静音电站分体式水冷排气消声装置的设计

杜 遥，肖凌宇，王东亮，魏存海，柳 璐，李 贺

（1.兰州工业学院 汽车工程学院，甘肃 兰州 730050；2.兰州电源车辆研究所有限公司，甘肃 兰州 730050）

0 引 言

静音电站是以柴油机作为动力装置的发电设备，工作时的噪声主要由气体动力噪声（进气噪声、排气噪声和冷却风扇噪声）和表面噪声（燃烧噪声和机械噪声）两部分组成。其中，进、排气噪声是最强的噪声源，是降噪控制的关键[1]。现有技术中，为了降低和控制静音电站柴油机工作时的噪声，通常在进气道或排烟管上设置消声器来达到降噪消声的目的。虽然这种消声技术被柴油发电机组广泛采用，但是对以柴油发电机组为供电单元的封闭式静音电站（以下简称静音电站）却很难适用，常会因为消声器本身的辐射热而造成静音电站热平衡失调，影响其工作的持续性和可靠性。因此，降低热辐射对静音电站工作的影响成为近年来学者们研究的重点。本文结合实际工程经验，提出采用分体式水冷排气消声装置降低静音电站辐射热的方法。

1 分体式水冷排气消声装置

静音电站柴油发电机组排气系统将废气经排气歧管和消声器排入大气，其消声器因金属材料的热传导效应致使其表面温度几乎接近排烟温度，对静音电站来说是主要的热源，如不隔热处理会造成温度急剧升高，使得静音电站因热平衡失调而停止工作[2-3]。水冷排气消声器采用循环冷却水套可降低消声器表面温度，能够对静音电站的热平衡起到调节作用。它主要由膨胀水箱、分体式散热器、电子冷却风扇、水冷消声器、水冷控制单元以及电子水泵等组成。

如图1 所示，分体式散热单元和水冷控制单元根据需要可布设在静音电站箱体内的合理位置，水冷消声器设在柴油发电机组发动机的排烟管上。其中，分体式散热单元主要包括散热器、膨胀水箱、电子冷却风扇等。膨胀水箱和电子冷却风扇通过螺接的方式固定在散热器框架上，并通过进、出水软管与散热器相连，且在散热器上设有带倒刺的进、出水管接口。水冷消声器进、出水管接口与散热器的出、进水口通过进、出水软管相连接。输水软管与进、出水口采用卡扣固定。在分体式散热单元和水冷消声器之间的连接管路上设有电子水泵，通过水冷控制单元，实现对流经电子水泵的冷却水循环速度和流量进行控制，使其水冷消声装置的辐射热控制在合理范围，确保静音电站持续可靠地工作。

2 水冷排气消声装置的设计

2.1 水冷消声结构的设计

水冷消声器的设计不仅要满足静音电站消声和隔热指标要求，而且要充分考虑消声器的最大压降（又称阻力损失）、安装空间、几何形状、尺寸重量、消声量以及相关设计指标等。这些要求和限制在很大程度上影响了水冷消声器的结构设计。同时，消声器的结构和材料也要满足刚度和强度的要求。由于静音电站排气消声器的工程设计需要考虑的因素较多[4]，本文以中小功率静音电站水冷消声器结构设计为例，不考虑其声学性能、气体动力性能、消声量以及相关设计指标等因素的影响，只考虑静音电站发动机的排气消声和降低辐射热功能的实现，其水冷消声结构设计方案如图2 所示。

图1 分体式水冷消声装置原理示意图

图2 水冷消声器结构示意图

静音电站水冷消声结构由循环冷却水套和设在冷却水套内的消声器组成。在循环水套和消声器之间设有隔热材料，该隔热材料与消声器通过缠绕的方式进行固定。水冷消声器进、出水口设置在循环冷却水套的前、后端盖上，循环冷却水套与其前、后端盖焊接后再与消声器进、出烟管组焊。结构如图2 所示。

2.1.1 循环冷却水套

消声器循环冷却水套采用带周向布置的肋片状螺旋筒状结构。静音电站工作时，消声器热量的绝大部分通过水套的循环冷却水带走，少部分通过肋片传导出去。为了加强热量的传递，循环水套可采用导热性能好的金属材料，也可通过增大周向布置的肋片面积加快消声器的散热[3,5]。同时，为避免循环冷却水套表面的散热对静音电站热平衡的影响，循环冷却水套表面可包敷绝热材料。如有美观要求，可为循环水套设计专门的隔热罩。循环冷却水套的结构原理如图3所示。

2.1.2 排气消声器

根据中小功率静音电站柴油机的噪声特性，排气消声器采用阻抗复合型结构，其中抗性部分为穿孔管膨胀腔结构，阻性部分为直通式双层微孔管结构，微孔管的冲孔率为1%～1.5%，消声器整体采用普通碳钢制作。为确保较低的排气背压，外形设计为圆柱状直通式结构。

