Снижение тонального шума двухпоточных центробежных нагнетателей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.03, кандидат технических наук Кочергин, Андрей Олегович

• Кочергин, Андрей Олегович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кочергин, Андрей Олегович

Общая характеристика работы.

Введение.

Глава 1. Обзор исследований по снижению тонального шума центробежных лопаточных машин.

1.1 Классификация шума лопаточных машин. Обзор теоретических исследований шума вследствие неоднородности потока.

1.2 Обзор исследований по влиянию конструктивных параметров проточной части лопаточных машин на шум вследствие неоднородности потока.

1.3 Влияние языка и других геометрических параметров на шум центробежных машин.

1.4 Анализ шумовых характеристик современных центробежных машин.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Снижение тонального шума двухпоточных центробежных нагнетателей»

Актуальность темы диссертационной работы.

Шум, генерируемый центробежными лопаточными машинами большой мощности на металлургических, химических предприятиях и на компрессорных станциях газовой промышленности имеет высокий уровень звука и изменяется в пределах 96-114 дБ А, что значительно превышает существующие санитарные нормы, угнетающе действует на обслуживающий персонал. Повышенный шум влияет на нервную и сердечно-сосудистую систему человека, вызывает раздражение, нарушение сна, утомление, агрессивность, способствует психическим заболеваниям.

Специалисты утверждают, что за счет повышенного шума заболеваемость людей возрастает на 30%. Жертвами повышенного шума становятся все большее количество людей, шум - один из самых опасных факторов техногенного воздействия на человека и окружающую среду. Самый вредный для здоровья человека - так называемый тональный шум, т.е. шум на определенной частоте, санитарные нормы для которого ужесточены и усилия должны быть направлены, в первую очередь, на борьбу с этим видом шума.

Снижение тонального шума центробежных нагнетателей является мерой, предупреждающей аварии трубопроводов обвязки нагнетателей в связи с акустической усталостью конструкций обвязки трубопроводов при нестационарных воздействиях. Анализ статистических данных по отказам и авариям трубопроводов обвязки нагнетателя на компрессорных станциях показывает, что основными причинами и факторами, способствующими их возникновению, являются повышенная вибрация трубопроводов, а также просадка трубопроводов и опор - 49%.

Борьба с производственным шумом и снижение пульсаций газа, вызывающих вибрацию трубопроводов, превышающих аварийный уровень, стали одной из самых актуальных задач по обеспечению безопасности и улучшению условий труда обслуживающего персонала на промышленных предприятиях.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является разработка эффективных методов и средств снижения шума мощных центробежных лопаточных машин.

В настоящее время наиболее распространенными являются так называемые пассивные способы уменьшения вибрации и шума, т.е. установка различных глушителей, звукоизолирующих кожухов, экранов, вибродемпфирующих покрытий на уже существующих машинах. Эти способы позволяют значительно снизить уровень вибрации трубопроводов и шума лопаточных машин, но их применение приводит к увеличению массы, габаритов, дополнительному сопротивлению газовоздушного тракта и удорожанию установки. В этой связи снижение пульсаций давления и связанных с ними вибрации и шума в источнике его возникновения является наиболее перспективным из-за меньших капиталовложений, экономии массы и габаритов оборудования и может быть эффективно осуществлено, в первую очередь, на стадии проектирования нового оборудования, либо при модернизации старого, но требует глубоких исследований и накопления информации по акустическому совершенствованию лопаточных машин.

Научная новизна работы:

• определена зависимость для оценки суммарной аэродинамической пуль-сационной силы, возникающей в результате взаимодействия лопатки с кромкой языка и участком улитки на расстоянии шага;

• получена зависимость для оценки уровня звукового давления на частоте следования лопаток при различных геометрических параметрах проточной части двухпоточного центробежного вентилятора; на основе формулы разработаны программы, позволяющие прогнозировать изменение уровня тонального шума при изменении геометрии проточной части двухпоточных центробежных машин;

• исследовано влияние различных языков улитки двухпоточной центробежной машины на шум и экономичность. Установлено, что лучшие газодинамические и акустические характеристики имеют центробежные машины при использовании наклонных языков №4 и №5;

• исследовано влияние радиального зазора на шум и экономичность двухпоточной центробежной машины. Получена полуэмпирическая зависимость для оценки влияния радиального зазора;

• исследовано влияние смещения рабочих лопаток в двухпоточной центробежной машине на тональный шум. Получена зависимость, определяющая амплитуду акустического давления в суммарной волне для двухпоточных центробежных машин с учетом интерференции звуковых волн;

• с использованием опытных данных выполнен расчетный анализ по выбору оптимальных геометрических параметров проточной части двухпоточных центробежных машин. Установлено, что с помощью комплексного подхода, можно добиться оптимального варианта с уменьшением тонального шума и улучшением аэродинамических характеристик.

