CC BY
41
УДК 621.44.533.697
Ф. М. Муравченко, В. М. Лапотко, Ю. П. Кухтин, С. Б. Резник, А. И. Попуга
ОЦЕНКА АКУСТИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЕНЦОВ ТУРБИНЫ ВЕНТИЛЯТОРА ДВИГАТЕЛЯ Д-18Т
Аннотация: С помощью метода отслеживания струй тока сделана оценка величины акустического взаимодействия лопаток двухступенчатой турбины вентилятора для исходного и скорректированного вариантов. Результаты расчета подтверждены экспериментальными данными.
Введение
Снижение шума современных турбомашин -важнейшее направление работ по защите окружающей среды. До настоящего времени считалось, что основным источником шума двигателя является реактивная струя. Однако прогресс в направлении уменьшения данного источника шума (увеличение степени двухконтурности) привел к тому, что существенными источниками шума стали компрессор и турбина. В свете рассматриваемой проблемы закономерен интерес к построению методики оценки шума возбуждаемого лопатками турбомашины.
Аэродинамический шум лопаточных машин в зависимости от происхождения можно разделить на: вихревой шум, шум от неоднородности потока или тональный шум, шум ударных волн [1, 2].
В качестве вихревого (широкополосного) шума понимается класс шумов, связанных с вихреобра-зованием, обусловленным физической вязкостью реальных газов, а также турбулентностью среды, которая характеризуется беспорядочными хаотическими пульсациями, наложенными на основное движение газа. Широкополосный шум генерируется как за счет самих турбулентных возмущений потока в пограничном слое лопатки (см. рис.1, а), так и за счет взаимодействия этих возмущений с поверхностями лопаток турбомашины, находящихся ниже по потоку (см. рис. 1, б). Из двух показан-
ных на рис.1 механизмов возникновения широкополосного шума, второй (рис.1, б) более мощный.
Тональный шум возникает в результате нестационарного взаимодействия лопаточных венцов с потенциальной (рис. 2, а) и следовой (рис. 2, б) неравномерностями газа. Характерной особенностью этого источника шума является дискретность его тона, которая совпадает с частотой следования лопаток. При существующих осевых зазорах между лопаточными венцами первый механизм возникновения дискретного шума (рис. 2, а) является несущественным по сравнению со вторым (рис. 2, б), который сохраняется при значительных осевых зазорах.
Шум, генерируемый ударными волнами (рис. 3), наблюдается при тех режимах течения, при которых в некоторой локальной области параметры потока достигают критических значений. Возникающий при этом скачок уплотнения является неустойчивым как по положению, так и по интенсивности. Частота возникающих колебаний составляет около 100 Гц [3]. Такие периодические явления сопровождаются специфическими шумами (шум "визг пилы", свист) с частотами, совпадающими с частотой колебания скачков уплотнения.
Рис. 1. Схема генерации широкополосного шума: а - в пограничном слое лопатки; б - при взаимодействии турбулентного возмущения с пером лопатки
© Ф. М. Муравченко, В. М. Лапотко, Ю. П. Кухтин, С. Б. Резник, А. И. Попуга 2006 г. - 8 -
Рис. 2. Схема генерации тонального шума: а - при потенциальном взаимодействии лопаток (показано поле давления и изменение векторов скорости на выходных кромках лопаток СА); б - при взаимодействии следовой неравномерности параметра скорости среды с ниже расположенными лопатками
Рис. 3. Схема генерации шума ударными волнами
Избежать возникновения таких шумов можно путем перехода на другой режим, когда скачок уплотнения становится устойчивым.
Предмет исследования
Предметом исследований, результаты которых изложены в настоящей работе, являлись третья и четвертая ступени турбины вентилятора двигателя Д-18Т, изображенные на рис. 4. Геометрические параметры лопаток и тракта турбины являются интеллектуальной собственностью ГП " Ивченко-Прогресс" и не подлежат опубликованию в открытой печати.
