Содержание к диссертации
Введение
1. Аэродинамическая генерация шума в элементах котлотурбинного оборудования 12
1.1. Возбуждение шума турбулентностью 12
1.1.1. Турбулентный шум внутреннего потока 12
1.1.2 Шумообразование в клапанах паровых турбин 16
1.1.3 Генерация шума в редукционно-охладительных устройствах 23
1.2. Аэроакустические автоколебания 33
1.2.1. Аэроакустические процессы в конвективных газоходах паровых котлов теплоэнергетических установок 33
1.2.2 Условия аэроакустического резонанса в трубчатых теп лообменниках 41
1.3. Генерация шума пристеночными пульсациями давления 50
1.3.1. Механизмы генерации шума пристеночными пульсациями 50
1.3.2. Пульсации давления при струйном обтекании поверхности 51
1.3.3 Статистические характеристики турбулентных пульсаций давления 59
1.3.4 Модели полей пристеночных пульсаций давления 65
1.4. Методические аспекты исследования источников шума 75
1.4.1. Некоторые проблемы нормирования показателей источников шума 75
1.4.2 Пространственный анализ поля турбулентных давлений 79
1.4.3 Помехоустойчивые измерения пульсаций давления 88
2. Распространение шума по элементам котлотурбинного оборудования 1
2.1. Распространение шума по рабочим трактам энергоустановок 101
2.1.1. Вязко-термическое поглощение звука в рабочей среде... 101
2.1.2 Структурное демпфирование 108
2.1.3 Влияние местных неоднородностей канала на распространение звука по тракту 118
2.2. Прохождение шума через ограждающие конструкции 127
2.2.1. Акустический расчет многослойных теплозвукоизоли- рующих покрытий 127
2.2.2 Влияние соединительных элементов на характеристики изолирующего покрытия 132
2.3. Распространение звука через типовые элементы шумоглушителей 149
2.3.1. Диссипативные шумоглушители 149
2.3.2. Ступенчатые дроссельные устройства 162
2.3.3 Устройства непрерывного дросселирования 168
3. Расчет и оптимизация диссипативных шумоглушителей газотурбинных и парогазовых установок 177
3.1. Расчет типового шумоглушителя газового тракта ПТУ 177
3.1.1. Расчет исходного шума на выходе газового тракта 178
3.1.2 Расчет шумоглушителей 187
3.1.3 Практические рекомендации и информация расчетчику.. 195
3.2. Проблема долговечности и ресурса диссипативных шумоглуши телей ГТУ 197
3.2.1. Состояние вопроса и пути решения 197
3.2.2 Влияние мероприятий на показатели шумоглушения 200
3.2.3 Начальный этап накопления повреждений - данные опытов 205
3.3. Акустические свойства шумоглушителей с ячеистой облицовкой.. 210
3.3.1. Результаты экспериментов 210
3.3.2. Расчет ячеистой облицовки 221
4. Акустический расчет тепло-звукоизолирующих покрытий газовых трактов ПГУ 230
4.1. Инженерный метод расчета 230
4.1.1. Расчет теплоизоляции покрытий 230
4.1.2 Расчет звукоизоляции стенок и покрытий 232
4.1.3 Определение мощности акустических источников 240
4.1.4 Определение шума в расчетных точках 245
4.2. Компьютерная пользовательская программа расчета 249
5. Акустико-аэродинамический расчет и выбор параметров шумоглушителей сброса пара и газа высокого давления 275
5.1. Инженерный метод расчета 275
5.1.1 Расчет трубопровода 277
5.1.2 Расчет дроссельного блока 297
5.1.3 Расчет внутренней звукопоглощающей облицовки 312
5.1.4 Расчет ступени звукопоглощения 314
5.1.5 Расчет выхлопной части шумоглушителя 322
5.2. Компьютерное программное обеспечение расчета 327
5.2.1. Построение схемы трубопровода 327
5.2.2 Проектирование схемы шумоглушителя 336
5.2.3 Выполнение расчетов 341
5.2.4 Работа со справочниками 345
5.2.5 Настройка параметров и печать отчета 348
5.3. Специфика расчета шумоглушителей сброса газа с контура газотурбинных компрессорных станций 351
5.3.1. Определение режимных параметров шумоглушителя 351
5.3.2 Шумовые показатели сброса газа с контура КС 359
5.4. Разработка типовых рабочих схем и конструкций шумоглушите лей и их расчетные показатели 364
Основные результаты и выводы 375
Литература 382
- Аэроакустические автоколебания
- Прохождение шума через ограждающие конструкции
- Проблема долговечности и ресурса диссипативных шумоглуши телей ГТУ
- Компьютерная пользовательская программа расчета
Введение к работе
Изменение условий хозяйствования, возрастающая открытость отечественной экономики выдвигают новые требования к разработчикам и производителям энергетического оборудования. Растут требования к конкурентоспособности продукции, оперативности выполнения разработок.
