移动电站用排风消声器降噪研究

吴 斌 房元斌

上海电器科学研究所(集团)有限公司 上海 200063

1 研究背景

随着近年来人们对应急电源车使用要求的不断提升[1-2],应急电源车供电品质、外形设计、人机工程、振动噪声、使用维护方便性和可靠性等性能指标越来越受到人们的重视。针对客户需求不同,从客户追求性价比最大的利益出发,各个参数权重各有不同。民用市场中,紧急供电装置工程用电源车、多功能抢险电源车居多,应用在不断普及。客户对于应急电源车静声设计更加注重从噪声源头降噪,避免对居民生活品质造成影响[3-4]。军用市场对于应急电源车的供电品质、振动噪声、使用维护方便性、应急可靠性等基本硬性指标有着更高要求,同时设计人员还要考虑到外形设计和人机工程满足不同工况的要求[5]。

应急电源车通常采用发动机和同步发电机组合搭建供电机组,很多专家学者对应急电源车减振降噪技术进行了大量的试验和仿真研究。周章强等[6]通过紧凑型低噪声系统的结构设计,对方舱、消声器等优化设计,达到勘探行业用户对应急电源车电压可调、低噪声的任务要求。陈扶明等[7]设计一种300 kW野战移动应急电源车,通过降噪车厢结构设计,实现在高海拔地区大功率供电和低噪声需求。黄健等[8]基于有限元手段对方舱风道结构进行改进设计,改进安装导流板、调节入口大小和安装分流片等设计参数,实现提升出风均匀性能并降噪。李红杰等[9]分析柴油发电机组噪声来源,合理设计方舱构造,同时,采用吸声棉等阻性消声器等降噪措施,实现发电机组方舱的降噪需求。随着静声系统在移动应急电源车领域研究的不断深入,设计研发周期不断缩短,这主要得益于有限元技术的不断成熟,理论和试验测试手段等不断完善[10]。

笔者基于有限元仿真分析手段,进行移动电站用排风消声器降噪研究,对单个柴油机和永磁同步发电机进行噪声机理分析,以一定的噪声值为目标,通过设计不同降噪方案对比分析,得到最佳的降噪结构设计方案,并验证仿真结果。

2 噪声机理分析

2.1 柴油发电机机组振动噪声源

应急电源车柴油机和永磁同步发电机工作时,两者主轴轴心对接,刚性连接性强。发电机和柴油机的噪声源可分为机械、燃烧、空气等噪声。工作时,进气管路等引起空气噪声,传动部件引起机械噪声,气体爆燃等引起燃烧噪声,噪声由气门室盖、缸盖、机体、油底壳等介质传递。声源表面质点的振动,在厢舱内对周围空气等介质的扰动,以及噪声与声源表面振动之间的关系直接影响噪声的级别[11]。

柴油发电机组表面辐射噪声声压与表面振动的关系为:

prms=ρcυrms

(1)

式中:prms为声压均方根值;ρc为空气特性阻抗;υrms为质点振动速度均方根值。

声压级Lp的定义为:

Lp=20lg(prms/p0)

(2)

式中:p0为参考声压,一般为20×10-6Pa。

柴油发电机组表面辐射噪声声功率与表面振动之间的关系为:

Wr=WYσr

(3)

式中:Wr为表面辐射声功率;WY为表面振动功率;σr为声辐射效率。

声功率级LW的定义为:

LW=10lg(WY/W0)

(4)

式中:W0为参考声功率,一般为10-2W。

表面振动功率WY的定义为:

(5)

2.2 柴油发电机组机外辐射噪声

应急电源车柴油机和永磁同步发电机工作时,机外辐射噪声主要有三种传播路径:柴油机排气产生的噪声、厢舱壁板的透射噪声、厢舱进排风口位置产生的噪声。

包络面为半球面的点声源,声功率级与某个位置声压级的关系为:

LWA=LpAT+10lg(S/S0)

(6)

