振动噪声控制与排放.pptx

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1、 船舶机械振动、噪声的控制措施：（1）设计控制 在船舶设计阶段通过减小激励力和力矩，减弱噪声源及其传递和改变振动的固有频率或激励频率防止工作范围内强共振等。（2）使用控制 在船舶使用阶段发现振动、噪声问题时则通过增加阻尼和吸声材料以吸收振声能量和装设减振、防噪装置以减小振声的危害等措施来实现。一般来说“防胜于治”，在船舶设计阶段通过对力矩的振动预报和噪声预报来控制振动、噪声通常是最有效、最经济的措施。第1页/共78页 船舶柴油机在运行时会排放出大量的氧化硫（SOx）、氧化氮（NOx）、碳烟微粒（PM）和一氧化碳（CO）等，对大气环境造成严重污染。世界各港口国对船舶防污染管理与设施的检查日趋严格

2、，这些都使得船舶防污染受到前所未有的重视。第2页/共78页第一章 振动及控制理论一、无阻尼自由振动系统运动微分方程为：其中自由振动频率：初相位：第3页/共78页二、有阻尼自由振动系统运动微分方程为：设其通解为式中X、s为待定常数，X为实数，s为复数。将其代入（1.1-4）式，得得特征方程为第4页/共78页则特征根式中设n称为无阻尼自由振动频率（固有振动频率），称为粘滞阻尼因子或阻尼率。特征根为第5页/共78页讨论：1.当 0 1 时（过阻尼情况）得两个实数特征根则有 这时系统不产生振动，很快就趋近于平衡位置如图1.1-3所示。从物理意义上看，表明阻尼较大时，由初始激励输入系统的能量很快就被消耗

3、掉了，而系统来不及产生振动。第7页/共78页3.当1 时（临界阻尼情况），得两个重根则有 这种情况下的运动也是非周期性的。4.当 0 时,x(t)则表现为一种增幅振动。第8页/共78页三、有阻尼系统的简谐强迫振动 单自由度有阻尼强迫振动的微分方程为：第9页/共78页设 为频率比，则有：幅频特性相频特性讨论：（1）激励频率很低时，即（2）激励频率很高时，即（3）第10页/共78页 四、有阻尼一般强迫振动 可以看作是由一系列简谐激励组成的，其响应也是一系列谐波响应的叠加。课后作业：1想一想日常生活中遇到的共振的实例？第11页/共78页 第二章 船舶振声激励源波浪冲击、爆炸冲击波、火炮发射后座力、抛

4、锚等引起的非周期性激励；汽轮机、电动机等回转机械激励力易满足静、动平衡条件；发电机、空压机、泵浦的激励力引起局部结构的振动；柴油机、螺旋桨的周期性激励力船舶振动主要激励源。2.1柴油机激励力一、往复惯性力1.单缸往复惯性力 略去频率为4以上的高阶项，得第12页/共78页 则：2.单缸离心惯性力 是一阶激励力3.多缸机惯性力 以三缸二冲程柴油机为例，发火顺序为132，发火间隔角1200。一阶往复惯性力合力：二阶往复惯性力合力：第13页/共78页垂直与水平离心力合力分别为4.多缸机惯性力矩一阶往复惯性力矩：二阶往复惯性力矩：第14页/共78页离心惯性力矩：离心惯性力矩：如果各合力和合力矩都等于零，

5、则认为柴油机是平衡的。但实际上机体是弹性体，受力后会发生变形，从而传递激励力到船体上。如果以上的合力和合力矩（考虑到三阶为止）都等于零，即可认为该柴油机是平衡的。由于它们的作用形态都是对外而表现出来的，因此也称它们为外力和外力矩，其值取决于运动部件的质量、发火顺序、缸数和曲柄排列等。当选用存在有不平衡惯性力和力矩的柴油机作为船舶主机时，则会激起船体的振动。作用在垂直平面内的垂向力及纵摇力矩是船舶垂向振动的激励力，当其频率与船体垂向弯曲振动某阶的固有频率相等或接近时，就会激起较大的垂向振动响应。第15页/共78页二、倾覆力矩活塞承受的力指向气缸壁的侧向压力PN,PNPtg侧推力PN相对于机座形成

