則和預防
發布時間：2024-03-17 點擊：109
低噪音柴油發電機組的噪聲控制原則
柴油發電機組運行時，通常會產生95～110db（a）的噪聲，發電機組運行的噪聲，對周圍環境造成嚴重損害，因此必須對噪聲進行控制。低噪聲發電機組主要由標準發電機組、防音罩殼、進排風降噪裝置和排氣降噪裝置等組成。利用防音罩殼設置隔音和吸音層，進排風通道進行了降噪處理、排氣采用工業型和住宅型消聲器的組合結構，分別降低其高頻和低頻段的噪聲。
圖1 靜音箱發電機組平面結構圖
一、柴油機噪聲源分析
柴油機噪音大有兩大源頭，一個是缸內的燃燒特性決定，另一個則是由于供油系統產生。現在許多先進的柴油發動機已經在逐步著手解決這些問題，通過采用電控共軌柴油直噴技術，取消了供油分泵，因此相當程度減小了柴油機的振動和噪音。另外，由于先進的柴油發動機的供油更精確，缸內或爆震敲缸的振動也能大幅度降低。
同轉速同負荷的瞬態工況燃燒噪聲要高于穩態工況的燃燒噪聲，二者的差別是因為燃燒室壁面溫度的不同．由氣力動力載荷和壓力高頻振蕩的差異形成了瞬態工況和穩態工況燃燒噪聲水平的不同， 燃燒噪聲作為燃燒激勵的外部響應，必然受到燃燒過程的四個階段一滯燃期、急燃期、緩燃期和后燃期的影響。滯燃期內，燃油與缸內壓力空氣混臺氣形成的可燃混合氣正處于物理和化學準備階段，缸內工質只受到活塞上行的壓縮作用，因此缸內壓力和溫度變化都很小，對燃燒噪聲的直接影響甚微。
但是，由于滯燃期對燃燒過程的進展有很大影響，所以它對燃燒噪聲有間接的重大影響。急燃期內，氣缸內壓力急劇升高，燃燒粗暴，燃燒氣體形成的沖擊波猛烈沖擊燃燒室壁，燃燒噪聲增大。緩燃期內，燃燒是在氣缸容積不斷增加的情況下進行的。在這個階段，氣缸內氣體有一定的壓力增長率，所以仍能激發一定強度的燃燒噪聲，但壓力增長緩慢，對噪聲的影響已不顯著。后燃期內，因活塞下行，絕大部分燃料已經燃燒完畢，燃燒沖擊很弱，因而燃燒噪聲也很小。
二、噪音控制的途徑和基本方法
從燃燒噪聲形成的機理來看，應從以下兩個方面降低柴油機的燃燒噪聲：
1、降低氣缸壓力頻譜曲線
從產生的根源上，降低氣缸壓力頻譜曲線，特別是降低中高頻的頻率成分。為此可以提高進氣溫度和壓力、組織適當的進氣渦流、選用渦流室等分開式燃燒室、選用適當的噴油策略等等。這樣可以縮短滯燃期及減少滯燃期內形成的可燃混合氣。
2、增加對燃燒噪聲的衰減
從燃燒噪聲的傳播途徑，增加內燃機結構對燃燒噪聲的衰減，特別是對中高頻頻率成分的衰減。為此可以采取提高內燃機機體剛性及采用隔振和隔聲措施；減小活塞曲柄連桿各部分的間隙；減小缸徑、增加缸數或采用較大的行程缸徑比：改變薄壁零件(油底殼等)的材料和附加阻尼等方法。
二、柴油機噪聲控制措施
1．排氣噪聲的控制
（1）排氣噪聲產生的主要原因
排氣噪聲是發動機噪聲的主要部分。其噪聲一般要比發動機高10～15db（a）。排氣噪聲是發動機噪聲中能量最大，成分最多的部分。它的基頻是發動機的發火頻率，在整個的排氣噪聲頻譜中應呈現出基頻及其高次諧波的延伸。排氣噪聲成分主要有以下幾種：
①周期性的排氣噪聲，排氣所引起的低頻脈動噪聲頻率一般為63～125hz，噪聲值高達105~125db(a)。
