автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Исследования акустических характеристик элементов в системах вентиляции, использующих диаметральные вентиляторы

Государственный Научно-Исследовательский Центр Центрального Аэрогидродинамического Института им. Н.Е.Жуковского (ГосНИЦ ЦАГИ) Московский Государственный Строительный Университет (МГС^>

ИССЛЕДОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ В СИСТЕМАХ ВЕНТШШЦИИ, ИСПОЛЬ-

ЗУЮЩИХ ДИАМЕТРАЛЬНЫЕ ВЕНТИЛЯТОРЫ

Специальность 05.23.03 - "Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение"

На правах рукописи

Голубев Алексей Юрьевич

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук

В.В.Поляков

Москва 1998

Содержание

введение...........................................................4

Глава 1. Постановка вопроса и задачи исследования.......... 6

1.1. Постановка вопроса.................................... 6

1.2. Обзор литературы по мдмообразованию воздуходувных ма-аин ( вентиляторов,)........................................ 19

1.3. Цели и задачи работы.................................. 51

Глава 2. Методика проведения экспериментальных исследований 35

2.1. Методика определения аэродинамических характеристик... 33

2.2. Методика акустических исследований.................... 39

Глава 3. Описание модели вентилятора....................... 42

Глава 4. Исследования способов снижения вумаг ^вентилятора... 58

4.1. Результаты параметрических исследований............... 58

4.2. Йэроакустические характеристики различных форм языка.. 64

4.3. Исследования по влиянию конструкции рабочего колеса на излучаемый шум............................................. 89

4.3.1. Влияние неравномерности шага лопаток рабочего колеса 89

4.3.2. Влияние "сдвига" лопаток по ширине рабочего колеса..100

4.3.3. Влияние числа лопаток рабочего колеса...............112

Глава 5. Оценка эффективности глушителей шума СКВ с новыми

звукопоглощающими материалами..............................120

5.1. Особенности новых материалов..........................120

5Г.2. Методика экспериментального определения волновых параметров.................................................... .123

5.2.1. Стандартная методика измерений......................123

5.2.2. Теоретичекие предпосылки определения характеристик звукопоглощения двухмикрофонным методом....................126

5.2.3. Описание экспериментальной установки................130

5.2.4. Определение волновых параметров.....................136

5.2.5. Волновые параметры полужестких материалов и особенности их определения.......................................139

5.3. Расчетная оценка эффективности глушителей вума с новыми материалами.............................................153

Выводы.....................................................159

Список литературы..........................................1$!

-4-Введение

В настоящее время "шумовое загрязнение" является одной из главных экологических проблем. Человек, как на производстве, так и в быту, постоянно испытывает воздействие пума, достигающего в ряде случаев достаточно высокого уровня. Это приводит не только к снижении производительности труда, но в ряде случаев к непоправимому ущербу для здоровья - функциональным расстройствам нервной системы, поражении органов слуха, нарушениям деятельности сердечно-сосудистой системы.

Вполне естественно, что борьба с иумом, имеющая целью улуч-вение условий труда и отдыха, приобрела за последние годы первостепенное значение.

Действующие в настоящее время нормативные документы С СНиП 11-12-77 ) накладывают жесткие ограничения на допустимые уровни вума как в помещениях, так и на территориях,непосредственно прилегающих к жилым и общественным зданиям. Так.например. в палатах больниц и санаториев уровни звука не должны превышать 25 дВД, а на территориях, непосредственно прилегающих к жилым районам - 35 дБА. Для того чтойы удовлетворить требования норм, необходимо осуществлять как подавление шума от источников, находящихся внутри помещений, так и принимать меры по борьбе с шумом, поступающим извне.

8ум, излучаемый при работе систем вентиляции и кондиционирования воздуха (СКВ), достигает достаточно высокого уровня, а в ряде случаев вклад этого источника в общую шумовую обстановку является решающим. При этом проблема создания допустимых условий в помещениях сводится к проблеме снижения шума, создаваемого СКВ. Нспешная борьба с шумом СКВ позволит не только улучшить условия

труда и отдыха находящихся в помещении людей, но и существенно изменить общую экологическую ситуацию за счет снижения "шумового загрязнения".

