空壓機(jī)排氣放空復(fù)合消聲器設(shè)計(jì)與性能分析

溫華兵，李曉亮，吳曉佳

（江蘇科技大學(xué) 能源與動力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

排氣放空消聲器常用于電力、石油、船舶等工業(yè)部門以降低高壓高速排氣放空氣流所產(chǎn)生的高強(qiáng)度噪聲。排氣噪聲是空壓機(jī)的主要噪聲源之一，渦輪空壓機(jī)的排氣噪聲是由于氣流在排氣管內(nèi)產(chǎn)生壓力脈動所致，安裝排氣放空消聲器是控制空壓機(jī)排氣噪聲的主要措施[1]。

傳統(tǒng)消聲器設(shè)計(jì)主要根據(jù)一維平面波理論、設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)，對于復(fù)雜的消聲器，數(shù)值仿真方法可以在計(jì)算機(jī)上較為準(zhǔn)確的計(jì)算復(fù)雜模型[2]。目前國內(nèi)外對消聲器的性能分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究較多，而有針對性地降低高壓排氣放空氣流噪聲的消聲器設(shè)計(jì)與研究相對較少。畢嶸等[3]利用三維聲學(xué)軟件對多腔赫姆霍茲共振消聲器進(jìn)行數(shù)值仿真，分析不同組合結(jié)構(gòu)對共振消聲器傳遞損失的影響。徐貝貝等[4]利用三維有限元法預(yù)測穿孔管消聲器的傳遞損失，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。賀巖松等[5]對三種組合結(jié)構(gòu)的穿孔管消聲器進(jìn)行聲學(xué)仿真計(jì)算，對比分析不同穿孔率對消聲器聲學(xué)性能的影響。溫華兵等[6]研究柴油機(jī)壓氣機(jī)進(jìn)氣消聲器的消聲特性，分析消聲器消聲性能的影響因素，對消聲器進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)并提高了消聲效果。Jin W L和Du Jiang等[7-8]模擬了消聲器內(nèi)的氣流流動，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高消聲器的聲學(xué)性能。劉麗媛等[9]針對渦輪增壓發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)了兩套進(jìn)氣消聲器，結(jié)合仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測量得到了各自的消聲特性。溫華兵等[10]針對某特種發(fā)動機(jī)，綜合運(yùn)用節(jié)流降壓、擴(kuò)張式膨脹、導(dǎo)流、吸聲和小孔噴注排氣的原理，設(shè)計(jì)了一個排氣放空消聲器，取得良好的消聲性能。李忠杰等[11]根據(jù)特種發(fā)動機(jī)排氣噪聲的特性，設(shè)計(jì)了一個復(fù)合式消聲器，計(jì)算分析了消聲器內(nèi)的流場和聲場。本文設(shè)計(jì)了一款適用于高壓排氣放空消聲的復(fù)合消聲器，采用經(jīng)驗(yàn)公式和仿真計(jì)算相結(jié)合的方法分析了消聲器的聲學(xué)性能，對于降低高壓排氣放空氣流噪聲的消聲器設(shè)計(jì)與性能分析具有參考價(jià)值。

1 消聲器的設(shè)計(jì)

空壓機(jī)內(nèi)部的氣體達(dá)到一定壓力時(shí)，開啟泄流閥后從噴嘴噴射出來的高速氣流會產(chǎn)生巨大氣流噪聲，其大小與排氣速度和壓力有關(guān)，控制氣流噪聲的關(guān)鍵是降低氣流速度和壓力。

1.1 節(jié)流降壓板設(shè)計(jì)

節(jié)流降壓消聲器是較為常見的消聲器類型之一。首先，對通流面積進(jìn)行計(jì)算，目的是讓高壓氣體流經(jīng)節(jié)流孔板處時(shí)壓力降低，以到達(dá)減少氣流的空氣動力性噪聲的目的。如果串聯(lián)多級節(jié)流孔板，就能夠?qū)⒏邏簹饬髦鸺壗祲骸?/p>

節(jié)流降壓消聲器的各級壓力是按照幾何級數(shù)下降的，表達(dá)式如下

式中：Pn表示第n級節(jié)流孔板后的壓力；Ps表示第n級節(jié)流孔板前的壓力；n表示節(jié)流孔板級數(shù)；q是壓降比，表示節(jié)流孔板后的壓力與該級節(jié)流孔板前壓力的比值；q是不大于1的數(shù)值。

假設(shè)第1級節(jié)流降壓板的通流面積為S1（cm2），則S1的確定方法如下

式中：K表示排放不同介質(zhì)的修正系數(shù)，對于空氣K=13；μ表示為保證排氣量的截面修正系數(shù)，一般取1.2～2.0；G表示排放氣體的重量流量（t/h）；V1表示第1級節(jié)流前氣體比容（m3/kg）；P1表示第1級節(jié)流前的氣體壓力（Pa）。第1級節(jié)流降壓板的通流面積確定后，其它各級節(jié)流降壓板的通流面積Sn也可以依次確定

