CC BY
281
УДК 621.45.00.112.03.54-225
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ ШУМА ВЫХЛОПНОЙ СТРУИ АВИАДВИГАТЕЛЯ
В.В. МЕДВЕДЕВ, О.С. ТИМКО
В работе выполнен сравнительный анализ используемых методов снижения шума выхлопной струи авиадвигателей. Показано, что смешение потоков - практически единственный способ улучшить акустические характеристики двигателя без ухудшения его экономичности.
Ключевые слова: шум струи, звукопоглощающие конструкции, скорость потока, звуковая мощность, уровень звука.
Введение
Низкий уровень шума в салоне самолета и на местности является одним из важных показателей конкурентоспособности воздушного судна и его экологической безопасности. В работе [1] достаточно подробно проанализированы причины и источники генерации шума, исследованы характеристики основных источников шума двигателей и летательных аппаратов, даны рекомендации по акустическим измерениям и расчетам, а также рассмотрены вопросы нормирования шума.
По данным рис. 1 [2; 3] можно отметить, что после значительных успехов в снижении шума, имевших место около 30 лет назад и связанных с появлением на воздушном транспорте двигателей с высокой степенью двухконтурности т, современные достижения по снижению шума являются более скромными, несмотря на то, что исследования ведутся во всех возможных направлениях со значительными затратами.
Рис. 1. Уровни шума ВС разных поколений
В современных условиях авиатранспортного производства при высокой конкуренции на рынке авиаперевозок возрастает актуальность задач улучшения экологических характеристик воздушных судов и повышения топливной эффективности. Сложность этой проблемы обусловлена тем, что методы решения указанных задач зачастую противоречат друг другу. При этом каждое разработанное мероприятие является компромиссом между эффектом по снижению шума и изменением тяговых, аэродинамических и массовых характеристик летательного аппарата. В этой связи сравнительная оценка предлагаемых мероприятий может оказаться полезной при выборе окончательного решения.
Сравнительная оценка средств снижения шума струи
Одним из основных источников шума двигателя является выхлопная струя, хотя шум генерируют все его основные узлы. Снижение шума за счет специальной доработки выхлопной части двигателя является привлекательным [4], т.к. позволяет добиться существенного успеха при минимальном влиянии на конструкцию силовой установки и планера. В работе [4] анализируется эффективность эжекторного сопла в комбинации с лепестковыми смесителями потоков на тяговые и акустические характеристики выхлопной системы СПС-2. Длина выхлопной системы со смешением изменялась от 1 до 2,5 калибров. Для осесимметричного эжекторного сопла при числе Мн полета Мн=0...0,6 снижение эффективного воспринимаемого уровня шума составило 12,5 БРКёВ. Однако потери тяги при этом достигли 3.5%. На режиме крейсерского дозвукового полета такая выхлопная система дает потери тяги 6. 8%.
Другим способом снижения шума струи является установка проницаемых рассекателей [5] на срезе сопла. По результатам анализа замеренных спектров показано, что заглубление рассекателей в поток сопровождается противоположными эффектами. Первый - снижение низкочастотного струйного шума, второй - увеличение высокочастотных составляющих шума. Поскольку суммарная акустическая мощность струи максимальна в области низких частот, снижение низкочастотных составляющих шума вызывает снижение суммарной акустической мощности. Однако потери тяги в диапазоне оптимальных заглублений рассекателей составляют 2.4%.
Ряд работ посвящен анализу эффективности средств шумоглушения ГТД и идентификации источников шума при работе на открытых стендах [6.9]. Оценено влияние турбулентности, градиентов скорости ветра и температуры приземного слоя атмосферы на уровень звукового давления излучаемого шума и на методы отработки средств шумоглушения двигателей. Отмечено увеличение или уменьшение шума турбулентного газового потока вблизи импедансной поверхности из-за наличия дифракционных эффектов. Показано значительное влияние акустических свойств поверхности на характеристику направленности шума реактивной струи при касательных углах падения.
