Аналіз шкідливих і небезпечних факторів, що виникають при експлуатації дизель-генератора потужністю 4800 кВт
При експлуатації дизель-генераторів виникають небезпечні і шкідливі фактори, внаслідок дії яких порушується екологічна обстановка.
До таких факторів належать:
· Вібрація;
· Шум;
· Пожежна небезпека;
· Викид токсичних речовин, наявність отруйних рідин.
Дія вібрації
Вібрація - шкідливий і небезпечний фактор. Вібрація виникає внаслідок зворотно-поступального і обертального руху неврівноважених мас двигуна, крутильних коливань, неточності виготовлення деталей, нерівномірності крутного моменту, резонансних ефектів, і інших явищ, у меншій мірі викликають вібрацію. Вібрація викликає додаткові напруги в деталях двигуна і його опори, викликаючи їх руйнування, в результаті якого може відбутися подія.
Для зниження вібрації двигун повинен бути урівноважений. У чотиритактному шестнадцатіціліндровом V-образному двигуні врівноважені всі моменти від сил інерції, а також від відцентрових сил. Момент від відцентрових сил врівноважується противагами на продовженні щік.
Вібраційні впливи приводять до втомного руйнування деталей. При цьому вібрація може виникнути в одному місці, а руйнування - в іншому. Особливо небезпечні резонансні явища.
Вібраційні впливу, не викликаючи руйнування вузлів, можуть призводити до порушення їх нормального функціонування (порушення контактних з'єднань в електрообладнанні, поступове ослаблення нерухомих з'єднань, зіткнення і збільшення зазорів в з'єднаннях з зазорами).
Мета віброзахисту вузлів - підвищення їх віброміцності (здатності не руйнуватися під впливом вібрацій).
Сприйняття вібрацій людиною залежить від частоти: при низьких частотах сприйняття пропорційно до прискорень, при середніх - швидкостям, при високих - частотах.
Організм людини найбільш чутливий до вертикальних коливань в діапазоні частот 4 - 8 Гц і горизонтальним - у діапазоні 1 - 2 Гц, що враховується в сучасних нормах щодо припустимого рівня вібрацій (ГОСТ 12.1.012-90).
Вплив шуму
При роботі поршневого двигуна внутрішнього згоряння виникають шумові ефекти. У ДВС виникають шуми впуску, випуску, шум від згоряння горючої суміші в циліндрах, шум від роботи зубчастих передач, та інших причин, у меншій мірі викликають шум.
Сприйняття шуму людиною залежить від рівня і частоти, а також від характеру його зміни в часі, індивідуальних особливостей людини. Підвищений шум є причиною погіршення чутності, передчасної стомлюваності людини.
На організм людини роблять шкідливий вплив і нечутні інфразвуки. Сильні інфразвуки, викликаючи вібрацію внутрішніх органів, можуть призвести до пошкодження і навіть зупинки серця. Інфразвук з частотою 7 Гц смертельний для людини. Шум суднових і тепловозних дизелів оцінюють згідно з ГОСТ 30575-98 рівнем звуку, дБ. В якості основної характеристики внутрішнього шуму приймають рівень, допустимі значення якого для суднових дизелів 100 дБ в машинному відділенні.
Механічний рівень шуму проектованого двигуна визначається за формулою
Тут p i - середнє індикаторне тиск, n - частота обертання, m V - питома літрова маса (кг / л).
Результати розрахунку наведені в таблиці 5.1.1 (обрані три режими роботи двигуна).
Таблиця 5.1.1. Шумові характеристики двигуна
Пожежонебезпека.
Робота двигуна внутрішнього згоряння пов'язана зі споживанням дизельного палива - пожежонебезпечної рідини. Масло, що застосовується в системі змащення двигуна, теж пожежонебезпечні. Зовнішня поверхня головки циліндра (двигун з водяним охолодженням) нагрівається до температури 100 0 С. При негерметичності системи паливоподачі або в результаті викиду масла в моторний відсік може виникнути пожежа.
З метою зменшення можливості пожежі в машинному відділенні, а також для виявлення вогнища загоряння та його ліквідації передбачається комплекс засобів пожежного захисту, що включає:
- Конструктивні заходи, застережливі виникнення і розповсюдження пожежі.
- Системи і прилади виявлення пожежі в моторному відсіку та сигналізації про нього механіку.
- Систему пожежогасіння.
- Дренажні пристрої для виключення скупчення горючих рідин та їх парів.
Вимоги до елементів конструкції і матеріалам:
· Елементи управління двигуном і інші частини конструкції (подмоторной рами, тяги, трубопроводи і колектори системи пожежогасіння й т.д.), розміщені в машинному відділенні, повинні бути виготовлені з вогнетривких матеріалів, що витримують вплив полум'я з температурою 1100 0 С протягом 15 хвилин або екрановані.
· Всі місця проходів ліній комунікацій, тяг управління двигуном загерметизовані. Всі вузли кріплення двигуна у відсіку і тяги управління виконані із сталевих сплавів.
· Паливний пожежний кран і паливопровід для нього не повинні розташовуватися в пожежонебезпечному відсіку. Для підвищення надійності та ефективності системи пожежогасіння та скорочення ручних операцій при пожежогасінні, поряд з конструктивними заходами, передбачено автоматичне закриття пожежного паливного крана в момент включення в дію вогнегасника з пульта пожежного захисту.
