逆流式冷卻塔氣動噪聲控制的研究

周興東,蘇中地,魏 軻

(中國計量大學 計量測試工程學院,浙江 杭州 310018)

隨著社會的快速發展和人們環保意識的不斷增強。近年新建電廠許多是燃氣電廠,由于供熱的要求,電廠不能離市區太遠。因此,發電廠使用機械通風逆流濕式冷卻塔來散發燃氣發電機組的熱量,會給周圍的居民帶來很大的噪音。自然和機械通風冷卻塔帶來的噪聲問題已經不斷地被提出,如何降低冷卻塔對周圍居民“聲環境”的影響也成了火電廠建設的首要指標[1]。冷卻塔工作時產生的噪聲主要分為以下方面:電機轉動部分的機械噪聲和電磁噪聲;風機轉動帶來的氣動噪聲;淋水時產生的淋水噪聲。淋水產生的噪聲屬于高頻噪聲,高頻噪聲在傳播中遇到障礙物很容易就會衰減。最難治理的是由風機運行時產生的低頻噪聲,包括風機轉動時與空氣相摩擦產生的周期性脈動噪聲和葉尖渦脫落后耗散過程中產生的輻射噪聲。

一直以來,國內外的學者對冷卻塔的噪聲控制的研究從未停止,提出了一些噪聲治理的方法。Ellis[2]在研究了四大發電站的大型自然通風冷卻塔后,根據其噪聲輻射的機理和其物理特性提出了一個完整的預測方法。以雙曲型逆流式自然通風冷卻塔為主要的研究對象,毛獻忠等[3]就冷卻塔內水氣兩相流動問題采用有限體積法對冷卻塔溫度場、流場進行了仿真研究。沈保羅[4]從分析逆流式冷卻塔噪聲源入手,發現對排風口加裝片式消聲器是行之有效的一種降噪手段。張懷軍等[5]從實驗角度出發研究了填料布置密度對噪聲污染治理的影響。陳新龍[6]采用了修建隔聲墻的方案,對廠界噪聲超標的敏感點做出針對性治理,達到了國家噪聲控制規定的標準。Yazici和Han[7]設計出一種將孔壁后面附有吸聲材料的穿孔內墻安裝在冷卻塔外殼中的聲音衰減裝置。

對于因風機運行而產生的空氣動力學噪聲,Lowson[8]提出在風扇表面安裝多孔介質材料有助于減小風扇噪聲。李東旭等[9]研究發現,在添加尾緣鋸齒后,對降低中低頻段的遠場氣動噪聲有比較理想的效果。運用力學原理,劉輝[10]將葉片改造成機翼型后,改變了出風角度,減少了因氣流渦流所產生的噪聲。劉擁軍和張元銀[11]研究了旋式通風機葉片安裝角的變化對氣體動力學性能的影響。胡如夫和李志敏[12]通過減小動葉片的葉尖間隙有效地降低葉尖渦流噪聲,并且提升了風機氣動性能。朱立夫[13]設計了風扇葉片長短交錯分布結構在最優參數下實現了6dB的降噪效果。孫曉峰[14]根據Wright的BLH理論,提出合理選擇葉片節距的分布方式能改善風扇基頻處噪聲，又不會降低風機的氣動性能。

冷卻塔風機是產生氣動噪聲的主要來源,如何通過對葉片的優化設計以此來降低風扇的氣動噪聲是本次實驗研究的目的所在。泡沫棉材料質地相比于ABS塑料密度更低,更加柔軟。劉賀[15]等在柴油發電機隔聲降噪實驗中使用泡沫鋁材料,在低頻段有效降噪6 dB以上。泡沫材料內部具有許多微小孔隙而且孔隙間相互連通,當聲波傳播到材料表面時,一部分被反射掉,而另一部分則進入材料內部傳播。在傳播過程中,由于粘滯性和熱傳導效應,聲能轉化為熱能而耗散掉。聲波通過這種反復傳播,使聲音的能量不斷轉換耗散,因此泡沫材料具有了“吸收”部分聲能的作用。假設風扇葉片材質是由泡沫棉組成,在不考慮葉片強度的前提下,在泡沫棉的緩沖下葉片表面非定常力以及來流湍流引起的葉片脈動壓力都會有一定程度的衰減,從而達到降低風扇氣動噪聲的目的。