按照臨界降壓設(shè)計(jì)的節(jié)流降壓層的消聲量ΔL可通過如下表達(dá)式求得[1]

式中：Pin（Pa）表示消聲器的入口壓力；Pout（Pa）表示環(huán)境壓力；n表示節(jié)流降壓的層數(shù)；α表示修正系數(shù)，它的實(shí)驗(yàn)值為0.9±0.2（當(dāng)壓力較低時(shí)取偏高值，可取1.1，當(dāng)壓力較高時(shí)取偏低值，取0.7）。

1.2 片式消聲通道設(shè)計(jì)

為控制高頻噪聲，防止高頻失效，通常將直管式阻性消聲器的通道分成若干個小通道，設(shè)計(jì)成片式消聲器，片式消聲通道的消聲量ΔL計(jì)算公式為[12]

式中：L表示消聲器的有效長度；?(α0)表示吸聲材料的消聲系數(shù)，其大小與頻率有關(guān)；h表示氣流通道的高度。

1.3 小孔噴注層設(shè)計(jì)

小孔噴注層具有升頻特性，可以將噪聲頻率推到人耳聽不到或不敏感的超高頻范圍，以降低氣流噪聲。小孔噴注層消聲量ΔL與孔徑d的關(guān)系為[1]

由于從小孔射出的噴注相互混合會產(chǎn)生低頻噪聲，因此，設(shè)計(jì)小孔噴注消聲器時(shí)，孔間距離應(yīng)滿足下列表達(dá)式

式中：b表示孔間距（mm）；d為小孔孔徑（mm）。

1.4 消聲器的總體設(shè)計(jì)

在空壓機(jī)排氣消聲器總體設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要控制入口氣流速度，在消聲器進(jìn)氣口處布置第1級節(jié)流降壓板，在第2級和第3級節(jié)流降壓板間布置了2塊導(dǎo)流板，把氣流分割成為3個流道，能夠抑制氣流對消聲器壁面的沖擊作用，從而通過節(jié)流降壓和導(dǎo)流降低氣流壓力、減緩速度，從而達(dá)到降低空氣動力性噪聲的目的。

氣流通過3級節(jié)流降壓板后，其速度和壓力得到有效控制，再進(jìn)入片式消聲通道，片式消聲結(jié)構(gòu)內(nèi)部為吸聲材料，用微穿孔護(hù)面結(jié)構(gòu)與殼體之間固定。

在消聲器排氣口處，設(shè)置小孔直徑為2 mm的小孔噴注層，形成小孔噴注排氣，以減少氣流速度，將排氣沖擊噪聲的頻率移到超高頻，從而降低再生噪聲。

所設(shè)計(jì)的排氣放空復(fù)合消聲器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，節(jié)流降壓板的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 消聲器節(jié)流降壓板參數(shù)

2 傳遞損失經(jīng)驗(yàn)公式估算

所設(shè)計(jì)的復(fù)合消聲器由節(jié)流降壓板、片式消聲通道和小孔噴注層組成，可通過經(jīng)驗(yàn)公式估算各部分的消聲量，然后得到復(fù)合消聲器的總消聲量。

已知空壓機(jī)的排氣口氣流壓力為0.7 MPa，出口壓力為0.1 MPa，節(jié)流降壓板級數(shù)為3，由式（4）計(jì)算得到消聲器中3級節(jié)流降壓板的消聲量ΔL1=17 dB。

圖1 消聲器結(jié)構(gòu)示意圖

消聲器的吸聲材料選擇針刺棉，其吸聲系數(shù)平均值為0.84，根據(jù)吸聲系數(shù)與消聲系數(shù)?(α0)的換算關(guān)系，計(jì)算得到消聲系數(shù)?(α0)=1.3，消聲器的有效長度L=0.93 m，氣流通道的高度b=0.113 m，由式（5）計(jì)算得到消聲器中片式消聲通道的消聲量ΔL2=21 dB。

小孔噴注層的小孔孔間距b=12 mm，小孔孔徑d=2 mm，由式（6）計(jì)算得到消聲器中小孔噴注層的消聲量ΔL3=18 dB。

由上述各式計(jì)算的結(jié)果估算復(fù)合消聲器的消聲量ΔL=ΔL1+ΔL2+ΔL3=56 dB。

3 消聲器傳遞損失仿真計(jì)算

有限元法是消聲器傳遞損失計(jì)算的有效方法。消聲器內(nèi)部設(shè)計(jì)的小孔可以減小流體阻力，提高消聲效果，但這些小孔的存在使有限元網(wǎng)格的劃分非常困難。本文對穿孔板兩邊的網(wǎng)格通過定義傳遞導(dǎo)納關(guān)系模擬小孔的聲學(xué)特性。