Решение этой задачи может осуществляться только комплексным путем, т.е. созданием малошумной нагнетательной установки и снижением шума, распространяющегося по системе воздуховодов. Яри этом за главное, как более экономичное, следует принять первое направление - разработка малошумной конструкции нагнетателя.

Исследования, результаты которых поиводятся в настоящей рабо те. проводились по обоим направлениям, причем в качестве нагнетателя был выбран наименее изученный с точки зрения шумообразова-ния диаметральный вентилятор.

Глйвв. 1- Постановка вопроса и задачи исследования 1.1. Постановка вопроса

Основным элементом систем вентиляции и кондиционирования воздуха ( СКВ ) является нагнетатель - агрегат, предназначенный для перемещения воздуха. 8 качестве нагнетателя используются вентиляторы различных типов и конструкций. Наибольшее распространение в системах вентиляции и кондиционирования воздуха получили осевые и радиальные вентиляторы (рис.1.1). Область их применения широка и многообразна. Вентиляторы таких типов применяются в различных элементах шахтной вентиляционной сети, в приточно-вытяжных установках зданий различного назначения , в системе пневмотранспорта и в других областях.

Тем не менее столь обширная сфера применения не является доказательством того, что применение осевых и радиальных вентиляторов в качестве нагнетателей СКВ всегда удобно и целесообразно. Так. например, компоновка радиальных вентиляторов приводит к повороту набегающего потока на 90е. В случае, если необходим другой угол поворота потока, приходится использовать дополнительные колена воздуховодов и переходники, что может приводить к значительному увеличению объема, занимаемого вентиляционной установкой. Есть и другой существенный недостаток осевых и радиальных вентиляторов. который состоит в следующем. При необходимости обеспечения высоких подач даже пои относительно небольшом давлении (например для неавтономных кондиционеров) габариты нагнетателя становятся слишком большими. Это часто приходит в противоречие с общей компоновкой помещения.

Другим типом нагнетателя, которому не присущи указанные выше

ОСЕВЫ£

РАА1ШЬНЫ£

АМДМЕТРАЛЬНЫЕ

Рис.1.1. Основные типы вентиляторов.

недостатки, является диаметральный вентилятор (рис.1 Л). Схема его работы принципиально отличается от схемы работы радиального вентилятора. 9 диаметральных вентиляторов поток воздуха дважды проходит через реветку лопаток рабочего колеса в поперечном направлении, сначала на части окружности колеса по направлении снаружи колеса внутрь в центростремительном направлении , а затем на другой части окружности колеса наружу, как в радиальном вентиляторе.

Принципиальные схемы наиболее простых диаметральных вентиляторов приведены на рис.1.2. Так,поперечное течение потока через колесо возникает в том случае, если во вращающееся колесо барабанного типа поместить неподвижное тело А (рис.1.2,а), расположенное несимметрично относительно оси колеса, или направляющий аппарат, состоящий из одного или нескольких тел или лопаток (рис.1.2,б). Такого же рода течение возникает при установке колеса в несимметричный коленообразный корпус или кожух (рис.1.2,в и рис.1.2,г).

Изобретателем диаметрального вентилятора является француз Пауль йортье. который получил патент на такой вентилятор в 1892 году. Вентиляторы Мортье некоторое время использовались в качестве вахтных вентиляторов [25], однако в дальнейшем они были заменены радиальными вентиляторами, имеющими более высокий коэффициент полезного действия (КПД). После этого в течение долгого времени работ по диаметральным вентиляторам не проводилось и они были почти забыты.

С середины нашего столетия интерес к диаметральным вентиляторам вновь оживает. Так профессором Б. Экком (ФРГ) был предложен ряд конструкций диаметральных вентиляторов с направляющим аппаратом внутри колеса [68,691. Большая экспериментальная работа была проведена Костером Г63 3, который испытал несколько диамет-

Рис Л.2. Схемы простейяих диаметральных течений.

ральных колес с различными корпусами, й 1960-61 гг. в немецких и английских журналах появились рекламы фирм, которые начали выпускать небольшие аппараты для подогрева воздуха и другие бытовые агрегаты с диаметральными вентиляторами Ш. В ФРГ было организовано физико-техническое бюро Яайнга, специально занимающееся разработкой диаметральных вентиляторов, насосов и различных агрегатов с ними.

