Hałaśliwość właściwa wentylatora wysokociśnieniowego z kierownicą wlotową

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 118

1993 Nr kol. 1221

S ta n isław FORTUNA

Z akład M aszyn i U rządzeń Energetycznych A kadem ia Górniczo-Hutnicza, Kraków W itold OLEJARCZYK

O lk uska Fabryka W entylatorów „Owent”, Olkusz

HAŁAŚLIWOŚĆ WŁAŚCIWA WENTYLATORA

WYSOKOCIŚNIENIOWEGO Z KIEROWNICĄ WLOTOWĄ

S treszczen ie. W arty kule przedstaw iono w artości hałaśliw ości w ła

ściwej w entylatora wysokociśnieniowego w p u n k tac h optym alnej pracy 0 zróżnicowanym kręcie gazu napływ ającego do w ieńca łopatkowego.

Zm ienny kręt realizow ano za pomocą osiowego a p a ra tu kierowniczego.

A p arat kierowniczy obok języczka obudowy spiralnej w isto tn y sposób wpływa na głośność w entylatora. Hałaśliwość w łaściw a L w punkcie optymalnym zależy od stopnia zaw irow ania stru g i i wynosi 43 dB dla zerowego kąta łopatek kierownicy do 55 dB dla k ą ta 70 stopni. W oto

czeniu punktu optym alnego poszczególnych krzyw ych zaw irow ania h a łaśliwość nieznacznie się zm ienia. W przedziale pracy w yrażonym sto

sunkiem V /V równym 0,7 do 1,3 przyrost L wynosi od 1 do 3 dB.

Hałaśliwość w łaściw a wyznaczona w bad an iach w łasnych je s t zm ienna 1 osiąga wartości niższe od wartości stałej zaproponowanej przez Beranka.

SPE C IFIC NO ISINESS OF A HIGH P R E SSU R E FA N BY CONTROLLING THE SWIRL AT THE INLET

Sum m ary. The pap er p resen ts th e values of th e specific noisiness of high pressure fans in th e points of optim um operation a t variable gas spin reaching th e blade rim . The variab le spin w as obtained w ith th e use of axial guide vanes. The guide vanes, tog ether w ith th e cut - off of th e spiral casing, significantly influences th e noisiness of th e fan. The specific noisiness L in th e optim um point depends on th e degree of the stream spin and equals from 43 dB for a zero angle of th e guide vanes to 55 dB for th e angle of 70 degrees. The noisiness varies insignificantly around th e optim um point of a p a rticu la r spin curve. W ithin th e range of operation expressed by th e ratio V / V equaling 0,7 to 1,3 increase LN ranges between 1 to 3 dB.

(2)

54 Stanisław Fortuna, Witold Olejarczyk

D E R EIGENLÄRM EIN ES HOCHDRUCKVENTILATORS MIT EINTRITTSLEITRAD

Z u sam m en fa ssu n g . Es w urden die W erte des E igenlärm s des H ochdruckventilators in den P u n k ten optim aler A rbeit m it veränderlichem D rall am S ch au felrad ein tritt dargestellt. Die V eränderlichkeit des D ralls w urde m it Hilfe eines axialen L e itrad a p p a rat realisiert. Der L eitap p arat zusam m en m it der Zunge des Spiralgehäuse h a t einen bedeutenden Einfluß a u f den V entilatorlärm . Der Eigenlärm L im optim alen A rbeitspunkt h än g t von dem W irbelgrad der Ström ung ab u n d b e trä g t von 43 bis 55 dB. Im A rbeitsbereich V /V 0,7 bis 1,3 der A nstieg von L von 1 bis 3 dB ist. Der gem essene Eigenlärm ist veränderlich u n d k leiner als die konstante W erte von Beranek.