②排氣管道內的氣柱共振噪聲。
③氣缸的共振噪聲。
④高速氣流通過排氣門環隙及曲折管道時產生的噴注噪聲。
⑤渦流噪聲以及排氣系統在管內壓力波激勵下所產生的再生噪聲形成了連續性高頻噪聲譜，頻率均在1000hz以上，隨著氣流速度的增加，頻率顯著提高。
（2）排氣噪聲的控制方法
消聲器是控制排氣噪聲的基本方法。正確選配消聲器（或消聲器組合）可使排氣噪聲減弱30～40db（a）以上。根據消聲原理，消聲器結構可分為阻性消聲器和抗性消聲器兩大類：
①阻性消聲器
阻性消聲器也稱為工業型消聲器，結構如圖2所示，是利用多孔吸聲材料，以一定方式布置在管道內，當氣流通過阻性消聲器時，聲波便引起吸聲材料孔隙中的空氣和細小纖維的震動。由于摩擦和黏滯阻力，聲能變為熱能而吸收，從而起到消聲作用。
②抗性消聲器
抗性消聲器稱為住宅型消聲器，結構如圖3所示，是利用不同形狀的管道和共振腔進行適當的組合，借助于管道截面和形狀的變化而引起的聲阻抗不匹配所產生的反射和干涉作用，達到衰減噪聲的目的。其消聲效果，與管道形狀、尺寸和結構有關。一般選擇性較強，適用于窄帶噪聲和低、中頻噪聲的消減。
通常利用一個波紋減振節、一個工業型消聲器和一個住宅型消聲器的組合組成復合型排煙系統，有效地隔斷了排氣振動和排氣噪聲的傳播。
圖2 柴油機阻性消聲器結構圖
圖3 柴油機抗性消聲器結構圖
2．機械噪聲和燃燒噪聲的控制
（1）產生機械噪聲和燃燒噪聲的原因
①機械噪聲
機械噪聲主要是發動機各運動零部件在運轉過程中受氣體壓力和運動慣性力的周期變化所引起的振動和相互沖擊而產生的。主要包括活塞曲柄連桿機構的噪聲（主要為高頻噪聲）；配氣機構的噪聲（主要為低、中頻段噪聲）；傳動齒輪噪聲（噪聲譜是一種連續而寬廣的頻譜）；不平衡慣性力引起的機械振動及噪聲。
②燃燒噪聲
燃燒噪聲是燃燒過程中產生的結構振動和噪聲。在氣缸內燃燒噪聲（尤其是低頻部分）聲壓級很高，但是發動機結構中大多數零件的剛性較高，其自振頻率多處于中高頻區域，由于對聲波傳播頻率響應不匹配，因而在低頻段很高的氣缸壓力級峰值不能順利地傳出，而中高頻段的氣缸壓力級則相對容易傳出。
（2）機械噪聲和燃燒噪聲的控制辦法
①隔振處理
發電機組的隔振一般采用高效減振膠墊，經過隔振處理，發電機組表面的振動被有效隔斷。
②降噪處理
在噪聲的傳播通道上進行降噪處理，減少聲源對外的輻射。對噪聲指標控制嚴格的用戶，還需要在集裝箱內粘貼高效吸音材料，使噪聲得到有效的衰減，以提高發電機組的降噪效果。
圖4 靜音箱發電機組底盤結構圖
圖5 靜音箱發電機組正面結構圖
3．冷卻風扇和排風通道噪聲的控制
風扇噪聲由旋轉噪聲和渦流噪聲組成。旋轉噪聲由旋轉風扇葉片切割空氣流產生周期性擾動而產生。渦流噪聲是氣流在旋轉的葉片截面上分離時，由于氣體具有黏性，便滑脫或分裂成一系列的漩渦流，從而輻射出一種非穩定的流動噪聲。排風通道直接與外界相通，空氣流速很大，氣流噪聲、風扇噪聲和機械噪聲經此通道輻射出去。
控制風扇和排風通道噪聲的手段，主要是設計好的排風吸音通道，吸音通道可由導風槽和排風降噪箱組成，也可由導風槽和一至幾組的吸音擋板組成。