式中:LWA为点声源声功率级;LPAT为以点声源为中心,测点所在半球面上能量平均声压级;S以声源为中心,测量点所在半球面面积;S0为1 m2。

柴油机排气口噪声可以看作点声源,距离声源不同位置的声压级关系为:

Lp2=Lp1+10lg(S1/S2)=Lp1+20lg(r1/r2)

(7)

式中:Lpn为对应测量点n位置的声压级;Sn为以声源为中心,测量点n位置所在半球面面积;rn为测量点n所在球面的半径;n为1,2。

柴油发电机组进气、排气噪声属于周期性压力脉动噪声,主要与柴油机进气门周期性开启有关。压力脉动噪声频率fo为:

(8)

式中:v为柴油机转速;i为柴油机气缸数;τ为柴油机冲程数。

柴油发电机机排气噪声即为散热风扇噪声,主要与风扇转速有关。

3 试验分析

根据设计要求,设定移动电站单机组厢舱正常工作,车轮廓线1 m包络处噪声应不大于85 dB。测量噪声时,电源车驾驶室和厢舱的门窗应关闭。

测量时,机组启动运行,电压按空载额定值,频率按满载额定值进行整定。测量时负载分别为满载、半载、空载,负载功率因数为滞后0.8,室外测量时允许为1.0。测量选取四个测点,分别为:左侧面测点,距车体1 m,距地面1.5 m;右侧面测点,距车体1 m,距地面1.5 m;后端面测点,距车体1 m,距地面1.5 m;前端面测点。重复测量三次,每两次测量结果之差不大于2 dB。

柴油机基本参数中,标定功率为231 kW,使用环境温度为-40～65 ℃,额定转速为1 500 r/min。在单台柴油机和永磁同步发电机工作状态下,未加装消声器,柴油机排气口1 m处噪声为115 dB。经40 dB级消声器处理,柴油机排气口1 m处噪声降为85 dB。

根据距离声源不同位置的声压级计算式,可推算得到左右侧进气口边缘处距离方舱进风位置最近距离为3 900 mm,后端面测点距离柴油机排气口最近距离为2 228 mm。该位置为顶部上方声音通过衍射传播,声压级应比水平位置距排风口3 070 mm处声压级较小。以水平位置3 900 mm处声压级进行估算,按上述公式计算得到73 dB,距离标准要求相差12 dB,对机外辐射噪声贡献较小。

测点距离柴油机排气口最近距离为2 228 mm,在半自由声场中,声功率级为115 dB的声源传播到该位置的声压级为103 dB。

实际方舱位于声源向外部传播路径中,方舱侧板、顶板、中间隔板用1.5 mm厚钢板及80 mm厚吸声材料制成,底板由3 mm厚花纹铝板、1.5 mm厚钢板及60 mm厚吸声材料制成。根据《噪声振动控制工程手册》,100 Hz～3 150 Hz范围内隔声量经验式为:

R=1.35lgM+14

(9)

式中:R为隔声量;M为面密度, 小于200 kg/m2。

据此估算,1.5 mm厚钢板平均隔声量为28.5 dB,3 mm厚铝制花纹板+1.5 mm厚钢板平均隔声量为31.6 dB,40 mm厚玻璃棉平均隔声量为10 dB,80 mm厚玻璃棉平均隔声量为14.4 dB,距方舱1 m处噪声为64.5 dB,距标准要求的85 dB相差20 dB左右,方舱透射噪声对机外辐射噪声的贡献较小。

综上所述,噪声解决方案应以降低排风口辐射噪声为主要研究方向。

4 优化设计

柴油机组采用水冷散热系统,冷却风扇强制对流使风扇前端形成负压区,由前端进风口吸入空气,在后端冷却风扇产生压力使空气通过排风消声器排出空气。柴油机组自带排气消声器,因此笔者不再对排气消声器进行优化设计,主要考虑排风消声器的设计为研究方向。

