Снижение низкочастотных колебаний в жидких рабочих средах судовых трубопроводных систем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ
|
Куклин, Михаил Васильевич
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Санкт-Петербург
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2012
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.06
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
КУКЛИН МИХАИЛ ВАСИЛЬЕВИЧ
УДК 681.8+628.517+621.643
СНИЖЕНИЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ В ЖИДКИХ РАБОЧИХ СРЕДАХ СУДОВЫХ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ
Специальность 01.04.06 - Акустика
1 С ОЕЗ /-См2
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург - 2012
005010180
Работа выполнена в филиале «СЕВМАШВТУЗ» ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет»
Научный руководитель: доктор технических наук, доцент
С.В. Горин
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
старший научный сотрудник В.И. Голованов
кандидат технических наук,
В. А. Некрасов
Ведущая организация: ОАО «Центральное конструкторское
бюро морской техники «Рубин» г. Санкт-Петербург •
Защита диссертации состоится 1 марта 2012 года в 16 часов в ауд. У-167 на заседании диссертационного совета Д 212.228.04 Санкт-Петербургского государственного морского технического университета по адресу: 198262, г. Санкт-Петербург, Ленинский пр., д. 101.
Отзывы направлять по адресу:
190008, г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д. 3.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.
Автореферат разослан «2.0» январь 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, <
кандидат технических наук, доцент
.П. Васильев
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы
К судовым трубопроводным системам и энергетическим установкам в целом предъявляются все более жесткие требования по надежности и виброакустическим характеристикам (ВАХ).
Проблема улучшения ВАХ трубопроводных систем и анализ основных путей снижения уровней пульсаций давления в различных трубопроводных системах известных из научно-технической литературы показал, что виброакустическая активность судовых трубопроводных систем может быть снижена за счет: установки гасителей пульсаций, уменьшения виброактивности основных источников пульсаций давления - центробежных и осевых насосов, уменьшения виброактивности самой трубопроводной системы за счет оптимизации ее состава и схемы трассировки.
Большой вклад в разработку методов и средств снижения гидродинамического шума в судовых трубопроводных системах внесли Брайнин Б.П., Будрин С.В, Голованов В.И., Ким Я.А., Лапин А.Д., Покровский Б.В., Попков В.И., Попков С.В., Рылеева Т.В., Шорин В.П. и другие ученые.
Целью работы является разработка приемлемых для судовых условий методов и средств эффективного снижения низкочастотных колебаний жидких рабочих сред трубопроводных систем.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:
- определены особенности использования низкочастотных импедансных включений для улучшения ВАХ судовых трубопроводных систем с жидкими рабочими средами;
- разработаны методы расчета акустических параметров резонаторов с жидкими рабочими средами и определения эффективности снижения уровней колебаний жидких рабочих сред трубопроводных систем;
- созданы опытные образцы и проведены их экспериментальные исследования в стендовых и судовых трубопроводных системах;
- проведены исследования по снижению гидродинамического шума на отдельных дискретных составляющих и в широкой полосе частот от количества гасителей пульсации, установленных в трубопроводе;
- даны рекомендации по оптимальному конструктивному исполнению средств снижения гидродинамического шума и их исполнению в судовых трубопроводных системах.
Научная новизна
1. Разработан метод расчета акустических характеристик резонаторов с учетом податливости конструктивных элементов резонатора и физических свойств жидких рабочих сред;
2. Экспериментально подтверждена высокая эффективность резонаторов не только в лабораторных, но и в реальных условиях судовых трубопроводных систем;
3. Определены области положительных и отрицательных эффективностей
снижения гидродинамического шума импедансными включениями;
4. Разработан метод расчета компактного резонатора с герметичным упругодемпфирующим элементом;
5. Разработаны рекомендации по оптимальному применению одиночных и групповых низкочастотных импедансных включений в трубопроводных системах.
Практическая ценность полученных результатов в следующем:
1. Позволит не применять дорогостоящие и ненадежные в эксплуатации гасители пульсации с резиновыми оболочками, заполняемые воздухом под давлением;
2. Обеспечит стабильность ВАХ гидравлических систем при изменениях температуры, давления и солености рабочей среды;
3. Отпадает необходимость в периодическом обслуживании средств гашения пульсаций давления рабочей среды;
4. Снизит затраты на мероприятия по улучшению ВАХ судовых трубопроводных систем.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Результаты анализа эффективности работы различных глушителей гидродинамического шума в трубопроводных системах и обоснование выбора приемлемого для судовых условий резонатора;
2. Оптимальное конструктивное исполнение резонаторов по массогабаритным и акустическим показателям;
3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований низкочастотных одиночных и групповых импедансных включений в стендовых условиях и в реальных судовых трубопроводных системах;
4. Метод расчета акустических характеристик резонаторов с учетом податливости стенок резонатора, фланцев корпуса резонатора, болтовых соединений и физических свойств жидкости;
5. Метод расчета конструкции резонатора с герметичным упругодемпфирующим элементом.
Апробация работы
Диссертационная работа заслушана и одобрена 22 ноября 2011 г. на расширенном заседании кафедры физики филиала «СЕВМАШВТУЗ» СПбГМТУ в г. Северодвинске и научных работников предприятий ОАО «ПО «СЕВМАШ», ОАО «ЦС «Звездочка», ОАО «НИПТБ «Онега».
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: 9-я научно-техническая конференция «Поддержание эксплуатационной надежности кораблей ВМФ в обеспечение безопасности плавания», ОАО «НИПТБ «Онега» (Северодвинск, 2009г.); XXXIX Ломоносовские чтения «Арктический вектор развития России», научно-практическая конференция Севмашвтуза, посвященная 45-летию Севмашвтуза (Северодвинск, 2010г.); 9-я всероссийская научно-техническая конференция «Приоритетные направления развития науки и технологий» (Тула, 2011г.); IX молодежная научно-техническая конференция «Взгляд в будущее — 2011», ОАО «ЦКБ МТ «Рубин» (Санкт-Петербург, 2011г.); ХЬ Ломоносовские
чтения, посвященные 300-летию со дня рождения М.В. Ломоносова, научнопрактическая конференция Севмашвтуза (Северодвинск, 2011г.). Имеется акт внедрения.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 8 работ. Из них 4 статьи и 4 доклада. Пять работ выполнены без соавторства, три работы выполнены в соавторстве, доля автора 50%. В рецензируемых научных журналах и изданиях, опубликовано 4 статьи, 1 статья выполнена без соавторства, 3 статьи выполнены в соавторстве, доля автора 50%.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка основной использованной литературы (117 наименований) и приложения. Объем диссертации составляет 134 страниц, включая 51 рисунок и 8 таблиц.
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении показана актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая значимость работы, представлены основные положения, выносимые на защиту.
Глава 1. Обзор литературных источников и постановка задач ... исследования
Произведен анализ эффективности работы различных типов гасителей пульсации, применяемых в судовых трубопроводных системах.
Дано обоснование выбора оптимальной конструкции ответвленного резонатора для снижения низкочастотных колебаний в жидких рабочих средах судовых трубопроводных систем.
Сформулированы теоретические и экспериментальные задачи диссертационной работы.
