礦用大型風(fēng)機(jī)擴(kuò)散消聲器的研制
摘要：利用通風(fēng)機(jī)出口擴(kuò)散理論和空氣動力性噪聲降噪有機(jī)結(jié)合，在結(jié)構(gòu)上采用擴(kuò)散段和消聲段相結(jié)合，以將消聲、回收動能和降低阻力三個問題同時解決。使礦用大型風(fēng)機(jī)噪聲排放達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，為我國礦用大型風(fēng)機(jī)的噪聲治理找到一條新途徑。
關(guān)鍵詞：大型風(fēng)機(jī) 消聲器 研制
在礦井開采過程中，機(jī)電設(shè)備的噪聲污染己達(dá)到非常嚴(yán)重的程度，特別是大型風(fēng)機(jī)，由于其功率大，轉(zhuǎn)速高，在運行過程中會產(chǎn)生強(qiáng)烈的空氣動力性噪聲和機(jī)械噪聲，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，影響了人們的正常工作和生活。國產(chǎn)大型風(fēng)機(jī)其噪聲值多在110 dB(A)以上，因此在實際生產(chǎn)過程中，除選用低噪聲設(shè)備外，必須對噪聲的傳輸途徑進(jìn)行控制，即噪聲治理，才能達(dá)到國家相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)，減少對環(huán)境的污染。
1 大型風(fēng)機(jī)擴(kuò)散消聲器的設(shè)計依據(jù)
1.1 大型風(fēng)機(jī)噪聲特征及治理方案
大型風(fēng)機(jī)噪聲是煤礦的主要噪聲源之一，治理難度大，治理費用高，一直是噪聲治理的難題之一。根據(jù)山東新汶礦業(yè)集團(tuán)公司協(xié)莊煤礦西風(fēng)井的噪聲源布置、噪聲估算和該類型風(fēng)機(jī)噪聲類比數(shù)據(jù)、風(fēng)機(jī)性能參數(shù)和電機(jī)房、風(fēng)機(jī)房尺寸，風(fēng)機(jī)擴(kuò)散理論以及《工業(yè)企業(yè)廠界噪聲標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，即晝間60 dB(A)，夜間50 dB(A)，設(shè)計研制了擴(kuò)散型消聲器。
1.1.1 風(fēng)機(jī)擴(kuò)散理論和擴(kuò)散器的作用
所謂擴(kuò)散器就是一個過流斷面積逐漸加大的流道。
風(fēng)機(jī)外殼出口處氣流有較高的動壓，隨著氣流直接拋入大氣的同時，其動壓損失于大氣，無益于通風(fēng)，若將動壓的一部分轉(zhuǎn)換為靜壓，可以減少損失，在阻力損失最小的前提下，最大限度地增加靜壓，這就是通風(fēng)機(jī)外殼出口處安裝擴(kuò)散器的目的。
1.1.2 聲學(xué)設(shè)計
以新汶礦業(yè)集團(tuán)公司協(xié)莊煤礦西風(fēng)井為例，設(shè)計說明如下:
該風(fēng)機(jī)房位于山東省新泰市谷里鎮(zhèn)小窯溝村北、蒙館公路南，場地東西長115.5 m，南北寬26.8 m，總占地面積3093 m2。
風(fēng)機(jī)型號為GAF22.4-15-11（兩臺）；出口噪聲為106 dB(A)；風(fēng)量Q=125 m3/s；風(fēng)機(jī)出口段層尺寸d=2553 mm。風(fēng)機(jī)出口噪聲及頻譜特性如表1所示。
根據(jù)現(xiàn)場情況，利用風(fēng)機(jī)的擴(kuò)散理論研制設(shè)計了擴(kuò)散型消聲塔(見圖1)，從而達(dá)到消聲、節(jié)能的雙重目的。
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表1 風(fēng)機(jī)出口噪聲及頻譜特性
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 圖1 擴(kuò)散消聲器示意圖 |
1.2 消聲量的確定
根據(jù)對協(xié)莊礦西風(fēng)井兩臺GAF22.4-15-11風(fēng)機(jī)模擬測試，分析可知擴(kuò)散器口噪聲很高，而且頻帶寬是風(fēng)機(jī)噪聲的重要來源，同時風(fēng)機(jī)內(nèi)空氣污濁濕度大，為了保證通流面積的逐漸擴(kuò)大和動能最大限度的回收，根據(jù)多次測算，擴(kuò)散角設(shè)計成10°，呈圓錐性，從風(fēng)機(jī)口算起塔體垂直高17 m，頂部安裝不同厚度消聲片兩層，每層3 m，消聲器出口的噪聲限值： LAK=LAM+20lg3(r/D)+K
式中：LAK為消聲器的出口噪聲值，dB(A)；LAM為達(dá)標(biāo)點噪聲值，取50 dB(A)；r為消聲器的出口至達(dá)標(biāo)點的距離，取27 m；D為擴(kuò)散器出口當(dāng)量直徑，取6.14 m；K為根據(jù)模擬測試經(jīng)推算得到的系數(shù)，取3。
則：LAK=50+20lg（3×27/6.14）+3=72.4 dB(A)
1.3 消聲器氣流再生噪聲的計算
