книги из ГПНТБ / Хорошев Г.А. Шум судовых систем вентиляции и кондиционирования воздуха

Примем, что интенсивность шума, излучаемого единицей пло­ щади плоской решетки, равна интенсивности шума, излучаемого единицей площади облопатывания рабочего колеса (на эквива­ лентном радиусе) при равных аэродинамических параметрах лопа­ ток и скорости натекания. Зная закономерность изменения шума по радиусу лопаток, можно определить интенсивность шума, из­ лучаемого единицей площади на любом радиусе рабочего колеса. В случае если эта закономерность изображается прямой линией, интенсивность шума, излучаемого единицей площади на любом радиусе колеса, будет равна

где А — коэффициент, характеризующий наклон прямой линии из­ менения интенсивности шума по радиусу колеса.

Интенсивность шума, излучаемого элементарной площадью ра­ бочего колеса, равна AJrdrdy, а интенсивность шума, излучаемого всей площадью облопатывания рабочего колеса, определится из выражения

Рассмотрим величины, входящие в формулу (102). Радиусы рабо­ чего колеса (гш гк) известны из аэродинамического расчета вен­ тилятора. Для определения / п.с можно воспользоваться аэроаку­ стическими характеристиками плоских решеток профилей, приве­ денными на рис. 42. Эти данные получены на аэроакустической установке с размерами рабочего участка / = 0,6 м; 6= 0,1 м.

В качестве исходного профиля при продувке плоских решеток профилей был принят симметричный профиль ЦАГИ.

81

Значение Jn.с для промежуточных значений параметров реше­ ток профилей может быть найдено путем интерполирования приве­ денных величин.

Значения уровней шума плоских решеток профилей (рис. 42) получены для точки, находящейся на расстоянии 1 м под углом 45° к плоскости рабочего участка. С учетом того, что характери­ стика направленности шума плоских решеток профилей та же, что и у натурного вентилятора, точка, для которой рассчитывают шум вентилятора, находится также на расстоянии 1 м от фланца всасывающего патрубка под углом 45° к плоскости всасывания. Скорость натекания потока на лопатки составляет йуі= 60 м/с. По­ этому при расчете уровня шума проектируемого вентилятора в формулу (103) необходимо ввести поправку, учитывающую ис­ тинное значение скорости набегающего потока (относительной) на периферийное сечение лопатки рабочего колеса w2.

Зависимость шума плоских решеток профилей от скорости на­

для натурных вентиляторов. С учетом сказанного выше формула

1 — гк

где Ln. с, LK.с — уровень шума, излучаемого плоской решеткой про­ филей, эквивалентной периферийному и корневому сечениям лопаток рабочего колеса;

различным сечениям рабочих лопаток осевых вентиляторов и ком­ прессоров, показали, что их уровень воздушного шума уменьша­ ется практически на одинаковую величину при переходе от пери­ ферийных сечений к корневым по линейному закону. Например, при изменении относительного радиуса с 1 до 0,75 шум плоских решеток, эквивалентных облопатыванию на этих радиусах, изме­ няется примерно на 3—4 дБ у всех вентиляторов и компрессоров. Постоянная закономерность изменения шума по радиусу лопаток позволяет определять коэффициент А при наличии только одной величины — уровня шума плоской решетки, соответствующего, на­

пример, периферийному сечению Ln. с. Тогда, зная гк, можно опре­ делить LK.о и по формуле (105) рассчитать коэффициент А. Значе­ ние Ln. с определяется из приведенных аэроакустических характе­ ристик плоских решеток профилей.

83

§ 22. Искусственная турбулизация потока

впроточных каналах вентиляторов

В§ 16 было показано, что акустическая мощность, излучаемая решеткой профилей вентилятора, может быть выражена следую­ щей зависимостью:

где и — скорость натекания потока на решетку; г — некоторый осредненный радиус вихрей, сходящих с задней

кромки лопатки (или срывающихся с профиля при от­ рывном обтекании);

е — интенсивность этих вихрей (степень турбулентности);

f— характерная частота этих вихрей;

В— коэффициент пропорциональности.

Сетка наклонная

Рис. 43. Схема установки сетчатого турбулизатора на профиле.

