车载式燃气轮机发电机组降噪的数字设计方法
【摘 要】 本文采用数字技术，针对燃气轮机发电机组研制工作中的降噪问题，结合机组科研生产实例对小功率燃机发电机组的降噪进行较系统的研究和分析，提出了相应解决方案。在设计研究过程中，首先测试和分析了燃气轮机及其发电机组的噪声源特点，制定出切实可行的消声和隔声元件设计指标。在消声器设计方面，比较和分析了各类消声器的特点，针对机组对各消声元件的重量、外形尺寸和流阻等条件的限制，在机组不同的地方设置了不同形式的消音器。应用二维理论对主要消声元件进行了验算和设计计算，并对高温条件下工作的燃机排气消声器进行了分析和理论计算。在隔声设计方面对双层隔声结构进行了分析和计算，设计出符合总体降噪要求的燃机发电机组较大型隔声箱体。本文对燃机机组降噪设计工作进行了分析和总结，对以后设计工作提供了理论基础和依据。
【关键词】 燃机 发电机组 降噪 消音器 数字设计
1 引言
现代化移动电源已引起西方各国政府和军方的充分重视。法国、英国、美国、日本、俄罗斯等国的许多发电机组生产厂家已进行了各型号移动电源的研制开发工作，在不远的将来将成为各国的重要战略装备。我国在军用移动电源的研制方面，已经明显落后于西方国家。根据当前我军移动电源的实际配备情况，急需配备高品质的燃机发电机组设备。
燃机燃气轮机发电机组是为了满足备用应急电源的需要而研制开发的轻型燃气轮机发电机组。机组采用单元化和集成化设计；采取了良好的降噪措施；采用成熟的先进技术；部分配套件选用国外先进产品；起动、运行和停机采用计算机全过程自动化控制。该机组具有较好的先进性、可靠的使用性、简便的维护性及起动迅速、低噪声、操作自动化程度高等特点。可以适合各种环境条件下使用。
本文介绍的车载式燃气轮机发电机组在总体方案设计时充分借鉴了固定式燃气轮机发电机组和车载式燃气轮机发电机组的成熟经验。针对用户技术要求重点进行了总体方案优化设计。既确保燃气轮机发电机组的工作性能，又满足汽车整车的基本动力性能要求，特别是汽车在行驶过程中的安全性。
本文主要针对燃机发电机组的降噪设计工作进行论述，对于燃机机组来说，降噪设计主要分为机组的消声设计和隔声设计两方面，其中存在的主要矛盾是较大的消声、隔声量与机组体积、重量和流阻限制之间的矛盾。许多在其它地方具有良好隔声和消声效果的声学元件，由于受到重量和体积等因素的限制，在燃机发电机组上无法使用，所以选择消音器和消音形式是燃机机组的一个重要的技术难题。
近年来，随着燃机发电机组产品标准的不断加严，国外燃机发电机组的噪声水平有了长足的进步，根据工业企业噪声控制设计规范GBJ87-85，我公司设计研制的燃机燃气轮机发电机组按相关的规定，控制机组在距离箱体外1米处测量的噪声值为85dB（A）以下。
按照这个设计目标，燃机燃气轮机发电机组的降噪设计工作是一项系统的优化设计过程，它要求设计者在有限的空间体积和重量范围内，一定的性能损失条件下以及有限的制造、使用成本和一定的研制周期情况下，采用较成熟的降噪设计理论，选择适当的消声元件和隔声结构，使机组的噪声量达到最佳值，满足用户的实际需要。
燃机发电机组的降噪设计是一门在成熟理论指导下的以试验为基础的应用学科，其理论涉及到噪声控制的许多分支领域。
燃机机组使用的消音器通常以阻性消音器为主。常温下使用的阻性消声器设计理论经历了平面波一维理论和二维精确理论两个主要阶段。由于国内对吸声材料的基础研究比较少，吸声材料厂家一般只能给出吸声材料的吸声系数，因此，在消声器的实际设计过程中，国内大都采用一维经验公式进行消声器的估算。目前随着现代计算机技术的发展，也有很多技术人员正在采用有限元理论和差分法等对消声管道进行三维模拟计算。
本文在消声器的选择上应用了多种设计方法，并应用了平行板式消声器、列管式消声器。
2 降噪设计
