OBNIŻENIE HAŁASU WENTYLATORA PRZEZ ZASTOSOWANIE REZONATORA W OBUDOWIE SPIRALNEJ

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 118

1993 Nr kol. 1221

Krystyna DYSZLEWSKA Jan KĘDZIERZAWSKI

Instytut Techniki Cieplnej, Łódź

OBNIŻENIE HAŁASU WENTYLATORA PRZEZ ZASTOSOWANIE REZONATORA W OBUDOWIE SPIR A LN EJ

S tr e sz c z e n ie . Przedstaw iono sposób obniżenia to n u łopatkowego w en ty latora promieniowego z zastosow aniem różnego ty p u rezonatorów w języczku obudowy spiralnej. U zyskano znaczne obniżenie poziomu h a ła su w lotu i w ylotu w entylatora. Przeprow adzone b ad an ia pozwoliły sprecyzować w arunk i doboru rezonatorów dla różnych w entylatorów prom ieniow ych.

FAN NO ISE REDUCTIO N BY APPLICA TIO N OF RESONATOR IN SCROLL CASING

Sum m ary. The way of blades tone reduction of centrifugal fan w ith th e application of defferent resonators in scroll casing cut off was presented. The significant noise level reduction of fan in le t and outlet w as achiewed. The investigations enabled to determ ine th e conditions of reso n ator selection for different centrifugal fans.

GEBLÄSELÄRMDÄMMUNG MIT D E R BENU TZU NG E IN E S RESO  NATOR IM SPIRALG EH ÄUSE

Z u sam m en fa ssu n g . E ine M ethode zur E rn iedrigu ng des Schaufelschalls im R ad ialventilator m ittels verschiedenen Resonatoren in der Zunge des S piralgehäuse w urde dargestellt. B edeutende Lärm dem m ung am E ingang un d A usgang des V entilators w urde erreicht. D urchgeführte U ntersuch u ng en e rla u b te n die H inw eise für die A nnahm e der R esonatoren fü r verschiedene R adialventilatoren darzustellen.

(2)

26 Krystyna Dyszlewska, Jan Kędzierzawski

1. W STĘP

Zagadnienie hałaśliw ości w entylatorów n ab ie ra obecnie coraz większego znaczenia ze względów ekologicznych. Postęp b ad ań n a d wpływem h ałasu n a organizm ludzki pozwolił stwierdzić, że długotrw ałe przebyw anie w pomiesz

czeniach o wysokim poziomie dźwięku powoduje nie tylko trw ały ubytek słuchu, ale wywołuje także nieodw racalne zm iany w ew nętrzne i bardzo nieko

rzystnie wpływa n a sta n psychiczny człowieka.

Zm niejszenie poziomu h a ła su w entylatora m ożna osiągnąć m etodą czynną lub bierną.

M etoda bierna polega n a odpowiednim doborze w enty latora do sieci w enty

lacyjnej oraz n a stosow aniu cichobieżnych w entylatorów . Sposób te n wymaga perspektywicznego spojrzenia n a zagadnienie pracy w entylatora jako źródła aeroakustycznego.

W przypadku m etody biernej w entylator uzupełniany je s t tłum ikam i ak u stycznym i (po stronie ssącej i tłoczonej) oraz osłoną akustyczną (dźwiękochłonną lub dźwiękochłonno-izolacyjną) n a części napędowej, skrzy

ni i kanałach.

2. WENTYLATOR PROMIENIOWY JAKO ŹRÓDŁO HAŁASU

H ałas w entylatora w sposób ścisły zw iązany je s t z prędkością obwodową u 2 kraw ędzi łopatek n a średnicy D 2. Można go podzielić n a dwie grupy:

- h ałas m echaniczny, spowodowany p racą części m echanicznych,

- h ałas aerodynamiczny, wywołany przepływem czynnika przez w entylator.

Moc akustyczna h a ła s u m e c h a n ic z n e g o Lp = u 2,3. Elem enty konstrukcyj

ne w entylatora pobudzane są do drgań przez ru ch obrotowy koła wirnikowego.