Практическая ценность работы:

• использование в двухпоточных центробежных машинах конструкции языка №5 (ассиметричной со смещением по шагу) приведет к снижению тонального шума на 3 дБ и повышению экономичности на 5% по сравнению с прямым языком.

• смещение рабочих лопаток на колесе по шагу на величину \!2 в сравнении с колесом без смещения лопаток в венцах приведет к снижению тонального шума двухпоточной центробежной машины на 7 дБ при прежней экономичности.

Методы исследования.

Для достижения поставленной цели использованы методы: аналитический и экспериментальный. Обработка данных, полученных в результате экспериментов, базировалась на программно-графических методах. Достоверность результатов подтверждена сходимостью данных теоретических и экспериментальных исследований и обусловлена точностью измерительной аппаратуры и достаточным объемом экспериментов.

Реализация работы.

Расчетно-теоретические разработки, выполненные в диссертации, используются на кафедре «Теплотехники и турбомашин» Российского университета дружбы народов при подготовке магистров и аспирантов.

Апробация работы.

Основные положения работы доложены и обсуждены на ХХХХ, ХХХХ1, ХХХХ11 научных конференциях профессорско-преподавательского состава инженерного факультета Российского университета дружбы народов (2004 - 2006 гг.) на заседаниях секции «Теплотехники и турбомашин».

Публикация работы.

По теме диссертации единолично и в соавторстве опубликовано 5 научных статей.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав с конкретными выводами, основных выводов по диссертации, списка литературы из 67 наименований. Объем диссертации составляет 172 страницы машинописного текста, 92 рисунка, 7 таблиц, 33 страницы приложений.

Заключение диссертации по теме «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение», Кочергин, Андрей Олегович

Выводы по диссертации.

1. Центробежные лопаточные машины большой мощности являются одним из наиболее шумных источников загрязнения окружающей среды. В производственных помещениях на металлургических, химических предприятиях и на компрессорных станциях газовой промышленности они создают высокие уровни шума в пределах 96 - 114 дБ А, что значительно превышает существующие санитарные нормы. Борьба с производственным шумом стала одной из актуальных задач улучшения условий труда обслуживающего персонала на промышленных предприятиях.

2. Выполнен обзор теоретических исследований по оценке тонального шума центробежных машин при различных геометрических параметрах проточной части.

3. Исследовано изменение аэродинамической пульсационной силы в зависимости от конструкции языка. Получена зависимость для оценки пульсационной силы , учитывающей изменение энергии потока в диффузоре на расстоянии шага рабочих лопаток и конструкцию языка.

4. Выполнены теоретические исследования по оценке тонального шума в двухпоточных центробежных машинах при различной конструкции языков. Получена зависимость для оценки уровня звукового давления тонального шума.

5. Составлены программы для расчета на ПЭВМ уровня звукового давления тонального шума разных типов центробежных машин при различных геометрических параметрах проточной части.

6. Выполнены теоретические исследования по оценке тонального шума в двухпоточных центробежных машинах при изменении конструкции рабочего колеса. Смещение рабочих лопаток на колесе по шагу на величину Х/2 в сравнении с колесом без смещения лопаток в венцах привело к снижению тонального шума двухпоточной центробежной машины на 7 дБ при прежней экономичности.

Получена зависимость для оценки акустического давления в суммарной волне с учетом интерференции.

7. Создан стенд для исследования двухпоточных центробежных машин. Составлена программа обработки аэродинамических данных на ПЭВМ, выполнена оценка точности измерений при акустических и аэродинамических исследованиях центробежных машин.

8. Выполнены экспериментальные исследования по влиянию различных конструкций языков на экономичность и шум двухпоточных центробежных машин в зависимости от расхода. Использование наклонного языка №5 в двухпоточных центробежных машинах позволяет повысить их экономичность на оптимальном режиме на 5% и снизить тональный шум на 3 дБ по сравнению с использованием прямого языка.

9. Исследовано влияние радиального зазора на шум центробежных лопаточных машин при различных конструкциях языков. Получена зависимость для оценки влияния радиального зазора на шум двухпоточных центробежных лопаточных машин.

10. Выполнен расчетный анализ по выбору оптимальных геометрических параметров проточной части двухпоточных центробежных машин с целью снижения тонального шума. Получена зависимость для оценки тонального шума при совместном влиянии радиального зазора и наклона языка.

11. Сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований по влиянию элементов проточной части на шум двухпоточных центробежных машин показал их хорошее совпадение.

12.Полученные в диссертационной работе результаты могут быть использованы в инженерной практике при создании центробежных лопаточных машин нового поколения с улучшенными акустическими характеристиками.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кочергин, Андрей Олегович, 2006 год

1. Зинченко Р.И., Григорьян Ф.Е. Шум судовых газотурбинных установок. — JL: Судостроение. — 1969. — 342 с.

2. Справочник по судовой акустике. / Под ред. И.И. Клюкина и И.И. Боголепова — Л.: Судостроение. — 1978. — 504 с.

3. Авиационная акустика / Под ред. А.Г. Мунина. — М.: Машиностроение, 1986. — 243 с. —ч. 1.

4. Блохинцев Д.И. Акустика неоднородной движущейся среды. — М.: Наука. —1981.—208 с.

5. Борьба с шумом / Под редакцией Е.Я. Юдина — М.: Стройиздат. -— 1964. —704 с.

6. Гутин Л.Я. Избранные труды. — Л.: Судостроение. — 1997. — 600 с

7. Гутин Л .Я. О звуке вращения воздушного винта. —■ Журнал технической физики. — 1942. — т.12. — С. 2-13.

8. Юдин Е.Я. О шуме вентиляторов // Промышленная аэродинамика. — 1944. —№2. —42 с.

9. Lighthill M.I. The sound generated aerodynamically // Proc. Roy. Soc. Ser. "A", 1954, —v. 222. — № 1148.

10. Хорошев Г.А., Петров Ю.И., Егоров Н.Ф. Борьба с шумом вентиляторов. — М.: Энергоиздат. — 1981. — 143 с.

11. Feiler Charles Е., Conrad Е. William. Noise from turbomachinery // Journal of Aircraft. — 1976. — v. 13. —№ 2.

12. Barry В., Moore C.J. Subsonic fan noise // Journal of Sound and Vibration. — 1971. — v. 17. — № 2.

13. Homicz G.F., Indwing G.R., Lordi J.A. Theoretical and experimental studies of discrete-tone rotor-stator interaction noise // AIAA Paper. — 1975. — №443.

14. Deming A. Propeller rotation noise due to torque and thrust. — NASA TN. — 1940. — v. 747. — № 454.

15. Кантола Р.А. Шум выхлопа стационарных газовых турбин // Энергетические турбины и установки: Тр. американского общества инженеров-акустиков. — 1978. — № 2.

16. Bokor A. A comparison of some acoustic duct lining material, according to Scott's theory // Journal of Sound and Vibration. — 1971. — v. 14.78. — 212 p.

17. Юдин Е.Я. Исследование осевых вентиляторов с направляющими аппаратами. // Промышленная аэродинамика. — 1947. — № 3.

18. Хорошев Г.А Петров Ю.И., Егоров Н.Ф. Шум судовых систем вентиляции и кондиционирования воздуха. — JL: Судостроение. — 1974. — 198 с.

19. Нейзе. Обзор методов снижения шума центробежных вентиляторов.

20. М.: Конструирование. — 1982. — т. 104. — 11с.

21. Kasin S.B., Hatta R.K. Turbine noise generation, reduction and prediction // AIAA Paper. — 1975. — № 449.

22. Гуревич Г. А. и др. Исследование влияния нерадиального расположения сопловых лопаток на аэродинамические и виброакустические характеристики. — Изд. Ленинградского кораблестроительного института — 1975. —вып. 101.

23. Гуревич Х.А. и др. Исследования виброакустических характеристик одноступенчатой активной турбины. — Л.: Судостроение. — 1973. — № 6.

24. Григорьян Ф.Е. Исследования некоторых задач акустики, связанных с проблемой снижения шума судовых газотурбинных установок. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. — Л. — 1970.16 с.

25. Bartenwerfer N., Gicadi Т., Neise W., Agnon R. Noise reduction in centrifugal fans by means of an acoustically lined casing // Noise Contr. Eng. — 1977. —v. 8. —№3.

26. Embleton J.F.W. Experimental study of noise reduction in centrifugal blowers // Journal of Acoustical Sosiety of America. — 1963. — v. 35. — № 8.

27. Embleton J.F.W., Thiessen G.N. Noise reduction of compressor using segmental stator blades // Canadian Aeronautics and Space Journal.— 1970. — v.16. — №9.

28. Гуревич X.A. и др. Исследования виброакустических характеристик одноступенчатой реактивной турбины // М.: Энергомашиностроение. —1974, —№3.

