Методы снижения шума работы вихревой машины

Вихревой компрессор относится к классу машин динамического действия. Принцип работы такого компрессора заключается в следующем. Через всасывающий патрубок рабочая среда поступает на участок всасывания рабочего канала, а затем в межлопаточное пространство рабочего колеса. В них осуществляется подсос газа в осевом направлении (преимущественно). Также тут происходит преобразование механической энергии двигателя в энергию потока рабочей среды. В результате под действием центробежных сил частицы газа выбрасываются преимущественно в радиальном направлении в канал вихревой машины, где происходит преобразование кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления. [1]

В настоящее время вихревые машины (далее ВМ) нашли широкое применение в различных областях производства. ВМ (компрессоры, воздуходувки, вакуум-компрессоры, вакуум-насосы) совмещают в себе преимущества машин динамического принципа действия (отсутствие сложных кинематических и трущихся пар, надежность, безопасность, длительный срок службы, «сухая» проточная часть, сравнительно небольшие масса и габариты) и объемных машин (способность развивать большие напоры при малых расходах). Эти машины отличаются простотой конструкции, технологичностью и дешевизной в изготовлении, удобством и минимумом затрат при эксплуатации, стабильностью и устойчивостью характеристик во всем диапазоне изменения режимных параметров (в частности, в них отсутствует явление помпажа, свойственное центробежным компрессорным машинам). Максимум эффективности вихревых компрессорных машин достигается при сравнительно малых оборотах и окружных скоростях, что часто позволяет исполнять их без мультипликаторов. Вихревые машины имею широкий диапазон применений в различных областях промышленности.

Как и любая другая машина динамического действия, вихревая воздуходувка работает вовсе не бесшумно. Шум создаваемый вихревой машиной относится к аэродинамическому типу. Это шумы, возникающие в результате вихревых процессов в газах (при расширении сжатого газа или пара, вращения роторов, лопаток турбин и т.п.). В среднем его величина может достигать 80 дБ(А) и более, и это при том, что шум высокочастотный (свыше 2000 Гц). Основными вредными факторами производственной среды, определяющими формирование профессиональной заболеваемости в угольной промышленности, являются пыль различного состава, шум, вибрация и неблагоприятный микроклимат. Высокие концентрации пыли и длительный контакт с ними приводят к развитию наиболее тяжелых профессиональных заболеваний (пневмокониозы, пылевой бронхит) с высокой инвалидизацией и преждевременной смертью работающих. Они составляют 35 % от всех вновь выявляемых профессиональных заболеваний в угольной промышленности. Воздействие высоких уровней шума приводит к развитию профессиональной тугоухости, которая составляет 10 %, а также к развитию шумовой болезни. Высокие уровни вибрации, передающейся на человека, приводят к возникновению вибрационной болезни - тяжелого профессионального заболевания, которое составляет ≈ 30 %. Кроме интенсивности особенности биологического действия шума определяет его спектр. Более неблагоприятное влияние оказывают высокие частоты (выше 1000 Гц, по сравнению с низкими - 31,5-125 Гц). К биологически более агрессивному шуму относят и импульсный шум, возникающий от ударных процессов (погрузка, грохочение и др.). К факторам, усугубляющим воздействие на человека вибрации, также можно отнести шум высокой интенсивности (80-95 дБ(А)), неблагоприятные условия микроклимата, пониженное и повышенное атмосферное давление и др. [2] Рассмотрим причины появления шума в воздуходувке. Помимо шума, создаваемого вращением ротора с лопатками, наибольшее влияние на общий уровень звука оказывает резкое расширение газа. После того как газ прошел через рабочий канал воздуходувки, под действием перепада давлений его выбрасывает в нагнетательный патрубок, но газ не выходит полностью, часть сжатого газа остается в межлопаточном пространстве и проходит через отсекатель, как на рис. 1. Пройдя отсекатель, газ расширяется (поскольку давление в газе больше чем во всасывающем патрубке, и за счет своего резкого расширения издает хлопок.