Глава 2. Теоретические исследования влияния импедансных включений на снижение низкочастотных колебаний в волноводах
При использовании резонаторов в энергетических установках с ограниченными объемами помещений, например, судовых, актуальной становится задача получения заданной эффективности снижения уровней гидродинамического шума при минимальных габаритах резонаторов.
Эффективность снижения уровней колебаний рабочей среды в трубопроводной системе после установки в ней резонатора Гельмгольца определяется по формуле:
Д/. = 201ё1 + - 1"2"
ДБ, (1)
гг&и+2„)
где 2И, 2Н, - акустические сопротивления (импедансы) волновода
соответственно со стороны источника колебаний, со стороны нагрузки (части трубопроводной системы после сечения, в котором установлен резонатор) и собственно импедансного включения (резонатора).
Расчеты амплитудно-частотных характеристик волноводов без резонаторов и с ними показали, что снижение пульсаций давления в жидкости имеет место в резонансной области частот, достигая наибольшего значения на
частоте собственных колебаний резонатора, при этом слева и справа резонансной области имеются частотные диапазоны с отрицательной эффективностью. В работе показано, что импедансные характеристики трубопроводов до и после сечения установки резонатора влияют на величину эффективности снижения гидродинамического шума.
Теоретические исследования по оптимизации конструктивного исполнения резонаторов Гельмгольца по массогабаритным и акустическим показателям показали, что при неизменной частоте собственных колебаний резонатора /о=138Гц (частота собственных колебаний волновода, в который устанавливался резонатор, равнялась 138 Гц), с уменьшением длины горла увеличивается объем полости при постоянном радиусе горла, а с увеличением радиуса горла увеличивается объем полости при постоянной длине горла, и в результате чего увеличивается эффективность резонатора (таблица). Для резонатора (см. заретушированную строку в таблице) эффективность снижения гидродинамического шума ДЬ=41 дБ подтверждена экспериментальными исследованиями. Это позволяет использовать расчетные эффективности, полученные при других параметрах резонатора, для прогноза снижения уровней гидродинамического шума.
Таблица
Эффективность резонатора Гельмгольца с разными объемами полостей при варьировании: длиной горла с постоянным радиусом горла г=0,3 -10"2 м и _________радиусом горла с постоянной длиной горла /=15,310~2м________
Объем полости, м3 Длина горла при г=0,3 10'2м, м Радиус горла при /=15,310'2м, м Эффективность на /"„=138 Гц, дБ
5-Ю'3 1,11 10‘2 0,98 10'2 61
4-Ю'3 1,5-10'2 0,872-10'2 59
3 1(Ґ 2,16-10'2 0,75-10'2 56
2,5- 1СҐ 2,69-10'2 0,683-10'2 55
2-Ю 3,48-10’2 0,609-10‘2 53
1,5-10'3 4,8-10'2 0,525-10'2 50
1-Ю'3 7,43 10‘2 0,427-10‘2 46
0.5 10" 15,3-10‘2 0,3 10'2 41
0,3-ю" 25,85-10'2 0,232-10'2 36
0,1 -ю3 78,5-10‘2 0,133-10‘2 27
Для практического использования резонаторов Гельмгольца в целях снижения уровней гидродинамического шума трубопроводных систем необходимо:
- иметь типоряд из нескольких объемных полостей резонаторов;
- конструктивно определить максимально допустимый для энергетической установки объем полости резонатора;
- выбрать диаметр горла резонатора из типового ряда стандартных труб;
- рассчитать длину горла резонатора, обеспечивающую при заданных объемах полости и диаметре горла частоту собственных колебаний, равную частоте пульсаций давления источника гидродинамического шума.
При установке резонатора в трубопроводную систему с морской водой скорость звука в среде:
с= 1450+4,206/-0,0366/2 + 0,0175F+ l,137(s-35), где с - скорость звука, м/с; I - температура в градусах Цельсия; Р - статическое давление в метрах водяного столба; s - соленость, /00.
Скорость звука в зависимости от района плавания в мировом океане может принимать значения от 1400 до 1560 м/с.
Изменение скорости звука приводит к изменению частоты собственных колебаний резонатора и, соответственно, к не совпадению частоты собственных колебаний резонатора с частотой колебаний источника. С практической точки зрения важно, чтобы при любых эксплуатационных значениях температуры, давления, солености воды, частоты, на которых требуется снижение гидродинамического шума, не выходили за область частот положительной эффективности резонатора.
Для расширения области частот с положительной эффективностью необходимо устанавливать в сечение трубопровода группу резонаторов с разными объемами полостей и, соответственно, различными частотами собственных колебаний, резонансные области которых перекрывают друг друга. Процесс изготовления объемных полостей сферической формы трудоемкий. Установка резонаторов с разными объемными полостями требует дополнительных затрат на их изготовление, поэтому целесообразно устанавливать резонаторы с одинаковыми объемами полостей в сечении трубопровода (рис. 1). Поэтому для увеличения эффекта снижения уровней пульсаций давления и расширения частотного диапазона положительной эффективности необходимо применение группу резонаторов (рис. 2).
В судовых трубопроводных системах гидравлики в качестве рабочей среды используют жидкость ПГВ по ГОСТ 25821-83, скорость распространения звука в ней зависит от статического давления и температуры. Минимальное и максимальное значение скорости звука в жидкости ПГВ составляет, соответственно, 1736 м/с и 1833 м/с. Для эффективной работы резонаторов в трубопроводных системах с жидкостью ПГВ, необходимо также, как и в морской воде, учитывать изменение скорости звука, поэтому целесообразно устанавливать группы резонаторов в сечении трубопровода.
Для расчета эффективности N низкочастотных импедансных включений с различными акустическими сопротивлениями в формуле (1) величину Zp
1 - 1 1 1
определяем из выражения ~~ + „ +■■•+ , где ZphZp2—ZpN -
Z, р Zp2 ^PN
акустические сопротивления импедансных включений. При ZP1=Zp2=-..=Zpfi Z
следует, что ZP = .
Вследствие большой насыщенности судовых помещений механизмами и оборудованием не всегда возможна дополнительная установка группы резонаторов в одном сечении и их необходимо располагать вдоль оси трубопровода (рис. 3). В работе показано, что для расширения частотного
п. количество резонаторов
а)
п. количество резонаторов б)
Рис. 2. Зависимость прибавки к эффективности АЬ (а), частотного диапазона 6) положительной эффективности Д/(б) от
Рис. 1. Эффективность резонаторов: количества установленных в сечении
1 резонатор (—), 2 резонатора (----), трубопровода резонаторов
3 резонатора 4 резонатора (-) (а) и
спектрограммы гидродинамического шума (б)
диапазона и увеличения эффективности снижения пульсаций давления рабочей среды целесообразно устанавливать вдоль оси волновода группу резонаторов (рис. 4).
Эффективность установки /-го резонатора (рис. 3) вычисляется:
АІ, =20^1+
где 2т =-^сШ1н-И-т\
ад*,
%рі(%ні +?1п) ’
V ст )
+ рст
> гДе =-
Если резонаторы имеют разные частоты собственных колебаний, то импеданс нагрузки для второго и последующих резонаторов вычисляется по
формуле 2„„ где
, импеданс со стороны источника колебаний
остается тот же.
