Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ основных направлений снижения шума ГТД 9
1.1 Анализ основных источников шума газотурбинных двигателей 9
1.2 Анализ основных методов снижения уровня шума ГТД 14
1.3 Анализ эффективности звукопоглощающих конструкций (ЗПК) 17
1.4 Классификация пористых звукопоглощающих материалов 21
1.5 Анализ математических моделей пористых материалов 26
2 Разработка математической модели акустических характеристик упругопористого материала MP
2.1 Математическая модель сопротивления продуванию упругопористого материала MP
2.2 Математическая модель акустических характеристик упругопористого материала MP
3 Модернизация экспериментальной установки и экспериментальные исследования модельных образцов упругопористого материала MP
3.1 Модернизация экспериментальной установки для измерения коэффициента звукопоглощения
3.2 Результаты исследований образцов из материала MP, изготовленных по технологии дозирования по весу вытянутой проволочной спирали
3.3 Результаты исследований материала MP, полученного с использованием зиговки исходной проволоки
3.4 Сравнение теоретических и экспериментальных значений коэффициента звукопоглощения упругопористого материала MP
3.5 Экспериментальное исследование влияния загрязняемости MP.. 78
4 Экспериментальные исследования схем ЗПК с упругопористым мате риалам MP 80
4.1 Результаты экспериментальных исследований акустических характеристик схем ЗПК с упругопористым материалом MP в импедансной трубе
4.2. Экспериментальные исследования акустических характеристик схем ЗПК в канале методом двух реверберационных камер
4.3 Результаты экспериментального исследования схем ЗПК с упругопористым материалом MP в канале
Основные результаты и выводы 114
Список использованных источников
- Анализ основных методов снижения уровня шума ГТД
- Математическая модель акустических характеристик упругопористого материала MP
- Результаты исследований образцов из материала MP, изготовленных по технологии дозирования по весу вытянутой проволочной спирали
- Экспериментальные исследования акустических характеристик схем ЗПК в канале методом двух реверберационных камер
Анализ основных методов снижения уровня шума ГТД
Снижение шума вентилятора на пути распространения от источника (ступени) до входного отверстия воздухозаборника и среза сопла вентиляторного контура можно достичь путем облицовки поверхностей каналов ГТД звукопоглощающей конструкцией. Этот метод можно успешно применять как при создании новых двигателей, так и при модификации существующих [41, 69].
Облицовка обычно имеет вид панелей, в которых большое число замкнутых полостей заключено между жёсткой стенкой и пористым слоем, обращенным к потоку (рисунок 1.6). В качестве пористого слоя используют перфорированный лист и прилегающую к нему густую металлическую сетку или фибер- металл, представляющий структуру беспорядочно сцепленных металлических волокон. Уменьшение шума в облицованном канале происходит вследствие рассеяния энергии акустического излучения в замкнутых полостях панелей и соединяющих их с каналом протоках, работы на сжатие воздуха, приведения его в колебательное движение и трения в многочисленных протоках.
Звукопоглощающая конструкция должна удовлетворять акустическим, аэродинамическим и прочностным требованиям. Обеспечивая снижение звуковой энергии, она не должна ухудшать рабочие характеристики ГТД. Прочность ЗПК необходима для обеспечения продолжительного срока службы [49, 55].
В настоящее время разработаны и созданы различные схемы и варианты ЗПК. ЗПК, применяемые для снижения дискретного шума, обладают характеристиками избирательного ослабления в отдельных полосах частот. Акустическая эффективность таких облицовок может быть весьма высокой [19, 20].
Снижения шума при применении облицовывания ЗПК мотогондолы на максимальном (а) и пониженном (б) режимах работы двигателя На рисунке 1.7 показано ослабление шума в каналах вентиляторного контура ГТД, поверхности которых подвергнуты акустической обработке. Стенки входного устройства и вентиляторного канала могут облицовываться панелями, обеспечивающими максимальное поглощение шума на частотах следования лопаток вентилятора на режимах взлета и снижения на посадку, рисунок 1.7 показывает, что максимальный уровень шума соответствует частотам от 2 кГц и выше. При этом используются панели с несколькими резонансными частотами. Получение наибольшего звукопоглощения зависит от правильного выбора пористости материала облицовки, характеристик резонаторов, или применяемых звукопоглощающих материалов при заданной частоте излучения, длины облицовки и высоты канала. Наиболее важным параметром является при этом соотношение высоты канала и длины звуковой волны, что иллюстрируется зависимостями, приведенными на рисунке 1.8 [41].