Особенностью профиля турбины вентилятора являлось одинаковое количество рабочих лопаток в венцах ротора = пл. Рабочие лопатки этих венцов исходного профиля турбины располагались без окружного смещения друг относительно друга.
Скорректированный профиль турбины отличался от исходного поворотом одного из дисков ротора в окружном направлении на половину шага лопатки.
Рассматриваемый режим течения в турбине соответствовал 0,3 номинального режима эксплуатации двигателя.
Исследования проводились в относительной системе координат, связанной с ротором. Расчетная область состояла из четырех полных лопаточ -ных венцов. Все параметры течения приводились к безразмерному виду. Число Рейнольдса, определенное по эталонам скорости, длины и физической вязкости среды на выходе из турбины, составило 2380000.
Выбор расчетного метода исследования
Характерной особенностью всех известных в настоящее время методов оценки уровня шума в решетках турбомашин является то, что они основаны на эмпирических связях между рабочими параметрами двигателя на установившемся режиме и измеренным уровнем шума. Количественно эти связи справедливы для конкретных конструкций и неправомочны для новых конструкций, за исключением тех, которые просто являются аэродинамическими " масштабными" моделями.
Рис. 4. Профиль турбины вентилятора
Как следует из анализа внутренних источников шума, природа их возникновения связана с нестационарным взаимодействием венцов турбомашин. Это предопределяет основное требование к выбору расчетного метода исследования.
Теория нестационарных аэродинамических явлений еще только разрабатывается в настоящее время. Тем более это относится к сопровождающим их акустическим явлениям.
В качестве инструмента исследования авторы использовали метод отслеживания струй тока (МОСТ), позволяющий в практике КБ проводить многовариантные исследования 2-й
нестационарных течений газа в слое переменной толщины на переменном радиусе без потери точности на границах между венцами ступени [4]. Отличительной чертой этого метода является использование подвижных, так называемых, лагранже-вых, сеток. Эти сеточные поверхности являются проницаемыми лишь для молей среды, которые имитируют диффузию, обусловленную физической вязкостью и турбулентным движением среды. В качестве модели турбулентности нами был использован аналог известной к-модели турбулентности
[5].
"С!оок1пд"-эффект акустического взаимодействия венцов турбомашин
В результате проведенных расчетов получены нестационарные поля параметров, характеризующих течение газа в турбине вентилятора. Наряду с нестационарными полями параметров, характери-
зующими течение газа в турбине, для каждой лопатки четырех венцов получены эпюры нестационарных сил. На рис. 5, 6 для исходного и скорректированного профиля турбины представлены фрагменты мгновенных полей энергии пульсационного движения для трех последних венцов турбины вентилятора.
Дальнейшее совершенствование аэродинамики турбомашин при проведении конструкторских работ требует учета нестационарных эффектов взаимодействия решеток лопаточных аппаратов. Среди различных эффектов такого взаимодействия следует выделить "clocking''-эффект (от английского clock - часы). Сущность этого эффекта состоит в зависимости параметров процесса от окружной ориентации несмежных лопаточных венцов при одинаковом или кратном количестве лопаток в них [6]. Эффект от окружной ориентации лопаточных венцов достигается тем, что следовая неравномерность по турбулентному возмущению, в отличие от других параметров следа, например, относительной скорости потока, сохраняется в спутных следах вниз по течению на протяжении нескольких венцов. Таким образом, для нижестоящих по течению лопаточных рядов существуют такие положения относительно турбулентных возмущений, созданных вышестоящими по потоку лопатками, которые являются благоприятными или неблагоприятными по отношению к определенному параметру.
Взаимодействие спутных турбулентных струй с пограничными слоями ниже стоящих по потоку
Рис. 5. Фрагмент мгновенного поля энергии пульсационного движения исходного профиля
турбины вентилятора 31000.0
лопаток является сложным процессом. Наиболее важный результат этого взаимодействия заключается в генерации турбулентности (т.е. зон с высокой степенью турбулентности) в пограничном слое лопатки.
