Введение к работе
Актуальность работы. Использование мощных газотурбинных двигателей (ГТД) в авиации обусловлено высокой эффективностью таких установок. В тоже время рынок ГТД предъявляет все возрастающие требования к показателям эксплутаци-онного и экологического совершенства двигателей нового поколения. Одним из факторов, которые определяют экологическое совершенство ГТД и, в конечном счете, его интеграцию в окружающую среду является уровень шума двигателя. Шум пассажирских дозвуковых самолетов на местности ограничен национальными стандартами и стандартами Международной организации гражданской авиации ИКАО. Анализ этих стандартов, применительно к шуму ГТД, показывает непрерывное ужесточение норм по шуму. Это позволило существенно снизить уровень шума новых ГТД (рис. 1).
ДХЕР.ХЬ,ЕР.\'дБ
1А»
Применение различных методов шумоглушения привело в настоящее время к тому, что шум вентилятора, компрессора, турбины, камеры сгорания ГТД значительно снизился, но при этом шум дозвуковой реактивной струи стал более заметным.
ГОДЫ
Рис. 1. Изменение норм ИКАО по шуму на мест- ности для дозвуковых реактивных самолетов
Особое внимание при разработке мероприятий по уменьшению шума дозвуковой реактивной струи обращается на снижение шума в самом источнике, т.е. снижение шума реактивной струи существующих ГТД и создание новых двигателей с низким уровнем шума реактивной струи. Решение этих задач, как правило, включает: экспериментальные исследования моделей глушителей шума реактивной струи на модельных стендах (заглушённая камера); расчетное определение эффективности глушителей шума струи при внедрении их в состав ГТД; экспериментальные исследования глушителей в составе ГТД на открытом акустическом стенде.
. Таким образом, необходимость идентификации реактивной струи, как источника шума, возникает на этапах проектирования и доводки ГТД, а также на этапе сертификации самолета по шуму.
Одним из методов определения акустических характеристик дозвуковой реактивной струи ГТД на этапах проектирования и доводки двигателя является расчетная оценка уровней шума струи. Следует отметить, что в настоящее время физическая теория аэродинамического шума не является основой практических инженерных расчетов. В современной отечественной практике, для таких расчетов используются эмпирические модели основных характеристик аэродинамического шума (безразмерный спектр звукового давления, фактор направленности). Такие модели получают на основании большого числа экспериментальных исследований газовых струй на модельных и натурных акустических стендах.
Однако, как показали результаты многочисленных исследований акустических характеристик ГТД на открытом акустическом стенде ОАО «Кузнецов», отражающая
а і., до
поверхность стенда влияет на акустические
характеристики ГТД. Например, на рис.2
представлены спектры шума ГТД, измерен
ные на расстоянии 100 м от двигателя. Из
мерения осуществлялись одним микрофо
ном на двух высотах последовательно: 4,5м
и 1,5 м. Из рисунка видно, что спектры шу
ма ГТД содержат значительные искажения.
Поскольку подобные искажения на спек
трограммах не отражают действительного
шума, то это не позволяет точно идентифи-
100 200 «м 800 1600 3150 6300 [Гц цировать основные источники шума ГТД.
Рис. 2. Спектры шума ГТД по показаниям Очевидно, что это сказывается и на точно-
микрофонов, установленных на разных высо- ста эмпирических моделей аэродинамиче-
тах от поверхности стенда ского шума и, как следствие, на точности
расчетных оценок. Достоверность информации об. эффективности мероприятий по шумоглушению дозвуковой реактивной струи ГТД также зависит от точности идентификации реактивной струи, как источника шума двигателя.
Таким образом, разработка метода идентификации и средств снижения шума дозвуковой реактивной струи ГТД является актуальной научно-технической задачей. Цель исследования.
Разработка метода идентификации дозвуковой реактивной струи ГТД, учитывающего влияние отражающей поверхности открытого акустического стенда на спектры шума, и средств снижения шума дозвуковой реактивной струи ГТД. Задачи исследования.
-
Теоретическое исследование влияния поверхности открытого акустического стенда на шум дозвуковой реактивной струи ГТД.
-
Разработка метода идентификации дозвуковой реактивной струи, как источника шума, по спектрам уровней звукового давления, полученным при испытаниях ГТД на открытом акустическом стенде с учетом влияния отражающей поверхности стенда.
-
Разработка методики расчета шума дозвуковой реактивной струи в свободном звуковом поле, основанной на скорректированных эмпирических моделях (безразмерный спектр и фактор направленности).
-
Разработка и экспериментальное исследование устройства реализующего акустический метод снижения шума дозвуковой реактивной струи.
Достоверность результатов, полученных в диссертации, обеспечивается корректной, постановкой задач, использованием современных аналитических и экспериментальных методов их решения и использованием экспериментальных данных, полученных на аттестованных стендах. Обработка результатов экспериментов произведена с использованием системы компьютерной математики Matcad и методов математической статистики.
Научная новизна работы.
