بخشی از مقاله
چکیده
صداها و نویزهای ایجادی حاصل از کارکرد موتورهای اصلی و فرعی در کشتی آزار دهنده و مخل آسایش کارکنان می باشد. جهت کاهش صدا، از سیستم صدا خفه کن استفاده می شود که این موضوع در موتورهای زمینی امری ضروری تلقی می شود و کمتر سیستم خودرویی را مشاهده می کنیم که بدون صدا خفه کن کار کند ولی در موتورهای دریایی کمتر مورد استفاده قرار گرفته است.
این مقاله به طراحی یک سیستم صدا خفه کن برای دیزل ژنراتور MTU 6V 183 AA53 پرداخته است که صداها و نویزهای زیادی را در هنگام کارکرد ایجاد می کند. جهت تحلیل میزان فشار و جریان اگزوز از روش دینامیک سیالات محاسباتی و نرم افزار فلوئنت استفاده شده است.
نتایج نشان می دهد که کاهش بیش از حد صدا، باعث ایجاد فشار برگشتی زیاد می گردد و راندمان ژنراتور را کاهش می دهد. لذا سایلنسر غیرفعال انعکاسی طراحی گردید که صدا را در حد قابل قبولی کاهش داده و همچنین میزان فشار برگشتی از حد مجاز که 30-100 mbar برای این موتور دریایی است، بیشتر نشود.
مقدمه
صدای اگزوز بالقوه مهمترین منبع آلودگی صوتی می باشد و خصوصا در موتورهای دیزل دریایی که با تعداد سیلندرهای بالا کار می کنند این میزان آلودگی زیاد می باشد. این موضوع به خصوص در شناورها و کشتی های کوچکتر - طول کمتر از 50 متر - بیشتر حائز اهمیت می باشد و به شدت کارکنان و خدمه کشتی را می آزارد و کمتر کارکنان این نوع کشتی ها را می یابید که از سر و صدای ناشی از موتورهای اصلی و فرعی گلایه نکنند.
در این مقاله به بررسی و طراحی سیستم صدا خفه کن برای دیزل های دریایی پرداخته است تا بتوان صدای اگزوز را کاهش دهد. نمونه مورد مطالعه دیزل ژنراتور MTU 6V 183 AA53 است. دلیل انتخاب، صداهای زیادی که این دیزل ژنراتور ایجاد می کند و کارکنان کشتی شکایت زیادی از آن دارند.
صدای اگزاست موتور توسط صدا خفه کن قابل کنترل می باشد. این سیستم را سایلنسر و یا موفلر نیز می گویند. اگزوز بر مبنای علم اوستیک تولید می شود بنابراین ارائه یک پروسه طراحی معقول از صدا خفه کن بر مبنای مدلسازی رفتار اکوستیکی بسیار ضروری به نظر می رسد. انتخاب و طراحی صدا خفه کن به میزان کاهش صدای مورد نیاز بستگی دارد. صدا خفه کن های متفاوتی در دنیا تست و ساخته شده اند.
نحوه کار منبع اگزوز به این صورت هست که با جداسازی فرکانس های صوتی از دودهای خروجی و انتقال آنها به یکی از مهمترین اجزای یک منبع اگزوز یعنی اتاق های کاهنده صدا و خوردن به دیواره های این اتاق ها صداهای اضافی رو دفع میکند.
صدا خفه کن ها در دو و نوع فعال و غیرفعال کار می کنند. در نوع فعال بوسیله حسگرهای صوتی هویت امواج منتشر شده از یک منبع تعیین شده و با استفاده از دستگاه های الکترونیکی و بر اساس تداخل امواج، امواجی تولید می کنند که از لحاظ فازی قرینه اصوات اولیه باشد.
در روش غیرفعال که بصورت رایج در بازار مشاهده می شوند با استفاده از المان های واکنشی و جذبی و به روش مکانیکی میزان تقلیل صوت لازم بدست می آید. مثلا یکی از روش ها برخورد فرکانس یا صداها با دیواره روبروی لوله انتقال دهندهی دودها در منبع هست و برگشت این فرکانس ها به لوله مذکور و منفی شدن حرکت فرکانسها و برخورد و دفع شدن آنهاست. شکل 1 نمونه ای از سایلنسرهای غیرفعال را نشان میدهد. در یک صدا خفه کن های غیرفعال انعکاسی دسته ای مجرا وجود دارد و این مجراها طوری طراحی شده اند که امواج را به شیوه ای بازتاب کنند که با هم تداخل و یکدیگر را خنثی کنند.
شکل : 1 نمونه ای از سایلنسر غیرفعال اگزاست الف- مدل انعکاسی ب- مدل واکنشی
این موضوع با دقت در شکل -1 الف مشخص می شود. یکی از مشخصه های مهم صدا خفه کن فشار برگشتی است. صدا خفه کن ها به خاطر وجود مجراها و سوراخ هایی که گازهای خروجی باید از آن عبور کند فشار برگشتی زیادی تولید میکنند و این موضوع کمی افت توان ایجاد می-کند. گونه های دیگری از صدا خفه کن وجود دارد که فشار برگشتی کمی تولید می کنند. یک نوع فقط از جذب کننده ها برای کم کردن صدا استفاده می کنند. در صدا خفه کن هایی مثل این،گازهای خروجی مستقیما از یک لوله سوراخدار عبور می کنند. این لوله با لایهای از شیشه عایق کاری شده که بیشتر تپشهای فشار را جذب میکند. یک روکش فولادی این عایق را می پوشاند که نمونه ای از آن در شکل -1ب قابل مشاهده است.
