автореферат диссертации по энергетике, 05.14.16, диссертация на тему:Снижение тонального шума и повышение экономичности радиальных центробежных вентиляторов

од

На правах рукописи

С2 Кли^М*^ I

ОРМЕНЬО ВАЛЕРИАНО МИГЕЛЬ АНХЕЛЬ

СНИЖЕНИЕ ТОНАЛЬНОГО ШУМА И ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧНОСТИ РАДИАЛЬНЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ

05.14.16 — Технические средства и методы зашиты окружающей

среды (в машиностроении и энергетике)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2000

Работа выполнена на кафедре теплотехники и турбомашин инженерного факультета Российского университета дружбы народов.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор E.H. Власов Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Б.Н. Нюнин кандидат технических наук, H.H. Северина Ведущая организация: '

Всероссийский научно-исследовательский институт природных газов и газовой технологии (ВНИИГАЗ)

^ 20СО Защита состоится cieicc<ofi5( года в Jd-OOtr. Ü

на заседании диссертационного совета К 053.22.32

в Российском университете дружбы народов

по адресу: 117302, г. Москва, ул. Орджоникидзе, д. 3.

С диссертацией можно ознакомиться

в Научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу: 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6.

Автореферат разослан «-^У» .^a-icßx т.2.00£>

ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, профессор

—?

Л.В. Виноградов

o.a. о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы диссертационной работы. Борьба с производственным шумом стала одной из самых актуальных задач но улучшению условий труда обслуживающего персонала. С увеличением мощности растет быстроходность и окружные скорости центробежных лопаточных машин - вентиляторов, а, следовательно, и шум. Повышенный шум влияет на нервную и сердечнососудистую системы человека, вызывает раздражение, нарушение сна, утомление, агрессивность, способствует психическим заболеваниям. Специалисты утверждают, что за счет повышенною шума заболеваемость людей возрастает на 30%. А уровни шума радиальных центробежных вентиляторов отечественного и зарубежного производства, как правило, значительно превышают действующие санитарные нормы.

Таким образом, 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 него ужесточены. Таким образом, в первую очередь, усилия должны быть направлены на борьбу с этим видом шума.

Цель работы. В настоящее время наиболее распространенными являются так называемые пассивные способы уменьшения шума, т.е. установка различных глушителей, звукоизолирующих кожухов, экранов, вибродемпфирующих покрытий на уже существующих машинах. Эти способы позволяют значительно снизить уровень, шума лопаточных машин, но их применение приводит к увеличению массы, габаритов, дополнительному сопротивлению газовоздушного тракта и удорожанию установки. Снижение 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:

• получена зависимость для оценки уровня звукового давления на частоте следования лопаток при различных геометрических параметрах проточной час-

ти центробежного вентилятора, на основе формулы разработана программа, позволяющая прогнозировать изменение уровня тонального шума при изменении геометрии проточной части;

• исследовано влияние языков, выполненных из пористых материалов. Использование этих языков, позволило снизить шум на частоте следования лопаток.

• исследовано влияние перфорации языка. Происходить смещения отрыва потока вниз по течению за счет отсоса на поверхности языка. Установлено, что перфорация зоны 1 может уменьшить тональный шум и повысить КПД вентилятора.

• исследовано влияние я шка с выступом в сторону рабочего колеса. Установлено, что выступ может уменьшить тональный шум и повысить КПД.

• исследовано изменение статического давления на поверхности языка по углу и ширине языка.

• исследовано влияние сетки на входе языка на уровне шума и экономичности. Установлено, что обеспечивается снижение уровня шума на лопаточной частоте на оптимальном режиме при незначительном снижении КПД.

Практическая ценность работы:

• использование различных языков, выполненных из пористых материалов, позволит снизить шум на частоте следования лопаток на 3 дБ в широком диапазоне по расходу при использовании пористого языка, пропитанного битумом, а при использовании пористого языка снижение шума составило 2 дБ. Использование пористых языков позволит повысить напор вентилятора на 4-7% в зависимости от вариантов,языков по сравнению с исходным языком. КПД вентилятора при использовании пористых языков увеличился в пределах 1,7-3,2% на оптимальном режиме по расходу в зависимости от варианта языка.

• перфорация языка вентилятора приводит к смешению отрыва потока вниз по течению за счет отсоса на поверхности языка. С помощью перфорации в первой зоне языка, возможно повысить КПД на 2% с уменьшением тонального шума на 2 дБ.

• введение в проточную часть центробежного вентилятора выступа на теле языка высотой 10 мм позволит снизить тональный шум на 3-6 дБ в зависимости от расхода, повысить напор на 2,6%, увеличить КПД на 2% на оптимальном режиме.

• исследовано .изменение статического давления на поверхности языка

по углу и ширине языка, что позволяет использовать различные спосооы для совершенствования течения потока в районе языка.

• введение сетки в проточную часть на теле языка, влияет на уровень шума и экономичность. Вывялено, что в качестве оптимального варианта сетки можно предложить сетку калибром 5*5*1,5, которая обеспечивает снижение уровня шума на лопаточной частоте на 3-4 дБ, в зависимости от режима работы.

