МНОГОСЕКЦИОННЫЙ ГЛУШИТЕЛЬ КОЧЕТОВА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ШУМА ВЫХЛОПА ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
MULTI-SECTION MUFFLER BY KOCHETOV FOR REDUCING EXHAUST NOISE OF GAS-DYNAMIC PLANTS

Изобретение относится к технике глушения шума компрессорных станций и испытательных боксов для газотурбинных двигателей.
Наиболее близким техническим решением по технической сущности и достигаемому результату является многосекционный глушитель шума выхлопа по патенту РФ №2318124, F01N 1/00 (прототип), содержащий цилиндрический цоколь, эжектор, выравнивающую решетку, на которой закреплен звукопоглощающий блок, состоящий из отдельных последовательно соединенных секций, в каждой секции послойно расположены одиночные звукопоглотители, а в верхней части глушителя расположен элемент экранного типа, включающий в себя цилиндрическую обечайку, сверху соединенную с крышкой, состоящей из перфорированного слоя и звукопоглотителя, причем выхлопные отверстия выполнены в виде щелей, одиночные звукопоглотители выполнены объемными.
Недостатком прототипа является сравнительно невысокая эффективность шумоглушения на высоких частотах, так как звукопоглощающий элемент, расположенный внутри обечаек перфорированной цилиндрической втулки, выполнен однослойным и не имеет звукоотражающих слоев, выполняющих функции звукоизоляции на высоких частотах.
Технический результат - повышение эффективности шумоглушения и надежности конструкции в целом путем введения в звукопоглощающий элемент звукоотражающих слоев, которые выполняют функцию звукоизоляции на высоких частотах.
Это достигается тем, что в многосекционном глушителе для снижения шума выхлопа газодинамических установок, содержащем
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого многосекционного глушителя шума; на фиг. 2 - конструкция одиночного звукопоглотителя; на фиг. 3 - разрез звукопоглощающего элемента одиночного звукопоглотителя; на фиг. 4 - вариант конструкции одиночного звукопоглотителя; на фиг. 5 - разрез звукопоглощающего элемента одиночного звукопоглотителя на фиг. 4.
Многосекционный глушитель для снижения шума выхлопа газодинамических установок содержит цилиндрический цоколь 1 (фиг. 1), в который перпендикулярно его оси входит эжектор. На цоколе 1 размещена выравнивающая решетка 2, на которой закреплен звукопоглощающий блок 3, состоящий из слоя звукопоглощающего материала (ЗПМ), облицованного изнутри перфорированной оболочкой 4. Звукопоглощающий блок 3 состоит из отдельных последовательно соединенных секций 6. В каждой секции 6 послойно расположены одиночные звукопоглотители 5. В верхней части корпуса глушителя расположен элемент глушителя 7 экранного типа. Он включает в себя цилиндрическую обечайку 8, сверху соединенную с крышкой 9, состоящей из перфорированного слоя 10 и звукопоглотителя 11, причем выхлопные отверстия выполнены в виде щелей 13, выполненных по периферии обечайки 7, и облицованы звукопоглощающим материалом 12.
Одиночный звукопоглощающий элемент 5 глушителя (фиг. 2 и 3) выполнен по форме в виде двух концентричных объемных поверхностей правильных многогранников в виде платоновых тел, например куба, тетраэдра, октаэдра, додекаэдра, икосаэдра (на чертеже не показано), причем одна из которых - внешняя 14 - выполнена перфорированной, а другая - внутренняя 15 - сплошной, между которыми расположен звукопоглощающий элемент 16, обернутый акустически прозрачным материалом 17.
Звукопоглощающий элемент 16 расположен в промежутке между поверхностями, которые соединены между собой посредством по крайней мере двух втулок 19, выполняющих функции горловин резонатора Гельмгольца (на чертеже не показано), образованного полостью внутри сплошной поверхности правильного многогранника. Для крепления элемента 5 предусмотрены крючки 18.
Звукопоглощающий элемент выполнен в виде сплошной 15 и перфорированной 14 стенок (поверхностей), между которыми расположен многослойный звукопоглощающий элемент, выполненный в виде трех слоев: центрального слоя 21 из звукоотражающего материала, сложного профиля, состоящего из равномерно распределенных пустотелых тетраэдров, позволяющих отражать падающие во всех направлениях звуковые волны, и симметрично прилегающих к нему звукопоглощающих слоев 20 и 22 из материалов разной плотности. Перфорированная стенка 14 имеет следующие параметры перфорации: диаметр отверстий 3÷7 мм, процент перфорации 10%÷15%, причем по форме отверстия могут быть выполнены в виде отверстий круглого, треугольного, квадратного, прямоугольного или ромбовидного профиля, при этом в случае некруглых отверстий в качестве условного диаметра следует считать максимальный диаметр вписываемой в многоугольник окружности.