D rgania te przenoszone są przez elem enty konstrukcyjne w entylatora, two

rząc w jego otoczeniu pole fal powietrznych. W przypadku wad instalacji w entylatora (wadliwych łożysk, złego wyw ażenia w irnika, niecentryczności sprzęgła, wadliwego połączenia elem entów itp.) przy prędkościach rezonanso

wych h a ła s m echaniczny może stać się czynnikiem dominuj ącym.

H a ła s a e r o d y n a m ic z n y je s t głównym źródłem h a ła su w entylatora i moż

n a go podzielić n a dwie grupy:

- h a ła s turbulencyjny,

- h ałas wywołany niejednorodnością strum ienia.

H a ła s tu rb u len cy jn y , o widm ie szerokopasmowym, spowodowany jest nieustalonym przepływem przez w entylator. Burzliwość przepływ u powoduje

(3)

Obniżenie hałasu wentylatora. 27

lokalne zm iany ciśnień, nie tylko w sam ym przepływie, ale również n a omy

wanych powierzchniach. Podstaw ow a częstotliwość h a ła su turbulencyjnego określana je s t zależnością:

. _ S h w D

gdzie:

Sh - w artość liczby S trouhala, w - prędkość om yw ania elem entu,

D - charakterystyczny w ym iar elem entu.

Natom iast fale dźwiękowe, k tóre rozchodzą się w otoczeniu w wyniku przepływu turbulencyjnego, są w postaci fal drugiego rzędu (tzw. quadropole), o poziomie mocy związanej z prędkością obwodową w irn ika, wyrażonej zależ

nością L pt~ u 8. Oprócz częstotliwości podstawowej w ystępu ją również h arm o  niczne wyższego rzędu.

H ałas w y w o ła n y n ie je d n o r o d n o śc ią s tr u m ie n ia w ystępuje w w entyla

torach promieniowych, przy przechodzeniu kraw ędzi spływ u łopatek przez języczek, gdzie w w yniku ustalonego ru ch u obrotowego w irn ik a k ą t położenia krawędzi łopatki, a zatem i siła oddziaływ ania łopatki n a czynnik w pobliżu języczka, ulega okresowym zmianom.

Częstotliwość podstaw owa tych zm ian f 2 jest rów na częstotliwości wchodze

nia łopatek w irnika w obszar zmian prędkości przepływu (ciśnień) w pobliżu języczka. Częstotliwość f 2 = zwn nazw an a je s t częstotliwością łopatkow ą w irn ik a lub częstot

liwością obrotową.

Okresowo zm ienna siła wy

n ikająca z oddziaływ ania ło

p a tk i n a czynnik w pobliżu ję zyczka je s t źródłem h a ła su od niejednorodności strum ienia, wywołująca fale akustyczne o dwóch poziom ach mocy: rzędu zerowego (tzw. monopole) o po

ziomie mocy L pn = u 4 oraz rzę

du pierwszego (tzw. dipole) o Rys. 1. Widmo mocy akustycznej hałasu od niejedno- Poz' o m ^c m Ocy -^pn u

rodności strum ienia w wentylatorze widmQ m akustycznej Fig. 1. Acoustic noise power spectrum in function of h a ła su od niejednorodności

unstable stream of investigated fan stru m ie n ia w w entylatorze m a

(4)

w yraźny c h a ra k te r dyskretny, składający się z tonów o częstotliwościach będących wielokrotnościam i prędkości obrotowej w irnika (rys. 1). Przebieg zm ian poziomów mocy poszczególnych źródeł h a ła su w funkcji prędkości obro

towej w irnika w entylatora przedstaw iono n a rys. 2.

