Заяц Богдан Степанович - Институт проблем транспорта

На правах рукописи
УДК 622.691.4.052.012-758.34
Заяц Богдан Степанович
СНИЖЕНИЕ ШУМА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ
КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ
МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ
Cпециальность 05.26.03 − Пожарная и промышленная безопасность
(нефтегазовый комплекс)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Самара 2008
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении
высшего профессионального образования «Самарский государственный
технический университет»
Научный руководитель
 кандидат технических наук
Яговкин Николай Германович
Официальные оппоненты:
 доктор технических наук, профессор
Нугаев Раис Янфурович
 кандидат технических наук
Шакиров Фарид Мигдэтович
 ОАО «ГазНИИпроект», г. Самара
Ведущее предприятие
Защита диссертации состоится « 19 » декабря 2008 г. 1400 на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП
«ИПТЭР») по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР».
Автореферат разослан «
» _____________ 2008 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат технических наук
Л.П. Худякова
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Магистральные газопроводы относятся к опасным производственным объектам. Часть оборудования, например газоперекачивающие агрегаты (ГПА), являются не только источником потенциальной опасности, но и источником образования вредности. Следствием их
работы является высокий уровень шума (90…130 дБА) аэродинамического
и механического характера, создаваемый истечением рабочей среды в газовоздушных трактах всасывания и выхлопа, которые, с точки зрения акустики, представляют собой своеобразные волноводы, способные практически беспрепятственно транспортировать акустическую энергию.
Теоретическими и экспериментальными исследованиями по снижению шума газотурбинных установок (ГТУ) занимались многие ученые:
Занченко В.И., Леонтьев В.А., Кравчун П.А., Терехов А.Л., Юдин Е.А.,
Григорян Ф.И., Бэтчерлор Д., Рейнольдс А.Жд. и др. Разработанные ими
теоретические положения, методики, способы и устройства позволяют
снижать шум, возникающий при работе различных ГТУ.
Однако применительно к ГПА эти разработки не обеспечивают необходимую эффективность, так как ввиду многообразия конструкций
агрегатов невозможно учесть всю совокупность влияющих на шумообразование факторов, таких как различия в геометрии каналов, нелинейность акустического взаимодействия и ряд других. Поэтому при создании и модернизации систем шумоглушения требуется проводить экспериментальные исследования, которые вследствие больших габаритов
ГПА сложны, дорогостоящи и продолжительны по времени.
Цель работы  повышение эффективности процедуры разработки и
создания систем шумоглушения ГПА.
Основные задачи исследования:

проведение анализа процессов шумообразования в ГПА, извест3
ных способов снижения шума, технических решений по их реализации и
методик проектирования;

создание по результатам анализа теоретической и на ее основе
расчетной базы, позволяющей решать поставленную задачу;

проведение экспериментальных исследований процесса шумо-
глушения;

выполнение сравнительного анализа теоретических и экспери-
ментальных разработок для использования полученных результатов при
проектировании устройств шумоглушения.
Методы решения поставленных задач базировались на теориях звука, газовой динамики, гидродинамики, возбуждения звука турбулентностью, разностных систем, методах численного и волнового моделирования,
решения жестких систем, линейной алгебры, сопряженных градиентов, конечно-разностного решения дифференциальных уравнений.
Научная новизна заключается в разработанных моделях:

шумообразования, которая позволяет на основе уравнения Блох-
винцева-Хоу, с учетом общей теории турбулентности, оценивать уровень
генерируемого и излучаемого с газовоздушным потоком шума из тракта
турбомашины;

акустического поля, позволяющего оценивать уровень изменения
звукового давления в трактах турбомашины с учетом установленной системы шумоглушения;

для расчета коэффициента звукопоглощения материалов, исполь-
зуемых для шумоглушения при применении шумопоглощающих пластин
как с жесткой центральной основой, так и звукопроницаемых;

для расчета распределения звука в системах шумоглушения газо-
воздушных трактов турбомашин с использованием дифференциальных
уравнений, для решения которых используется конечно-разностный метод,
позволяющий упростить расчеты и повысить их точность.
4
На защиту выносятся:

модель шумообразования в газовоздушных трактах ГПА;

модель акустического поля, возникающего в газовоздушных трак-
тах ГПА;

