Noise Control Design and Analysis of Compressor Test Cell
甘露 GAN Lu
（中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司，上海 201306）
（AECC Shanghai Commercial Aircraft Engine Manufacturing Co.，Ltd.，Shanghai 201306，China）
摘要：随着航空发动机压气机的转速和流量日益增大，在压气机运行过程中会产生巨大的噪声，严重影响厂房周边环境和技术人员正常工作，需在厂房建设初期就进行噪声方案设计。本文以某压气机试验厂房为例，采用Cadna/A噪声模拟软件和噪声实测相结合的分析方法，对压气机厂房进行噪声分析与降噪设计，在实施降噪措施后进行噪声测试，结果表明厂房目标功能区域和厂界处的噪声均满足噪声限值指标要求。
Abstract: With the increasing speed and mass flow of aero-engine compressor, huge noise will be generated during the operation of the compressor, which will produce serious noise pollution and affect the normal work of technicians around. It’s necessary to carry out noise control analysis and design at the initial stage of test cell design. An analytical method combined Cadna/A software simulation and noise measurement is chosen, the noise analysis and noise control design on compressor test cell are carried out, and the noise test is made after implementing noise control measures. Test results show that noise of function area and boundary meets the noise requirements.
关键词：压气机试验厂房；噪声分析；降噪设计
Key words: compressor test cell；noise control analysis；noise control design
中图分类号：TB535 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）22-0267-03
0 引言
风扇/压气机部件作为航空发动机的关键部件之一，其质量很大程度上决定了发动机的总性能[1][2]。风扇/压气机的性能，需要在相应的试验设备上进行充分的调试与验证才能最终确定。随着航空发动机涵道比日益增大，风扇/压气机部件的噪声已逐渐成为航空发动机的主要噪声源。在进行风扇/压气机试验设备建设过程中，不仅要考虑试验设备的气动性能，同时还要兼顾试验厂房的噪声特性，使厂房满足GB12348-20083]、GB3096-2008[4]、ISO 11690-1: 1996[5]等规范。
本文结合工程实际，通过对压气机试验厂房的主要声源进行规划与分析，给出厂房噪声控制方案；并在厂房施工完成后进行厂房噪声测量，验证了噪声规范方案的合理性和可行性，为后续厂房噪声规划提供支撑。
1 研究背景
本噪声规划与设计项目的对象为某压气机试验厂房，该试验厂房主要包括试验间、控制间、仪表间和试验准备间等功能区，具体见图1。
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压气机试验厂房内主要声源属于高强度声源，且噪声污染因素较多，如压气机运行噪声、相邻厂房噪声以及室内混响叠加噪声等，须对各类声源噪声特性进行详细分析，探寻声源与厂界噪声和功能区域噪声的关系，有针对性地对声源提出有效的控制措施[6]。
控制间和仪表间作为试验控制中心，内部噪声会对工作人员产生较大的影响。为保证设备安全运行和人员正常工作，需保证控制间较低的噪声环境。
压气机试验厂房室内噪声源主要包括压气机、排气阀等，室外声源主要包含进/排气塔、暖通风机等，室内外噪声源噪声值具体见表1。
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从表1可以看出，暖通排风机噪声相对较低，但由于其置于厂房外，对厂界噪声贡献较大。压气机和排气阀为室内主要噪声源，产生的噪声除通过进/排气塔噪向外传播外，还会通过厂房墙体、隔声门、穿墙孔、暖通排风口等向外传播，从而对周围环境产生影响。
压气机试验厂界噪声需满足GB12348-2008要求，厂区各功能区声环境需满足GB3096-2008要求。按照区域使用功能和环境质量要求，噪声源特性分析和控制措施设计以各功能区噪声环境限值作为控制目标，详见表2。
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2 厂房噪声分析
噪声影响预测采用德国DataKustik公司的Cadna/A模拟软件，该软件计算主要依据ISO9613、RLS-90等标准，并采用专业领域内认可的方法进行修正，计算精度经德国环保局检测得到认可，并已通过我国国家环保总局环境工程评估中心评审，推荐在环境评价中使用，2002年被欧盟推荐为专业预测软件。Cadna/A软件中固定噪声源声场计算遵循ISO 9613-2:1996[7]标准计算方法。
