автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Снижение гидродинамического шума систем охлаждения механизмов забортной воды

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КИЯНИЦА ВЛАДИМИР ВАСИЛЬЕВИЧ

УДК [629.12:628.517]:629.12.061.001.57

На правах рукописи Для служебного пользования ЭКЗ. N ■/Ь

СНИЖЕНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ШУМА СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ ЗАБОРТНОЙ ВОДОЙ

Специальность 05.08.05. - СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И ИХ ЭЛЕМЕНТЫ ( ГЛАВНЫЕ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ )

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2000 г.

Работа выполнена на кафедре судовых энергетических установок Севмашвтуза ( филиала Санкт-Петербургского Гос^ дарственного морского технического университета) .

Научный руководитель :

кандидат технических наук, профессор А.И. ЛЫЧАКОВ Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ю.И.ПЕТРОВ

доктор технических наук, старший научный сотрудник В.И.ГОЛОВАНОВ

Ведущее предприятие: Федеральное государственное унитарное предприятие " Машиностроительное предприятие " Звездочка"" г.Северодвинск,Архангельской обл.

Защита диссертации состоится " 25" декабря 2000г.

в 14-00 час. в актовом зале на заседании Специализированного Совета ДО 53.23.02 при Санкт-Петербургском Государственном Морском Техническом Университете.

Отзывы на автореферат,заверенные печатью , просим направлять по адресу:

190008,Санкт- Петербург,Лоцманская ул.,3. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПЛИТУ

Автореферат разослан ноября 2000г.

Ученый секретарь Специализированного совета доктор технических наук,профессор А.Н.Дядик.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

'АЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Работа посвящена решению проблемы обеспе-я заданных значений виброакустических характеристик ) для заказов основного производства в период проведе-их заводских ремонтов. Длительная эксплуатация заказа одит, как правило, к повышению уровней ВАХ оборудования его заказа в целом. Целью заводского ремонта в части ВАХ ется восстановление уровней до значений, полученных при ройке, или до установленных заказчиком. Это требует кро-выполнения типового объема ремонтно-восстановительных г внедрения дополнительных технических мероприятий. По-у для предприятия, которое проводит ремонты заказов ак-ьным является иметь набор эффективных и недорогостоящих яческих мероприятий по снижению ВАХ, которые бы опера-э могли быть включены в ведомости ремонтных работ. Такие грукции должны отвечать требованиям технологии ремонта: шмизация объема сопутствующих работ;

зозможность кардинального изменения трассировок основных зпроводов;

гранение исходных рабочих параметров работы систем, -шгм условиям удовлетворяют локальные конструкции, уста-гваемые на штатное оборудование.

шболее значимой виброакустической характеристикой яв-:я гидроакустический шум (ГАШ), который определяет каче-и эффективность проведенных ремонтно-восстановительных ГАШ определяется работой отдельных источников, клас-:ация которых приведена на рис.1. Из приведенной спек-аммы ГАШ (рис.2) следует, что в диапазоне низких частот и ГАШ определяются дискретными и сплошными составляющи-

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

Классификация источников гидроакустического шума

1) «клмдакн гох|

14 олждми юму маннио»

Спектрограмма гидроакустического шума

Уел дБ

1 >1 и ?

V 1 / ^ 11

г

Частота, Гц

Рис. 2

шектра, принадлежащими главным механизмам и трубопровод-гидравлическим системам.

В настоящее время для заказов, проходящих заводской ре?, актуальной является задача снижения ГАШ от работы си-1 охлаждения механизмов забортной водой, в частности, :емы охлаждения главного конденсатора паротурбинной уста-си (главной циркуляционной трассы). ГАШ от работы главной суляционной трассы (ГЦТ) определяется, в основном, уров-I гидродинамического шума (ГДШ) в проточных частях эле-?ов, из которых состоит система (трубопроводы, главный хенсатор, донно-запорная арматура и др.). Это объясняется что благодаря внедрению эффективных средств виброизоля-и вибропоглощения, созданию малошумных насосов вибрация эздушный шум элементов систем не являются определяющим ГАШ ГЦТ. Схема системы циркуляционной трассы приведена жс.З. Основными элементами системы являются циркуляцион-осевой насос(4), приемное (1,2) и отливное (8) концевые юйства, главный конденсатор (9).