В работе [10] проведено экспериментальное исследование акустической эффективности однослойных и двухслойных звукопоглощающих конструкций (ЗПК). Установлено влияние параметров сотовых ЗПК на величину звукопоглощения в канале. Показано, что при одинаковой суммарной толщине двухслойные панели эффективнее однослойных во всем исследованном диапазоне частот.
Проводятся работы по модернизации ЗПК. Так, установлено, что использование цельных панелей ЗПК без стыковочных соединений позволяет на 30% увеличить площадь звукопоглощающих облицовок и ликвидировать стыковочные соединения, которые создают нарушение непрерывности в поглощении звука и таким образом порождают шум.
Изменяются также виды облицовок. Исследуются панели, внутри сот которых размещаются элементы, адаптирующие полосу поглощения звуковых волн, сохраняя при этом достаточные размеры для эффективной работы на низких частотах. Известно, что чем ниже частота, тем толще должен быть звукопоглощающий слой. Испытывается конструкция, содержащая спиральную облицовку, которая лучше поглощает волны, а также облицовку с полыми сферами, которые заполняют сотообразные углубления в ней.
Шумопоглощающие облицовки все больше применяются к горячим частям двигателя. Работы ведутся в направлении создания многофункциональной интегрированной конструкции, которая одновременно снижает шум, выполняет силовую функцию конструктивного элемента двигателя и создает низкое сопротивление в проточной части.
Рассматриваются также технологии создания турбулизаторов шевронного типа на выходе из реактивного сопла. Шевроны достаточно эффективны, однако приводят к потерям тяги. По данным разных источников величина этих потерь оценивается от 0,5% до 6%. Для компенсации этого недостатка исследуются различные конструктивные схемы шевронов, вплоть до регули-
руемых. Максимальный положительный эффект по шуму, полученный к настоящему времени от применения шевронов, составляет 4дБ на самолете Боинг-777.
Смесители двигателей Е , НК-86, НК-56 и НК-64 (рис. 2) при полноте смешения ~85% позволяют, с одной стороны, устранить центральную высокотемпературную область струи, с другой, - сформировать частично перевернутый профиль температур, который благоприятно сказывается на снижении шума выхлопной струи [11; 12; 13; 14; 15].
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Т*-Т,'ч*
1 Т*-Т*
'вн 'н
3
Рис. 2. Поля температуры на срезе сопла: А - Е ; О - НК-86; □ - НК-56
В работах [16; 17; 18; 19; 20] отражены результаты исследований влияния полного смешения потоков на изменение шума струи по сравнению с раздельным истечением. Показано, что шум смешанной струи аналогичен шуму одиночной струи.
У современных ТРДДсм полные давления на входе в камеру смешения отличаются незначительно ( р »1,0), а различие температур потоков в контурах существенно (0=Т 1/Т 2=2,0...3,0). В результате скорость потока внутреннего контура превосходит скорость потока наружного контура, т.е. м=м2/м1<1,0.
Поэтому определяющий вклад в шум струи в ТРДД вносит струя внутреннего контура, т.к. известно [21], что акустическая мощность струи Ш~ис . Смешение потоков приводит к снижению средней скорости истечения из сопла и несмотря на определенное увеличение скорости потока наружного контура в итоге дает положительный эффект по снижению шума струи. При этом максимальный шум струи ТРДДсм всегда ниже минимального шума струй ТРДД с раздельным истечением на 0,45. 2,2 РКдБ [17].
Схема ТРДД со смешением позволяет также понизить и шум вентилятора как за счет возможности установки дополнительных элементов звукопоглощающих конструкций по стенкам удлиненного канала наружного контура, так и за счет эффекта увеличения акустического сопротивления при распространении дискретной составляющей шума вентилятора [16; 22]. В итоге положительный эффект может составить 8. 10дБ [22].
