排气管消声器构成型式的优化设计

　　柴油发电机消音器的优化规划需要综合考虑声学性能、空气动力性能和构造性能，最终要给出的是某种结构消音器的一些最优构成数据。利用计算机排除这些问题，必然要点cummins公司建立适当的优化数学模型，给出一定的约束要素，再对问题进行求解，得到最终结果。消音器的组成千变万化，cummins公司只能在总结前人大量试验的基础上，优化采用合适的排气消声器构成。确定其结构形式可以以原有的或性能相近的发电机的消音器为参考，再根据所提出的详细要求做适当的改动。

　　      排烟消声器的性能是从三个方面进行评价的，即声学性能、空气动力性能和组成性能，所以消声器的优化布置就应当围绕这三方面来进行。在声学性能方面，要求所布置的消声器不但在整个频率上满足所提出的消声量要求，还要在各频带上满足消声量要点。在空气动力性能方面，要求所规划的消音器在满足消声量要点的前提下，压力损失达到最小河南康明斯发电机，这样才能保证发电机的输出功率。在构成性能方面，要求所规划的消音器几何尺寸能够满足整机设计的要求、工艺性好、耐高温、耐腐蚀、使用时限长、价格便宜。KAK康明斯发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　      声学性能是消音器最基本也是最重要的用途——降低排气噪声。关键评价参数如下：KAK康明斯发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　（1）插入损失： 最常用、最直观的指标。指在排气装置中安装消音器前后，在指定检测点（一般为排气口下游一定距离处）测得的声压级或声容量级的差值。它直接反映了消声器实际带来的吸声效果。单位是分贝。KAK柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　（2）传递损失： 评价消音器本身构成消声能力的指标。指消声器入口处的入射声功率级与出口处的透射声功率级之差。它解决了入口和出口管道的影响，主要反映消声器内部的声学结构特征（如扩张、共振、降噪等）对噪声的衰减能力。单位是分贝。KAK康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　（3）消声量频谱特点： 消音器在不一样频率下的消声效果（插入损失或传递损失）。理想的消音器应在发电机排烟噪声的主要频率范围内（通常中低频为主）都有良好的消声效果。需要论说其频谱曲线是否覆盖目标吸声频段。KAK柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      评价手段可通过发电机台架试验、整车转鼓试验或在消音器试验台上进行声学测试获得。KAK康明斯发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　      空气动力性能是衡量消声器对发电机排烟气流造成的阻力。关键评价参数如下：KAK康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　（1）压力损失： 也称为背压。指气流通过消声器时，入口与出口之间的静压差。单位通常是帕斯卡或千帕。KAK柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　（2）流量阻力系数/压力损失系数： 用于比较不同构成或尺寸消声器阻力特征的无量纲数据。KAK康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　（3）影响： 太高的背压会带来一系列负面危害：KAK康明斯发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　① 增加发电机的泵气损失，减小发电机的高效功率和功率输出。KAK康明斯发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　③ 可能致使废气残留增多，危害燃烧效率，增加排放（尤其低速大负荷时）。KAK康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　④ 严重时可能危害涡轮增压器的响应和效率。KAK康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      评价方法通常在发电机台架或专用的流量试验台上进行，检测不一样流量下消声器两端的压差。KAK柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　3、组成性能 （耐久性、可靠性、空间、成本）KAK柴油发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　      结构性能是确保消音器在复杂恶劣的作业环境下能可靠、持久地工作，同时满足安装空间和成本要求。关键评价方面如下：KAK柴油发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　（1）机械强度与刚度： 抵抗震动、冲击以及内部气流脉动压力的能力，防止开裂、变形或断裂。KAK柴油发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　（2）耐高温性能： 排烟温度很高（尤其柴油机可达数百度甚至近千度），材料需能长久承受高温而不失效、氧化、严重变形或内部吸声材料烧蚀。KAK康明斯发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　（3）耐腐蚀性能： 抵抗排烟中酸性冷凝水（含硫、氮氧化物等）、盐雾（沿海地区）等腐蚀的能力，避免穿孔泄漏。