Вплив токсичності відпрацьованих газів
Проблема токсичності відпрацьованих газів займає одне з провідних місць у комплексі розвитку двигунобудування. У процесі роботи поршневого двигуна внутрішнього згорання в атмосферу викидаються токсичні речовини. Викид відбувається з відпрацьованими газами, картерів газами, а також у результаті випаровування палива. Близько 98% відпрацьованих газів складають речовини, що містять вуглець. Залишилася, складають оксиди азоту.
Токсичними компонентами є: оксид вуглецю СО, вуглеводні СН, оксиди азоту NO х, тверді частинки, бензол, толуол, поліциклічні ароматичні вуглеводні ПАУ, бензапірен, сажа і тверді частинки, свинець і сірка.
В даний час норми на викиди шкідливих речовин судновими дизелями встановлює IMO, міжнародна морська організація. Цим стандартам повинні задовольняти всі випускаються в даний час суднові дизелі.
Основними складовими, небезпечними для людини, у вихлопних газах є: NO x, СO, C n H m. Розглянемо вплив токсичних речовин на навколишнє середовище і людину.
Окис вуглецю СО.
Потрапляючи в організм людини і з'єднуючись з гемоглобіном крові, СО дає стійке з'єднання - карбоксигемоглобін, що перешкоджає процесу газообміну в клітинах організму і викликаючи тим самим задуха. При вдиханні повітря з вмістом СО понад 0,125 мг / л з'являються ознаки легкого отруєння, а при концентрації 1,25 мг / л через дві години з'являються головний біль, нудота, закінчуються втратою свідомості.
Оксиди азоту NO x.
Отруєння NO x має прихований характер: людина може задовільно відчувати себе при роботі на повітрі, що містить небезпечні концентрації, але згодом важко захворює.
Основний вплив на організм людини дають азотна і азотистая кислоти, які утворюються безпосередньо в дихальних шляхах людини при з'єднанні NO x з водою. При вдиханні з повітрям 0,2 мг / л NO x протягом 0,5 години людина серйозно занедужує.
Токсична дія NO x при його викиди в атмосферу тягне за собою руйнування озонового шару землі, розташованого на висоті від 10 до 50 км .
Нормовані концентрації двоокису азоту по IMO на 80% від максимальної потужності - 14 г / кВт * год
Клас небезпеки - 2.
Сажа.
Сама по собі не токсична, але в атмосфері вона здатна адсорбувати бензапірен - поліциклічний вуглеводень ароматичного ряду, який має канцерогенну дію. Сажа може тривалий час перебувати в підвішеному стані, збільшуючи тим самим час впливу токсичних речовин на людину.
Найбільшу небезпеку для здоров'я людини представляють частинки розміром від 0,7 до 8 мкм. Частки розміром менше 0,7 мкм і більше 8 мкм при вдиханні в легені не потрапляють завдяки природній захист дихальних органів людини.
За IMO для суднових дизелів на режимі 80% від максимальної потужності допустимо викид сажі 0,4 г / кВт * год
Вуглеводні C n H m.
Найбільшу небезпеку для людини становлять вуглеводневі сполуки канцерогенної групи. Серед них виділяється бензопірен З 20 Н 12, що є індикатором присутності в суміші інших канцерогенів.
Потрапляючи в організм людини, поліциклічні ароматичні вуглеводні накопичуються до критичних концентрацій і стимулюють утворення злоякісних пухлин.
Нормована концентрація для бензопірену ГДК (рз) = 0.00015мг/мі ГДК (сс) = 0.001 мкг / мі
Клас небезпеки - 1 (канцерогени).
Вуглекислий газ СО 2.
Вплив концентрацій СО 2 небезпечно в тому відношенні, що при поглинанні довгохвильового теплового випромінювання створюється так званий парниковий ефект, який зумовлює перегрів поверхні землі і зміна земного клімату.
Шум, що виникає при роботі двигуна, в залежності від його джерела ділять на дві групи - аеродинамічний (або газодинамічний) і механічний. Шум механічного походження виникає внаслідок неврівноваженості обертових частин механізмів і пристроїв, наявності сил інерції і моментів цих сил, зіткнень деталей в з'єднаннях і т.п. Причинами шуму газодинамічного походження є обурення, що з'являються при русі газоподібної і рідкої середовищ у проточних частинах механізмів і трубопроводах, при обтіканні тіл і згорянні палива. Таким чином, аеродинамічний шум виникає в результаті здійснення процесів газообміну і взаємодії лопатей вентиляторів з повітряним середовищем, а механічний шум - при процесах згоряння і робочих динамічні процеси в різних механізмах і системах (кривошипно-шатунний і газорозподільний механізми, мастильна система, система живлення і т . д.). Такий розподіл джерел шуму з відмінностями поверхонь випромінювання. Аеродинамічний шум передається газоповітряної середовищем на вході і виході впускний і випускний систем і в місці розташування вентилятора. Механічний шум передається зовнішніми поверхнями двигуна.
Таким чином, в навколишнє середовище шум передається у вигляді вібрацій і коливань зовнішніх поверхонь двигуна, коливань повітря на впуску і випуску. Найбільш інтенсивні складові спектра шуму знаходяться в області низьких і середніх частот і кратні частоті обертання колінчастого валу і кількістю циліндрів. Коливання деталей двигуна відбуваються або з частотою допустимої сили, або з власною частотою (при короткочасному впливі сили). Тому в спектрі механічного шуму є також менш інтенсивні складові власних коливань в області середніх і високих частот. Газодинамический шум внаслідок періодичності процесів (в трубопроводі і циліндрах) має складові коливань тисків в області низьких і середніх частот і високочастотні складові вихрового походження (в органах газорозподілу, у проточних частинах нагнітачів і турбін).