Сак показал опыт проведения акустических испытаний форми-1ние ГАШ от работы системы в забортной воде преимуще-:нно происходит вследствии прохождения ГДШ от гидравли-:ой части насоса через приемное концевое устройство. Это ссняется тем, что в напорную часть системы включен глав-конденсатор, в котором при дипольном характере генерации происходит его отражение и поглощение.

эиемное концевое устройство (рис.3) состоит из приемного >убка (1) и выгородки(2). Анализ конструкции выгородки [евого устройства ( рис.4) показывает, что ее форма и :м удобны для размещения различных конструкции по сниже-

гдш.

Схема главной циркуляционной трассы

Рис.3

Разрез приемной выгородки

Н 4850

И 4350

РИС. 4

теме диссертации :

ыполнен обзор литературных источников;

азработана математическая модель и проведено теоретиче-э исследование ВАХ приемного концевого устройства; роведено экспериментальное исследование характеристик пе-ачи гидродинамического шума на физических моделях прием-э концевого устройства;

а основании проведенных исследований спроектированы, из-эвлены и установлены на заказе, проходящем заводской ре-г, конструкции по снижению акустической активности систем

:роведены натурные акустические испытания разработанных зтрукций.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключе-списка использованной литературы'и приложений. ЛО РАБОТЫ являлось :

зучение характеристик передачи гидродинамического шума в :мной выгородке главной циркуляционной трассы; (зработка и испытание конструкций по снижению ГДШ в выго-;е приемного концевого устройства ГЦТ для внедрения в юд проведения заводских ремонтов. )Р ЗАЩИЩАЕТ :

математическую модель выгородки приемного концевого устава системы охлаждения и методику расчета ГДШ в объеме :звольной формы, основанную на решении "волнового" урав-:я методом конечных элементов;

гтодику проведения экспериментального исследования, ре-таты экспериментальных исследований;

а.зработанные автором практические конструкции для сни-я ГДШ ГЦТ на дискретных частотах и в широкой полосе час-

тот .

ОБЪЕКТОМ ИССЛЕДОВАНИЙ являются акустические характеристк приемного концевого устройства системы охлаждения главнс конденсатора паротурбинной установки заказов, проходяп заводской ремонт и переоборудование. НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ состоит :

- в разработке принципиальных подходов к проблеме восса новления и улучшения виброакустических характеристик сиса охлаждения забортной водой при проведении заводских реме тов;

- в разработке математической модели и проведении расчет акустических характеристик приемного концевого устройса ГЦТ с применением метода конечных элементов;

- в разработке физической модели концевого устройства и пр ведении экспериментальных исследований ее акустических }< рактеристик на натурной рабочей среде;

- в разработке устройств, позволяющих снизить уровни ГДШ выгородке приемного концевого устройства ГЦТ. ДОСТОВЕРНОСТЬ И ОБОСНОВАННОСТЬ полученных результатов обе печена :

- постановкой задачи, базирующейся на уравнениях теории I лебаний;

- проверкой адекватности математической модели результат экспериментов;

- применением современной измерительной и анализирующей а* стической аппаратуры фирмы "Брюль и КЪер".

- результатами натурных испытаний.

ПУБЛИКАЦИИ : основное содержание работы отражено в 6-и ст тьях и 2-х научно-технических отчетах.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа содержи

156 страниц машинописного текста, 56 рисунков и фотографий. Список источников литературы содержит 105 наименований. Приложения содержат 17 страниц текста, и состоят из листингов расчетных программ.