• получена зависимость для оценки уровня звукового давления на лопаточной частоте. Исследовано изменение пульсационной силы при различной конструкции языка, что позволяет выбрать лучший вариант языка и снизить тональный шум.

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. Результаты экспериментальных исследований рекомендованы проектным организациям.

Апробацпя работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на XXXIII, XXXIV, XXXV, XXXVI научных конференциях профессорско-. преподавательского состава Российского университета дружбы народов (1997 -2000 гг.) на заседаниях секции «Теплотехники и турбомашин».

Публикация работы. По теме диссертации единолично и в соавторстве опубликовано 6 научных статей.

Структура и обт,ем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с конкретными выводами, основных выводов по диссертации, списка литературы из 72 наименований. Объем диссертации составляет 126 страниц машинописного текста, 59 рисунка, 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Введение аргументирует объективные предпосылки для исследований с целью снижения шума центробежных вентиляторов. Обоснована актуальность диссертационной работы, исходя из современного состояния проблемы шума в условиях на производстве.

В перяои главе рассмотрены акустические характеристики радиальных центробежных вентиляторов, перспективы их развития и результаты акустического обследования оборудования, свидетельствующие, что уровни звукового давления центробежных вентиляторов значительно превышают действующие санитарные нормы.

Центробежные вентиляторы для очистки воздуха являются одним из основных источников шума на производстве. Максимальные уровни дискретных составляющих шума вентиляторов наблюдаются на'частотах взаимодействия лопаток рабочего колеса и языка улитки, а также на частотах, кратных им, иногда составляют 10-13 дБ. Снижение тонального шума (шума взаимодействия турбулентного следа за лопатками рабочего колеса с неподвижными элементами, например* язык улитки) приведет к наибольшему снижению суммарного уровня шума радиального центробежного вентилятора.

Выполнен обзор теоретических исследований по оценке шума от неоднородности потока и исследований по влиянию конструктивных параметров проточной части лопаточных машин на шум вследствие неоднородности потока. Рассмотренные литературные источники указывают на возможность эффективного акустического совершенствования центробежных лопаточных машин.

Процессам шумообразования от неоднородности потока посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных ученых: Р.И. Зинчёнко, А.Т. Мунина, Д.В, Баженова, A.B. Римского-Корсакова, Д.И. Блохинцева, Е'.Я. Юдина, Ф.Е. Григорьяна, Г.А. Гуревича, Л Я. Гутина, Г.А.Хорошева, Ю.И. Петрова, Е.М. Голдстейна, Дж. М. Тайлера, Е. Дж. Софрина.

Анализ работ, посвященных борьбе с шумом, показывает, что главным способом является снижение шума в источнике его зарождения путем тщательного выбора элементов проточной части турбомашин. Значительное снижение тонального шума возможно путем перераспределения акустической энергии ис-" йков во времени и пространстве с помощью их расфазировки различными

4

конструктивными решениями.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

• исследование механизма шумообразования в ступени центробежного вентилятора, получение теоретических зависимостей для оценки снижения тонального шума центробежных машин, при изменении, геометрических параметров проточной части;

• исследование возможности применения теории снижения тонального шума путем выбора оптимальных геометрических элементов проточной части.

• создание стенда для исследования аэродинамических и акустических характеристик ступеней радиальных центробежных вентиляторов;

• выполнение экспериментальных исследований по влиянию геометрических элементов проточной части на шум и экономичность радиальных центробежных вентиляторов. : .

• подготовка рекомендаций.

Во сторон главе

Выполнены теоретические исследования по оценке тонального шума радиальных центробежных вентиляторов при различных геометрических элементах проточной части. Получена зависимость для оценки уровня звукового давления на частоте следования лопаток при различных геометрических параметрах проточной части, учитывающая влияние на уровень звукового давления тонального шума следующих параметров: числа лопаток рабочего колеса, зазора между языком и рабочим колесом, радиуса скругления языка улитки, ширины лопатки:

1 F . О) ' Ti й) • Х2 , /ло Ч . р =-=r---sin —— • srn —— - Has 1

396,76 -Vf r-ti 2 2

где F- аэродинамическая сила, действующая на язык;

AV

2 \

и cr АК

•п-г„ • Ь + К• р——-

f г \

/х

г

1

V Л J

■tb

дк - разность выходных скоростей в аэродинамическом следе; ДР„ - разность статических давлений в аэродинамическом следе;

...

j

К - коэффициент, учитывающий влияние геометрических параметров языков различной конструкции;

г„, ~ радиус скругления языка улитки;

Ь - ширина языка;

р - плотность окружающей среды;

Т- температура окружающей среды, в градусах Кельвина;

со - круговая частота следования импульсов;

г - расстояние до точки замера;

г, и т2- временные интервалы эпюры скоростей за рабочим колесом; Х(ДБ) - функция, учитывающая изменение зазора;

и площади канала в сечениях; /- шаг лопаток рабочего колеса; Ь- ширины языка;

Разработана программа, позволяющая получать результаты изменения уровня звукового давления на частоте следования лопаток в зависимости от геометрических параметров проточной части в графическом виде.

На рис.1 показана зависимость уровня звукового давления тонального шума от ширины (высоты) лопатки Ь. Построен этот график при помощи программы. Это один из примеров ее работы, для которого были взяты геометри-

Ъм

Рис. 1 Зависимость уровня звукового давления тонального шума 1™ (дБ) от ширины (высо-

ты)лопатки Ь (м).

