Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Снижение тонального шума центробежных лопаточных машин на компрессорных станциях магистральных газопроводов

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Цулимов, Сергей Владимирович, Москва

óf /

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

На правах рукописи

Цулимов Сергей Владимирович

СНИЖЕНИЕ ТОНАЛЬНОГО ШУМА ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ЛОПАТОЧНЫХ МАШИН НА КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЯХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

11.00.11 — охрана окружающей среды и рациональное

использование природных ресурсов 05.04.12 — турбомашины и комбинированные турбоустановки

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — кандидат технических наук,

профессор E.H. Власов Научный консультант — академик МАНЭБ,

кандидат технических наук, профессор В.И. Тагасов

Москва - 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Общая характеристика работы.........................................................................4

Введение............................................................................................................8

Глава 1. Обзор исследований по аэродинамическому шуму лопаточных машин на компрессорных станциях магистральных газопроводов....................................................................................................................11

1.1. Газоперекачивающие агрегаты компрессорных станций магистральных газопроводов и результаты анализа их акустического обследования..................................................................11

1.2. Классификация шума лопаточных машин. Обзор теоретических исследований шума вследствие неоднородности потока....................................................................................................32

1.3. Обзор исследований по влиянию конструктивных параметров проточной части лопаточных машин на шум вследствие неоднородности потока..........................................................47

1.4. Заключение по главе 1. Постановка задачи исследования...........62

Глава 2. Аналитические исследования тонального шума центробежных лопаточных машин..................................................................................66

2.1. Исследования по оценке тонального шума центробежных вентиляторов при различных геометрических параметрах проточной части................................................................................68

2.2. Теоретическая оценка шума взаимодействия лопаток центробежных вентиляторов при различных геометрических параметрах проточной части............................................................79

2.3. Оценка снижения уровня тонального шума центробежных машин с лопаточным диффузором при различном соотношении чисел лопаток рабочего колеса и диффузора......................84

2.4. Исследование возможности использования теоретических разработок по пгумообразованию на частоте взаимодействия лопаток в осевых компрессорах применительно к центробежным машинам........................................................................92

Выводы по главе 2..............................................................................104

Глава 3. Экспериментальные стенды для исследования ступеней центробежных машин, методики обработки экспериментальных данных и оценка точности измерений.........................................................106

3.1. Стенды для исследования ступеней центробежных лопаточных машин.................................................................................106

3.2. Методика обработки данных аэродинамических измерений, точность измерений................................................................112

3.3. Методика обработки данных акустических измерений, точность измерений........................................................................126

Выводы по главе 3..............................................................................133

Глава 4. Экспериментальные исследования с целью снижения шума центробежных лопаточных машин в источнике возникновения................134

4.1. Экспериментальные исследования по влиянию геометрических элементов языка спирального корпуса на шум и экономичность центробежных вентиляторов................................134

4.2. Сравнительный анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований по влиянию изменения геометрических элементов проточной части на шум центробежных вентиляторов.....................................................................147

4.3. Сравнительный анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований по влиянию соотношения чисел лопаток рабочего колеса и диффузора на шум центро-

бежных нагнетателей......................................................................149

Выводы по главе 4..............................................................................155

Выводы по диссертации...............................................................................157

Приложения...................................................................................................160

Список использованной литературы............................................................177

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы диссертационной работы.

Борьба с производственным шумом стала одной из самых актуальных задач по улучшению условий труда обслуживающего персонала компрессорных станций (КС). С увеличением мощности растет быстроходность и окружные скорости центробежных лопаточных машин - нагнетателей и вентиляторов, а, следовательно, и шум. Повышенный шум влияет на нервную и сердечнососудистую системы человека, вызывает раздражение, нарушение сна, утомление, агрессивность, способствует психическим заболеваниям. Специалисты утверждают, что за счет повышенного шума заболеваемость людей возрастает на 30%. А уровни шума на КС, как правило, значительно превышают действующие санитарные нормы.

Таким образом, шум - один из самых опасных факторов техногенного воздействия на человека и окружающую среду. Самый вредный для здоровья человека - так называемый тональный шум, т.е. шум на определенной частоте. Санитарные нормы для него ужесточены. Таким образом, в первую очередь, усилия должны быть направлены на борьбу с этим видом шума.

Цель работы.

В настоящее время наиболее распространенными являются так называемые пассивные способы уменьшения шума, т.е. установка различных глушителей, звукоизолирующих кожухов, экранов, вибродемпфирующих покрытий на уже существующих машинах. Эти способы позволяют значительно снизить уровень шума лопаточных машин, но их применение приводит к увеличению массы, габаритов, дополнительному сопротивлению газо-воздушного тракта и удорожанию ГПА. Снижение шума в источнике его возникновения является наиболее перспективным из-за меньших капиталовложений, экономии массы и габаритов оборудования и может быть эффективно осуществлено, в первую очередь, на стадии проектирования нового оборудования, либо при модерниза-

ции старого, но требует глубоких исследований и накопления информации по акустическому совершенствованию лопаточных машин.

