Повышение эффективности методов снижения шума центробежных нагнетателей

Четвертая глава посвящена решению задачи по повышению акустической эффективности проектирования газотранспортных объектов, а также разработке методов и средств защиты от шума с учетом переменного режима работы центробежных нагнетателей путем использования предложенной критериальной оценки их шумности аналогичной применяемой для вентиляторов.

Для этого было проанализировано акустическое соотношение, применяемое для промышленных вентиляторов, в соответствии с которым уровень звуковой мощности может быть выражен через полное давление, объемный расход и критерий шумности следующим соотношением:

                                               

,                                            (4)

где  L_p – уровень звуковой мощности, дБА;   

a – безразмерный коэффициент;

P – полное давление на выходе, кгс/м²;

       Q – объемный расход, м³/c;

       – критерий шумности, дБА.

Для центробежных нагнетателей зависимость (4) с учетом дипольного механизма излучения шума (а=3) будет иметь следующий вид: 

                                                ,                           (5)                       

где  P_o – 1 МПа;

        Q_o – 1 м³/c.

Для выборок исследованных центробежных нагнетателей расчет критериев шумности проводился для 5-и машин 7V-3/100-1,7; 11-и машин Н-196-1,45 и 7-и машин НЦ-6,3-56-1,45 (СПЧ 1,35) на рабочих режимах, характеризующихся различными технологическими параметрами, такими как: давление и температура на входе и выходе, частота вращения ротора нагнетателя, объемный расход и производительность.

Проведенные исследования свидетельствуют, что зависимость (5) справедлива для сравнения шумности центробежных нагнетателей, работающих на режимах с относительно сопоставимыми рабочими характеристиками (Q, P).

В рамках проведенных  исследований были определены уровни звуковой мощности, излучаемые центробежными нагнетателями на различных режимах работы, с использованием стандартизированной методики проведения акустических измерений и соответствующие им значения рабочих параметров (Q, P), а также выполнен регрессионный анализ экспериментальных данных с расчетом значений критериев шумности ( ). Результаты расчета значений критериев шумности исследованных центробежных нагнетателей следующие:

• значения в регрессионном уравнении (5) для ЦБН 7V-3/100-1,7 соответственно равны ₁  = 85 дБА, ₂ = 86 дБА, ₃ = 85 дБА, ₄ = 84 дБА и ₅ = 85 дБА;
• значения в регрессионном уравнении (5) для ЦБН Н-196-1,45 соответственно равны ₁  = 115 дБА, ₂ = 115 дБА, ₃ = 115 дБА, ₄= 114 дБА, ₅ = 114 дБА, ₆ = 114 дБА, ₇ =115 дБА, ₈ = 115 дБА, ₉ = 115 дБА, ₁₀ = 115 дБА, ₁₁ = 114 дБА;
• значения в регрессионном уравнении (5) для ЦБН НЦ-6,3-56-1,45 (СПЧ 1,35) соответственно равны ₁ = 111 дБА, ₂ = 111 дБА, ₃ = 111 дБА, ₄ =111 дБА, ₅ =112 дБА, ₆ =111 дБА, ₇ = 111 дБА.

Результаты  исследований  свидетельствуют, что значение критерия шумности для отдельно взятого центробежного нагнетателя является величиной постоянной, не зависимой от рабочего режима. Кроме того, различие в значениях критериев шумности для однотипных центробежных нагнетателей практически отсутствует, что позволяет определять его для конкретного типа ЦБН как среднеарифметическое значений критерия исследованных машин. Значения критериев шумности центробежных машин удобны для сравнения шумности как машин одного типа, так и различных.

Достоверность определения критериев шумности проверялась сериями повторных экспериментов на идентичных единицах оборудования с последующим проведением расчетов.

В целях разработки математической модели для оценки влияния переменных режимов работы центробежных нагнетателей на интенсивность их шумоизлучения был проведен анализ результатов акустических испытаний методами математической статистики на трех компрессорных станциях магистральных газопроводов.

Как известно, генерация  воздушного шума представляет собой  случайный процесс, который применительно к центробежным нагнетателям зависит от многих факторов – конструктивных особенностей, износа сменных проточных частей, режимов работы и.т.д. Однако статистический анализ правомерно проводить только для случайных величин, принадлежащих к одной генеральной совокупности. Иначе говоря, необходимо было исключить возможность того, что наблюдаемые экспериментальные различия в звуковой мощности центробежных нагнетателей одного типа на исследованных режимах работы носят систематический характер. Проверка статистической гипотезы о том, что уровни звуковой мощности однотипных центробежных нагнетателей на всех исследованных режимах работы представляют собой выборку случайной величины из одной генеральной совокупности, подтвердила ее справедливость.

Кроме того, по общепринятым одномерным и двумерным статистическим критериям была подтверждена гипотеза о нормальности распределения уровней звуковой мощности для однотипных центробежных нагнетателей на всех исследованных режимах работы. Это позволило использовать методы регрессионного и дисперсионного анализа, выработанные для нормального распределения случайной величины.

Анализ данных, представленных на рис. 4, позволяет сделать вывод о возможности их аппроксимации линейной функцией (зависимости уровня звука от частоты вращения ротора нагнетателя) следующего вида:

                                               ,                                                     (6)

где     L – усредненный уровень звука, дБА;

           к₁, к₂ – расчетные коэффициенты;

           n – частота вращения ротора нагнетателя, об/мин.