Третья глава. В ней приведено описание экспериментальной установки, методики проведения экспериментов, обсчета результатов экспериментов и анализ точности измерений.

Замеры аэродинамических параметров (статическое, динамическое и полное давления) производились согласно ГОСТ.

Мощность, потребляемая установкой, замерялась двумя способами; электрическим, с помощью дифференциального ваттметра и весовым, с помощью балансирного устройства.

Полученные в ходе экспериментов данные служат основой для построения следующих аэродинамических характеристик: напорной характеристики, которая представляет собой зависимость напора по полному давлению от производительности Н = ^б), где в - производительность, приведенная к нормальным условиям (В0 = 101500 Па, Т = 293 К); зависимости мощности от производительности N = ); зависимости КПД от производительности г)=Л[ О).

При испытаниях центробежного вентилятора рассчитаны следующие погрешности: расход воздуха - 1%; КПД - 1,5%.

Тракт акустических измерений включает в себя микрофон с предварительным усилителем, анализатор спектра и самописец уровня. Для более детального исследования тонального шума использовался узкополосный анализатор. Анализатор спектра в реальном времени служит для наглядного изображения спектра в момент измерений и удобства считывания усредненных величин по полосам частот. Комплект шумоизмерительной аппаратуры имеет погрешность измерения ±1 дБ, что соответствует первому классу точности по ГОСТ 8055-63.

Четвертая глава.

Эксперименты на стенде для исследования центробежных вентиляторов показали, что тональная составляющая спектра центробежного вентилятора на оптимальном режиме (режиме максимального КПД) выделяется на 11 дБ, что является основанием для применения языков различной конструкции с целью снижения тонального шума на частоте следования лопаток.

Экспериментальные данные обрабатывались с помощью программ для ПЭВМ и на основании результатов строились графики: Н=Т(0), N=1(0), тН1<3), и,И{0)иЦ=«[С).

Для проведения первой серии экспериментов были изготовлены языки, выполненных из пористых материалов, которые позволили снизить шум на часто-

те следования лопаток на 3 дБ в широком диапазоне по расходу при использовании пористого языка, пропитанного битумом, а при использовании пористого языка снижение шума составило 2 дБ. Указанное стало возможным благодаря введению виброизоляции и вибропоглощения. Использование пористых языков позволило повысить напор вентилятора на 4-7% в зависимости от вариантов языков по сравнению с исходным (не пористым) языком. КПД вентилятора при использовании пористых языков увеличился в пределах 1,7-3,2% на оптимальном режиме по расходу в зависимости от варианта языка (рис 2).

С. куб.м/ч

Рис.2 Зависимость КПД и изменения уровня шума на частоте следования лопаток от .,, . расхода при различных материалах языка

. Другой способ снижения тонального шума и повышения экономичности радиального вентилятора заключается в установки выступа на теле языка. Экспериментальные исследования по влиянию выступа на теле языка на шум и экономичность проводились на том же вентиляторе. Исследованы три варианта языка: штатный, с малым выступом (Ь = 10 мм) на том же языке и большим выступом (Ь = 15 мм). Введение в проточную часть малого выступа на языке позволило снизить щурл на частоте следования лопаток на 3-6 дБ в зависимости от

расхода и повысить напор 1а 2,6% по сравнению со штатным языком. КПД вентилятора увеличился пр^ этом на 2% на оптимальном режиме (рис. 3). На рисунке: ЛЬ - изменение уровня звукового давления на тональной частоте относительно нулевой отметки - уровня звукового давления исследуемого вентилятора со штатным (заводским) языком на частоте следования лопаток на режиме максимального КПД.

С. куб-и/ч

Рис.3 Зависимость КПД и изменения уровня шума на частоте следования лопаток от расхода при различной величине выступа на языке.

С помощью перфорации в первой зоне на языке вентилятора удалось повысь КПД на 2% с уменьшением шума на 2 дБ. Для того чтобы с уверенно-гью сказать, что послужило причиной улучшения характеристик вентилятора гобходимо было провести дополнительные эксперименты. Поэтому были прочены измерения статического давления Рст, по которому можно так же судить характере потока.

Выполнены исследования по влиянию сетки, установленной на языке, на ум и эконо- -л ость.

Сравнивая изменение уровня шума при различных сетках на частоте следования лопаток Ьщ в зависимости от расхода, следует заметить, что только сетка калибром 1*1*0,5 дала превышение уровня шума над уровнем шума штатного языка. Все остальные типы сеток дали снижение уровня шума Ьщ практически на всех расходах. Но наиболее сильное снижение уровня шума Ьщ дала сетка с калибром 5*5*1,5 (от 1 до 4 дБ) в зависимости от режима работы при незначительном падении КПД.

На рис. 4 показаны результаты сравнения теоретических и экспериментальных исследований по влиянию конструкций языка на уровень звукового давления на частоте следования на оптимальном режиме.

1 ч:

ч * о

^ 1 \

ТИПЫ КОНСТРУКЦИЙ ЯЗЫКА

Рис. 4. Изменение уровня звукового давления тонального шума ступени центробежного вентилятора в зависимости конструкции языка улитки (^-4— экспериментальная зависимость; -теоретическая зависимость.)