6、一力矩 MTPNH=TR，为倾覆力矩。转矩MT与倾覆力矩PNH在数值上相等,即转矩MT是随曲柄转角成周期性变化的，它的大小与曲柄转角有关，是时间的函数，用傅里叶级数可表示为倾覆力矩Mt会引起船体的横摇振动，扭矩MT会引起轴系的扭转振动。第16页/共78页2.2 2.2 螺旋桨激励力螺旋桨激励力一、表面力 螺旋桨回转时作用在它附近船体表面上的变动水压力。（1）载荷效应：随着螺旋桨的旋转，桨叶周期性地时而接近该点，时而远离该点。因此，由涡引起该点的压力也相应地时大时小呈周期性地变化，这是产生脉冲压力的起因之一。涡强度与螺旋桨载荷有关。（2）叶厚效应：流场中某一点P处所受压力必将随着圆柱接近和远离该

7、点而发生周期性变化，是桨叶具有厚度而引起的。第17页/共78页 当船体尾部的流场不均匀时，这种脉动压力就会增大。其主要频率成分为螺旋桨叶频和叶频的整数倍，其大小取决于桨叶的几何要素、船体尾部线形、伴流特征、桨轴转速、功率、螺旋桨叶梢与尾壳板之间的间隙，以及螺旋桨的叶片数等。二、轴承力 螺旋桨旋转时产生的流体力（推力和旋转力），通过轴系、轴承传给船体的激励力。各叶片的推力不尽相同，且合力中心不通过螺旋桨架轴，形成 My，Mz。各叶片的旋转阻力不相同，形成侧向分力Fy，Fz。轴承力是由螺旋桨盘面内伴流不均所产生的，其影响因素有：（1）螺旋桨的制造精度：质量不均匀、螺距不等，螺旋桨旋转中心与桨轴不同

8、心。它产生轴频激励力。第18页/共78页（2）螺旋桨盘面内的伴流场：单桨船的轴承力大于双桨船；单桨四叶船的推力波最大；单桨五叶船的垂向弯矩波动最大。2.3 其他激励力一、波浪激励力（1）轻载时船首底部出水后再入水时产生的冲击；（2）满载时船首甲板上浪的冲击；（3）船首部外板的外飘波浪冲击。船与波浪的遭遇频率：其中：vs-航速；-船与波浪间的夹角，迎浪为00，顺浪为1800；-波长。第19页/共78页 在一定海况下，只要改变航向角或船的航速即可改变，从而避免发生波激振动。二、回转机械的激励力1.风机的质量偏心 2.电动机的激励力 频率为轴频率。三、轴系激励力1.轴系质量偏心 会形成轴系回转运动。

9、2.联轴节3.排气压力波：4.舵第20页/共78页2.3 振动、噪声的容许标准一、振动的危害（1）使船员、旅客极度不适，易疲劳、有损健康，机器仪表失常、失灵损坏；（2）高应力区船体结构出现裂缝、疲劳破坏；（3）影响人员工作、健康及舰船的作战性能和潜艇的隐蔽性。人体固有频率在69 Hz之间：12.5 Hz范围，感到压力与振动；67 Hz范围，感到晕船、恶心、呕吐；1620 Hz范围，感到噪声。二、ISO组织规定，在180Hz范围内人体忍受振动的三种限界：（1）舒适性限界（RC），不能保证舒适感的限界；（2）疲劳限界（FDP），出现疲劳，导致工作效率衰退的限界；（3）耐久限界（RC），不能保证人员