расчетная модель для определения коэффициента звукопоглоще-
ния материалов, используемых в газовоздушных трактах ГПА;

расчетная модель для определения акустических характеристик
газовоздушных трактов ГПА.
Практическая ценность работы. Результаты позволяют проектировать системы шумоглушения ГПА с необходимой точностью и без экспериментальных исследований, что дает возможность повысить эффективность проектирования вследствие экономии средств и времени.
Реализация работы. Результаты работы внедрены в практику шумоглушения
ГПУ
на
компрессорной
станции
Тольяттинской
ЛПУ
ООО «Газпром трансгаз Самара» и использованы на предприятиях системы ООО «Газпром трансгаз Саратов», что позволило снизить шум в разных точках до санитарных норм.
Апробация работы. Основные результаты докладывались на научнопрактических конференциях кафедры «Безопасность жизнедеятельности»
Самарского государственного технического университета в 2005-2007 гг.,
научно-техническом совете ООО «Самаратрансгаз» в 2005 г., Областном
совещании по охране труда в Самаре в 2007 г., VIII Международной научной конференции «Состояние биосферы и здоровья людей» в Пензе
2008 г., X Юбилейной международной научно-практической конференции
«Техносферная безопасность, надежность, качество, энерго- и ресурсосбережение» в Туапсе 2008 г., XIII Международной конференции «Окружающая среда для нас и будущих поколений» в Самаре 2008 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 9 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех
глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 114
5
наименований, и 4 приложений. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 4 таблицы.
Автор выражает благодарность Терехову А.Л. за помощь при выполнении работы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и
задачи исследований, показаны научная новизна и практическая ценность.
В первой главе рассмотрены природа возникновения аэродинамического шума, его источники, способы, средства и устройства шумоглушения ГПА и методы акустического расчета ГТУ.
Источники шума ГПА по физической природе делятся на аэродинамические и механические.
Аэродинамические шумы порождаются неоднородностью потоков
воздуха и вихреобразованием на всасывании в компрессор; пульсациями
давления в камере сгорания; скоростью и давлением отработанных газов
на выхлопе турбины; колебаниями давления и неоднородностью потока во
всасывающем и выхлопном трактах нагнетателя.
Механические шумы возникают в результате динамических взаимодействий металлических частей агрегата, вызванных дисбалансами роторов и отклонениями геометрических размеров подшипниковых узлов.
Всасывание компрессора и выхлоп турбины ГТУ являются источниками аэродинамического шума поверхности корпусов ГТУ и нагнетателя
трубопроводов; излучают структурный шум, порождаемый как газодинамическими, так и механическими воздействиями.
Газоперекачивающий агрегат имеет четыре основных (первичных) источника шума: газотурбинный двигатель (ГТД), компрессор, нагнетатель и
вентиляторы. Остальные источники  стенки отсеков двигателя, компрессора и нагнетателя, трубопроводная обвязка, всасывающий и выхлопной тракты, запорная и регулирующая аппаратура и т.д.  являются вторичными.
6
Основными источниками шума являются тракты всасывания и выхлопа ГТУ. Элементы конструкции ГТУ с точки зрения акустики представляют собой волноводы, способные практически беспрепятственно транспортировать шумовую энергию из зоны ее генерации в окружающую среду.
Шум, излучаемый газовоздушными трактами всасывания и выхлопа, является главным источником шумового воздействия ГПА на прилегающие
территории.
Эффективность существующих глушителей систем шумоглушения
недостаточна, что обусловлено:
 несоответствием характера спектров поглощения и излучения;
 наличием акустических мостиков (минуя глушитель) для распространения звука;
 недостаточной площадью звукопоглощающей поверхности;