1 - штатный язык

2 - язык с сеткой калибром 5*5*1,5

3 - язык с перфорацией

4 - войлочный язык

5 - войлочный язык, пропитанный битумом

6 - язык с выступом 10 мм.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Шум, возникающий из-за нестационарности потока в спиральном корпусе вентилятора, может иметь как дискретный, так и непрерывный спектр. Спектр шума от неоднородности потока всегда имеет дискретные частоты. Часто на этих частотах уровень звукового давления превышает остальные на 10-15 дБ в зависимости от типа вентилятора и поэтому требует снижения в первую очередь, т.к. вносит значительную часть в суммарный уровень шума.

2. Выполнены теоретические исследования по оценке тонального шума центробежных вентиляторов при различных геометрических параметрах проточной части. Получена зависимость для оценки уровня звукового давления на лопаточной частоте при различных геометрических параметрах проточной части. Исследовано изменение пульсационной силы в зависимости от конструкций языка.

3. Составлена программа для расчета на ПЭВМ уровня звукового давления тонального шума центробежных вентиляторов. Выполнена теоретическая оценка изменения уровня звуковогб давления тонального шума центробежного вентилятора при различных геометрических параметрах проточной части.

4. Создан стенд для испытания центробежных вентиляторов.

5. Составлена программа обработки аэродинамических данных на ПЭВМ, выполнена оценка точности измерений при аэродинамических исследованиях центробежных вентиляторов.

6. Анализ спектрограммы заводского центробежного вентилятора показал, что спектр характеризуется наличием дискретных частот, уровень звукового давления которых выше широкополосного шума на 10-13 дБ. Уровень звукового давления на частоте следования лопаток составляет 11 дБ. Узкополос-

' I к- • . • • '' I " • ,

ный анализ показал, что уровень звукового давления на частоте тонального шума равен 14 дБ. Снижение тональной составляющей на частоте следования лопаток позволит снизить суммарный уровень звука на 2,5 дБ при удалении главного раздражающего фактора — тонального шума.

7. Исследовано влияние языков, выполненных из пористых материалов, использование этих языков, позволило снизить шум на частоте следования лопаток на 3 дБ в широком диапазоне по расходу при использовании пористого языка, пропитанного битумом, а при использовании пористого языка снижение шума составило 2 дБ. Указанное стало возможным благодаря введению виб-

роизоляции и вибропоглощения. Использование пористых языков позволило повысить напор вентилятора на 4-7% в зависимости от вариантов языков по сравнению с исходным (не пористым) языком. КПД вентилятора при использовании пористых языков увеличился в пределах 1,7-3,2% на оптимальном режиме по расходу в зависимости от варианта языка. Повышение аэродинамических характеристик вентилятора произошло в результате улучшения условий обтекания элементов проточной части вентилятора при различных вариантах пористых языков, имеющих разные сопротивления продуванию.

8. Исследовано влияние перфорации языка. Происходить смешение отрыва потрка вниз по течению за счет отсоса на поверхности языка. С помощью перфорации языка в первой зоне удалось повысить КПД на 2% с уменьшением шума Ljh на 2 дБ. Для того чтрбы с уверенностью сказать, что послужило причиной улучшения характеристик вентилятора необходимо было провести дополнительные эксперименты. Поэтому были проведены измерения статического давления Рст, по которому можно так же судить о характере потока.

9. Исследовано влияние языка с выступом в сторону рабочего колеса. Установлено, что выступ может уменьшить тональный шум и повысить КПД. Установка выступа высотой 10 мм позволила снизить тональный шум на 3-6 дБ в зависимости от расхода, повысить напор на 2,6%, увеличить КПД на 2% на оптимальном режиме.

10. Исследование изменение статического давления на поверхности языка по углу и ширине языка показывают, что величина Рст в различных сечениях меняется неодинаково. По мере увеличения расхода (G>Gopt) картина распределения Рст (во всех сечениях) на языке становится более сложной. Перепады давления значительно увеличиваются. И, наоборот, при G<Gopt поле давлений по углу ® меняется незначительно.,

11. Исследовано влияние сетки на входе языка на уровень шума и экономичность вентилятора. Выявлено, что в качестве оптимального варианта сетки можно предложить сетку калибром 5*5*1,5, которая обеспечивает повышение напора на номинальном режиме при незначительном снижении КПД; со снижением уровня шума на лопаточной частоте в 1-4 дБ, в зависимости от режима работы.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

!. Власов E.H., Орменьо Валериано М.А., Цулимов C.B. Исследование влияния материала языка радиального центробежного вентилятора на его экономичность и шум — М., 1997. — 16 с. — Деп. в ВИНИТИ РАН 26.06.967, №2091-В97.

!. Орменьо Валериано М.А., Власов E.H., Цулимов C.B. Некоторые способы снижения тонального шума и повышения экономичности центробежных лопаточных машин // Газовая промышленность. Серия «Проблемы экологии в газовой промышленности». Научно-технический сборник. -1999. — №3. — С. 23-30.

