CC BY
101
2010
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 151
УДК 629.735.45.015.3.035.62:534.83:629.735.45
РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ В ОБЛАСТИ ЕГО МАКСИМУМА ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ КОНЦЕВЫХ ЧАСТЕЙ ЛОПАСТИ НЕСУЩЕГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА*
Р.М. МИРГАЗОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Крицким Б. С.
Приводятся результаты исследования влияния различной геометрии концевой части лопасти несущего винта вертолета на распределение звукового давления в области точки его максимума. Показано влияние скорости вращения винта на величину звукового давления. Предложены эмпирические формулы, связывающие относительную толщину лопасти со стреловидностью при постоянном максимальном звуковом давлении для прямоугольной и сужающейся законцовок.
Ключевые слова: вертолет, несущий винт, концевые части лопастей, шум, сравнение результатов расчета с экспериментальными данными.
1. Описание проблемы
В связи с ужесточением норм ИКАО и ЕС к уровню шума летательных аппаратов исследование акустического воздействия несущего винта вертолета в дальнем поле приобретает большое значение, особенно с развитием скоростных вертолетов. Поэтому целесообразно на этапах проектирования несущего винта оценивать параметры шумоизлучения и принимать специальные меры по снижению его уровня [1, 5]. Исследование направлено на повышение экологической безопасности перспективных и модернизируемых отечественных вертолетов при их гражданском применении, а также минимизации демаскирующего фактора шумоизлучения вертолетов при их военном применении.
Шум несущего винта является сложным по своей структуре. К основным видам шума несущего винта относят: вихревой шум, шум вращения и хлопки лопастей [1]. Хлопки лопастей характеризуются резким звуком ударов, следующих с частотой прохождения лопастей. Причиной таких хлопков считается взаимодействие лопастей с концевыми вихрями, сходящими с других лопастей (BVI - blade vortex interaction), что относится к вихревому шуму, и влияние толщины лопасти - шум вытеснения при больших числах Маха - которые реализуются в концевых сечениях лопастей, при резком вытеснении воздуха вращающимися лопастями винта за счет их объемной толщины.
При возрастании числа Маха на концевой части наступающей лопасти несущего винта до М = 0,85 и более несущий винт начинает издавать резко направленный вперед шум в виде узких пиков разряжения, идущих с частотой прохождения лопастей. Субъективно такое звуковое излучение воспринимается как весьма неприятные удары, следующие с частотой прохождения лопастей. C ростом числа М высота этих пиков на порядок превосходит все остальные аэродинамические источники шума. Поэтому встает вопрос об оценке акустического излучения винта на предварительных этапах конструирования для дальнейшего выбора его оптимальной компоновки.
Теоретический анализ, проведенный В.Э. Баскиным [2, 4], показывает, что указанный шум вызван вытесняющим эффектом обтекания лопасти, связанным с наличием у нее конечной
*Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 08-08-00984-а).
толщины. При этом имеет значение как сама физическая толщина лопасти, так и аналогичный по действию, нелинейный эффект околозвукового обтекания ее концов. Поэтому точное рассмотрение околозвукового импульсного шума несущего винта требует изучения поля скоростей околозвукового обтекания концов лопастей. В данной работе исследовалось только влияние физической толщины лопасти на шум вытеснения. В этом случае задача расчета околозвукового шума вытеснения и при учете нелинейных эффектов может быть сведена к линейной задаче акустики.
2. Методика расчета
Приведено решение уравнений акустики для скоростного импульсного шума винта вертолета в дальнем поле. Временные зависимости для звукового давления дальнего поля представлены в виде суммы вносимых элементами объема лопасти составляющих. Функция влияния на шум каждого элемента объема имеет простой, достаточно универсальный вид и позволяет легко анализировать зависимость шума от конструктивных параметров лопасти. Выражение звукового давления, вызванного толщиной лопасти И(х, г ) в момент 1 имеет вид:
p(Y) =
pa Mt
4p(l* / R)
a
a
V пР У
1- J2
h(x, r) u cos J(1 + 2u cos J) - 3u
2
J rdr J------- ------------------------4----------dJ
0 J
R (1 - u cosJ)
где r = r / R - относительный радиус сечения, а х - координата вдоль хорды; Y играет роль безразмерного времени и связан с обычным азимутальным углом лопасти Y = wt соотношением
Y = Y + W/* + f +—p . Через l* обозначено расстояние от точки измерения (xp,yp,zp) до слыши-a 2
мого из этой точки положения втулки винта. В формулу, кроме скорости звука а входит еще и "приведенная" скорость: апр = a + Vxcosbcosj - Vysinb, где углы в и ф определяются соотноше-
. р (УР + Шу) ■ f zP ^ ,
ниями: sin р = —-------—, sin f =-----—. Пределы интегрирования J и J2 определяются урав-
/* /* cos Р
нениями: J - u sin J = Y + x1/ r , -u sin J2 = Y + x2 / r, входящая в h(x, r ) переменная х опре-
деляется в зависимости от угла J равенством x = 2( J—u sin J—Y) . Заметим, что это уравнение
имеет единственное решение относительно J лишь при u < 1, что соответствует дозвуковым нормальным скоростям сечения лопасти. При u > 1 приведенные формулы непригодны.