Анализ результатов, представленных на рис. 5, свидетельствует о том, что в исходной конфигурации турбины второй рабочий венец является источником широкополосного шума. В этом случае спут-ные струи, сошедшие с лопаток первого рабочего венца, пройдя через второй сопловой аппарат, попадают на лопатки второго рабочего венца. Вследствие взаимодействия турбулентных возмущений с пограничными слоями лопаток наблюдается значительный (в 1,43 раза), по сравнению с альтернативным (скорректированным) вариантом турбины, рост турбулентности (см. рис. 6). В скорректированной конфигурации турбины, в которой венцы рабочих колес развернуты друг относительно друга на половину шага лопатки, турбулентные следы лопаток первого колеса, попадая в межлопаточные каналы второго рабочего колеса, не взаимодействуют с пограничными слоями этих рабочих лопаток. Вследствие этого наблюдается умеренная генерация турбулентности.
В настоящее время нам не известны фундаментальные исследования, согласно которым можно было бы получить зависимость, характеризующую связь между энергией пульсационного движения и акустической мощностью. Известно лишь, что большему значению энергии пульсационного движения соответствует большее значение флуктуа-ций давления, являющегося источником широкополосного шума.
Оценка шума в источнике от неоднородности потока
В результате нестационарного взаимодействия следовой и потенциальной неоднородностей с лопаточными венцами поверхности лопаток испыты -вают нестационарные силы, которые порождают пульсации давления. Последние являются источ-
ником тонального шума, который имеет частоту, соответствующую времени прохождения лопаток длины волны неоднородности.
В качестве методики мы приняли следующий порядок оценки звукового давления данного источника шума.
Исходя из эпюр составляющих нестационарной силы, можно получить зависимость амплитуды результирующей силы:
АГ = Г - Г ■
^ X 1 X 1 X ср.-
АF = Г - Г ■
у у У ср.'
ф
АГ = л/ АГХ + АГу2.
(1)
Амплитуда результирующей нестационарной силы, отнесенная к средней площади поверхности лопатки, даст некоторую осредненную пульсацию давления, которая, по нашему мнению, может служить для оценки шума от неоднородности потока:
р =АГ / ЛСр .
(2)
Непосредственной характеристикой генерируемого тонального шума является уровень звукового давления [дБ], вычисляемый по формуле [7]:
р
Ьр = 201в
Рп
(3)
На рис. 7 представлены результаты расчета уровня звукового давления тонального шума в источнике, излучаемого рабочей лопаткой четвертой ступени для исходного и скорректированного профиля турбины. Оба варианта турбины характеризуются одинаковым уровнем звукового давления.
Представленные результаты расчетов были подтверждены последующими экспериментальными данными, полученными при проведении натурных испытаний двигателей.
Г П 147Я15|=»03
0.12997 7Е->03
0.02500
С.02634 с.02701 Т1те (с)
0.151329Е+03
0133504Е»03
0.1275ИМЗ
Ауегаде - 0.И123Е+03 ЕКаЛе - 1
7
0.02И7 0.02222 0.02287
Тяй (с)
Рис. 7. Уровень звукового давления тонального шума, излучаемого рабочей лопаткой четвертой ступени: а - исходного профиля турбины вентилятора; б - скорректированного профиля турбины вентилятора
Результаты экспериментов
Ряд экспериментов, проведенных на акустическом стенде ГП "Ивченко-Прогресс" с двигателями Д-18Т25, показали, что самолет Ан-124-100 с двигателями Д-18Т, у которых рабочие колеса турбины вентилятора повернуты относительно друг друга на половину шага лопатки, будет иметь снижение шума в трех контрольных точках (взлет с боку, набор высоты, посадка) суммарно на 4.5 ЕРЫСБ.
Так, к примеру, при пересчете на посадочный режим матриц звукового давления двигателей, пролетный шум Ан-124-100 уменьшается на 2.51 ЕРЫСБ (рис. 8).