. Орменьо Валериано М.А., Цулимов C.B., Власов E.H. Исследования влияния конструкции языка улитки центробежного вентилятора на акустические и аэродинамические характеристики // XXXV научная конференция: сборник научных трудов. ■—М.: Машиностроение, 1999. — С. 100-102.

. Орменьо Валериано М.А., Цулимов C.B., Власов E.H. Стенд для испытания центробежных вентиляторов // XXXV научная конференция: сборник научных трудов. — М.: Машиностроение, 1999. — С. 103-105.

. Орменьо Валериано М.А., Власов E.H. К вопросу об оценке пульсационной силы на частоте следования рабочих лопаток в центробежном вентиляторе // Проблемы теории и практики в инженерных исследованиях: сборник научных трудов. — М.: Изд-во АСВ, 2000 .— С.65-68.

. Власов E.H., Александров В.Е., Орменьо Валериано М.А. Снижение аэродинамического шума и повышение экономичности вентиляторов путем совершенствования течения потока в районе языка улитки // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия «Инженерные исследования».-2000-. №3,- С. 52-56.

Орменьо Валериано Мигель Анхель (Перу)

«Снижение тонального шума и повышение экономичности радиальных центробежных вентиляторов»

Предложена формула для оценки уровня тонального шума радиальных центробежных зентиляторов. Применение различных конструкций языков дало снижение уровня звукового давления на частоте следования лопаток 1-6 дБ в зависимости от режима работы и увеличения КПД на 2-3 %.

Ormeno Valeriano Miguel Angel (Peru)

«Decrease tonic noise and increase economics parameters of centrifugal

fan»

The formula for an estimation of a tonal noise level reduction of centrifugal fan. The application of the different designs of tongues gives a reduction of sound pressure on the frequency of shoulder blades 1-6 dB depending on the mode of the work and 2-3 % increase of efficiency.

Общая характеристика работы.

Введение.

Глава 1. Обзор исследований по снижению аэродинамического шума лопаточных машин.

1.1 Краткая классификация шума лопаточных машин и обзор теоретических исследований по оценке шума лопаточных машин от неоднородности потока.

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

1.3 Об управлении отрывом дозвукового потока с целью повышения экономичности и снижения шума.

1.4 Потери энергии в кожухе, методы повышения экономичности и снижения шума вентиляторов.

1.5 Анализ шумовых характеристик современных радиальных вентиляторов.

Актуальность темы диссертационной работы. Борьба с производственным шумом стала одной из самых актуальных задач по улучшению условий труда обслуживающего персонала. С увеличением мощности растет быстроходность и окружные скорости центробежных лопаточных машин - вентиляторов, а, следовательно, и шум. Повышенный шум влияет на нервную и сердечнососудистую системы человека, вызывает раздражение, нарушение сна, утомление, агрессивность, способствует психическим заболеваниям. Специалисты утверждают, что за счет повышенного шума заболеваемость людей возрастает на 30%. А уровни шума радиальных центробежных вентиляторов отечественного и зарубежного производства, как правило, значительно превышают действующие санитарные нормы.

Таким образом, 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 него ужесточены. Таким образом, в первую очередь, усилия должны быть направлены на борьбу с этим видом шума.

Цель работы. В настоящее время наиболее распространенными являются так называемые пассивные способы уменьшения шума, т.е. установка различных глушителей, звукоизолирующих кожухов, экранов, вибродемпфирующих покрытий на уже существующих машинах. Эти способы позволяют значительно снизить уровень шума лопаточных машин, но их применение приводит к увеличению массы, габаритов, дополнительному сопротивлению газовоздушного тракта и удорожанию установки. Снижение 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:

• получена зависимость для оценки уровня звукового давления на частоте следования лопаток при различных геометрических параметрах проточной части центробежного вентилятора, на основе формулы разработана программа, позволяющая прогнозировать изменение уровня тонального шума при изменении геометрии проточной части;

• исследовано влияние языков, выполненных из пористых материалов. Использование этих языков, позволило снизить шум на частоте следования лопаток.

• исследовано влияние перфорации языка. Происходить смещения отрыва потока вниз по течению за счет отсоса на поверхности языка. Установлено, что перфорация зоны 1 может уменьшить тональный шум и повысить КПД вентилятора.

• исследовано влияние языка с выступом в сторону рабочего колеса. Установлено, что выступ может уменьшить тональный шум и повысить КПД.

• исследовано изменение статического давления на поверхности языка по углу и ширине языка.

• исследовано влияние сетки на входе языка на уровне шума и экономичности. Установлено, что обеспечивается снижение вихревого(широкополосного) шума при незначительном снижении КПД.

Практическая ценность работы: • использование различных языков, выполненных из пористых материалов, позволит снизить шум на частоте следования лопаток на 3 дБ в широком диапазоне по расходу при использовании пористого языка, пропитанного битумом, а при использовании пористого языка снижение шума составило 2 дБ. Использование пористых языков позволит повысить напор вентилятора на 4-7% в зависимости от вариантов языков по сравнению с исходным языком. КПД вен 5 тилятора при использовании пористых языков увеличился в пределах 1,7-3,2% на оптимальном режиме по расходу в зависимости от варианта языка.