У двигунах з наддувом з-за підвищеної витрати повітря рівень інтенсивності шуму впускних і випускних отворів зазвичай вище відповідних рівнів шуму від інших джерел. Високочастотні складові газодинамічного шуму компресорів мають велику інтенсивність порівняно з інтенсивністю відповідних складових механічного шуму. Незважаючи на те, що їхні рівні інтенсивності нижче рівнів інтенсивності низькочастотної частини спектру, вони більш неприємні для сприйняття. Рівень шуму на випуску вище рівня шуму на впуску, так як швидкість течії випускних газів більше.
Вимірювання загального рівня шуму і рівнів в частотних смугах проводиться в декількох точках, розташованих на відстані 1 м від випромінюючих поверхонь. Кількість точок вимірювання рівнів шуму встановлюється в залежності від типу і габаритних розмірів двигуна. Однак число точок вимірювання повинен бути не менше п'яти: чотири точки виміру по контуру двигуна в горизонтальній площині і одна крапка над двигуном. Вимірювання рівня аеродинамічного шуму виробляється на відстані 0,25 м від отворів для впуску повітря і випуску газів. Оцінка рівня шуму з точки зору відповідності діючим нормативам проводиться по максимальному рівню з усіх точок вимірювань.
Рівень шуму двигунів внутрішнього згорання може досягати 120 дБ. Рівень шуму знижують капотування (для автомобільних двигунів), за допомогою конструктивних заходів (з метою забезпечення плавного переходу на індикаторної діаграмі від лінії стиску до лінії згоряння і зниження швидкості наростання тиску, що сприяє зменшенню рівня шуму згоряння), а також впливом на процес згоряння і установкою глушників (для зниження рівня шуму впуску і випуску).
В якості заходів щодо зниження рівня шуму розглядаємо використання глушників шуму процесів впуску і випуску. Глушники повинні забезпечувати зниження аеродинамічного шуму всмоктування до рівня на 2 -3 дБ меншого загального рівня механічного шуму.
Визначаються рівні звуку L A (в дБ), рівні звукового тиску в октавних смугах з середньогеометричними частотами від 63 до 8000 Гц, рівні звукової потужності в дБ і коректований рівень звукової потужності L PA. У таблиці 2 наведено октавний спектр звукової потужності L P шуму впуску й випуску без глушників.
Таблиця 2. Октавний спектр звукової потужності L p шуму впуску й випуску без глушників.
Відповідно до ГОСТ 27436 - 87 і ОСТ 27.004.022 - 86 рівень шуму, виміряний на відстані 7,5 м від осьової лінії двигуна, для дизелів не повинен перевищувати 77 дБ.
Проектування глушників впуску і випуску
1. Очікувані рівні звукового тиску.
а) очікувані рівні Незаглушений впуску, дБ:
б) очікувані рівні Незаглушений випуску, дБ:
2. Виходячи з допустимого рівня загального шуму L АТ, визначаються допустимі рівні звукового тиску у кожній октавной смузі частот (в дБ):
При експлуатації дизель-генераторів виникають небезпечні і шкідливі фактори, внаслідок дії яких порушується екологічна обстановка.
До таких факторів належать:
· Вібрація;
· Шум;
· Пожежна небезпека;
· Викид токсичних речовин, наявність отруйних рідин.
Дія вібрації
Вібрація - шкідливий і небезпечний фактор. Вібрація виникає внаслідок зворотно-поступального і обертального руху неврівноважених мас двигуна, крутильних коливань, неточності виготовлення деталей, нерівномірності крутного моменту, резонансних ефектів, і інших явищ, у меншій мірі викликають вібрацію. Вібрація викликає додаткові напруги в деталях двигуна і його опори, викликаючи їх руйнування, в результаті якого може відбутися подія.
Для зниження вібрації двигун повинен бути урівноважений. У чотиритактному шестнадцатіціліндровом V-образному двигуні врівноважені всі моменти від сил інерції, а також від відцентрових сил. Момент від відцентрових сил врівноважується противагами на продовженні щік.
Вібраційні впливи приводять до втомного руйнування деталей. При цьому вібрація може виникнути в одному місці, а руйнування - в іншому. Особливо небезпечні резонансні явища.
Вібраційні впливу, не викликаючи руйнування вузлів, можуть призводити до порушення їх нормального функціонування (порушення контактних з'єднань в електрообладнанні, поступове ослаблення нерухомих з'єднань, зіткнення і збільшення зазорів в з'єднаннях з зазорами).
Мета віброзахисту вузлів - підвищення їх віброміцності (здатності не руйнуватися під впливом вібрацій).
Сприйняття вібрацій людиною залежить від частоти: при низьких частотах сприйняття пропорційно до прискорень, при середніх - швидкостям, при високих - частотах.
Організм людини найбільш чутливий до вертикальних коливань в діапазоні частот 4 - 8 Гц і горизонтальним - у діапазоні 1 - 2 Гц, що враховується в сучасних нормах щодо припустимого рівня вібрацій (ГОСТ 12.1.012-90).