排風降噪箱的工作原理，類似于阻性消聲器。可通過更換吸音材料（改變材料的吸音系數），改變吸音材料的厚度、排風通道的長度、寬度等參數來提高吸音效果。
在設計排風吸音通道時，要特別注意排風口的有效面積必須滿足發電機組散熱的需要，以免排風口風阻增大導致排風噪聲增大和發電機組高水溫停機。
4．進氣噪聲的控制
發電機組工作在封閉的機房里面，從廣義上講，進氣系統包括發電機組的進風通道和發動機的進氣系統。進風通道和排風通道一樣直接與外界相通，空氣的流速很大，氣流的噪聲和發電機組運轉的噪聲都經進風通道輻射到外面。發動機進氣系統的噪聲是由進氣門周期性開、閉而產生的壓力波動所形成，其噪聲頻率一般處于500hz以下的低頻范圍。
對于渦輪增壓發動機，由于增壓器的轉速很高，因此其進氣噪聲明顯高于非增壓發動機。渦輪增壓器的壓氣機噪聲是由葉片周期性沖擊空氣而產生的旋轉噪聲和高速氣流形成的渦流噪聲所組成，且是一種連續性高頻噪聲，其主要能量一般分布在500hz～10khz范圍。
由于柴油發電機組配置的空氣濾清器，本身就具有一定的消聲作用。考慮到進氣噪聲相對較低，因此，對發動機的進氣系統一般不做處理。對發電機組的進氣通道，則要從風道的設計，隔音材料的選用等方面進行綜合控制。其基本思路是：
（1）進風凈面積符合設計規范，以保證發動機的進氣系統和發電機組的冷卻系統有足夠的新鮮空氣吸入。
（2）進風通道需經吸聲處理，一般采用進風百葉窗、導風槽、消聲擋板的組合，如果有充足的空間，也可采用進風百葉窗和降噪箱的組合。
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圖1 靜音箱發電機組平面結構圖
一、柴油機噪聲源分析
柴油機噪音大有兩大源頭，一個是缸內的燃燒特性決定，另一個則是由于供油系統產生。現在許多先進的柴油發動機已經在逐步著手解決這些問題，通過采用電控共軌柴油直噴技術，取消了供油分泵，因此相當程度減小了柴油機的振動和噪音。另外，由于先進的柴油發動機的供油更精確，缸內或爆震敲缸的振動也能大幅度降低。
同轉速同負荷的瞬態工況燃燒噪聲要高于穩態工況的燃燒噪聲，二者的差別是因為燃燒室壁面溫度的不同．由氣力動力載荷和壓力高頻振蕩的差異形成了瞬態工況和穩態工況燃燒噪聲水平的不同， 燃燒噪聲作為燃燒激勵的外部響應，必然受到燃燒過程的四個階段一滯燃期、急燃期、緩燃期和后燃期的影響。滯燃期內，燃油與缸內壓力空氣混臺氣形成的可燃混合氣正處于物理和化學準備階段，缸內工質只受到活塞上行的壓縮作用，因此缸內壓力和溫度變化都很小，對燃燒噪聲的直接影響甚微。
但是，由于滯燃期對燃燒過程的進展有很大影響，所以它對燃燒噪聲有間接的重大影響。急燃期內，氣缸內壓力急劇升高，燃燒粗暴，燃燒氣體形成的沖擊波猛烈沖擊燃燒室壁，燃燒噪聲增大。緩燃期內，燃燒是在氣缸容積不斷增加的情況下進行的。在這個階段，氣缸內氣體有一定的壓力增長率，所以仍能激發一定強度的燃燒噪聲，但壓力增長緩慢，對噪聲的影響已不顯著。后燃期內，因活塞下行，絕大部分燃料已經燃燒完畢，燃燒沖擊很弱，因而燃燒噪聲也很小。
二、噪音控制的途徑和基本方法