Каждая из стенок 14 и 15 может быть выполнена из конструкционных материалов, с нанесенным на их поверхности с одной или двух сторон слоем мягкого вибродемпфирующего материала, например мастики ВД-17, или материала типа «Герлен-Д», при этом соотношение между толщинами материала и вибродемпфирующего покрытия лежит в оптимальном интервале величин: 1/(2,5…3,5).
Каждая из стенок 14 и 15 может быть выполнена из нержавеющей стали или оцинкованного листа толщиной 0,7 мм с полимерным защитно-декоративным покрытием типа «Пурал» толщиной 50 мкм или «Полиэстер» толщиной 25 мкм, или алюминиевого листа толщиной 1,0 мм и толщиной покрытия 25 мкм. Коэффициент перфорации перфорированных листов принимается равным или более 0,25.
Каждая из стенок 14 и 15 может быть выполнена из твердых, декоративных вибродемпфирующих материалов, например пластиката типа «Агат», «Антивибрит», «Швим», причем внутренняя поверхность перфорированной поверхности, обращенная в сторону звукопоглощающей конструкции, облицована акустически прозрачным материалом, например стеклотканью типа ЭЗ-100 или полимером типа «повиден» либо неткаными материалами, например «Лутрасил».
3
3
В качестве материала звукоотражающего слоя 21 может быть применен материал на основе алюминесодержащих сплавов с последующим наполнением их гидридом титана или воздухом с плотностью в пределах 0,5…0,9 кг/м со следующими прочностными свойствами: прочность на сжатие в пределах 5…10 МПа, прочность на изгиб в пределах 10…20 МПа, например, пеноалюминия, или применены звукоизоляционные плиты на базе стеклянного штапельного волокна типа «Шумостоп» с плотностью материала, равной 60÷80 кг/м.
В качестве звукопоглощающего материала слоев 20 и 22 может быть применена минеральная вата на базальтовой основе типа «Rockwool», или минеральная вата типа «URSA», или базальтовая вата типа П-75, или стекловата с облицовкой стекловойлоком, или вспененного полимера, например полиэтилена или полипропилена. Причем звукопоглощающий материал по всей своей поверхности облицован акустически прозрачным материалом, например стеклотканью типа ЭЗ-100 или полимером типа «повиден», или поверхность волокнистых звукопоглотителей обрабатывается специальными пористыми красками, пропускающими воздух (например, Acutex Т) или покрывается воздухопроницаемыми тканями или неткаными материалами, например «Лутрасил».
Кроме того, в качестве звукопоглощающего материала слоев 20 и 22 может быть использован пористый шумопоглощающий материала, например пеноалюминий, или металлокерамика, или камень-ракушечник со степенью пористости, находящейся в диапазоне оптимальных величин 30÷45%, или металлопоролон, или материал в виде спрессованной крошки из твердых вибродемпфирующих материалов, например эластомера, полиуретана, или пластиката типа «Агат», «Антивибрит», «Швим», причем размер фракций крошки лежит в оптимальном интервале величин 0,3…2,5 мм, а также могут быть использованы пористые минеральные штучные материалы, например пемза, вермикулит, каолин, шлаки с цементом или другим вяжущим, или синтетические волокна, при этом поверхность волокнистых звукопоглотителей обрабатывается специальными пористыми красками, пропускающими воздух, например, типа Acutex Т или покрывается воздухопроницаемыми тканями или неткаными материалами, например «Лутрасил».