Расчетные зависимости затухания звука в канале прямоугольного сечения от его высоты в поперечном сечении Если размеры в поперечном сечение превышают длину волны, то облицовка каналов оказывается неэффективной. Поэтому возникает необходимость в разделении пространства между стенками воздухозаборника на более мелкие отсеки с использованием колец и разделителей потока. Эффективность шумопоглощения повышается с уменьшением расстояния между облицованными поверхностями. В этом случае облицовка каналов оказывается эффективной. Эффективность шумопоглощения повышается с уменьшением расстояния между облицованными поверхностями. На ряде двигателей разделители потока, облицованными ЗПК, устанавливаются как во входном устройстве, так и в каналах вентиляторного контура [41].
Практика показывает, что при установке ЗПК для снижения шума при посадке на 10 - 15 PN дБ требуется увеличить длину мотогондолы примерно на один диаметр. С одной стороны, это приводит к снижению внешнего сопротивления мотогондолы, а с другой, к изменению ее конструкции. Увеличить длину акустически обрабатываемых поверхностей вентиляторного контура можно, не удлиняя мотогондолу, путем включения вентилятора в каскад промежуточного или высокого давления[9, 40].
Облицовка ЗПК применяется также для снижения шума, распространяющегося в каналах выхлопных устройств. Особенностью облицовок выхлопных каналов является обеспечение поглощения звуковой энергии в широком диапазоне частот, что достигается соответствующим подбором многокамерных резонаторов и свойств звукопоглощающих материалов. Кроме того, облицовка выхлопных каналов должна работать в условиях высоких температур и иметь минимальное гидравлическое сопротивление.
Во время посадки самолета в точке контроля шума наблюдаются два последовательных максимума шума: со стороны входа в двигатель и со стороны выхлопных каналов. Облицовкой обоих каналов можно достичь снижения шума самолета до 15 PN дБ [29, 35].
В общем случае, любой пористый материал обладает матрицей - твердой основой, и свободным пространством - поровым пространством, то есть представляет собой композицию двух сплошных сред в замкнутом объеме: твердой - матрица и жидкой (газовой) - поровое пространство. С точки зрения формирования пористых материалов для спеченных и вспененных поглотителей возможны три обобщенных случая структуры пористого материала (рисунок 1.9)[6]. В первом случае матрица пористого материала образована гранулами твердого материала, которые соединены между собой посредством спекания (склеивания) или плотно упакованы в замкнутый объем. В данном случае могут образовываться достаточно сложные формы поровых каналов, которые главным образом определяются формами гранул. К этому же случаю можно отнести и волокнистые материалы, структура порового канала которых будет рассмотрена далее. Второй случай относится к так называемым вспененным пористым материалам. Здесь образование пористого пространства происходит в процессе протекания газовой фазы через материал матрицы находящийся в жидком агрегатном состоянии. Или же посредством смешивания материала матрицы находящейся в жидком агрегатном состоянии с твердыми частицами. После кристаллизации матрицы происходит химическое растворение материала гранул и образование порового пространства. Третий вариант реализует случай с так называемой микро и макро пористостью и представляет собой комбинацию первых двух случаев образования порового пространства. Здесь гранулы пористого, как правило, вспененного материала с микропористостью соединяются между собой и образуют макропористость. Так же примером таких поглотителей являются сеточные пористые материалы, нити сеток которых сплетены из тонких волокон [8, 25, 26]. Примеры рассмотренных выше структур пористых материалов представлены на рисунке 1.10.
Математическая модель акустических характеристик упругопористого материала MP
Удельное сопротивление продуванию или, как его иногда называют, гидравлическое сопротивление, является важной характеристикой пористого материала, которая существенно влияет на его акустические характеристики, поскольку в значительной степени определяет потери звуковой энергии в звукопоглощающих материалах вследствие вязкого трения при движении газа в его порах. Особо важное значение удельного сопротивление продуванию приобретает при установке звукопоглощающего материала последовательно газовому потоку в глушителях шума энергетических установок, так как в большинстве случаев это приводит к ухудшению мощностных и энергетических показателей этих установок.
В оценке эффективности звукопоглощающих материалов принято использовать величину удельного сопротивления продуванию г, которое определяется отношением [18]:
Метод заключается в прохождении медленно меняющегося потока воздуха через образец, имеющий форму кругового цилиндра или прямоугольного параллелепипеда, и измерении переменной составляющей давления в испытательном объеме, ограниченном образцом (рисунок 2.1) [18];
Метод заключается в прохождении регулируемого однонаправленного потока воздуха через образец, имеющий форму кругового цилиндра или прямоугольного параллелепипеда, и измерении перепада давления между двумя свободными лицевыми поверхностями образца (рисунок 2.2) [18].
