Гончаров Дмитрий Григорьевич

Исследование усовершенствование осевого вентилятора общепромышленного назначения с целью снижения уровня шума и вибрации

ВВЕДЕНИЕ

        Нет ни одной отрасли промышленности, где бы ни применялись вентиляторы для санитарно-гигиенических или технологических нужд.
      Увеличение размеров и мощности вентиляторов сопровождается увеличением шумности и вибрации вентиляторных установок, что зачастую затрудняет эксплуатацию этих установок или делает её невозможной. Устранение шума и вибраций вентиляторов существенно улучшает условия труда в ряде производств и учреждений и способствует дальнейшему увеличению производительности труда.
Учитывая повсеместное применение вентиляторных установок, можно утверждать, что борьба с шумом и вибрациями вентиляторов является важной научной и хозяйственной проблемой. Шум вентилятора во многих случаях является не менее вахным параметром машины, чем производительность, давление, коэфициент полезного действия, надёжность конструкции и т. п. Акустические характеристики вентиляторов не менее важны, чем их аэродинамические характеристики.
     На многих предприятиях из-за повышенных вибраций наблюдались случаи преждевременного выхода из строя деталей и узлов вентиляторов, появлялись трещены в перекрытиях и стенах зданий, неправильно срабатывали элементы автоматики, затруднялось обслуживание вентилятора, увеличивался шум, снижалась производительность труда обслуживающего персонала.
      Однако в существующей литературе вопросы борьбы с шумом и вибрацией вентиляторов освещены недостаточно.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

      Основная цель работы заключается в усовершенствовании на основании эксперементально-теоретических исследований осевого вентилятора для снижения уровня шума и вибрации.
          Задачами настоящей работы являются следующие:
                - исследовать акустическую характеристику вентилятора;
                - оценить вибрационное состояние вентилятора;
                - путём рационального выбора параметров проточной части, выбора числа лопаток рабочего колеса и спрямляющего аппарата снизить вихревой шум вентилятора;
                - путём двухплоскостной балансировки снизить вибрации в осевом вентиляторе.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

      Показана возможность использования метода расчёта шума осевых вентиляторов, который основан на использовании аэроакустических характеристик плоских решёток профилей, эквивалентных параметрам профилей рабочих колёс вентиляторов. Исследовано взаимодействие с лопатками спрямляющего аппарата потока воздуха, выходящего из рабочего колеса. Предложен новый принцип динамической балансировки вентиляторов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ

      Разработан практический метод динамической балансировки вентилятора. Получены практические рекомендации по оценке эффективеости виброизоляции и предложен метод её расчёта. Разработан метод расчёта шума осевого вентилятора, который может быть практически использован ещё на стадии аэродинамического расчёта вентилятора. Результаты исследований использованы при разработке осевого вентилятора общепромышленного назначения.

ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК ПО ТЕМЕ

      Любой из этапов борьбы с шумом является самостоятельным научным вопросом. Охарактеризуем вкратце состояние, достигнутое в каждом из этих вопросов.
      Источники шума. Давно было известно, что источниками шума вентиляторов служат аэродинамические явления (в частности, вихреобразование) в воздушном потоке, омывающем детали машин, и механические вибрации её элементов.
      Было также известно, что:
      а) в аэродинамическом шуме имеются составляющие как с ясно выраженной тональностью («сиренный звук»), так и со спектром, близким к непрерывному;
      б) основными состовляющими механического шума служат звуки, вызванные неуравновешенностью вращающихся масс, а также подшипниками качения.
      Шум вызывается образованием вихрей или вибрациями деталей. Но это ещё ничего не говорит о физической картине его возникновения, поскольку оно не расскрывает механизма явлений и не даёт возможностей для количественного анализа.
      Была сделана попытка установить связь между физической картиной обтекания лопаток вентилятора и шумообразованием. Исследования велись при помощи укреплённого на лопатке миниатюрного пьезоэлектрического микрофона. При этом производились визуализация потока и измерение скоростей вблизи поверхности лопатки. Однако никаких новых черт явления автору установить не удалось, несмотря на физически обоснованную методику эксперимента.
      Недостаточная ястность причин и физической картины шумообразования в вентиляторах, а также зависимости шума от параметров машины привели к томн, что не было выработано сколько-нибудь обоснованных мер борьбы с шумом самого источника.
      Практика наметила следующие меры борьбы в самом источнике – вентиляторе:
      1. Ограничение окружных скоростей определёнными величинами, различными для разных классов вентиляторов.
      Так, А.П. Казанцев рекомендовал принимать uR<25 м/с для осевых вентиляторов; К.А. Ушаков указывал, что «при скоростях, не превосходящих 50 м/с, особо большого шума от вентиляторов средней мощности ожидать нельзя». М.П. Калинушкин считал, что для нереверсивных осевых вентиляторов из условия относительной бесшумности окружные скорости следует принимать меньше 30 м/с, а для реверсивных вентиляторов с поворотными лопастями на стержнях – меньше 40 м/с. Я.С. Лаздан по этому поводу справедливо указывал, что снижение окружной скорости даже до 30 м/с ещё не гарантирует бесшумной работы осевого вентилятора.
      У центробежных вентиляторов рекомендовалось ограничивать окружные скорости 15—20 м/сек. В зарубежной литературе содержались аналогичные рекомендации . По поводу применения ограничения окружной скорости в качестве меры борьбы с шумом можно заметить, что установление каких-либо действующих во всех случаях «допустимых по шуму» окружных скоростей вентиляторов является неправильным, так как, с одной стороны, величина шума и его спектр зависят, кроме окружной скорости, от типа вентилятора, размера, рабочей точки на характеристике, тщательности изготовления и условий затухания звука в пространстве, разделяющем наблюдателя и вентилятор, которые на практике варьируются в очень широких пределах; с другой стороны, допустимые величина и спектр шума зависят от требований к степени акустического комфорта, обусловленных технологией данного производства, наличием и величиной собственного технологического шума и рядом физиологических и психологических факторов.
      Всякое ограничение окружной скорости обязательно накладывает ограничение на величину давления вентилятора, поскольку значения коэффициента давления у современных одноступенчатых вентиляторов имеют определенный предел. Установить предельную величину давления не всегда возможно из-за недостатка места и наличия оборудования с высоким гидравлическим сопротивлением и не всегда целесообразно экономически. Например, рекомендованная К. В. Лемешевым предельная величина давления для корабельных вентиляторных установок в 35 кг/м2 в настоящее время никогда не выполняется.
      Для вентиляторов, колеса которых насажены на вал электродвигателя или соединены с последним эластичной муфтой, ограничение окружной скорости затруднено отсутствием в серийном производстве тихоходных электродвигателей малой мощности, несмотря на то, что в литературе давно указывалось на необходимость организации производства таких двигателей.
      Никаких иных мер воздействия на параметры установки, кроме ограничения окружной скорости, не было изучено. С. Н. Черкипский при исследовании установок воздушного отопления обнаружил, что крупные агрегаты, расположенные вдали от рабочих мест, рациональнее с акустической точки зрения, чем мелкие, расположенные вблизи рабочих мест. Но автор не объяснил этот экспериментальный факт.
      2. Выбор диаметра колеса большего, чем необходимо для обеспечения работы в области максимума к. п. д.
      Не было выяснено, за счет чего в данном случае достигается снижение шума, как изменяются уровень, спектр и громкость шума при изменении диаметра колеса, для каких типов вентиляторов этот метод снижения шума пригоден и какой количественный эффект он может дать.
      3. Профилирование лопаток.
      Ряд авторов указывал, что центробежные вентиляторы с лопатками, загнутыми назад, обладают меньшим шумом. Правда, в этом во просе наблюдались разногласия — некоторые авторы считали, что таким путем нельзя добиться существенного снижения шума. Г. Л. Навяжскин испытал три вентилятора с различными типами лопаток (загнутые вперед, радиальные и загнутые назад), рассчитанные на одно и то же задание и имеющие одинаковую быстроходность. Эти опыты подтвердили точку зрения В. П. Кельберга и Р. М. Ладыженского об акустической равноценности указанных способов профилирования, хотя малое число испытаний не давало уверенности в закономерности полученного результата.
      Указывалось на целесообразность увеличения числа лопаток колеса, поскольку с уменьшением числа лопаток «увеличивается беспорядочность движения отдельных струй, вытекающих из межлопаточных промежутков, и общий уровень шума, создаваемого рабочим колесом, растет».
      Нетрудно видеть, что последнее утверждение физически не обосновано, так как неясно, что понимать под «беспорядочностью» движения; если это степень турбулентности потока, то, как известно, увеличение числа лопаток далеко не всегда приводит к уменьшению турбулентности. Кроме того, рекомендация не содержит никаких количественных данных.
      Было предложено также снижать шум применением гофрированных лопаток, уменьшающих размеры срывающихся с них вихрей. Как будет видно из дальнейшего, это предложение физически не обосновано и снижения шума не дает.
      Рекомендовалось увеличивать суммарную ширину лопаток. Было высказано также предположение, что шум осевых вентиляторов вызывается радиальными токами воздуха, для предотвращения которых был предложен вентилятор с весьма замысловатой формой лопаток. Этот вентилятор имеет низкий к. п. д. (~0,5) и никакими акустическими преимуществами не отличается.
      Ни в одной работе того времени не разделены вопросы выбора густоты решетки (которая при заданных углах притекания и отклонения потока в колесе определяет среднюю величину давления на лопатку), шага лопаток (определяющего быстроту затухания возмущений, вызванных конечностью числа лопаток, по мере удаления от колеса) и собственно профилирования каждой лопатки в отдельности, определяющего величину и распределение градиента давления по лопатке и, следовательно, наличие вихревых зон и величину лобового сопротивления (при одинаковых характеристиках потока на бесконечности). Отсутствие количественных данных по сравнительной оценке различных типов профилирования не давало возможности конструктору вентилятора сознательно подойти к выбору оптимального варианта.
      Кэри исследовал экспериментально влияние расположения лопаток на втулке осевого вентилятора на акустические качества последнего. Он нашел, что изменение характера расположения лопаток на втулке несколько влияет на спектр шума, не изменяя звуковой мощности вентилятора. Благодаря этому может быть достигнута маскировка шума вентилятора шумом машины (автомобиля).
      4. Уменьшение или вообще уничтожение языка у центробежных вентиляторов.
      Язык центробежного вентилятора может быть источником дополнительного шума . Расстояние между языком и колесом было предложено назначать не меньше 10—15% от внешнего диаметра колеса. Вопрос о величине языка не связывался с типом вентилятора и характеристиками решетки лопаток, хотя влияние этой связи на шумовые свойства вентилятора несомненно.
      5. Уменьшение механического шума.
      Кроме упомянутой выше замены подшипников качения подшипниками скольжения, для уменьшения механического шума рекомендовалось тщательно балансировать колесо, увеличивать жесткость и вес колеса и кожуха.
      Увеличение жесткости и веса конструкции в ряде случаев практически не влияет на аэродинамическое шумообразование. Поэтому не основанные на каком-либо опытном материале чисто умозрительные рекомендации приводили к излишнему увеличению веса конструкции и ее стоимости, не влияя на акустические свойства.
      Соотношение между аэродинамическим и механическим шумами не было известно. Поэтому сложные и дорогие системы .виброизоляции, которые часто применялись в качестве универсального средства борьбы с шумом, обычно не давали эффекта.
      Были установлены следующие количественные закономерности:
      1. Зависимость уровня шума от окружной скорости при постоянной характеристике сети, впервые найденная Любке и Цсллером,