29. Кущев Ю.Д. Митюшкин Ю.Л., Перевозников А.В. Влияние соотношения чисел сопловых в рабочих лопаток на воздушный шум одноступенчатой осевой турбины. — Известия Вузов. — Энергетика. —1975, — №12.

30. Кущев Ю.Д., Мамаев В.А., Митюшкин Ю.И. Влияние ширины рабочего колеса на виброакустические характеристики одноступенчатой турбины. — М.: Энергомашиностроение — 1976. •—;№ 7.

31. Ewald D., Pavlovic A., Bollinger J.G. Noise reduction by applying modulation principles // Journal of Acoustical Society of America. — 1970. — v. 49, —№5.

32. Hawkings D.L. The effect of inlet condition on supersonic cascade noise // Journal of Sound and Vibration. — 1974. — v. 33. — № 3.

33. Нисиваки Хидэо, Такэда Кацуми. Фудзии Сеити. Шумовые характеристики вентиляторов с неравномерным шагом расположения лопаток. —; Когикэн нюсу. — 1977. — № 215 (япон.).

34. Юдин Е.А.; Караджи В.Г.; Северина Н.Н.; Соломохова Т.С. Исследование шума радиальных вентиляторов и способы его снижения. Энергетика. М7 1982 N7.

35. Селезнев К.П., Галеркин Ю.Б. Центробежные компрессоры // JL: Машиностроение, 1982.

36. Юдин Е.Я., Кузнецов С.Н. Исследование и рассчет шума всасывающих компрессоров энергетических ГТУ. "Теплоэнергетика", 1966, N11.

37. Leidel W., "Einflub von Zungenabstand und Zungenradius auf Kennlinie und Gerausheines Radialventilators" DLKFB 6916, 1969.

38. Smith W.A. О Malley J.K. Phelps A.H., "Reducing Blade Passage Noise in Centrifugal Fans" American Society of Heating, Refrigeration and air Conditioning ingineers Transactions, Part 2, vol.80,1974 p.45-51.

39. Власов E.H., Терехов A.JI., Цулимов C.B. Исследование шума лопаточных машин на компрессорных станциях магистральных газопроводов и способы его снижения. — М.: Изд-во ИРЦ Газпром, 1998. — 287 с.

40. Терехов A.JI. Борьба с шумом на компрессорных станциях. Л.: Недра, 1985.

41. Терехов A.JI. Шум газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях магистральных газопроводов и способы его снижения. М.: ООО «ВНИИГАЗ». 2003. - с. 494.

42. Власов E.H. Шум лопаточных машин на компрессорных станциях магистральных газопроводов и способы его снижения. — М.: РУДН, 2001.

43. Гусев В.П., Лесков Э.А. Шумовые характеристики крупногабаритных центробежных тягодутьевых машин. Сборник научных трудов НИИСФ, «Акустические исследования зданий», 1985.

44. Гусев В.П., Карабанов Ю.П. Снижение шума энергетических тягодутьевых машин. М.: Энергомашиностроение, №3, 1987.

45. Цулимов C.B., Алексеев А.П., Власов E.H. Теоретические исследования с целью снижения тонального шума центробежных машин. -Серия Проблемы экологии газовой промышленности. Научно -технический сборник 1999-№2- с 44-53.

46. Гусев В.П., Лешко М.Ю. Оценка аэродинамического шума элементов вентиляционных систем. АВОК, №5, 2002.

47. Артоболевский Н.И., Боровницкий Ю.И., Генкин М.Д. Введение в * *акустическую динамику машин. М.: Наука, 1979.

48. Кочергин А.О., Задорожный A.B., Власов E.H. Тональный шум двухпоточных центробежных нагнетателей// Газовая промышленность.

49. Shepherd J. С., Lafontaine R. F., «Measurement of vorticity noise source in centrifugal fan», Fan noise, bruit des ventilateurs. An international INCE Symposium. CETIM Senlis (France), Stpt 1-3. 1992/

50. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика, M.: Наука, 1976.

51. Власов E.H., Кочергин А.О., Задорожный A.B. Оценка тонального шума центробежных лопаточных машин при различных геометрических элементах проточной части // Наука и техника в газовой промышленности. НТС Транспорт и подземное хранение газа — 2005. - №2

52. Власов E.H. Цулимов И.В., Александров В.Е., Пути акустического совершенствования центробежных двухпоточных нагнетателей газа.//

53. Проблемы экологии газовой промышленности. 2000. №2. • *

54. Власов E.H., Ванюшина А.Ю., Мамаев В.К. Способы снижения аэродинамического шума центробежных нагнетателей с безлопаточным диффузором.// Труды НТО "Судостроение" 1985. Выпуск 410.

