Глава 15 - Шум ГТД

Рисунок 15.3_1 – Схема расположения контрольных точек

ге эффективность тех или иных мероприятий по двигателю оценивается по уровню EPNL (Effective Perceive Noise Level) в контрольных точках.

Значительно более точной оценкой шума двигателя и самолета является измерение шума двигателя на открытом стенде с дальнейшим пересче- том в шум самолета. Измерение проводиться в 16 точках дальнего поля на радиусе 50 м на углах 10…160î (через 10î) на режимах взлета, набора высоты, и посадки. В конечном итоге полученные таким методом уровни шума самолета практически совпадают с уровнями, полученными в летных акустических испытаниях самолета.

Âпроцессе сертификации самолета по шуму

ñпомощью микрофонов через определенные промежутки времени записывается пролетный шум самолета в трех контрольных точках: при взлете, наборе высоты и посадке (см. Рис. 15.3_1). Затем запись временного сигнала преобразуется в частотный спектр, т.е. зависимость уровня шума, выраженного в дБ, от частоты. Далее эти спектры

ñучетом фактора слуховой раздражаемости переводятся в уровни шума в ноях и затем преобразуются в мгновенные уровни воспринимаемого шума, PNL (Perceive Noise Level). Для учета субъективной реакции при наличии неравномерности спектра определяется поправка на тональность. Поправка на тональность складывается с уровнем воспринимаемого шума, результатом чего является уровень PNLТ (Tonal).

Вычисляется поправка на продолжительность и, наконец, эффективный воспринимаемый уровень шума, EPNL, который получается путем суммирования максимального уровня с поправкой на

тональность PNLТМ (Maximum) и поправки на продолжительность.

Нормы для каждого типа самолетов определяются индивидуально по линейному закону от логарифма взлетного веса.

15.4 - Снижение шума ГТД

15.4.1 - Методология проектирования систем шумоглушения

Снижение шума ТРДД может быть достигнуто путем заглушения вентилятора или струи (в зависимости от того, какой из этих источников является доминирующим) или вентилятора и струи одновременно, если уровни их шума соизмеримы. Снижение шума вентилятора достигается его рациональным акустическим проектированием и применением системы шумоглушения, представляющей собой облицовку поверхностей каналов ТРДД звукопоглощающими конструкциями (ЗПК).

ЗПК обычно имеют вид панелей, в которых большое число замкнутых полостей заключено между жесткой стенкой и пористым слоем, обращенным к потоку. В качестве пористого слоя можно использовать перфорированный лист и (или) густую металлическую сетку. В результате формируется набор так называемых резонаторов Гельмгольца, настроенных на определенную частоту. Если доминирующая частота в спектре падающей волны близка или, тем более, совпадает с частотой собственных колебаний резонатора, то в замкнутой полости возникают интенсивные упругие ко-

1127

Глава 15 - Шум ГТД

лебания воздуха. В результате энергия колебаний диссипирует в полости, а непоглощенная часть переизлучается из отверстия, но уже в полусферу, что так же приводит к снижению уровня звукового давления в заданном направлении. Основными параметрами, определяющими частоту собственных колебаний резонатора, являются процент перфорации и глубина воздушной полости.

По результатам расчета шума или акустических испытаний самолета анализируется пролетный шум, определяются угловые диапазоны максимального излучения в контрольных точках и спектры звукового давления. В зависимости от требований норм по шуму для данного типа самолета определяется частотный диапазон акустического излуче- ния и гармоники частоты следования лопаток вентилятора, определяющих уровни шума в той или иной контрольной точке. Именно на эти частоты настраивается резонансная облицовка и, соответственно, выбираются ее основные параметры – глубина полости и процент перфорации.

15.4.2 - Шумоглушение в выходных устройствах авиационных ГТД

Основным источником шума одноконтурного двигателя или двигателя с низкой степенью двухконтурности является струя и шум этого рода может быть снижен, в основном, увеличе- нием скорости смешения и сокращением зоны смешения. В результате снижается уровень низкочастотного шума, но в свою очередь возрастает уровень шума на высоких частотах. Однако, высокие частоты значительно быстрее затухают в атмосфере, и, в конечном итоге, уровень воспринимаемого шума будет меньше, хотя высоко- частотный шум обладает более высокой раздражающей способностью. Более эффективное смешение достигается увеличением площади контакта струи с атмосферой применением гофрированных сопл или струйных шумоглушителей лепесткового типа. Такое увеличение площади смешения очевидно реализуется гофрированным соплом (см. Рис. 15.4.2_1).

В соплах лепесткового типа выхлопные газы разделяются на потоки через лепестки и малое центральное сопло. Сформированное таким образом большое число выхлопных струй приводит к более быстрому смешению с атмосферным воздухом. Такой принцип может быть расширен на многотрубчатое сопло, суммарная площадь выхлопа которого соответствует площади исходного круглого сопла.