Вплив шуму
При роботі поршневого двигуна внутрішнього згоряння виникають шумові ефекти. У ДВС виникають шуми впуску, випуску, шум від згоряння горючої суміші в циліндрах, шум від роботи зубчастих передач, та інших причин, у меншій мірі викликають шум.
Сприйняття шуму людиною залежить від рівня і частоти, а також від характеру його зміни в часі, індивідуальних особливостей людини. Підвищений шум є причиною погіршення чутності, передчасної стомлюваності людини.
На організм людини роблять шкідливий вплив і нечутні інфразвуки. Сильні інфразвуки, викликаючи вібрацію внутрішніх органів, можуть призвести до пошкодження і навіть зупинки серця. Інфразвук з частотою 7 Гц смертельний для людини. Шум суднових і тепловозних дизелів оцінюють згідно з ГОСТ 30575-98 рівнем звуку, дБ. В якості основної характеристики внутрішнього шуму приймають рівень, допустимі значення якого для суднових дизелів 100 дБ в машинному відділенні.
Механічний рівень шуму проектованого двигуна визначається за формулою
Тут p i - середнє індикаторне тиск, n - частота обертання, m V - питома літрова маса (кг / л).
Результати розрахунку наведені в таблиці 5.1.1 (обрані три режими роботи двигуна).
Таблиця 5.1.1. Шумові характеристики двигуна
| N, об / хв | 500 | 750 | 1000 |
| Lm, дБ | 79 | 84 | 91 |
Робота двигуна внутрішнього згоряння пов'язана зі споживанням дизельного палива - пожежонебезпечної рідини. Масло, що застосовується в системі змащення двигуна, теж пожежонебезпечні. Зовнішня поверхня головки циліндра (двигун з водяним охолодженням) нагрівається до температури 100 0 С. При негерметичності системи паливоподачі або в результаті викиду масла в моторний відсік може виникнути пожежа.
З метою зменшення можливості пожежі в машинному відділенні, а також для виявлення вогнища загоряння та його ліквідації передбачається комплекс засобів пожежного захисту, що включає:
- Конструктивні заходи, застережливі виникнення і розповсюдження пожежі.
- Системи і прилади виявлення пожежі в моторному відсіку та сигналізації про нього механіку.
- Систему пожежогасіння.
- Дренажні пристрої для виключення скупчення горючих рідин та їх парів.
Вимоги до елементів конструкції і матеріалам:
· Елементи управління двигуном і інші частини конструкції (подмоторной рами, тяги, трубопроводи і колектори системи пожежогасіння й т.д.), розміщені в машинному відділенні, повинні бути виготовлені з вогнетривких матеріалів, що витримують вплив полум'я з температурою 1100 0 С протягом 15 хвилин або екрановані.
· Всі місця проходів ліній комунікацій, тяг управління двигуном загерметизовані. Всі вузли кріплення двигуна у відсіку і тяги управління виконані із сталевих сплавів.
· Паливний пожежний кран і паливопровід для нього не повинні розташовуватися в пожежонебезпечному відсіку. Для підвищення надійності та ефективності системи пожежогасіння та скорочення ручних операцій при пожежогасінні, поряд з конструктивними заходами, передбачено автоматичне закриття пожежного паливного крана в момент включення в дію вогнегасника з пульта пожежного захисту.
Вплив токсичності відпрацьованих газів
Проблема токсичності відпрацьованих газів займає одне з провідних місць у комплексі розвитку двигунобудування. У процесі роботи поршневого двигуна внутрішнього згорання в атмосферу викидаються токсичні речовини. Викид відбувається з відпрацьованими газами, картерів газами, а також у результаті випаровування палива. Близько 98% відпрацьованих газів складають речовини, що містять вуглець. Залишилася, складають оксиди азоту.
Токсичними компонентами є: оксид вуглецю СО, вуглеводні СН, оксиди азоту NO х, тверді частинки, бензол, толуол, поліциклічні ароматичні вуглеводні ПАУ, бензапірен, сажа і тверді частинки, свинець і сірка.
В даний час норми на викиди шкідливих речовин судновими дизелями встановлює IMO, міжнародна морська організація. Цим стандартам повинні задовольняти всі випускаються в даний час суднові дизелі.
Основними складовими, небезпечними для людини, у вихлопних газах є: NO x, СO, C n H m. Розглянемо вплив токсичних речовин на навколишнє середовище і людину.
Окис вуглецю СО.
Потрапляючи в організм людини і з'єднуючись з гемоглобіном крові, СО дає стійке з'єднання - карбоксигемоглобін, що перешкоджає процесу газообміну в клітинах організму і викликаючи тим самим задуха. При вдиханні повітря з вмістом СО понад 0,125 мг / л з'являються ознаки легкого отруєння, а при концентрації 1,25 мг / л через дві години з'являються головний біль, нудота, закінчуються втратою свідомості.
Оксиди азоту NO x.
Отруєння NO x має прихований характер: людина може задовільно відчувати себе при роботі на повітрі, що містить небезпечні концентрації, але згодом важко захворює.
Основний вплив на організм людини дають азотна і азотистая кислоти, які утворюються безпосередньо в дихальних шляхах людини при з'єднанні NO x з водою. При вдиханні з повітрям 0,2 мг / л NO x протягом 0,5 години людина серйозно занедужує.
