逆流式冷却塔气动噪声控制的研究

周兴东,苏中地,魏 轲

(中国计量大学 计量测试工程学院,浙江 杭州 310018)

随着社会的快速发展和人们环保意识的不断增强。近年新建电厂许多是燃气电厂,由于供热的要求,电厂不能离市区太远。因此,发电厂使用机械通风逆流湿式冷却塔来散发燃气发电机组的热量,会给周围的居民带来很大的噪音。自然和机械通风冷却塔带来的噪声问题已经不断地被提出,如何降低冷却塔对周围居民“声环境”的影响也成了火电厂建设的首要指标[1]。冷却塔工作时产生的噪声主要分为以下方面:电机转动部分的机械噪声和电磁噪声;风机转动带来的气动噪声;淋水时产生的淋水噪声。淋水产生的噪声属于高频噪声,高频噪声在传播中遇到障碍物很容易就会衰减。最难治理的是由风机运行时产生的低频噪声,包括风机转动时与空气相摩擦产生的周期性脉动噪声和叶尖涡脱落后耗散过程中产生的辐射噪声。

一直以来,国内外的学者对冷却塔的噪声控制的研究从未停止,提出了一些噪声治理的方法。Ellis[2]在研究了四大发电站的大型自然通风冷却塔后,根据其噪声辐射的机理和其物理特性提出了一个完整的预测方法。以双曲型逆流式自然通风冷却塔为主要的研究对象,毛献忠等[3]就冷却塔内水气两相流动问题采用有限体积法对冷却塔温度场、流场进行了仿真研究。沈保罗[4]从分析逆流式冷却塔噪声源入手,发现对排风口加装片式消声器是行之有效的一种降噪手段。张怀军等[5]从实验角度出发研究了填料布置密度对噪声污染治理的影响。陈新龙[6]采用了修建隔声墙的方案,对厂界噪声超标的敏感点做出针对性治理,达到了国家噪声控制规定的标准。Yazici和Han[7]设计出一种将孔壁后面附有吸声材料的穿孔内墙安装在冷却塔外壳中的声音衰减装置。

对于因风机运行而产生的空气动力学噪声,Lowson[8]提出在风扇表面安装多孔介质材料有助于减小风扇噪声。李东旭等[9]研究发现,在添加尾缘锯齿后,对降低中低频段的远场气动噪声有比较理想的效果。运用力学原理,刘辉[10]将叶片改造成机翼型后,改变了出风角度,减少了因气流涡流所产生的噪声。刘拥军和张元银[11]研究了旋式通风机叶片安装角的变化对气体动力学性能的影响。胡如夫和李志敏[12]通过减小动叶片的叶尖间隙有效地降低叶尖涡流噪声,并且提升了风机气动性能。朱立夫[13]设计了风扇叶片长短交错分布结构在最优参数下实现了6dB的降噪效果。孙晓峰[14]根据Wright的BLH理论,提出合理选择叶片节距的分布方式能改善风扇基频处噪声，又不会降低风机的气动性能。

冷却塔风机是产生气动噪声的主要来源,如何通过对叶片的优化设计以此来降低风扇的气动噪声是本次实验研究的目的所在。泡沫棉材料质地相比于ABS塑料密度更低,更加柔软。刘贺[15]等在柴油发电机隔声降噪实验中使用泡沫铝材料,在低频段有效降噪6 dB以上。泡沫材料内部具有许多微小孔隙而且孔隙间相互连通,当声波传播到材料表面时,一部分被反射掉,而另一部分则进入材料内部传播。在传播过程中,由于粘滞性和热传导效应,声能转化为热能而耗散掉。声波通过这种反复传播,使声音的能量不断转换耗散,因此泡沫材料具有了“吸收”部分声能的作用。假设风扇叶片材质是由泡沫棉组成,在不考虑叶片强度的前提下,在泡沫棉的缓冲下叶片表面非定常力以及来流湍流引起的叶片脉动压力都会有一定程度的衰减,从而达到降低风扇气动噪声的目的。

1 研究对象

受实验条件所限,我们选用了一座与大型冷却塔工作方式,噪声产生机理一致的小型机力通风冷却塔作为本次实验研究对象。实验模型如图1。

图1 冷却塔实验装置图Figure 1 Cooling tower test device

选取的是一种实际冷却水水量为42.8 m3/h(标称50)的机力通风逆流式冷却塔,外径1 830 mm,高度2 220 mm,风筒直径965 mm。并配有一个电压380 V,功率1.5 kW/h的三相交流电机。冷却塔风机的风扇采用直径为930 mm的四叶型ABS风扇。考虑到风机与塔体直接接触,风机在正常运行时会带动塔体震动对实验产生二次干扰,所以,设计了一个高2.5 m的钢支架结构用于固定风机。

2 泡沫材料对气动噪声影响

2.1 实验方案设计

考虑到现实的实验条件和加工工艺问题以及对风扇叶片强度的要求,本实验采用的方案是在风扇叶片表面上均匀地包覆一层泡沫材料。使用的材料为泡沫棉和泡沫镍。具体风扇叶片表面泡沫材料如图2。电机保持满载状态(频率50 HZ)。实验背景噪声为36 dB。监测点位于冷却塔风筒斜上方45度具体位置如图3。实验不考虑冷却塔内部的结构:如十字梁,布水管道,填料,集水器等结构的影响。具体方案分为两组对照试验:一组是冷却塔风扇叶片用泡沫棉材料处理后与不处理的风扇叶片分别测得的冷却塔出口监测点声压频谱和入口流量情况;另一组是风扇用泡沫镍处理,具体试验步骤同上。最后分析在使用不同材料对叶片处理后对气体动力学性能和气体动力学噪声的影响。