在阻性消聲器內(nèi)，氣流產(chǎn)生的噪聲主要有兩種，一種是消聲器內(nèi)壁面或其他構(gòu)件在氣流沖擊下產(chǎn)生振動而輻射噪聲，即結(jié)構(gòu)噪聲以低頻噪聲為主，另一種是消聲器高速氣流的湍流脈動而起的噪聲，即為湍流噪聲，以中高頻噪聲為主。
再生噪聲A聲級與氣體流速的關(guān)系為： LA=A+60lV
式中：A為與消聲材料有關(guān)的系數(shù)；V為消聲器內(nèi)流速m/s。
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表2 為再生噪聲級與流速的關(guān)系
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本設(shè)計125 m3/s計算，在擴(kuò)散器的上方設(shè)置兩段消聲，上消聲段的平均直徑為2257 mm,下消聲段的平均直徑為1749 mm，根據(jù)擴(kuò)散理論和再生噪聲，確定：上層流速（面積16 m2），為125/16＝7.8 m/s；下層流速（面積9.6 m2）為125/9.6＝13 m/s；擴(kuò)散器出口再生噪聲可達(dá)73 dB(A)。
1.4 吸聲材料的選擇及性能
由于井下的空氣潮濕有毒，所以作為擴(kuò)散器口消聲器的吸聲材料應(yīng)具有防潮、防腐和阻燃性質(zhì)，經(jīng)過多個方案比較確定：擴(kuò)散板采用B型穿孔板，這種板的特點是強(qiáng)度高、裝飾性好、吸聲效果佳、防火、防水。
吸聲體采用300、200、150 mm三種不同規(guī)格吸聲片組成，材料為防水離心玻璃棉，其中高頻吸聲系數(shù)在0.8以上，由于厚度加大，低頻吸聲系數(shù)也在0.3以上，這樣做的目的在于加寬吸聲頻帶，提高吸聲效果，盡可能地滿足風(fēng)機(jī)低頻吸聲的要求。
1.5 風(fēng)機(jī)房隔聲及吸聲處理
從風(fēng)機(jī)主扇噪聲構(gòu)成來看，在風(fēng)機(jī)出口安裝擴(kuò)散型消聲器，只是對風(fēng)機(jī)的空氣動力性噪聲有所降低，但對于電機(jī)噪聲、機(jī)殼噪聲仍需采取其他措施。以新汶礦業(yè)集團(tuán)公司協(xié)莊煤礦西風(fēng)井主扇為例，還必須對這兩部分噪聲加以綜合治理，經(jīng)過反復(fù)推測比較采取了如下措施。
（1）房建成隔聲間，不僅墻體有足夠的隔聲量，其門、窗也根據(jù)等透視原則設(shè)計成隔聲門、窗。
（2）房內(nèi)吸聲，為保證高、中、低頻均有降噪量，室內(nèi)吸聲體包括房頂鋪滿式吸聲頂，四周墻壁安裝了低頻吸聲性能較好的雙腔共振吸聲體。
（3）由于電機(jī)功率大，散熱量高，因此根據(jù)電機(jī)散熱量設(shè)計，安裝散熱罩，以保證電機(jī)的正常運轉(zhuǎn)。
（4）機(jī)房安裝換氣消聲器，以保證機(jī)房內(nèi)氣流暢通。
2 風(fēng)機(jī)噪聲治理前后噪聲測試情況
在消聲塔出口處檢測可知：消聲塔出口處噪聲值為74 dB(A)，消聲塔的消聲量為△L=106-74=32 dB(A)。隔聲墻外設(shè)4個監(jiān)測點，并對各測點治理前后的噪聲進(jìn)行監(jiān)測，經(jīng)治理后隔聲室1 m處的噪聲值為65 dB(A)左右，隔聲量為38 dB(A)左右，風(fēng)機(jī)房到界外的距離為20 m，經(jīng)過20 m的自然衰減，邊界外噪聲不超過50 dB(A)，達(dá)到了國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。
3 結(jié) 論
新汶礦業(yè)集團(tuán)公司協(xié)莊煤礦西風(fēng)井噪聲治理工程竣工，投入正常運行后，機(jī)房全封閉，機(jī)房內(nèi)溫度低于同期未改造前的溫度，改造后的風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)正常。礦機(jī)阻力沒有增加，達(dá)到通風(fēng)阻力不超過98.0665 Pa要求。保證了礦井的生產(chǎn)安全，經(jīng)環(huán)境監(jiān)測部門監(jiān)測，廠界外噪聲達(dá)到了國家排放標(biāo)準(zhǔn)，使周圍居民免受噪聲之苦，改善了周圍居民的生活環(huán)境質(zhì)量，解除了居民與企業(yè)的污染糾紛，居民與企業(yè)關(guān)系大大改善，生產(chǎn)、生活秩序恢復(fù)正常，社會穩(wěn)定，社會環(huán)境效益明顯。
參考文獻(xiàn)
1 楊玉啟.機(jī)械噪聲控制技術(shù).北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1983
2 方舟群.噪聲控制.北京：北京出版社，1984
3 王文奇.噪聲控制技術(shù)及其應(yīng)用.沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1985
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