Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса и постановка задач исследования
1.1. Краткое описание исследуемых объектов 10
1.2. Физические процессы в глушителях шума выпуска ДВС
1.2.1. Реактивные глушители 11
1.2.2. Диссипативные глушители
1.3. Обзор работ, посвященных изучению связи между основными конструктивными элементами глушителей и их акустическими характеристиками 14
1.4. Обзор работ, посвященных методам расчета глушителей, и сравнительный анализ методов расчета
1.4.1. Расчеты, основанные на классической теории плоских волн 24
1.4.2. Метод электроакустических аналогий 25
1.4.3. Метод передаточных матриц 25
1.4.4. Метод конечных элементов 27
Постановка задач исследования 30
ГЛАВА 2 Акустические и газодинамические расчеты глушителей шума выпуска ДВС
2.1. Общие положения 31
2.2. Методика расчёта газодинамических параметров выхлопного тракта 32
2.3. Математическая модель расчёта акустических параметров неизотермических струй, истекающих из глушителя 35
2.4. Расчёт собственных частот в элементах выпускного тракта 41
2.5. Численные параметрические исследования глушителей 43
2.6. Сравнительный анализ результатов экспериментальных и численных параметрических исследований 50
Выводы по главе
ГЛАВА 3 Разработка конструкций глушителей шума выхлопа ДВС большой мощности и их численные параметрические ииследования
3.1. Общие положения 57
3.2. Выбор модели-прототипа глушителя и проведение расчетов его акустических параметров 58
3.3. Проведение масштабного перехода к конструкции глушителя ДВС большой мощности с выбором основных конструктивных элементов з
3.4. Исследование газодинамической модели течения газов в виртуальном глушителе с целью оптимизации конструкции по противодавлению 62
3.5. Разработка конструкции глушителя выпускной системы тепловоза «Витязь», как пример оптимизации реальной конструкции глушителя ДВС большой мощности 71
Выводы по главе 87
ГЛАВА 4 Методика экспериментальных исследований глушителей шума выпуска двс большой мощности
4.1. Общие положения 88
4.2. Методика измерений виброакустических и газодинамических параметров выпускной системы тепловоза в ходе натурных испытаний
4.2.1. Испытываемые образцы 90
4.2.2. Определяемые характеристики 91
4.2.3. Используемая аппаратура 91
4.2.4. Экспериментальное определение параметров вибрации выхлопной системы тепловоза 92
4.2.5. Экспериментальное определение уровней шума выхлопной системы тепловоза 96
4.2.6. Экспериментальное определение газодинамических параметров потока выхлопных газов 100
4.3. Обработка результатов измерений 102
4.3.1. Обработка результатов натурных измерений уровней вибрации выхлопной системы тепловоза 102
4.3.2. Обработка результатов натурных измерений уровней шума выхлопной системы тепловоза 102
4.3.3. Обработка результатов измерений газодинамических параметров выхлопной системы тепловоза 104
Выводы по главе 105
Глава 5 Экспериментальная апробация модернизированного глушителя тепловоза и его внедрение в опытную эксплуатацию 106
5.1. Модернизированный глушитель шума выхлопа ДВС большой мощности, как объект экспериментальной апробации
5.2. Виброакустические испытания модернизированного глушителя тепловоза
5.2.1. Результаты экспериментальных исследований уровней шума
5.2.2. Сравнительный анализ экспериментальных исследований уровней шума
5.2.3. Результаты экспериментальных исследований вибрации
5.2.4. Сравнение параметров вибрации модернизированного и
5.3. Экспериментальное подтверждение соответствия противодавления модернизированного глушителя допустимому значению
Выводы по главе
Заключение
Литература
- Обзор работ, посвященных методам расчета глушителей, и сравнительный анализ методов расчета
- Расчёт собственных частот в элементах выпускного тракта
- Проведение масштабного перехода к конструкции глушителя ДВС большой мощности с выбором основных конструктивных элементов
- Экспериментальное определение параметров вибрации выхлопной системы тепловоза
Введение к работе
Актуальность. Процессы, происходящие в камерах сгорания двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС), порождают сложные виброакустические явления, связанные с перемещением высокоскоростного и высокотемпературного потока отработавших газов по газовыпускным системам (трубопроводы и глушитель шума выпуска). Шум на выпуске – основной источник акустического загрязнения от работы ДВС, уровни которого без глушителя достигают более 110-120 дБ. При прохождении по газовыпускному тракту с глушителем параметры шума ДВС изменяются, что приводит к уменьшению шума на выпуске на 30-40 дБ. В то же время, газовый поток генерирует в глушителе дополнительный шум, а также вибрации, которые могут служить причиной его преждевременного выхода из строя. Установка глушителя в газовыпускном тракте повышает сопротивление потоку выхлопных газов, что сказывается на мощности ДВС (потери мощности могут достигать 3-4%).