3. Сравнение с экспериментом и результаты расчетов
Для апробации метода расчета исследованы данные летного эксперимента [3] и сопоставлены результаты расчета с этими данными. Определено направление максимального звукового излучения, оно достигается на наступающей лопасти при угле направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях близких к нулю.
На рис. 1 проведено сопоставление результатов расчета по изложенной методике с данными летного эксперимента [3]. Здесь Мк = (wR + Vx)/a - суммарное число Маха конца наступающей лопасти. Параметры полета и характеристики лопасти несущего винта были следующие: радиус винта R = 7,32 м, хорда лопасти b = 0,533 м, профиль лопасти NACA0012, окружная скорость винта roR = 248 м/c, скорость полета менялась в диапазоне Vx = 45 м/с 70 м/c. Расстояние между втулкой несущего винта и микрофоном составляло l = 3R » 29 м. Кривая, полученная по экспериментальным данным, отражает суммарный вклад всех составляющих шума вертолета, а кривая, полученная в расчете по данной методике, показывает уровень звукового
давления, обусловленного вытесняющим эффектом лопасти. Из графика следует, что указанный вытесняющий эффект является превалирующем на данных азимутальных положениях лопастей несущего винта и суммарных числах Маха. Расчетная и экспериментальная кривые, как видно, имеют одинаковую тенденцию, что позволит качественно оценивать влияние различных параметров на максимальное звуковое давление.
о -----------------------------
0,85 0875 09 0,925
Рис. 1. Сравнение экспериментальных и Рис. 2. Характерные концевые части лопасти
расчетных данных несущего винта
По данной методике проведены параметрические расчеты с целью качественной оценки влияния различных геометрических параметров лопасти, в частности, ее концевой части, и параметров полета на максимальный уровень звукового давления. Существуют много различных законцовок лопастей. Характерные из них представлены на рис. 2. Законцовки лопасти, которые наиболее распространены и исследовались в работе, выделены.
Далее представлены результаты расчета для различной формы лопасти винта: прямоугольной, стреловидной (х), сужающейся (п), а также стреловидной с сужением радиусом К = 8 м, хордой Ь = 0,4 м и несколькими значениями относительной толщины С = 6 %, 9 %, 12 %, 15 %. Точка, где рассчитывалось давление, находилась в связанной с винтом продольной оси и лежала на расстоянии трех радиусов винта от втулки перед ним. Скорость движения винта Ух = 80 м/с, окружная скорость конца лопасти шК = 250 м/с.
На рис. 3 показаны распределения звукового давления Р [кгс/м2] при С = 15 %, 12 %, 9 % и 6 % при различных углах стреловидности законцовки в области его максимума.
Как видно из рис. 3, ширина пика отрицательного звукового давления составляет порядка Д¥ = 3°, что соответствует всего ~ 1/500 с. Такое давление воспринимается субъективно как
резкий сильный хлопок. Интенсивность хлопка характеризуется величиной максимума, составляющего в данном случае около 111,38 кгс/м2. Видно, что придание небольшому концевому участку прямоугольной лопасти угла стреловидности (близкому к 40°) заметно снижает высоту пиков звукового давления. Изменяется максимум звукового давления и его сдвиг со сглаживанием пиков в зависимости от варьирования концевой части лопасти и ее относительной толщины.
На рис. 4 показаны распределения звукового давления Р [кгс/м2] при С = 15 %, 12 %, 9 % и 6 % при различных углах стреловидности сужающейся законцовки (п = 2) в области его максимума. Как видно, придание лопасти такого типа концевой части заметно снижает уровень звукового давления.
Из рис. 5 видно, что при больших величинах концевого числа Маха (М» 0,95 и выше), очень сильное влияние оказывает физическая толщина лопасти. При увеличении относительной толщины с 6 % до 15 % (лопасть прямоугольная) уровень максимального звукового давления увеличивается более чем в два раза.