Однако смесительные устройства современных ТРДД не обеспечивают равномерного распределения параметров на срезе сопла, что ведет к отличию акустических характеристик такой струи и полностью перемешанной [23]. Поэтому в работах [24; 25] исследуется шум соосных струй с неравномерным (ступенчатым) распределением скорости. Зависимости, представленные на рис. 3 [24], показывают, что перевернутый профиль скорости на срезе сопла позволяет уменьшить уровень шума струи на 1. 2,5 дБ.
Такой эффект объясняется увеличением сдвиговых напряжений с ростом скорости наружной струи относительно неподвижного воздуха. При этом увеличивается периметр высокоскоростной струи, что приводит к более интенсивному смешению наружной и внутренней струй. В результате возрастает общая сила торможения высокоскоростной струи, а это в свою очередь
сопровождается увеличением высокочастотного шума, для которого начальная зона смешения является областью наибольшей генерации. В результате интенсивного начального смешения уменьшается протяженность общей зоны смешения, что ведет к снижению уровня низкочастотного шума. При определенных значениях соотношений скоростей и площадей смешиваемых потоков последний эффект может преобладать, и в итоге общий уровень шума снижается. Отмеченный эффект остается справедливым и для неизотермических потоков [25; 30], что делает его принципиально осуществимым в камерах смешения ТРДД.
В работе [32] показано, что оптимальное по экономичности соотношение скоростей на входе в камеру смешения ТРДД определяется из уравнения
т
Лен (1 Лен X1 + т )есм + л\\\т Лен (1 Лен X1 + т )есм] + 4тЛЕн
2т
(к-1)/ к 'см
степень понижения температуры
где цЕц - суммарный КПД наружного контура; есм — п( потока в сопле.
Зависимости и0р от рсм показаны на рис. 4. Если сравнить характерные значения и0р с данными рис. 3 с учетом того, что всегда иор1<и2/исм и соответствуют и2/исм»0,85-0,95, то можно заключить, что оптимальные по экономичности соотношения скоростей потоков на входе в камеру смешения близки к наиболее выгодным по акустическому эффекту.
Рис. 3. Влияние соотношения скоростей истечения струй на уровень шума:
1 - исм=399м/с; 2 - исм=368м/с; 3 - исм=289м/с
Рис. 4. Зависимости и0р от рсм для ТРДДсм: т=1,0; р=40; Т=1750К; Мн=0,85;
- - Лн_0,84;
■ Лн_0,78
При больших значениях степени двухконтурности (т>6...8) положительный эффект по экономичности от смешения незначителен и не оправдывает увеличения массы двигателя за счет камеры смешения, однако акустический эффект при этом остается. Поэтому для двигателей с т<6 применение камеры смешения дает наилучшие результаты как по экономичности, так и по акустике.
Кроме этого, в такой схеме двигателя возможна акустическая обработка стенок сопла и экранирование смесителем канала наружного контура, что позволяет снизить шум вентилятора, излучаемый в заднюю полусферу, а экранирование смесителем канала внутреннего контура и снижение в результате смешения средней скорости истечения из сопла понижают шум турбины и самой струи. Эти мероприятия реализованы на двигателе ПС-90 А2.
Заключение
Из результатов выполненного сравнения различных способов снижения шума струи следует, что смешение потоков в ТРДД - практически единственный способ понизить шум двигателя без ухудшения его внутренней газодинамики и других характеристик. При удачном решении задачи возможно и улучшение экономичности.
Однако у современных двигателей со смешением потоков значения отношения скоростей на входе в камеру смешения ниже оптимальных, что приводит к занижению потенциально возможного эффекта как по экономичности, так и по снижению шума.
ЛИТЕРАТУРА
1. Авиационная акустика / под ред. А.Г. Мунина. - М.: Машиностроение, 1986. - Т. 1, 2.
2. Агеев А.Б. Исследование и совершенствование лепесткового смесителя: докл. на межотр. науч. техн. конф.