Токсична дія NO x при його викиди в атмосферу тягне за собою руйнування озонового шару землі, розташованого на висоті від 10 до
Нормовані концентрації двоокису азоту по IMO на 80% від максимальної потужності - 14 г / кВт * год
Клас небезпеки - 2.
Сажа.
Сама по собі не токсична, але в атмосфері вона здатна адсорбувати бензапірен - поліциклічний вуглеводень ароматичного ряду, який має канцерогенну дію. Сажа може тривалий час перебувати в підвішеному стані, збільшуючи тим самим час впливу токсичних речовин на людину.
Найбільшу небезпеку для здоров'я людини представляють частинки розміром від 0,7 до 8 мкм. Частки розміром менше 0,7 мкм і більше 8 мкм при вдиханні в легені не потрапляють завдяки природній захист дихальних органів людини.
За IMO для суднових дизелів на режимі 80% від максимальної потужності допустимо викид сажі 0,4 г / кВт * год
Вуглеводні C n H m.
Найбільшу небезпеку для людини становлять вуглеводневі сполуки канцерогенної групи. Серед них виділяється бензопірен З 20 Н 12, що є індикатором присутності в суміші інших канцерогенів.
Потрапляючи в організм людини, поліциклічні ароматичні вуглеводні накопичуються до критичних концентрацій і стимулюють утворення злоякісних пухлин.
Нормована концентрація для бензопірену ГДК (рз) = 0.00015мг/мі ГДК (сс) = 0.001 мкг / мі
Клас небезпеки - 1 (канцерогени).
Вуглекислий газ СО 2.
Вплив концентрацій СО 2 небезпечно в тому відношенні, що при поглинанні довгохвильового теплового випромінювання створюється так званий парниковий ефект, який зумовлює перегрів поверхні землі і зміна земного клімату.
Аналіз впливу шуму, створюваного двигуном внутрішнього згоряння, на навколишнє середовище
Двигун внутрішнього згоряння є джерелом дуже сильного шуму. Під шумом розуміється сукупність безладного (негармоніческого) поєднання звукових коливань різних частот і різної амплітуди.Шум, що виникає при роботі двигуна, в залежності від його джерела ділять на дві групи - аеродинамічний (або газодинамічний) і механічний. Шум механічного походження виникає внаслідок неврівноваженості обертових частин механізмів і пристроїв, наявності сил інерції і моментів цих сил, зіткнень деталей в з'єднаннях і т.п. Причинами шуму газодинамічного походження є обурення, що з'являються при русі газоподібної і рідкої середовищ у проточних частинах механізмів і трубопроводах, при обтіканні тіл і згорянні палива. Таким чином, аеродинамічний шум виникає в результаті здійснення процесів газообміну і взаємодії лопатей вентиляторів з повітряним середовищем, а механічний шум - при процесах згоряння і робочих динамічні процеси в різних механізмах і системах (кривошипно-шатунний і газорозподільний механізми, мастильна система, система живлення і т . д.). Такий розподіл джерел шуму з відмінностями поверхонь випромінювання. Аеродинамічний шум передається газоповітряної середовищем на вході і виході впускний і випускний систем і в місці розташування вентилятора. Механічний шум передається зовнішніми поверхнями двигуна.
Таким чином, в навколишнє середовище шум передається у вигляді вібрацій і коливань зовнішніх поверхонь двигуна, коливань повітря на впуску і випуску. Найбільш інтенсивні складові спектра шуму знаходяться в області низьких і середніх частот і кратні частоті обертання колінчастого валу і кількістю циліндрів. Коливання деталей двигуна відбуваються або з частотою допустимої сили, або з власною частотою (при короткочасному впливі сили). Тому в спектрі механічного шуму є також менш інтенсивні складові власних коливань в області середніх і високих частот. Газодинамический шум внаслідок періодичності процесів (в трубопроводі і циліндрах) має складові коливань тисків в області низьких і середніх частот і високочастотні складові вихрового походження (в органах газорозподілу, у проточних частинах нагнітачів і турбін).
У двигунах з наддувом з-за підвищеної витрати повітря рівень інтенсивності шуму впускних і випускних отворів зазвичай вище відповідних рівнів шуму від інших джерел. Високочастотні складові газодинамічного шуму компресорів мають велику інтенсивність порівняно з інтенсивністю відповідних складових механічного шуму. Незважаючи на те, що їхні рівні інтенсивності нижче рівнів інтенсивності низькочастотної частини спектру, вони більш неприємні для сприйняття. Рівень шуму на випуску вище рівня шуму на впуску, так як швидкість течії випускних газів більше.
Вимірювання загального рівня шуму і рівнів в частотних смугах проводиться в декількох точках, розташованих на відстані
Рівень шуму двигунів внутрішнього згорання може досягати 120 дБ. Рівень шуму знижують капотування (для автомобільних двигунів), за допомогою конструктивних заходів (з метою забезпечення плавного переходу на індикаторної діаграмі від лінії стиску до лінії згоряння і зниження швидкості наростання тиску, що сприяє зменшенню рівня шуму згоряння), а також впливом на процес згоряння і установкою глушників (для зниження рівня шуму впуску і випуску).
В якості заходів щодо зниження рівня шуму розглядаємо використання глушників шуму процесів впуску і випуску. Глушники повинні забезпечувати зниження аеродинамічного шуму всмоктування до рівня на 2 -3 дБ меншого загального рівня механічного шуму.