ВНЕДРЕНИЕ : результаты работы внедрены на ФГУП "МП "ЗВЕЗДОЧКА"" г.Северодвинск, в ЦНИИ им. ак.А.Н.Крылова .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ВО ВВЕДЕНИИ : изложена актуальность выбранных направлений исследований.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ - рассмотрены:

- состав и работа системы главной циркуляционной трассы с точки зрения ее акустической активности;

- проведен анализ источников гидродинамического шума в системах охлаждения;

- определены цели и задачи исследований; Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ - рассмотрены :

- особенности технологии ремонта систем охлаждения по виброакустическим характеристикам (рис.5) в общем технологическом цикле ремонта заказов;

- методы и опыт снижения гидродинамического шума в системах охлаждения;

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ - описано аналитическое исследование акустических характеристик выгородки, которое проводилось на математической модели и предполагало проведение расчетов коэффициентов потери передачи в низкочастотном диапазоне .

Математическая модель разработана на основе конечноэле-ментной аппроксимации исследуемой области. Показаны преимущества предлагаемой методики расчета на основе выбранной математической модели перед обычно используемой

Схема организации работ по ВАХ механизмов и оборудования в технологическом цикле ремонта со

Рис.5

моделью на основе импедансного представления.

Поведение характеристик акустического поля в любой ?очке замкнутого пространства в любой момент времени при ''становившихся колебаниях среды может быть описано с помощью " волнового" уравнения,

д>Ф д2ф дгФ 1 д"Ф

-Г +--Г = -Г" < (!)

йк2 ду1 &2 с1 а1

юторое в случае гармонических падающей волны возбужде-

мя Фе ^"'и отклика ()е , находящихся в фазе, преобразуйся в уравнение Гельмгольца (в общем виде неоднородное )

УФ +-к2Ф = (2 где, (2)

7 ( 32 ^ ^ \

/= I -г-Н--:г Н--г- ) - оператор типа " градиент";

дх ду дг '

со

С = — - волновое число;

С

О - круговая частота;

скорость акустических волн в среде; Ф- характеристика поля: колебательные скорость, смеще-ие, ускорение, давление.

Точное решение уравнения (2) затруднено из-за слож-ости учета граничных условий и известно лишь для об-астей с " классическими " формами - прямоугольная ризма, цилиндр и сфера, поэтому при сложных геометриче-ких формах объемов применяются вариационные методы рвения дифференциальных уравнений. В нашем случае был при-енен вариационный метод решения - метод конечных эле-

ментов.

Функционал для уравнения Гельмгольца записывается в виде

/ХФ) = -|(УФ)2</Ф-— ( з )

^ ^ д д

Область функции Ф разбивается на конечные элементы (треугольники) , и на каждом конечном элементе функция Ф представляется в виде линейной комбинации аппроксимирующих функций

Ф (ХпУ,>^)=^фшаиАх<>У»21) <4>

и,*

/ ч г \5у={ для / = У

«,(*,.„.*,)-«,. гл= — -г-

Подстановка (4) в выражение функционала (3) дает

г I ] 1 ^ ]

+ (5)

При этом функция 2 Для отдельного узла задается в виде

Q = YJQJa^ (6)

у

подставляя (6) в (5) и выражая функционал Е в матричном виде получаем

ПФ) = \ МТ М{Ф} - ^ {Ф}Т {Т}{Ф} + {Ф}Т {Т}{(2} где, ,7)

{ф}-матрица-вектор коэффициентов в аппроксимации (4); {О}-матрица-вектор коэффициентов в аппроксимации(6); 1 = JWaiV(XjdQ. - матрица Дирихле "жесткости";

= ^(XiGijd£l- метрическая матрица " масс ".

кционал является стационарным. Это свойство функ-нала приводит к уравнениям вида

-— = 0 (8) дФ

всех не фиксированных значений

Ф .