 дефектами конструкции (монтажными зазорами, неоправданно
большим живым сечением);
 недолговечностью используемого звукопоглощающего материала
(поролона).
Проектные
решения
и
разработки
современных
агрегатов
ГПА-Ц-16 «Нева»; ГПА-16 «Волга», ГПА-12 «Урал» и др. заключаются в
увеличении габаритов блоков шумоглушения, использовании многосекционных глушителей, применении новых звукопоглощающих материалов.
Глушение шума ГТУ осуществляется четырьмя основными способами. Первый из них  диссипативное шумоглушение в трактах всасывания
и выхлопа.
Эффективное звукопоглощение имеет место при наличии условий для
проникновения колебаний в толщу звукопоглощающего слоя. С этой целью используют многослойные звукопоглощающие пластины с воздушным подслоем.
В качестве одного из средств снижения шума этим способом используются поглотители резонансного типа, простейшим из которых является
7
ограниченная воздушная полость, соединенная отверстием (горлом) с
окружающей средой.
Используются также мембранные поглотители, представляющие собой комбинацию резонаторов упругих и Гельмгольца. Их достоинством
является отсутствие непосредственного контакта звукопоглощающих элементов с рабочей средой, что обеспечивает стабильность работы вне зависимости от загрязнения поверхности и не допускает выдувания звукопоглощающих материалов (ЗПМ) в рабочий канал с потоком.
Абсорбционное глушение звука в каналах связано с поглощением
энергии звуковых волн вихревой компонентой поля течения, что приводит
к значительному ослаблению звука при условии, что существует среднее
течение, сносящее завихренность от стенки.
Второй способ основан на использовании реактивных глушителей.
Принцип их действия заключается в «запирании» распространяющихся мод звуковых колебаний и отражении их по каналу обратно к источнику
шума. Наиболее широко он реализуются при разработке многомодовых
звукоизоляторов в виде расширительных камер, представляющих собой
участки каналов с увеличенным поперечным сечением, размеры которых
сравнимы с длиной волны.
Третий способ  активное шумоглушение в каналах.
Физический механизм снижения шума при использовании активных
методов заключается, как и в случае применения обычных звукоизолирующих систем, в сложении (интерференции) колебаний с различными фазами, однако вторичное (компенсирующее) поле при этом создается не
пассивным путем (например путем отражения), а излучается специальными электроакустическими преобразователями.
При использовании активных систем, как и во всех пассивных интерференционных системах, помимо ослабления шума в определенной области пространства наблюдается эффект их усиления, который выражен
сильнее, чем у пассивных, что приводит к нежелательным последствиям.
8
Четвертый способ является комбинированным.
Использование различных способов шумоглушения в чистом виде
оказывается зачастую нерациональным, поэтому на практике применяют
шумоглушение комбинированного типа с использованием звукопоглотителей и звукоотражающих элементов. Введение элементов поглощения звуковой энергии в реактивные глушители улучшает их показатели, т.к.
ослабляется эффект отражения звука от устройств реактивного типа и
снижаются уровни звуковых давлений в зонах формирования нераспространяющихся мод колебаний. Звукопоглощающие элементы обеспечивают диссипативный отвод (сток) акустической энергии, переводя её в тепловую. В тех случаях, когда диссипация звука в естественных поглотителях (рабочей среде, стенках канала и т.п.) невелика, в реактивные глушители вводятся поглощающие элементы.
Выполнен анализ существующих методик расчета шумоглушения
авиационных компрессоров; звукового поля в структурах сложной геометрии; звуковых полей в движущихся средах; акустических волн в каналах с
завихренными потоками, прямолинейных каналах с жесткими стенками и
квадратичным профилем и с вихревым потоком, звукопоглощением на
