Глушники аеродинамічного шуму

1. Вступ

Однією із важливих проблем екологічної безпеки міст є зниження рівня шумового забруднення довкілля. Дія шуму на людський організм дуже різноманітна і до кінця ще не вивчена. Шум діє негативно на центральну і вегетативну нервові системи викликаючи ряд змін вже при рівні 4 0–50 д Б [1]. Крім цього шум вражає серцево-судинну та імунну системи, підсилює або ви- кликає ряд захворювань (гіпертонію, діабет, виразкову хворобу шлунку і т.д.), підсилює шкідливу дію тран- спортних газів у 2,5–3 рази, скорочує людське життя на 8–12 років [2–4]. Шум навколишнього середовища може перешкоджати мовному зв’язку, відпочинку, ви- кликати пошкодження слуху, зменшувати вартість нерухомого майна [5]. Якщо рівень шуму постійно перевищує 85 дБ, то люди втрачають слух з 30 років, в той час як звичайно це відбувається після 70 років [6]. Шум є сильним стресором, що знижує імунний статус організму людини [7]. Основним джерелом шуму в містах є транспорт, кількість якого постійно зростає і внесок якого в шу- мове забруднення міст складає 75-80% [1, 2]. П ідпри- ємства також створюють значне шумове забруднення. В першу чергу це стосується підприємств, які в момент створення знаходились за межами міст і внаслідок росту міст опинилися в оточенні житлових кварталів. В цих випадках житлова забудова відбувалася без вра- хування необхідності створення санітарно-захисної зони. Шум обладнання таких підприємств наклада- ється на шум від автодоріг, що створює значний рівень екологічної небезпеки. Наприклад, в м. Кременчук підприємства займають площу 2368 га, з них 2000 га – безпосередньо в межах міста. Практично всі підпри- ємства, незалежно від профілю, мають осьові і відцен- трові вентилятори, які створюють рівень шуму 80-90 дБ. Цей рівень дуже високий, враховуючи те, що вночі в житлових кімнатах по санітарним нормам рівень шуму не повинен перевищувати 30 дБ [8]. Розрахунки зниження шуму точкового джерела, наприклад, з 85 до 30 дБ показують, що для цього потрібна санітарно- захисна зона шириною більше 500 м. В тому випадку, коли житловий будинок і вентилятор розділяє лише вулиця шириною 40 м для забезпечення санітарних нормативів необхідно встановлення глушника ефек- тивністю 25 дБ.

2. Аналіз попередніх досліджень і публікацій

Проблемі зниження шуму осьових і відцентрових вентиляторів присвячено досить багато робіт [9, 10]. Шум відцентрових вентиляторів складається з механічної і аеродинамічної складових, із яких пріоритетною є аеродинамічна складова, що в значній мірі залежить від лінійної швидкості лопаток венти- лятора. Звичайно рекомендують підтримувати цю швидкість на рівні 15-20 м/с. Для зниження шуму відцентрових вентиляторів застосовують камерні, пластинчаті, резонансні глуш- ники [9] (рис. 1).

Рис. 1. Схеми конструкцій глушників вентиляторів: а, б – камерні глушники, в – лабіринт ний глушник, г – резо- нансний глушник, д – екранний глушник

Недоліком вказаних глушників є їх великі розміри, маса та аеродинамічний опір, пропускання прямого звуку, недостатня ефективність.

3. Мета роботи

Розробити конструкції нових високоефектив- них глушників аеродинамічного шуму відцентрових вентиляторів та дослідити їх характеристики.

4. Виклад основного матеріалу

Сучасні відцентрові вентилятори по створюваній ними різниці повних тисків діляться на вентилятори низького (до 100 кг/м2), середнього (до 300 кг/м2) та високого (до 1500 кг/м2) тисків. Глушники повинні відповідати таким вимогам: а) зменшувати рівень шуму відцентрового вентиля- тора на 15-25 дБ; б) не створювати значний аеродинамічний опір; в) бути малогабаритними, щоб не створювати знач- не вітрове навантаження. Остання вимога ставиться тому, що вентилятори дуже часто встановлюють на покрівлі цеху. Всі конструкції глушників ділять на три класи, а саме: активного, реактивного і комбінованого типів. В глушниках активного типу повітряний струмінь про- пускають через пористий матеріал, в якому за рахунок тертя зменшується енергія струменя. В глушниках реактивного типу глушіння шуму відбувається, напри- клад, за рахунок резонансних явищ. Аналіз роботи існуючих глушників шуму відцентрових вентиляторів, а також використаних в них принципів зниження рівня шуму вказує на те, що високоефективним може бути глушник комбінованого типу, в якому використано кілька різних способів зни- ження шуму. Кожний спосіб зниження шуму має свої переваги і недоліки. Глушники активного типу та екранні ефективні на середніх і високих частотах, реактивні – на зада- них конструкцією частотах, комбіновані глушники ефективні в широкому діапазоні частот. Покриття внутрішньої поверхні газоходу звукопо- глинаючим матеріалом також сприяє зниженню рівня шуму газового струменя. Так, наприклад, проходжен- ня газового струменя через трубу, покриту зсередини волокнистим матеріалом знижує рівень шуму на 5-6 дБ [9]. Добрі результати дає футерований поворот труби на кут 90° [10]. Зниження рівня шуму газового струменя можна досягти шляхом зменшення його швидкості. На рис. 2 показана залежність рівня шуму струменя від його швидкості [9].