1. WPROWADZENIE

Z agadnienia akustyczne kierownic wlotowych są m ało rozpoznane. Wloto

wy a p a ra t kierowniczy steruje kątem napływ u stru g n a wieniec w irnika, a przez to pozwala regulować osiągi w entylatora. N a sk u tek przecinania strug gazu napływającego do w irnik a przez jego łopatki w ytw arza się duży h ałas zwany hałasem w irow ania w odróżnieniu od h a ła su m echanicznego i tu rb u lencyjnego. H ałas ten zależy od kątów u staw ien ia łopatek kierownicy. Istn ie jące w litera tu rz e wzory do obliczania poziomu mocy akustycznej wypromie- niowanej przez wlot lub wylot w entylatora nie pozw alają przewidywać h ałasu w entylatora pracującego z kierownicą. Znany i spraw dzony wzór B eranka określa poziom mocy akustycznej wyprom ieniowanej w optym alnym punkcie pracy dla stru g niezawirow anych, przy czym istn ieją rozbieżności poglądów co do tego, jak ie w artości hałaśliw ości właściwej przyjmować w tym wzorze.

Jed n i uw ażają, że hałaśliw ość właściwa w punkcie optym alnym je s t s ta ła dla różnego typu wentylatorów. B eranek proponuje przyjmować zawsze jed n ą w artość T ^ rów ną 57+4 dB. Inni sądzą, że zależy ona od w skaźnika szybko- bieżności, czyli od rodzaju schem atu aerodynam icznego w irnika. Takiego zda

n ia je s t między innym i Bommes.

Praw dziw y dylem at pojawia się, gdy zachodzi potrzeba określenia mocy akustycznej w entylatora współpracującej z kierow nicą wlotową przy zm ienia

jących się zawirowaniach. W litera tu rz e nie spotyka się żadnych danych dotyczących tego problem u, a m a on istotne znaczenie szczególnie w jedno

stkach dużych, gdzie kierownica je s t często jed y n ą m etodą regulacji p aram e

trów w entylatora, ja k i całego system u technologicznego. Hałaśliwość w enty

(3)

Hałaśliwość właściwa wentylatora. 55

latorów bardzo w yraźnie w z ra sta w raz ze w zrostem k rętu , zwłaszcza w w en

tylatorach wysoko obciążonych mocą.

W katalogach fabrycznych nie podaje się danych akustycznych dotyczących kierownic, przez co dobór tłum ików i projekty dotyczące izolowania system u mogą być błędne, gdy przyjm ie się dane akustyczne dla w en tylato ra bez kierownicy. Doświadczenia w skazują n a w zrost h a ła su w raz z zawirow aniem nawet do 10 dB. Pominięcie więc takiego fak tu nie je s t dopuszczalne.

Celem arty k u łu je s t wyznaczenie w artości hałaśliw ości właściwej ze wzoru Beranka n a podstaw ie eksperym entalnych danych akustycznych w entylatora wysokociśnieniowego (a = 0,13) uzyskanych dla obszernego zakresu krętów.

Opracowanie w ykresu w artości hałaśliw ości właściwej w funkcji k ą ta u s ta wienia łopatek a p a ra tu kierowniczego albo w skaźn ika szybkobieżności będzie pewnym uogólnieniem pozwalającym obliczać moc ak usty czną (właśnie ze wzoru Beranka) innego, lecz również wysokociśnieniowego w en tylatora p ra cującego z kierownicą.

2. METODA OKREŚLANIA MOCY W YPROMIENIOWANEJ PRZEZ WENTYLATORY PROM IENIOW E

Panuje pogląd, że wzór B eran k a o postaci:

Ln = Ln + 1 0l£ V + 201^ 0,102 ■ APC (1)

gdzie: LN = 57±4 dB,

V - wydajność [m3/s], APc - spiętrzenie [Pa],

dobrze opisuje zależność mocy akustycznej od wydajności i spiętrzenia w enty

la to r a w punkcie optym alnym . D yskusyjny je s t jed n a k sposób doboru ZN.

Prawidłowość doboru Z)N decyduje o przydatności w zoru (1) do praktycznego zastosow ania.

Bommes, ja k wspom niano wcześniej, uzależnia hałaśliw ość w łaściw ą od w sk aźn ik a szybkobieżności. W ykazał tym sam ym , że zależy ona od typu w en ty lato ra, wbrew tem u, co sądzono wówczas, kiedy pow staw ały wzory B e ra n k a czy Ju d in a. Obecnie hałaśliw ość w łaściw ą tra k tu je się jako funkcję w ielu zmiennych. K ręt n a wlocie je s t je d n ą z nich. B adania tych funkcji są dość skomplikowane, dlatego hałaśliw ość właściw ą jak o stały człon we wzorze będącym sum ą funkcji logarytm icznej wydajności i spiętrzenia uzależniono od

(4)

stopnia zaw irow ania stru g n a wlocie wyrażonego kątem a lub wskaźnikiem szybkobieżności o. Pozwala to udokładnić dobór hałaśliw ości właściwej dla innych wysokociśnieniowych wentylatorów.