從燃燒噪聲形成的機理來看，應從以下兩個方面降低柴油機的燃燒噪聲：
1、降低氣缸壓力頻譜曲線
從產生的根源上，降低氣缸壓力頻譜曲線，特別是降低中高頻的頻率成分。為此可以提高進氣溫度和壓力、組織適當的進氣渦流、選用渦流室等分開式燃燒室、選用適當的噴油策略等等。這樣可以縮短滯燃期及減少滯燃期內形成的可燃混合氣。
2、增加對燃燒噪聲的衰減
從燃燒噪聲的傳播途徑，增加內燃機結構對燃燒噪聲的衰減，特別是對中高頻頻率成分的衰減。為此可以采取提高內燃機機體剛性及采用隔振和隔聲措施；減小活塞曲柄連桿各部分的間隙；減小缸徑、增加缸數或采用較大的行程缸徑比：改變薄壁零件(油底殼等)的材料和附加阻尼等方法。
二、柴油機噪聲控制措施
1．排氣噪聲的控制
（1）排氣噪聲產生的主要原因
排氣噪聲是發動機噪聲的主要部分。其噪聲一般要比發動機高10～15db（a）。排氣噪聲是發動機噪聲中能量最大，成分最多的部分。它的基頻是發動機的發火頻率，在整個的排氣噪聲頻譜中應呈現出基頻及其高次諧波的延伸。排氣噪聲成分主要有以下幾種：
①周期性的排氣噪聲，排氣所引起的低頻脈動噪聲頻率一般為63～125hz，噪聲值高達105~125db(a)。
②排氣管道內的氣柱共振噪聲。
③氣缸的共振噪聲。
④高速氣流通過排氣門環隙及曲折管道時產生的噴注噪聲。
⑤渦流噪聲以及排氣系統在管內壓力波激勵下所產生的再生噪聲形成了連續性高頻噪聲譜，頻率均在1000hz以上，隨著氣流速度的增加，頻率顯著提高。
（2）排氣噪聲的控制方法
消聲器是控制排氣噪聲的基本方法。正確選配消聲器（或消聲器組合）可使排氣噪聲減弱30～40db（a）以上。根據消聲原理，消聲器結構可分為阻性消聲器和抗性消聲器兩大類：
①阻性消聲器
阻性消聲器也稱為工業型消聲器，結構如圖2所示，是利用多孔吸聲材料，以一定方式布置在管道內，當氣流通過阻性消聲器時，聲波便引起吸聲材料孔隙中的空氣和細小纖維的震動。由于摩擦和黏滯阻力，聲能變為熱能而吸收，從而起到消聲作用。
②抗性消聲器
抗性消聲器稱為住宅型消聲器，結構如圖3所示，是利用不同形狀的管道和共振腔進行適當的組合，借助于管道截面和形狀的變化而引起的聲阻抗不匹配所產生的反射和干涉作用，達到衰減噪聲的目的。其消聲效果，與管道形狀、尺寸和結構有關。一般選擇性較強，適用于窄帶噪聲和低、中頻噪聲的消減。
通常利用一個波紋減振節、一個工業型消聲器和一個住宅型消聲器的組合組成復合型排煙系統，有效地隔斷了排氣振動和排氣噪聲的傳播。
圖2 柴油機阻性消聲器結構圖
圖3 柴油機抗性消聲器結構圖
2．機械噪聲和燃燒噪聲的控制
（1）產生機械噪聲和燃燒噪聲的原因
①機械噪聲
機械噪聲主要是發動機各運動零部件在運轉過程中受氣體壓力和運動慣性力的周期變化所引起的振動和相互沖擊而產生的。主要包括活塞曲柄連桿機構的噪聲（主要為高頻噪聲）；配氣機構的噪聲（主要為低、中頻段噪聲）；傳動齒輪噪聲（噪聲譜是一種連續而寬廣的頻譜）；不平衡慣性力引起的機械振動及噪聲。
②燃燒噪聲