Таким образом, перед проектировщиками глушителей стоит сложная задача: минимизировать потери, вызванные сопротивлением, обеспечивая при этом требуемое шумоглушение. Изучению этой проблемы были посвящены работы А.В. Васильева, М.Н. Дробахи, Н.И. Иванова, И.И. Клюкина, А.И. Комкина, А.Д. Лапина, С.К. Петрова, Р.Н. Старобинского, В.В. Тупова – в нашей стране, Р. Алфредсона, П. Дэвиса, М. Крокера, М. Мунджала, М. Прасада, Ж. Саливана, С. Янга – за рубежом. Несмотря на достигнутые успехи, проектирование глушителей шума выпуска основано не столько на аналитических подходах, сколько на опыте проектирования и испытаний. В силу коммерческой тайны в печати дается ограниченная информация о конструктивных особенностях глушителей и путях достижения их оптимальных характеристик. Разработчикам глушителей нередко приходится заново решать не только конструкторские, но и аналитические задачи. Вопросы же снижения вибрации в газовыпускных системах большинством исследователей незаслуженно обойдены стороной, что осложняет работу разработчиков при конструировании глушителей выпуска ДВС большой мощности.
Отмечаются досрочные (не отвечающие назначенному ресурсу) выходы из строя глушителей, установленных на ДВС мощностью 1 МВт и выше, что особенно характерно для глушителей железнодорожных транспортных средств. Так, например, отмечалось, что штатный глушитель системы выпуска для магистрального грузового тепловоза «Витязь» с дизель-генератором мощностью 2,5 МВт выходил из строя после месяца эксплуатации в реальных условиях из-за разрушений корпуса. В первую очередь, это вызвано повышенными вибрациями в газовыпускных трактах. Из-за недостаточной изученности взаимосвязи газодинамических процессов в выпускных трактах с виброакустическими параметрами глушителей у проектировщиков нередко отсутствует ясное понимание природы этих явлений и действенных средств снижения уровней вибрации. Таким образом, наряду с созданием эффективного глушителя, с минимальным противодавлением, актуальной является задача создания глушителей с минимизированными параметрами вибрации корпусных деталей.
Целью настоящего исследования является разработка научных основ проектирования глушителей шума ДВС большой мощности, обеспечивающих выпуск высокоскоростных и высокотемпературных газовых потоков, с улучшенными газодинамическими и виброакустическими характеристиками.
Научная новизна:
-
Уточнена математическая модель расчета аэроакустических параметров неизотермических струй, обусловленных турбулентными пульсациями в газовыпускной системе («собственный» шум) и наличием градиентов скорости потока («сдвиговый» шум), позволяющая выполнять расчеты таких акустических параметров как звуковое давление, акустическая мощность, диаграмма направленности и др.
-
Представлена уточненная физическая модель газодинамических процессов в глушителях шума выпуска ДВС, позволяющая учесть влияние скорости потока газов (повышение скорости в диапазоне 50-100 м/с приводит к увеличению излучаемой звуковой мощности струи на 15-20 дБ), влияние температуры (при изменении температуры на 100-200 С уровни акустической мощности возрастают на 3-6 дБ) на акустические параметры глушителя.
-
Методами численного моделирования получены значения собственных частот изгибных колебаний корпуса глушителя ДВС большой мощности, и картины распределения газодинамических параметров выхлопных газов для различных режимов работы ДВС, что позволило:
провести многопараметрическую оптимизацию конструкции глушителя, в том числе по создаваемому им противодавлению;
добиться значительного увеличения жесткости конструкции виртуального глушителя за счт введения конструктивных элементов, приводящих к линеаризации течения выхлопных газов в глушителе.