W arty k u le przeprowadzono rozpoznanie, czy EN je s t funkcją zawirow ania stru g i n a wlocie i sta n u dław ienia dla różnych zawirowań.

3. OMÓWIENIE BADAŃ, ICH WYNIKÓW ORAZ W NIOSKI

W entylator wysokociśnieniowy badano przepływowo i akustycznie n a s ta nowisku ssaw nym z wolnym wylotem. Osiowa kierow nica siedmiołopatkowa usytuow ana była n a wlocie blisko w irnika. Za jej pomocą zadaw ano rozm aite w artości k rę tu zgodnego z obrotam i w irnika. K ażdorazow ą w artość krętu opisano w artością kątów ustaw ien ia łopatek w aparacie kierowniczym , które wynosiły 0, 20, 30, 40, 50, 60, 70 stopni. Dalsze w artości kątów nie m ają praktycznego zastosowania. W yniki badań przepływowych zamieszczono na ry su n k u 1, gdzie wykreślono ch arak tery sty k i spiętrzenia, spraw ności oraz mocy napędowej dla um ownych w arunków term odynam icznych przy stałych obrotach wynoszących 2960 obr./m inutę.

B adania akustyczne polegały n a wyznaczeniu poziomu ciśnienia akustycz

nego L i poziomu dźwięku LA od wydajności oraz w idm a w pobliżu p unktu optymalnego zgodnie z odpowiednimi norm am i [3].

Wyniki akustyczne dla wybranych kątów ustaw ienia łopatek kierowniczych przedstawiono n a rysunkach 2 i 3. Param etry przepływowo-akustyczne w pun

ktach optymalnych dla wszystkich stanów zawirowania strugi podano w tabeli 1.

T a b ela 1 Z e sta w ie n ie o p ty m a ln y ch p a ra m etró w p r z e p ły w o w y c h w e n ty la to r a w y so k o c iśn ie n io w e g o d la r ó ż n y c h w a r to śc i

k r ę tu n a w lo c ie Lp. Wydajność

m 3/s

Spiętrzenie P a

Sprawność

%

K ąt łopatek

1 2,2 13800 74,5 0

2 2,0 13255 71,5 20

3 1,9 12950 68,0 30

4 1,57 12280 62,0 40

5 1,34 12000 54,0 50

6 1,09 11331 48,0 60

7 0,8 10818 39,0 70

(5)

aściw

50 40 30

20

070 060 050 040 030 020 15 14 13

12 11

10

9

8 7 6

5

4 3 2

1

0

wentylatora. 57

2 0,6 1,0 14 1,8 2,2 2,6 3,0 3,4

v [" % ]

a przepływowa wysokociśnieniowego w enty lato ra dla kilk u stanów zaw irow ania strugi

cteristic for high p ressu re fan for different stre a m sw irl sta te s

(6)

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4

v [ ^ s]

Rys. 2. Poziom ciśnienia akustycznego i dźwięku dla w ybranych stanów zaw irowania zm ierzone w pobliżu p u n k tu optym alnego

Fig. 2. Acoustic p ressu re and sound level for some in le t s tre a m sw irl curves

M inim um poziomu ciśnienia i poziomu dźwięku w ypada bardzo blisko punktów optymalnych. M aksym alny poziom ciśnienia w widm ie akustycznym zmierzono w sąsiedztw ie częstotliwości łopatkowej (693 Hz) niezależnie od stopnia zaw irow ania gazu, co je s t w pełni uzasadnione s ta łą prędkością obro-

(7)

315 63 12 5 250 500 1000 2000 4000 8000 15000 f [Hz]

Rys. 3. Widmo akustyczne dla wybranych stanów zaw irow ania zm ierzone w pobliżu p u n k tu optymalnego

Fig. 3. Acoustic spectrum for some sw irl sta te s n e a r optim um point

tow ą w irnika dla wszystkich stanów zaw irow ania gazu. Od wielkości zaw iro

w an ia strugi zależy wartość poziomu ciśnienia akustycznego, w zrastając wraz ze zwiększeniem krętu.