Рисунок 15.4.2_1 – Экспериментальное шумоглушащее сопло

Глубоко гофрированные, лепестковые или многотрубчатые сопла дают наибольшее снижение шума струи, но необходимость сохранения характеристик двигателя налагает существенные ограни- чения на глубину гофров или количество труб. Например, для того, чтобы достичь требуемой площади сопла, полный диаметр шумоглушителя может оказаться настолько большим, что приведет к неприемлемому увеличению массы или лобового сопротивления. Поэтому целью конструктора является оптимизация снижения уровней шума с наименьшими потерями по тяге, топливной экономичности, весу и стоимости, хотя запрет на эксплуатацию самолетов по шуму приводит иногда к экстремальным решениям по стоимости и ухудшению характеристик. Например, для того чтобы самолет В-737- 200, имеющий превышение норм Главы 3 на величину порядка 20 EPN дБ, был доведен до требований норм, двигатель £Т8Д был оборудован новой системой шумоглушения NORDAM Hush Kit, включающей облицовку воздухозаборника

èнаружного канала двигателя звукопоглощающими конструкциями, и эжекторное шумоглушащее сопло. При этом удельный расход топлива возрос на 5% и существенно увеличился вес двигателя.

Двигатели с высокой степенью двухконтурности имеют значительно меньшую скорость струи, чем двигатели с малой степенью двухконтурности, и определяющим источником в шуме двигателя становится вентилятор и, в меньшей степени, турбина. Однако тенденция к постоянному ужесточению требований по шуму неизбежно приведет к тому, что методы снижения шума вентилятора сравняют его уровни с уровнями шума струи

èшумоглушение пойдет по новому циклу. В настоящее время для снижения струйного шума двигателя с высокой двухконтурностью желательным является смешение горячего и холодного потоков

1128

Глава 15 - Шум ГТД

Рисунок 15.4.2_2 – Перспективные приемы снижения шума двигателя [15.7.8]

в камере смешения и истечение смешанного потока через общее сопло. Существенное снижение шума струи (до 3 EPN дБ по сумме в трех контрольных точках) может быть достигнуто с помощью шевронного сопла (см. Рис. 15.4.2_2) [15.7.6, 15.7.7].

15.4.3 - Конструкция звукопоглощающих узлов авиационных ГТД

Эффективность снижения шума вентилятора зависит (при прочих равных условиях) от площади звукопоглощающей поверхности канала наружного контура в котором распространяется звук в переднюю полусферу (из ВЗ) и заднюю полусферу (из сопла). Таким образом, основной задачей проектирования звукопоглощения двигателя (при выбранных геометрических параметрах звукопоглощения) является максимально возможное использование площади канала наружного контура.

При проектировании узлов из звукопоглощающих конструкций важно добиться, чтобы они кроме функции звукопоглощения выполняли одновременно и другие функции: воспринимали действующие нагрузки со стороны потока и со стороны соседних узлов, в этом случае конструкция получается оптимальной по массе. В основном все узлы из звукопоглощающих конструкций двигателей выполнены одновременно звукопоглощающими и силовыми. В редких случаях эти функции

объединить в одном узле не удается. Например,

âкорпус вентилятора, являющимся сложным высоконагруженным узлом, вставляются отдельные звукопоглощающие панели.

Âзависимости от требований по шумности

âнастоящее время применяются следующие типы звукопоглощающих конструкций:

- однослойные звукопоглощающие панели (звукопоглощающие конструкции первого поколения), состоящие из перфорированной обшивки, сотового или коробчатого заполнителя и сплошной обшивки (см. Рис. 15.4.3_1);

- двухслойные звукопоглощающие панели (звукопоглощающие конструкции второго поколения), состоящие из двух слоев сотового или коробчатого заполнителя. Со стороны потока и между слоями заполнителя расположены перфорированные обшивки, а со стороны, противоположной потоку, расположена сплошная обшивка (см. Рис. 15.4.3_1). Двухслойные звукопоглощающие конструкции позволяют повысить эффективность поглощения звука за счет расширения частотной полосы поглощения.

Âнастоящее время в разработке находятся и д- ругие системы звукопоглощающих конструкций с использованием в качестве широкополосных поглотителей звука сеточных слоев и гомогенных пористых заполнителей.

Номенклатура материалов, используемая для изготовления звукопоглощающих узлов, определя-

1129

Глава 15 - Шум ГТД

Рисунок 15.4.3_1 – Типы ЗПК в двигателе

ется исходя из условий эксплуатации (рабочая температура, действующие нагрузки и т.д.). Для узлов, работающих в зоне относительно низких рабочих температур (канал наружного контура), в основном используются титановые сплавы или нержавеющая сталь. Для узлов, работающих при повышенных температурах свыше 400 °С, необходимо использовать нержавеющие стали (например, 12Х18Н10Т). В настоящее время для узлов, работающих при температурах до 100…150°С, все большее применение находят полимерные композиционные материалы (стеклопластики, углепластики) на основе конструкционных стеклянных тканей, углеродных лент и эпоксидных, эпоксифенольных или фенолформальдегидных связующих. Применение полимер-

ных композиционных материалов позволяет снизить массу узлов в среднем на 30 % по сравнению с аналогами из титанового сплава и облегчить технологию изготовления.

15.4.4 – Глушители шума в наземных ГТУ

Промышленные ГТД, широко используемые в настоящее время в качестве привода ГТЭС и ГПА, являются источником интенсивного шума, который может привести к созданию неблагоприятной шумовой обстановки на территории эксплуатирующего предприятия и за ее пределами. Для исключения

1130