Научная новизна работы:

• получена полуэмпирическая зависимость для оценки уровня звуковой мощности тонального шума центробежных машин с лопаточным диффузором (нагнетателей) при различном соотношении чисел лопаток рабочего колеса и диффузора; на основе формулы разработана программа, позволяющая прогнозировать уменьшение уровня тонального шума при изменении соотношения чисел лопаток;

• получена зависимость для оценки уровня звукового давления на частоте следования лопаток при различных геометрических параметрах проточной части центробежной лопаточной машины без лопаточного диффузора (вентиляторов); на основе формулы разработана программа, позволяющая прогнозировать изменение уровня тонального шума при изменении геометрии проточной части;

• исследовано влияние наклонного языка улитки центробежного вентилятора при переменном радиальном зазоре. Установлено, что с помощью комплексного подхода, можно добиться оптимального варианта с уменьшением шума и улучшением аэродинамических характеристик;

• исследовано влияние языка улитки центробежного вентилятора с выступом в сторону рабочего колеса на шум и экономичность. Установлено, что выступ может уменьшить тональный шум и повысить КПД вентилятора.

Практическая ценность работы:

• выбор оптимального соотношения чисел лопаток рабочего колеса и диффузора центробежного нагнетателя у0Пт = 1,5 - 1,7, приведет к снижению тонального шума на 10-18 дБ при прежней экономичности ступени. При этом уменьшится число лопаток диффузора по сравнению с серийными машинами, что позволит снизить металлоемкость и стоимость нагнетателей или сменной проточной части. Составленная программа для ПЭВМ позволяет прогнозиро-

вать выигрыш в уменьшении уровня тонального шума при выборе оптимального соотношения чисел лопаток на стадии проектирования.

• при внедрении комплексного подхода к уменьшению тонального шума центробежного вентилятора, заключающегося в установке наклонного языка одновременно с уменьшением зазора, получено снижение уровня звукового давления на частоте следования лопаток на 4-6 дБ и увеличение КПД на 3% без смещения характеристики КПД относительно штатного варианта, что важно для использования модифицированного вентилятора в той же сети без ее настройки;

• введение в проточную часть центробежного вентилятора выступа на теле языка, позволит снизить тональный шум на 3-6 дБ в зависимости от расхода и повысить напор на 2,6% по сравнению со штатным языком при увеличении КПД 2% на оптимальном режиме;

Методы исследования.

Для достижения поставленной цели использованы методы: аналитический и экспериментальный. Обработка данных, полученных в результате экспериментов, базировалась на программно-графических методах. Достоверность , результатов подтверждена сходимостью данных теоретических и экспериментальных исследований и обусловлена точностью измерительной аппаратуры и достаточным объемом экспериментов.

Реализация работы.

Результаты исследований, выполненных в работе, планируется внедрить на объектах РАО «Газпром». В настоящее время эти мероприятия включены в «Программу научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по снижению шума и воздействия его на работающий персонал, население и окружающую среду» РАО «Газпром» (пункт 1.2 «Разработка комплекса мероприятий по снижению шума нагнетателя в источнике»).

Расчетно-теоретические разработки, выполненные в диссертации, используются на кафедре «Теплотехники и турбомашин» Российского университета дружбы народов при подготовке магистров и аспирантов.

Апробация работы.

Основные положения работы доложены и обсуждены на XXXII, XXXIII, XXXIV, XXXV научных конференциях профессорско-преподавательского состава Российского университета дружбы народов (1996 - 1999 гг.) на заседаниях секции «Теплотехники и турбомашин».

Публикация работы.

По теме диссертации единолично и в соавторстве опубликовано 9 научных статей и 1 монография.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав с конкретными выводами, основных выводов по диссертации, списка литературы из 72 наименований. Объем диссертации составляет 115 страниц машинописного текста, 53 рисунка, 14 таблиц, 17 страниц приложений.

ВВЕДЕНИЕ.

Защита от шума -— одна из крупных современных научно-технических проблем. Акустическое воздействие на человека характеризуется высокими уровнями интенсивности, продолжительностью, распространенностью и массовостью действия. Широкое внедрение в газовую промышленность газотурбинных установок с мощными нагнетателями в и быстрое увеличение сети газопроводов, которые уже проходят вблизи населенных пунктов, привели к тому, что шум компрессорных станций стал представлять серьезную экологическую проблему. Запуск в эксплуатацию новых, более мощных компрессорных станций, на которых установлены агрегаты ГТК-10, ГТК-16, ГТК-25, а также газоперекачивающие агрегаты на базе авиационных и судовых двигателей, существенно нарушил равновесие окружающей среды. С увеличением мощности растет быстроходность и окружные скорости центробежных лопаточных машин -нагнетателей и вентиляторов, а, следовательно, и шум. Шум, превосходящий действующие санитарные нормы, угнетающе действует на обслуживающий персонал компрессорных станций и жителей прилегающих районов. Жертвами шума становятся все большее число людей, поэтому борьба с шумом становится важнейшей социальной проблемой.