①对于室外声传播，声级计算基本方程如下：
■（1）
式中Lft为每个声源及其镜像源对声源下风向接收点的影响声级，本项目中计算取等效频率500Hz；Lw为各倍频程频带声功率级；DC为声源指向性修正；A为由声源传播至接收点的衰减。
②对于室内声传播，可近似认为室内声场为混响声场，声级计算方法如公式（2）：
■（2）
③噪声源叠加声级计算公式如公式（3）：
■（3）
2.1 室内噪声分析
对于室内声传播，将室内声源等效为点声源，根据公式得出试验间内噪声分布见表3。
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2.2 室外噪声分析
对于室外声传播，主要噪声源为进/排气塔及暖通风机噪声。进/排气塔噪声来源于室内压气机和阀门噪声，进/排气塔塔高分别为20m和30m。试验厂房厂界最近距离为187m，给定表4所示的输入条件，采用Cadna/A软件对试验厂房厂界噪声进行模拟，结果如图2所示。
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从图2可以看出，试验厂房对北厂界的影响最大，厂界处最大噪声级为50dB（A），考虑到约3dB（A）的模拟误差，厂界噪声满足50dB（A）的限值要求。
3 厂房降噪设计
综合以上分析结果，包括表2中所列噪声限值指标以及表3、表4、图2所示厂房室内外的噪声分析结果，并考虑各声源声级以及功能区和厂界噪声限制值，可得出厂房墙体、隔声门与进/排气塔消声器隔声量如表5。
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对于试验厂房的降噪，主要采取吸声与隔声措施[8] [9]，吸声包括在进/排气塔内采用消声器，隔声门包括双层隔声墙、隔声间、隔声门等。
3.1 墙体结构设计
对于试验厂房试验间与控制间和仪表间之间的墙体设计，考虑到试验间噪声为127dB（A），而控制间与仪表间的噪声限值65dB（A），要求墙体的隔声量至少需要达到62dB（A），单层墙无法满足该隔声量要求。经计算分析，墙体设计为双层混凝土墙，中间预留100mm间隙并采用岩棉填充。
3.2 进/排气塔消声器设计
对于进/排气塔消声器的设计，根据表5所示的分析结果，要求进气塔消声器的隔声量至少需达到50.62dB（A），排气塔消声器的隔声门至少需达到58.22dB（A）；同时综合考虑进/排气塔的形状、气流流量管，经计算分析得出，进/排气消声器均由片式消声器组成，该消声器由304不锈钢穿孔板外框架且填充低密度的吸声材料。片式消声器经气动优化设计，以降低气流的压力损失。
3.3 隔声门设计
对于试验间与准备间之间的隔声门，根据表5所示的分析结果，要求该隔声门的隔声量至少需达到57.0dB（A），并综合考虑所需试验设备的尺寸，经计算分析确定采用双层门结构，两扇门之间预留一定空间，以满足隔声量的要求，隔声门设计示意图如图3所示。
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4 结语
根据厂房降噪设计方案，对各项降噪措施实施后，进行厂房各目标位置和厂界进行噪声测量。在试验最大工况下，分别对场内噪声和厂界噪声进行测量，测量结果显示，控制间、仪表间、准备间和厂界噪声均在限值以下，其中最大北厂界外1m处的实测噪声噪声值为52.1dB（A），完全满足噪声限值要求。
通过对压气机试验厂房的降噪设计和措施实施，我们可以得出如下结论：
①在进行厂房降噪处理前，需综合考虑噪声源和目标功能区域的噪声传播路径，在满足消防安全和试验工艺的基础上，对目标功能区进行合理布局，可在一定程度改善厂房内噪声环境。
②对于压气机组等强声源设备，在降噪设计时需综合考虑声源、声传播途径和降噪目标的特性，重点对声传播途径加以控制，采取合适的降噪措施，如吸声与隔声组合等。
③对于进/排气塔内的消声处理，除考虑隔声量之外，还需考虑进气气流的流量、流速等因素，尽量减少由气流运动而产生的流动噪声。
④对于高转速、大功率的压气机组，若常规的隔声、消声措施无法完全满足噪声限值时，还可考虑在噪声源和目标功能区域增加振动隔离措施，如隔振沟、隔振垫等。
参考文献：
[1]Steffens K. Advanced compressor technology-key success factor for competitiveness in modern aero engines [R]. ISABE 2001-1009, 2001.
[2]陈懋章，刘宝杰.风扇气动设计技术发展趋势——用于大型客机的大涵道比涡扇发动机[J].航空动力学报，2008，23（6）：961-975.
[3]GB12348-2008，工业企业厂界环境噪声排放标准[S].
[4]GB 3096-2008，声环境质量标准[S].
[5]ISO 11690-1: 1996，声学安装机器的低噪声工作场所推荐设计方法第1 部分：噪声控制规划[S].
[6]李耀中，李东升.噪声控制技术[M].北京：化学工业出版社, 2010.
[7]ISO 9613- 2, Acoustics- Attenuation of Sound during Propagation Outdoors part 2: General Method of Calculation[S].
[8]马大猷.噪声与振动控制工程手册[M].北京：机械工业出版社，2002.
[9]魏志勇，葛佩声.工业噪声与振动控制技术[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2010. |