Rys. 2. Zakres dominacji poszczególnych źródeł w hałasie wentylatorów: 1 - hałas wypadko

wy, 2 - hałas turbulencyjny (quadropole), 3 - hałas niejednorodności (dipole), 4 - hałas niejednorodności (monopole), 5 - hałas mechaniczny

Fig. 2. Range of fan’s noise sources

Przeprowadzone w Instytucie b adan ia k ilk u set w ariantów wentylatorów modelowych [3] pozwoliły n a przeprow adzenie oceny wpływu param etrów konstrukcyjnych w entylatora n a poziom em itowanego h ałasu . Szczególnie wnikliwie analizowano p a ra m etr konstrukcyjny, decydujący o wielkości tonu łopatkowego w entylatora, to je s t prom ień języczka R 2 i jego odległość od koła wirnikowego dR/R2.

Przeprow adzona analiza wyników pom iarów aeroakustycznych modeli w entylatorów pozwoliła n a sform ułowanie następujących wniosków:

a) odległość języczka i koła wirnikowego pow inna spełniać w arunek:

dR /R 2 ~ 0,2,

(5)

b) promień zaokrąglenia języczka powinien spełniać dla v = 1,4 (rys. 3) warunek:

0,01 > d R / R 2 > 0,2.

W '

Rys. 3. Wpływ promienia zaokrąglenia języczka na poziom hałasu Fig. 3. Cut off radius on sound level effect

3. ZMIANA IM PEDANCJI AKUSTYCZNEJ JAKO METODA BIERNEGO OGRANICZENIA TONU ŁOPATKOWEGO

Ograniczenie tonu łopatkowego w entylatorów prom ieniowych m ożna uzy

skać przez zm ianę (lub odpowiedni dobór) elem entów konstrukcyjnych w enty

latora lub przez zm ianę rozkładu pola akustycznego w ew nątrz jego obudowy, co praktycznie sprow adza się do zm iany im pedancji akustycznej. U zyskuje się to przez zm ianę impedancji:

- wew nętrznej obudowy w entylatora, - wej ścia-wyj ścia kanałów w entylacyjnych, - w okolicy języczka.

(6)

Do grupy m etod bazujących n a zm ianie im pedancji akustycznej należy obniżenie tonu łopatkowego, opracowane dla w entylatora promieniowego przez N eise’a i Koopmana. Źródłem tonu łopatkowego są w ew nętrzne koncen

tracje przepływ u wokół języczka. Obniżenie to n u łopatkowego m ożna uzyskać n a drodze zm iany oddziaływania pow ietrza wypływającego z w irn ika n a część asym etryczną obudowy w entylatora, zw aną języczkiem. A utorzy zapropono

wali ograniczenie tonu łopatkowego przez m ontow anie rezonatora w miejsce tradycyjnego języczka. W zależności od konstrukcji rezo nato ra (przy założeniu że w entylator pracuje w punkcie optymalnym ), uzyskali znaczne (kilkude- cybelowe) obniżenie w artości tonu łopatkowego oraz obniżenie szum u w enty

lato ra (rys. 4).

Rys. 4. Charakterystyka akustyczna wentylatora z rezonatorem: 1 - poziom SLP, 2 - po

ziom Z, 3 - poziom drugiej harmonicznej

Fig. 4. Acoustic charakteristic of fan with resonator: 1 - SPL level, 2 - A level, 3 - second harmonic level

4. OBNIŻENIE TONU ŁOPATKOWEGO WENTYLATORA W PW -40/1,8

N a podstaw ie publikacji [1] podjęto w Instytucie próby elim inacji tonu łopatkowego w w entylatorze W PW -40/1,8.