10、健康的限界；第21页/共78页第22页/共78页图2.4-2 垂向振动的FDP限界第23页/共78页三、船舶振动衡准1.海船（适用于20米以上的钢质海上运输船舶）对水平振动耐受程度低于垂向振动以及逗留时间等不同，分为类区和类区，各以上、下限界线把振动程度划分为三种情况。I类区：指船上生活区及连续工作4h和超过4h的区域，如驾驶室、报务室、集控室。II类区：指船人员工作和逗留时间小于4h的区域。（）在下限界线以下者，认为振动轻微，不影响人员的正常生活和工作；（）超过上限界线时，则振动剧烈，严重影响生活和工作；（）落在上、下限界线以内时，则属于尚能容许的程度。2.内河船（适用于30米以上的钢质运输

11、船舶）各类内河船的垂向振动加速度单幅值按下式划分为三个区域。第24页/共78页式中：频率（Hz），小于8赫时以8赫计；k 随船舶类型和舱室而异的系数，k1.02.0 衡准系数 0.035 良好 0.035 0.047 不允许 水平振动的标准取为垂向振动的0.75倍。第25页/共78页第三章 船舶机械振动控制 防振：在船体设计阶段。减振：在船舶使用阶段。基本原理：1.避免共振：改变固有频率或激励频率；2.减小激励力；3.减小振动的传递。3.1 柴油机振动控制一、防止共振选择主机应配合螺旋桨，尤其应避免在主机常用转速下的低阶共振。使一、二阶固有频率与激励频率分别错开15和20，便可收到很好的效果。

12、第26页/共78页二、减小激励力对于存在外部不平衡力或不平衡力矩的柴油机，加装平衡装置和平衡器来减小激励力和激励力矩。平衡补偿装置是使偏心质量以和主机激振频率相同的转速旋转，产生补偿力或力矩以抵消柴油机不平衡力，减少它们对振动的影响。有离心力平衡重、平衡轴系、电动平衡器来抵消柴油机不平衡力。有：一次力矩平衡器二次力矩平衡器组合式平衡器三、减小振动的传递1.隔振器 在机座下部装设，使 主要用于副机。有：（）橡胶减振器：结构简单、有较好的隔声、缓冲和减振效果，但易老化。（）金属弹簧减振器：性能稳定，但内阻小、高频震动及声振动的隔绝性能差。第27页/共78页所要求的减振器应该柔软些，这通常只有对高速

13、柴油机才能实现。将此装置用于转速不变的辅机，效果会更好。2.防振支撑 针对长冲程和超长冲程主机的横向振动问题。机械式支撑 摩擦式支撑 液压式支撑第28页/共78页3.2 螺旋桨振动控制一、改善伴流1.尾部设计 根据船模试验，单桨船U型尾的轴向伴流较V型尾均匀。球型尾和开式尾间隙大，伴流变化小，脉动压力小，推力系数较高。用尾垂线前0.1L（L为船长）处的船体横剖面的形状参数=a/b来判别U型和V型，它表示船体剖面在水线处的斜率。U型尾可明显改善伴流；单桨船采用U型尾或球型尾；双桨船采用V型尾。第29页/共78页2.装尾鳍 V型与U型的差别仅在于缺少阴影部分，以两个三角形构架充实该部分也能起到上述

14、特征的作用，实现由V向U的转化。恰当设计这种构架在横向和纵向的形状和尺寸，便是所谓的导流鳍。导流鳍：起整流作用，使伴流场均匀；水滴型导流帽（舵上）：改善螺旋桨去流的不均匀性；第30页/共78页3.控制去倒角 去流角是船体纵剖面与后体水线之间的夹角，增加去流角会导致平均伴流和船舶阻力增高，从而使螺旋桨的载荷加大。单桨船去流角 0.3MPa，燃 油 消 耗 率 ge214g/(kWh)时，NOx限 值 为29g/(kWh)；在燃油消耗率ge=214g/(kWh)268g/(kWh)时，NOx限值为25g/(kWh)14g/(kWh)；在燃油消耗率ge 268 g/(kWh)时，NOx限值为11g/