- М.: ЦИАМ, 1981.
3. Агеев А.Б., Мамаев Б.И. Лепестковый смеситель ТРДД // Авиационная техника. - 1984. - № 1. - С. 1-7.
4. Балса Т.Ф., Глебе П.Р. Аэродинамические и акустические характеристики соосных струй // Ракетная техника и космонавтика. - 1977. - Т. 16. - № 11. - С. 18-28.
5. Банерян Г. Современное состояние некоторых исследований шума струи // Ракетная техника и космонавтика. - 1978. - Т.16. - № 9. - С. 18-33.
6. Бхат В.В. Экспериментальное исследование снижения шума от двух параллельных стрй // Ракетная техника и космонавтика. - 1978. - Т.16. - № 14. - С. 50-57.
7. Власов Е.В., Самохин В.Ф. Экспериментальное исследование аэродинамических и акустических характеристик соосных струй // Авиационная акустика. - 1979. - № 2000. - С. 90-99.
8. Генералов А.В. Распространение шума дозвуковой реактивной струи вблизи поверхности земли // Проектирование и доводка авиационных газотурбинных двигателей. - Куйбышев: КуАИ, 1986. - С. 30-43.
9. Генералов А.В., Загузов И.С. Расчетная оценка особенностей звукового поля реактивной струи при акустических испытаниях ГТД на открытом стенде // Проектирование и доводка авиационных газотурбинных двигателей. - Куйбышев: КуАИ, 1983. - С. 129-139.
10. Генералов А.В., Загузов И.С. Расчетно-экспериментальная оценка влияния приземного слоя атмосферы на звуковое поле ГТД в условиях открытого стенда // Проектирование и доводка авиационных газотурбинных двигателей. - Куйбышев: КуАИ, 1985. - С. 30-44.
11. Горелов Г.М., Загузов И.С., Комаров А.П., Кулешова Т.В. Оценка сбалансированного шумоглушения для ТРДД различной степени двухконтурности // Состояние и перспективы работ по охране окружающей среды в ГА: материалы Всесоюзн. науч. техн. конф. - М., 1982. - С. 55-60.
12. Граховская Н.В., Замтфорт Б.С., Пархомов А. Л., Худяков Е.И. Исследование акустических характеристик перспективных двигателей с различными схемами выхлопного тракта: докл. на VII науч. техн. конф. по аэроакустике. - М., 1981. - С. 115-116.
13. Досанж Д.С., Бхутиани П.К., Ахуджа К.К. Снижение шума сверхзвуковой струи с помощью холодных и горячих соосных струй // Ракетная техника и космонавтика. - 1978. - Т. 16. - № 13. - С. 96-97.
14. Загузов И.С., Минеев О.Б., Агеев А.Б. и др. Отработка специальных смесителей для снижения шума ТРДД: докл. на VII науч. техн. конф. по аэроакустике. - М., 1981. - С. 113-114.
15. Загузов И.С., Терехов Г.А. Экспериментальное исследование влияния заглубления в поток проницаемых рассекателей на аэроакустические характеристики шумоглушителя реактивной струи // Проектирование и доводка авиационных газотурбинных двигателей. - Куйбышев: КуАИ, 1982. - С 94-103.
16. Замтфорт Б.С., Пархомов А.Л., Шипов Р.А. Шум перспективных ТРДД и методы его снижения: тезисы докладов на Х Всесоюзной акустической конф. - М., 1983. - С. 53-56.
17. Ицкович А.И. Экспериментальное исследование акустической эффективности плоских однослойных и двухслойных звукопоглощающих конструкций // Проектирование и доводка авиационных газотурбинных двигателей. - Куйбышев: КуАИ, 1982. - С. 103-110.
18. Клячкин А.Л., Барабанов Е.В. Влияние смешения потоков газа в ТРДД на шум струй // Труды ГосНИИ ГА, 1976. - Вып. 131. - С. 11-23.