KAK柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　（4）抗疲劳性能： 抵抗因温度循环（冷热交变）和振动引起的交变应力，防范热疲劳开裂和震动疲劳破坏。KAK柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　（5）空间尺寸与净重： 必须满足发电机组底盘布置的空间限制，且重量应尽可能轻。KAK康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　（6）制造工艺性与成本： 结构设计应便于制造（如冲压、焊接、安装），并控制材料和生产成本。KAK康明斯发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　（7）维保性： 是否易于检验、清洁（如果规划有排水孔）或更替（部分布置）。KAK柴油发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　      评价对策可通过台架振动试验、热冲击试验、盐雾试验、道路耐久试验、材料性能测试、成本浅述等方面进行。KAK柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      消声器性能评价的三个方面存在一定的矛盾，较大的消声量必然要求消音器腔数多，扩张比大，尺寸大，构造复杂。这就必然会加大消音器的阻力损失，同时也会使其组成性能变差，所以，消音器的设计必须同时兼顾这三个方面。总的来说，一个性能良好的消音器，在一定的频率范围内，该当有足够的消声量（由规划目标和排气噪音实际情况来确定），同时要力求避免气流再生噪声，阻力损失小，消声器外形尺寸与整机协调、结构简单、工艺性好、成本低。KAK柴油发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

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　　      最优化布置是在多种条件下寻求使人最满意的、最适宜的一组参数。这里所谓“最满意”和“最适宜”都是针对某详细问题体现出来的人们所追求的某一特定目标而言的。根据特定问题所追求的目标，用规划变量的数学函数式来表达它，这就是优化设计的目标函数。KAK柴油发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　      本文提出了一种综合考虑消声量和压力损失的目标函数，其表达式为：KAK康明斯发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　 f（x）=√∑mi∞1[ki（ILi（x）- ILobj）]2+kpDP（x）KAK柴油发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　其中：ki——为根据不同频带上的消声量与目标值的差距给出的加权系数；KAK柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　ILi（x）——为消音器在各频带上的插入损失；KAK柴油发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　ILobj——为消音器在各频率上的目标插入损失；m为频带数。KAK柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　       由此可得优化布置数学模型为：KAK柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      另外，还要保证所规划的消声器在各个频带上的消声量都大于等于目标消声量，即：ILi（x）- ILobj≥0。用边界约束要素xjmin≤xj≤xjmax来保证其组成尺寸在允许的范围内。KAK康明斯发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　      主要的优化计算cummins公司用Matlab优化工具箱里的fmincon函数，命令为：x-fmincon（@objfun，x0银川发电机厂家，[]..[，[]，1b，ub，@ confun，options)KAK柴油发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　      其中，x0为设计变量的初始值，1b和ub分别为布置变量的下限和上限值，objfun为目标函数，confun为约束条件。KAK康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      进行优化计算前，必须确定消声器的组成型式，才能选用优化设计变量然后进行优化计算。消音器基础构成型式可根据以下几方面内容来确定：消音器的目标频率特征（不安装消声器时排烟噪音实际值与排气噪音允许值之差）、各种声学子构造的消声特性、功率损失的限制、排烟消声器结构数据的一些经验、参考现有相关发电机所选用的消音器构成，按照要求对其进行适当的改动，最后优选出几种比较合理的构成。KAK柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      确定排烟消音器的目标频率特征的通常方法如下：KAK柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　（1）检测发电机在额定工况下的排烟噪声倍频程或1/3倍频程的频谱Lp2。