п. количество резонаторов
а)
■''І8
резонаторов, распределенных вдоль его оси: 1 - прямая труба; 2 -жесткая крышка;
3 - резонатор Гельмгольца;
4 - граница раздела сред «вода-воздух»
п. количество резонаторов б)
Рис. 4. Зависимость прибавки к эффективности ДЬ (а), частотного диапазона положительной эффективности Д/(б) от количества установленных вдоль оси трубопровода резонаторов
В судовых гидравлических системах, особенно на этапе пусконаладочных работ, внутри элементов трубопроводных систем (фланцы, полости и т.д.) возможно наличие воздушных включений.
В работе исследовано влияние воздушных включений (нерастворенного воздуха) на скорость звука в жидкости, содержащей воздушные включения.
Скорость распространения звука в жидкости, содержащей воздушные включения:
[Щ~ _
ГІН
У„Р + У.Е„
где сж - скорость распространения звука в жидкости; рж, рв, рс - плотность жидкости, воздуха, жидкости с воздушными включениями; Еж, Ес - модуль объемной упругости жидкости и жидкости с воздушными включениями;
V =——----------относительный объем воздушного включения; Уж = У°—--
* Уож + Го. °» + »•
относительный начальный объем жидкости; Уож и У0в - начальный объем
Р„
жидкости и воздушного включения при давлении Р0\ Уж = У0] жидкости при давлении Р.
- объем
Для эффективного снижения гидродинамического шума резонаторами необходимо исключать воздушные включения в труднодоступных местах в трубопроводной системе и не допускать наличие в полости резонатора даже малого количества нерастворенного воздуха, так как его наличие не позволит получить на практике, полученные расчетным путем на этапе проектирования, акустические характеристики резонатора и ожидаемой величины снижения гидродинамического шума.
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований
С целью проверки возможности использования резонаторов в системах забортной воды были проведены испытания на гидродинамическом стенде -аналоге четвертого контура атомной энергетической установки.
Испытаниям подвергались резонаторы с объемом полости 0,011 м3, длиной горла
0,195 м, диаметром горла 0,05 м (рис. 5).
Частота собственных колебаний резонатора определялась с учетом податливости стенок резонатора, фланцев корпуса резонатора и болтовых соединений, совпадала с лопастной частотой насоса и равнялась 197 Гц.
Резонаторы устанавливались поочередно и одновременно вблизи источника колебаний -насоса на расстоянии 2,85 м от него на всасывающей ветви и на расстоянии 1,5 м на напорной ветви.
Уровень пульсации давления на
лопастной частоте циркуляционного насоса оси гг ■’ Рис. 5. Резонатор Гельмгольца, уста-
(/,—197 Гц) при установке резонатора на новленный на напорной ветви стенда
напорной ветви снизился на 22,5 дБ, при
установке на всасывающей ветви всего на ЗдБ. При одновременной установке двух резонаторов и на всасывающей, и на напорной ветви уровень снизился на
23.5 дБ, что всего на 1 дБ больше, чем при установке одного резонатора на напорной ветви. Изменение статического давления рабочей среды от 0,1 до 2 МПа не оказывает влияния на эффективность резонаторов.
Увеличение лопастной частоты всего с 197 Гц до 201 Гц (рис. 6) привело к возрастанию уровней колебаний на лопастной частоте насоса со 107,5 дБ до 136 дБ, т.е. на 28,5 дБ. При этом уровни колебаний на лопастной частоте насоса в трубопроводной системе с резонаторами оказались существенно выше уровней колебаний в случае, когда резонаторов не было, т.е. имелась отрицательная эффективность.
Аналогичная картина наблюдалась и при уменьшении лопастной частоты на 4 Гц - со 197 Гц до 193 Гц (рис. 6), что приводило к возрастанию уровней пульсаций давления на лопастной частоте насоса со 107,5 дБ до 134 дБ, т.е. на
26.5 дБ. Отмеченное обстоятельство ограничивает область применения классических резонаторов Гельмгольца.
Рис. 6. Спектрограммы уровней пульсаций давления в трубопроводной системе с двумя резонаторами (/о=197 Гц), установленными на напорном и всасывающем участках насоса с лопастной частотой циркуляционного насоса:/,=197 Гц(—),/=193 Гц(—) и/=201 Гц(—)
Анализ выполненных испытаний показал, что:
1. Для снижения дискретных составляющих уровней колебаний в замкнутых волноводах с жидкими рабочими средами можно использовать низкочастотные гасители - резонаторы.
2. Необходимо обеспечить совпадение частоты собственных колебаний резонатора и колебаний источника.
3. Замкнутый трубопровод является единой колебательной системой, для снижения уровней колебаний в которой нет надобности установки двух резонаторов (до и после источника колебаний), как это рекомендуется некоторыми исследователями, а достаточно одного резонатора.
4. Наряду с положительной эффективностью снижения уровней колебаний резонатором в области его резонансных частот, слева и справа от этой области имеются частотные диапазоны с отрицательной эффективностью, в которых уровни колебаний при установке резонатора возрастают.
5. Наибольшее снижение уровней колебаний происходит на частоте собственных колебаний резонатора, а величина этого снижения в существенной мере зависит от места установки резонатора в волноводе.
6. На эффективность снижения колебаний резонатором в волноводе не влияют такие факторы, как величина статического давления среды и скорость потока.
В спектрах уровней колебаний трубопроводов присутствуют помимо дискретных составляющих шумовые подъемы с широким частотным диапазоном (рис. 7,а). Для того, чтобы снизить уровень шумового подъема (рис. 7,а), необходимо, чтобы частотный диапазон положительной эффективности установки группы резонаторов с разными объемами полостей в сечении волновода составлял не менее 35 Гц. Причем устанавливать группу резонаторов в трубопроводную систему целесообразней с одинаковым объемам
полости, а не с разными, т.е. изменять частоту собственных колебаний резонатора за счет варьирования длины горла резонатора, выбранного из типового ряда стандартных труб. Для снижения уровней гидродинамического шума шумового подъема 72-107 Гц необходимо установить группу из трех резонаторов в сечении трубопровода (рис. 7,6).
Для оценки влияния резонатора на амплитудно-частотные характеристики трубопровода, в котором он установлен, были проведены исследования опытного образца резонатора Гельмгольца, рассчитанного на частоту собственных колебаний/о=76 Гц на экспериментальном стенде (рис. 8).
Рис. 7. Уровни колебаний трубопровода (1), насоса БЭН-245 (2) на 80% расходе морской воды (а) и эффективность снижения колебаний рабочей среды
группой резонаторов: 3 резонатора (-----),
4 резонатора (......) (б)
№
Ш
ж
і
I
Щ-
■/-3
Рис. 8. Стенд для исследования эффективности резонатора Гельмгольца в волноводе
В цилиндрической стальной трубе 2 ОуЮО, заполненной пресной водой, закрытой снизу жесткой крышкой 3, проводились исследования резонатора Г ельмгольца 1. В качестве источника гидродинамического шума использовался гидрофон 8100, который через усилитель мощности 2706 получал возбуждение от генератора колебаний 1047. Приемником звука служил гидрофон 8103, сигналы от которого через предварительный усилитель 2635 поступали на виброакустический измерительный комплекс на базе персонального компьютера, вывод результатов на бумагу осуществлялся при помощи принтера.