В нашей стране возрождение интереса к диаметральным вентиляторам началось в начале 60-х годов и связано прежде всего с работами Коровкина Й.Г. [4,29-333. За относительно короткий срок КПД вентиляторов такого типа был повышен с 55% до ?5%, разработан ряд аэродинамических схем диаметральных вентиляторов с направляющим аппаратом и без него, обладающие не только высокими аэродинамическими качествами, но и гибкостью компоновочных решений. йм же было осуществлено внедрение диаметральных вентиляторов в различные отрасли народного хозяйства.

В настоящее время по масштабам применения диаметральные вентиляторы занимают третье место после осевых и радиальных.Область их применения в нашей стране и за рубежом очень разнообразна -от настольного вентилятора, применяемого в быту, до нагнетателя в аэродинамических трубах (рис.1.3). Зто обусловлено прежде всего несомненными преимуществами вентиляторов такого типа, к которым относятся:

- возможность создания плоского равномерного потока большой протяженности;

- удобство компоновки таких вентиляторов, позволяющей осуществлять поворот потока от 0° до 180°;

- возможность создания недосягаемых для других типов нагнетателей коэффициентов давления и подачи, что позволяет сущест-

а 1)

») е)

Рис.1.3. Области применения диаметральных вентиляторов:

а) для воздушных завес;

б) в общеобменной вентиляции;

в) в печах;

г) в аэродинамических трубах;

д) в сушильных агрегатах;

е) для установок кондиционирования.

венно уменьшить габариты нагнетателя (рис. 1.4).

В системах вентиляции и кондиционирования воздуха диаметральные вентиляторы используются в воздушных завесах ворот промышленных и общественных зданий,в автономных кондиционерах и сплит-системах, для общеобменной вентиляции общественных зданий, в калориферных установках, в неавтономных кондиционерах (при наличии значительного сопротивления сети).

8о всех вышеперечисленных случаях диаметральные вентиляторы по своим аэродинамическим качествам и удобству компоновки оказались лучше осевых и радиальных. Так, для неавтономных кондиционеров КНН-12 и КШМ8 С рис. 1.5), выпускаемых Домодедовским заводом кондиционеров, анализ,проведенный в ЦНИИпромзданий привел к следующим результатам С331. Среди семейства радиальных вентиляторов наиболее соответствует аэродинамическим требованиям ( а = 12000 м5/ч и а = 18000 м3/ч, Р = 100 кгс/ма, п = 1400 об/мин ) и в то же время является самым компактным вентилятор Ц13-50. Он занимает 35-402 объема кондиционера. В лучших зарубежных образцах радиальные вентиляторы занимают 30% объема кондиционера. Применение в неавтономных кондиционерах КНН-12 и Ш 18 диаметральных вентиляторов, выполненных по аэродинамической схеме ЦАГЙ Д17-42 позволяет снизить объем, занимаемый вентилятором, до 12-152 от объема кондиционера. Кондиционеры типа КНН-12 и КНУ-18 с диаметральным вентилятором ЦАГЙ широко используются в промышленных зданиях ( заводы КАМАЗ, ВАЗ. текстильные предприятия ) и успешно эксплуатируются в гражданских зданиях ( новое здание МХАТа и др.-).

Главным недостатком диаметральных вентиляторов, мешающим их более широкому использованию, является повышенный уровень шума, возникающий при их работе. Так, у диаметрального вентилятора ,

} ) } > и > > < ; >>>?>>)}> , у г} > г> > I

у40 60

£ 20 Диаметральные

Вентиляторы &0

0,1 I

Моэффициент подоги

Рис. 1.4. Область работы диаметральных вентиляторов.