Рис. 1. Расширение, после прохождения отсекателя

Исходя из количества этих хлопков в секунду, можно вычислить частоту издаваемого воздуходувкой шума:

^ =

zu

где, z – количество лопаток на рабочем колесе; n – количество оборотов в минуту, с-1. Также, зная конструкцию ротора, его размеры и характеристики машины, можно вычислить октавный уровень шума, создаваемого воздуходувкой на расстоянии 1м. Для этого будем использовать формулу, выведенную экспериментальным путем. [3]

Lg = 60 log (^2) + 10 log (^p) + £ kf, дБ (А)

где, D₂ - наружный диаметр ротора, м; U₂ - окружная скорость ротора на диаметре D₂, м*с^-1; U₀ и 1 0 - опорные значения 1 м с^-1 и 1 м² -соответственно; Ь₂ - ширина наружной кромки ротора. Поправка к 1 , дБ(А), определяется по рис. 2.

Рис. 2. Зависимость к 1 от 5

Зависит от относительной производительности воздуходувки:

5 = —, Qmax где Q -

производительность воздуходувки, м3 - ;

Q max - максимальная

мин производительность воздуходувки), —; если 5 - неизвестна, то принимается к1=2,7 дБ(А); Поправка к2, дБ(А), зависящая от диаметра вентилятора:

к2 = 10 - 24.7D2, дБ(А)

Поправка к3 , дБА, зависящая от угла атаки входной кромки лопатки ротора, определяется по рис. 3, кроме случаев когда:

• -    для радиальных лопаток ((ст ат = 90) к₃ = 1 дБ(А);

• -    для профилированных лопаток к₃ = 0;

Рис. 3. Зависимость к₃ от а ат

Поправка к4, дБ(А), зависящая от угла наклона лопаток ротора на выходе, определяется по рис. 4.

100 ПО 120 130 140 Р г

Рис. 4. Зависимость к₄ от ^ 2

Поправка к5, дБ(А), характеризующая акустику помещения, в котором работает вихревая машина, если помещение достаточно большое, для того чтобы отражение звука от стен не производило существенного влияния на октавный уровень шума, то принимается равной 0, в остальных случаях выясняется опытным путем.

Для проверки приведенного расчета, были произведены замеры параметром шума создаваемых воздуходувкой серии ВВК-2м, и проведено сравнения с результатами вычислений. В результате было получено, что измеренная частота звука, отличается от полученной в ходе расчета меньше чем на 5%, а октавный уровень звука отличается на 5.4%. Что укладывается в разумные пределы.

В среднем, вихревые машины издают шум 90 дБ(А), что является крайне нежелательным на производствах, но зная основной источник звука, можно предложить различные способы его эффективного понижения. Наиболее действенным способом снизить шум, будет предотвращение резкого расширения газа на выходе из отсекателя. Для этого можно сгладить резкость перехода газа из отсекателя в рабочий канал, к примеру, выполнив расширения на торцах отсекателя, ближе к выходу из канала, рис. 5

Рис. 5. Отсекатель с торцевым расширением.

Очевидно, что подобное расширение можно выполнить и на других сторонах отсекателя, к примеру, как на рис. 6:

Рис. 6. Отсекатель с вертикальным расширением.

Помимо предложенных вариантов, для подобного эффекта, возможно варьировать угол наклона лопаток ротора на выходе, что так же даст газу дополнительно пространство для расширения. Как показывает опыт, перечисленные выше способы снижения шума работы вихревой машины, помогают сократить общий уровень шума на 10%, что оказывает несомненный положительный эффект. Определение частотного спектра шума также важно для обеспечения безопасности и гигиены труда. Так, если низкочастотные звуки распространяются в пространстве сферически от источника их образования, то высокочастотные — в виде узконаправленного потока волн. Поэтому шум низкой частоты легче проникает через неплотные преграды и от него нельзя защититься экранированием, которое особенно эффективно при борьбе с распространением высокочастотного шума. В связи с этим, на вихревых машинах с двухсторонним ротором, или же многоступенчатых машинах, разные стороны ротора следует выполнять со сдвигом, как на рис. 7:

Рис. 7. Колесо с угловым смещением лопаточных венцов.

Такая конструкция рабочего колеса поможет избежать лишнего повышения уровня звука (из-за резонанса хлопком с разных сторон), и повысит частоту шума, создаваемого воздуходувкой.

Так как воздуходувка создает звук высоких частот, этот шум легче глушить при помощи различных звукоизолирующих материалов, что так же дает вихревой машине преимущество перед другими воздуходувками.