1 研究對象

受實驗條件所限,我們選用了一座與大型冷卻塔工作方式,噪聲產生機理一致的小型機力通風冷卻塔作為本次實驗研究對象。實驗模型如圖1。

圖1 冷卻塔實驗裝置圖Figure 1 Cooling tower test device

選取的是一種實際冷卻水水量為42.8 m3/h(標稱50)的機力通風逆流式冷卻塔,外徑1 830 mm,高度2 220 mm,風筒直徑965 mm。并配有一個電壓380 V,功率1.5 kW/h的三相交流電機。冷卻塔風機的風扇采用直徑為930 mm的四葉型ABS風扇。考慮到風機與塔體直接接觸,風機在正常運行時會帶動塔體震動對實驗產生二次干擾,所以,設計了一個高2.5 m的鋼支架結構用于固定風機。

2 泡沫材料對氣動噪聲影響

2.1 實驗方案設計

考慮到現實的實驗條件和加工工藝問題以及對風扇葉片強度的要求,本實驗采用的方案是在風扇葉片表面上均勻地包覆一層泡沫材料。使用的材料為泡沫棉和泡沫鎳。具體風扇葉片表面泡沫材料如圖2。電機保持滿載狀態(頻率50 HZ)。實驗背景噪聲為36 dB。監測點位于冷卻塔風筒斜上方45度具體位置如圖3。實驗不考慮冷卻塔內部的結構:如十字梁,布水管道,填料,集水器等結構的影響。具體方案分為兩組對照試驗:一組是冷卻塔風扇葉片用泡沫棉材料處理后與不處理的風扇葉片分別測得的冷卻塔出口監測點聲壓頻譜和入口流量情況;另一組是風扇用泡沫鎳處理,具體試驗步驟同上。最后分析在使用不同材料對葉片處理后對氣體動力學性能和氣體動力學噪聲的影響。

圖2 葉片表面處理Figure 2 Blade surface treatment

2.2 實驗結果分析

2.2.1 葉片表面粘貼泡沫棉

圖3 噪聲監測裝置Figure 3 Noise monitoring device

在葉片表面粘貼和不粘貼泡沫棉的兩種工況下,在冷卻塔出口監測點測量聲壓頻譜以及聲能量,并將測量得到的數據處理后得到圖4和圖5。圖4是聲壓頻譜圖即噪聲值大小。由圖4可知不同工況下測得的冷卻塔出口聲壓頻譜曲線的差異主要表現在1 000 Hz到4 000 Hz頻率段。冷卻塔風扇葉片表面使用泡沫棉材料處理后相比于原葉片聲壓級和A計權聲壓級在該頻率段均有一定幅度的衰減。說明泡沫棉材料對風扇氣動噪聲降低作用主要體現在寬頻部分,而對低頻區降噪效果不好。

圖4 聲壓頻譜比較圖Figure 4 Comparison diagram of sound pressure spectrum

圖5 聲壓能量比較圖Figure 5 Comparison diagram of sound pressure energy

圖5是冷卻塔出口噪聲能量圖以及A計權能量圖。藍色的是原風扇葉片下測得聲能量曲線,紅色的是經過泡沫棉處理后測得的聲能量曲線。觀察圖片可知,頻率在300 Hz之前兩種曲線趨勢基本一致,300 Hz之后,經過泡沫棉處理的噪聲能量上升的趨勢明顯弱于未經過處理的。對測得的能量曲線進行A計權處理,過濾掉100 Hz以下的聲能量,如圖5(b),可以更加清晰地看出兩種工況下聲壓寬頻帶能量增長趨勢的不同。說明泡沫棉對頻率超過300Hz的噪聲吸收效果顯著。