Рис.1.5. Неавтономный кондиционео КНУ-12

вкполненного по аэродинамической схеме Д17-42 для неавтономного кондиционера КНЗ-12, уровень звуковой мощности составляет 112 дБ, в то время как для радиального вентилятора Ц13-50 с аналогичными аэродинамическими параметрами 105 дБ. Кроме того шум, создаваемый диаметральными вентиляторами (особенно высоконапорными), оказывает большое раздражающее воздействие из-за наличия в спектре шума резко выраженной дискретной составляющей, уровень которой превышает широкополосную часть спектра на 20-30 дБ. В то же время в отечественной и зарубежной литературе проблеме снижения шума диаметральных вентиляторов не уделяется должного внимания. С другой стороны методы борьбы с шумом, разработанные для осевых и радиальных вентиляторов, оказываются недостаточно эффективными в случае диаметральных вентиляторов, что связано прежде всего с принципиальными отличиями их схем работы. Для эффективной борьбы с шумом необходимо проведение дополнительных исследований физических процессов шумообразования в нагнетателях этого типа и разработка на этой основе эффективных средств снижения шума.Этой проблеме и посвящена первая половина настоящей работы.

Опыт борьбы с шумом осевых и радиальных вентиляторов показывает, что не всякое изменение конструкции, приводящее к менее шумному вентилятору, не ухудшает при этом его аэродинамических свойств. Более того большинство конструктивных усовершенствований, ведущих к снижению шума, автоматически изменяет аэродинамическую схему и приводит к ухудшению его аэродинамических качеств. По всей видимости при заданных аэродинамических параметрах - давлении и подаче, существует некоторый предел уровня шума, ниже которого уже нельзя опуститься с помощью изменения конструкции вентилятора [П. Вероятно, что для диаметральных вентиляторов ситуация имеет аналогичный характер. При этом уровень шума, распрост-

раняшщийся по системе воздуховодов, будет еще достаточно высок.

Для снижения распространяющегося шума на одном или нескольких участках вентиляционной сети осуществляется установка глушителей. По устройству и принципу работы согласно ГОСТ 12Л.029-80 глушители делятся на три основные группы (рис.1.6):

1) Пассивные глушители, принцип действия которых основан на отражении части звуковой мощности обратно к источнику. Такие глушители требушт изменения сечения каналов и поэтому редко применяются в системах вентиляции и кондиционирования воздуха.

2) Активные глушители, принцип действия которых основан на затухании звуковой энергии как в пространстве, ограниченном слоями звукопоглощающего материала (ЗПМ), так и в толще ЗПМ.

3) Комбинированные.

Наибольшее распространение в СКВ получили активные глушители. При этом снижение шума осуществляется, как выбором конструкции

глушителя, так и надлежащим выбором ЗПМ. В глушителях СКВ при-

<

меняются, в основном, мягкие рыхловолокнистые материалы на основе супертонкого стекловолокна и минерального волокна.

Мягкие рыхловолокнистые материалы обладают высокой звукопоглощающей способностью, но им присущи и определенные недостатки. Главным из них является возможность выдувания материала потоком воздуха. Для предотвращения этого используется защитное покрытие ЗПМ, чаще всего с помощью стеклоткани. Такое покрытие приводит к ухудшению звукопоглощающих свойств облицовки канала и снижению эффективности глушителя. Другим недостатком является то, что мягкий ЗПМ не держит форму и, при различных механических воздействиях, например вибрации стенок воздуховодов, происходит неравномерное смещение слоя ЗПМ, в результате чего образуются участки неравной плотности, что также приводит к снижению эффективности

о) По ссиЛные

Иамерные

Резонансные

6) Онти&ные

,_1ХХХХХХХХХУХ1

1ХХХХХХХ>^Г

ХХХУХ1

Пластинчатые

В) Ном 6и ниро банные

Т*. ' .я

Рис Л.б. Основные схемы глушителей.

глушителя.

Материалами, лишенными этих недостатков, и в то же время обладающих достаточно высокой звукопоглощающей способностью являются материалы типа войлока из органических волокон, например ЙТЙ-15, ТЗ 17 Пит. СР 14-17-86-89, разработанные Всесоюзным институтом авиационных материалов (ВЙАМ) для целей теплоизоляции Фюзеляжей самолетов. По своим физико-механическим свойствам эти материалы могут быть отнесены к классу полужестких. Основой для расчета глушителей, составленных из таких материалов,являются экспериментально определяемые характеристики звукопоглощения ( волновые параметры ¥ и ^ ). Существующая в настоящее время стандартная методика измерений не позволяет определять волновые параметры полужестких материалов с достаточной для расчета глушителя степенью точности. В связи с э