• перфорация языка вентилятора приводит к смешению отрыва потока вниз по течению за счет отсоса на поверхности языка. С помощью перфорации в первой зоне языка, возможно повысить КПД на 2% с уменьшением тонального пгума на 2 дБ.

• введение в проточную часть центробежного вентилятора выступа на теле языка высотой 10 мм позволит снизить тональный шум на 3-6 дБ в зависимости от расхода, повысить напор на 2,6%, увеличить КПД на 2% на оптимальном режиме.

• исследовано изменение статического давления на поверхности языка по углу и ширине языка, что позволяет использовать различные способы для совершенствования течения потока в районе языка.

• введение сетки в проточную часть на теле языка, влияет на уровень шума и экономичность. Вывялено, что в качестве оптимального варианта сетки можно предложить сетку калибром 5*5*1,5, которая обеспечивает снижение уровня шума на лопаточной частоте на 1-4 дБ, в зависимости от режима работы.

• получена зависимость для оценки уровня звукового давления на лопаточной частоте. Исследовано изменение пульсационной силы при различной конструкции языка, что позволяет выбрать лучший вариант языка и снизить тональный шум.

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. Результаты экспериментальных исследований рекомендованы проектным организациям.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на XXXIII, XXXIV, XXXV, XXXVI научных конференциях профессорско-преподавательского состава Российского университета дружбы народов (1997 -2000 гг.) на заседаниях секции «Теплотехники и турбомашин».

Публикация работы. По теме диссертации единолично и в соавторстве опубликовано 6 научных статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с конкретными выводами, основных выводов по диссертации, списка литературы из 72 наименований. Объем диссертации составляет 126 страниц машинописного текста, 59 рисунка, 2 таблицы.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

1. Шум, возникающий из-за нестационарности потока в спиральном корпусе вентилятора, может иметь как дискретный, так и непрерывный спектр. Спектр шума от неоднородности потока всегда имеет дискретные частоты. Часто на этих частотах уровень звукового давления превышает остальные на 10-15 дБ в зависимости от типа вентилятора и поэтому требует снижения в первую очередь, т.к. вносит значительную часть в суммарный уровень шума.

2. Выполнены теоретические исследования по оценке тонального шума центробежных вентиляторов при различных геометрических параметрах проточной части. Получена зависимость для оценки уровня звукового давления на лопаточной частоте при различных геометрических параметрах проточной части. Исследовано изменение пульсационной силы в зависимости от конструкций языка.

3. Составлена программа для расчета на ПЭВМ уровня звукового давления тонального шума центробежных вентиляторов. Выполнена теоретическая оценка изменения уровня звукового давления тонального шума центробежного вентилятора при различных геометрических параметрах проточной части.

4. Создан стенд для испытания центробежных вентиляторов.

5. Составлена программа обработки аэродинамических данных на ПЭВМ, выполнена оценка точности измерений при аэродинамических исследованиях центробежных вентиляторов.

6. Анализ спектрограммы заводского центробежного вентилятора показал, что спектр характеризуется наличием дискретных частот, уровень звукового давления которых выше широкополосного шума на 10-13 дБ. Уровень звукового давления на частоте следования лопаток превышает 11 дБ. Узкополосный анализ показал, что уровень звукового давления на частоте тонального шума превышает

14 дБ. Снижение тональной составляющей на частоте следования лопаток позволит снизить суммарный уровень звука на 2,5 дБ при удалении главного раздражающего фактора — тонального шума.

7. Исследовано влияние языков, выполненных из пористых материалов, использование этих языков, позволило снизить шум на частоте следования лопаток на 3 дБ в широком диапазоне по расходу при использовании пористого языка, пропитанного битумом, а при использовании пористого языка снижение шума составило 2 дБ. Указанное стало возможным благодаря введению виброизоляции и вибропоглощения. Использование пористых языков позволило повысить напор вентилятора на 4-7% в зависимости от вариантов языков по сравнению с исходным (не пористым) языком. КПД вентилятора при использовании пористых языков увеличился в пределах 1,7-3,2% на оптимальном режиме по расходу, в зависимости от варианта языка. Повышение аэродинамических характеристик вентилятора произошло в результате улучшения условий обтекания элементов проточной части вентилятора при различных вариантах пористых языков, имеющих разные сопротивления продуванию.

8. Исследовано влияние перфорации языка. Происходить смешение отрыва потока вниз по течению за счет отсоса пограничного слоя на поверхности языка. С помощью перфорации языка в первой зоне удалось повысить КПД на 2% с уменьшением шума Lnz на 2 дБ. Для того чтобы с уверенностью сказать, что послужило причиной улучшения характеристик вентилятора необходимо было провести дополнительные эксперименты. Поэтому были проведены измерения статического давления Рсх, по которому можно так же судить о характере потока.

9. Исследовано влияние языка с выступом в сторону рабочего колеса. Установлено, что выступ может уменьшить тональный шум и повысить КПД. Установка выступа высотой 10 мм позволила снизить тональный шум на 3-6 дБ в зависимости от расхода, повысить напор на 2,6%, увеличить КПД на 2% на оптимальном режиме.