Имеется расхождение результатов измерения акустическим методом и в постоянном потоке, это связано с использованием различных средств измерения давления. В потоке измерялось давление менее точными датчиками это связано с более высоким значением давлениями по сравнению с акустическим методом. Использования более точных датчиков давления в акустическом методе считается более точным методом и используется эти данные для разработки математической модели.
На основании этих экспериментальных данных для определения удельного сопротивления продуванию пористого материала MP построена эмпирическая математическая модель [26]:
Недостатками такой модели является то, что коэффициент удельного сопротивления продуванию зависит от двух параметров: от пористости и диаметра проволоки, что усложняет анализ закономерностей изменения акустических характеристик материала MP.
Для устранения указанных недостатков мной предложена новая математическая модель, которая зависит только от одного параметра материала MP.
Сравнение расчётных и экспериментальных зависимостей удельного сопротивления продуванию от гидравлического диаметра MP
Из рассмотрения зависимостей, представленных на рисунке 2.3 и анализа математической модели работы [25] и разработанной модели можно сделать следующие выводы:
1 Расчётные данные, полученные с помощью математической модели работы [25] и разработанной математической модели, хорошо согласуются с экспериментальными значениями.
2 Разработанная математическая модель коэффициента сопротивления продуванию зависит от одного параметра - гидравлического диаметра, что, как будет показано далее, позволяет упростить анализ закономерностей изменения акустических характеристик материала MP. 3 С увеличением гидравлического диаметра происходит монотонное снижение удельного сопротивления продуванию (по степенной зависимости). Использование величины сопротивления продуванию для определения толщины звукопоглощающей конструкции
Полученные данные по значению сопротивления продуванию упругопори-стого материала MP необходимо использовать для определения потребной толщины звукопоглощающей конструкции из этого материала. При этом следует исходить из ниже изложенных рекомендаций.
Волокнисто-пористый материал, расположенный на жесткой отражающей поверхности, хорошо работает главным образом на высоких частотах. Наибольшее звукопоглощение при этом будет в районе частоты/І, определяемой соотношением [25]: 1 5.28h где с - скорость звука в воздухе в м/с h - толщина материала в м.
Для частот ниже fj наблюдается спад звукопоглощения; на частотах выше fj поглощение звука приблизительно постоянно. Значение частоты_/} максимального звукопоглощения обратно пропорционально толщине пористого слоя. Следовательно, частотный диапазон эффективного звукопоглощения можно несколько расширить, увеличив толщину пористого материала.
Полное сопротивление продуванию упругопористого материала MP и сравнение с условиями наилучшего звукопоглощения
Согласно графику представленную на рисунке 2.4, наилучший коэффициент звукопоглощения материала MP при толщине 100 мм имеет для гидравлического диаметра 0,36 мм - 0,47 мм. Для толщины 50 мм наилучший коэффициент звукопоглощения имеет при гидравлического диаметра 0,26 мм - 0,36 мм. Наилучший коэффициент звукопоглощения материала MP 25 мм имеет при гидравлическом диаметре 0,16 мм - 0,26 мм.
Математическая модель для расчета акустических характеристик упругопористого материала MP
В виду сложности теоретического описания акустических процессов в пористых средах известно множество эмпирических и полуэмпирических зависимостей. В результате интенсивных исследований и лабораторных измерений в 1970 году Delany и Bazley опубликовали эмпирические зависимости определения постоянной распространения у и характеристического импеданса Zc, для волокнистых материалов [64]. у.
Недостатком данных зависимостей является необходимость определения параметра пористой среды, называемого удельным сопротивлением продуванию г. Сложность применения зависимостей (2.2) и (2.3) заключается в том, что точно продуваемость пористого материала, как правило, приходится определять экспериментальным путем. Кроме того, недостатком данных зависимостей является уникальность коэффициентов при безразмерной частотно-зависимой переменной В, характерных для конкретного волокнистого материала и зависящих от диаметра волокон, их формы, структуры укладки и плотности укладки.
Результаты исследований образцов из материала MP, изготовленных по технологии дозирования по весу вытянутой проволочной спирали
Увеличение толщины звукопоглощающего слоя приводит к заметному увеличению коэффициента поглощения и смещению области максимального звукопоглощения в область более низких частот. Это происходит вследствие увеличения отношения пути прохождения звуковой волны в материале к самой длине волны. При большой толщине материала отражением от жесткой стенки импе-дансной трубы в области высоких частот можно пренебречь и слой материала можно считать бесконечно толстым. В этом случае волновое сопротивление материала определяется его пористостью, структурным фактором и модулем упругости.