Практическая полезность:
-
Разработаны рекомендации по проектированию глушителей шума выпуска ДВС большой мощности с улучшенными газодинамическими и виброакустическими характеристиками.
-
Разработана конструкция модернизированного глушителя шума выпуска ДВС большой мощности (2,5 МВт) для магистрального тепловоза «Витязь».
-
Разработана методика натурных испытаний глушителей ДВС большой мощности в составе газовыпускной системы тепловоза.
-
В ходе натурных испытаний выявлено снижение параметров вибрации корпусных деталей модернизированного глушителя по сравнению со штатным, а также увеличение его акустической эффективности на режимах повышенной мощности ДВС на 9 дБА.
Достоверность результатов, изложенных в диссертации, подтверждается
использованием обоснованных аналитических методов исследования и
удовлетворительным совпадением результатов выполненных расчетов с
экспериментальными данными. Достоверность экспериментальных результатов подтверждается использованием прецизионной акустической аппаратуры, а также современных методик акустических испытаний и обработки информации.
Апробация: основные результаты исследований доложены на III Всероссийской научно-практической конференции «Защита населения от повышенного шумового воздействия» (2011 г.); V Всероссийской научно-практической конференции «Защита от повышенного шума и вибрации» (2015 г.); заседаниях кафедры «Экология и БЖД» БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова (2012, 2013, 2014, 2015, 2016 гг.); технических советах АО «УК «БМЗ» (2014, 2015 гг.).
Методология и методы исследования: для решения поставленных задач используются анализ и обобщение данных литературных источников, аналитические, экспериментальные и численные методы.
Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах, 1 работа выполнена в личном авторстве, доля автора в остальных работах составляет от 40 до 70%. В журналах, рекомендованных ВАК, опубликовано 3 работы.
На защиту выносятся:
1. Методика расчета газодинамических параметров выхлопного тракта,
включающего систему глушитель – трубопроводы, позволяющая определить основные
параметры, влияющие на процессы шумообразования.
2. Математическая модель расчета газодинамических параметров
неизотермических турбулентных струй продуктов сгорания.
3. Уточненная физическая модель снижения шума глушителями шума выпуска
ДВС, полученная путем сравнения теоретических и экспериментальных данных.
-
Исходная модель-прототип конструируемого глушителя шума выпуска ДВС, а также результаты расчетов в сравнении с экспериментальными данными с целью уточнения конструкции для решения вопросов шумоглушения.
-
Виртуальный глушитель шума выпуска ДВС большой мощности (2,5 МВт) и результаты оптимизации его конструкции по вибропрочности, противодавлению и картине течения выхлопных газов путм численных исследований частот и форм колебаний корпуса глушителя, а также газодинамических параметров потока.
8. Методика экспериментальных исследований глушителей шума ДВС большой
мощности в составе системы газовыпуска тепловоза.
9. Модернизированный глушитель шума выпуска ДВС большой мощности
магистрального тепловоза «Витязь», созданный по результатам выполненных
исследований и результаты его натурных испытаний.
Внедрение результатов работы: Изготовлены опытные образцы
модернизированного глушителя для магистрального грузового тепловоза «Витязь» с дизель-генератором мощностью 2,5 МВт, допущенные к опытной эксплуатации в составе системы газовыпуска серийного тепловоза.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 211 наименований, и приложений, результаты расчетов и данных натурных испытаний, фотографии сборки опытного образца модернизированного глушителя, а также копию акта внедрения результатов работы. Основной материал изложен на 149 страницах, включая 14 таблиц и 75 рисунков. Объм приложений - 33 страницы.
Обзор работ, посвященных методам расчета глушителей, и сравнительный анализ методов расчета
Проблемам разработки теории и конструкций глушителей шума выхлопа ДВС посвятили свои исследования многие известные ученые: М. Крокер [96-98], М. Мунджал [149-165], У. Салливан [192-195], Г. Янг [208-210], А. Селамет [176-186], А. Крэгс [91-95], С. Ву [202-206], П. Дэвис [100-110], Д. Дэвис [111], Р. Алфредсон [79-81], М. Прасад [170-173], Н.И. Иванов [36-40], А.И. Комкин [42-54], Р.Н. Старобинский [73-75, 189], В.В. Тупов [1, 51-52], А.В. Васильев [6], В.Н. Луканин [61-62], В.К. Ерофеев [33-35], М.Н. Дробаха [31] и др. Проанализируем наиболее значимые работы.