 

Рис. 4 Влияние варьирования режимов работы центробежных нагнетателей

(а) Н-196-1,45, (б) 7V-3/100-1,7 и (в) НЦ-6,3-56-1,45 (СПЧ 1,35) на излучаемые уровни шума

В аппроксимирующей линейной зависимости были определены коэффициенты k₁ и k₂ с помощью метода наименьших квадратов. Результаты расчета коэффициентов для исследованных центробежных нагнетателей соответственно равны: НЦ-6,3-56-1,45 (СПЧ 1,35) k₁=0,0050, k₂=65,3705;         Н-196-1,45 k₁= 0,0028, k₂=84,0406; 7V-3/100-1,7   k₁= 0,0027, k₂= 79,0000.

Полученные соотношения позволяют оценивать ожидаемое изменение шумового режима в исследованных диапазонах для выборок центробежных нагнетателей различных типов с целью учета влияния варьирования режимов их работы на интенсивность шумоизлучения.

Был проведен дисперсионный  анализ экспериментальных данных: определены доверительные интервалы уровней звука, излучаемого на экспериментальных режимах работы, для групп однотипных центробежных нагнетателей с использованием критерия Стьюдента.

Верхняя и нижняя границы интервала определяются следующим соотношением:

                                                                       (7)

где		–	математическое ожидание уровня звука для некоторой частоты вращения;
	М	–	количество однотипных центробежных нагнетателей в исследуемой группе (число степеней свободы);
		–	среднее значение уровня звука в группе для некоторой частоты вращения;
		–	табличное значение критерия Стьюдента, соответствующее принятому доверительному уровню вероятности β и числу степеней свободы;
		–	среднеквадратическое отклонение.

Проведенные расчеты с доверительной вероятностью β = 95% позволяют утверждать, что математическое ожидание уровней звука, излучаемого центробежными нагнетателями одного типа на определенном режиме работы, находятся в пределах доверительных интервалов, приведенных на рис. 5.

Рис. 5 Излучаемые уровни шума и их доверительные интервалы при изменении режимов работы центробежных нагнетателей (а) Н-196-1,45,       (б) 7V-3/100-1,7 и (в) НЦ-6,3-56-1,45 (СПЧ 1,35)

Из приведенного рисунка  видно, что для различных типов  центробежных нагнетателей размеры доверительных интервалов отличны друг от друга, что во многом объясняется конструктивными особенностями исследованных машин.

Повышение эффективности разрабатываемых методов и средств по снижению шума, излучаемого центробежными нагнетателями, может быть обеспечено путем учета влияния изменения режимов их работы в процессе эксплуатации на излучаемые уровни шума.

В работе также предложен  наглядный метод прогнозирования интенсивности шумоизлучения центробежных нагнетателей на различных режимах их работы за счет построения доверительного коридора для уравнения регрессии:

                                                            ,                                           (8)   

где		–	значение полуразмаха доверительного интервала;
	Soу	–	остаточное стандартное  отклонение значения L;
	Ф	–	сомножитель (зависит  от значений Z, N, ), определяемый в соответствии с соотношением:

                          

,                     (9)

где		–	уровень значимости (0,05);
		–	табличное значение числа  Стьюдента (определяется в зависимости  от уровня значимости и числа степеней свободы);
	N	–	значение размера выборки;
	Z	–	нормированное отклонение значения n.

                                

,                     (10)

где	Li	–	i-ое значение уровня звука;
	ni	–	i-ое значение частоты вращения;
	N	–	значение размера выборки;
	к1, к2	–	расчетные коэффициенты.

Приведенный метод применим для оценки  возможного изменения  шумового режима в областях близких  к исследованным,  т.е. позволяет  экстраполировать имеющиеся данные и комплексно оценивать изменение  шумового режима во всем исследуемом диапазоне непрерывно (рис. 6).

Рис. 6 Экспериментальные данные по излучаемым уровням шума, линии регрессии и доверительные коридоры при изменении режимов работы центробежных нагнетателей (а) Н-196-1,45, (б) 7V-3/100-1,7 и                          (в) НЦ-6,3-56-1,45 (СПЧ 1,35)

Полученные в работе результаты по определению влияния  переменных режимов работы центробежных нагнетателей на интенсивность шумоизлучения используются в производственном процессе при оптимизации эксплуатационных режимов с целью снижения шумовой нагрузки в производственных помещениях на территории компрессорных станций ООО «Газпром трансгаз Кубань» и позволяют определить значения поправок к шумовым характеристикам в нормативной документации ОАО «Газпром», регламентирующей проведение акустических расчетов на стадии проектирования и реконструкции компрессорных станций, а также разработку средств защиты от шума (таблица 3).

Перспективным также является создание каталога шумовых характеристик газотранспортного оборудования, аналогичного действующему в настоящее время (СТО Газпром 2-3.5-041-2005) и содержащего значения критериев шумности для центробежных нагнетателей различных типов, эксплуатируемых в ОАО «Газпром». 

Таблица 3

Значения поправок к  расчетным шумовым

 характеристикам в нормативной документации ОАО «Газпром»

№	Наименование  СТО Газпром	Номер  СТО  Газпром	Корректируемое соотношение*	Значение поправки, дБА
				Н-196-1,45	НЦ-6,3-56-1,45 (СПЧ 1,35)	7V-3/100-1,7
1	«Регламент проведения акустического расчета на стадии проектирования компрессорных станций, дожимных компрессорных станций, компрессорных станций подземных хранилищ газа»	2-1.21 - 127-2007		[-9÷-6]	[-12÷-6]	[-10÷-5]
2	«Методика расчета уровня шума от компрессорных станций»	2-3.5 - 042-2005		[-15÷-12]	[-18÷-12]	[-17÷-12]