2 -10 12 3 (^град. -2-10123 Щ, град.
Рис. 3. Распределение звукового давления в области максимума для стреловидной законцовки при различных относительных толщинах
Такой же результат имеет место и при сужающейся законцовке (рис. 6).
На рис. 7 представлен расчет максимального звукового давления для сужающейся закон-цовки. Видно, что сужение п также влияет на Ртах, снижая его абсолютную величину. Это связано, в основном, с уменьшением пропорционально сужению физической толщины лопасти.
На рис. 8 показано влияние окружной скорости конца прямоугольной и сужающейся лопасти шЯ на высоту пиков звукового давления -Ртах. С ростом окружной скорости шЯ от 235 м/с до 250 м/с величина Ртах возрастает более чем в пять раз.
При отработке компоновки лопасти несущего винта можно выбрать рациональные геометрические параметры (относительную толщину, угол стреловидности, сужение законцовки), удовлетворяющие различным противоречивым требованиям. При постоянстве -Ртах можно выбрать законцовку лопасти, имеющую разную относительную толщину, стреловидность, сужение, тем самым удовлетворить другим характеристикам винта, в частности, аэродинамическим, то есть найти оптимальное решение для тех или иных задач, закладываемых в летнотехнические характеристики аппарата. Исследования показали (рис. 9), что заданный уровень звукового давления может быть обеспечен выбором соответствующих значений относительной толщины законцовки лопасти и ее угла стреловидности %• Установлено, что для рассматриваемого случая расчетная зависимость ^(С) может быть аппроксимирована степенной функцией
С(С) = 36(С - С0)018. Здесь С0 относительная толщина при угле стреловидности х = 0. Аналогичные выводы и формула получены для стреловидно-сужающейся законцовке, для которой указанную зависимость можно аппроксимировать степенной функцией %(С) = 30(С - С0)0,22 (рис. 10).
-2 -1 о 1 г з Щ град. -2 л о 1 г з ЦГ, град.
Рис. 4. Распределение звукового давления в области максимума для стреловидной-сужающейся законцовки при различных относительных толщинах
Рис. 5. Распределение звукового давления Рис. 6. Распределение звукового давления
при различных относительных толщинах при различных относительных толщинах при при сужении 1 сужении 2
Рис. 7. Распределение звукового давления при различных сужениях концевой части лопасти
-Р
max кг/м2 Vx=80 м/с 1
Л V ж
’ 240 245 а>К,м/с
Рис. 8. Влияние окружной скорости конца прямоугольной и сужающейся лопасти на величину максимального звукового давления
Рис. 9. Зависимости угла стреловидности Рис. 10. Зависимости угла стреловидности от относительной толщины лопасти от относительной толщины лопасти
при постоянстве максимального при постоянстве максимального
звукового давления звукового давления
ЛИТЕРАТУРА
1. Джонсон У. Теория вертолета.- М.: Мир, 1983. - Т. 2.
2. Баскин В.Э. Акустическое давление, вызываемое винтом вертолета при горизонтальном полете // Труды ЦАГИ. 1972. - Вып. 1373.
3. Schmitz F.H., Boxwell D.A. In-Flight Far-field Measurement of Helicopter Impulsive Noise. 32nd Annual National Forum AHS Preprint № 1062, 1976.
4. Баскин В. Э. К линейной теории нестационарного движения газа под действием непотенциальных внешних сил // Известия Академии наук СССР. Механика жидкости и газа. 1969. № 4.
5. Авиационная акустика / под ред. А.Г. Мунина, - М.: Машиностроение, 1986.
CALCULATION RESEARCH DISTRIBUTION OF SOUND PRESSION IN THE REGION OF ITS MAXIMUM FOR DIFFERENT ENDING PART OF HELICOPTER MAIN ROTOR BLADE
Mirgazov R.M.
Research result influences of different geometry ending part of main rotor blade on the pressure distribution in the range of point its maximum are presents. Show influence rotation velocity of main rotor on maximum sound pressure. Offered empirical formulas connection thickness ratio of blade with sweep ending part of blade under constant maximum sound pressure for rectangular and taper ending part of main rotor blade.
Сведение об авторе
Миргазов Руслан Миннхатович, 1979 г.р., окончил МФТИ (2002), младший научный сотрудник ЦАГИ, автор 15 научных работ, область научных интересов - численные методы и их алгоритмическая реализация, аэродинамика и акустика несущего винта.