Детальное изучение реактивных глушителей была опубликовано Дэвисом и соавторами [111] в 1954 г. В этой работе были исследованы несколько элементов конструкции глушителя, таких как длина, коэффициент расширения, форма, соединительные трубки (как внутренние, так и внешние), а также ряд расширительных камер. Были представлены графики теоретических и экспериментальных значений эффективности глушителя в зависимости от частоты (рисунки 1.5-6).
Как видно из результатов, представленных Дэвисом и соавторами, наибольшее совпадение между теоретическими и экспериментальными значениями эффективности глушителя получилось для простой камеры расширения (с коэффициентом расширения 16, определяемым как отношение площади камеры к площади входного отверстия). Многокамерные глушители: а – влияние числа камер, б – влияние длины соединительных патрубков. Факуда посвятил свою работу [121] изучению глушителей шума выхлопа ДВС. Он рассмотрел такие элементы как диаметр, длина, отношение длины к диаметру, а также наличие внутренних перегородок и на некоторых частотах получил хорошее совпадение между теоретическими и измеренными значениями эффективности. Также в этой работе Факуда приводит некоторые суждения о влиянии диаметра выхлопной трубы глушителя и количества труб на эффективность, но результаты сравнения теории и эксперимента для этих случаев не приведены.
Более точные теоретические модели глушителей шума выхлопа ДВС были представлены Альфредсоном и Дэвисом [80]. Ими были проведены экспериментальные исследования таких элементов глушителей, как внезапное сужение и расширение, увеличенное входное и выходное отверстие, разветвленные трубопроводы и др. Теоретические выражения для показателей эффективности компонентов глушителя были получены из уравнений непрерывности для линеаризованного, одномерного, квазипостоянного потока газа. Хотя в данной работе приведены не все полученные значения эффективности (в зависимости от длины волны), имеется хорошее совпадение между предсказанными и измеренными значениями.
Крокером [97] были рассмотрены различные аспекты снижения шума выхлопа ДВС: принципы работы реактивных и диссипативных глушителей, определение таких характеристик глушителя, как вносимые потери (IL), потери передачи (TL), снижение шума (NR) и его эффективность. В данной работе также представлены графики предсказанных (рассчитанных) и измеренных значений вносимых потерь и потерь передачи для простой расширительной камеры. В целом, данная статья, которая содержит список из 59 ссылок на различные литературные источники, является хорошим источником информации о научно-исследовательской работе, проводимой в области снижения шума выхлопа ДВС.
Глушители с несколькими камерами расширения рассматривались рядом исследователей. Ламанкуса [140] рассмотрел снижение звука в глушителе с двумя расширительными камерами для различных случаев, одинаковых и различных камер расширения, и вычислил потери передачи в глушителе с двумя расширительными камерами с различной геометрией. Он пришел к выводу, что амплитуда и ширина полосы затухания зависит от длины соединительной трубки между камерами.
Селамет и Радович [185] изучали влияние изменения длины концентрической расширительной камеры. Селамет совместно с Джи [179] разработали трехмерный аналитический подход для расчета акустических характеристик круглой расширительной камеры со смещенными впускным и выпускным каналами. Джи [127] изучал акустические характеристики снижения шума реактивного глушителя с несколькими расширительными камерами, взаимосвязанными соединительными трубками, с использованием метода граничных элементов. Он сравнил результаты потери передачи глушителей, имеющих одну, две и три расширительные камеры и пришел к выводу, что использование нескольких камер в глушителе снижает шум выхлопа эффективней. В [128] Джи исследовал эффективность гибридного глушителя с расширительной камерой и перфорированным покрытием методом граничных элементов.