Вариант одиночного звукопоглотителя (фиг. 4 и 5) состоит из каркаса, который содержит крышки 23 и 24 с кольцевыми буртиками 25 для крепления цилиндрической втулки, при этом крышки соединены центральным стержнем 26 с крючками на обоих концах, а цилиндрическая втулка состоит из двух перфорированных обечаек - внешней 29 и внутренней 30, пространство между которыми заполнено звукопоглотителем 31. Снаружи перфорированной цилиндрической втулки расположен слой акустически прозрачной оболочки 33, выполненной, например, из капроновой сетки или стеклоткани. Звукопоглощающий материал 32, расположенный во внутренней полости звукопоглотителя, выполнен из раскручивающегося рулона, один конец которого жестко зафиксирован на центральном стержне 26, а свободный конец упирается во внутреннюю обечайку 30 с образованием в сечении, перпендикулярном стержню 26, замкнутой формы в виде спирали Архимеда с увеличивающимися от центра к периферии воздушными промежутками (на чертеже не показано), при этом он имеет более высокую пористость по сравнению со звукопоглотителем 31, расположенным внутри обечаек 29 и 30. При этом крышки 23 и 24 имеют на внешних поверхностях обтекатели 27 и 28 конической формы для снижения гидравлического сопротивления при установке одиночного звукопоглотителя в системах глушения шума компрессорных станций, а цилиндрическая втулка фиксируется крышками 23 и 24 посредством гаек 34 на стержне 26.
Боковые замкнутые поверхности обечаек 29 и 30 могут иметь в сечении не только круг в случае цилиндрической формы, а также форму треугольника, многогранника, эллипса или любую комбинацию из этих фигур.
Обечайки 29 и 30 выполнены из перфорированного листа из нержавеющей стали или оцинкованного листа толщиной 0,7 мм с полимерным защитно-декоративным покрытием типа «Пурал» толщиной 50 мкм, или «Полиэстер» толщиной 25 мкм, или алюминиевого листа толщиной 1,0 мм и толщиной покрытия 25 мкм.
В качестве звукопоглощающего материала звукопоглотителя 31 используется пористый шумопоглощающий материала, например пеноалюминий или металлокерамика, или металлопоролон, или в виде спрессованной крошки из твердых вибродемпфирующих материалов, например эластомера, полиуретана, или пластиката типа «Агат», «Антивибрит», «Швим», причем размер фракций крошки лежит в оптимальном интервале величин: 0,3…2,5 мм (на чертеже не показано).
В качестве звукопоглощающего материала 32, расположенного во внутренней полости одиночного звукопоглотителя, используются минеральная вата на базальтовой основе типа «Rockwool», или минеральная вата типа «URSA», или базальтовая вата типа П-75, или стекловата с облицовкой стекловойлоком или вспененного полимера, например полиэтилена или полипропилена.
Звукопоглощающий элемент (фиг. 5) выполнен в виде симметрично расположенных перфорированных 35 и 40 стенок, между которыми расположены слои звукоотражающего 36 и 39 материала, а также звукопоглощающего 37 и 38 материала разной плотности, расположенные в два слоя, причем слои звукоотражающего материала выполнены сложного профиля, состоящего из равномерно распределенных пустотелых тетраэдров, позволяющих отражать падающие во всех направлениях звуковые волны, и которые расположены соответственно у перфорированных 35 и 40 стенок, а каждая из перфорированных стенок имеет следующие параметры перфорации: диаметр отверстий 3÷7 мм, процент перфорации 10%÷15%, причем по форме отверстия могут быть выполнены в виде отверстий круглого, треугольного, квадратного, прямоугольного или ромбовидного профиля, при этом в случае некруглых отверстий в качестве условного диаметра следует считать максимальный диаметр вписываемой в многоугольник окружности.
Каждая из перфорированных стенок 35 и 40 может быть выполнена из конструкционных материалов с нанесенным на их поверхности с одной или двух сторон слоя мягкого вибродемпфирующего материала, например мастики ВД-17, или материала типа «Герлен-Д», при этом соотношение между толщинами материала и вибродемпфирующего покрытия лежит в оптимальном интервале величин: 1/(2,5…3,5).
Каждая из перфорированных стенок 35 и 40 может быть выполнена из нержавеющей стали или оцинкованного листа толщиной 0,7 мм с полимерным защитно-декоративным покрытием типа «Пурал» толщиной 50 мкм или «Полиэстер» толщиной 25 мкм либо алюминиевого листа толщиной 1,0 мм и толщиной покрытия 25 мкм. Коэффициент перфорации перфорированных листов принимается равным или более 0,25.
3
В качестве материала звукоотражающих слоев 36, 39 может быть применен материал на основе алюминесодержащих сплавов с последующим наполнением их гидридом титана или воздухом с плотностью в пределах 0,5…0,9 кг/м со следующими прочностными свойствами: прочность на сжатие в пределах 5…10 МПа, прочность на изгиб в пределах 10…20 МПа, например, пеноалюминия.