(8)

W yniki przedstaw ione n a omówionych w ykresach były w ykorzystane do obliczeń hałaśliw ości właściwej ze wzoru (1). Poziom mocy potrzebny do wzoru (1) obliczano ze wzoru:

Ln = L śr + 20 lg r p + 8 (2)

gdzie: Lśr - średnia wartość zmierzonego ciśnienia akustycznego, rp - długość p rom ienia usytuow ania m ikrofonu,

8 - sta ła odpowiadająca pom iarowi w p rzestrzeni półkulistej.

T ą m etodą m ożna określić zależność hałaśliw ości właściwej od w skaźnika szybkobieżności obliczonego dla param etrów optym alnych zestawionych w tabelce 1. Zależność tę wykreślono n a ry su n k u 4. Podano też graficzną zależ-

o

C

⁸⁰

60 40 20 0

H 50

45 40 35

009 > 010 > 011 ^> 012 ^> 013 ^> 014>

'O opt

Rys. 4. Zależności hałaśliw ości właściwej od kątów ustaw ienia łopatek kierownicy i odpo

wiadających im w artości wskaźników szybkobieżności obliczonych w punkcie optym alnym Fig. 4. R elationships betw een noisiness and angles of sta to r blades

(9)

ność k ą ta ustaw ienia łopatek a od w skaźnika szybkobieżności o 0pt oraz zależ

ność Bommesa.

K rzyw a a kojarzy w artości w sk aźn ik a szybkobieżności z w artościam i k ą tó w ło p atek kierownicy. Stanow i ona funkcję w całym przedziale kątów 0 -j- 70°. Otrzym ane n a ry su n k u 4 uogólnienie pozw ala dobierać w artości L N d la optym alnego p u n k tu pracy przy różnych zaw irow aniach s tru g i w w en

ty la to ra c h wysokociśnieniowych. W sk aźnik szybkobieżności, oprócz roli w sk a ź n ik a kształtu je s t rów nież w sk aźn ikiem s ta n u zaw irow ania. Oby

dw ie te role w skaźnika szybkobieżności w y m agają dalszych b a d a ń i w yjaś

n ie n ia wzajemnych relacji. P ie rw sz ą tego p ró b ą je s t w y kres n a ry su n k u 5, gdzie pokazano łącznie hałaśliw ość dla optym alnych w skaźników szybko

bieżności oraz dla w skaźników odpow iadających pu n k to m krzyw ej sp ię

trz e n ia . Podstawowym w nioskiem w ynikającym z tego w y k resu je s t stw ie r

dzenie, że w sąsiedztw ie p unktów optym alnych poszczególnych krzyw ych zaw iro w an ia hałaśliwość zm ienia się nieznaczn ie i zależy od s ta n u zawiro-

_ 70

L

n

[ d e ] 6 0

50

40

30

0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

6

Rys. 5. Hałaśliwość w łaściwa w funkcji w skaźników szybkobieżności określonych w p u n k tach optym alnych i jego sąsiedztw ie

Fig. 5. Noisiness in function of h ig h - speed index in optim um points

(10)

w ania. N a lewo i praw o od punktów optym alnych leżących n a odciętej V / V opt = 1 w ykresu n a ry su n k u 6 hałaśliw ość p rz y ra s ta dla w szystkich przedstaw ionych tu zaw irow ań. Z przebiegu krzyw ych w idoczna je s t pew na sy m e tria zm ian hałaśliw ości. P otw ierdza się zn ane w cześniej spostrzeże

nie, że przy zm ianie w ydajności o 30 % od w ydajności optym alnej h a ła ś li

wość w z ra sta nie więcej niż o dw a dB. N ależy je zastrzec tylko do m ałych k ątów zaw irow ania. N a to m ia st ze w zrostem k ątów u sta w ie n ia łopatek

V

Rys. 6. Hałaśliwość właściwa w sąsiedztwie punktu optymalnego dla różnych wartości k rę tu n a wlocie do w irnika

Fig. 6. Noisiness n e a r optim um point for different spin values on rotor’s inlet

(11)

po n ad 30 stopni zm niejszenie wydajności poniżej optym alnej bardzo nieznacz

n ie podwyższa wartości L N, ja k to łatw o dostrzec n a krzyw ych 60 i 70 stopni.