границах канала; проведен синтез методик расчета неоднородных шумоглушителей. Показана невозможность их использования в чистом виде для
расчета шумоглушения в ГПА.
Выводы по главе 1
1.
Наиболее интенсивными источниками возникновения аэродина-
мического шума газоперекачивающих агрегатов являются тракты всасывания и выхлопа, которые представляют собой волноводы, способные практически беспрепятственно транспортировать шумовую энергию из зоны ее
генерации в окружающую среду.
2.
Способы и устройства глушения шума газоперекачивающих агре-
гатов основываются на использовании глушителей различных типов, диссипативном шумоглушении в трактах всасывания и выхлопа, активном
9
шумоглушении в каналах и других. Наиболее эффективным является комбинированная система шумоглушения, заключающаяся в повышении эффективности глушителей и использовании элементов звукопоглощения и
звукоизоляции, размещенных в газовоздушных трактах.
3.
Для каждого типа газоперекачивающего агрегата система шумо-
глушения выбирается расчетным путем. Единой методики расчета не существует, т.к. разрабатывались они на основании экспериментальных данных применительно к конкретному виду оборудования.
4.
Разработка эффективных способов и устройств шумоглушения
требует создания соответствующей методики. С этой целью необходимо
провести теоретический анализ процессов шумообразования в газовоздушных трактах ГТУ, провести моделирование акустического поля и разработать методики расчета коэффициента звукопоглощения для выбора
акустических характеристик используемого материала в газовоздушных
трактах.
Во второй главе исследованы процессы шумообразования и звукопоглощения при истечении газообразной рабочей среды в газовоздушных
трактах всасывания и выхлопа газотурбинных установок.
Модель, описывающая пространственно-временные свойства акустической компоненты поля движения газообразной рабочей среды, разработана Блохвинцевым-Хоу. В связи с тем, что с точки зрения акустики тракт
является не только волноводом, но и среда является источником шумообразования, эта модель при ограничениях (относительной протяженности
газовоздушного тракта S/d и среднерасходной скорости Vср) преобразована
в зависимость для определения генерируемого и излучаемого из газовоздушного тракта уровня шума Lвых
Lвых =10 lg
 (0,2Vср ) 4
S
(дБ),
 20 lg
0,2d
Po C 2
где С – скорость звука в рабочей среде;
P0 – пороговое звуковое давление, P0 = 2∙10-5 Па;
10
S – длина тракта;
d – поперечное сечение.
Шум, возникающий в тракте протяженностью S/d=10, заполненном потоком газообразной рабочей среды плотностью  = 1 кг/м3 и скоростью звука
С = 340 м/с, оценивается уровнями 10 м/с–10 дБ, 25 м/с–42 дБ, 50 м/с–66 дБ,
100 м/с – 90 дБ, 200 м/с – 114 дБ, то есть при скоростях Vср ≤ 20…30 м/с поток субъективно оценивается как практически бесшумный.
Таким образом, существуют два пути предотвращения аэроакустических автоколебаний и соответствующих резонансных эффектов в газовоздушных трактах. Первый обеспечивается безотрывностью течения рабочей
среды в канале, поскольку при этом устраняется возможность возникновения мощных крупномасштабных когерентных структур. Второй основан
на размыкании акустической обратной связи путем введения в тракт жестких продольных перегородок, препятствующих формированию интенсивных поперечных звуковых колебаний.
Модель для расчета акустических процессов основана на уравнениях
Гельмгольца для потенциалов звуковой скорости в рабочей среде и звукопоглощающем материале с последующим сращиванием решений этих
уравнений на основании условий непрерывности звуковых давлений и
нормальных составляющих звуковой скорости на границе сред. Поглотитель рассматривается как гомогенная изотропная среда, волновые процессы
в которой могут характеризоваться одними и теми же параметрами (плотностью, давлением, скоростью звука и т.д.) как в газе, так и в жидкости.
На основе теории гидродинамики уравнение неразрывности имеет вид