Тао и Сейберт [198] изучали потери передачи для глушителей с одной и двумя камерами расширения. Суванди с соавторами [196] использовали классическую теорию плоских волн для оценки акустических характеристик различных глушителей с одной расширительной камерой и глушителей, содержащих пористый материал с расширенными входными и выходными каналами. Они выполнили экспериментальные измерения и показали, что экспериментальные результаты хорошо согласуются с теоретическими. Джерджес и соавторы [123] обобщили принцип матрицы переноса для расчета потерь передачи глушителя с одной расширительной камерой, а также применили этот метод для глушителей с большим числом расширительных камер. Также в данной работе они делают вывод, что расширение входного канала в глушитель приводит к увеличению пиков потери передачи и расширяет диапазон частот снижения шума.
Барбьери в своей работе [85] рассматривает зависимость потерь передачи от изменения геометрических размеров глушителя с одной камерой расширения.
Ву и соавторы [202-203] представили акустические характеристики снижения шума глушителей с различной геометрией входных и выходных отверстий и глушителей с прямоугольными расширительными камерами. Масен с коллегами [166] приводят данные об акустической оптимизации реактивного глушителя с расширительной камерой простой геометрии и низкой стоимостью изготовления с помощью микроперфорированных панелей. Они рассчитали потери передачи с использованием метода матриц переноса и метода граничных элементов. Различные конфигурации глушителей с микроперфорированными панелями в расширительных камерах были проверены экспериментально, а результаты эксперимента сопоставлены с теоретическими исследованиями. Андерсен [83] представил акустические характеристики различных типов глушителей (реактивного, абсорбционного и глушителя с поршневым потоком). Он использовал метод матриц переноса для расчета потерь передачи и провел эксперименты, согласующиеся с теоретическим расчетом.
Кан и Джи [135] изучали потери передачи глушителя с простой расширительной камерой с увеличенным входным и выходным отверстием и глушитель с резонатором Гельмгольца с использованием 1D аналитического метода.
Расчёт собственных частот в элементах выпускного тракта
В качестве модели турбулентности для расчёта газодинамических параметров используется статистическая модель. Физическая модель формулируется следующим образом. В начальном сечении рассматриваемый поток представляет собой множество точечных образований - квазичастиц. Движение такой частицы вниз по потоку носит случайный характер, при этом частица сохраняет все свои индивидуальные свойства. Для описания вероятностной траектории движения частицы необходимо в общем случае задать многомерную плотность вероятности, которая представляет собой совместную плотность вероятности попадания частицы из точки А начального сечения последовательно в случайные точки В, С, D и т.д.
Не вдаваясь в детали, можно сказать, что приведённая система уравнений позволяет определить все газодинамические параметры и масштабы турбулентности в поле течения струи.
Для расчёта аэроакустических параметров неизотермических струй дополним систему уравнений (2.18-2.27) волновым уравнением (волновое уравнение Лайтхилла): —f - a 2 —Z = [pVV, - S„ (pa 2 +p)- ju(—L + — dt 2 0 dx 2 dxtdxj J ,J 0 dXj dxt - -S-)], (2.28) 3 dx v Mr где: р,р - плотность, статическое давление, а0 - скорость звука в невозмущённой среде, V - скорость, t - время, хг,х} - координаты, i,j,k,l = 1,2,3.
Если правая часть уравнения (2.28) нам известна, т.е. известно распределение газодинамических параметров в потоке, решение для энергии N (в,ф), излучаемой потоком в единицу времени в точку с координатами х, в,ф, строится методами классической акустики в следующем виде [12]: ххх х с д4 3 м(,ф,х) = J 4 \ —гТТ ,4 у , (2.29) 16ж2р0а50\х\ } дт4 и где: N – излучаемая акустическая мощность; (2.30) Tij=pVyj-8lJ{pa02+p)-p \Wl dVJ 2dVk . —- + — -д.. [dxj дх, 3 дхк чj Тij, Tkl – тензоры напряжения, относящиеся к различным источникам звука в потоке (2.30) После несложных преобразований с учётом разложения газодинамических параметров на средние и пульсационные составляющие и пренебрегая тензором вязких напряжений в (2.30) подинтегральное выражение в (2.29) имеет вид [9]: ТуТы = \_pVy] -Sy (pa02-р)\_рУк% -SM(p a02-p )j = pp Vyy\v j -Sva02pp V Vj -SMa20pp%Vj + Sklpp VtVj + +ёу pp Vk V + ёуМ(а4рр -а2рр -a20p p + pp } (2.31) Для того чтобы полностью описать источники излучения необходимо иметь информацию о взаимных пространственно-временных корреляциях и автокорреляциях средних и пульсационных составляющих газодинамических величин.