Z przeprowadzonych obliczeń i przedstaw ionych wykresów m ożna stw ier

dzić następujące prawidłowości:

— Hałaśliwość właściwa zależy od s ta n u zaw irow ania stru g gazu n a wlocie zarówno dla punktów optym alnych, ja k też punktów pracy leżących w innych miejscach krzywych spiętrzenia. Dla kątów większych od 30 stopni będzie można przyjąć, że przyrost o 10 stopni powoduje w zrost LN o 1 dB.

- Hałaśliwość właściwą m ożna będzie uw ażać za s ta łą w sąsiedztw ie p u n k tu optymalnego, gdyż w badaniach w łasnych stw ierdzono, że w przedziale 0,7 + 1 ,3 Vopt różnica hałaśliw ości wynosi co najwyżej 2 do 3 dB. W zawężonym przedziale wydajności różnice są m niejsze, a więc możliwe do pominięcia.

- N ależy uznać, że hałaśliw ość w łaściw a nie je s t w ielkością stałą, lecz fun

k cją wielu param etrów geometrycznych i k rę tu u wlotu. Uwzględnienie wpływu pojedynczych param etró w nie m a praktycznego sensu. Dlatego n ależy poszukiwać funkcji pom iędzy hałaśliw ością a w skaźnikam i pracy tak im i ja k szybkobieżności bądź wielkością zaw irow ania. Tylko w indyw i

dualnych przypadkach hałaśliw ość m ożna uznać za stałą.

— Teoretyczne b adania zjaw isk akustycznych w w en tylato rach pow inny iść w k ieru n k u połączenia z eksperym entem w celu poszukiw ania związków pom iędzy hałaśliwością a w skaźnikam i pracy w entylatora. Będzie m ożna wówczas wykorzystać wzory o postaci w zoru B eranka. Takie podejście zapew ni dostatecznie dobre opanow anie problemów ak ustyk i w entylato

rów n a użytek eksploatacyjny.

LITERATURA

[1] Puzyna Cz.: Zwalczanie h a ła su w przem yśle, W arszaw a, WNT 1974.

[2] Żyszkowski Z.: M iernictwo akustyczne, W arszaw a, W NT 1987.

[3] Polska norma : PN -72/M -43120. W entylatory. M etody pom iaru hałasu.

[4] Eck B.: V entilatoren, S pringer Verlag, 1972.

[5] F o rtu n a S.: W ykonanie b ad ań przepływowych i akustycznych w entylato

r a W PFO-28.... P raca nie publikow ana 1993.

[6] Katalog, W entylatory przemysłowe. F ab ry k a W entylatorów „Faw ent”

1971.

[7] Kuczewski S.: W entylatory. WNT, W arszaw a 1978.

[8] Engel Z., P anuszka R.: Podstaw y akustyki, Wyd. AGH, Kraków 1989.

(12)

A b stract

The paper presents values of th e specyfic noisiness of h ig h -p re ssu re fans at th e points of th e ir optim um operation w ith v ariable spin of gas reaching the blade rim . The variable spin was obtained by th e use of axial guide vanes. The guide vanes, together w ith th e sp iral casing cut off both influence the noisiness of a fan. The specific noisiness L a t th e optim um point depends on th e degree of th e stream spin and equals from 43 dB for a zero angle of the guide vanes to 55 dB for th e angle of 70 degrees. The noisiness varies insignificantly around th e optim um point of a p a rticu la r curve. W ithin the operation ran ge expressed by ratio V/V equaling 0,7 to 1,3 increase LN ranges betw een 1 to 3 dB. The determ ined specific noisiness is v ariable and its value is lower th a n th e constant value proposed by B erank. The specific noisiness should not be regarded as constant q u a n tity b u t as a function of various geom etrical p aram eters and flow conditions of th e im peller, so, practically the influence of sam e single p aram eters only should not be tak e n into account. It would be more reasonable to look for a dependence betw een th e noisiness and some fan characteristics such as th e h ig h -sp eed q u a n tity or th e swirl quantity. In some p a rticu la r cases only, th e noisiness m ay be regarded as constant.