Указанные общие обстоятельства стимулировали возрастающее внимание к проблеме расчетного обеспечения шумовых показателей создаваемого и реконструируемого оборудования. Обеспечение необходимых акустических характеристик становится неотъемлемой составляющей современных разработок. Шумовые параметры оборудования, тесно связанные с фактором эксплуатационной и экологической безопасности, в значительной мере характеризуют его качество и конкурентоспособность.
Как известно, многие рабочие процессы в энергоустановках неизбежно сопровождаются генерацией акустической энергии (шума), которая зачастую представляет угрозу безопасности и здоровью людей, оказывает негативное воздействие на состояние окружающей среды. Главные источники шума энергооборудования, вызывающие в настоящее время наибольшее внимание и демонстрируемые на схематическом примере парогазовой установки, рис. 1, характеризуются, как правило, большими значениями механической мощности, обусловленной высокими скоростями и расходами рабочей среды. Энергия порождаемого шума распространяется в окружающее пространство либо непосредственно по рабочим каналам (источники Q) - (4), (8) на схеме рис. 1), либо через стенки корпуса конструкций (источники (5), (J6), (9)).
Существует принципиально два направления решения задачи снижения шума. Первый - воздействие на сами рабочие процессы, минимизирующее порождение звуковой энергии. Второе - локализация звукового поля в зоне генерации с обеспечением энергетического стока волновой энергии при умеренных, допустимых с точки зрения технической безопасности уровнях колебаний непосредственно в специально создаваемых шумозащитных элементах конструкции.
Рис.1. Основные источники шума котлотурбинного оборудования: всас Q) и выхлоп (2) газовоздушного тракта; технологические сбросы пара (3) и газа (4) высокого давления; стенки (5) газового тракта; аэроакустические автоколебания в котельном газоходе (6); дроссельные устройства и клапана (7) паровых турбин; градирня (8); вспомогательное оборудование (9).
Оба отмеченных направления нашли свое развитие в работах отечественных и зарубежных специалистов, связанных с защитой от техногенного шума. Применительно к задаче защиты от шума стационарного энергетического оборудования значительную роль сыграли, в частности, работы, выполненные в нашей стране коллективами под руководством Ф.Е.Григорьяна (ЦКТИ), В.Г.Лысенко (ЮжВТИ), Ю.В.Ржезникова (ВТИ), Л.А.Рихтера и В.Б.Тупова (МЭИ), А.Л.Терехова (ВНИИГАЗ), Ю.П.Щевьева (ЛМЗ).
Существенное влияние на уровень и направленность разработок оказали отечественные и зарубежные исследования в смежных областях технической и теоретической акустики, проведенные под началом И.И.Боголепова (ЛИОТ), А.С.Гиневского и А.Г.Мунина (ЦАГИ), Л.М.Лямшева (АКИН),
7 А.С.Никифорова (ЦНИИ Крылова), Е.Л.Шендерова (Океанприбор),
Е.Я.Юдина (МВТУ им.Баумана), А.Каммингса (США), Л.Кремера и
М.Хекла (Германия), М.Хау (Англия).
Тем не менее, практика инженерного расчета и проектирования шумо-защитных конструкций энергооборудования до последнего времени основывалась главным образом на эмпирических и директивных соотношениях справочного характера, не обладающих необходимой общностью. При этом сохранялись существенные ограничения в части возможности учета значимого многообразия конструктивных и технологических факторов, определяющих фактические показатели акустической эффективности применяемых технических решений.
В условиях разнообразия современных подходов и решений в создании энергооборудования необходим адекватный инструментарий их полного, в том числе акустического, расчета. Недавний период высветил ряд практических проблем, требующих совершенствования теории и методов расчета шу-мозащитных конструкций турбомашин и комбинированных турбоустановок.
