柴油發電機組靜音箱結構方案探討

胡聯雄， 譚發宇

(1.葛洲壩能源重工有限公司，湖北 武漢 430040； 2.武漢市東西湖區環境監測站，湖北 武漢 430040)

0 引言

柴油發電機組可以作為主用電源、備用電源或應急電源,廣泛應用于現代社會的諸多領域。但是柴油發電機組在工作時產生的噪聲非常大(90 dB(A)～120 dB(A)，離機組1 m處)，直接影響了人們的工作和生活，迫切需要噪聲小的發電機組，為此靜音型柴油發電機組應運而生。靜音型柴油發電機組就是將機組安置于靜音箱內，通過隔聲、吸聲、消聲、隔振等技術措施有效地阻止或減弱噪聲向外傳播，將噪聲源的噪聲控制在箱體內部，從而降低其對外界的影響。靜音箱同時具備防雨、降噪功能，因而其結構設計非常關鍵，本文對柴油發電機組靜音箱的消音降噪結構方案進行分析探討。

1 靜音型柴油發電機組噪聲分析

為有效控制機組的噪聲，首先分析機組噪聲的產生及其分布，以便有針對性地采用噪聲控制技術。柴油發電機組主要由發動機、發電機、散熱水箱、公共底座等部件組成，從噪聲產生的原因和部位上來分，發電機組噪聲主要是由排氣噪聲、機械噪聲、燃燒噪聲、冷卻風扇和排風噪聲和進風噪聲、發電機噪聲等6類噪聲源匯集而成的綜合聲源。

普通柴油發電機組運行時，在距離機組1 m處的噪聲平均值在120 dB(A)左右，根據其傳播路徑(或噪聲控制區域)可歸納為以下三種噪聲：排氣噪聲、排風噪聲和進氣噪聲。消減噪聲的措施也相應地分為：排氣降噪、排風降噪和進氣降噪。柴油發電機組噪聲控制區域如圖1所示。

2 靜音箱結構方案設計

靜音箱的總體結構設計需要考慮如下幾個方面：①框架結構設計；②通風散熱設計；③隔聲和吸聲計算及設計；④進、排風口噪聲處理；⑤柴油發電機組噪聲的控制；⑥柴油發電機組隔振設計；⑦供油系統設計；⑧消防、配電系統設計等。

2.1 框架結構設計

靜音箱需要根據發電機組的尺寸和性能要求而設計相對密閉的具有防雨和降噪功能的箱體，其框架結構一般根據發電機組外形尺寸、機組功率、降噪要求和使用環境要求決定，常見的結構形式有標準集裝箱式和折板式。集裝箱式靜音箱結構常采用標準集裝箱改造成靜音箱安裝發電機組，輔助隔聲降噪措施，其結構形式如圖2所示。折板式靜音箱依據柴油發電機組的外形結構采用鋼板制作的隔聲箱體(罩殼)，輔助隔聲降噪措施，并安裝隔聲檢修門以及隔聲觀察窗，其結構形式如圖3所示。需根據技術性、經濟性合理選擇靜音箱框架結構，比如功率較大機組或者需要船運的項目或者需出口的項目，優先選用集裝箱結構；要求空間小或成本低的項目，可以選擇折板式結構。

圖1 柴油發電機組噪聲控制區域

2.2 通風散熱設計

柴油發動機消耗的燃油有部分熱量損耗輻射到周圍的空氣中，提高了靜音箱內的溫度，影響了發電機組的性能。靜音箱結構設計時應按發電機組燃燒和散熱需要的風量計算通風所需的進風、排風截面面積，保證箱體內足夠的通風量，并且通過合理布置進、排風口的位置使發電機組得到最好的冷卻效果，特殊情況可考慮強制送風。

圖2 集裝箱式靜音箱結構

圖3 折板式靜音箱結構

2.3 隔聲和吸聲計算及設計

利用隔聲構件(墻體、門窗等)將噪聲源和接受者隔開，在噪聲的傳播路徑上降低噪聲污染的技術稱為隔聲技術。通常采用的設置聲屏障、隔聲罩、隔聲間等聲學措施就屬于隔聲技術，其可降低噪聲20 dB(A)～50 dB(A)。

當聲波入射到兩種媒質的分界面時將會發生反射、透射現象，不同的材料對聲波的透射效果不同，透射能力越小，隔聲量越大，隔聲性能越好。物體的隔聲量R與構件的面密度m(kg/m2)和聲波激發頻率f(Hz)的關系為：

R=20lgm+20lgf-42.5 .