19. Клячкин А.Л., Барабанов Е.В., Лабендик В.П., Минеев О.Б. Влияние смешения газовых потоков ДТРД на экономичность и шум пассажирского самолета: докл. на VI науч. техн. конф. по авиационной акустике. - М., 1978.
20. Комаров А.П. Особенности расчета акустических характеристик вентилятора ТРДД с ВНА и смешением потоков на выхлоп: VI науч. техн. конф. по авиационной акустике. - М., 1978.
21. Крашенинников С.Ю., Миронов А.К., Житенев В.К., Павлюков Е.В. Шенкин А.В. Шумоглушащие
сопла для СПС-2 // Двигатели XXI века: докл. на междунар. науч. техн. конф. - М.: ЦИАМ. - 2000. - Ч. 2. - С.14-
17.
22. Леонтьев Е.А. О влиянии земли на распространение звука: докл. на VII науч. техн. конф. по аэроакустике.
- М., 1981.
23. Медведев В.В. Термодинамический цикл ТРДД со смешением потоков в изобарической камере // Труды ЦИАМ. - 2005. - № 1333.
24. Минеев О.Б., Агеев А.Г., Загузов И.С., Клячкин А.Л., Коваль Т.А. Влияние смешения газовых потоков на акустическую эффективность ТРДД: Х Всесоюзная акустическая науч. техн. конф. - М.,1983. - С. 49-52.
25. Минеев О.Б., Агеев А.Г. и др. Применение смесителей газовых потоков ТРДД для снижения шума самолетов ГА // Борьба с шумами и вибрацией: III Всесоюзная науч. техн. конф. - Челябинск, 1980. - С. 219-222.
26. Мунин А.Г., Кузнецов В. Аэроакустика: борьба с шумом // Вестник авиации и космонавтики. - 1997.
- Ноябрь-декабрь. - С. 70-71.
27. Мунин А.Г., Кузнецов В.М., Леонтьев Е.А. Аэродинамические источники шума. - М.: Машиностроение,
1981.
28. Программы создания и развития перспективных двигателей // ЭИ ЦИАМ. - 2003. - №7. - С. 1-3.
29. Чен К.И. Расчет аэроакустических характеристик соосных струй // Ракетная техника и космонавтика.
- 1977. - Т. 15. - № 3. - С. 12-14.
30. Croch R.W., Coughlin C.L., Paynter G.C. Nozzle Exit Flow Profile Shaping for Jet Noise Reduction. Journal of Aircraft, Vol. 14, Sept. 1977, pp. 860-861.
31. Gutierres O. Aeroacoustic studies of coannular nozzles suitable for supersonic cruise aircraft applications. AIAA Paper, 1976, №149.
32. Lighthill M.J. On sound generated aerodynamically. Proc. Roy. Soc. Ser. A, Vol. 211, №1107, 1952, pp. 564587; vol. 222, №1148, 1954, pp. 1-31.
COMPARATIVE ANALYSIS OF AVIATION ENGINE JET FLUX NOISE SUPPRESSION METHODS
Medvedev V.V., Timko O.S.
Comparative analysis of aviation engine jet flux noise suppression methods is performed in the article. It is demonstrated that flow mixing is only the method permitting to improve the acoustic and fuel efficiency of bypass engine.
Key words: jet noise, noise absorb panels, flux velocity, acoustic power, noise level.
Сведения об авторах
Медведев Владимир Владимирович, 1958г.р., окончил РКИИ ГА (1981), доктор технических наук, профессор кафедры двигателей летательных аппаратов МГТУ ГА, начальник отдела ЦИАМ, автор 40 научных работ, область научных интересов - авиационное двигателестроение.
Тимко Ольга Сергеевна, окончила МГУ им. Н.Э. Баумана (2006), аспирантка ГосНИИ ГА, начальник отдела ЦЭБ ГА, автор 5 научных работ, область научных интересов - экология воздушного транспорта.