Так, развитие современных технологий привело к созданию новых материалов, в том числе вибро- звукопоглощающих, использование которых в практике защиты от шума в значительной степени сдерживается ограниченными возможностями известных инженерных методик их акустического расчета. Опыт эксплуатации средств защиты от шума газотурбинных установок последних десятилетий выявил проблемы увеличения долговечности звукоизолирующих элементов без ухудшения их рабочих характеристик, а также повышения эффективности низкочастотного шумоглушения выхлопного тракта. Определенные трудности возникают в вопросах предотвращения мощных аэроакустических автоколебаний в котельных газоходах. В ряде случаев требуется значительное повышение рабочих показателей средств защиты от шума сброса пара и газа высокого давления.
Необходимые решения возникающих проблем требуют модернизации или создания новых моделей и методов акустического расчета взамен разра-
8 ботанных главным образом в семидесятые годы и ориентированных на соответствующий технологический уровень расчетного обеспечения.
Последний период, характеризуемый бурным прогрессом информационных технологий, во многом изменил возможности разработчиков. Появилась практическая возможность использовать более точные физические модели для расчета шумозащитных устройств, что позволяет с большей надежностью прогнозировать акустические показатели энергооборудования на стадии проектирования, выбирать наиболее экономичные и эффективные решения. Существенно возросли также возможности экспериментальных методов исследования нестационарных процессов, порождающих колебания и шум элементов конструкций. Естественно повысились и требования к созданию малошумных устройств, соответствующих современному техническому уровню.
Отмеченные факторы способствовали заметному развитию представлений об акустических процессах в элементах энергооборудования, включая как процессы генерации шума, так и его распространения, а также соответствующего совершенствования методов акустического расчета.
Цель настоящей работы - создание комплекса методов и практических инструментов расчета и совершенствования шумозащитных конструкций турбинного и котельного оборудования, базирующегося на развитии современных физических моделей процессов генерации и распространения звуковых колебаний. Прикладная составляющая работы связана с защитой от шума энергетических газовых трактов (источники (1), (2), (5), (6) на схеме рис.1), технологических сбросов пара и газа высокого давления (источники Q) і (4)), а также дроссельных устройств и регулирующих клапанов паровых турбин (источники 7)) При этом разрабатываемые методы и практические расчетные методики носят достаточно общий характер, поскольку используемые в расчетах базовые теоретические положения исходят из фундаментальных соотношений механики и акустики.
9 В ходе выполнения работы получены новые теоретические результаты
по динамическим процессам аэродинамического шумообразования и распространения шума в элементах энергоустановок. На основании развитых физических моделей построены инженерные методики акустического расчета типовых и вновь разработанных схем шумозащитного оборудования энергоустановок, включая системы шумоглушения и звукоизоляции газовых трактов ГТУ и ПГУ, а также шумоглушителей сбросов пара и газа высокого давления. Разработанные методики в форме пользовательских компьютерных программ нашли применение на ряде ведущих отечественных предприятий энергомашиностроения при создании новых шумозащитных конструкций энергетического оборудования.
Диссертация включает пять глав, первые две из которых содержат в основном рассмотрение общих вопросов генерации и распространения звука в элементах энергоустановок, а остальные непосредственно связаны с практическими задачами расчета шумозащитных устройств.
Первая глава диссертации включает материалы исследований процессов аэродинамической генерации шума в рабочих узлах энергоустановок. Изучены вопросы генерации шума свободной турбулентностью в корпусных конструкциях, включая шумообразование в клапанах паровых турбин и ре-дукционно-охладительных устройствах. Выполнен анализ физических процессов и условий возникновения аэроакустических автоколебаний в каналах с трубчатыми теплообменниками. Проведены исследования пристеночных турбулентных пульсаций давления как динамического источника шумового возбуждения.
Во второй главе изучены физические механизмы распространения и затухания звуковых колебаний в элементах энергетического оборудования. Подробно рассмотрены вопросы снижения шума при распространении по рабочим трактам энергоустановок за счет вязко-термического поглощения в рабочей среде и структурного демпфирования стенками канала, а также влияние местных неоднородностей на распространение звука по тракту. По-
10 строєна теоретическая модель прохождения звука через многослойную преграду с учетом влияния соединительных элементов. Исследованы процессы распространения звука через типовые элементы диссипативных и дроссельных узлов шумоглушителей.
В третьей главе рассмотрены вопросы оптимизации и расчета средств шумоглушения газотурбинных и парогазовых установок. Предложена методика расчета типового шумоглушителя газового тракта ПГУ, включающая, в частности, оценку затухания шума в элементах тракта и учитывающая физические параметры используемых звукопоглощающих и защитных материалов. Рассмотрены вопросы повышения долговечности и ресурса диссипативных шумоглушителей. Исследованы акустические свойства перспективных неоднородных шумоглушителей с ячеистой облицовкой.