d
  divV .
dt
Путем преобразований получено базовое уравнение для расчета акустических взаимодействий
 1   k2
 P1  
P1  0 .


o
 o

11
Решение его обеспечивается при условии непрерывности звуковых
давлений и звуковых скоростей при любых (в том числе и разрывных) пространственных распределениях плотности и скорости звука среды.
С учетом предположения, что структура (модовый состав) акустического поля по длине щелевого канала остается неизменной, потоки акустической энергии через поперечные сечения канала пропорциональны во
всей рассматриваемой области среднеквадратичным значениям пульсаций
пристенного звукового давления P 2 (принцип автомодельности); уравнение баланса звуковой энергии в канале в рамках предлагаемой автомодельности и схемы может быть записано следующим образом:
Sd P 2 = P 2 α э ф dFст ,
где d P 2 – изменение среднеквадратичных звуковых давлений P 2 на элементарном отрезке dx по оси канала;
S (x) – площадь поперечного сечения канала;
d Fст – площадь поглощающих стенок канала на протяжении от сечения х до сечения х+dх;
 э ф x,   – эффективный коэффициент звукопоглощения стенок, чис-
ленно равный отнесенному к
p2
потоку звуковой энергии через единицу
c
площади поверхности поглощающих стенок канала (  c – волновое сопротивление рабочей среды).
Общее изменение уровня звукового давления на всем протяжении канала от сечения Х1 до сечения Х2 выражается в виде
10 2 α э ф x1ω dFс т
ΔLp 
d x.
ln10 x
s x 
dx
x
1
При использовании системы шумоглушения с пластинчатым глушителем, образующим симметричные двумерные щелевые каналы переменной ширины, имеем:
12
x
2
Lp  20 lg e 
 э ф  х,  
x
b  x
2
db
 d x ,
 1  
d x
1
где b (х) – ширина щелевого канала.
Модель является базовой при расчете оптимального коэффициента
звукопоглощения материалов, используемых в системах шумоглушения, и
акустических характеристик систем.
Для определения коэффициента звукопоглощения необходимо рассчитать поток звуковой энергии N через стенку канала применительно к
его импедансной звукопоглощающей облицовке. Облицовка с локальной
проводимостью наиболее эффективна и практически реализуется введением сотовых перегородок в рыхловолокнистую набивку звукопоглощающих
пластин.
Величина потока звуковой энергии, отводимой через стенки канала,
характеризуется зависимостью вида
N1 
V* 1
1
1
1
2
2
RePo  V*  Po Re o* 
Po Re
,
2
2
2
Zo
Po
где Po, Vo – амплитуды соответственно пристенного давления и нормальной скорости;
* – звездочка означает комплексно сопряженную величину;
Zo – входной импеданс облицовки, величина которого зависит от толщины h поглощающего слоя, постоянной распространения γ, волнового
сопротивления W, поглощающего материала, а также импеданса Zh основания облицовки.
Получены зависимости при использовании звукопоглощающих пластин с жесткой центральной основой в том числе и для случая, когда звукопоглощающий материал полностью заполняет толщу пластины.
Применительно к варианту пластины с жестким основанием, когда
Zh→,
α э1ф  Re
13
t h γ h
~ ,
W
W~  W /  c .
~
Для варианта звукопроницаемой пластины, когда Zh =  c / W = I / W ,
2
~
 1 W  t h  h  
t h  h   1
 2 h


2
 эф = Re  ~
.
e

~
~
 
 
W 1  W t h  h  1  W t h  h
Зависимости для частотного спектра дополнительного снижения шума
вследствие концевых эффектов аппроксимируются функцией
конц
L
0 при   0,1


( )  7(lg   1) при 0,1    3
 7(lg 3  1) при   3 ,

где  = S0.5 f / c;
S – площадь поперечного сечения канала.
Расчет акустических характеристик систем шумоглушения основывается на конечно-разностном приближении полученных дифференциальных
соотношений. Разностная схема использована для прямоугольной области
с производными криволинейными границами. В этом случае уравнения
выписываются в локальных криволинейных координатах и далее строится
разностная схема, после чего осуществляется переход к декартовым координатам. Для уменьшения массива хранимых величин в качестве искомой
функции использована комплексная величина – давление.
Уравнение в декартовых координатах имеет следующий вид:
  1 P    1 P 
  K 2 P  0 .