Из графиков зависимости коэффициента звукопоглощения материала MP от частоты (рисунок 3.16 - 3.18) для разных значений пористости при толщине слоя 10 мм и dn = 0,2; 0,15; 0,12 мм видно, что происходит увеличение коэффициента звукопоглощения при уменьшение пористости материала.
При уменьшении пористости материала MP растет коэффициент звукопоглощения. Это наблюдается только для образцов с пористостью 0,8; 0,7 и 0,6. Однако теоретические исследования, приведенные во второй главе показывают, что дальнейшее уменьшение пористости (ниже 0,4) приводит к ухудшению звукопоглощающих свойств материала MP.
Экспериментальное исследование на повторяемость акустических характеристик упругопористого материала MP
В связи с тем, что материал MP изготавливается с применением большого количества ручного труда, есть вероятность, что образцы, изготовленные по одинаковым геометрическим характеристикам, не будут повторять свои акустические характеристики. Это связано с тем, что структура образцов может отличаться при одинаковой пористости, толщине проволоки и толщине образцов. Для проверки повторяемости акустических характеристик была изготовлена серия образцов с одинаковыми геометрическими характеристиками.
Проведено экспериментальное исследование на повторяемость акустических характеристик образцов MP, изготовленных по традиционной технологии, с оди 67 наковым диаметром проволоки, толщиной и пористостью образца (рисунок 3.19-3,21). Они показали хорошую сходимость коэффициента звукопоглощения. В таблице 3.2 приведены числовые значения коэффициента звукопоглощения, анализ которых показывает, что разница между ними лежит в пределах неопределенности измерений (приложение А).
Разработка более 50 лет назад под руководством A.M. Сойфера материала MP положила начало для фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований с целью глубокого проникновения в сущность явлений, обеспечивающих виброзащиту и фильтрацию в совокупности с рабочими процессами, принципами конструирования, технологией изготовления и обеспечения высоких эксплуатационных характеристик изделий в течение жизненного цикла.
Материал MP - однородная пористая структура, полученная холодным прессованием дозированной по весу вытянутой проволочной спирали Результаты исследований образцов из материала MP, полученных с использованием зиговки исходной проволоки
Современная техника, прежде всего авиационная и ракетно-космическая, характеризуется увеличением нестационарных механических, тепловых и гидродинамических нагрузок на узлы и элементы конструкции изделий. При этом наряду с традиционными проблемами их разработки, связанными с надежностью и технологичностью, необходимо решать и ряд новых проблем и, прежде всего это конкурентоспособная цена разработки и высокий уровень экологической безопасности создаваемых изделий [28, 44].
Для снижения шума энергетических установок в ряде случаев весьма эффективно использовать звукопоглощающие конструкции на основе упругопори-стого материала MP - однородной пористой структуры полученной холодным прессованием дозированной по весу вытянутой проволочной спирали [26].
Для снижения стоимости изделий, расширения номенклатуры используемой проволоки по составу и диаметру были сделаны образцы, где в технологии изготовления вместо операции навивки спирали [26] была введена операция зиговки (3) (Рисунок 3.22). Для сравнения влияния технологии на эксплутационные характеристики были сделаны образцы из той же проволоки и соответствующей пористости по традиционной технологии (К). Характеристики исследуемых образцов представлены в таблице 3.3.
Экспериментальные исследования акустических характеристик схем ЗПК в канале методом двух реверберационных камер
Двухканальный анализатор шума 2900В фирмы «Ларсон и Девис» предназначен для измерений общих и корректированных уровней звука, спектров уровней звукового давления, вибрации, инфразвука, акустической интенсивности и других динамических параметров. Этот прибор используется в научных исследованиях, при виброакустической доводке машин и агрегатов, модальном анализе, в строительной акустике, при проездных испытаниях, в системах калибровки и поверки шумо - виброизмерительных приборов и датчиков, а также для санитарно-гигиенической оценки шума, вибрации и инфразвука на производстве и в жилых и общественных зданиях, сертификации машин и приборов бытового назначения.
Большая память способна вместить в стандартной конфигурации почти тысячу 1/3-октавных спектров. Причем запись в память может вестись как вручную, так и автоматически, со скоростью до 400 спектров в секунду.
Порт RS-232 обеспечивает подключение анализатора к персональному компьютеру, а порт Centronix - к стандартным матричным, струйным или лазерным принтерам для распечатки копий экрана и таблиц данных.