為滿足聲學(xué)性能計(jì)算頻率達(dá)到3 000 Hz，提高計(jì)算精度，確定有限元最大網(wǎng)格尺寸為10 mm，將消聲器網(wǎng)格模型導(dǎo)入Virtual.Lab中，定義聲學(xué)網(wǎng)格、流體材料和吸聲材料屬性，采用在穿孔板兩側(cè)建立傳遞導(dǎo)納關(guān)系，以模擬節(jié)流降壓板、小孔噴注層中小孔的聲學(xué)特性，將消聲器入口邊界條件設(shè)置為單位振動速度v=-1m/s，出口設(shè)置為全吸聲無反射邊界條件。聲場計(jì)算完成后，在消聲器入口中間選取1點(diǎn)，提取該點(diǎn)的聲壓級作為消聲器進(jìn)口段的聲壓級。出口選取3×3的9個測點(diǎn)，取各個點(diǎn)聲壓級的平均值代表出口端的聲壓級。將消聲器入口段的聲壓級減去消聲器出口端的聲壓級作為消聲器的傳遞損失。圖2是消聲器在2 920 Hz時(shí)的聲壓云圖，可以看出在計(jì)算頻率為2 920 Hz高頻時(shí)，消聲器內(nèi)已不再是平面波，而是出現(xiàn)了高次波，此時(shí)一維聲學(xué)不再適用，不能用一維平面波理論的計(jì)算方法。消聲器總體傳遞損失頻率特性如圖3所示。

圖2 消聲器2 920 Hz時(shí)的聲壓云圖

圖3 消聲器傳遞損失

從圖3可知，在20 Hz～3 000 Hz頻率范圍內(nèi)消聲器的傳遞損失最高為86 dB，峰值頻率分布在1 320 Hz，傳遞損失平均達(dá)到57 dB，與經(jīng)驗(yàn)公式估算的總體消聲量56 dB相接近。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的復(fù)合消聲器在寬頻段內(nèi)具有良好的消聲性能，尤其是在400 Hz～1 700 Hz頻率范圍內(nèi)的消聲效果明顯，平均達(dá)到67 dB。

圖4所示為消聲器中3層節(jié)流降壓板、片式消聲通道和小孔噴注層的傳遞損失。在20 Hz～600 Hz頻率范圍內(nèi)，節(jié)流降壓板的消聲效果較好，平均消聲量達(dá)到了21 dB，而片式消聲通道和小孔噴注層的平均消聲量分別為9 dB和6 dB。在600 Hz～3 000 Hz頻率范圍內(nèi)，片式消聲通道的平均消聲量較高，達(dá)到27 dB，節(jié)流降壓板和小孔噴注層的平均消聲量分別為18 dB和17 dB。

表2所示為消聲器傳遞損失經(jīng)驗(yàn)公式估算和仿真計(jì)算結(jié)果比較，結(jié)果顯示兩者較為接近，說明經(jīng)驗(yàn)公式估算和有限元仿真方法均適用于對該類消聲器的消聲效果分析，其中經(jīng)驗(yàn)公式估算法計(jì)算簡便，更適合于對消聲器的初步設(shè)計(jì)，有限元仿真方法更適合于對消聲器的詳細(xì)設(shè)計(jì)和性能分析。

圖4 消聲器不同部分傳遞損失

表2 經(jīng)驗(yàn)公式估算與仿真計(jì)算的對比/dB

4 結(jié)語

（1）采用節(jié)流降壓板、片式消聲通道及小孔噴注層組合設(shè)計(jì)的復(fù)合消聲器，可在不同頻段優(yōu)勢互補(bǔ)，提高消聲器對排氣放空氣流噪聲的消聲效果，本文設(shè)計(jì)的復(fù)合消聲器在20 Hz～3 000 Hz寬頻段內(nèi)具有理想的消聲效果，平均消聲量可達(dá)57 dB。

（2）通過對穿孔板兩邊的網(wǎng)格定義傳遞導(dǎo)納關(guān)系，以模擬消聲器內(nèi)部穿孔板的聲學(xué)特性，可以簡化消聲器的有限元網(wǎng)格處理。

（3）經(jīng)驗(yàn)公式估算和有限元仿真方法均可用于對排氣放空復(fù)合消聲器的消聲效果分析，其中經(jīng)驗(yàn)公式估算方法計(jì)算簡便，有限元仿真方法可分析不同頻段的消聲效果，更適合于對消聲器的詳細(xì)設(shè)計(jì)和性能分析。

致謝：

感謝重慶江增船舶重工有限公司對本文研究工作的支持。