 
x   x  y   y 
Расчетная сетка строится следующим образом. Рассматриваемая область делится на макроэлементы, гомеоморфные квадратам (существует
взаимнонепрерывное отображение макроэлемента на квадрат). Разбиение
макроэлемента на ячейки должно удовлетворять условию непрерывности
изменения ее густоты и производиться автоматически по заданному количеству расчетных ячеек. Значение искомой величины приписывается к
центру тяжести ячейки.
Уравнение в разностном виде примет следующую форму:
14
Pi+1, j
(ρh )
Pi, j
y i+0,5, j
+
K i,2j
ρi, j
Pi, j
Pi
1, j
(ρh )
x i+0,5, j
1
+
hxi, j
Pi, j+1
(ρh )
Pi, j
y i, j+0,5
Pi, j
Pi, j
(ρh )
1
x i, j 0,5
1
h yi, j
+
Pi, j = 0.
Система разностных уравнений в матричном виде:
А  Х = Y,
где А – матрица коэффициентов системы;
X – вектор искомых величин (давлений);
Y – вектор правых частей.
Решение системы производится методом сопряженных градиентов
применительно к недоопределенным системам, который требует n2 операций, где n – порядок системы.
На каждом итерационном шаге вычисляются:
ai 
ri 1  ri 1
g i  g1 
,
где
r I = r i-1 – ai * A * g i,
Х I = X i-1 + a i * g i.
Если контроль точности полученного приближения 2 = (ri * ri) удовлетворяется, то решение считается найденным; в противном случае вычисляются значения:
bi 
ri  ri
ri 1  ri 1
,
g i+1 = A* ∙ r i + b i* g i.
Далее расчет производится с заменой индекса «i» на «i+1»; точное
решение получается за n итераций.
Выводы по главе 2
1.
Создана модель, описывающая процесс шумообразования в газо-
воздушным трактах ГТУ. Ее анализ позволяет сделать следующие заклю15
чения. Для предотвращения шумообразования в трактах всасывания и выхлопа ГТУ необходимо использовать аэродинамически отработанные
формы канала, местные скорости потока в нем не должны превышать
30…50 м/с. В зонах возможного отрыва потока следует вводить продольные перегородки для размыкания обратной связи при автоколебаниях. Звукоотражательные элементы необходимо облицовывать перфорированным
звукопрозрачным экраном, сглаживающим изменения направления рабочего потока. Применение облицовки наиболее эффективно в зонах поворотов и изменения формы сечения тракта.
2.
Создана модель для расчета акустического поля в области, пред-
ставляющей собой участок канала произвольной формы с твердыми стенками; часть канала может быть заполнена звукопоглощающим материалом,
возможно наличие жестких перегородок.
3.
Разработана модель для расчета коэффициента звукопоглощения
применительно к импедансной звукопоглощающей облицовке, позволяющая оптимизировать выбор звукопоглощающих материалов.
4.
Получена модель для расчета шумоглушения при использовании
неоднородных пластинчатых глушителей, учитывающая физические и
геометрические параметры составляющих элементов. Расчет проводится с
использованием разработанного численного метода решения уравнений
для акустических волн давления в неоднородных диссипативных средах.
5.
Совокупность разработанных моделей позволяет производить
расчет шумоглушения ГПА, но требует экспериментальной проверки.
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований систем шумоглушения газоперекачивающих агрегатов.
Испытания систем шумоглушения проводились на аэроакустическом
стенде, основным элементом которого является акустически заглушенная
аэродинамическая труба. Они обеспечиваются контрольно-измерительным
комплексом, включающим в себя:
- систему контроля и управления режимом работы стенда;
16
- систему измерений аэродинамических характеристик модели;
- систему измерений акустических характеристик стенда и модели.
Контролировался режим работы стенда и регистрировались паразитные стендовые шумы.
Испытаниям подверглась комбинированная система шумоглушения
газовоздушных трактов, обеспечиваемого совместным действием элементов звукопоглощения и звукоизоляции.
Экспериментально определены спектральные характеристики систем
шумоглушения четырнадцати вариантов (звукопоглощающий материал –
АТМ-I плотностью 10 кг/м3):
1) канал глушителя без ЗПМ и поперечных перегородок;
2) канал глушителя со сплошной облицовкой: элементарные ячейки
разделены перфорированными перегородками;
3) канал с облицовкой: 1 ячейка с ЗПМ плюс 1 ячейка свободная – со
звукопрозрачными границами ячеек;
4) канал с облицовкой: 2 ячейки с ЗПМ плюс 1 ячейка свободная – со
звукопрозрачными границами ячеек;
5) канал со сплошной облицовкой: элементарные ячейки разделены
сплошными перегородками;
6) канал с облицовкой: 1 ячейка с ЗПМ плюс 1 ячейка свободная – со
звуконепроницаемыми границами между ячейками;
7) канал с облицовкой: 2 ячейки с ЗПМ плюс 1 ячейка свободная – со