(1)

(2)

由公式(2)可知，平均隔聲量與面密度緊密相關，而根據實際隔聲量的需求可大致確定壁板的材料和厚度。

在進行隔聲處理的同時，大量的聲波被反射回箱體內部，從而降低壁板的隔聲效果。因此在進行隔聲處理的同時還要在壁板內側貼附吸聲材料，從而對內部噪聲進行吸聲處理，有效降低總體噪聲級。

聲波在傳播過程中遇到各種固體材料時，一部分聲能被反射，一部分聲能進入到材料內部被吸收，還有很少一部分聲能透射到另一側。通常將入射聲能Ei和反射聲能Er的差值與入射聲Ei之比值稱為吸聲系數，記為α，即：

(3)

吸聲系數α的取值在0～1之間，α在0.2以上的材料被稱為吸聲材料，α在0.5以上的材料就是理想的吸聲材料。吸聲系數α的值與入射聲波的頻率有關，同一材料不同頻率的聲波其吸聲系數有不同的值；不同材料的吸聲系數不同，其吸聲效果也不同。箱體吸聲降噪量ΔLp計算公式為：

(4)

箱體內表面的平均吸聲系數計算公式為：

(5)

其中：Si為第i個表面的面積，m2；S為箱體內表面面積的總和，m2。

(6)

其中：V為箱體容積，m3。

則公式(4)可簡化為：

ΔLp=10lg(T1/T2).

(7)

其中：T1、T2分別為吸聲處理前、后的混響時間。

在吸聲降噪過程中，常采用多孔吸聲材料(如礦棉或硅酸鋁棉等)、薄板共振吸聲結構、穿孔板共振吸聲結構和微穿孔板共振吸聲結構等技術來實現減噪的目的。發電機組用靜音箱常采用穿孔板結合吸聲材料的復合結構 ，如圖4所示。對門進行加厚和密封處理，對觀察窗采用雙層玻璃結構并進行密封處理，最大限度地密封了噪聲，有效地解決了噪聲從門、窗和空隙中傳出的問題，同時逃生門鎖還需要具備內部開啟功能。

2.4 進、排風口噪聲處理

為保證發動機正常工作以及給機組本身創造良好的散熱條件，機組的進風通道必須能夠使進風順暢地進入靜音箱，進風量必須大于機組的空氣消耗量與排風量之和，但同時機組的機械噪聲、氣流噪聲也會通過這個進風通道輻射到靜音箱外面。

圖4 靜音箱隔聲板結構

發電機組風扇噪聲是由旋轉噪聲和渦流噪聲組成的，旋轉噪聲由風扇的葉片切割空氣流產生周期性擾動而產生；渦流噪聲是由于風扇運動導致的周圍空氣發生渦流脫體，使空氣發生擾動，形成氣體的壓縮與稀疏過程而形成的，是一個寬頻噪聲。發電機組的排風噪聲、氣流噪聲、風扇噪聲、機械噪聲等也都是通過排風通道輻射出去的。

由于靜音箱箱體采取自然進風(特殊情況采用強制送風)和強制排風，因此按照區域劃分為進氣噪聲區和排風噪聲區。為防止噪聲從進、排風風道向外傳播，進、排風風口均必須安裝消聲系統，其結構如圖5所示。根據發動機風扇排風量和空氣燃燒量，可以計算進、排風風量并設計進風、排風消聲通道，即設計折板式阻性消聲器，起到進風、排風消聲作用。折板式阻性消聲器是在消聲器內壁或通道空間安裝吸聲材料(硅酸鋁棉)或吸聲結構，利用聲波在多孔性吸聲材料或吸聲結構中傳播，因摩擦將聲能轉化為熱能而散發掉，使沿管道傳播的噪聲隨距離而衰減，從而達到消聲的目的。在消聲器片出口處安裝百葉窗(或電動百葉窗)避免雨水進入。

圖5 進、排風消聲系統結構

阻性消聲器的降噪量與吸聲材料的聲學性能、氣流通道周長、斷面面積以及管道長度等因素有關，A.N.別洛夫由一維理論推導出長度為l的消聲器的降噪量ΔL為：

ΔL=φ(α0)·L·l/S1.

(8)

其中：φ(α0)為消聲系數；l為消聲器有效部分長度， m；L為消聲器的通道斷面周長， m；S1為消聲器的有效橫截面面積， m2。

由公式(8)可推導出阻性消聲器長度l為：

l=ΔL·S1/(φ(α0)·L) .

(9)

2.5 柴油發電機組噪聲的控制

由于柴油發電機組排氣(煙)噪聲級別最強，排氣管路是機組最大的噪聲擴散源，在排氣管上安裝消聲器是最直接有效的手段。整個排氣(煙)系統的總阻力P計算公式為：

P=Pg+Px.

(10)

其中：Pg為排氣(煙)管的背壓；Px為消聲器的背壓。

排氣(煙)管的背壓計算公式為：

Pg=6.32L1×Q2/[D5×(t+273)] .