(7)

O bniżenie hałasu wentylatora. 31

4.1. S to is k o i w arunki p o m ia r o w e

Stoisko do badania w entylatora zostało ta k zaprojektow ane, aby umożliwić przeprow adzenie pełnych pom iarów akustycznych, przy jednoczesnej kontroli w arunków przepływowych. Laboratorium aku sty k i ITC sk ład a się z dwóch bliźniaczych komór pogłosowych oraz kom ory bezechowej, dzięki czem u moż

n a wykonywać pomiary w w aru n k ach pola dyfuzyjnego oraz w w arun kach pola swobodnego. Komory te poprzez p rzestrzen ie wyrównawcze m ogą two

rzyć zam knięty układ pomiarowy (rys. 5). W entylator z układem rezonatorów

Rys. 5. Schemat stoiska pomiarowego z badanym wentylatorem: 1 - komory pogłosowe, 2 - komora wyrównawcza, 3 - komora bezechowa, 4 - wlot wentylatora z układem dławiącym, 5 - kanał wlotowy, 6 - badany wentylator z zespołem rezonatorów, 7 - kanał wylotowy, 8 - walec Thomasa, 9 - tuba akustyczna, 10 - mikrofon pomiarowy, 11 - analizator, 12 - rejestrator poziomu, 13 - układ do regulacji prędkości obrotowej, 14 - m anometr różnicowy,

15 - układ pomiarowy walca Thomasa Fig. 5. Scheme of investigated fan

(8)

umieszczono w prawej komorze pogłosowej, a wlot lem niskatow y z zestawem przesłon dławiących w lewej komorze. Wylot w en tylatora wyprowadzono do komory bezechowej. Końcowym elem entem stoiska je s t tu b a akustyczna, um ożliw iająca dopasowanie im pedancji w ew nętrznej do im pedancji otoczenia.

Podstawowym elem entem konstrukcyjnym zmodernizowanego w entylato

r a był zespół rezonatorów, umieszczonych w języczku obudowy spiralnej.

Należy podkreślić, że obrys obudowy spiralnej i in n e elem enty geometryczne w entylatora nie uległy zmianie. K onstrukcja rezonatorów um ożliw iła zm iany następujących param etrów : długość, k ą t nachylenia, dobroć perforowanej przesłony i im pedancji rezonatora n a skuteczność tłu m ik a (pod względem w artości i zakresu częstotliwości).

Pom iary akustyczne odpowiadały m aksym alnej spraw ności w entylatora.

Sygnał akustyczny przesyłany do dw ukanałowego an a liza to ra FFT typ 2034, firm y Bruel& Kjaer, umożliwiającego wykonyw anie pom iarów o dużej roz

dzielczości widm a. Równocześnie możliwe było określenie funkcji korelacji między wielkością akustyczną i param etrem przepływu. N a ek ranie oscylo

skopu oceniano wpływ zm iany konstrukcji tłu m ik a n a jego spektrum .

4.2. P o le a k u sty c z n e w o k o lic y ję z y c z k a w e n ty la to r a fa b r y cz n e g o

W celu określenia rozkładu ciśnienia akustycznego w ew nątrz obudowy, w okolicy języczka, wykonano sondowanie. Pom iary w ykonano dla zakresu (0 -=- 800) Hz, stosując mikrofon pomiarowy 1/8" (firmy B&K). Określono po

ziom ciśnienia akustycznego pierwszej i drugiej harm onicznej, przy w yzw ala

n iu synchronicznym dla prędkości 1500 m in-1. W yniki (rys. 6) obrazują znacz

ne zróżnicowanie poziomu ciśnienia akustycznego wzdłuż szerokości języczka.

Poziom ciśnienia akustycznego pierwszej harm onicznej dla otworów n r 5 -i- 8 wyniósł L ~ 121 dB, a dla otworów n r 1 + 4 jedynie L ~ 105 dB. W rozkładzie dla drugiej harm onicznej w ystąpiła znaczna dom inacja otworu n r 6 (L = 110 dB) przy praktycznie jednakowej w artości dla pozostałych punktów.

4.3. D ob ór r e zo n a to r ó w ć w ie r ć fa lo w y c h

Oddziaływaj ąc zew nętrznym polem akustycznym n a w aru n k i generacji fal akustycznych w w entylatorze promieniowym, m ożna uzyskać obniżenie pozio

m u ciśnienia akustycznego częstotliwości przejścia łopatki. Ja k o zew nętrzne

go pola akustycznego użyto rezonatora ćwierćfalowego o w ym iarach poprze

cznych, dopasowanych do wymiarów spirali w entylatora.