3
В качестве материала звукоотражающих слоев 36, 39 могут быть применены звукоизоляционные плиты на базе стеклянного штапельного волокна типа «Шумостоп» с плотностью материала, равной 60÷80 кг/м.
В качестве звукопоглощающего материала слоев 37 и 38 может быть применена минеральная вата на базальтовой основе типа «Rockwool», или минеральная вата типа «URSA», или базальтовая вата типа П-75, или стекловата с облицовкой стекловойлоком либо вспененного полимера, например полиэтилена или полипропилена. Поверхность волокнистых звукопоглотителей обрабатывается специальными пористыми красками, пропускающими воздух (например, Acutex Т) или покрывается воздухопроницаемыми тканями или неткаными материалами, например «Лутрасил».
Одиночный звукопоглотитель (фиг. 4 и 5) работает следующим образом.
Звукопоглощение на низких и средних частотах осуществляется за счет мембранного возбуждения стенок корпуса и, косвенно, внутренних объемов воздуха в воздушных промежутках звукопоглощающего материала 32, расположенного по спирали Архимеда. Переход звуковой энергии в тепловую (диссипация, рассеивание энергии) происходит в порах звукопоглощающего материала, представляющих собою модель резонаторов Гельмгольца, где потери энергии происходят за счет трения колеблющейся с частотой возбуждения массы воздуха, находящегося в горловине резонатора о стенки самой горловины, имеющей вид разветвленной сети пор звукопоглотителя.
Звуковая энергия от оборудования, находящегося в помещении, или другого излучающего интенсивный шум объекта, пройдя через перфорированные стенки 35 и 40 попадает на слои 36 и 39 звукоотражающего материала сложного профиля, состоящего из равномерно распределенных пустотелых тетраэдров, позволяющих отражать падающие во всех направлениях звуковые волны, и которые расположены соответственно у перфорированных 35 и 40 стенок, а затем падает на слои 37 и 38 мягкого звукопоглощающего материала разной плотности, расположенные в два слоя (например, выполненного из базальтового или стеклянного волокна). В волокнистых поглотителях рассеяние энергии колебания воздуха и превращение ее в тепло происходят на нескольких физических уровнях. Во-первых, вследствие вязкости воздуха, а его очень много в межволоконном пространстве, колебание частиц воздуха внутри поглотителя приводит к трению. Переход звуковой энергии в тепловую (диссипация, рассеивание энергии) происходит в порах звукопоглотителя, представляющих собою модель резонаторов Гельмгольца, где потери энергии происходят за счет трения колеблющейся с частотой возбуждения массы воздуха, находящегося в горловине резонатора о стенки самой горловины, имеющей вид разветвленной сети пор звукопоглотителя. Кроме того, происходит трение воздуха о волокна, поверхность которых также велика. В-третьих, волокна трутся друг о друга и, наконец, происходит рассеяние энергии из-за трения кристаллов самих волокон. Этим объясняется то, что на средних и высоких частотах коэффициент звукопоглощения волокнистых материалов находится в пределах 0,4…1,0.
Многосекционный глушитель для снижения шума выхлопа газодинамических установок работает следующим образом.
Звуковые волны вместе с турбулентным потоком сжатого воздуха из эжектора поступают через выравнивающую решетку 2 в полости секций 6 из ЗПМ. При этом явление лучевого эффекта полностью исключается за счет расположения в полостях этих секций одиночных звукопоглощающих элементов 5 глушителя цилиндрической формы.
Повышение эффективности шумоглушения происходит за счет исключения «лучевого эффекта» путем установки в верхней части корпуса элемента глушителя 7 экранного типа, а также выполнения одиночного звукопоглощающего элемента 5 комбинированным, состоящим из активной и реактивной частей.
Низкочастотное звукопоглощение осуществляется за счет мембранного возбуждения стенок корпуса и, косвенно, внутренних объемов воздуха. За счет большого декремента затухания в материале возникает поглощение звуковой энергии при диссипации. Переход звуковой энергии в тепловую (диссипация, рассеивание энергии) происходит в порах звукопоглотителя, представляющих собою модель резонаторов Гельмгольца, где потери энергии происходят за счет трения колеблющейся с частотой возбуждения массы воздуха, находящегося в горловине резонатора о стенки самой горловины, имеющей вид разветвленной сети пор звукопоглотителя.