10. Исследование изменение статического давления на поверхности языка по углу и ширине языка показывают, что величина Рст в различных сечениях меняется неодинаково. По мере увеличения расхода (G>Gopt) картина распределения Рст (во всех сечениях) на языке становится более сложной. Перепады давления значительно увеличиваются. И, наоборот, при G<Gopt поле давлений по углу $ меняется незначительно.

11. Исследовано влияние сетки на входе языка на уровень шума и экономичность вентилятора. Выявлено, что снижение вихревого(широкополосного) шума составляет 2 дБ на оптимальном режиме, при незначительном снижении КПД (сетка калибра 5*5*1,5),

1. Борьба с шумом на производстве; справочник. Под ред. Е.Я. Юдина. М.; Машиностроение -1985 400стр.

2. Зинченко Р.И. Григорян Ф.Е. шум газотурбинных установок. -Л: Судостроение -1969. 342 стр.

3. Справочник по судовой акустики/ Под ред. И.И, Клюкина и И.И. Бололепова -Л: Судостроение -1978.-504 стр.

4. Авиационная акустика/ Под ред. А.Г. Мунина. -М.: Машиностроение, 1986.-243 стр.-4.1

5. Блохинцев Д.И. Акустика неоднородной движущейся среды. -М.: Наука. -1981.-208 стр.

6. Борьба с шумом/ Под ред. Е.Я. Юдина -М.:Стройиздат.-1964.-704 стр.

7. Гутин Л.Я. Избранные труды Л.: Судостроение.-1997.-600 стр.

8. Гутин Л.Я. О звуке вращения воздушного винта журнал технической физики. 1942-Т. 12 стр. 2-13.

9. Юдин Е.Я. О шуме вентиляторов // Промышленная аэродинамика 1944 —2.-42 стр.

10. Lighthill M.I. The sound generated aerodynamically// Proc. Roy. Soc. Ser."A", -1954.-V 222.-№l 148

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

12. Feiler Charles Е.? Conrad Е. William. Noise from turbomachinery // Journal of Aircraft. -1976. v,13-№2

13. Homicz G.F., Indwing G.R., Lordi J.A. Theoretical and experimentel studies ofdiscrete-tone rotor-stator interaction noise// AI A A Paper.-1975.-№443

14. Юдин Е.Я. исследование осевых вентиляторов с направляющими аппаратами// Промышленная аэродинамика. 1974. №3

15. Хорошев Г.А., Петров Ю.И., Егоров Н.Ф. Шум судовых систем вентиляциии кондиционирования воздуха -Л: Судостроение. 1974. 198 стр.

16. Tyler J.M., Sofrin T.G. Axial flow compressor noise studies// SAE transaction1962.-№70. -52 p.

17. Голстейн Мервин E . Аэродинамика -M. Машиностроение.-l981.-288 стр.

18. Нейзе В. Обзор методов снижения шума центробежных вентиляторов. М.

19. Конструирование 1982-Т 104. -11стр.

20. Kasin S.b., Hatta R.K. Turbine noise generation, reduction and prediction// AIAA1. Paper -1975.-№499

21. Гуревич Г.А. и др. Исследование влияния нерадиального расположения сопловых лопаток на аэродинамические и виброакустические характеристи-ки.-Изд. Ленинградского кораблестроительного института-1975 -вып. 101

22. Гуревич Х.А. и др. Исследование виброакустических характеристик одноступенчатой активной турбины. -JI. Судостроение -1973.-№ 6.

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

24. Emblentom J.F.W. Experimental study of noise reduction in centrifugal blow-ers//Journal of Acoustical Sosiety of America. -1963.-v35.-№3.

25. Emblentom J.F.W., Thiesen G.N. Noise reduction of compressor using segmental stator blades// Canadian Aeronautics and Space Journal. -1970 v. 16-№9.

26. Гуревич Х.А. и др. Исследование виброакустических характеристик одноступенчатой реактивной турбины.// М.: Энергомашиностроение. -1974.-№ 321.

27. Кушев Ю.Д., Митюшкин Ю.Л., Перевозников А.В. Влияние соотношениячисел сопловых рабочих лопаток на воздушный шум одноступенчатой осевой турбины,- Известия вузов,- Энергетика.-1975.-№12.

28. Кушев Ю.Д., Машаев В.А., Митюшкин Ю.Л. Влияние ширины рабочего колеса на виброакустические характеристики одноступенчатой турбины.-М. Энергомашиностроение.-! 976.-№7.

29. Патент Великобритании, FLG(F02k3/4.F01d5/14).№ 1284341,1969

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

31. Hawkings D.L. The effect inlet condition on supersonic cascade noise// Journal of sound and vibration. -1974—v. 33.-№3.

32. Нисиваки Хидео, Такеда Кацуми, Фудзии Сеити. Шумовые характеристики вентилятора с неравномерным шагом расположения лопаток. -Когикэн нюсу-1977.-№215 (япон.).

33. Прандтль J1., Механика вязких жидкостей, сб. " Аэродинамика", под ред. Дюренда В.Ф., Т. 3, Оборонгиз, М. -Л., 1939.

34. Fottinger Н., Mitt. Vereinig. Grosskesselbesitzer, Н.73, 1939.

35. Шлихтинг Г., Теория пограничного слоя , Изд-во "Наука". 1969.