در سه دهه اخیر مطالعات مختلفی روی صدا خفه کن ها صورت گرفته است که به طراحی هر چه بهتر آنها به ما کمک می کند. سالیوان [2,1] پژوهش های متعددی برای آنالیز انتشار صوت برای لوله های سوراخدار به روش اجزاء محدود انجام داد. در اواخر دهه ی 1980 میلادی تأثیر عواملی چون شکل سطح مقطع، مواد جاذب صوت، جریان حجمی مورد مطالعه قرار گرفت
هاشمی نژاد و همکاران [7] به بررسی کاربرد صدا خفه کن های واکنشی و مقاومتی در سیستم اگزوز خودرو پرداختند. آنها دریافتند که تئوری خطی فیلترهای اکوستیکی بر مبنای روش افت انتقال تصویر قابل قبولی از رفتار اکوستیکی سیستم اگزوز موتورهای احتراق داخلی ارائه می کند. اما با پیشرفت علوم کامپیوتر در دهه های اخیر، می توان رفتار اگزوز را با نرم افزارهای کامپیوتری پیش بینی کرد.
روش تحقیق
برای مطالعه صدا خفه کن ها روش های تحلیلی مختلفی از قبیل ماتریس انتقال وجود دارد ولی امروزه با پیشرفت علوم کامپیوتر و با تولید نرم افزارهای مهندسی، روش اجزاء محدود با شرایط مرزی مشخص استفاده می شود. اصولا بهترین روش برای بررسی رفتار اگزاست ها استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی است. در این مقاله با استفاده از نرم افزار طراحی اتوکد 2013 به ایجاد مدل هندسی سایلنسر پرداخته شده است و سپس مدل تولیدی در نرم افزار تولید شبکه گمبیت ایمپورت شده و کاملا شبکه بندی شده است و در نهایت مش تولیدی به نرم افزار انسیس فلوئنت 15 برده شده و مورد تحلیل قرار گرفته است.
طراحی ایده آل این است که سایلنسر طراحی شده علاوه بر کاهش مناسب سطح فشار صوتی، کمترین فشار برگشتی را نیز داشته باشد. در صدا خفه کن های واکنشی هنگامی که موج عبوری از داخل یک مجرا به یک ناهمگونی برخورد می کند امپدانس اکوستیکی تغییر یافته و تنها کسری از انرژی صوتی می تواند از این ناهمگونی عبور کند و قسمتی از انرژی صوتی به سمت چشمه اولیه باز می گردد.
در صدا خفه کن های مقاومتی مواد جاذب صوت به فرم الیاف از جنس شیشه، الیاف معدنی یا آلی، تراشه های چوب و ... در دسترس می باشند. خلل موجود در این مواد جاذب نیز که خیلی کمتر از طول موج صوت می باشد محیطی مناسب برای تلف کردن امواج صوتی بوجود می آورند. مروری بر تحقیقات انجام گرفته عملکرد مطلوب اکوستیکی و دینامیک گازی صدا خفه کن های واکنشی را نشان می دهد.
در طرح اول، سیستم اگزاست فعلی ژنراتور طراحی گردیده که اندازه های آن بر اساس استاندارد جهانی اگزاست است.[8] در طرح دوم، لوله زنبوری با محفظه های کاهش صدا طراحی گردیده است که اندازه بدنه خمره اگزاست با طرح قبلی یکی می باشد. و در نهایت در طرح سوم، زانویی ورودی جریان سیال حذف گردیده تا میزان جذب صدا از طریق انعکاس زیاد گردد. شکل های 2، 3 و 4 نمای هر سه طرح را نشان می دهد. هر کدام از مدل های هندسی بوسیله نرم افزار تولید شبکه گمبیت مش زده شده اند.
شکل :2 محفظه اگزاست بدون لوله زنبوری و محفظه کاهش صدا
شکل :3 محفظه اگزاست با لوله زنبوری و محفظه کاهنده و زانویی
شکل :4 محفظه اگزاست با لوله زنبوری و محفظه کاهنده
در طرح دوم از یک لوله زنبوری و یک زانویی برای هدایت جریان دود خروجی استفاده شده است که توسط سه محفظه کاهنده صدا، صدا جذب می گردد.
در طرح سوم زانویی حذف گردیده است و جریان سیال پس از برخورد با دیواره انباره و ایجاد جریان برگشتی به داخل لوله زنبوری هدایت می شود. هر سه صفحه دارای چهار سوراخ در کنار دیواره انباره هستند تا از ایجاد فشار برگشتی زیاد خودداری کنند.
موتور MTU 183 دارای شش سیلندر و با مشخصات زیر است.
نوع موتور: - MTU 6V 183 AA53 توان: - 112 KW دور موتور: -1500 R/min مصرف سوخت: g/KWh208
خروجی اگزوز در این موتور پس از خارج شدن از دو مانیفولد دود توسط یک زانویی وارد محفظه اگزاست می شود. دود پس از خارج شدن از محفظه اگزاست به همراه آب تزریق شده توسط انژکتور آب به خارج از شناور ریخته میشود.
دود خروجی از موتور دارای درجه حرارت 535 درجه سانتی گراد و دبی 2/8 m3/s است. ماکزیمم فشار برگشتی مجاز نیز 30-100 mbar است. با مطالعه تحقیقات انجام گرفته، می توان شرایط محیطی در آنالیز سیالتی را مطابق جدول زیر در نظر گرفت.