1—2—3—4 — элемент пограничного слоя.

Из выражения (106) видно, что для уменьшения акустической мощности, возникающей вследствие вихреобразования в проточ­ ной части вентилятора, необходимо снижать скорость натекания потока; уменьшать параметры турбулентности; воздействовать на величины, входящие в коэффициент В, которые наряду с другими причинами зависят и от параметров решетки профилей.

Для уменьшения звуковой мощности, излучаемой решеткой профилей путем воздействия на параметры турбулентности, ав­ торы предложили использовать турбулизирующие элементы, уста­ навливаемые в решетке профилей [47, 55, 70]. В качестве турбулизаторов используются обыкновенные металлические сетки. В слу­ чае отрывного обтекания лопатки воздействие сетки на аэроаку-

происходит турбулизация определенного объема воздуха, примы­ кающего к поверхности лопатки. При этом наблюдается перенос

84

некоторой части энергии из основного потока межлопаточного ка­ нала в область турбулентного пограничного слоя. В результате этого профиль пограничного слоя изменяется, его эпюра стано­ вится более полной, что приводит к повышению устойчивости по­ граничного слоя. Вследствие увеличения кинетической энергии пограничного слоя происходит смещение точки отрыва вниз по потоку.

Отмеченное выше подтверждается также анализом уравнения пограничного слоя, полученного с учетом влияния турбулизации потока:

(107)

Уравнение (107) отличается от обычного уравнения, получен­ ного Л. С. Лейбензоном [37], наличием величины е в левой части, которая характеризует кинетическую энергию пограничного слоя. Гак как е (степень турбулентности потока за сеткой) меньше еди­ ницы, то, следовательно, левая часть уравнения увеличивается, т. е. возрастает кинетическая энергия пограничного слоя.

2.Установка сеток в районе входных кромок лопаток приводит

ктакому перераспределению эпюры давления на всасывающей по­ верхности лопаток, что градиент давления вблизи максимального разрежения становится меньше. Это также способствует более благоприятному обтеканию лопаток.

Изменение эпюры давления по лопатке сказывается в основ­ ном только на всасывающей поверхности, на нагнетательной по­ верхности — практически очень мало.

3.Положительное воздействие сетки на аэроакустические ха­

рактеристики решетки профилей (лопаток) проявляется еще и в том, что вихри, образующиеся при обтекании сетки, разбивают большой срывной вихрь на несколько отдельных мелких вихрей, масштаб которых будет определяться параметрами сетки. При этом может возрасти характерная частота турбулентности и, каза­ лось бы, в соответствии с формулой (41) должна увеличиться зву­ ковая мощность, излучаемая решеткой профилей с сетчатыми турбулизаторами. Но поскольку звуковая мощность зависит от ха­ рактерной частоты вихрей — в квадрате, а от их размера — в четвертой степени, то наблюдается общее снижение звуковой мощности, излучаемой решеткой профилей. Шум решетки лопаток будет снижаться еще и потому, что интенсивность вихрей, срываю­ щихся с лопатки при наличии сетки, будет меньше по сравнению с интенсивностью вихрей у решетки без сетки. Но установка сетки приводит к увеличению вихревой энергии решетки лопаток в це­ лом, т. е. к уменьшению давления, создаваемого решеткой (вен­

85

тилятором), что в свою очередь требует увеличения скорости на­ текания потока на решетку для получения заданного давления. Повышение же скорости натекания, естественно, приводит к воз­ растанию шума. Однако вследствие незначительного уменьшения давления при установке сеток и, следовательно, незначительного увеличения скорости, в итоге наблюдается все же снижение шума вентиляторов. Кроме того, дополнительная вихревая энергия от сеток генерирует вихревой шум в области высоких и ультразвуко­ вых частот, так как его диапазон определяется частотой образо­ вания вихрей при обтекании сетки (более 5—10 кГц). В этой об­ ласти спектра шума имеются достаточно эффективные методы его уменьшения с помощью чисто акустических средств: звукоизоли­ рующих и звукопоглощающих конструкций, глушителей шума и др.