Экспериментальные исследования показали, что использование в волноводах резонаторов Г ельмгольца является эффективным средством снижения уровней пульсаций давления, распространяющихся по волноводу, но
наряду с положительной эффективностью будет иметь место слева и справа от этой области отрицательные эффективности. Проведены исследования влияния величины импеданса нагрузки на эффективность резонатора. Результаты экспериментальных исследований хорошо согласовываются с расчетными значениями эффективности работы резонатора по формуле (1).
Впервые резонаторы Гельмгольца были применены Гориным С.В. в системах рулевой гидравлики (рис. 9) на одном из проектов судов. Однако, не были достаточно полно учтены все факторы, влияющие на стабильность работы резонаторов (рис. 10), которые устанавливались в непосредственной близости к насосам НА-360СА на обеих ветках.
Рис. 10. Ответвленный резонатор для гашения пульсаций давления жидкости: а) фотография внешнего вида; б) разрез резонатора:
1 - корпус; 2 - штуцер; 3 - хвостовик;
4 - шток; 5 - резиновое уплотнительное кольцо; 6 - стопорная гайка; 7 - крышка
Используемая в судовых системах рулевой гидравлики жидкость ПГВ, состоящая из парафина, глицерина и воды. Из-за различия в процентном составе компонентов жидкости ПГВ, влияния температуры и статического давления на ее плотность и сжимаемость, скорость звука в жидкости ПГВ в условиях эксплуатации может изменяться до 5-7%. Все эти факторы, а также диапазон изменения частоты вращения автономного турбогенератора от 49 Гц до 51 Гц не позволили получить стабильного снижения гидродинамического шума систем рулевой гидравлики. Для стабильного снижения уровней гидродинамического шума на плунжерной частоте насосов НА-360СА необходимо устанавливать вместо единичных резонаторов группу из трех с частотами собственных колебаний 141, 144 и 147 Гц.
В настоящее время для улучшения ВАХ судовых трубопроводных систем рулевой гидравлики принято кардинальное решение перейти с насосов переменной производительности марки НА-360СА на системы с гидроаккумуляторами и трехвинтовыми насосами. Несмотря на то, что
Рис. 9. Система рулевой гидравлики:
1 - насосный агрегат; 2 - трубопровод; 3 - резонаторы Гельмгольца;
4 - гидроцилиндры;5 - баллер руля
винтовые насосы менее виброактивны, чем насосы НА-360СА, проблема снижения уровней гидродинамического шума полностью не исчезла.
Испытания резонаторов Гельмгольца в трубопроводной системе охлаждения теплообменника фреоновой холодильной машины МХМВ-250 выявили, что:
- ответвленные резонаторы являются эффективным средством снижения пульсаций давления на дискретных составляющих в жидких рабочих средах;
- использование гасителей пульсаций давления, выполненных в форме ответвленных резонаторов, целесообразно в тех гидросистемах, в которых большая часть энергии колебаний от виброактивного источника передается в систему по тракту рабочей среды;
- идентификация основного тракта передачи колебательной энергии в трубопроводных системах энергетических установок с помощью резонаторов позволит оптимально выбирать средства борьбы с шумом и вибрацией, снизить затраты на доводку этих систем и установок в целом.
Для судовых систем, содержащих цистерны и другие емкости с рабочей средой, снижение гидродинамического шума в некотором диапазоне частот может быть достигнуто путем установки внутри цистерн или емкостей упругоинерционных элементов. В этом случае не будет уменьшения свободного объема судовых помещений.
В диссертационной работе представлены результаты исследований упругоинерционных элементов, представляющих собой герметичную конструкцию с резиновой оболочкой, внутри которой имеются воздушные полости (рис. 11), и которые уже использовались на судах в местах, расположенных в межбортном пространстве. Испытуемый элемент 1 располагался в стальной цилиндрической емкости 2 объемом 0,133 м3, с клапаном вентиляции воздуха 3, манометром 4 (рис. 12). Емкость заполнялась пресной водой и имела воздушную подушку.
Так как упругие и инерционные свойства таких конструкций зависят от величины статического давления рабочей среды в трубопроводах, проведены экспериментальные исследования при различных статических давлениях: 0,1;
0,25; 0,75; 1,1 МПа. Измерения гидродинамического шума проводились в частотном диапазоне 0 - 800 Гц (рис. 13,а).
Рис. 11. Обший вид упруго-инерционных Рис 12. Блок-схема стенда для испытаний
элементов в сборе и с разрезом упруго-инерционного элемента
Эффективность снижения гидродинамического шума упругоинерционного элемента оценивалась по разнице уровней колебаний давления в воде до и после установки упруго-инерционного элемента в емкость (рис. 13, б).
а) б)
Рис. 13. Амплитудно-частотные характеристики (а) и эффективность снижения (б)
гидродинамического шума при давлениях: 1-0,1 МПа; 2 - 0,25 МПа; 3 - 0,75 МПа;
4-1,1 МПа; 5 - без упруго-инерционного элемента
По результатам испытаний упруго-инерционных элементов можно сделать следующие выводы;
- упруго-инерционные элементы могут использоваться в качестве средств снижения гидродинамического шума судовых систем;
- упруго-инерционные элементы снижают гидродинамический шум в своей резонансной области частот, достигая максимального значения Д/,=15 дБ на частоте собственных колебаний;
- наряду с положительной эффективностью в диапазоне резонансных частот имеет место и отрицательная эффективность в диапазоне частот ниже резонансной области;
- диапазоны частот с положительной и отрицательной эффективностью зависят от статического давления рабочей среды и с ростом давления перемещаются в область более высоких частот;
- при практическом применении таких конструкций необходимо обеспечивать совпадение резонансной области частот упруго-инерционного элемента с частотами, в диапазоне которых необходимо снижение гидродинамического шума, и не допускать совпадения области частот отрицательной эффективности с частотами источников колебаний;
- для расширения частотного диапазона положительной эффективности разработать типоряд из трех-пяти упруго-инерционных элементов.
Глава 4. Оценка конструктивных особенностей резонаторов для использования в судовых трубопроводных системах
Классические методы расчета резонаторов Гельмгольца не учитывают влияние упругих свойств корпуса резонатора, полагая, что жесткость резонатора целиком определяется упругими свойствами среды, находящейся в полости резонатора. Такое допустимо, если резонатор изготовлен из твердого материала (сталь, стекло, пластмасса и т.п.), а рабочая среда - воздух, сжимаемость которого существенно выше сжимаемости материала корпуса резонатора.
При расчете акустических характеристик резонаторов, следует учитывать, что при использовании в качестве рабочих сред жидкостей, модули объемной упругости жидкостей существенно выше, чем у газов и близки к модулям объемной упругости некоторых пластмасс.
При расчете массогабаритных и акустических параметров резонаторов (рис. 14), предназначенных для работы в волноводах с жидкими рабочими средами, необходимо учитывать податливости корпуса резонатора, болтовых соединений и фланцев корпуса резонатора, соединяющих составные части корпуса, в том числе за счет использования регулируемых прокладок, позволяющих варьировать длиной горла резонатора.
а) б)
Рис. 14. Резонатор Гельмгольца: а) фотография внешнего вида; б) разрез резонатора: 1 - корпус; 2 - фланцы; 3 - соединение болт-гайка
Жесткость резонатора с учетом жесткости корпуса резонатора, болтовых соединений и фланцев
__________________КР-Кк-КБ-Кф____________________
Кк КБ Кф +КР КБ Кф +12 КР Кк ■ Кф +2-КР ■ Кк ■ КБ где Кр - жесткость резонатора, Кк - жесткость корпуса резонатора, Кф -жесткость фланца резонатора, КБ- жесткость болтового соединения.