Визначаються рівні звуку L A (в дБ), рівні звукового тиску в октавних смугах з середньогеометричними частотами від 63 до 8000 Гц, рівні звукової потужності в дБ і коректований рівень звукової потужності L PA. У таблиці 2 наведено октавний спектр звукової потужності L P шуму впуску й випуску без глушників.
Таблиця 2. Октавний спектр звукової потужності L p шуму впуску й випуску без глушників.
| f ц.р., Гц | 63 | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 | |
| L p вп | 95 | 112 | 110 | 103 | 105 | 99 | 97 | 91 | |
| L p вип | 105 | 115 | 118 | 120 | 122 | 115 | 105 | 97 |
Проектування глушників впуску і випуску
1. Очікувані рівні звукового тиску.
а) очікувані рівні Незаглушений впуску, дБ:
| L 63 = 69,5 L 125 = 86,5 L 250 = 84,5 L 500 = 77,5 | L 1000 = 79,5 L 2000 = 73,5 L 4000 = 71,5 L 8000 = 65,5 | |
| L 63 = 79,5 L 125 = 89,5 L 250 = 92,5 L 500 = 94,5 | L 1000 = 96,5 L 2000 = 89,5 L 4000 = 79,5 L 8000 = 71,5 | |
3.
де m - число октавних смуг, які приймаються у розрахунку m = 8.
4. Необхідну зниження октавних рівнів звукового тиску шуму:
де
а) впуску
б) випуску
5. Вибір принципової схеми побудови глушників
При виборі типу глушника враховують в основному можливості його компонування на силовій установці, необхідну акустичну ефективність, необхідність в технічному обслуговуванні і допустиме значення гідравлічного опору. Для будь-якого двигуна може бути розрахований і виготовлений глушник камерного типу, що має необхідну акустичну ефективність і мінімальний опір. Однак глушник такої конструкції може мати великі розміри, що практично виключає можливість його використання на силовій установці.
Комбіновані глушники мають прийнятні габаритні розміри і гідравлічний опір. Найбільш ефективним і має мінімальні розміри є клиновий активний глушник, але він має також велике гідравлічний опір і складний у виготовленні. Активно-реактивні глушники зі звукопоглинальними матеріалами для глушіння шуму системи випуску застосовують рідко, тому що в них відбувається засмолені матеріалу і знижується акустична ефективність. Такі глушники вимагають періодичного очищення звукопоглинальних елементів. Тому в якості глушників шуму системи випуску використовують камерно-резонансні або камерні з перфорованими активними елементами глушники.
Глушники впуску доцільно поєднувати з воздухофильтр. Камерний глушник складається з розширювальних камер, з'єднаних між собою трубопроводом. Глушник пропускає звукові коливання нижче деякої граничної частоти f гр і поглинає коливання, частота яких вище граничної.
Акустичну ефективність реактивних елементів визначають виходячи з теорії лінійної акустики, для частотного діапазону існування плоских хвиль. Цей діапазон для елементів круглого перерізу обмежений частотою
де
Т - температура газів, К,
D - найбільший діаметр елементу, м.
Зниження шуму впуску.
SHAPE \ * MERGEFORMAT
Для зниження шуму впуску розглянемо циліндричний однокамерний глушник такої схеми:
Приймаються температуру повітря Т = 293 К, тоді з = 343 м ¤ з, f гр = 811 Гц.
Величину заглушення в однокамерним глушнику визначимо, використовуючи графіки розрахунку заглушення камерним глушником (² Охорона навколишнього середовища ² під ред. С. В. Бєлова, М, ² Вища школа ² 1991 р Р., стор. 241, рис. 106, б), по співвідношенням:
1)
2) kl k, де
f і c - частота і швидкість звуку; l k - довжина камери глушника.
Таким чином, даний глушник виробляє ефективне заглушення в діапазоні 125, 250 і 500 Гц. Для необхідного зниження рівня шуму на частоті 1000 і 2000 Гц розглянемо резонатора елемент, який можливо поєднати з камерним елементом глушника.
D k = 0,1 м, d m = 0,05 м, з = 343 м / с, l k = 0,03 м, f гр = 2000 Гц.
Ефективність реактивного елементи:
де V - обсяг резонаторної камери,
F - площа прохідного перерізу трубопроводу,
k - провідність горла резонатора.
Приймаються f р = 1050 Гц, тоді
Визначимо діаметр і кількість отворів.
Приймаються d отв = 15 мм, d тр = 2 мм,
Визначимо ефективність зниження шуму:
.
Таким чином, даний елемент глушника виробляє ефективне глушіння на частоті f = 1000 Гц.
Зниження рівня шуму випуску
Приймаються температуру відпрацьованих газів Т = 705 К, тоді швидкість звуку
Розглянемо камерний елемент глушника, у якого вхідний і вихідний канали введені в порожнину розширювальної камери.
де
Таким чином, отримуємо m = 10,11. Гранична частота:
1) При f = 125Гц, k = 1,433;
2) При f = 250Гц, k = 2,86;
3) При f = 500Гц; k = 5,73;
4) При f = 1000Гц; k = 11,46;
5) При f = 2000Гц; k = 22,93;
Таким чином, використання камерного глушника не дозволяє повністю досягти необхідного зниження рівня шуму і потрібне додаткове глушіння.
Для цього розглянемо резонатора глушник кільцевого типу.
D k = 0,18 м, d тр = 0,045 м, l k = 0,25 м, з = 548 м / с, f гр = 1784 Гц.