Режим спектрального анализатора 1/п - октавный анализ или БПФ(100, 200, 400, 800, 1600, 3200, 6400 линий)
Усреднение Линейное, экспоненциальное, линейное спектральное, экспоненциальное спектральное, а также линейное и экспонециальное с постоянной достоверностью Окончание таблицы 4. Типы спектров L, Leq, Lmin, Lmax, SEL (УЗЭ), MaxSpec; авто- и взаим-ные спектры, передат. функции, авто- и взаимные кор-реляции
Результаты экспериментального исследования схем ЗПК с упругопористым материалом MP в канале На базе использования описанного выше стендового комплекса У-96Т были проведены экспериментальные исследования как однослойных, так и двухслойных схем ЗПК, в которых в качестве звукопоглощающего материала использовалась MP.
Все исследованные схемы звукопоглощающие конструкции имеют длину двух калибров канала. Испытания проводились при числе Маха М=0,35. Для экспериментального исследования схем ЗПК в канале была изготовлена пресс форма (рисунок 4.26), которая позволяет изготавливать образцы MP размерами:
На первом этапе были проведены исследования однослойной схемы ЗПК (рисунок 4.28), где в качестве звукопоглощающего элемента использовались плиты из MP различной толщины. Были использованы три таких плиты толщинами 5, 10 и 15 мм. Результаты экспериментальных исследований в виде частотной характеристики акустической эффективности представлены на рисунке 4.29.
Из графика, представленного на рисунке 4.29 видно, что максимальные значения акустической эффективности схемы звукопоглощающей конструкции длиной двух калибров канала не превышают 6...8 дБ. Тем не менее такую эффективность можно рассматривать как удовлетворительную, учитывая максимальную простоту разработанной и испытанной схемы ЗПК. Как и ожидалось, такая однослойная схема ЗПК обеспечивает достаточно ровную акустическую эффективность в широком диапазоне частот.
Диапазон эффективного шумопоглощения однозначно определяется толщиной слоя MP. Схема ЗПК со слоем толщиной 5 мм эффективно работает в частоте диапазон 1,6-6 кГц, толщиной 10 мм - 1,0 - 8,0 кГц и толщиной 15 мм - 0,63 -10,0 кГц. Таким образом, чем больше толщина звукопоглощающего слоя из материала MP, тем шире частотный диапазон работы и выше его эффективность. Это является характерной особенностью схемы ЗПК, изготовленного из пористого материала.
Следующим этапом исследований являлись испытания двухслойной схемы ЗПК, где один слой звукопоглощения был выполнен из материала MP, а второй представлял собой сотовую конструкцию (СК) (рисунок 4.30).
Принцип звукопоглощения исследованной двухслойной схемы ЗПК аналогичен ЗПК, представляющей собой СК, облицованную перфорированным листом. При этом слой из материала MP с точки зрения акустики выполняет ту же функцию, что и перфорированный лист - представляет собой акустическое сопротивление на пути распространения звуковой волны. Слой из материала MP имеет преимущество над перфорированным листом - обеспечивает не только акустическое сопротивление, но и обладает непосредственно звукопоглощающими свойствами, которые, кроме всего прочего, не зависят от уровня звука [51,52], в отличие от перфорированного листа, имеющего ярко выраженные нелинейные свойства.
Видно, что введение слоя СК приводит: - к увеличению акустической эффективности двухслойной схемы ЗПК, причем с увеличением высоты слоя СК акустическая эффективность схемы ЗПК возрастает. Максимальная акустическая эффективность двухслойной схемы ЗПК с высотой слоя СК 30 мм составляет более 14 дБ в третьоктавной полосе 1250 Гц, в то время как максимальная эффективность однослойной схемы ЗПК с звукопоглощающим элементом в виде слоя MP составляет 6 дБ в третьоктавной полосе 5000 Гц. При этом акустическая эффективность предложенной двухслойной схемы ЗПК выше по сравнению с однослойным в широком диапазоне частот до 3500 Гц. В диапазоне более высоких частот наблюдается сравнимая эффективность этих двух схем, не сильно зависящая от частоты. Надо отметить, что к большинству применяемых ЗПК предъявляются более жесткие требования по акустической эффективности именно в области низких частот, и с этой точки зрения, исследованная двухслойной схем ЗПК также выгодно отличается от однослойной. - к наличию зон резонансного звукопоглощения. Так, для слоя СК толщиной 5 мм, она регистрируется в третьоктавных частотных полосах 5000-6300 Гц, толщиной 10 мм - 2500 Гц, 20 мм - 1600 Гц и 30 мм - 1250 Гц. Таким образом, с увеличением толщины слоя СК с 5 до 30 мм частота резонансного звукопоглощения уменьшается с 6300 до 1250 Гц. Одновременно при этом увеличивается акустическая эффективность двухслойной ЗПК в зоне резонансного звукопоглощения с 6 до 14 дБ соответственно.