36. Schubauer G.B. Spangenberr W.G., Forced Mixing in Boundary Layers, J. Fluid Mech.,8, pp. 10-32 (1960).

37. Moore C.A. Kline S.G., Some Effects of Vanes and of turbulence on two-dimensional Subsonic Diffusers, NACA TN 4080,1958.

38. Cochran D.L. Kline S.G., Some Effects of Vanes and of turbulence on two-dimensional Subsonic Diffusers, NACA TN 4309,1958.

39. Kline S.G., On the Nature of Stall, J. Basic Engeneg. Trans. ASME, Ser. D(Sept1959).

40. Gibson A.H., On the Flow of water Through Pipes and passages Having Converging or Diverging Boundaries, Proc. Roy. Soc. London, A, 83, №563 (March 1910).

41. Cochran D.L. Kline S.G., Use Short Flat Vanes for Producing Efficient Wide angle two-dimensional Subsonic Diffusers, NACA TN 4309,1958.

42. Hewson С.Т., The Growth and separation of f turbulent Boundary Layer, Cambridge University, 1949. Диссертация.

43. Cole D., The Law of the Wake in the turbulent Boundary Layer, J. Fluid Mech, 1,pp 191-226(1956).

44. Fox R.W. Kline S.J., Flow Regimes in curved Subsonic Diffusers, ASME paper,61 WA-191, No v-Dec 1961.

45. П. Чжеи Управление отрывом потока: экономичность, эффективность, безопасность передов с англ. под ред д.т.н. Е.Н, Бондарева. М. Мир 1979

46. Эккерт Б. Осевые и центробежные компрессоры. М. Машгиз.1959.

47. Епифанова В.И. Спиральный отвод центробежной компрессорной установки. Труды ВНИИКИМАШ. вып. 1,- 1956.

48. Рис.В.Ф. центробежные компрессорные машины. M.-JL: Машиностроение,1964.

49. Столярский М.Т. Исследование потерь и условий оптимальной работы спиральной камеры центробежного нагревателя. "Теплотехника", -1963. №7

50. Косточкин В.Н. Центробежные Вентиляторы . М. Машгиз, 1951.

51. Мифтахов А.А., Анисимов С.А. Влияние нескольких параметров диффузорно-улиточной части на работу кольцевой ступени центробежного компрессора.: Труды III Всесоюзной конференции по компрессорным машинам.

52. 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.

53. Хорошев Г.А Петров Ю.И., Егоров Н.Ф. Шум судовых систем вентиляции икондиционирования воздуха. —Л.: Судостроение. — 1974. — 198 с.

54. Патент США ,№ 4474543, 1984

55. 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.

56. Esk В., Ventilatoren, 4. Auflege, Springer-Verlag. Berlin, 1962, Fans, 1 st English Ed., Pergmon Press Ltd, Oxford, 1973.

57. Селезнов К.П., Галеркин Ю.Б. Центробежные компрессоры . —Лю.: Машиностроение, 1982. —271 с.

58. Leidel W., "Einflnb von Zungenabstand und Zungenradius onf Kennlinie und Geräusch eines Radial-ventilators" DLR-FB 69-16, 1969.

59. Smith W.A., O'Malley J.K. Phelps A.H.,"Reducing Bledes Passages Noise in Centrifugal Fans", American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engeneers Transaction, Part 11, Vol. 80, 1974, pp 45-51.

60. Ploner В., Herz F.,"New Design Measures to Reduce Siren tones Caused by centrifugal Fans in Rotating Machines", Brown Boveri Revue, vol. 56, 1969, pp. 280-287.

61. Lyons L.A. Platter S., "Effect of Cut-off configuration on Pure Generated by

62. Small Centrifugal Blowered", Journal of the Acoustical Society of America. Vol 35, pp. 1455-1456.

63. Хорошев Г.А., Петров Ю.Н. "об уменшении уровня шума центробежных вентиляторов". Судостроение №3, 1965, с. 15

64. Hubner G., "Geraushminderung bei Groben Elektrishen Maschinen Siemens Zeitschrift, vol. 35, 1961, pp. 111-121.

65. Krishnappa G.,"Effect of Modurated Blade Spacing on centrifugal fan Noise". Proceeding Internoise 1980, Miami, Flo., Dec 8-10, 1980, pp 215-218.

66. Караджи B.E., Северина H.H., Соломахова Т.С. Исследование шума радиальных вентиляторов и способы его снижения — М.: Энергомашиностроение. — 1982. — № 7. —- 42 с.

67. Rechenberg L., Evolutions Strategie, Frommam Verlag, Stuttgart, 1973.

68. СкучикЕ., Основы акустики, т.1. -M;-l 976.-520 с.

69. Shepherd I.С., Lafontaine R.F. "Measurement of vorticity noise source in f centrifugal fan", Fan Noise bruit des ventilateurs An International INCE Symposium. CETIM Senlis (France). -Sept 1-3. 1992. -pp. 205-212

70. Иванов О.П., Манченко В.О. Аэродинамика и вентиляторы. Машино строение, 1986. -279 с.

71. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. -М.: Наука, 1976. -888 с.

72. Баженов Д.В., Баженова Л. А., Римский-Корсаков А.В. Физика аэродинамических шумов. — М.: Наука. — 1967. — 107 с.

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