新型阻抗复合式消声器的研制

    引言

    针对ZS1105型柴油机排放的特点,通过噪声源的频谱特性分析,建立新型消声器结构理论模型,为获得较宽的消声频带,把对中高频消声效果较好的阻性消声器与对中低频消声效果较好的抗性消声器组合在一起,并在消声器出口处设计添加不锈钢丝棉的除碳烟腔,使其具有降噪和净烟双重功能,台架试验也验证具具有较好的消声降烟效果,从而为复杂结构消声器的设计提供了参考依据,节约了设计周期和成本。

    1 排气消声器结构设计

    1. 1 必需的消声量频率特性

    ZS1105型柴油机排气噪声是一种宽频带连续噪声,没有安装消声器时,经实验测量,排气噪声的A声级为117dB,安装消声器后,要求发动机的噪声为100dB,根据噪声评价数NR和A声级的关系,计算出噪声评价曲线(NR曲线)各中心频率下的声压级,同时与原机中心频率下的声压级进行比较(如表1和图1所示),得出ZS1105型柴油机的排气噪声所需的消声量[1]。如图2所示, ZS1105型柴油机对中、高频要求消声量比较大,且频率越高,所要求的消声量越大(最高消声量在2kHz,其值为17. 8dB);而对低频则要求很低。这是由于人耳对高频声波敏感,而对低频声波迟钝。为此,在确定消声器方案时,应以消减中、高频噪声为主,相应照顾低频噪声。

    2. 2 排气消声器结构模型

    根据必需的消声量频率特性,确定采用扩张式与穿孔管、穿孔板组合,再加吸声材料的阻抗复合式消声器,这样扩张式消声器主要在31. 5~5kHz的频带上获得普遍的消声,穿孔管、穿孔板消声结构以及吸声材料可进步消减1k~8kHz之间中、高频部分的噪声,最终设计的新型阻抗复合式消声器的结构方案为四腔结构,采用右端穿孔管为入口管,第1、2腔和2、3腔内插管连接, 3、4腔穿孔管连接, 3腔吸声材料为玻璃纤维,4腔除碳烟材料为不锈钢丝棉,以降低发动机的排气烟度,如图3所示。图4为原厂单腔抗性消声器,采用右端穿孔管为入口管,左端穿孔管为出口管。

    消声器外腔直径为142mm,所用材料是壁厚为1mm的Q235, 4节扩张室消声器的总长为0. 55m,加上进、排气管长度,则所设计的4腔净烟消声器的全长0. 79m。进气穿孔管小孔直径为12mm,穿孔率为30%,中间穿孔板穿孔率为25%,保证入口流体面积要大于出口面积,在兼顾压力损失的同时,也要考虑柴油机损失功率在允许的范围内[2]。

    3 新型消声器内部流场CFD数值模拟分析

    运用Fluent软件分析消声器内部流场和压力场对消声性能的影响[3]。只要满足压力损失和柴油机功