-
Получено выражение для поправки спектра шума дозвуковой реактивной струи на влияние поверхности открытого акустического стенда;
-
Разработан метод идентификации дозвуковой реактивной струи, как источ-
ника шума, по спектрам уровней звукового давления, полученным двумя микрофонами, установленными на разных высотах от поверхности стенда.
-
Разработана методика расчета шума дозвуковой реактивной струи в свободном звуковом поле, основанная на эмпирических моделях, учитывающих влияние отражающей поверхности на шум реактивной струи.
-
Экспериментально определен комплекс конструктивных безразмерных параметров, определяющих эффективность снижения шума реактивной струи струйным глушителем, состоящим из основного сопла диаметром D и равномерно расположенных по окружности периферийных сопел диаметром d, включающий в себя: относительный диаметр периферийных сопел d= d/D; относительное радиальное удаление осей периферийных сопел от кромки срезы основного сопла Н = H/D; относительное осевое удаление плоскости среза периферийных сопел от плоскости среза основного сопла х = x/D; относительную площадь раскрытия периферийных сопел
F^FndFc.
5. На базе модельных экспериментальных исследований установлены диапазо
ны эффективных значений конструктивных безразмерных параметров предлагаемого
струйного глушителя: Н = 0,05....0,5 ; х = 0,5....1 ;F =0,12 0,17. Эффективные зна
чения конструктивных безразмерных параметров d,Яи F реализованы в конструк
ции струйного глушителя шума дозвуковой реактивной струи НК-86, что обеспечило
снижение шума струи на 4,5 EPN дБ, по сумме в трех контрольных точках.
Практическая ценность.
-
Разработанный метод определения акустических характеристик дозвуковой реактивной струи, соответствующих свободному звуковому полю, при испытаниях ГТД на открытом стенде позволяет, с одной стороны уточнить существующие методы расчета шума реактивной струи, а с другой, получать достоверные оценки эффективности средств шумоглушения реактивной струи ГТД. Основные положения данного метода вошли в действующий отраслевой стандарт «Двигатели газотурбинные и силовые установки. Акустические характеристики и методы их определения. Отраслевой стандарт ОСТ 1- 00036-84». В разделе требований к стенду и измерительной аппаратуре (параграф 2, пункт 2.1.7.)говорится, что микрофоны должны быть установлены на двух высотах: на уровне оси двигателя и на расстоянии (0,5 +/- 0,1) м от поверхности площадки стенда. В разделе «Обработка и оформление результатов измерений» (параграф 4, пункт 4.2.6) говорится, что матрица шума ГТД до частоты 1250 Гц включительно состоит из уровней звукового давления, измеренных на высоте 0,4 -0,6 м, а начиная с частоты 1600 Гц - из уровней звукового давления, измеренных на уровне оси двигателя. Это позволяет исключить первые интерференционные провалы, вносящие в спектры шума двигателя наибольшие искажения.
-
Разработанный струйный глушитель шума (многотрубчатое сопло) дозвуковой реактивной струи ГТД рассматривался в качестве дополнительного акустического мероприятия при доработке двигателя НК-86 до требований главы 3 стандарта ИКАО по авиационному шуму и в качестве резервного акустического мероприятия для двигателя НК-64. Отсутствие потерь, при работе двигателя в стационарных условиях, позволяет использовать многотрубчатое сопло в качестве глушителя шума струи при стендовых испытаниях ГТД.
Апробация работы.
Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих конференциях: VIII научно-техническая конференция по аэроаку-
стике (ЦАГИ, 1986г.); IX научно-техническая конференция по авиационной акустике (ЦАГИ, 1989 г.); первая Всесоюзная школа-конференция «Математическое моделирование в машиностроение» (Куйбышев, 1990 г.); VII, VIII, IX, X, XII межвузовские конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 1997-2000 г., 2002г.); четвертый Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике (весенне-летняя сессия), Петрозаводск 2003г.; XXIV Российская школа по проблемам науки и технологий (Миасс, 2004 г.); I, II Всероссийские научные конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2004-2005 гг.); XI Международная научно-практическая конференция «Современные технологии в машиностроении» (Пенза 2007г.); VI Международная научно-технической конференция «Прогрессивные технологии в машиностроении» (Пенза 2008 г.); Международные научно-технические конференции «Проблемы и перспективы развития двигате-лестроения» (Самара, 1999 г., 2003 г., 2006 г., 2009 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 33 работы. Из них: 8 авторских свидетельств; 1 патент РФ; 15 тезисов докладов; 9 статей, в том числе 5 - в журналах, рекомендуемых ВАК. Личный вклад автора в совместные публикации по теме диссертационной работы заключается в определении поправки спектров шума дозвуковой реактивной струи на влияние поверхности акустического стенда; определении эмпирических моделей методики расчета шума струи, учитывающих влияние отражающей поверхности на шум реактивной струи; проведении сравнения экспериментальных данных с результатами расчетов; выполнении анализа результатов модельных испытаний струйного глушителя.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы, содержащего 137 наименований. Общий объем диссертации 188 страниц, 70 рисунков, 7 таблиц.