При использовании сетчатых турбулизаторов для улучшения аэроакустических характеристик решеток профилей, обтекаемых без отрыва потока, наблюдается несколько иная картина. В этом случае воздействие сеток определяется тремя факторами:

1.Перераспределением давления на поверхности лопатки, ко­ торое в отличие от отрывного обтекания приводит в общем случае

кухудшению условий обтекания профиля в решетке.

2.Дроблением вихрей турбулентного пограничного слоя на бо­ лее мелкие. Это наблюдается только в том случае, если размер вихрей, образующихся при обтекании сетки, меньше размера вих­ рей турбулентного пограничного слоя, сходящих с задней кромки лопатки. Так как масштаб турбулентности в пограничном слое при безотрывном .обтекании достаточно мал, то наблюдаемое сниже­ ние воздушного шума при этом незначительно.

3.Увеличением сопротивления решетки профилей, что приво­ дит к общему уменьшению коэффициента подъемной силы про­ филя.

Из сказанного выше следует, что использование сетчатых тур­ булизаторов для уменьшения воздушного шума вентиляторов, ло­ патки которых обтекаются без отрыва, нецелесообразно. Примени­ тельно к судовым вентиляторам можно с уверенностью утвер­ ждать, что безотрывное обтекание лопаток имеется в осевых вен­

лятора. В большинстве центробежных судовых вентиляторов се­ рии ЦС наблюдается отрывное обтекание лопаточного аппарата, поэтому в них целесообразно применять сетчатые турбулизаторы.

В общем случае аэроакустический эффект турбулизаторов за­ висит от следующих факторов:

—условий обтекания решетки профилей, которые в свою оче­ редь зависят от типа профиля, его кривизны, угла атаки, густоты решетки и т. д.;

—параметров и размеров сетчатых турбулизаторов: диаметра

проволочки, коэффициента живого сечения сетки, размера сетки по шагу решетки;

— места установки сетки по хорде лопатки и шагу решетки.

86

Условия обтекания профиля в решетке, которые, как было упо­ мянуто выше, зависят от множества факторов, могут быть оха­ рактеризованы одним параметром — эпюрой распределения скоро­ сти (давления) по профилю. Очевидно, что если на всасывающей стороне профиля имеется большой пик местной скорости, который затем резко уменьшается (т. е. имеет место большой положитель­ ный градиент скорости), то можно с большой достоверностью пред­ положить о возможности отрыва потока при обтекании этого про­ филя. При этих условиях установка сетчатых турбулизаторов при­ водит к снижению уровня воздушного шума вентилятора.

При выборе места установки сетчатых турбулизаторов по шагу лопаток необходимо иметь в виду, что наихудшие условия обтека­ ния наблюдаются на всасывающей стороне лопатки. Задача сет­ чатых турбулизаторов сводится как раз к тому, чтобы турбулизировать пограничный слой на всасывающей поверхности лопатки. Следовательно, сетчатые турбулизаторы должны вплотную примы­ кать к всасывающей поверхности лопатки.

При выборе места установки сетчатых турбулизаторов по хорде лопаток необходимо знать, как влияет положение сетки на изме­ нение шума решетки профилей, коэффициент подъемной силы сѵ и коэффициент сопротивления профиля сх. С учетом характера об­ текания профиля в потоке воздуха следует ожидать, что макси­ мальные потери будут иметь место при установке сетки в районе входных кромок лопаток. Это связано с тем, что потери пропор­ циональны, при прочих равных условиях, квадрату скорости обте­ кания сетки, т. е. Аh ~ v 2. Но так как максимальная местная ско­ рость на профиле наблюдается в районе входной кромки, то, сле­ довательно, и максимальные потери, вызванные обтеканием сетки, будут в том случае, когда она находится в районе входных кро­ мок. По мере смещения места установки вниз по потоку величина потерь будет уменьшаться и по достижении некоторого значения хорды может наступить момент, когда Ah= 0 и, следовательно, ко­ эффициент сопротивления решетки с сеткой будет равен коэффи­ циенту сопротивления решетки без сетки.

Влияние турбулизирующих сеток на смещение координаты точки отрыва потока и, следовательно, на угол поворота потока и коэффициент подъемной силы сѵ, будет наибольшим в том случае, когда сетка находится перед точкой отрыва потока. Тогда энергия из основного потока межлопаточного канала будет добавляться в пограничный слой непосредственно перед точкой отрыва потока.