Для использованной в исследованиях конструкции резонатора с учетом податливости корпуса резонатора, болтовых соединений и фланцев жесткость резонатора снижается на 1,5%. Для тонкостенных оболочек корпуса, малых толщинах фланцев, отклонение расчетных значений параметров резонатора будут выше. Это необходимо учитывать при расчете массогабаритных и акустических параметров резонаторов, предназначенных для работы в волноводах с жидкими рабочими средами.
Частота собственных колебаний резонатора Гельмгольца с учетом податливости корпуса, болтовых соединений и фланцев корпуса резонатора получилась
/.=Т"Д = 197 Гц,
2л V т
вместо предполагаемой частоты 200 Гц, где т=р1у8р - колебательная масса, р - плотность жидкости; /э - эффективная длина горла резонатора; Эр - площадь поперечного сечения горла.
Использование резонаторов с герметичным упругодемпфирующим элементом (УДЭ) для снижения низкочастотных пульсаций давления в жидких рабочих средах судовых трубопроводных систем позволяют по сравнению с обычными резонаторами иметь существенно меньшие массу и габариты, что особенно важно, так как объемы свободного пространства в помещениях судов весьма ограничены.
Герметичные УДЭ представляют собой герметичную тонколистовую оболочку из нержавеющей стали, внутри которой расположен пористый наполнитель из прессованной проволоки (рис. 15).
Рис. 15. Герметичный упругодемпфирующий элемент (а) и пористый наполнитель из прессованной проволоки (б)
Жесткость резонатора с герметичным УДЭ:
где жесткость Кр, которая определяется упругостью объема V среды, расположенной в полости резонатора; жесткости герметичного УДЭ Кудэ=Кп+Км/2+Кв, где Кп - жесткость пористого наполнителя из прессованной проволоки, Км - жесткость гофрированной мембраны, Кц - жесткость воздуха внутри герметичного УДЭ.
Жесткость пористого наполнителя из прессованной проволоки:
жесткость таких элементов есть тангенс угла наклона касательной к оси абсцисс проведенной к кривой в /-ой точке, где 51 - площадь поперечного сечения наполнителя из прессованной проволоки.
Гофрированная мембрана представляет собой тонкую круглую пластину, с концентрически нанесенными складками. Уравнение плоской анизотропной мембраны, допускающей большие прогибы:
\
а)
б)
СІ Ш СІЦ/ 2 V &
р—^- + — -т2 — =---------------
сір сір р 2
Р-ГТ + — т
ар~ ар р
где р = — - безразмерный радиус, г\ - радиус внешнего контура оболочки Г1
мембраны, г - текущий радиус мембраны;
у/ =----—— - безразмерная функция, определяемая растягивающим
ЕИг[(к1)р
усилием Т, Е - модуль упругости первого рода материала мембраны, к -толщина мембраны, (кх)р и (к2)р - коэффициенты конструктивной анизотропии на растяжение мембраны в радиальном и окружном направлениях;
к = 12[(£|)„(&2)„ - а,2]^т - безразмерная величина, характеризует
относительную тонкостенность оболочки, (к{)и, (к2)и - коэффициенты
конструктивной анизотропии при изгибной деформации мембраны; ц -коэффициент Пуассона материала мембраны;
Ргъ
V = ——(А-,)„ - безразмерная величина, Р - статическое давление,
2 Кое “
г? 3
действующее на мембрану, К0Б = —--------------- --- - жесткость анизотропной
12
оболочки;
тг =(к])р(к2)р и п = (кх)и(кг)и - безразмерные величины.
Путем математических преобразований уравнение плоской анизотропной мембраны уравнение для гофрированной мембраны герметичного УДЭ без краевого гофра принимает следующий вид:
Рг* _ 4(«+3) №0 32(к2)г
1 з-я
где - прогиб в центре мембраны, Р - статическое давление действующее на мембрану, Е - модуль упругости, /л - коэффициент Пуассона, к - толщина мембраны.
Р$
Жесткость гофрированной мембраны Ки=——, где Бм - площадь
'‘’о .
поперечного сечения мембраны.
Внутри герметичного УДЭ с пористым наполнителем из прессованной проволоки находится воздух объемом ¥в и площадью 5, под давлением Р при постоянной температуре, определим статическую жесткость воздуха:
Л о 1
УЛР) ■
где Кг(/>)=2 1(Г2У - 5Т0’22Р3 + 5Т0'16Р2 - ЗЮ'10Р + 6-10-4 - функциональная зависимость объема Ув от статического давления, действующего на герметичный УДЭ.
Результаты исследований представлены в виде аналитической зависимости для расчета резонаторов с герметичным упругодемпфирующим элементом (рис. 16).
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Р, МПа
Рис. 16. Зависимость жесткости пористого наполнителя из прессованной проволоки (1), мембраны (2), воздуха (3) внутри герметичного УДЭ от величины действующего на них
статического давления
При неизменной частоте собственных колебаний резонатора массогабаритные параметры резонатора уменьшаются при введении герметичного упругодемпфирующего элемента в полость резонатора. Для исследованного в данной работе резонатора при давлении рабочей среды
0,1 МПа установка в его полости герметичного УДЭ позволяет снизить объем полости на 50%, длину горла на 25%, при неизменном радиусе горла.
Резонаторы с герметичным УДЭ можно использовать в судовых трубопроводных системах с жидкими рабочими средами, но необходимо обеспечивать неизменную величину статического давления рабочей среды в трубопроводной системе.
Массогабаритные характеристики судовых низкочастотных резонаторов могут быть приведены до приемлемых величин путем установки внутри корпуса резонатора герметичного упругодемпфирующего элемента.
Глава 5. Анализ результатов исследований и рекомендации по практическому использованию
Обобщение опыта применения низкочастотных средств снижения гидродинамического шума в энергетических установках выявило недостатки, не позволившие использования этих средств для получения стабильного эффекта в системах со средами, свойства которых зависят от физических и конструктивных факторов.
Для учета этих факторов на этапе проектирования трубопроводных систем предложены методы расчета резонаторов с учетом податливости их конструкций и при наличии в полости резонатора герметичного УДЭ, с целью расширения частотного диапазона снижения гидродинамического шума предложены методы расчета эффективности группы резонаторов при их установке в двух вариантах: вдоль оси волновода и в заданном сечении волновода.
Испытания резонаторов в стендовых условиях и в реальных судовых трубопроводных системах показали возможность снижения пульсаций давления на дискретных составляющих в жидких рабочих средах до 25 дБ и более. Но необходимо учитывать, что при установке резонатора в волновод наряду с положительной эффективностью в области резонансных частот гасителя пульсаций будет иметь место слева и справа от этой области отрицательная эффективность.
Хорошее согласование результатов теоретических и экспериментальных исследований позволяют утверждать об их достоверности и рекомендовать для практического применения в трубопроводных системах судовых энергетических установок.