55. Теория реактивных двигателей. Под редакцией B.C. Стечкина М.: Издательство оборонной прмышленности, 1956 г.

56. Рис В.Ф. и др. Некоторые работы H3JI по исследованию проточной части центробежных компрессорных машин // Машиностроение, 1966 г.

57. Теория и расчет турбокомпрессоров. Под ред. К.П. Селезнева // Машиностроение, 1966 г.

58. Гусев В.П., Юдин Е.Я. Расчет шума всасывания и нагнетания многоступенчатых воздуходувок. VII Научно-техническая конференция по авиационной акустике.

59. Гусев В.П. Исследование акустических характеристик крупногабаритных котельных вентиляторов. Сборник научных трудов НИИСФ: 1983.

60. Цулимов C.B. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва. - 1999г.

61. Баженов Д.В., Баженова JI.A., Римский-Корсаков A.B. Физика аэродинамических шумов. — М.: Наука. — 1967. — 107 с.

62. Борьба с шумом / Под редакцией Е.Я. Юдина — М.: Стройиздат. — 1964. — 704 с.

63. Власов E.H., Мамаев В.К., Ванюшина А.Ю., Саранцев К.Б., Магдычанский B.C. Авторское свидетельство СССР № 1043364 (AI), кл. F 04 D 29/40, 1982.

64. Власов E.H., Мамаев В.К., Ванюшина А.Ю., Саранцев К.Б., Иванов H.H., Архипов ВВ. Авторское свидетельство СССР № 595539, кл. F 04 D 17/08, 1976.

65. Власов E.H., Мамаев В.К., Ванюшина А.Ю., Кондратов В.Н., Магдычанский B.C. Авторское свидетельство СССР № 1043364 (А2), кл. F 04 D 29/40, 1982.

66. Власов E.H., Мамаев В.К., Ванюшина А.Ю., Кондратов В.Н., Каменев В.М., Белавин Н.В. Авторское свидетельство СССР № 531929, кл. F 04 D 29/28, 1976.

67. Программа для вычисления уровня звукового давления на лопаточной частоте при различной конструкции проточной части1. Пояснения к программе:

68. Ро пороговое значение звукового давления, равное 2-10"5;к номер гармоники;z число лопаток рабочего колеса;

69. R радиус рабочего колеса, м;г радиус скругления языка улитки, м;

70. V скорость потока на выходе из колеса, м/с;

71. FILE * stream; stream = fopen("HUM.DAT", "a"); // printf("HoMep:"); // scanf("%i",&nom);fprintf(stream," Номер: %i\n",nom);m:printf("\n\n\n\n"); alfa=PI*n/30; dx 1 px2=2 * PI * R/z; dx3=dxlpx2*3/4; d=2*r;

72. T=288 ; Температура окружающей средыd=0.06 ; d=2r , где г радиус языкаjsv5Dpi=3.1415927

73. Т=288 d-0.06 b=0'.l го=1.29 v=50 n=3000 D=0.4

74. Т=288 ; Температура окружающей средыс1=0.06 ; й=2т, где г радиус языка

75. Ь=0.1 ; ширина рабочего колесаго=1.29 ;у=50п=3000

76. ПРОГРАММА ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ УРОВНЯ ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ НА ЛОПАТОЧНОЙ ЧАСТОТЕ ДЛЯ ДВУХПОТОЧНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАГНЕТАТЕЛЯ ПРИ РАЗЛИЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ1. Ък 0.36 ~ диаметр РК

77. Г := 0.01 ~ радиус скругленияг:= 12 ~ число лопаток06 ~ ширина языкаго := 1.29-1п := 200 сcsv := 330

78. Pq := 2-10 ^ пороговое звуковое давление яgr'~m к := 1р := 1.291. AV:=9l Ы := 0.0985:= 0.04581 := 81. Dk 82 := 0.05 Ras-.Л1. R .- n-Zdxl2 := 2-я-— zdx3 := dxl2 ■— 4

79. Звуковое давление на лопаточной частоте1 . со-т2 0)1------ЯШ—396,764 Т г-т, 2 2

80. Д =-- . . . • I ф0{т,2^260,45А5+650,62(Л?/.1. Р1 := Рк Рг ■=Ркзвуковое давление в левой половине рабочего колеса двухпоточного нагнетателязвуковое давление в правой половине рабочего колеса двухпоточного нагнетателя