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柴油发电机组的振动、噪声测试和实例试验方法 |
摘要：振动和噪声的测定试验应在发电机组空载、半载和满载3种运行状态下进行。带负载时，功率因数应为额定值（为减少室内反射对噪声测量结果的影响，试验安排在室外进行时，如受负载条件所限，允许负载的功率因数为1)。取其中较差的数值作为考核数据。如对试验结果的准确度要求不是特别严格时，这两项试验最好安排在稳态电压调整特性试验中进行，这样可节约时间。否则，康明斯发动机噪声试验应在符合技术条件规定的场地进行测量。试验时，除记录振动值和噪声值外，还应记录发电机组的输出电压、电流、功率、频率、功率因数及试验环境的大气压、相对湿度、温度等。
一、噪声的基本测量方法
1、振动测定试验
在发电机组下列部位，沿发电机组的横向、纵向及竖直向下三个方向选定测点进行测量。测量值的单位见该被试发电机组的技术条件（当使用振幅值时，应注意是单振幅还是双振幅）。取各测量数值中的最大值作为试验结果。
（1）控制屏（安装于电机上方者）上方；
（2）空气滤清器上方；
（3）.油箱（安装于发电机组上方者）上方；
（4）水箱（对水冷者）上方。
2、噪声的测定试验
试验时，发电机组安放地点可为专用的噪声试验室或符合GB/T1859一2000《往复式内燃机辐射的空气噪声测量工程法及简易法（内燃机噪声功率级的测量定准工程法）》中规定的普通试验室或室外场地。室外场地应平坦、空旷，在以测试中心为圆心的25m半径圆范围内无大的的反射物（如围墙、房屋或较大的设备等），环境噪声应比发电机组噪声低(A)以上。试验时，用声级计在发电机组两侧和发电机后端1。远处分别选定噪声最大的3个点进行测量，每点应重复测量三次，每两次测量值之差不应大于2dB（A)，否则应重测。取三次的平均值作为一个测点测量结果，取各测点测量值的平均值作为被测发电机组噪声的最结果。
图1 静音型机组和排气管噪声测试图
二、噪声实例试验方法
以K19系列康明斯50Hz闭式柴油发电机组为案例，机组常载功率380kW，备载功率418kW。发动机转速1500r/min，风扇转速1800r/min。降噪箱长4.6m，宽1.7m，高2.4m。
1、测试系统
测试采用LMS SCADAS Mobile多通道振动噪声测试系统，麦克风的型号为GRAS 40AE，麦克风标定器的型号为GRAS 42AB，数据分析使用LMS test.lab软件。
2、试验方法
试验依据标准ISO8528-10和SO6798-1996进行噪声测试：距离发电机组d=1m处布置15个麦克风测试机组噪声，分别对机组降噪箱的长宽高区域和距离排气管外表面d=1m处的径向布置两个麦克风测试排气噪声。
3、试验工况
试验利用分部运行法进行声源分离，分离出风扇噪声、排气噪声和发动机机体噪声。使用启停风扇的方法分离风扇噪声，排气口引长管至100m远处的方法分离排气噪声。
4、噪声测试结果
（1）试验机组常用功率为380kW，欧盟要求机组在75%常用载荷下的噪声排放不得超过98分贝（A计权声功率级）。声压级和声功率计均为A计权平均值，数据均处理为1/3倍频程形式。
（2）工况1测试结果，75%常用载荷下机组1m声压级为84.9分贝，声功率级为104.7分贝，超过限值6.7分贝，不满足欧盟标准要求。
（3）对采集的数据进行傅里叶变换，得到噪声频谱。工况1是发电机组的噪声频谱，机组在中高频的宽频带噪声能量较高，且在160Hz，250Hz，500Hz，800Hz处分别有较高的尖峰，如图 2 所示。
图2 工况1-4机组的平均噪声频谱
三、噪声分析
1、风扇噪声
（1）风扇噪声主要分为叶片通过噪声和涡流噪声。风扇旋转时，叶片周期性切割空气，引起周围空气压力脉动产生的噪声称为叶片通过噪声，其特征频率如下：
（2）涡流噪声是指风扇旋转时，叶片带动周围空气产生涡流，由于粘滞力的作用，涡流又分裂为一系列小涡流，涡流和涡流分裂使空气产生扰动，空气不断的压缩与稀疏，从而形成宽频噪声。
（3）试验机组的冷却风扇转速1800r/min，9个叶片，叶片通过噪声的特征频率为270Hz。由于数据均已处理成1/3倍频程数据，因此250Hz尖峰实际是270Hz的风扇叶片通过噪声，500Hz和800Hz噪声分别是叶片通过噪声的2阶和3阶谐波分量，如图3所示。