звуконепроницаемыми границами между ячейками;
8) канал с облицовкой: 2 ячейки с ЗПМ плюс 1 ячейка свободная – со
звуконепроницаемыми границами между свободными и заполненными
ячейками;
9) канал с облицовкой: 4 ячейки с ЗПМ плюс 1 ячейка свободная – со
звуконепроницаемыми границами между ячейками;
10) канал с облицовкой: 4 ячейки с ЗПМ плюс 1 ячейка свободная – со звукопроницаемыми границами между свободными и заполненными ячейками;
17
11) канал с облицовкой: 6 ячеек с ЗПМ плюс 1 ячейка свободная – со
звуконепроницаемыми границами между ячейками;
12) канал с облицовкой: 6 ячеек с ЗПМ плюс 1 ячейка свободная – со
звукопроницаемыми границами между свободными и заполненными ячейками;
13) канал с облицовкой: 9 ячеек с ЗПМ плюс 2 ячейки свободные – все
ячейки, кроме свободных, разделены звуконепроницаемыми перегородками;
14) канал с облицовкой: 9 ячеек с ЗПМ плюс 2 ячейки свободные – со
звукопроницаемыми границами между свободными и заполненными ячейками.
Анализ результатов эксперимента
1. На низких частотах практически все варианты имеют близкие характеристики. На средних частотах в диапазоне 800…1000 Гц наблюдалось
наиболее интенсивное поглощение звука.
2. Лучшие интегральные показатели шумоглушения, составляющие
40…65 дБ в диапазоне частот 1…7 кГц, имели место у моделей с импедансной (сотовой) облицовкой и достаточно большим количеством звукопоглощающего материала.
3. Возникновение дополнительных ярко выраженных узкополосных
зон эффективного глушения звука выявлены в вариантах, где свободна
каждая седьмая ячейка; уровень узкополосного глушения составил
61…67 дБ.
4. На высоких частотах (свыше 10 кГц) сплошная облицовка практически не работала, что связывается с проявлением известного «лучевого
эффекта».
5. Снижение шума при использовании ячеистой облицовки 1+1 с
перфорированными стенками, а также облицовки с разряженным расположением свободных ячеек 2+1 является следствием разрушения лучевой
структуры акустических волн в канале и увеличения поверхности звукопоглощения.
18
Результаты испытаний и расчета позволяют выбрать оптимальную систему шумоглушения для конкретного газоперерабатывающего агрегата.
С целью проверки разработанных положений проведен сравнительный анализ теоретических и экспериментальных исследований.
Анализ выполнен в процессе реализации системы шумоглушения на
ГПА производства ОАО НПО «Сатурн». С учетом экспериментальных
данных для эффективного шумоглушения была выбрана модель № 6, а
звукопоглощающий материал – АТМ-I с учетом оптимального коэффициента звукопоглощения.
В соответствии с полученными теоретическими результатами была
принята следующая методика расчета системы шумоглушения. Задается
требуемая акустическая характеристика шумоглушения в виде набора необходимых значений снижения уровней звуковой мощности Lpi в полосах частот fi . Далее для каждой частотной полосы fi с учетом эксплуатационных условий и расчетных данных подбираются оптимальный звукопоглощающий материал, тип элемента пластины (звукопроницаемая или
с жестким основанием) и толщина облицовки, определяющие максимальные коэффициенты звукопоглощения. В нулевом приближении ширина
канала b полагается постоянной, равной максимальной толщине пластины,
определяются по заданным Lp A и найденным эф необходимые протяженности l участков (блоков) глушения шума в соответствующих частотных диапазонах. В качестве огибающей рассчитанных блоков формируется
криволинейная образующая базовой пластины глушителя аэродинамически совершенной формы.
Проводятся вариантные акустические и аэродинамические расчеты
конструкции глушителя с базовой формой звукопоглощающих пластин
при различных шагах пластин и профилях жесткого основания. Выполняется поверочный численный расчет акустических характеристик глушителя по расчетной модели и проводится необходимая корректировка параметров.
19
На рисунке 1 показано сравнение расчетной и экспериментальной зависимостей применительно к перспективному варианту № 6 исследованной экспериментальной модели шумоглушителя.
Совпадение расчетной и экспериментальной зависимостей получено
путем введения поправочного коэффициента .
1 – расчет; 2 – эксперимент, вариант 6 (канал с облицовкой: 1 ячейка с
ЗПМ плюс 1 ячейка свободная – со звуконепроницаемыми границами между
ячейками)
Рисунок 1 – Сравнение расчетной и экспериментальной зависимостей модельного диссипативного шумоглушителя с ячеистой облицовкой
Выводы по главе 3
1.
Результаты экспериментальных исследований четырнадцати мо-
делей систем шумоглушения позволяют оптимизировать ее применительно