2.2.2 葉片表面粘貼泡沫鎳

第二種實驗是在風機葉片上表面均勻的包覆一層泡沫鎳材料,探究泡沫鎳材料在降低冷卻塔風機氣動噪聲方面的作用,測量方法同上。

圖6是粘貼泡沫鎳的風扇和原風扇下測量后繪制的出口聲壓頻譜曲線圖,該對照實驗中的差異主要表現在1 000 Hz到5 000 Hz頻段內。在該頻段內,冷卻塔風扇葉片表面粘貼泡沫鎳材料下測得紅色的聲壓曲線圖相比于葉片未做處理情況下測得的藍色聲壓曲線圖均有一定幅度的衰減。從圖可以知道聲壓大小在風扇基頻處(63 Hz)差異不大,這是由于泡沫鎳材料自身硬度較大,所以對來流的氣動干涉噪聲降低不太明顯,在低頻段(0～50 Hz)也有一定的效果。圖6的下部分顯示的是經過A計權處理的聲壓曲線圖,它可以更準確地反映出泡沫鎳對寬頻噪聲的抑制效果。

圖6 聲壓頻譜比較圖Figure 6 Comparison diagram of sound pressure spectrum

比較圖7(a)的兩條曲線,可以看出冷卻塔風扇葉片表面經過泡沫鎳處理后在寬頻帶上的能量相比于未處理過葉片測得的情況有明顯的衰減,而在低頻帶上衰減不明顯。圖7(b)是對低頻處理后的聲壓曲線這更清晰地說明了泡沫鎳材料對冷卻塔風扇氣動噪聲能量的衰減作用主要優勢在于降低寬頻部分的噪聲。

圖7 聲壓能量比較圖Figure 7 Comparison diagram of sound pressure energy

3 結 論

表1是不同工況下采集到的聲壓和流量的具體數值。相較于葉片未做處理的出口噪聲聲壓級,粘貼了泡沫棉和泡沫鎳材料的風扇模型測得聲壓級以及A計權后聲壓級都有不同程度地降低。尤其是在經過泡沫鎳材料處理后的冷卻塔出口噪聲,在來流無干擾源的前提下,總噪聲聲壓值降低了1.5 dB,A計權聲壓值降低了2.9 dBA。然而受泡沫材料本身材質的影響,風扇葉片吸力面與壓力面的壓差減小,導致冷卻塔風機的氣動性能相較于原模型有一定的減弱,測得的流量值也有一定程度的降低。

表1 冷卻塔出口聲壓值流量大小比較

Table 1 Comparison of sound pressure value and flow volume of cooling tower outlet

材料聲壓級/dBA計權聲壓級/dBA流量/(m3·s-1)原風扇89.7886.646.03泡沫棉88.8984.825.63泡沫鎳88.2283.715.16

在泡沫材料的緩沖下葉片表面非定常力以及來流湍流引起的葉片脈動壓力都會有一定程度的衰減,所以泡沫棉和泡沫鎳材料在降低冷卻塔氣動噪聲方面均有一定的效果,而不同之處在于泡沫棉不僅對冷卻塔風扇寬頻噪聲有衰減作用,而且對風扇離散噪聲點處的聲壓有一定程度的衰減作用。雖然氣動性能有所下降,可應用于電廠非高峰期時發電機組散熱設備的降噪。本文有許多不足之處,例如,受時間和經費所限,只研究了泡沫棉和泡沫鎳兩種材料,還有材料是直接粘貼在風扇表面,對其氣動性能造成一定程度的影響。如何在降低冷卻塔氣動噪聲與提升氣動性能之間找到合適的平衡點,也是今后實驗研究的重點。