Выводы
Выполненные работы, посвященные исследованию шума турбины вентилятора, позволяют сделать следующие выводы:
1. В связи с ужесточением требований по допустимым шумам авиационных двигателей, разработка методики по оценке шумов, обусловленных взаимодействием венцов турбомашины, имеет актуальное значение.
2. Разработанная методика оценки акустичес-
Рис. 8. Влияние разворота рабочих колес
Список литературы
1. Смит, Хауз. Внутренние источники шума в газотурбинных двигателях. Измерение и теория. // Энергетические машины и установки, 1967, т. 83, №2, С.1-16.
2. Зинченко В.И., Григорян Ф.Е. Шум судовых газотурбинных установок. // Ленинград: Судостроение, 1969., 343 с.
3. Лапотко В.М., Кухтин Ю.П. Прогнозирование
кого взаимодействия венцов турбомашины основана на проведении аэродинамических расчетов нестационарных процессов, близких к реальным в системе двигателя. Ее использование не требует предварительной адаптации посредством экспериментальных данных к конкретной конструкции двигателя.
3. Разработанную методику целесообразно применять для оценки акустического взаимодействия ступеней компрессора и турбины.
4. Проведенные исследования двух вариантов турбины вентилятора показали, что, вследствие "о!оок1пд"-эффекта взаимодействия смежных роторных венцов, скорректированный профиль турбины будет иметь более низкий уровень шума в широкополосном спектре.
5. Два варианта исследуемой турбины, вследствие тождественности нестационарных нагрузок, действующих на рабочие лопатки четвертой ступени, будут иметь практически одинаковый уровень тонального шума.
режима низкочастотных колебаний нестационарного потока газа в ступени компрессора. // Авиационно-космическая техника и технология: Научно-технический журнал. - Харьков: ХАИ, 2004. - Вып. 4/12, С. 56-61.
4. Лапотко В.М., Кухтин Ю.П. Использование единой системы координат для расчета нестационарного течения газа в ступени турбомаши-ны. // Совершенствование турбоустановок ме-
114
113 112 III
110 1ЙЙ г юг
107 1ПК 105 п'и 103
,_|А1зигатель без разворот? рабочей
>
*
1
** •
-- -V 1
_ -
♦
\
\
Приыулунныу иСир'-чы ЬУНИИ н|ура.
•1 соответствующие посолочному режиму
: . I 1
ш
1800 1400
2100 2200 2300 240(1 2500 2600 2700 2ЭОО приведенный оеорй-ы пемтилятйре, овшьш
2000 3000
турбины вентилятора на уровень шума самолета Ан-124-100
тодами мат. и физич. моделир.: Сб. науч. тр. -Харьков: Ин-т проблем машиностроения, 2003, т.1, С. 182-187.
5. Лапотко В.М., Кухтин Ю.П. Модель и метод расчета турбулентных течений вязкого теплопроводного газа. // Авиационно-космическая техника и технология: Научно-технический журнал. - Харьков: ХАИ, 2003. - Вып.
41/6,С. 65-68.
6. Августинович В.Г., Иноземцев А.А. и др. Нестационарные явления в турбомашинах. // УО РАН, Екатеринбург-Пермь, 1999. - 280 с.
7. Зельдин Е.А. Децибелы. Изд. 2-е, доп. М.: "Энергия". - 1977 г. - 64 с.
Поступила в редакцию 11.02.2006 г.
Анота^я: За допомогою методу в1дстеження струмен1в зроблена оц1нка величини акус-тично!'взаемодИ'лопаток двоступ1нчасто1'турб1ни вентилятора для вих1дного i скорек-тованого варiантiв. Результати розрахункупiдтвердженi експериментальними даними.
Abstract: An estimation of acoustic interaction value of the initial and corrected profiles of the fan two-stage turbine is made using a method of tracking current jets. The results of calculations are confirmed with experimental data.