通过启停风扇的方法，分离风扇噪声。由工况2和4可知，当风扇停止运行时，中高频的宽频噪声从（70～75）分贝降低到约60分贝，250Hz/500Hz/750Hz的叶片通过噪声消失。关停风扇后，机组1m处的声压级从84.9分贝降低到75.6分贝，如图2所示。
2、机体噪声和排气噪声
发动机的机体噪声是由于燃烧室内气压急剧上升，致使发动机各部件振动而引起的噪声。排气系统噪声主要由周期性的脉动噪声，涡流噪声和空气柱共鸣噪声组成。排气噪声的低频部分由周期性的脉动气流产生，与发动机机体噪声的频率重叠。6缸发动机燃烧激励频率主要是3阶和6阶，转速1500r/min，即75Hz和150Hz，与80Hz和160Hz相对应，该噪声由发动机机体噪声和排气噪声共同组成，如图3所示。
为了识别发动机噪声，使用排气管尾端加装长管的方法，将排气噪声与发动机噪声分离。由工况3和工况4可知，当把排气引走时，机组在160Hz处的声压级为71.3分贝。当排气噪声与发动机噪声混合在一起时，160Hz处噪声为72.9分贝，经计算可得，在160Hz处排气噪声对机组总噪声的贡献量为67.8分贝，如图2所示。
在排气口测试的有无消声器的噪声数据，排气噪声以涡流噪声为主，中高频噪声能量高，经消声器消声后，中高频的噪声降低到65分贝以下。排气噪声在80Hz和160Hz处有两个尖峰，经消声器消声后，80Hz和160Hz的噪声下降了约18分贝，如图3所示。
3、各声源贡献量
75%常用载荷下，机组1m处声压级为84.9分贝，由工况2和3可计算出风扇噪声贡献量为83.8分贝，由工况3和4可计算出发动机机体噪声贡献量为75.6分贝，排气噪声贡献量为70.6分贝。机组内噪声源排序依次为：冷却风扇，发动机机体，排气，如图4所示。
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图3 柴油发电机排气噪声频谱 |
图4 柴油发电机组各声源贡献示意图 |
三、降噪技术与措施
根据上节声源排序的结果，风扇噪声贡献量最大，且低频的风扇噪声较难处理，考虑从声源处降低风扇噪声。
1、降低风扇转速
为满足冷却要求，保持风量基本不变，选择将风扇转速从1800r/min降低至1350r/min，风扇直径从850mm增加至880mm，同时将风扇螺旋角从30°增加至45°。工况1与工况7是改变风扇后的测试数据，机组1m处声压级从84.9分贝降低到79.6分贝，降低了5.3分贝。风扇的叶片通过频率从250Hz偏移到200Hz，风扇400Hz的2阶通过噪声依然有较高的峰值，中高频的风扇涡流噪声大大降低。
2、机体噪声和排气噪声
发动机机体噪声主要集中在低频的80Hz和160Hz，对应发动机的3阶和6阶。根据经验，3阶和6阶噪声一般由发动机振动产生，考虑降低发动机振动的传递。更换较软的减振垫后，此时风扇处于关停状态，排气噪声已隔离。80Hz处发动机的3阶噪声从63.3分贝降低到了58.8分贝，160Hz噪声从71.3分贝降低到68.5分贝。机组平均声压级从75.6分贝降低到了74.5分贝，降低了1.1分贝。
经过上述的降噪措施，机组噪声在160Hz，200Hz和400Hz处仍有尖峰，为此，将消声器增加Helmholtz谐振腔，加强对160Hz处的降噪，增加冷却系统排风腔内吸音棉的厚度，从原来的40mm增加至100mm。机组最终的噪声测试。结果表明，经一系列降噪措施后，风扇叶片通过噪声尖峰消失，160Hz低频排气噪声下降1.5分贝，发动机3阶噪声尖峰减小，机组平均声压级降低到78.3分贝，声功率级降低到98.1分贝，满足CE要求。
总结：
康明斯发电机公司在本文中分析了柴油发电机组各个噪声源和传递机理，从噪声源本身和传递路径两方面对噪声进行控制，采取降低风扇转速、更换减振垫、增加吸音棉厚度和改善消声器性能等降噪措施，并利用试验验证了所提降噪优化措施的有效性与可行性，降噪效果明显，使康明斯发电机公司所开发的重型闭式发电机组的噪声满足了欧盟法规要求。
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