ставляя выражение (7) в (8) получим матричное урав-ие Гельмгольца

(#)-'г{т}{Ф}=-») <,)

учетом граничных условий :

еймана, когда нормальная производная искомой функции ащается в ноль;

1ирихле - ■ задание на границах фиксированных значений кции, решение уравнения Гельмгольца разбивается на две ачи:

ри {21 = 0 , имеем случай задачи на собственное аение и уравнение (9) принимает вид,

{5}{Ф}-к2{Т}{Ф} = 0 , ( ю )

:шением которого являются собственные частоты СО , и гветствующие им собственные векторы Ф ;

зри {£>} * 0уравнение (9) решаем относительно Ф , при аваемых частотах (О .

пизация расчета выполнена на основе разработанной ^ьютерной программы "РКОСПАМ-МКЕ" на языке С++. Программа золяет последовательно выполнить процедуры метода эчных элементов для двухмерной области:

- образование матриц отдельных элементов;

- учет граничных условий и "конденсация " глобальной матрицы;

- решение системы уравнений;

- печать значений в узлах сетки конечных элеменов. Исходными данными для расчетов являются номера и координаты вершин конечных элементов, нулевые и заданные (единица ) значения функции в узлах сетки конечных элементов. Нахождение собственных значений проводилось по алгоритму

Якоби. РаспределениеФнаходилось методом Холесского. Амплитудно-частотная чарактеристика передачи определялась по формуле

£) = -101о8Ф1НЗ[/Ф„ где , (11)

Фвх - давление на входе модели; • •

Ф<6)л. - давление на выходе модели. При принятии входного возбуждение единичным,выражение

( 11 ) принимает вид

£> = -101оёФ,ых (12)

Пример разбиения области модели на конечные элементы и сравнение расчета и эксперимента приведены на рис. 6 и 7. В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ - описано проведение экспериментального исследования акустических характеристик модели выгородки приемного концевого устройства. Экспериментальная установка состояла из модели приемного концевого устройства ( масштаб 1:4), которая устанавливалась в систему гидравлического стенда Севмашвтуза. Гидравлический стенд включал в себя емкость 5 м3 с системой трубопроводов и запорной арматурой, центробежный циркуляционный насос ЦН-104 с аппаратурой регулирования и контроля оборотов электро-

o,f

Рис.5

ЦдБ

-

мм м /

30 60 90 120 150 180 210 250 300, Гц

——— расчет; - - - эксперимент

Рис.6

Установка модели в гидравлический стенд

рис. 8

Модель приемного устройства со снятой передним листом

Рис. 9

привода, которая позволяла изменять скорость вращения ротора насоса в пределах от 1800 до 2500 об/мин, что приводило к измененению скорости протекающего потока воды от 2,1 до 3,0 м/сек. При этом расчетные значения числа Рей-нольдса составили (2,3—3,4)* 106 , что соответствовало второй области автомодельности .

Часть экспериментальной установки с установленной моделью приведена на фотографии (рис.8).

Фотография модели приемной выгородки со снятым передним листом (элемент наружного корпуса) приведена на рис.9. На фотографии видны места для установки резонаторов, закрытые специальными заглушками с резьбой. Заглушки могут быть сняты, и на их место установлены "горла" резонаторов, расчитанные на определенные частоты. Для удобного доступа к проточной части модели передний лист выполнен съемным с уплотнением резиновой прокладкой. На концах приемного и отливного патрубков выварены фланцы для включения модели в стенд.

Тракт измерения и регистрации гидродинамического шума состоял из:

- миниатюрных пьезоэлектрических измерительных гидрофонов, установленных в приемном и отливном патрубках;

- четырехканального измерительного магнитофона типа 7005. Анализ полученных результатов был выполнен с помощью двухканального спектрального анализатора 2034 с выводом на двухкоординатный самописец 2308. Оперативный анализ спектров ГДШ в процессе эксперимента проводился с помощью спектрального анализатора 2033. Вся аппаратура фирмы Брюль и Къер( Дания).