Приймаються резонансну частоту f p = 180 Гц, тоді провідність горла резонатора:
Визначаємо діаметр і кількість отворів. Приймаються d отв = 0,006 м, тоді кількість отворів:
Таким чином, вироблено зниження рівня шуму до необхідної величини в діапазоні октавних частот від f = 125 Гц до f = 2000 Гц.
Розрахунок повного опору глушника
Повний опір включає втрати тиску на вході, в активній зоні і на виході: Р гол = Р акт + Р вх + Р вих.
Втрати тиску на вході визначаються за формулою:
Р вх = Р вих = 0,5 m × r × u 2;
де m = 0,34 - коефіцієнт гідравлічних втрат на вході в глушник,
r = 0,685 кг / м 3 - щільність газу при робочій температурі глушника,
u = 0,05 см / с - швидкість газу в глушителі.
Þ Р вх = 0,5 × 0,34 × 0,685 × 0,05 2 = 2,9 Па.
Втрати тиску в активній зоні:
Р акт = 0,5 m × r × u 2 × L / D p;
де L = 0,3 м - довжина першої камери глушника шуму.
U = 0,4 V / F;
де V = 0,0052 м 3 - обсяг першої камери,
F = 0,003318 м 2 - площа внутрішньої трубки глушника.
Середня швидкість потоку: U = 0,4 × 0,0052 / 0,003318 = 0,62 м / с.
Р акт1 = 0,5 × 0,34 × 0,685 × 0,62 2 × 0,23 / 0,15 = 686 Па.
Р 1 = 686 +5,8 = 692 Па.
L = 0,12 м - довжина другої камери глушника шуму,
V = 0,0027 м 3 - обсяг другої камери.
Р акт2 = 0,5 × 0,34 × 0,685 × 0,325 2 × 0,12 / 0,15 = 99,8 Па.
Р 2 = 99,8 +5,8 = 105,6 Па.
Оскільки система складається з двох елементів, то:
Р сум = Р 1 + Р 2 = 797,6 Па.
Застосування глушників шуму випуску призводить до збільшення протитиску, що в свою чергу призводить до зменшення коефіцієнта наповнення.
Оцінити вплив дроселювання газів на випуску можна, змоделювавши тепловий розрахунок двигуна за допомогою програми розрахунку робочого процесу ДВЗ - Дизель РК.
Витрата палива і потужність без глушника склали:
g e = 0,2130 кг / кВтг, N e = 4960 кВт.
Витрата палива і потужність з глушником склали:
g e = 0,214 кг / кВтг, N e = 4900 кВт.
Це склало близько 1% від витрати двигуна, не оснащеного глушником. Збільшення витрати палива двигуна є незначним у порівнянні з тим екологічним ефектом, який отриманий завдяки використанню глушника.
де m - число октавних смуг, які приймаються у розрахунку m = 8.
| f ц.р., Гц | 63 | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 |
| DA | 26 | 16 | 9 | 3 | 0 | -1 | -1 | 1 |
| L д 63 = 94 L д 125 = 1984 L д 250 = 1977 L д 500 = 71 | L д 1000 = 1968 L д 2000 = 1967 L д 4000 = 1967 L д 8000 = 1969 | |
де
а) впуску
| DL тр63 = -19,8 | DL тр1000 = 16,2 | |
| DL тр125 = 7,2 | DL тр2000 = 11,2 | |
| DL тр250 = 12, .2 | DL тр4000 = 9,2 | |
| DL тр500 = 11,2 | DL тр8000 = 1,2 |
| DL тр63 = -9,8 | DL тр1000 = 33,2 | |
| DL тр125 = 10,2 | DL тр2000 = 27,2 | |
| DL тр250 = 20, .2 | DL тр4000 = 7,2 | |
| DL тр500 = 28,2 | DL тр8000 = 7,2 | |
При виборі типу глушника враховують в основному можливості його компонування на силовій установці, необхідну акустичну ефективність, необхідність в технічному обслуговуванні і допустиме значення гідравлічного опору. Для будь-якого двигуна може бути розрахований і виготовлений глушник камерного типу, що має необхідну акустичну ефективність і мінімальний опір. Однак глушник такої конструкції може мати великі розміри, що практично виключає можливість його використання на силовій установці.
Комбіновані глушники мають прийнятні габаритні розміри і гідравлічний опір. Найбільш ефективним і має мінімальні розміри є клиновий активний глушник, але він має також велике гідравлічний опір і складний у виготовленні. Активно-реактивні глушники зі звукопоглинальними матеріалами для глушіння шуму системи випуску застосовують рідко, тому що в них відбувається засмолені матеріалу і знижується акустична ефективність. Такі глушники вимагають періодичного очищення звукопоглинальних елементів. Тому в якості глушників шуму системи випуску використовують камерно-резонансні або камерні з перфорованими активними елементами глушники.
Глушники впуску доцільно поєднувати з воздухофильтр. Камерний глушник складається з розширювальних камер, з'єднаних між собою трубопроводом. Глушник пропускає звукові коливання нижче деякої граничної частоти f гр і поглинає коливання, частота яких вище граничної.
Акустичну ефективність реактивних елементів визначають виходячи з теорії лінійної акустики, для частотного діапазону існування плоских хвиль. Цей діапазон для елементів круглого перерізу обмежений частотою
де
Т - температура газів, К,
D - найбільший діаметр елементу, м.