Четвертая глава содержит изложение практической методики акустического расчета тепло-звукоизолирующих покрытий газовых трактов ПГУ. Разработанный инженерный метод расчета учитывает температурный перепад, многослойность и неоднородность покрытия, присутствие соединительных элементов изоляции и позволяет определить шумовые показатели в контрольных точках в зоне прохождения тракта. Приведено техническое описание программного продукта, предназначенного для пользовательской реализации метода.
В пятой главе представлены обоснование рабочей схемы и методика акустико-аэродинамического расчета нового поколения шумоглушителей сброса пара и газа высокого давления, в состав которого входят как дроссельные, так и звукопоглощающие элементы. Методика реализована компьютерной программой, позволяющей пользователю выполнять оперативные вариантные расчеты аэродинамических, силовых и акустических параметров потока в сбросном трубопроводе и элементах шумоглушителя. Исследованы специфические особенности расчета шумоглушения нестационарных сбросов природного газа с контура газотурбинных компрессорных станций. Проде-
монстрированы некоторые результаты расчетов и типовые разработанные конструкции.
На защиту выносятся:
теоретические положения о процессах и источниках аэродинамического шумообразования в элементах турбинного и котельного оборудования;
теоретические положения о физических механизмах распространения и затухания звуковых колебаний в элементах энергетического оборудования;
метод акустического расчета многослойных теплозвукоизолирующих покрытий энергетических газовых трактов в присутствии соединительных элементов;
методы расчета и рекомендации по совершенствованию средств шу-мозащиты газотурбинных и парогазовых установок;
метод расчета и рабочая схема нового поколения шумоглушителей технологических сбросов пара и газа высокого давления.
Представленные в диссертации материалы были инициированы договорными работами по заказам крупных энергомашиностроительных и газотранспортных предприятий. Ряд разработок выполнен в рамках отраслевых программ научно-исследовательских работ ОАО «Газпром» 1995...2004 гг. Часть исследований поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований (грант 01-079008) и Федеральной целевой программой «Интеграция» (проект А-0030).
Аэроакустические автоколебания
Известно, что работа крупных паровых котлов сопровождается в ряде случаев интенсивным шумом и вибрациями, возбуждаемыми течением в конвективном газоходе [21, 22]. Шум, возникающий при достижении определенной производительности котла, имеет низкочастотный характер, рис. 1.12. Главный механизм возбуждения колебаний рабочей среды в газоходе связывается при этом с поперечным обтеканием размещенных в нем пакетов трубчатых теплообменников. В межтрубном потоке в теплообменниках формируются нестационарные вихревые образования, способные излучать значительную звуковую энергию. Установлено, что существуют различные виды вихревых структур, а излучаемый ими звук может на определенных режимах многократно усиливаться за счет взаимодействия со стенками газохода. Экспериментально обнаружено, что возбуждаются главным образом акустические моды, связанные с нестационарным периодическим движением среды в направлении, перпендикулярном осям труб и среднему потоку.
Наиболее распространенный метод устранения резонансных эффектов в конвективных газоходах состоит в отстройке звуковых колебаний от вихревых гидродинамических пульсаций за счет введения в трубные пакеты продольных плоских перегородок, параллельных осям труб. Опыт введения в эксплуатацию ряда последних агрегатов мощных энергоблоков показал, что имеющиеся рекомендации по размещению перегородок не всегда обеспечивают предупреждение резонансных явлений на стадии проектирования. Уточнение и обоснование рекомендаций требует более полного представления об аэроакустических взаимодействиях в конвективных газоходах, в том числе при наличии перегородок.
Характерные процессы возбуждения аэроакустических колебаний в котельных газоходах могут быть изучены на модели поперечного обтекания труб трубного пучка, размещенного в прямоугольном канале. Такая модель широкоиспользуется при теоретических и экспериментальных исследованиях динамических явлений в трубчатых теплообменниках [23, 24].
