9.5.2 Снижение шума компрессора

Одним из эффективных методов борьбы с шумом компрессора реактивного двигателя является снижение шума в самом источ­нике. Это может быть достигнуто снижением окружной скорости, изменением осевого зазора между входным направляющим аппаратом (ВНА) и рабочим колесом (РК), изменением гео­метрии и угла прохождения лопатки, соотношения числа лопаток ротора и статора, ламинеризацией обтекания и другими мето­дами.

Увеличение осевого зазора б на величину до одной длины хорды b лопаток ВНА приводит к снижению уровня звукового давления составляющей основного тона на 10 дБ.

На (рис.9.37) представлена обобщенная зависимость уменьшения уровня зву­кового давления на частоте следования лопаток от осевого зазора между ВНА и РК.

Рис.9.37. Изменение уровня дискретной составляющей шума компрессора от осевого зазора между входным направляющим аппаратом и рабочим колесом

Здесь все результаты отнесены к осе­вому зазору δ=δ/b=1. Полученная зависимость хорошо согла­суется с экспериментальными данными и может быть использо­вана для оценки влияния осевого зазора на уровень тонального шума.

Поскольку на уровень дискретных гармоник вентилятора существенное влияние оказывает толщина следа, целесообразно применять лопатки ВНА с малой толщиной профиля. Снижение уровня шума при изменении размера следа в пять раз составляет 3—5 дБ. Ослабить вихревые следы, следовательно, тональ­ный шум можно также вдувом воздуха в след через заднюю кромку лопаток ВНА, отсосом пограничного слоя с поверхности лопаток, специальным профилированием задней кромки по вы­соте лопатки и т. д. Эти способы одновременно приводят к сни­жению широкополосного шума вентилятора.

Регулированием угла наклона лопаток статора относительно лопаток ротора можно достичь уменьшения суммарной силы, действующей на лопатку , что также приводит к уменьшению шума (рис.7.38).

Рис. 9.38. Влияние угла наклона лопаток статора относительно ротора на излучаемый шум

На величину до 10 дБ можно снизить уровень дискретной со­ставляющей в результате выбора оптимального соотношения числа лопаток ротора и статора. На основе упрощенной теории разработано правило выбора чисел лопаток соседних венцов, согласно которому число лопаток НА должно более чем в два раза превышать число лопаток РК.

Однако методы воздействия на процесс шумообразования в самом вентиляторе трудно осуществимы и, кроме того, непри­менимы к уже существующим ти­пам двигателей. Более простым способом снижения шума венти­лятора является устройство зву­копоглощающих систем в возду­хозаборнике и выхлопном канале двигателя. Этот способ может быть использован как для вновь проектируемых двигателей, так и при модификации существующих. Условие работы глушителей на вхо­де и выхлопе вентилятора двига­теля существенно отличаются от обычных. Наличие высоких уров­ней звукового давления (до 160— 170 дБ), высокоскоростной поток (до 200 м/с), косое падение звуковых волн влияют на акустические свойства звукопоглоща­ющей облицовки и, следовательно, на затухание. Учесть комплекс этих условий теоретически пока не представляется возможным, поэтому задача решается экспериментальным путем. Первый этап работы состоит в выборе звукопоглощающей облицовки, удовлетворяющей одновременно акустическим, аэродинамиче­ским, прочностным требованиям и требованиям окружающей среды, второй — в экспериментальной проверке на опытном дви­гателе.

Акустические требования к облицовке заключаются в обес­печении максимального поглощения звука в диапазоне частот дискретных гармоник шума компрессора (f = 10004-7000 Гц). Аэродинамические требования включают обеспечение минималь­ных искажений потока, вызванных наличием звукопоглощающей облицовки. Прочностные требования связаны с обеспечением максимального срока службы такой конструкции. Так, в канале воздухозаборника на облицовку действует давление от 2*10⁴ до 3*10⁴ Па, которое на максимальных режимах работы двигателя может возрастать до 10⁵-2*10⁵ Па. Температура на входе в двигатель изменяется от —30 до + 50° С. В наружном канале дви­гателя максимальное давление составляет — 10⁵ Па, темпера­тура в местах установки звукопоглощающих устройств может из­меняться от 150 до 400°С. Кроме того, в воздухозаборнике облицовочная конструкция подвергается воздействию атмосфер­ных осадков, пыли, масел.

Наиболее полно всем требо­ваниям удовлетворяет резо­нансная облицовка, состоящая из пористого слоя, обращённо­го к потоку, и воздушного объе­ма между пористым слоем и жесткой стенкой, разделенного сотовым хонейкомбом на от­дельные ячейки (рис.7.39). Пористая поверхность выпол­няется в виде листового мате­риала, имеющего однородную пористость вдоль всей поверх­ности и обладающего требуе­мым сопротивлением продува­нию. В частности, этим требо­ваниям удовлетворяет перфорированный лист с приле­гающей к нему густой металли­ческой сеткой. Широко исполь­зуется также фиберметалл, представляющий собой струк­туру беспорядочно сцепленных металлических волокон. Эта структура спекается и прокаты­вается. В ряде случаев для со­здания прочной поверхности фиберметалл прокатывается вместе с редкой сеткой, распо­ложенной с двух сторон.