По результатам выполненных исследований можно дать следующие рекомендации:
- для снижения уровней на дискретных составляющих в судовых гидравлических системах возможно использование резонаторов;
- для снижения колебаний в широкополосных областях частот необходимо использовать группу резонаторов, резонансные области которых перекрывают друг друга;
- при расчете массогабаритных и акустических параметров резонаторов, предназначенных для работы в волноводах с жидкими рабочими средами, необходимо учитывать податливость стенок резонатора, фланцев корпуса резонатора и болтовых соединений, в том числе за счет использования регулируемых прокладок, позволяющих варьировать длиной горла резонатора;
- для снижения массогабаритных характеристик резонаторов во внутреннем объеме его полости должны устанавливаться герметичные упругодемпфирующие элементы;
- для получения наибольшей эффективности необходимо обеспечить совпадение частоты собственных колебаний резонатора с частотой колебаний источников, устанавливать его в сечении, где импедансы волновода как со стороны источника 2И, так и со стороны нагрузки 2п максимальны;
- для оптимального и наиболее эффективного использования резонаторов, для снижения гидродинамического шума в трубопроводных системах с морской водой, с жидкостью ПГВ необходимо устанавливать группы резонаторов с резонансными областями, перекрывающими друг друга.
Кроме того, как на этапе пусконаладочных работ, так и в процессе эксплуатации необходимо предусмотреть мероприятия по исключению воздушных включений в полости резонаторов, что обеспечит гарантированную стабильность частот собственных колебаний резонаторов и эффективность их работы.
По сравнению с применяемыми в настоящее время на судах глушителями гидродинамического шума резонаторы могут обеспечивать высокую степень снижения гидродинамического шума при существенно меньшей стоимости изготовления, быть более долговечными в эксплуатации, не требовать специального обслуживания. . .
3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Исследованы методы борьбы с распространением колебаний низкой частоты по жидким рабочим средам судовых трубопроводных систем с помощью низкочастотных импедансных включений, определено влияние конструктивных элементов резонаторов на эффективность их работы.
2. Произведены теоретические расчеты и проведены экспериментальные исследования установки гасителей пульсаций - резонаторов в стендовых условиях и судовых трубопроводных системах.
3. Впервые исследованы вопросы влияния физических свойств морской воды (температуры, давления, солености), жидкости ПГВ на эффективность снижения ГДШ резонаторами.
4. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили теоретические результаты и показали, что для снижения уровней колебаний давления в рабочих средах трубопроводных гидросистем, управления их ВАХ перспективно использование низкочастотных одиночных и групповых импедансных включений.
5. Показано, что при проведении мероприятий по борьбе с вибрацией и шумом необходимо предусмотреть, чтобы в частотные области с отрицательной эффективностью не попадали те частоты, на которых другие возможные источники колебаний могут генерировать высокие уровни. Если это невозможно при использовании одиночного включения, то необходимо использовать несколько импедансных включений, рассчитанных таким образом, чтобы расширить область частот с положительной эффективностью и тем самым обеспечить попадание частот источников колебаний в эту область.
6. Обоснованно, что отсутствует необходимость установки двух резонаторов (или их групп) до и после источника ГДШ, а достаточно использовать один резонатор. Устанавливать его необходимо там, где импедансы волновода как со стороны источника , так и со стороны нагрузки Хн максимальны, для определения места установки резонатора необходимо выполнить расчет импедансных характеристик системы в нескольких сечениях трубопроводной системы и определить место, где его установка даст наибольший эффект.
7. Разработан метод оптимизации резонаторов по массогабаритным и акустическим показателям с использованием герметичных упругодемпфирующих элементов позволит использовать их в ограниченных пространствах и, тем самым, расширить применение резонаторов на судах. Разработан метод расчета герметичных упругодемпфирующих элементов, обеспечивающих необходимую жесткость резонаторов.
8. Для расширения частотного диапазона и получения наибольшего снижения уровней колебаний теоретически и экспериментально обоснованна необходимость установки в одном сечении волновода несколько резонаторов с близкими частотами собственных колебаний.
9. Разработан метод расчета частот собственных колебаний резонаторов с учетом податливости стенок резонатора, фланцев корпуса резонатора и
болтовых соединений, соединяющих составные части корпуса, а также компактных резонаторов с герметичным упругодемпфирующим элементом могут быть использованы как ЦКБ-проектантами при проектировании судов, так и заводами-строителями при доведении до требований по вибрации и шуму трубопроводных систем, помещений и судов в целом.
10. Предложено использование упруго-инерционных элементов в качестве средств снижения ГДШ судовых систем, содержащих цистерны и другие емкости с жидкой рабочей средой.
4. ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
I. Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях:
1. Горин С.В., Куклин М.В. Эффективность снижения низкочастотных колебаний в гидравлических системах резонаторами Гельмгольца. // Вестник машиностроения, 2010, №5, с.70-72. (автор - 50%)
2. Горин С.В., Куклин М.В. Особенности использования глушителей гидродинамического шума на судах. // Судостроение, 2010, №3, с.44-46. (автор-50%)
3. Горин С.В., Куклин М.В. Эффективность применения упругоинерционных элементов для снижения гидродинамического шума судовых систем. // Судостроение, 2011, №5, с.38-39. (автор - 50%)
4. Куклин М.В. Использование присоединенных резонаторов в гидросистемах для снижения шума и вибрации. // Машиностроение и инженерное образование, 2011, №4, с.2-5. (автор - 100%)
11. Прочие публикации:
5. Куклин М.В. Снижение уровней гидродинамического шума насосов на лопастных частотах резонаторами Гельмгольца. - Сб. докладов конференции о поддержание эксплуатационной надежности кораблей ВМФ в обеспечение безопасности плавания, г. Северодвинск, ОАО «НИПТБ «Онега», 2009, с.115-118. (автор - 100%)
6. Куклин М.В. Исследование влияния импедансных включений на амплитудно-частотные характеристики трубопроводных систем. - Сб. трудов XXXIX Ломоносовских чтений, Арктический вектор развития России, научнопрактическая конференция СЕВМАШВТУЗА, 2010, с.336-339. (автор - 100%)
7. Куклин М.В. Упруго-инерционные элементы как средство снижения колебаний давления в рабочих средах трубопроводных систем. - Приоритетные направления развития науки и технологий: доклады IX Всероссийской научнотехнической конференции, г. Тула, изд-во «Инновационные технологии», 2011, с.164-167. (автор — 100%)
8. Куклин М.В. Снижение низкочастотных колебаний в жидких рабочих средах трубопроводных систем морских судов резонаторами Гельмгольца. — Сборник трудов IX молодежной научно-технической конференции, Взгляд в будущее, г. Санкт-Петербург, ОАО «ЦКБ МТ «Рубин», 2011, с.293-297. (автор -100%)
Издательство СПбГМТУ, Лоцманская, 10 Подписано в печать 18.01.2012. Зак. 4297. Тир.ЮО. 1,1 печ. л.
61 12-5/1765
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Филиал «СЕВМАШВТУЗ» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет»
СНИЖЕНИЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ В ЖИДКИХ РАБОЧИХ СРЕДАХ СУДОВЫХ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ
Специальность 01.04.06 - акустика
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: доктор технических наук,
доцент Горин С.В.
На правах рукописи
Куклин Михаил Васильевич
Санкт-Петербург 2012 г.