На сегодняшний день вопрос о типах и формах корреляционных связей в турбулентных потоках до конца не изучен. За основу в данной методике взяты данные работ [5, 70, 77, 175], учитывающих однородность, изотропность и сжимаемость потока. Все пространственно-временные корреляции пульсационных параметров можно представить в виде: sX (xp,z,T) = f(xp,z)g(xp,T)y(s2Js2 (2.32) где: f = eL2 - пространственный фактор, g = em - временной фактор, г2 = r12 + г22 + г32 - расстояние между коррелируемыми точками, со = — - характерная частота турбулентных пульсаций, L,TE - характерные масштабы турбулентности. В табл. 2.1 приведены полученные с учётом пространственно-временной корреляции между газодинамическими параметрами аналитические зависимости для 9 слагаемых, входящих в произведение тензоров (2.32), отражающих вклад различных газодинамических параметров (пульсационных, средних), каждого элементарного объёма струи в акустическое излучение.
В табл. 2.1 использована принятая в современной аэроакустике терминология физических механизмов генерации шума турбулентными потоками: «собственный» и «сдвиговый» шум. «Собственный» шум обусловлен турбулентными пульсациями газодинамических параметров. «Сдвиговый» шум обусловлен наличием градиента скорости потока [9].
Представленная математическая модель позволяет выполнять расчёты акустических параметров (звуковое давление, акустическая мощность, интенсивность, диаграмма направленности и т.д.), генерируемых газовыми потоками. Таблица 2.1. - Аналитические зависимости составляющих «собственного» и «сдвигового» шума № п/п Слагаемое После интегрирования Собственный шум Сдвиговый шум 1 гт V- 82 2 +l+82) 3 4 5 +2 2 2 ) +2 2 8 9 2.4. Расчёт собственных частот в элементах выпускного тракта
Трубки и полости различных объёмов и конфигураций, находящиеся в камере глушителя, обладают набором собственных частот. Соответственно возможно проявление резонансных эффектов в различных частотных диапазонах, что требует оценки численных величин собственных частот различных элементов глушителя и возможных механизмов их возникновения. Кроме того, информация о собственных частотах полостей позволит проверить предположение о снижении акустического излучения за счёт наличия в глушителях полей стоячих волн. С учётом особенностей геометрии элементов выпускного тракта были проанализированы различные физические механизмы возбуждения собственных частот. Основные модели возбуждения собственных частот и соответствующие расчётные формулы приведены ниже [35, 63, 76].
Проведение масштабного перехода к конструкции глушителя ДВС большой мощности с выбором основных конструктивных элементов
Таким образом, в настоящей главе решены несколько задач: выполнен численный анализ параметров собственных колебаний исследуемой конструкции виртуального глушителя, - выполнен численный анализ газодинамических процессов, протекающих в виртуальном глушителе с целью определения создаваемого им противодавления, - выполнен численный анализ газодинамических процессов, возбуждающих колебания корпуса виртуального глушителя, с целью снизить турбулизацию потока выхлопных газов и, как следствие, снизить его вибрацию.
Результаты выполненных численных анализов дают понимание физических механизмов генерации процессов вихреобразования в потоке выхлопных газов и позволяют разработать эффективную конструкцию глушителя шума в составе системы выпуска выхлопных газов ДВС большой мощности, существенно сократив при этом затраты на разработку и отладку глушителя.
В качестве модели-прототипа глушителя ДВС большой мощности выбран модельный двухкамерный глушитель (модель, выполненная по схеме 5, таблица 1.1), в котором используются следующие конструктивные решения: - смещение входного и выходного отверстий относительно друг друга, что можно рассматривать для определенных геометрических параметров модели как двукратный поворот потока на 90 градусов, - разделение корпуса глушителя на две камеры путем использования перфорированной перегородки, которую можно рассматривать как аналог горлу между двумя камерами глушителя с диаметром сЬ равным суммарному проходному сечению отверстий перегородки (площадь перфорации). d3 W2 Результаты расчётов акустических параметров и диаграммы направленности в таблице П1.8 и на рисунке 2.12. Уровень акустической мощности LN = 100,8 дБ, акустическая мощность N=0,0121 Вт. Расчётные значения параметров удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными (таблица 2.3).