Таблица планирования эксперимента приведена на стр.17.

Исследованию подлежал коэффициент потери передачи ГДШ, который вычислялся по формуле;

^ = ЬШХ-Ьвх где, (13)

Ьвх~ уровень гидродинамического шума в патрубке у насоса (вход),дБ

Ьцых- уровень гидродинамического шума в приемном патрубке модели (выход),дБ.

По результатам измерений были получены спектры ГДШ и расчитаны значения коэффициентов передачи:

-на лопастной частоте насоса для различных скоростях протекающего потока рабочей воды;

- для областей сплошного спектра.

Результаты расчетов коэффициента передачи ГДШ на лопастной частоте для скорости 2,1 м/сек- приведены в таблице 2. На рис.10(а) приведена спектрограмма ГДШ при исходном состоянии модели и той же скорости .

Для исходного состояния модели были сделаны выводы:

- коэффициент потери передачи ГДШ в модели на лопастных дискретных частотах зависит от скорости протекающего потока, и составляет:

- на скорости 2,1 м/с - 11дБ;

- на скорости 2,5 м/сек - 6 дБ;

- на скорости 3,0 м/с - 3 дБ;

- в диапазоне частот 160-280 Гц имеет место отрицательный коэффициент потери передачи.

Для выявления причин указанных явлений были проведены:

- изучение картины протекания потока по проточной части модели с использованием поляризационно-оптического метода визуализации ;

Таблица 1

Матрица планирования эксперимента

Конструктивно е воздействие Режим эксперимента число замеров

У=2,1 м/с У=2,5 м/с У=3,0 м/с

10 10 10

Резонаторы заглушены + + +

10 10 10

Открыты последовательно 1-3-7-9 резонаторов. + + +

5 5 5

Резонатор на лопастную частоту + + +

10 10 10

Установлен резонатор на лоп. частоту с материалом МР + + +

10 10 10

Установлен резонатор 250 Гц + + +

10 10 10

Установлен обтекатель + + +

10 10 10

Установлена комбинация резонатора с МР и обтекателя + + +

10 10 10

Таблица 2

Коэффициент передачи гидродинамического шума

N п/п Содержание режима Коэффициент потери передачи гидродинамического шума,дБ на лопастной частоте,при скорости потока У=2,1 м/с 0 = Ъвк -

номер опыта

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 Все резонаторы закрыты крышками (исходная) 11 10 10 11 12 10 10 12 11 11

2 Установлен резонатор на лопастную частоту 24 26 24 24 25 25 25 26 26 25

3 Установлен резонатор на лопастную частоту с материалом МР 25 25 25 23 23 24 24 25 25 24

4 Установлен обтекатель 14 16 16 15 15 16 16 15 16 16

5 Комбинация резонатора на лопастную частоту и обтекателя 26 25 16 25 26 23 24 25 25 26

спектрограмма i дш

Рис. 10

эксперименты по возбуждению ГДШ в проточной части экспери-1тальной установки с помощью специального гидрофона при рановленном насосе;

1рименение специальных методик обработки акустических сиг-

ЮБ .

результате экспериментов получено:

з проточной части модели имеется обширная "вихревая" зона зм.фото на рис.11,а);

при возбуждении рабочей воды в трубопроводе эксперимен-1ЬНой установки было получено значение коэффициента пере-ш 2 дБ ( рис.6), практически во всем интересующем нас ;тотном диапазоне.