15、(kWh)。第58页/共78页二、排放法规2.国际海事组织排放限值；MARPLO73/78公约中有关船舶造成大气污染的新附则中的规定，对船舶主机排放限制更为苛刻。其对排放限制主要有两点其一，有关NOx限值:低速机(n2000 r/min)为9.84g/(kWh)。其二，有关SO2限值，限制使用的燃油硫分不大于1.5%。其中，瑞典，加利福尼亚。如果不符合IMO规则，就可能会以增加港口使用费的手段加以控制。第59页/共78页第60页/共78页7.2排放物的生成机理一、气态有害排放物的生成1.NOx 由空气中所含的氮在高温下氧化而成。氧原子的浓度以及反应温度对NO生成最为重要，与参加预混燃烧的燃油比

16、例有很大关系。一般柴油机高于汽油机。注意：（1）预混燃烧期高于扩散燃烧期；（2）直喷式柴油机高于分隔式柴油机。2.未燃烃 第61页/共78页 柴油机的未燃烃少于汽油机的未燃烃。3.CO CO是燃油分子经高温氧化生成的（燃烧过程的中间产物）。与过量空气系数有直接关系。柴油机的CO少于汽油机的CO。三、微粒排放物（炭烟粒子）（1）混合气中，C/O 烟界度时，炭烟生成；（2）较高的绝热火焰温度，炭烟增多；（3）湍流扩散速度大，炭烟减少；（4）分隔式柴油机低于直喷式柴油机。第62页/共78页第63页/共78页7.3 机内净化途径一、排放影响因素1.可燃混合气质量 雾化细、混合和蒸发速度高，油耗率、炭烟

17、、CO、未燃烃，NO。不正常喷射，未燃烃、CO、炭烟。2.喷油定时 推迟喷油，NO 未燃烃，排烟3.燃烧室结构 分隔式的NOx 直喷式的NOx，但油耗率增加。4.进气状态 进气温度，NO。未燃烃5.负荷和转速（空燃比）柴油机负荷增大，NO CO两头高，中间低 未燃烃 炭烟第64页/共78页二、控制措施 1.推迟喷油并提高喷油速度；2.增压加中冷；3.低污染燃烧系统；4.最佳喷油、配油定时，改进喷油器结构；5.采用电子技术：（1）配气定时；（2）进气旋流（3）喷油定时第65页/共78页7.4前处理技术一、废气再循环（EGR）废气再循环(Exhaust Gas Recirculation,EGR)

18、是将排气管中的一部分废气引入进气管，再进到气缸中。废气的稀释作用减缓了NO生成速度、降低了燃烧温度，从而有效地降低了NO排放浓度。1.热循环；2.冷循环 存在一些技术问题，如废气再循环量的调节与控制、冷循环废气温度的控制。第66页/共78页二、燃油掺水1.进气管喷水 用低压水雾喷嘴向进气管喷水，不需要对发动机作结构上的改动。由于水蒸汽的“微爆”作用使油滴破碎成更细小的油滴，因而促进了混合气的形成和燃烧。在燃烧过程中由于水的吸热作用可降低最高燃烧温度。另外，如水与油混合喷入还可以降低燃油密度，使最高燃烧温度进一步降低，因此柴油机的NOx排放量减少。同时还节省了燃油，改善了排气烟度和CO排放。2.