Особенность гидродинамической нестационарности в трубном пучке состоит в существовании отчетливо выраженных периодических структур, в которых сосредоточена значительная часть энергии пульсаций скорости и давления. Этот эффект проявляется уже в классическом случае обтекания одиночного цилиндра, когда взаимодействия предотрывнои зоны пограничного слоя и области потенциального течения приводит к попеременному периодическому сходу вихрей и формированию вихревой дорожки в следе за цилиндром. При нормальном обтекании одиночного ряда (решетки) цилиндров также наблюдаются периодические срывы вихрей, причем частота их при уменьшении относительного шага решетки увеличивается по сравнению с одиночным цилиндром. Нестационарные процессы в многорядной решетке - пучке труб - определяются не только срывом вихрей, но также разрушением и хаотизацией вихревых образований, взаимодействующих с расположенными вниз по потоку ря дами труб, что приводит к некоторому "размазыванию" пульсационнои энергиипо спектру. При этом в глубине пучка энергонесущие частоты во многом определяются уже балансом порождаемой и диссипируемой турбулентной энергии. Как правило, в этом течении также наблюдаются выраженные периодические пульсации скорости и давления, обусловленные движением когерентных пространственных образований в межтрубной области.
Одна из существенных особенностей вихревых периодических структур, формирующихся при обтекании, как одиночной трубы так и пучка, связана с их чувствительностью к внешним периодическим воздействиям, вибрационным и акустическим. Так, отрыв вихрей от одиночной вынужденно колеблющейся трубы [23] в значительной мере определяется частотой ее колебаний. С приближением частоты /в вибраций трубы к естественной частоте/1 срыва вихрей происходит синхронизация частот, т.е. вихри срываются с частотой колебаний трубы. Диапазон частот, в котором происходит "захватывание" частоты - зона синхронизации - расширяется по мере роста амплитуды навязываемых колебаний трубы и может лежать в диапазоне 0,7 /с / /в 1,5. Аналогичные эффектывнешней синхронизации наблюдаются в случае звукового облучения периодических гидродинамических структур при обтекании труб и трубных пучков [25]. Амплитуда гидродинамических колебаний в зоне синхронизации максимальна. На границе зоны полной синхронизации возможна частичная синхронизация, когда энергонесущие гидродинамические частоты сближаются с частотами навязываемого внешнего акустического или вибрационного поля.
Специфика аэроакустических колебаний в конвективных газоходах котлов состоит в том, что здесь главным источником периодического воздействия на течение в трубных пучках оказываются стоячие звуковые волны, порождаемые самим потоком в нестационарных вихревых структурах межтрубного пространства теплообменников. Формируемое потоком звуковое поле является при этом по сути средством слабой физической связи между элементами системы гидродинамических автогенераторов, реализуемых периодическими вихревыми
Прохождение шума через ограждающие конструкции
Достаточно часто источники шума котлотурбинного оборудования локализованы в рабочих объемах, отделенных от окружающего пространства корпусом конструкции. Одна из наиболее общих акустических моделей ограждающей конструкции - многослойное ограждение, включающее в себя несколько теплозвукоизолирующих слоев. Многослойные теплозвукоизолирую-щие покрытия весьма широко применяются в энергетическом оборудовании [128]. При этом использование новых теплозвукоизолирующих материалов и изделий применительно к задачам защиты от шума в определенной степени сдерживается ограниченными возможностями существующих инженерных методик [93] их акустического расчета. Необходимо учитывать такие факторы, как существенную разницу температур по обе стороны покрытия, физические свойства используемых материалов и тканых изделий. Кроме того, как правило, покрытие замыкается снаружи облицовочным защитным кожухом, соединительные элементы крепления которого служат дополнительным проводником звука от источника в окружающую среду. Оценка акустического влияния параметров этих соединительных элементов и плотности их размещения - необходимая часть расчета.
Ниже рассматривается задача [129, 130] прохождения звука через комбинированное многослойное теплозвукоизолирующее покрытие, ограниченное упругими пластинами (экранами), которые связаны между собой звукопроводящими соединительными элементами. Такая модель соответствует, например, схеме теплоакустической изоляции газоходов паровых котлов, когда одна из пластин моделирует стенку газохода, а другая - защитный металлический кожух. Внешние по отношению к указанному комбинированному слою среды характеризуются каждая своей плотностью р и скоростью звука с.