:юда следует вывод,что эффективность выгородки на низких :тотах в значительной мере определяется процессами, святыми с протеканием турбулентного потока рабочей воды. ! снижения уровней ГДШ бьши предложены и испытаны уст-1ства:

эезонаторы, настроенные на лопастную частоту;

1лоский лист-обтекатель, оптимизирующий геометрию проточ-

I части модели;

сомбинация обтекателя с встроенным в него резонатором, 'асчеты резонаторов были проведены по известным методикам. >филь обтекателя сначала определялся выбирался по резуль-:ам визуализации на поляризационно-оптическом стенде (см. ;ографию на рис.11,б), таким образом, чтобы обтекатель :рывал "вихревую" зону, а затем опытным путем доводился на [ели.На спектрограмме рис.10,6 показан результат испытания (ели конструкции листа-обтекателя, в котором установлен юнатора, настроенный на лопастную частоту насоса. В ре-[ьтате проведенных испытаний ГДШ в сплошной части спектра

Оптимизация формы проточной части модели приемной выгородки

а)

а - исходная форма; б-оптимизированная форма. Рис.11

диапазоне частот 160-280 Гц был снижен практически до вня входного сигнала(на 15 дБ), а уровень дискретной ложной частоты был снижен на 20 дБ относительно исходного :тояния модели.

основании выводов, полученных при проведении теоретиче-го и экспериментального исследований для снижения ГДШ в :емных концевых устройствах систем ГЦТ, была спроектирова-изготовлена, установлена на заказе, проходящем ремонт :спытана конструкция плоского листа - обтекателя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведения исследований по восстановлению стических характеристик систем охлаждения механизмов за-•тной водой в период их заводских ремонтов был обобщен [т проведения акустической доводки, уточнены принципиаль-подходы к оптимизации объема ремонтно-восстановительных от.

На примере исследования виброакустических характеристик темы циркуляционной трассы показана эффективность приме-ия локальных средств снижения ГДШ систем охлаждения меха-мов забортной водой. Разработанные локальные устройства для снижения ГДШ в темах охлаждения были испытаны на моделях. Эффектив-ть по снижению ГДШ на дискретных лопастных частотах со-вила до 20 дБ, а в областях сплошного спектра до 15 дБ, осительно исходной модели.

Предложенная конструкция обтекателя установлена в прием-выгородки главных циркуляционных трасс на заказе проекта М, прошедшем заводской ремонт. Проведены ходовые испыта-с определением эффективности обтекателей, которая соста-а 4 дБ, относительно полученной при постройке.

ПУБЛИКАЦИИ

Основное содержание диссертации изложено в работах :

1.Кияница В.В.Экспериментальное исследование эффективности применения обтекателей для снижения гидродинамического шумг дой в судовых системах охлаждения механизмов забортной вс дой,сб."Техническая акустика",№3,ЦНИИ им. ак.А.Н.Крылова. 1995.

2.Кияница В.В.,Пашин В.С.,Еркаев В.А. Разработка правил ак> стического проектирования корабельных ситем. Заключ. техн. отчет, уч.№1886. 1990. Северодвинск,НПО "Звездочка".-98л.

3. Кияница В.В.,Пашин В.С.,Еркаев В.А. Виброакустическая диагностика холодильной машиной Э-500А. Техн. отчет. уч.№ 1679. 1990. Северодвинск,НПО "Звездочка".-53л.

4. Кияница В.В, Лычаков А.И.,Матвиенко С.И. Поляризационнс оптический метод гидродинамической оптимизации проточш частей концевых устройств систем охлаждения механизмов издс лий 21 забортной водой.Сборник рефератов ВИМИ вып.6-7.Д] 2480., 1993.

5. Кияница В. В. Лычаков А.И.,Матвиенко С.И., Исследоваш влияния способов пуска центробежного насоса на его виброак^ стические характеристики.Сборник рефератов ВИМИ.№ 902-71 2504-96.ДР-3574.1993.-бс.

6. Кияница В.В. Лычаков А.И.,Матвиенко С.И., Модель концевс го устройства системы охлаждения главных конденсато рс изд.21.Информационно-технический сборник.№11. Севмаш.1994 с 10-12.

7. Кияница В.В.,Лычаков A.A., Басакин В.С.Изменение koi струкции приемной выгородки заказа в период заводского р< монта.Рационализаторское предложение №007536-ОГА. Север< двинск, "Звездочка",1994 -6с.