Таким образом, конструкция, выбранная в качестве модели-прототипа при последующем конструировании глушителя ДВС большой мощности, обеспечивает достаточно высокую акустическую эффективность.
Проведение масштабного перехода к конструкции глушителя ДВС большой мощности с выбором основных конструктивных элементов
Для выбора основных конструктивных элементов глушителя ДВС большей мощности, были уточнены выводы экспериментального исследования [31], которые предлагается сформулировать следующим образом:
1. Экспериментами подтверждена связь эффективности глушителей с изменением объема: при увеличении объема эффективность глушителей возрастает в низко-среднечастотном диапазонах, при этом при увеличении объема глушителя в 4 раза его эффективность на частотах 63-500 Гц возрастает на 5-15 дБ, а противодавление таких глушителей возрастает в 2-2,5 раза. Цель применения перегородок и трубок в глушителе - разбиение газовой струи на мелкие потоки, а также организация движения газовой струи по элементам глушителя. 2. Увеличение числа перфорированных трубок и перегородок приводит к увеличению эффективности глушителей, при этом в разных глушителях эффективность этих конструкций может заметно различаться в зависимости от характера организации газового потока в глушителе. Эффективность глушителя при прочих равных условиях увеличивается с увеличением числа камер глушителя, но можно предполагать, что максимальное число камер в глушителе – 4. При этом при увеличении числа камер происходит как бы насыщение эффективности глушителя.
3. Глушители различным расположением входных и выходных отверстий и смещенными входными и выходными патрубками за счет резкого расширения и падения энергии газовой струи обеспечивают более высокую (на 2-10 дБ в широком диапазоне частот) эффективность при приблизительном равенстве значений противодавления.
4. Увеличение числа поворотов в глушителе увеличивает его эффективность в широком диапазоне частот. При использовании двух поворотов потока эффективность возрастает до 10 дБА, но при этом противодавление возрастает не менее чем в 2-3 раза.
На основании изложенных выводов, которые рассматриваются, как рекомендации для проектировщика глушителя, была рассмотрена конструкция виртуального глушителя шума выпуска ДВС, представляющая собой многокамерный реактивный глушитель (рисунок 3.2). Для обеспечения требуемой акустической эффективности были использованы следующие конструктивные решения: использование расширительной камеры, входной и выходной патрубки которой максимально смещены относительно друг друга, перфорированные перегородки, разделяющие одну камеру на три, двукратный поворот потока на 90 градусов.
Экспериментальное определение параметров вибрации выхлопной системы тепловоза
Магистральный двухсекционный тепловоз «Витязь» с электрической передачей переменного тока с поосным регулированием силы тяги предназначен для вождения грузовых поездов на железных дорогах Российской Федерации в районах с умеренным климатом при температуре окружающей среды от – 50С до + 40С. Объектом натурных испытаний является выпускная система тепловоза с дизель-генератором 21-26ДГ-01 мощностью 2,5 МВт с установленными в ней поочередно штатным и модернизированным глушителями. Целью натурных испытаний является экспериментальное определение и последующее сравнение параметров штатного и модернизированного глушителей с целью принятия решения о допуске модернизированного глушителя в качестве опытного образца к опытной эксплуатации в составе системы выпуска серийного тепловоза «Витязь».
Было предложено проводить виброакустические измерения в ходе заводских реостатных испытаний серийных тепловозов на различных режимах работы дизель-генератора. Местом проведения реостатных испытаний была производственная площадка Брянского машиностроительного завода, изготавливающего тепловозы «Витязь». В ходе реостатных испытаний серийного тепловоза проводилось экспериментальное определение следующих параметров системы выпуска: акустических параметров системы выпуска, параметров вибрации конструкции системы выпуска, газодинамических характеристик потока выхлопных газов. Кроме того, такие газодинамические параметры как скорость и давление осредненные определялись расчетным путем, исходя из представленных в документации завода-изготовителя массовых расходов топлива и воздуха на различных режимах работы дизель-генератора.