практически к любому газоперекачивающему агрегату.
2.
Выполнены систематические расчеты звукопоглощения стенок
применительно к двум вариантам пластин глушителя: с жесткой основой и
звукопроницаемым заполнителем для девяти типов рыхловолокнистых
набивок, используемых в пластинчатых глушителях. Тем самым исследо20
вано все многообразие возможных акустических свойств стенок глушителя.
3.
Установлена специфика области оптимального использования
различных систем шумоглушения (звукопоглощающих материалов и конструктивных схем пластинчатых глушителей). Установлено, что низкочастотное глушение достигается при использовании конструкций глушителей со звукопроницаемыми пластинами, в то время как применительно к
глушению шума на средних и высоких частотах оптимальным является
использование пластин с жесткой основой и резонансными звукопоглощающими слоями.
4.
Совпадение результатов расчета и экспериментальных данных
позволило использовать методику для снижения шума ГПА на КС Тольяттинской ЛПУ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1.
Основными источниками шумообразования газотурбинных уста-
новок являются тракты всасывания и выхлопа. Наиболее эффективный
способ его подавления состоит в использовании системы, включающей в
себя элементы звукопоглощения и звукоизоляции. Известные методики не
обеспечивают точность расчета таких систем, а экспериментальные методы продолжительны по времени, сложны и дорогостоящи.
2.
Создана методика расчета систем снижения шума газотурбинных
установок. Она включает в себя модели, позволяющие описать акустическое поле и процесс распространения звука в нем, рассчитать уровень образующегося шума и коэффициенты звукопоглощения облицовок трактов
всасывания и выхлопа с учетом основных характеристик газоперекачивающих агрегатов.
3.
Экспериментальное исследование характеристик четырнадцати
систем шумоглушения позволило разработать рекомендации по их использованию в различных по конструкции газоперекачивающих агрегатах, а
21
сравнение экспериментальных и расчетных данных показало высокую
сходимость результатов, что дает возможность использовать теоретические положения для снижения шума в действующих и проектируемых
ГПА.
4.
Результаты работы внедрены в практику шумоглушения ГТУ на
компрессорной станции Тольяттинской ЛПУ ООО «Газпром трансгаз Самара» и использованы на предприятиях системы ООО «Газпром трансгаз
Саратов», что позволило снизить шум в разных точках до санитарных
норм.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих
работах:
1. Заяц Б.С. Современные методы и средства глушения шума ГТУ //
Проблемы экологии газовой промышленности. – М.: ИРЦ Газпром, 2003. –
№ 2. – С. 48-56
2. Терехов А.Л., Заяц Б.С. Экспериментальные исследования моделей
и диссипативных шумоглушителей нового типа // Транспорт и подземное
хранение газа. – М.: ИРЦ Газпром, 2003. – № 3. – С. 51-60
3. Терехов А.Л., Заяц Б.С. Анализ процессов шумообразования в газовоздушных трактах всасывания и выхлопа приводных ГТУ и пути его
предотвращения // Диагностика оборудования и трубопроводов. – М.: ИРЦ
Газпром, 2003. – № 5. – С. 7-16
4. Терехов А.Л., Заяц Б.С. Основное содержание и пути совершенствования инженерных методик расчета пластинчатых глушителей ГТУ //
Проблемы экологии газовой промышленности. – М.: ИРЦ Газпром, 2003. –
№ 2. – С. 56-63
5. Терехов А.Л., Заяц Б.С. Основное содержание и пути совершенствования инженерных методик расчета пластинчатых глушителей и современные методы, средства глушения шума ГТУ // Снижение шума газоперекачивающих агрегатов и повышение безопасности труда на объектах
22
ОАО «ГАЗПРОМ»: Сб. научн. работ. – М.: ВНИИГАЗ, 2004. – С. 56-63
6. Заяц Б.С. Повышение эффективности глушителей шума газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций магистральных газопроводов // Вестник Международной академии наук экологии и безопасности
жизнедеятельности. – Владикавказ, 2008. – Т. 13. – № 3. – С. 170-172.
7. Волохина А., Иванова М., Прусенко Б., Заяц Б. Компьютерное тестирование персонала // Охрана труда и социальное страхование № 8 –
Москва, Август 2008. – С. 22-26.
8. Заяц Б.С. Методика расчета шумообразования газотурбинных установок // Состояние биосферы и здоровья людей. Сб. статей VIII Междунар.
научн. конф. – Пенза, 2008. – С. 51-54
9. Заяц Б.С. Экспериментальные исследования систем шумоглушения
газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций магистральных газопроводов // Окружающая среда для нас и будущих поколений. Сб. тр.
XIII Междунар. конф. – Самара, 2008. – С. 120.
23
24