Зниження шуму впуску.
SHAPE \ * MERGEFORMAT
D k = 0,25 м; для отримання більшого ефекту заглушення приймаємо: l m = l k = 0,1 м, d m вх = d m вих = 0,05 м. |
Для зниження шуму впуску розглянемо циліндричний однокамерний глушник такої схеми:
Приймаються температуру повітря Т = 293 К, тоді з =
Величину заглушення в однокамерним глушнику визначимо, використовуючи графіки розрахунку заглушення камерним глушником (² Охорона навколишнього середовища ² під ред. С. В. Бєлова, М, ² Вища школа ²
1)
2) kl k, де
f і c - частота і швидкість звуку; l k - довжина камери глушника.
Таким чином, даний глушник виробляє ефективне заглушення в діапазоні 125, 250 і 500 Гц. Для необхідного зниження рівня шуму на частоті 1000 і 2000 Гц розглянемо резонатора елемент, який можливо поєднати з камерним елементом глушника.
D k = 0,1 м, d m = 0,05 м, з = 343 м / с, l k = 0,03 м, f гр = 2000 Гц.
Ефективність реактивного елементи:
де V - обсяг резонаторної камери,
F - площа прохідного перерізу трубопроводу,
k - провідність горла резонатора.
Приймаються f р = 1050 Гц, тоді
Визначимо діаметр і кількість отворів.
Приймаються d отв = 15 мм, d тр = 2 мм,
Визначимо ефективність зниження шуму:
.
Таким чином, даний елемент глушника виробляє ефективне глушіння на частоті f = 1000 Гц.
Зниження рівня шуму випуску
Приймаються температуру відпрацьованих газів Т = 705 К, тоді швидкість звуку
Розглянемо камерний елемент глушника, у якого вхідний і вихідний канали введені в порожнину розширювальної камери.
| l 1 = l 2 = l = 0,15 м, l m = 2l = 0,3 м, d 1 = d 2 = 0,045 м, D k = 0,15 м. |
де
Таким чином, отримуємо m = 10,11. Гранична частота:
1) При f = 125Гц, k = 1,433;
2) При f = 250Гц, k = 2,86;
3) При f = 500Гц; k = 5,73;
4) При f = 1000Гц; k = 11,46;
5) При f = 2000Гц; k = 22,93;
Таким чином, використання камерного глушника не дозволяє повністю досягти необхідного зниження рівня шуму і потрібне додаткове глушіння.
Для цього розглянемо резонатора глушник кільцевого типу.
D k = 0,18 м, d тр = 0,045 м, l k = 0,25 м, з = 548 м / с, f гр = 1784 Гц.
Приймаються резонансну частоту f p = 180 Гц, тоді провідність горла резонатора:
Визначаємо діаметр і кількість отворів. Приймаються d отв = 0,006 м, тоді кількість отворів:
У результаті отримуємо:
Таким чином, вироблено зниження рівня шуму до необхідної величини в діапазоні октавних частот від f = 125 Гц до f = 2000 Гц.
Розрахунок повного опору глушника
Повний опір включає втрати тиску на вході, в активній зоні і на виході: Р гол = Р акт + Р вх + Р вих.
Втрати тиску на вході визначаються за формулою:
Р вх = Р вих = 0,5 m × r × u 2;
де m = 0,34 - коефіцієнт гідравлічних втрат на вході в глушник,
r = 0,685 кг / м 3 - щільність газу при робочій температурі глушника,
u = 0,05 см / с - швидкість газу в глушителі.
Þ Р вх = 0,5 × 0,34 × 0,685 × 0,05 2 = 2,9 Па.
Втрати тиску в активній зоні:
Р акт = 0,5 m × r × u 2 × L / D p;
де L = 0,3 м - довжина першої камери глушника шуму.
U = 0,4 V / F;
де V = 0,0052 м 3 - обсяг першої камери,
F = 0,003318 м 2 - площа внутрішньої трубки глушника.
Середня швидкість потоку: U = 0,4 × 0,0052 / 0,003318 = 0,62 м / с.
Р акт1 = 0,5 × 0,34 × 0,685 × 0,62 2 × 0,23 / 0,15 = 686 Па.
Р 1 = 686 +5,8 = 692 Па.
L = 0,12 м - довжина другої камери глушника шуму,
V = 0,0027 м 3 - обсяг другої камери.
Р акт2 = 0,5 × 0,34 × 0,685 × 0,325 2 × 0,12 / 0,15 = 99,8 Па.
Р 2 = 99,8 +5,8 = 105,6 Па.
Оскільки система складається з двох елементів, то:
Р сум = Р 1 + Р 2 = 797,6 Па.
Застосування глушників шуму випуску призводить до збільшення протитиску, що в свою чергу призводить до зменшення коефіцієнта наповнення.
Оцінити вплив дроселювання газів на випуску можна, змоделювавши тепловий розрахунок двигуна за допомогою програми розрахунку робочого процесу ДВЗ - Дизель РК.
Витрата палива і потужність без глушника склали:
g e = 0,2130 кг / кВтг, N e = 4960 кВт.
Витрата палива і потужність з глушником склали:
g e = 0,214 кг / кВтг, N e = 4900 кВт.
Це склало близько 1% від витрати двигуна, не оснащеного глушником. Збільшення витрати палива двигуна є незначним у порівнянні з тим екологічним ефектом, який отриманий завдяки використанню глушника.