ТЕКУЩИЕ И ПЛАНИРУЕМЫЕ РАЗРАБОТКИ ПО ТЕМЕ

      При двухплоскостной балансировке используем метод последовательных приближений при решении системы векторных уравнений.
      Процесс нахождения уравновешивающих масс сводится к последовательному построению векторных треугольников вида:

где;

- коэффициенты влияния;

- первоначальные векторы вибраций опор машины.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. Показана возможность использования метода расчёта шума осевых вентиляторов, который основан на использовании аэроакустических характеристик плоских решёток профилей, эквивалентных параметрам профилей рабочих колёс вентиляторов.
2. Исследовано взаимодействие с лопатками спрямляющего аппарата потока воздуха, выходящего из рабочего колеса.
3. Разработан метод расчёта шума осевого вентилятора, который может быть практически использован ещё на стадии аэродинамического расчёта вентилятора.
4. Получены практические рекомендации по оценке эффективеости виброизоляции и предложен метод её расчёта.
5. Предложен новый принцип динамической балансировки вентиляторов.
         Результаты работы могут быть использованы при проектировании малошумных осевых вентиляторов, для дальнейшего исследования шумов и вибраций вентиляторов, а также методов борьбы сними.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Борьба с шумом : [Сборник статей]. – М.: НИИСФ, 1975. – 142 с.: ил.; 25 см. – (Научн.-исслед. ин-т строит. физики. Труды ин-та; Вып. 11(25)).
2. Борьба с шумом. Под ред. д-ра техн. наук проф. Е.Я. Юдина. М., Стройиздат, 1964. 701 с. с илл., 22 см.
3. Брусиловский И.В. Аэродинамика осевых вентиляторов. – М.: Машиностроение, 1984. – 240 с., ил.; 22 см.
4. Брусиловский И.В. Аэродинамический расчёт осевых вентиляторов. – М.: Машиностроение, 1986. – 283, [1]с.: ил.; 22см.
5. Вибрации и шумы. (Физ. исследования). [Сборник статей. Отв. ред. д-р физ.-мат. наук А.В. Римский-Корсаков]. М., «Наука», 1969. 170 с. с черт.
6. Вибрация в механизмах и машинах / Под ред. Фролова К.В., Никонорова В.А, - М.: МВТУ, 1988. – 69,[1]с.: ил.; 22см. – (Тр. МВТУ им. Н.Э. Баумана; №504).
7. ГОСТ 15529-70. Вентиляторы общего назначения. Методы определения шумовых характеристик. М., изд-во «Стандартов», 1970, с. 14.
8. Измерение шума машин и оборудования. М., Стройиздат, 1968. Авт.: Осипов Г.Л., Лопашов Д.З., Федосеева Е.Н., Ильящук Ю.М.
9. Хорошев Г.А. и др. Борьба с шумом вентиляторов / Г.А. Хорошев, Ю.И. Петров, Н.Ф. Егоров. – М.: Энергоиздат, 1981. – 143 с., ил.; 20 см.
10. Юдин Е.Я. Исследование шума вентиляторных установок и методов борьбы с ним. М., Оборонгиз, 1958. – 227 с. с ил.; 2 л. черт., 27 см.
11. Юдин Е.Я. и Терехин А.С. Борьба с шумом шахтных вентиляционных установок. М., «Недра», 1973. – 199 с. с ил.