СОДЕРЖАНИЕ
ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И
СОКРАЩЕНИЙ.......................................................................... 4
ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 6
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................... 12
1.1. Физические аспекты работы гасителя пульсаций давления рабочей среды в трубопроводной системе................................................... 16
1.2. Анализ эффективности работы различных типов гасителей пульсаций в трубопроводных системах и обоснование выбора.............. 17
1.3. Выводы по разделу................................................................ 29
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ИМПЕДАНСНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ НА СНИЖЕНИЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ
В ВОЛНОВОДАХ...................................................................... 31
2.1. Оптимизация конструктивного исполнения резонаторов Гельмгольца
по массогабаритным и акустическим показателям.............................. 31
2.2. Особенности применения резонаторов Гельмгольца в трубопроводных системах морских судов............................................................... 42
2.3. Эффективность группы резонаторов, установленных вдоль оси волновода................................................................................. 47
2.4. Влияние воздушных включений в полости резонаторов Гельмгольца
на эффективность их работы......................................................... 55
2.5. Выводы по разделу................................................................ 58
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ........... 59
3.1. Исследования работы резонаторов Гельмгольца в замкнутых волноводах с жидкими рабочими средами......................................... 59
3.2. Эффективность установки резонаторов Гельмгольца в сечении волновода................................................................................. 71
3.3. Испытание резонаторов Гельмгольца в судовых трубопроводных системах.................................................................................... 80
3.3.1. Испытание резонаторов Гельмгольца в системе рулевой гидравлики............................................................................... 80
3.3.2. Испытание резонаторов Гельмгольца в трубопроводной системе охлаждения теплообменника холодильной машины............................ 88
3.4. Оценка применения упруго-инерционных элементов для снижения гидродинамического шума судовых систем...................................... 94
3.5. Выводы по разделу................................................................ 99
4. ОЦЕНКА КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ РЕЗОНАТОРОВ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СУДОВЫХ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМАХ.............................................................................. Ю1
4.1. Расчет характеристик и частоты собственных колебаний резонатора Гельмгольца с учетом податливости корпуса резонатора, болтовых соединений и фланцев................................................................. 101
4.2. Резонатор с герметичным упруго демпфирующим элементом........... 104
4.3. Выводы по разделу.................................................................. 117
5. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ПРАКТИЧЕСКОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ.................................... 118
ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ............................ 120
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................ 122
ПРИЛОЖЕНИЕ........................................................................... 133
ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И
СОКРАЩЕНИЙ
ВАХ - виброакустические характеристики; ГДТТТ - гидродинамический шум; ПГВ - парафин, глицерин, вода; УДЭ - упругодемпфирующий элемент; ЭУ - энергетическая установка.
с - скорость звука в среде;
ст- скорость звука в среде с учетом податливости стенок волновода;
Е - модуль упругости;
/- частота колебаний;
/о - частота собственных колебаний;
/л - лопастная частота;
/об- оборотная частота;
j - мнимая единица;
к — волновое число;
К- жесткость;
/ - длина горла резонатора;
/э - эффективная длина горла резонатора;
1И, 1Н - длины участков волновода от начального и конечного сечений до сечения, в котором установлен резонатор; L - уровень гидродинамического шума; AL - эффективность снижения гидродинамического шума; М- акустическая масса; m - колебательная масса; Р - статическое давление; г - радиус горла резонатора; R - коэффициент сопротивления;
5 - площадь поперечного сечения горла резонатора; Яв - площадь поперечного сечения волновода; V- объем полости резонатора; 2р - импеданс гасителя пульсаций;
2И- импеданс волновода со стороны источника пульсации; 2Н- импеданс волновода со стороны нагрузки; р - плотность; со - круговая частота.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Проблема снижения уровней пульсаций давления в течение длительного времени является актуальной для всех систем ЭУ, в которых используются капельные жидкости. Большой вклад в разработку методов и средств снижения Г ДТП в судовых трубопроводных системах внесли Брайнин Б.П., Будрин С.В, Голованов В.И., Ким Я.А., Лапин А.Д., Покровский Б.В., Попков В.И., Попков C.B., Рылеева Т.В., Шорин В.П. и другие ученые. Данная работа является продолжением их исследований, так как к судовым трубопроводным системам и ЭУ предъявляются все более жесткие требования по надежности и ВАХ.
Методы воздействия на механизм возникновения пульсаций давления не являются универсальными. В каждом конкретном случае требуется проведение специальных исследований. В ряде случаев, например, в насосах переменной производительности марки НА-360СА, используемых в системе рулевой гидравлики [28], сам принцип организации рабочего процесса предопределяет генерирование пульсаций давления рабочей среды значительной амплитуды. При сохранении величины производительности насоса марки НА-360СА уменьшение амплитуд пульсаций может быть достигнуто благодаря уменьшению величин мгновенно вытесняемых объемов жидкости, нагнетаемых насосом в гидросистему каждым плунжером, путем увеличения числа плунжеров. Возможно также снизить амплитуды пульсаций давления за счет увеличения времени перекладки люльки, однако, при этом уменьшится производительность насоса - это увеличит время перекладки гидроцилиндров, что приведет к отклонению работы системы от требований нормативной документации.
Немаловажным препятствием оказывается фактор времени, так как в условиях производства сроки на доводку продукции ограничены, и, наконец, полученные в настоящее время результаты свидетельствуют о том, что
проблема подавления колебаний в самом источнике еще далека от полного разрешения.
На практике [33,93] распространены методы снижения уровней пульсаций, относящиеся к частотной отстройке трубопроводной цепи.
Поиск оптимальной компоновки трубопроводной системы наиболее целесообразно проводить на стадии проектирования [72,79,83,87,91]. Однако отсутствие достоверных методов расчета акустических параметров составных элементов гидросистем [11,25,27], а также возможное наличие в них неконтролируемого воздуха не позволяют на данном этапе расчетным путем определить частоты собственных колебаний систем даже по жидкостному тракту, не говоря уже о влиянии на точность определения этих частот структурного тракта, вследствие взаимосвязанных гидроупругих колебаний [95], допусков на изготовление и особенностей монтажа судовых трубопроводных систем.
Для частотной отстройки на этапе доводки изделия нередко требуются значительные конструктивные переделки трубопроводной системы, а в некоторых случаях и изменение ее схемы. Однако крупные переделки в смонтированных системах, как правило, невозможны.
Таким образом, когда рациональным выбором параметров судовой трубопроводной системы невозможно добиться снижения уровней пульсаций давления до требуемых норм, необходимо прибегать к использованию в трубопроводных системах гасителей пульсаций.
Использование гасителей пульсаций для подавления колебаний рабочей среды нашло применение в трубопроводах компрессорных машин [18,19,96], в гидравлических системах летательных аппаратов [73,97] и различных промышленных установок [107]. Ведутся исследования гашения звука в узких трубах резонаторами монопольного и дипольного типов [46,68], оптимизируются камерные глушители шума [52,53,92,103].
Рассмотрев актуальность проблемы улучшения ВАХ трубопроводных систем и проанализировав основные пути снижения уровней пульсаций
давления в различных трубопроводных системах, известных из научно-технической литературы, можно утверждать, что виброакустическая активность судовых трубопроводных систем может быть значительно снижена за счет:
- установки гасителей пульсаций выполненных в виде ответвленных резонаторов (типа резонаторов Гельмгольца);
- уменьшения виброактивности основных источников пульсаций давления - центробежных и осевых насосов;
- уменьшения виброактивности самой трубопроводной системы за счет оптимизации ее состава и схемы трассировки.