本文从隔音和消音两个方面对机组的降噪设计进行研究，完成了燃机机组的总体降噪设计方案。在设计过程中首先进行了机组噪声频谱的测试与分析，确定了机组各主要消声元件的消声和隔声设计指标，为机组的降噪设计提供可靠的技术依据。针对燃机设计和使用特点，制定了切实可行的总体降噪设计方案，确保了机组体积小、重量轻和噪声指标低这些鲜明的设计特点。研究和分析了用户对机组安装厂房周围的环境噪声指标要求，根据厂房的实际情况，制定出厂房的“二次消音”设计方案。
对国内外同类机组使用的消声器进行了研究，在分析了抗性、阻性和阻抗复合式消声器工作原理和消声特点的基础上，结合机组的具体重量、尺寸和流阻等要求，在机组的不同位置选取了不同形式的消音器，做为机组的消声元件，并采用了二维及三维设计理论对各消音器进行了验算和设计计算，针对不同消声要求优选出适应不同情况的消声器结构参数。
2.1 机组总体降噪方案设计
燃机机组的综合降噪设计工作，主要分为机组总体降噪方案确定和机组的消声设计与隔声设计三个方面。
（1）在燃机发电机组的降噪设计中，存在的主要矛盾是较大的消声、隔声量与机组体积、重量和流阻限制之间的矛盾。许多在其他场合具有良好隔声和消声效果的声学元件，由于受到重量和体积等因素的限制在燃机发电机组上无法使用。
（2）对于车载式集装箱机组，隔声和消声装置通常占机组总重量的一半左右（见图1），在机组总重量受到限制后，要求机组的设计者必须结合机组的实际情况，在尺寸重量等外部条件受到一定限制的场合，有选择性地采用体积小、重量轻的消声和隔声元器件的结构，将成为机组降噪设计的主要研究内容。
燃气轮机、发电机和机组的主要机械、电器辅助设备均安装在一个封闭的集装箱体内，这种设计一方面为了满足集成化设计的需要，同时也是为了将燃机机组的主要噪声源封闭在隔声箱体内，使噪声经隔声箱体衰减后传出厢体外，便于机组噪声的综合治理。
（3）在隔声箱体的设计中，首先要解决机舱的通风形式问题。为确保机舱内的所有设备正常工作，必须对厢体内部的燃机、发电机以及所有机械和电器元件进行通风冷却，保证厢体内的所有设备在适当的温度下安全可靠的工作。对于小功率燃机发电机组，主机舱的冷却形式我们进行了“通舱冷却”。通舱冷去可以减少进排风口的数量，便于厢体外排风管道与外界排风管道德转接，由于通风口数量相对较少，利于消声元件的结构设计。但是却使机组排风机负荷加大，发电机端箱体由于受到燃机部位传来的噪声的影响而使其隔声性能等级有所提高。所以在排气端设计了整体隔舱式消音器。
2.2 燃机机组消声器
燃机机组的消声器主要有两个：进风消音器和进气消音器。在机组消声器设计时主要考虑了以下几个方面的问题：（1）消声性能；（2）气动特性；（3）机械性能；（4）制造成本。燃机机组各个系统分别考虑了不同的因素，采用了不同形式的消音器。下面就着重对几个消音器分别进行论述：
2.2.1 进风消音器的选择
进风消音器选择了列管式消声器，这是因为在整个系统的消音方面，进风消音器占的比重最大，他要消去机组30dB（A）的噪声，并且此处消音器的体积要求不能太大，所以选择了在同样体积情况下消音量比较大的列管式消音器作为进风消音器。进风消音器的外形尺寸：0.95（长）×0.662（宽）×1.868（高）。它在机组的操作舱内两侧，进风过滤器的后面，有效控制了机组进风的噪声。详情见下图2和表1的消音频谱。
进气消声器是选用先进的阻性消声器。具有体积小、重量轻、消声频谱宽、消声量大及流阻损失小等特点。其内部结构主要由吹塑成型的穿孔塑料管，塑料管周围覆以吸音材料。其外部框架由钢板机加成型。
消声器是控制气流噪声通过管道向外传播的有效工具。它是一种能阻止声音传播而允许气流通过的装置。主要的目的就是降低机组的噪声，所以消声器的一个主要技术指标就是消声器的消音器的消声量的大小。这部分也是进气系统流阻损失比较严重的地方，所以衡量消声器的另一个主要技术指标是消声器的流阻特性。
消声器的流阻可用下式表示：
P=ξρV2/2
其中：P---消声器流阻损失，单位：Pa
ξ-----流阻系数
ρ-----流体密度，单位：kg/m3
V-----流体的平均速度，单位：m/s
管道内壁摩擦产生的压力损失可由下式决定：
V=Q/（ρA）=20/（1.225×2.48）=6.58m/s