KAK康明斯发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　（2）确定发电机的允许加载噪声限值，并根据ISO标准和NR数与A声级的换算关系：NR=LA-5，确定噪声评价曲线NR数。KAK柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　（3）按照噪声评价曲线NR数，确定远场噪声允许值Lp1。KAK柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　（4）考虑声波传输距离的影响，按下式计算出近场噪音限值：KAK康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　r0为近场测点与噪音源的距离，通常取r-0.5mKAK康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　r1为远场测点与噪音源的距离，通常取x-75m。KAK柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      一般来说，共振型消声元件对高频噪声的消声效果比较好，扩张腔、具有内插管扩张腔、具有内插穿孔管扩张腔消声元件的声学性能依次提升；收缩腔、具有内插管收缩腔、具有内插穿孔管收缩腔消声元件的声学性能依次提升。扩张型消声元件对低频噪声的消声性能比较好，但扩张型消声器的消声频带窄、对高频噪音的消声效果差。为了弥补这种弊端，常采用多级组合或加上穿孔板等高频消声效果好的构成，结构宽频带的消声器。通常两、三节不一样长度的扩张室加一、两节共振室是较好的复合步骤，本文将以上述要求为重要依据设计消音器的基础构成。KAK柴油发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　      消音器的空气动力性能是评价消声器好坏的一个重要标准，因为任何消音器都是安装在气流通道上，它必然会危害动力装置的空气动力性能。因此就要点消声器的容量损失应尽可能地小，即消声器消耗发电机的功率要尽可能地小，消声器既要消声又要使排烟气流能顺利通过。若消音器构造不合理或过分复杂，则会致使气流阻力增大，从而使发电机整机的容量减小，燃油消耗率升高。对于发电机，若消声器阻力过大，则发电机功率损失增大，影响柴油发电机组的动力性和燃油经济性。表1为消音器的插入损失值和容量损失比的对应值。KAK柴油发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　表1     消音器插入损失和功率损失比KAK康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　确定消音器构造型式的第一步就是确定其入口管直径d?。消音器出入口直径过小时，会造成消音器内气流转速偏高，使消声器内发出气流噪音，这种噪音将会抵消消音器的消声效果，减小消声量；同时，偏高的气流转速还会使消声器的阻力损失加大，从而增加发电机的容量损失。消音器的入口直径也无法过大，否则要保证一定的扩张比，必然会使扩张室的腔径变的过度，以至于消声器的结构不能满足要求，于是入口管径有控制流速的用途。KAK康明斯发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　      根据发电机的排气量Q，采取合适的气流转速，便可确定流通面积F，从而确定进气管直径d?。由于F=Q/v，F = （π/4）d12，故而d1=√（4/π）F = √（4/π）·（Q/V）。KAK康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      其中：Q为排气流量，m3/s；v为排烟平均转速，m3/s；排气流量Q通常由发动制度造厂供应。KAK康明斯发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　      确定了消音器的入口管径之后，下一步就是确定消声器的容积和扩张比。消音器的容积的计算一般选用Dean G.Thomas推荐的计算公式：KAK康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　Q为常数，用于柴油发电机组排气消音器，Q= 5～6；KAK康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　τ为发电机冲程数，二冲程τ=1，四冲程τ=2。KAK柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      消音器的扩张比和其长度决定其容积。随着扩张比的增大，消声量一般会增大，但负面效应是消声器的腔径会增大，上限失效频率会减少。并且当扩张比增大到一定数值后，波长很短的高频声波以窄束形式穿过，导致消音器的消声量急剧下降。因此，扩张比的取值无法过度，也无法过小，一般在9-13范围内取值。KAK康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　消声器的内径可由扩张比m来确定，当扩张比m5时，扩张腔的最大消声量Lmax=201gm-6，设Lmax=8dB，则m=15.8≈16，由m=D2/d2得，D=d√m-4d1。KAK柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      一般，消声器的纵横比L/D=1.5～5，对于直通式消声器L/D=6～8。