(9)

O bniżenie hałasu wentylatora. 33

kolejny otwór sonetowi nia Rys. 6. Poziom ciśnienia akustycznego w okolicy języczka: 1 - pierwsza harmoniczna,

2 - druga harmoniczna

Fig. 6. Acoustic pressure level near cut off: 1 - first harmonic, 2 - second harmonic

W rezonatorze ćwierćfalowym zjawisko rezon an su w ynika z sum ow ania się fal o zgodnych fazach, przy wielokrotnym odbiciu w ew nątrz rezonatora. N aj

w iększa skuteczność wystąpi dla częstotliwości określonych wzorem:

(10)

fre z = '

Tl + 1(¿rez + a )

gdzie:

c - prędkość dźwięku,

¿rez - biern a długość rezonatora,

a - popraw ka uw zględniająca w aru n k i propagacji fal, n = 1 , 2 , 3 .

Jednocześnie sprawdzono w aru n ek ciągłości im pedancji rezonatora, który powinien spełniać zależność:

•^rez t g (^rez

gdzie:

zf - impedancj a falowa,

X - długość fali dla częstotliwości rezonansowej.

W celu pełnej oceny skuteczności proponowanego rozw iązania rezonatora w języczku w entylatora przeprowadzono b ad an ia akustyczne dla różnych pręd

kości obrotowych, w zakresie 900 + 1500 m in-1, uzyskując jednocześnie zm ia

nę tonu łopatkowego w przedziale 180 300 Hz. Zm ienna prędkość obrotowa narzuciła odpowiednią zm ianę zak resu długości rezonatora.

M iarą skuteczności rozw iązania je s t obniżenie skorygowanego poziomu mocy akustycznej po stronie w lotu i wylotu w entylatora, w odniesieniu do pom iarów w entylatora fabrycznego (rys. 7).

Zam ontow any w języczku rezonator pozwolił n a obniżenie ciśnienia ak u sty cznego n a wlocie i wylocie w entylatora. E fekt akustyczny n a wylocie je s t większy, a skuteczność u kładu je s t w iększa, im długość rezonatora je s t b a r

dziej zbliżona do długości, odpowiadającej częstotliwości dyskretnej. D la nie

których kom binacji (długość rezonatora — prędkość obrotowa) w entylatora na ssan iu w ystąpiło niekorzystne zjawisko wzm ocnienia h a ła su wlotu, np. dla 200 Hz w ystąpił wzrost h a ła su wlotu o 6,3 dB, przy obniżeniu h a ła su wylotu o 5,4 dB.

B adania akustyczne w entylatora W PW -40/1,8 uzupełniono pom iaram i przepływowymi (dla prędkości 1500 m in-1). W porów naniu z w entylatorem fabrycznym zaobserwowano niew ielkie obniżenie jego spraw ności, o około 3%

(rys. 8). Spowodowane to było perforacją języczka obudowy spiralnej.

(11)

20

10

ALpAfdBJ

wylot

wlot

900 1020 1VO 1260 1380 1500 niobem]

Rys. 7. Obniżenie skorygowanego poziomu mocy akustycznej wlotu i wylotu wentylatora z tłumikiem

Fig. 7. Inlet and outlet acoustic power for fan w ith silencer

5. PODSUMOWANIE

Przeprowadzone bad ania potwierdziły, że rezon ato r ćwierćfalowy zam onto

w an y w języczku obudowy spiralnej pozwala przy niew ielkich zm ianach kon

strukcyjnych n a uzyskanie znacznego ograniczenia em isji h a ła su po stronie wylotu. Skuteczność uk ładu zależy od doboru p aram etró w konstrukcyjnych tłum ika. Należy pam iętać, że rezonans w łasny w ystępuje n a sk u te k sum ow a

n ia się fal o jednakow ych fazach. W ypadkowy w skaźnik pow rotu fali ak u sty cznej, zwany współczynnikiem tłum ienia, je s t funkcją:

r(co)= F(ĄV R „ X r,Zot)