Тепловоз «Витязь» имеет несколько фиксированных режимов работы двигателя, которым соответствуют определенные позиции контроллера в кабине машиниста: холостой ход - положение «0», и режимы работы двигателя в диапазоне мощностей от 160 кВт до 2500 кВт, каждому из которых соответствуют позиции контроллера от «1» до «15».
Было предложено проводить исследование акустических, вибрационных и газодинамических параметров выхлопной системы тепловоза «Витязь» для выбранных четырех режимов работы дизель-генератора (позиции контроллера): 1. холостой ход (0), 2. минимальные обороты (1), 3. средний режим (7), 4. максимальные обороты (15). Рабочие параметры дизель-генератора 21-26ДГ-01 для данных режимов приведены в таблице 4.1
Рабочие параметры дизельного двигателя 21-26ДГ- Наименование параметра Позиция контроллера 21-26ДГ-01 Мощность дизеля, кВт 1 160 970 2500 Частота вращения ротора ТК, об/мин 0 1410 2430 12300 22440 Расход выпускных газов, кг/с 0 0,64 0,76 1,67 4,4 4.2. Методика измерений виброакустических и газодинамических параметров выпускной системы тепловоза в ходе натурных испытаний Методика измерений была разработана с использованием следующих нормативных документов [11-30]. Измерения проводятся в соответствии с требованиями ГОСТ Р 50951-96 [23] и ГОСТ Р 51401-99 [24] на открытой площадке размерами не менее 5050 м (рисунок 4.1).
Объектами натурных испытаний были штатный и модернизированный глушители системы выпуска тепловоза.
Для определения акустической эффективности глушителей различной конструкции и их сравнительной оценки испытания выпускной системы тепловоза проводились в следующих состояниях: с установленным глушителем, - без глушителя шума выпуска (глушитель демонтируется, вместо него устанавливается т.н. замещающий трубопровод).
В процессе экспериментальных исследований производятся измерения параметров: 1) уровень звукового давления УЗД, дБ, уровень звука УЗ, дБ А, выпускной системы тепловоза; 2) виброускорение, м/с2, по осям X, Y, и Z в диапазоне частот от 1Гц до 16 000Гц для различных точек измерения (предположительно, наиболее неблагоприятных); 3) статическое и (или) динамическое давление в потоке выхлопных газов в заданных точках, Па; Кроме того, периодически проводились грубые (оценочные) измерения температуры корпуса глушителя и площадок установки датчиков измерения вибросигнала, для недопущения перегрева датчиков.
Измерительные точки условно подразделяются на три группы: «Ш», «В», и «Г» (обозначение «Ш» используется для точек, в которых производится измерение параметров шума (акустические параметры); «В» - для точек измерения параметров вибрации; «Г» - для точек измерения газодинамических параметров). Точки группы «Ш» располагаются в ближнем звуковом поле -полупространстве, группы «В» - на поверхностях элементов конструкций исследуемой выпускной системы, группы «Г» - в потоке выхлопных газов двигательной установки.
При проведении комплекса измерительных работ используется 5-ти канальная система PULSE 3560B, ф. «Брюль и Къер» и одноканальная система «Октава110А».
Измерительный тракт системы «PULSE» состоит из двух микрофонов и трех акселерометров. В системе «PULSE» данные со всех каналов для последующей обработки одновременно фиксируются во внутреннем регистраторе системы и записываются на винчестер подключенного к системе компьютера. В системе «Октава 110А» измерения УЗД проводятся в 1/1 и 1/3 октавных фильтрах, кроме того, регистрируются УЗ и максимальные УЗ.
Внешний вид глушителей и измерительные точки группы «В», в которых измерялся вибросигнал, представлены для штатного глушителя на рисунке 4.2 а, для модернизированного глушителя – на рисунке 4.2 б. Измерения параметров вибрации на внешней поверхности корпуса штатного глушителя были выполнены для следующих измерительных точек на верхней и торцевых стенках глушителя: Точка В5 –точка на верхней части торца глушителя со стороны входного отверстия глушителя; Точка В6 – точка на верхней части торца глушителя со стороны выхлопа из глушителя; Точка В7, В8 и В9 –точки на верхней стенке глушителя (возрастание нумерации точек соответствует направлению потока выхлопных газов). Измерительные точки В5, В6, В7, В8, В9 расположены на продольной оси симметрии корпуса штатного глушителя.