В качестве исходной будем использовать одномерную модель распространения звука. Комбинированный плоскопараллельный звукоизолирующий слой представляется как линейный четырехполюсник и задается характеристической матрицей [4, 39] 11В , связывающей значения пар динамических переменных - комплексных амплитуд давления р и нормальной составляющей скорости и на входе (индекс "Л") и выходе (индекс "5"). При.63)Звуковое поле во входном сечении представляет собой суперпозицию падающей (индекс "г") и отраженной (индекс "г") волн, так что
Соответственно в выходном сечении существенна лишь прошедшая через слой уходящая волна с амплитудой давления pt- рв и нормальной скорости u, = uB. Отношение амплитуд давления и скорости в указанных плоских волнах равно волновому сопротивлению W =рс соответствующей среды [131], следовательно
Здесь 6A, вв - соответственно углы падающей и прошедшей волн, связанные соотношениемС учетом выражений (2.64, 2.65) формула (2.63) может быть записана в виде соотношения которое может рассматриваться как система двух линейных уравнении для определения значений рг и pt при заданных параметрах падающей волны.Поскольку для плоских волн отнесенные к единице площади преграды то из (2.67) для заданного угла падения волны в\ непосредственно определяется, в частности, и отношениегде
Применительно к задачам звукоизоляции энергооборудования более адекватна модель распределенной по направлениям падающей волны с постоянной угловой плотностью распределения амплитуды (диффузное поле [93]), для которой приведенный поток звуковой энергии 1диф равенСоответственно поток звуковой энергии It за звукоизолирующим слоем определяется выражением
С учетом (2.66) получаем из последних двух равенств выражение для величины звукоизоляции D [93]для диффузного поля на входе: (2.73)Я = 101g = -101g %{eAtcoseAsmeAdeA4 \РвСА о Поскольку величина %t(6A) определяется равенством (2.70), расчет звукоизоляции в рамках данной модели сводится таким образом к определению компонент характеристической матрицы \\в\\ при различных углах 6А падения плоской волны.
Матрица \\в\\ многослойной изоляции равна произведению характеристических матриц 11 Z?J составляющих ее М отдельных слоев [4]
Нумерация слоев в формуле (2.74) выбрана от источника в окружающую среду. Выражения для 11 Вк \ зависят от типа слоя. С точки зрения общего вида характеристической матрицы можно выделить два типа слоев. Первый - импе-дансные слои, толщина которых много меньше характерной длины волны, характеризуются нормальным импедансом zk. Характеристическая матрица таких слоев имеет вид:тонкостенные упругие экраны.
Импеданс тканых покрытий может быть посчитан по методу [121] исходя из значений сопротивления продуванию и поверхностной массы ткани. При этом необходимо учитывать влияние температуры на сопротивление г продуванию. Полагая сопротивление микроканалов ткани линейным по скорости и продувания, можно утверждать [132], что величина г =Лр I и пропорциональна параметру fi I d (ju - вязкость среды, d - характерный диаметр микроканала) и, следовательно, зависит от температуры так же как и вязкость ц.
Импеданс экрана, рассматриваемого как изгибно колеблющаяся упругая пластина, определяется выражением [119]в котором со - угловая частота; D, т, г/ - соответственно изгибная жесткость, поверхностная масса и коэффициент внутренних потерь пластины; кх - проек
Проблема долговечности и ресурса диссипативных шумоглуши телей ГТУ
Элементы звукопоглощения в диссипативных шумоглушителях энергоустановок работают в жестких условиях непосредственного контакта волокон звукопоглощающего материала (ЗПМ) с потоком рабочей среды. Указанное обстоятельство определяет основное отличие использования волокнистых материалов в котлотурбинных шумоглушителях от большинства других приложений, таких как строительная, архитектурная и транспортная акустика, теплоизоляция и т.д.
В рабочих условиях волокнистые ЗПМ глушителей шума подвергаются разнообразным воздействиям - динамическим, тепловым и физико-химическим. В результате воздействий происходят необратимые структурные изменения ЗПМ и, как следствие, ухудшаются рабочие характеристики шумоглушителей. Особенно сильно эффекты воздействия проявляются газотурбинных шумоглушителях. При осмотрах и освидетельствованиях шумоглушителей выхлопа газотранспортных ГТУ, проработавших более пяти лет, установлены такие изменения физико-механических свойств как повышенная хрупкость волокон и значительное снижение прочности материала в целом, наличие большого количества мелкомасштабных сыпучих компонент между волокнами [164, 165]. В конечном счете, воздействие рабочей среды способно привести к полному выдуванию ЗПМ из элементов системы шумоглуше-ния, делая эту систему абсолютно неработоспособной. Такие эффекты также были отмечены [164, 165] на ряде компрессорных станций.
Таким образом, представленные факторы воздействия снижают долговечность средств шумоглушения, под которой в стандартных терминах теории надежности [166, 167] понимается свойство объекта не достигать предельного состояния в течение некоторого времени или наработки при установленной системе технического обслуживания и ремонта. При этом, состояние объекта в данном случае следует считать предельным, когда его эксплуа тация недопустима вследствие превышения в зоне работы оборудования установленных норм по шуму из-за уменьшения эффективности шумоглушения. Достижению предельного состояния как правило предшествует отказ, т.е. изменение рабочих характеристик шумоглушения более допустимого по нормативной документации. Следует отметить, что при классификации по последствиям [166, 167] отказы средств шумоглушения, создающие угрозу здоровью людей, должны быть отнесены к критическим.