Pv=ρV2/2=1.225×6.582/2=26.5Pa
P管=λPvL/d
式中：Pv气体的动压；ρ为气体的密度；V为管道最小截面处的流速；L为管道长度950mm；d为横截面的等效直径，等于四倍面积S与周长F之比（如图3），即：
d=4S/F=0.04m
比例常数λ为摩擦阻力系数。通常消声器内的雷诺数大于105，λ仅决定于壁面的相对粗糙度，相对粗糙度的比值用k/a表示。（k—壁面粗糙峰高度，a—管道等效直径）
对于穿孔板护面结构的消声管道，λ约为0.04～0.06，一般情况下计算时取为0.05。
当管道突然扩大和缩小时（直角过渡），局部阻力系数分别为：
ξ扩=（1-S/S0）2=（1-1/m）2
ξ缩=0.5（1-1/m）
在管道进口端的局部损失系数ξ缩 =0.256，管道出口端的局部损失系数ξ扩=0.261，则对应的总压损失分别为：
P扩= Pvξ扩=26.5×0.261=6.9Pa
P缩= Pvξ缩=26.5×0.256=6.6Pa
管道内部的总压损失为：
P管=λPvL/d=0.05×26.5×0.95/0.04=31.4Pa
则消声管道总的压力损失▽P为：
P=P扩+P缩+P管=45Pa=4.6mmH2O
所以该消声器满足了我们的消音量和流阻限值，可以应用。
2.2.2 机组进气消音器的选择
机组进气流阻包括进气消音器、百叶窗和过滤器三部分。由于进气系统的重量要求以及成本的要求，此处我们选择了平行板式消音器作为进气消音器，见图4。进气消音器的截面尺寸1496mm×596mm，消音器的长度不应大于800mm，进气流量约为13kg/s（15℃），消音器的消音量不小于15dB（A），流阻损失不大于20mmH2O。
图5中阴影部分为吸声材料层，内部填充容重30Kg/m3的玻璃纤维棉，外层包覆无碱玻璃丝布，最外层用穿孔率为20%的1mm厚镀锌穿孔板作为防护面，穿孔直径Φ=2.5mm，消音器外壳内吸声结构与吸声片相同，厚度约为吸声片厚度的一半。
进气面积0.54m2，平行板宽度75mm，间隔103mm。（7片消声片）。消声量计算如公式（2.3.21），表2为消音频谱。
消声量为△L阻性=1.3αPL/F（分贝）（2.3.21）
式中：α----消声器内部饰面的吸声系数；
P------管道横截面的周长，米；
L------管道横截面积，米2；
F------消声器长度，米。
消声器后的声压级为96.2dB（A），传声损失为122.31-96.2=26.11dB（A）。
燃机进气部分流阻主要在于平板消音器的流阻，平行板消音器的流阻计算如下：
Re=vd/ν=1.53×105
进气面积0.54m2，平行板宽度75mm，间隔103mm。
Pv=ρV2/2=1.225×19.72/2=24.3mmH2O
P扩=ξ扩×Pv=1/2（1-1350/655）2×24.3=9.9mmH2O
P缩=ξ缩×Pv=1/2（1-655/1350）×24.3=6.06mmH2O
P延程=λPvL/d=0.0032×24.3×1/〔2×103×655/（103+655）〕=0.44mmH2O
H=P扩+P缩+P延程=9.9+6.06+0.44=16.4mmH2O
流阻损失16.4mmH2O达到设计要求，可以使用。
3 结语
本文所阐述的燃气轮机发电机组是为移动通信备用应急电源的需要而研制开发的轻型燃气轮机发电机组。机组采用单元化和集成化设计；采取了良好的降噪措施；采用成熟的先进技术；部分配套件选用世界上的先进产品；起动、运行和停机采用计算机全过程自动化控制。所以机组具有较好的先进性、可靠的使用性、简便的维护性、起动迅速、低噪声、操作自动化程度高、发电品质好等特点；适合多种环境条件下使用。最主要的是它的低噪音受到了所有用户的青睐，这在整个发电机组的行业都是一个倍受瞩目的研究课题，相信随着科技的进步，不久的将来降噪这个问题将会采用更先进的方法来解决。
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