Изменение потерь в решетке и угла поворота потока обуслов­ ливают и изменение су профиля при наличии сетчатых турбулиза­ торов. Как показали исследования, проведенные на плоских решет­ ках профилей, оптимальное место установки сетчатых турбулиза­ торов находится на расстоянии, примерно равном 10—15 мм от точки отрыва вверх по потоку.

Для уменьшения шума решеток профилей целесообразно также устанавливать сетчатые турбулизаторы на расстоянии 10—15 мм вверх по потоку от расчетной точки отрыва потока с лопатки.

87

Установка сетки ниже точки отрыва потока приводит к уменьше­ нию акустической эффективности турбулизаторов в связи с тем, что вихри, зарождающиеся при обтекании сетки, не могут воздей-

Г"--- 1 '

ствовать на основной срывной вихрь. Установка сетки вверх по потоку от оптимального положения также сопровождается не­ которым ухудшением акустической эффективности турбулизато-

Рис. 45. Спектрограмма шума вентилятора 45ЦС-24.

2,5Х2,5Х0,6; —А—на входе сетка 5,4X5,4ХІ,2, /=80 мм; на выходе сетка

2,5X2,5X0,6 (Q=4520 м3/ч, Я = 244 кгс/м2, т) =0,57).

ров. В этом случае ухудшение эффективности наблюдается глав­ ным образом из-за того, что появляется интенсивный шум, вызван­ ный обтеканием самой сетки, который пропорционален ѵв (рис. 44).

88

В центробежных вентиляторах установка турбулизаторов в глу­ бине межлопаточных каналов связана с большими технологиче­ скими трудностями. Поэтому в натурных вентиляторах целесооб­ разно устанавливать сетчатые турбулизаторы непосредственно на входные кромки лопаток. Правда, при этом наблюдается ухудше­ ние энергетических параметров вентиляторов (Я, т]), но правиль­ ным подбором параметров сеток можно добиться незначительного ухудшения этих параметров, а в ряде случаев и сохранения их постоянными (рис. 45).

Параметры сетчатых турбулизаторов существенным образом влияют на аэроакустические характеристики решеток профилей. При выборе этих параметров в процессе проектирования вентиля­ торов необходимо кроме геометрических размеров решетки лопа­ ток знать условия обтекания лопатки, т. е. распределение скоро­ сти по поверхности лопатки, а точнее — значение максимальной местной скорости на всасывающей стороне лопатки ѵш. Зная эту величину, изменение угла поворота потока в решетке при наличии турбулизаторов можно определить по следующей зависимости:

е— степень турбулентности потока за сетчатым турбулизатором на расстоянии одного калибра;

s — коэффициент живого сечения сетки. В свою очередь

4 Й = 6 lg (lO O -f-)-16,7 (s - e ) + 4,2;

Как отмечалось выше, при использовании сетчатых турбулиза­ торов появляются дополнительные потери, вызванные обтеканием сеток. Величину этих потерь можно подсчитать по формуле

где p — плотность воздуха;

6 — диаметр проволочки сетки; tc — шаг проволочек в сетке;

ѵс — скорость потока перед сетчатым турбулизатором.

89

Используя выражения (108) и (109), изменение коэффициен­ тов сх и су при установке сеток определим по следующим зависи­ мостям:

Ас.,

Ас„

где с'х и с'у — коэффициенты сопротивления и подъемной силы в

решетке профилей без сетчатых турбулизаторов; с", с"— коэффициенты сопротивления и подъемной силы в

решетке с сетчатыми турбулизаторами. Коэффициенты Су и сх можно подсчитать по зависимостям

ЦКТИ:

р^і

ДАр^

A h " =

Vi — скорость натекания потока на решетку;

ѵс — скорость потока в месте установки сетчатых тур­ булизаторов.

Наибольший акустический эффект сетчатых турбулизаторов до­ стигается, если их оптимальные параметры определять из выра­

жения

1,1

— —0,5- - 0,022( —

Ѵг

Оптимальное значение коэффициента живого сечения сетки ле­ жит в довольно узких пределах (sOirr = 0,5-r-0,6) практически для

90