Данная работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию путей снижения вибрации и ГДШ судовых трубопроводных систем с использованием низкочастотных импедансных включений в трубопровод: резонаторов и упруго-инерционных элементов.
Цель работы
Целью данной работы является разработка приемлемых для судовых условий методов и средств эффективного снижения низкочастотных колебаний жидких рабочих сред трубопроводных систем.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены
следующие основные задачи:
- определены особенности использования низкочастотных импедансных включений для улучшения ВАХ судовых трубопроводных
систем с жидкими рабочими средами;
- разработаны методы расчета акустических параметров резонаторов с жидкими рабочими средами и определения эффективности снижения уровней колебаний жидких рабочих сред трубопроводных систем;
- созданы опытные образцы и проведены их экспериментальные исследования в стендовых и судовых трубопроводных системах;
- проведены исследования по снижению ГДШ на отдельных дискретных составляющих и в широкой полосе частот от количества
гасителей пульсации, установленных в трубопроводе;
- даны рекомендации по оптимальному конструктивному исполнению средств снижения ГДШ и их исполнению в судовых системах.
Объектом исследований является разработка комплекса мероприятий по улучшению ВАХ судовых трубопроводных систем на этапах их
постройки и испытаний.
Методологическая и теоретическая оценка исследования
Методы расчета, полученные в работе, основаны на использовании
математической теории и законах физики.
Расчет и обработка результатов исследований выполнены на персональных компьютерах, имеющих современные программные продукты.
Достоверность полученных результатов определяется использованием апробированных методов анализа, совпадением теоретических результатов с результатами экспериментальных исследований в стендовых условиях,
результатами натурных испытаний.
Научная новизна диссертационного исследования состоит в том, что
впервые получены следующие результаты:
1. Разработан метод расчета акустических характеристик резонаторов с учетом податливости конструктивных элементов резонатора и физических
свойств жидких рабочих сред;
2. Экспериментально подтверждена высокая эффективность резонаторов не только в лабораторных, но и в реальных условиях судовых
трубопроводных систем;
3. Определены области положительных и отрицательных
эффективностей снижения ГДШ импедансными включениями;
4. Разработан метод расчета компактного резонатора с герметичным
упругодемпфирующим элементом;
5. Разработаны рекомендации по оптимальному применению одиночных и групповых низкочастотных импедансных включений в трубопроводных системах.
Практическая ценность полученных результатов в следующем:
1. Позволит не применять дорогостоящие и ненадежные в эксплуатации гасители пульсации с резиновыми оболочками, заполняемые воздухом под давлением;
2. Обеспечит стабильность В АХ гидравлических систем при изменениях температуры, давления и солености рабочей среды;
3. Отпадает необходимость в периодическом обслуживании средств гашения пульсаций давления рабочей среды;
4. Снизит затраты на мероприятия по улучшению В АХ судовых трубопроводных систем.
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты анализа эффективности работы различных глушителей гидродинамического шума в трубопроводных системах и обоснование выбора приемлемого для судовых условий резонатора;
- оптимальное конструктивное исполнение резонаторов по массогабаритным и акустическим показателям;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований низкочастотных одиночных и групповых импедансных включений в стендовых условиях и в реальных судовых трубопроводных системах;
- метод расчета акустических характеристик резонаторов с учетом податливости стенок резонатора, фланцев корпуса резонатора, болтовых соединений и физических свойств жидкости;
- метод расчета конструкции резонатора с герметичным упругодемпфирующим элементом.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях:
1. 9-я научно-техническая конференция «Поддержание эксплуатационной надежности кораблей ВМФ в обеспечение безопасности плавания», ОАО «НИПТБ «Онега», 2009г., г. Северодвинск;
2. XXXIX Ломоносовские чтения «Арктический вектор развития России», научно-практическая конференция, посвященная 45-летию Севмашвтуза, 2010г., г. Северодвинск;
3. 9-я всероссийская научно-техническая конференция «Приоритетные направления развития науки и технологий», 2011г., г. Тула;
4. IX молодежная научно-техническая конференция «Взгляд в будущее - 2011», ОАО «ЦКБ МТ «Рубин», 2011г., г. Санкт-Петербург;
5. ХЬ Ломоносовские чтения, посвященные 300-летию со дня рождения М.В. Ломоносова, научно-практическая конференция Севмашвтуза, 2011г., г. Северодвинск.
Имеется акт внедрения (см. приложение).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 8 работ. Из них 4 статьи и 4 доклада. Пять работ выполнены без соавторства, три работы выполнены в соавторстве, доля автора 50%. В рецензируемых научных журналах и изданиях, опубликовано 4 статьи, 1 статья выполнена без соавторства, 3 статьи выполнены в соавторстве, доля автора 50%.
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Для снижения уровней колебаний на низких частотах применяются реактивные глушители шума, предлагаются методы расчета эффективности их использования в воздуховодах конечных размеров [4-6]. Наиболее простым и известным реактивным глушителем является резонатор Гельмгольца. Использование резонаторов Гельмгольца позволяет снижать как уровни колебаний [43,64], так и улучшать тяговые характеристики волноводов [82].
В трудах [2,31,41,42,54-58,61,62,66,71,104,111] представлены теоретические и экспериментальные исследования влияния импедансных включений (резонаторов Гельмгольца) на снижение низкочастотных колебаний в волноводах. Снижение уровней колебаний давления рабочих сред в трубопроводных системах при помощи гасителей пульсаций может быть достигнуто как за счет изменения амплитудно-частотной характеристики волновода [89,102] при изменении резонансных областей частот [76,88,93], так и за счет звукоизоляции при работе резонаторов в волноводах [59,60,67,93,97]. В спектрах гидродинамического шума и вибрации реальных источников звука (например, лопастных машин -центробежных и осевых насосов) присутствуют дискретные составляющие и широкополосные подъемы [12,81,97]. Анализ научной и технической литературы показал, что до настоящего времени в спектрах вибрации и шума трубопроводных систем имеются ярко выраженные дискретные составляющие уровней колебаний на оборотных, лопастных частотах и их гармониках [28,29]. Над сплошной частью спектра они достигают от 20 до 40 дБ и более. На рис. 1.1 изображены уровни ГДШ для насоса забортной воды IV контура ЦН-104. Оборотная частота определяется /об=М60, а кратные ей гармоники /П0б=п-/об, где «=1,2,3... Лопастная частота определяется [39] /л = г-/об, где 2 - число лопастей рабочего колеса насоса.
L, дБ!
О" ' ' 100 ' ' 200 ' ' 300 ' ' 400 ' 500 600 700 f, Гц
Рис. 1.1. Уровни гидродинамического шума в трубопроводной системе при работе насоса ЦН-104: N=1830 об/мин, N=2700 об/мин
В работе [77] указано, что у судовых центробежных насосов более 60% акустической энергии передается именно через перекачиваемую жидкость в виде так называемого ГДШ. Проблема снижения ГДШ особенно актуальна для насосов, установленных в системах забортной воды.
При уменьшении оборотов насоса можно добиться снижения уровней дискретных составляющих. Однако,