图3 循环冷却水套周向冷却水道结构原理示意图

如图2 所示，排气消声器消声腔由3 部分组成。紧靠进气端的抗性消声腔通过隔板将其分为两部分，穿孔管通过隔板上的通孔连通抗性消声腔，穿孔管通过焊接方式固定在隔板上，再通过焊接的方式与抗性消声腔壳体焊接；阻性消声腔焊装在抗性消声腔后，两层腔体采用不同开孔率的冲孔板卷制成型。两种消声腔组合后，可通过改变消声腔穿孔管直径、长度、冲孔板的冲孔率和卷制后的直径，获得较为理想的消声特性。电站工作时，经消声器的废气依次通过抗性消声腔和阻性消声腔后，可有效消减低、高频排气噪声，达到消声降噪的目的。

2.2 配套件的选型

静音电站水冷排气消声装置散热单元采用强制循环水冷的方式，主要包括散热器、膨胀水箱、电子水泵和风扇等。由于这些组件的技术成熟，因此在独立设计散热单元时可根据电站消声器的隔热要求进行选配或定制。

选配时需考虑以下几个方面。

（1）散热器的技术参数，主要包括散热系数、散热面积及厚度、冷却空气阻力及供给量量、冷却介质的流量及压力、电子风扇和水泵的相关技术指标等。

（2）散热器的布设位置。由于静音电站多采用封闭结构，其布设位置非常关键。如果不考虑和电站发动机冷却系统集成，往往需要根据有限的空间设计散热单元的结构。

（3）散热器冷却液进、出水口的接口形式、安装尺寸、散热器的材质及干重等。

当需要考虑与静音电站柴油发电机组发动机冷却系统或中冷器集成时，需向发电机组散热器厂家提供散热器的技术指标要求，包括消声器水套冷却介质的流量和温度等，同时要评估与发动机冷却单元控制系统集成后对静音电站功率指标的影响。

3 水冷排气消声装置的控制

分体式水冷排气消声装置循环冷却水套由其控制单元完成。控制单元可独立设计，也可与发电机组发动机水冷系统控制单元集成。独立设计时，由水冷PWM 控制器完成对冷却液水温和流量的控制。集成时，系统组成和控制原理如下。分体式水冷消声装置控制单元由传感器、消声系统控制模块和执行器3部分组成。其中，传感器包括水温传感器和电子水泵转速传感器；执行器包括静音电站发动机点火开关、电子冷却风扇热敏开关、消声器水温控制开关、电子冷却风扇马达以及马达继电器；整个系统由静音电站供电，发动机ECU 对消声系统控单元的水温信号进行反馈控制。控制单元的控制原理如图4 所示。

图4 水冷排气消声装置的控制原理示意图

4 水冷排气消声装置的关键技术

4.1 水冷技术

水冷技术是静音电站水冷排气消声装置的关键。排气消声器通过循环冷却水套不仅降低了消声器的表面温度，消减了发动机排气时的基频噪声和谐频噪声，同时也减小了排气管中废气的压力和流速的脉动，降低了废气的体积、流量和流速。特别是对涡轮增压式柴油机发电机组，可有效改善通气管状态下高背压时的气动性能和变背压时的工作稳定性[3,6]。在现有水冷技术中，循环冷却水套技术成熟，应用广泛，是解决消声器表面辐射热较为有效的手段之一。

4.2 消声器技术

消声器的声学理论与其设计、选用和质量检验手段虽已成熟，但以发动机为代表的动力设备的降噪消声往往受多种因素的影响。在工程设计时，因发动机的功率和转速范围的不同，消声器的结构形式多种多样，但多为抗性或阻抗复合型的消声结构，由膨胀腔、共振腔和吸音材料等组成。各消声元件的合理组合，即可形成具有特定消声性能的消声器[7]。因此，在静音电站消声器设计时应遵循其声学理论和设计方法，灵活组合消声元件，合理选用消音材料，综合运用优化设计与仿真手段，使之在给定频率范围内获得满足静音电站消声要求的消声装置。

4.3 水冷控制技术

水冷消声装置循环冷却水套介质的温度和流量控制关系到消声器辐射热的控制。它有两种控制途径：一种是将消声器的冷却单元与发动机或中冷器的散热控制元单集成在一起，通过发动机的ECU 来控制；一种是采用水冷PWM 控制冷却介质的水温和流量。前者实施原理已作叙述，后者的控制原理如图5 所示。

图5 消声器水冷PWM 控制原理示意图

5 结 论

（1）静音电站多采用箱体式结构，虽然有利于电站工作时的降噪消声，但存在箱体内部热辐射集中的问题。特别是涡轮增压型柴油发电机组的增压器和排气消声器，会因其表面辐射热过高而造成静音电站工作的持续性和可靠性降低，影响电站柴油发动机的使用寿命，需采取相关的解决措施。

（2）在现有技术条件下，冷却水套是降低高温部件辐射热最有效的手段之一，被广泛应用于各种动力装置，如发动机、发电机、发热电子器件等。因此，可将电站排气消声器封装在冷却水套中，以降低其表面辐射热。这是目前解决静音电站箱体内部热量集中的最有效措施。

（3）水冷消声及其控制技术是静音电站水冷消声装置关键。本文在介绍排气消声装置的结构设计与控制方案的同时，论述其关键技术。在实际工程设计时，需要综合评价水冷方案、消声结构的设计以及冷却水套的控制方法，运用好现代设计手段和仿真技术，以期有效降低静音电站箱体内部的辐射热。