(12)

Rys. 8. Charakterystyka przepływowa wentylatora z tłumikiem: 1 - wentylator fabryczny, 2 - wentylator z tłumikiem

Fig. 8. Flow charakteristic for fan with silencer: 1 - industrial fan, 2 - fan with silencer

(13)

Obniżenie hałasu wentylatora.. 37

gdzie:

x r R r - impedancj a rezonatora, R p - rezystancja promieniowania, z ot - im pedancja otoczenia rezonatora.

W szystkie powyższe param etry wpływają n a skuteczność tłu m ika. Im pe

dancja otoczenia rezonatora narzucona jest ko n stru k cją obudowy w entylatora i praktycznie nie m ożna jej zmieniać. Zmieniać m ożna pozostałe param etry.

Rys. 9. Zmiana poziomu dźwięku wentylatora WPW—40/1,8: 1 - wentylator fabryczny, 2 - wentylator z tłumikiem wersja 5, 3 - wentylator z tłumikiem wersja 11 Fig. 9. Change of sound level for WPW-40/1,8 fan: 1 - industrial fan, 2 - fan with silencer,

version 5, 3 - fan with silencer, version 11

(14)

Rezystancję prom ieniow ania wylotu rezonatora m ożna z pewnym przybli

żeniem potraktow ać jako prom ieniow anie m em brany tłokowej, drgającej w nieskończenie wielkiej odgrodzie, zgodnie z zależnością:

J i(2kr) - funkcja Bessela pierwszego rzędu.

Przedstaw ione wyniki b adań należy traktow ać jako poznawcze. Badając fabryczny w entylator W PW -40/1,8, sprawdzono możliwość z n a c z n e g o o b n i

ż e n ia e m ito w a n e g o h a ła s u (rys. 9), jed n a k dla uzyskania pełnego sukcesu należałoby spraw dzić skuteczność rozw iązań w innych w entylatorach prom ie

niowych. U zyskane wyniki pozwoliłyby sprecyzować w aru nk i doboru tłu m i

ków w języczku dla różnych wentylatorów .

LITERATURA

[1] Neise W., Koopman G. H.: Resonators in centrifugal fans, Jo u rn a l of Sound and V ibration, vol. 82, 1982.

[2] Dyszlewska K.: Tłum iki rezonansowe w entylatorów promieniowych du żych mocy z rezonatorem umieszczonym w języczku obudowy spiralnej - wytyczne do projektow ania, Spraw ozdanie ITC n r ewid. 5194, 5424, 5633, 5699 (nie opublikowane), Łódź, 1986 - 1989.

[3] Kędzierzaw ski J., Dyszlewska K.: O wpływie w skaźników bezwym iaro

wych n a aeroakustyczne właściwości w entylatorów promieniowych, Ze

szyty Naukowe „Cieplne M aszyny Przepływowe”, z. 103, Łódź 1993.

gdzie:

P k

r prom ień hydrauliczny wlotu rezonatora, oporność w łasna przesłony rezonatora, liczba falowa,

(15)

O bniżenie hałasu wentylatora.. 39

A b str a c t

T his paper p resents a way of reducing th e blade tone of th e centrifugal fan by th e application of different types of reso n ato rs in th e scroll casing cut offs.

T he level of noise w as significantly reduced both on th e in le t and outlet. The te s ts enabled to determ ine th e conditions of reso n ato r selection for different ty p es of centrifugal fans.

T he resu lts of te sts should be further verified. D uring te s ts on W PW -40/1.8 fan th e possibility of significant noise reduction w as checked (see figure 9).

F u rth e r experim ents would have to be carried out on o th er centrifugal fan types to fully appreciate th e efficiency of th is solution, w hich is m ainly d ep en dent on th e adequate selection of th e silencer s tru c tu ra l p aram eters.