从排风消声器的空间尺寸限制及流场性能要求等方面考虑,设计三种排风消声器。从性价比、设计要求等因素考虑,不改变原进风消声器,排风消声器结构如图1所示。

▲图1 排风消声器结构

为了保证模型分析变量单一性,L型、U型、倒V型三种结构的通流体积相同。同时,为了保证装配尺寸一致性,整体外形尺寸相同,均为900 mm ×1 100 mm ×1 500 mm。为保证消声效果,消声材料组成为1.5 mm厚铝板、32k玻璃棉、玻璃丝布、1.0 mm厚铝孔板,两边侧板材料为2 mm厚镀锌光板,内侧材料为1.2 mm厚铝孔板,内部填充40 mm厚32k玻璃棉。

有限元仿真计算一般从计算效率和计算精度考虑,在保证计算结果有效性的前提下,会对模型进行一定简化。以一定假设条件为计算的前提,对传播介质进行一定的简化。介质黏滞性被忽略,假设静止,不存在初始速度。介质物理初始状态为常数,声波传播过程绝热,声波引起介质小幅振动。

考虑充分利用高性能计算机的计算能力和模型计算精度,计算用模型采用质量较高的六面体单元,同时有效控制模型的计算量,网格尺寸较为均匀,为2 mm。获得L型、U型、倒V型三种排风消声器网格模型如图2所示,三种排风消声器网格模型的单元总数分别为296 113、298 712、310 548,三种模型所对应的节点数分别为315 742、316 430、327 562。

▲图2 排风消声器网格模型

在进行气动噪声的数值模拟中,采用可解压的纳维-斯托克斯方程。由于声波自身属性能量较小,要获得较高的计算精度,对测声点划分的网格要求较高,于是对系统提出很高的计算性能要求,否则计算时间较长,不满足生产周期的要求。

排风消声器的入口设置速度边界条件,左右两个出口处施加压力边界条件,相对压力为零,内部施加无滑移边界条件。

采用有限元分析软件,以质量流量为评价标准,模拟计算获得L型、U型、倒V型三种排风消声器的仿真结果,见表1。

表1 排风消声器仿真结果

根据表1仿真结果可知,L型、U型、倒V型三种排风消声器的流场性能从高到低排序为倒V型、L型、U型。

按照L型、U型、倒V型三种排风消声器的结构形式,加工相应的试样。通道的技术参数为气流通道高度150 mm、气流通道宽度960 mm、气流通道直线跨度950 mm。为保证噪声试验结果的准确和可信性,分别将L型、U型、倒V型三种排风消声器加装于整车中进行测试。L型、U型、倒V型三种排风消声器整车噪声测试结果对比如图3、表2所示。

▲图3 排风消声器噪声测试结果

表2 排风消声器噪声测试结果 dB

根据全尺寸仿真计算结果,由图3可以看出,在频率500～1 000 Hz和1 600～2 000 Hz附近,倒V型排风消声器声压级降噪效果明显。对于整体声压级曲线,倒V型排风消声器降噪效果均优于L型排风消声器和U型排风消声器。同时,测试结果有效验证了仿真结果的有效性。

由表2可知,从隔声性能考虑,倒V型排风消声器降噪效果最好,U型排风消声器降噪效果次之,L型排风消声器降噪效果最差。

加工倒V型排风消声器,样件实物如图4所示,噪声值满足设计目标85 dB的要求。

▲图4 倒V型排风消声器样件实物

5 结论

(1) 方舱透射噪声对机外辐射噪声贡献较小,噪声解决方案以降低排风口辐射噪声为主。

(2) 流体仿真模型仿真可预测不同排风消声器的流场性能。

(3) 在中高频段,倒V型排风消声器声压级降噪效果明显。测试结果倒V型排风消声器降噪效果均优于L型排风消声器和U型排风消声器,可有效验证仿真结果的有效性。同时,倒V型排风消声器噪声值满足设计目标85 dB的要求。