(11)

其中：L1為排氣直管當量總長度，當排氣系統中采用彎管時，應將彎管折算成直管的當量長度，m；Q為廢氣流量，m3/s；D為排氣管直徑，m；t為排氣(煙)溫度，℃。

發電機組的最大允許排氣背壓為一定值(可查發動機參數表)，由公式(11)可知，設計排氣(煙)管路時，盡可能減小管路排氣背壓，通常采用降低排氣通道中各部件的氣流速度、少用彎頭，并擴大排氣管直徑的方法。可采取在常規抗性消聲器的基礎上增加一個阻性消聲器形成兩級擴張式消聲器，或者直接在柴油發電機組的排氣(煙)口安裝阻抗復合式消聲器，對發電機組的排氣(煙)噪聲進行處理，同時對箱體內的排氣(煙)管路進行隔熱包扎，以減少排氣(煙)系統熱輻射對箱體的溫升作用。 在發電機排氣彎頭與管路連接的位置須安裝波紋管，吸收和補償排氣(煙)管的熱脹冷縮、防止剛性件破裂。消聲器的選擇必須滿足發動機排氣(煙)背壓的要求，消聲器會使排氣(煙)管路的排氣阻力增大，將影響柴油發電機組的使用性能。經測量可知，安裝阻抗復合式消聲器后的排氣(煙)噪聲(排氣管出口1 m處)可降低25 dB(A)～30 dB(A)。

2.6 柴油發電機組隔振設計

針對發電機組的固有頻率，在發電機組的合適位置放置橡膠減振器/墊，以減少機組振動對基礎或建筑物的損壞以及通過振動而傳播噪聲。發電機組的隔振一般采用橡膠減振器，發電機通過橡膠減振器安裝在機組底座上，機組底座與靜音箱底板之間配置高效減振膠墊(或彈簧減振器)，對機組進行二次隔振處理。柴油發電機組安裝形式如圖6所示。

圖6 柴油發電機組的安裝示意圖

2.7 供油系統設計

柴油發電機組可配置滿足機組全負荷運行8 h所需的底座油箱。底座油箱與發電機組的進、回油接口用高壓軟油管進行連接，進油管路設置過濾器。大功率機組需考慮單獨的日用油箱供油。

2.8 消防、配電系統設計

根據用戶需求配置機組自動消防氣體滅火系統，配備滅火器、消防應急燈、防火閥等消防設備設施；根據用戶需求，配置對外供電接口(接線箱)，并安裝照明系統。

3 設計案例

以公司某400 kW柴油發電機組為例，該項目由國內成套發往國外建設工地使用，客戶需求：發動機為MTU 12V1600G10F，發電機為利萊森瑪LSA49.1S4,采用20尺集裝箱式靜音箱結構，降噪要求為箱外1 m處75 dB(A)。具體設計方案如下：

(1) 箱體采用一體化鋼體結構設計，由常規集裝箱改造而成(角件采用鑄鋼鑄造而成，前后角柱采用SM50A材料制作而成，頂縱梁采用扁鋼制作而成)。箱體設有排污口、進油口、回油口、加水口、控制電纜進線口等。

(2) 箱體外面板采用集裝箱用瓦楞板結構, 采用SPAH材料制作，瓦楞板厚2 mm，底板采用厚4 mm花紋鋼板，瓦楞板結構內填充50 mm厚吸聲材料(硅酸鋁棉，容重120 kg/m3)，并用1.0 mm厚穿孔板固定，硅酸鋁棉兩側需包覆玻璃纖維布,鋼板/瓦楞板、硅酸鋁棉和穿孔板形成組合體以方便安裝。

(3) 進、排氣口消聲器采用多通道折板式阻性消聲器，消聲器片由鋼板兩側貼附復合吸聲材料(硅酸鋁棉)并用穿孔板固定成組合件, 進、排氣口消聲器通道由多個消聲器片組件組合而成，其消聲片的厚度取100 mm左右，通道寬取120 mm～150 mm，填充材料為容重120 kg/m3的硅酸鋁棉。進風通道上進風口消聲器片組件設計長約500 mm，排風通道上出風口消聲器片組件設計長度約1 000 mm；該機組只有一個排氣出口，為了加強降噪效果，在排氣管路上安裝了一款阻抗復合型消聲器(降噪能力25 dB(A))，各控制分區分別采取相應的噪聲控制技術，取得較好的隔聲效果。靜音箱結構圖如圖2所示。

75%負載功率下測得如下數據：機組本體噪聲109 dB(A)；機組排氣噪聲116 dB(A)；在距離箱體1 m處，測得噪聲值A=78.3 dB(A)，環境修正值K2=5.3 dB(A)，背景噪聲修正系數K1=0 dB(A)。測試結果為：

A綜=A-K1-K2=73 dB(A)≤75 dB(A)，滿足客戶的使用要求。

4 結語

現代社會環境對噪聲要求日趨嚴格，對靜音箱柴油發電機組的降噪要求也越來越高，在設計靜音箱結構方案時，需要綜合利用噪聲控制技術，針對柴油發電機組不同部位噪聲的特點，分別采用隔聲、吸聲、消聲和隔振等控制措施，合理選擇性價比高的降噪材料，充分利用箱體空間來設計降噪結構方案，可使噪聲降至75 dB(A)，達到國家環境要求的標準。