图2 叶片表面处理Figure 2 Blade surface treatment

2.2 实验结果分析

2.2.1 叶片表面粘贴泡沫棉

图3 噪声监测装置Figure 3 Noise monitoring device

在叶片表面粘贴和不粘贴泡沫棉的两种工况下,在冷却塔出口监测点测量声压频谱以及声能量,并将测量得到的数据处理后得到图4和图5。图4是声压频谱图即噪声值大小。由图4可知不同工况下测得的冷却塔出口声压频谱曲线的差异主要表现在1 000 Hz到4 000 Hz频率段。冷却塔风扇叶片表面使用泡沫棉材料处理后相比于原叶片声压级和A计权声压级在该频率段均有一定幅度的衰减。说明泡沫棉材料对风扇气动噪声降低作用主要体现在宽频部分,而对低频区降噪效果不好。

图4 声压频谱比较图Figure 4 Comparison diagram of sound pressure spectrum

图5 声压能量比较图Figure 5 Comparison diagram of sound pressure energy

图5是冷却塔出口噪声能量图以及A计权能量图。蓝色的是原风扇叶片下测得声能量曲线,红色的是经过泡沫棉处理后测得的声能量曲线。观察图片可知,频率在300 Hz之前两种曲线趋势基本一致,300 Hz之后,经过泡沫棉处理的噪声能量上升的趋势明显弱于未经过处理的。对测得的能量曲线进行A计权处理,过滤掉100 Hz以下的声能量,如图5(b),可以更加清晰地看出两种工况下声压宽频带能量增长趋势的不同。说明泡沫棉对频率超过300Hz的噪声吸收效果显著。

2.2.2 叶片表面粘贴泡沫镍

第二种实验是在风机叶片上表面均匀的包覆一层泡沫镍材料,探究泡沫镍材料在降低冷却塔风机气动噪声方面的作用,测量方法同上。

图6是粘贴泡沫镍的风扇和原风扇下测量后绘制的出口声压频谱曲线图,该对照实验中的差异主要表现在1 000 Hz到5 000 Hz频段内。在该频段内,冷却塔风扇叶片表面粘贴泡沫镍材料下测得红色的声压曲线图相比于叶片未做处理情况下测得的蓝色声压曲线图均有一定幅度的衰减。从图可以知道声压大小在风扇基频处(63 Hz)差异不大,这是由于泡沫镍材料自身硬度较大,所以对来流的气动干涉噪声降低不太明显,在低频段(0～50 Hz)也有一定的效果。图6的下部分显示的是经过A计权处理的声压曲线图,它可以更准确地反映出泡沫镍对宽频噪声的抑制效果。

图6 声压频谱比较图Figure 6 Comparison diagram of sound pressure spectrum

比较图7(a)的两条曲线,可以看出冷却塔风扇叶片表面经过泡沫镍处理后在宽频带上的能量相比于未处理过叶片测得的情况有明显的衰减,而在低频带上衰减不明显。图7(b)是对低频处理后的声压曲线这更清晰地说明了泡沫镍材料对冷却塔风扇气动噪声能量的衰减作用主要优势在于降低宽频部分的噪声。

图7 声压能量比较图Figure 7 Comparison diagram of sound pressure energy

3 结 论

表1是不同工况下采集到的声压和流量的具体数值。相较于叶片未做处理的出口噪声声压级,粘贴了泡沫棉和泡沫镍材料的风扇模型测得声压级以及A计权后声压级都有不同程度地降低。尤其是在经过泡沫镍材料处理后的冷却塔出口噪声,在来流无干扰源的前提下,总噪声声压值降低了1.5 dB,A计权声压值降低了2.9 dBA。然而受泡沫材料本身材质的影响,风扇叶片吸力面与压力面的压差减小,导致冷却塔风机的气动性能相较于原模型有一定的减弱,测得的流量值也有一定程度的降低。

表1 冷却塔出口声压值流量大小比较

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

材料声压级/dBA计权声压级/dBA流量/(m3·s-1)原风扇89.7886.646.03泡沫棉88.8984.825.63泡沫镍88.2283.715.16

在泡沫材料的缓冲下叶片表面非定常力以及来流湍流引起的叶片脉动压力都会有一定程度的衰减,所以泡沫棉和泡沫镍材料在降低冷却塔气动噪声方面均有一定的效果,而不同之处在于泡沫棉不仅对冷却塔风扇宽频噪声有衰减作用,而且对风扇离散噪声点处的声压有一定程度的衰减作用。虽然气动性能有所下降,可应用于电厂非高峰期时发电机组散热设备的降噪。本文有许多不足之处,例如,受时间和经费所限,只研究了泡沫棉和泡沫镍两种材料,还有材料是直接粘贴在风扇表面,对其气动性能造成一定程度的影响。如何在降低冷却塔气动噪声与提升气动性能之间找到合适的平衡点,也是今后实验研究的重点。