L/D越小，说明消声器越短粗，膨胀比越大，最大消声量也大，高频消声效果好，但是低频消声效果差。通常大容量柴油发电机用消音器，其L/D=2左右。反之，消声器的L/D越大，说明消声器越细长，虽然高频消声效果差些，但低频消声效果好。KAK康明斯发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　      消声器容积V和纵横比L/D确定之后，若空腔分隔的腔数n越多，从理论上讲，最大消声量为（201gm-6），高频消声效果越好，则低频消声效果越差，而且，制造时材料消耗和加工时间增多，成本增加。反之，若空腔分隔的腔数越少，则低频消声效果好，材料消耗和工时降低，但高频消声效果差。因此，消声器分隔的腔数多少，应与消声特性和消声量相配合，一般消音器的腔数n可根据消声量采取。KAK柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　A类消音器 消声量≥10dB（A） n=2~3KAK康明斯发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　B类消音器 消声量≥15dB（A） n=3~4KAK康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      当消音器的容积V、纵横比L/D、腔数n确定之后，各腔的长度，尤其是第一腔长度L1的确定十分重要，它承担着消声器的具体消声性能和缓冲发烫高速脉动气流的任务。通常，第一腔的容积不应小于发电机排量Vc的1~3倍。当发电机标定速度n≤3000（转/分钟）时，第一腔长度L1主要应考虑清除发电机燃烧程序和进、排烟门开闭时所产生的冲击噪音，其基频及ni谐波f = K·[ni/60τ]。式中：K为谐波次数，K=1，2，3，…；n为发电机标定速度；i为气缸数；τ为冲程数，二冲程τ=1，四冲程τ=2。KAK康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      当发电机标定转速n≥3000 转/分时，这时第一腔长度L1主要应考虑中低频成分中最突出的噪声频率。KAK柴油发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　      总之，第一腔的长度L1应取其峰值频率波长的?，即L1= ?λ = c/4f。式中，c为膨胀腔内声速，c=20.09√Te；式中Te为标定容量时的排烟温度，K。KAK柴油发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　      第一腔长度L1，确定之后，第二腔长度L2、第三腔长度L3等便可相继确定。L2=?L1，L3=?L2。这样，即可使各腔的消声频率互相错开，并且尽量使后腔的通过频率是前腔的最大消声频率，这样，多腔串联可以改进整个消音器的消声频率特性，在较宽的频率范围内获得偏高的消声量。所规划的消音器便可形成解除低、中、高频噪音的全频消音器。KAK康明斯发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　      消音器内各腔的长度确定之后，腔与腔之间可用内插管连接，其插入管长度可用?L和?L计算，实际应用时，插入管长度可比计算长度减少（0.3～0.4）d，d为插入管的内径。KAK柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      确定了消音器的基础组成型式，下面便可以采用优化设计变量了。每一种消声器都有很多构造数据，cummins公司不可能对所有的参数进行优化。cummins公司只能根据实际情形，将一些对消音器性能影响较为显着的组成参数选为优化变量，根据消音器构造尺寸的要求，限定这些参数的范围，通过计算，最终选出最优的参数。优化设计变量该当选用对消音器性能影响较大的结构参数，例如各腔的腔长、穿孔管的穿孔率及孔径、穿孔板的穿孔率及孔径等。选购了布置变量后，可以根据经验及实际情形，给出规划变量的取值范围，为优化规划作好准备工作。KAK康明斯发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　      基础确定了消音器的结构型式后，cummins公司必须对其上下限截止频率进行验证。如果其上下限截止频率不符合要求，那么就必须对消声器的组成做适当的修改，以满足要点。对于扩张式消声器，其高效消声的上限截止频率可用下式计算：KAK康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      扩张室消音器的下限截止频率可用下式计算：KAK柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　f1 = √2f0= （√2c/2π）√（S/VL）KAK康明斯发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　本文首先根据消音器性能评价的三个方面（声学性能、空气动力性能和结构性能）确定了柴发机组排烟消音器优化设计的目标和优化规划的基本思想，然后建立了消声器优化规划的数学模型，提出了一种综合考虑消声量和压力损失的目标函数西藏康明斯发电机，并由此得出了优化计算模型。最后，在结论前人大量消声器试验研讨成果的基础上，优化采用了三种典型组成的消声器。KAK康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

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