Повышенный шум влияет на нервную и сердечно-сосудистую системы человека, вызывает раздражение, нарушение сна, утомление, агрессивность, способствует психическим заболеваниям. Шум влияет на производительность труда: при уровнях выше 80 дБА увеличение шума на каждые 1-2 дБ может снижать производительность труда на 1 %. Акустическое загрязнение окружающей среды оказывает на человека не меньшее влияние, чем разрушение озонового слоя, кислотные дожди и т.д. Специалисты утверждают, сто за счет повышенного шума заболеваемость людей возрастает на 30%. По всей видимости, не менее половины населения Земли подвергается воздействию шума, высокие уровни и продолжительность воздействия которого в той или иной сте-

пени отрицательно влияют на здоровье. С этой точки зрения вредный шум — самый массовый фактор отрицательного техногенного воздействия на человека.

Эта проблема актуальна не только для человека. Из-за воздействия шумов животные и птицы вынуждены покидать привычные места обитания. Известно, что даже такие приспособленные к экстремальным условиям жизни виды, как, например, волки, вынуждены откочевывать для вывода потомства на 100-300 км от КС.

Тенденция увеличения акустической нагрузки на биосферу сохраняется. Вместе с тем, с применением оборудования все возрастающих мощностей, ярко наметилась тенденция уменьшения скорости снижения шума в зависимости от вкладываемых средств. Дело в том, что когда достигается снижение шума какого-либо агрегата до определенной величины, дальнейшее уменьшение шума может быть достигнуто только возрастающими затратами. Таким образом, дальнейшее снижение шума просто не целесообразно и очень затратно. Поэтому, необходимо заниматься поиском новых, более радикальных путей снижения шума.

Наиболее вредным по воздействию на психику человека является так называемый тональный шум, т.е. шум на определенной частоте. Как правило, он возникает в лопаточных машинах и объясняется газодинамическим взаимодействием неподвижных и движущихся лопаток. О вреде этого вида шума свидетельствуют исследования психологов, результаты работы которых вылились в конкретные рекомендации, изложенные в санитарных нормах и правилах — для тонального шума предельные уровни звукового давления уменьшены на 5 дБ.

На компрессорных станциях магистральных газопроводов основными источниками тонального шума являются: осевой компрессор, турбина, нагнетатель и всевозможные вентиляторы. Настоящая работа посвящена исследованию и снижению тонального шума центробежных лопаточных машин, к которым

относятся центробежный нагнетатель природного газа и центробежные вентиляторы воздушного охлаждения газоперекачивающего агрегата.

Шум, генерируемый нагнетателями газа на компрессорных станциях, имеет высокий уровень звука и изменяется в пределах 96-114 дБА в зависимости от компоновки оборудования. Результаты теоретических и экспериментальных исследований нагнетателей свидетельствуют о возможности снижения аэродинамического шума в источнике возникновения. Центробежные вентиляторы имеют меньший уровень шума, но, тем не менее, в спектре шума компрессорной станции можно выделить тональные составляющие, генерируемые радиальными вентиляторами.

В настоящее время наиболее распространенными являются так называемые пассивные способы уменьшения шума, т.е. установка различных глушителей, звукоизолирующих кожухов, экранов, вибродемпфирующих покрытий на существующих машинах. Эти способы позволяют значительно снизить уровень шума лопаточных машин, но их применение приводит к увеличению массы и габаритов машин, дополнительному сопротивлению газо-воздушного тракта газоперекачивающих агрегатов. Кроме того, для снижения шума эксплуатируемых агрегатов требуются большие материальные затраты.

Поэтому целесообразным представляется разработка мер по подавлению шума в источнике возникновения при конструкторской проработке, как на стадии проектирования нового оборудования, так и при модернизации находящегося в эксплуатации. Решению этой проблемы посвящена данная работа, в которой рассмотрены некоторые методы снижения тонального шума как основной составляющей в спектре турбомашин путем изменения геометрии проточной части.

Глава 1

ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПО АЭРОДИНАМИЧЕСКОМУ ШУМУ ЛОПАТОЧНЫХ МАШИН НА КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЯХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

1.1. Газоперекачивающие агрегаты компрессорных станций магистральных газопроводов и результаты анализа их акустического обследования

Газотурбинный парк России в настоящее время включает в себя около 20 типов ГТУ [14], произведенных в различные годы. Установленный процент КС с газотурбинным приводом в России в 1995 г. составлял 85,4%, с электрическим приводом - 13,6% и поршневым приводом - 1%. Подобное соотношение будет в целом сохраняться в перспективе. Для замены устаревших газоперекачивающих агрегатов и оснащения КС сооружаемых магистральных газопроводов проводятся большие работы по переоснащению парка ГПА [37], создается новое поколен