燃燒噪聲是燃燒過程中產生的結構振動和噪聲。在氣缸內燃燒噪聲（尤其是低頻部分）聲壓級很高，但是發動機結構中大多數零件的剛性較高，其自振頻率多處于中高頻區域，由于對聲波傳播頻率響應不匹配，因而在低頻段很高的氣缸壓力級峰值不能順利地傳出，而中高頻段的氣缸壓力級則相對容易傳出。
（2）機械噪聲和燃燒噪聲的控制辦法
①隔振處理
發電機組的隔振一般采用高效減振膠墊，經過隔振處理，發電機組表面的振動被有效隔斷。
②降噪處理
在噪聲的傳播通道上進行降噪處理，減少聲源對外的輻射。對噪聲指標控制嚴格的用戶，還需要在集裝箱內粘貼高效吸音材料，使噪聲得到有效的衰減，以提高發電機組的降噪效果。
圖4 靜音箱發電機組底盤結構圖
圖5 靜音箱發電機組正面結構圖
3．冷卻風扇和排風通道噪聲的控制
風扇噪聲由旋轉噪聲和渦流噪聲組成。旋轉噪聲由旋轉風扇葉片切割空氣流產生周期性擾動而產生。渦流噪聲是氣流在旋轉的葉片截面上分離時，由于氣體具有黏性，便滑脫或分裂成一系列的漩渦流，從而輻射出一種非穩定的流動噪聲。排風通道直接與外界相通，空氣流速很大，氣流噪聲、風扇噪聲和機械噪聲經此通道輻射出去。
控制風扇和排風通道噪聲的手段，主要是設計好的排風吸音通道，吸音通道可由導風槽和排風降噪箱組成，也可由導風槽和一至幾組的吸音擋板組成。
排風降噪箱的工作原理，類似于阻性消聲器。可通過更換吸音材料（改變材料的吸音系數），改變吸音材料的厚度、排風通道的長度、寬度等參數來提高吸音效果。
在設計排風吸音通道時，要特別注意排風口的有效面積必須滿足發電機組散熱的需要，以免排風口風阻增大導致排風噪聲增大和發電機組高水溫停機。
4．進氣噪聲的控制
發電機組工作在封閉的機房里面，從廣義上講，進氣系統包括發電機組的進風通道和發動機的進氣系統。進風通道和排風通道一樣直接與外界相通，空氣的流速很大，氣流的噪聲和發電機組運轉的噪聲都經進風通道輻射到外面。發動機進氣系統的噪聲是由進氣門周期性開、閉而產生的壓力波動所形成，其噪聲頻率一般處于500hz以下的低頻范圍。
對于渦輪增壓發動機，由于增壓器的轉速很高，因此其進氣噪聲明顯高于非增壓發動機。渦輪增壓器的壓氣機噪聲是由葉片周期性沖擊空氣而產生的旋轉噪聲和高速氣流形成的渦流噪聲所組成，且是一種連續性高頻噪聲，其主要能量一般分布在500hz～10khz范圍。
由于柴油發電機組配置的空氣濾清器，本身就具有一定的消聲作用。考慮到進氣噪聲相對較低，因此，對發動機的進氣系統一般不做處理。對發電機組的進氣通道，則要從風道的設計，隔音材料的選用等方面進行綜合控制。其基本思路是：
（1）進風凈面積符合設計規范，以保證發動機的進氣系統和發電機組的冷卻系統有足夠的新鮮空氣吸入。
（2）進風通道需經吸聲處理，一般采用進風百葉窗、導風槽、消聲擋板的組合，如果有充足的空間，也可采用進風百葉窗和降噪箱的組合。
長時間未使用的柴油發電機組首次啟動注意事項
電控柴油機燃油系統有哪些類型和噴射方式
曲軸徑向和軸向間隙測量方法
柴油發電機組在最初的100工作小時內這樣操作，可使機組獲得更長使用壽命
柴油發電機組產品的生產依據和標準
同步發電機和異步發電機二者的區別是什么？
上柴系列船用柴油機為什么值得推薦？
玉柴發電機組柴油機起動力困難或不能起動常見故障診斷與排除