При решении вопросов повышения долговечности элементов глушения шума значительное место должны занимать организационно-технические мероприятия. На стадии проектирования это прежде всего обеспечение ремонтопригодности конструкции, т.е. ее приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта [167], в частности, путем замены ЗПМ. На стадии эксплуатации важное значение имеет регламентация контроля состояния и технического обслуживания средств шумоглушения. В частности, необходима регламентация периодического контроля акустической эффективности глушителей в соответствии с действующими стандартами в области защиты от шума.
Другой путь повышения долговечности связан с замедлением процесса накопления необратимых повреждений, определяющего выработку ресурса элементов шумоглушения. Повреждения ЗПМ вызываются как механическими (усталость, изнашивание, растрескивание, накопление пластических деформаций материала волокон), так и физико-химическими (эрозия, адсорбция) процессами. Существующие модели [166] накопления повреждений позволяют сделать достаточно общие заключения о влиянии этих факторов на долговечность конструкции. Так, снижение динамического, теплового и физико-химического воздействия рабочей среды на элементы шумоглушения за счет изменения режима течения и параметров рабочего тела безусловно будет способствовать замедлению процессов накопления повреждений и повысит тем самым срок службы глушителей. Поскольку динамические воздействия рабочей среды на элементы шумоглушителя обусловлено силами давле ния и трения, а также нестационарными нагрузками, уровни которых определяются местными скоростями потока в каналах между звукопоглощающими пластинами, основной путь их снижения состоит в уменьшении местных скоростей в зоне глушителя. Существующие нормативы и рекомендации [163] ограничивают скорость потока в пластинчатом глушителе значениями 30...50 м/с. Такие уровни скоростей могут обеспечиваться за счет за счет выбора достаточных поперечных габаритов, организации равномерного потока на входе, аэродинамического совершенствования входных обтекателей пластин. Имеет значение также место расположения шумоглушителя в тракте. Так, для снижения тепловых и физико-химических воздействий в выхлопном тракте ГТУ целесообразно размещение глушителя в зоне выходного сечения за системами регенерации тепла выхлопным газом. Соответственно, во всасывающем тракте ГТУ следует стремиться к тому, чтобы шумоглушитель размещался как можно дальше от входного сечения, за системами очистки и подогрева воздуха
Значительный резерв повышения долговечности элементов шумоглу-шения связан с модернизацией собственно конструкции шумоглушителей. Соответствующие мероприятия включают в себя как усиление защиты от воздействия рабочей среды на волокна ЗПМ путем уплотнения защитной ткани и (или) уменьшения степени перфорации экрана звукопоглощающей облицовки, так и использование ЗПМ со специальными технологическими свойствами. Рассмотрение стандартных моделей накопления повреждений [166, 167] указывает на положительное влияние увеличения характерных размеров волокон ЗПМ и его плотности на долговечность устройства. Дополнительная возможность уменьшения динамического воздействия рабочей среды состоит в снижении характерного скоростного напора, которое в рамках заданных габаритов может быть реализовано путем увеличения относительного свободного сечения между элементами шумоглушения.
Для оценки перспективности отмеченных технических мероприятий по повышению долговечности элементов шумоглушения ГПА прежде всего не обходимо выяснить, в какой мере они влияют на рабочие акустические свойства глушителей. Тем самым можно определить допустимые пределы изменения характеристик системы шумоглушения и сформулировать соответствующие рекомендации. Именно такой подход применен нами при решении рассматриваемой задачи. 3.2.2. Влияние мероприятий на показатели шумоглушения.
Оценка воздействия изменений параметров конструкции, связанных с повышением долговечности, на эффективность шумоглушения [112, 125] проводилась расчетным путем. В качестве базового принят пластинчатый глушитель длиной 4 м, с толщиной пластин 200 мм, просвет между пластинами - 200 мм. Базовое защитное покрытие: ткань с поверхностной плотно-стью m = 0.3 кг/м и сопротивлением продуванию г = 180 Па-с/м и перфорированный экран толщиной 1 мм с отверстиями диаметром 6 мм, расположенных с шагом 8мм (коэффициент перфорации 0.44). Использовалась компьютерная программа, реализующая решение точных уравнений акустики в рамках моделей [121] щелевого канала с локально реагирующими стенками (модель Морса) и слоисто-неоднородного волновода.