Рис. 2. Залежність рівня шуму від швидкості повітряного потоку

Номер відцентрового вентилятора дорівнює діаметру ротора в дециметрах. Шум великих вентиляторів, що мають номери більше десяти, часто зменшують шляхом пропускан- ня повітря через засипку із гравію товщиною 1–3 м. Нами була досліджена можливість зниження шуму повітряного потоку шляхом пропускання через шар дрібнодисперсних частинок інертного матеріалу (граніту) діаметром 5–10 мм. В наших дослідах пропу- скання стисненого до 5 атм повітря (швидкість близько 300 м/с) через шар частинок висотою 15 см знижує рівень шуму струменя на 20–22 дБ, а пропускання повітря зі швидкістю 24 м/с через шар частинок висо- тою 6 см і діаметром 5–10 мм знижує рівень шуму на 4–5 дБ. В глушнику аеродинамічного шуму комбінованого типу, розробленого нами, використано кілька способів зниження шуму, а саме: а) зменшення швидкості газового потоку; б) покриття внутрішньої поверхні глушника звуко- поглинаючим матеріалом; в) поворот напрямку руху газового потоку; г) пропускання повітря через шар дрібнодисперсного матеріалу. На рис. 3 зображено дві розроблені нами конструкції глушників, захищені патентами України № 32977 і № 42432.

Рис. 3. Глушники аеродинамічного шуму відцентрових вентиляторів 1 – корпус глушника; 2 – технічна повсть; 3 – дифузор; 4 – вихід вентилятора; 5 – сітка; 6 – дрібний інертний заповнювач.

Із рис. 3 видно, що газовий потік від відцентрового вентилятора поступає в глушник, який має форму перевернутого стакану, футерованого звукопогли- наючим матеріалом, наприклад, технічною повстю. Швидкість газового потоку зменшується. Після відбиття від верхньої частини глушника напрям руху газового потоку змінюється на протилежний. Глуш- ник виготовлений із дерева товщиною 30 мм, в якому не створюються згині коливання. Дерево має добрі шумоізолюючі властивості і, якщо просочити його певними рідинами, не горить і не руйнується при дії вологи. У випадку роботи з потоком газу підвищеної температури потрібно застосування металу. Ефективність глушіння аеродинамічного шуму глушником першого типу (рис. 3,а) дорівнює 15-17 дБ. Вона може бути збільшена на 3 дБ, якщо на виході газу із глушника розмістити перфоровану пластину. На рис. 3,б показана інша конструкція глушника. В ній на виході із глушника розміщена сітка із шаром інертного дрібнодисперсного матеріалу діаметром 5-10 мм. Таким чином шумове поле повністю ізолюється в об’ємі глушника. Повітря проходить через шар части- нок, його енергія зменшується внаслідок тертя, а на виході спостерігаються дрібні струмені. Шар частинок дорівнює 6 см. Ефективність такого глушника зростає до 23-25 дБ і може бути ще збільшена при використанні дерева більшої товщини (40 мм) та засипки частинок більше 10 см. Якщо дно глушника виконати плоским, то в ньому можуть виникати ударні хвилі, частина енергії яких йде на нагрів стінок глушника. Це так званий «ефект Шпренгера». Він був відкритий в Європі випадково при аналізі причин нагріву певних пристроїв до 1000°С при гальмуванні в них швидкісного потоку газу. Для змен- шення енергії ударних хвиль стінки глушника скошені, а всередині закріплена чотирьохгранна піраміда. Глушники аеродинамічного шуму даної конструкції пройшли випробування на протязі чотирьох років при глушінні шуму відцентрових вентиляторів № 2, 5, 6 ЗАТ «Кременчуцька кондитерська фабрика» (ЗАТ «ККФ») і показали добрі результати.

5. Висновки

Проведено аналіз способів зниження аеродинамічного шуму відцентрових вентиляторів і на його основі розроблено нові високоефективні конструкції глушників комбінованого типу, захищені двома патентами України. Глушники (в кількості п’яти штук) добре зарекомендували себе на протязі чоти- рьох років в ЗАТ «ККФ».