19、乳化柴油 在柴油中掺水，其方式也同样有预先乳化和燃烧前乳化两种。当乳化油滴喷入高温的燃烧室内时，油滴被加热，油滴内部的温度和压力急剧升高。当内部压力超过油滴的表面张力与环境压力之和时，油滴发生爆炸(油滴内的水蒸汽把油滴胀破)，使原来就很小的乳化油滴破碎成更细小的油滴，这种现象称为“微爆”(即二次雾化)。第67页/共78页这不仅使燃油雾化良好，而且由此而产生很多爆炸波，促使燃烧室内的空气形成强烈紊流，空气与燃油的分布更加均匀，温度也变得均匀，生成的碳烟减少。3.分层喷射（SFWI）在喷油阶段，该系统将水送到喷油器，使油和水分层喷入气缸，以降低火焰温度。对于低速柴油机，与单层喷射(油-水-油)相比

20、，采用油-水-油-水-油组成的多层喷射，既降低了NOx的排放，燃油消耗的增长量也不大。柴油掺水乳化法存在着气缸腐蚀等问题，同时需要增加乳化剂开支及有关设备。三、加燃油添加剂1.钡盐消烟添加剂 可降低炭烟浓度50%70%，但钡盐水溶液有毒，存在二次污染问题。2.二茂铁消烟添加剂 第68页/共78页可使烟度明显降低。3.铜添加剂 改变排气微粒的氧化特性，促进炭烟的氧化。四、燃料改质1.增加柴油中烷烃含量2.燃料去硫处理3.采用代用燃料 （1）醇类燃料（酒精），主要用于汽油机，与柴油掺混。（2）天然气（甲烷），但功率有所下降。（3）沼气（甲烷）第69页/共78页7.5排气后处理一、催化净化法1.催化

21、剂的性能特点（1）良好的低温活性，250 0C工作温度；（2）良好的氧化性，适合净化CO、HC；（3）抗油烟和硫污染。2.铂蜂窝催化剂 载体材料为氧化铝、氧化硅等；转化率高、流阻小、压力损失小、使用寿命长。3.废气净化装置 废气通过催化室，使CO、HC转化为CO2，H2O.第70页/共78页4.催化消声净化器 消声净化器共分三个室，即进气室、催化室和排气室。催化室内装小球状催化剂，明，空速和温度对转化率有较大的影响。在200时催化剂几乎不起作用，在300400时，催化效果良好，可消除CO95以上，消除HC(包括醛类)85左右，同时该净化器对消除烟雾也有一定的作用。5.选择性催化还原法（SCR）

22、用NH3为还原剂，为NOx进行催化还原。4NO+4NH3十O24N2+6H2O6NO2+8NH37N2+12H2O 可除去95%的NOx和部分烟尘、碳氢化合物。但是SCR装置尺寸大、初期投资成本大、运行费用高。第71页/共78页第72页/共78页二、废气洗涤法 可除去部分高沸点HC、SO2、炭烟、微粒，少量NOx。1.水洗箱法 一种串联在排气管路中的水洗箱。废气与水蒸汽又有足够的时间接触，使得有害物质能充分溶解和稀释于水蒸汽。第73页/共78页2.喷水洗涤法 为同向喷射洗涤和逆向喷射洗涤两种。目前多采用多喷嘴同向喷射洗涤。柴油机排出的废气经催化箱净化后，通过排气联接管6进入消声洗涤净化器9，先

23、经消声处理后，废气便翻越隔板进入洗涤室，此时恰遇逆向喷来的雾状水滴，于是废气中的碳烟、排气微粒及部分可溶性有害气体(如SOx，NOx等)便被小水滴捕捉，并随小水滴一起从终排管10排入大气。第74页/共78页三、微粒净化法1.高频感应加热器 有一个金属滤网用以捕集微粒，而金属导线用来感应发热。2.陶瓷微粒捕集器3.稀释器净化法4.文氏管净化法5.再燃烧法（后燃器）6.综合净化法第75页/共78页课后作业：课后作业：1 1柴油机主要的有害排放物有哪些？柴油机主要的有害排放物有哪些？2 2柴油机有害排放的控制措施是什么？柴油机有害排放的控制措施是什么？第76页/共78页再 见！第77页/共78页感谢您的观看！第78页/共78页