Компьютерная пользовательская программа расчета
В данном разделе представлено техническое описание разработанного программного комплекса "Акустический расчет газовых трактов ПГУ", предназначенного для моделирования акустических процессов с расчетом основных параметров шума на выхлопе и в зоне прохождения тракта.
Программный комплекс позволяет выполнять расчеты в соответствии с инженерными методиками, изложенными в пунктах 3.1 и 4.1.
После установки программы на компьютер пользователя, на рабочемстоле монитора и в стартовом меню появляется иконка приложения WjM При запуске приложения устанавливается свободное главное окно, в которое загружается последняя редактировавшаяся схема тракта. Главное окно, рис.4.3, включает в себя следующие компоненты. Расположенные в верхней части главное меню и панель инструментов для осуществления общих операций при работе с программой, см.п.4.2.4.Рис.4.4. Главное меню и панель инструментов Несколько ниже располагается трехэлементная область графического отображения интегральных характеристик газового тракта, рис.4.5...4.7,включающая параметры шума во входном и выходном сечении, а также поэлементный состав тракта.
В левой части области, рис.4.5, схематически отображаются шумовые характеристики во входном сечении тракта.Показываются значения уровней звуковой мощности шума в стандартных октавных полосах частот и в полосе А. Кроме того, здесь дается информация о способе задания представляемых входных параметров шума, см.п.4.2.2. При выделении схемы левой кнопкой мыши в рабочей области приложения, см. ниже в этом пункте, отображается более подробная информация по входным параметрам шума.На схеме тракта, рис.4.6, отображаются все его существенные составляющие, а также главные характеристики элементов расчетной схемы.
Все однотипные элементы схемы имеют порядковый номер. Собственно для участков тракта схематически отображается тип участка и наличие изоли рующего покрытия. Для пакетов котла-утилизатора отображается наличие изолирующего покрытия. Желтым цветом указывается расположение компенсаторов. В верхней части показано расположение на участках шумоглушителей. В нижней части показано расположение элементов тракта по помещениям. При щелчке левой кнопкой мышки на элементе тракта происходит его выделение и отображение в рабочей области приложения.В правой части области, рис.4.7, схематически отображаются шумовые характеристики во выходном сечении тракта.
Здесь графически отображаются рассчитанные уровни звукового давления в стандартных октавных полосах частот и уровень звука и в полосе А на выходе тракта, которые соотносятся с соответствующими заданными требованиями по шуму. При выделении схемы левой кнопкой мыши в рабочей области приложения отображается более подробная информация по выходным параметрам шума. Отображение исходных и расчетных параметров выделенного элемента может осуществляться на нескольких листах рабочей области, рис.4.8. (подробнее см. п.4.2.3). главном меню, п.4.2.1, выбирается пункт «Файл / Создать» или нажимается кнопка «Создать». После этого формируется базовая схема тракта со следующими параметрами: одно помещение "Открытое пространство" с максимально возможными габаритами котел-утилизатор с одним пакетом один участок типа "Цилиндр" - выходная труба тракта
Далее, при построении расчетной схемы, для редактирования таблицы однотипных элементов используется панель инструментов дерева элементов тракта, рис.4.8, 4.8а:
Значения кнопок в панели следующие: добавить объект изменить объект удалить объект переместить объект на ступень вверх по списку переместить объект ступень вниз по спискуЧтобы изменить объект, можно также дважды щелкнуть левой кнопкой мышки по соответствующей строке в таблице. Исходные параметры задаются в открывающихся при добавлении или изменении объекта окнах ввода данных. Задание входных параметров шума.
Задание параметров шума на входе осуществляется в специальном окне ввода, рис.4.9, вызываемом двойным щелчком левой кнопкой мыши на соответствующей ветке «параметры входа» дерева рис.4.8.Существуют две возможности задания шума на входе: непосредственным вводом значений по частотам по параметрам последней ступени турбины. Тип задания уровня шума на входе ; Параметры турбины Расход, кг/сЧисло оборотов ротора, об/сЧисло рабочих лопаток
При задании шума по частотам необходимо указать уровни звуковой мощности шума на каждой октавной частоте. В случае задания шума по параметрам турбины вводятся указанные на рис.4.9 параметры последней ступени и расчет октавных уровней производится автоматически. Требования но шуму на выходе тракта .Для оперативной оценки эффективности используемых шумоглушите