Материалом для создания фиберметалла служат нити из меди, серебра или нержавеющей стали. Диаметр волокна в зависимости от типа металла изменяется от 0,01до 0,25 мм. Однородность пористой поверхности может быть до­стигнута также за счет спекания и прокатывания двух и боль­шего числа топких металлических проволочных экранов.

Сотовое основание выполняется из легких материалов (плас­тика, пропитанного смолистыми веществами, металла и др.). Ячейки основания могут иметь разнообразную форму многоуголь­ников или форму, образованную двумя синусоидами. Сотовое основание препятствует рециркуляции воздуха через пористую поверхность, возникающей за счет градиентов пристеночного статического давления, и тем самым уменьшает потери давления.

Рис.9.39. Резонансная звукопоглощающая облицовка: 1-жёсткая стенка; 2-сотовый хонейкомб; 3-пористый слой

Кроме того, основание обеспечивает большую прочность по срав­нению с облицовочной конструкцией, имеющей дискретные опор­ные элементы. Выбор облицовки с оптимальными звукопоглощающими свой­ствами является необходимым, но не достаточным условием для обеспечения высокого снижения шума компрессора ТРДД в воз­духозаборнике. Дело в том, что шум компрессора характеризустся наличием дискретных составляющих, относящихся к вы­сокочастотной области (f >1000 Гц), а поперечные размеры воз­духозаборника велики и составляют несколько длин волн. Звуковые волны в этом случае распространяются по воздухо­заборнику почти без потерь, независимо от акустических харак­теристик облицовки.

Для уменьшения поперечных размеров в воздухозаборнике мо­гут быть установлены концентрические кольца со звукопоглощающей облицовкой, расположенной с двух сторон, причем на поверхность кока также наносится звукопоглощающая обли­цовка (рис.9.40).

Рис.9.40. Схемы воздухозаборников со звукопоглощаю­щей облицовкой: а - расположенной на стенке воздухоза­борника, коке и на двух дополнительных концентриче­ских кольцах; б - на радиальных перегородках; в - на дополнительном кольце и грушевидном коке

Возможны и другие способы уменьшения поперечных размеров, например, с помощью облицованных ра­диальных перегородок или путем выполнения кока в виде груше­видного тела, препятствующего распространению звука от ком­прессора по прямому лучу. Длина воздухозаборника в послед­нем случае для обеспечения равномерного поля скоростей на входе в компрессор должна быть увеличена. Многочисленные исследования по затуханию звуковых волн в облицованных каналах воздухозаборника позволили получить зависимости, представленные на (рис.9.41).

Большой опыт по снижению шума вентилятора ТРДД за по­следние годы накоплен рядом самолетных и двигательных фирм. Например, на опытном экземпляре самолета DС-8-50 с двухконтурными двигателями установлена поглощающая обли­цовка на стенке воздухозаборника, коке и дополнительном кольце между стенкой воздухозаборника и коком. Общая площадь облицовки в воздухозаборнике составляет примерно 6 м². Короткий наружный канал двигателя был удлинен на 600 мм и облицован звукопоглощающим материалом. Площадь облицовки в наружном канале равна 6,5 м². Облицовка во входном и выходном каналах состоит из слоя фиберметалла толщиной 1 мм с сопротивлением продуванию 10 рэл в воздухозаборнике и 8 рэл в наружном канале, сотообразной основы глубиной 19 мм и 12,5 мм и жесткого основания. В связи с применением звукопоглощающей облицовки увеличение массы на каждую гондолу двигателя составило около 170 кг. Снижение шума бла­годаря указанной модификации самолета DС-8-50 составило 10 ЕРNдБ при посадке и примерно 3 ЕРNдБ при взлете и при разбеге. Изменение спектра максимального шума в контрольной точке при посадке показы­вает (рис.9.42), что облицовка эф­фективно работает в области ди­скретных составляющих шума компрессора (f >1000 Гц), снижая их до уровня, обусловленного низкочастотным шумом струи.

Рис.9.41. Зависимость снижения шума на посадке EPN дБ от отношения облицованной площади Sоб к площади источника Sист и отношения поперечного размера между двумя облицованными сторонами d к длине звуковой волны λ.

Рис.9.42. Спектры максимального шума в контрольной от точке при снижении на посадку самолёта DC-8-50: 1 – без звукопоглощающей облицовки; 2 – со звукопоглощающей облицовкой.

Для получения более высокой акустической эффективности фирмой Боинг в воздухозаборнике опытного самолета Боинг 707-320В установлено два концентрических кольца со звукопогло­щающей облицовкой и увеличена длина воздухозаборника на 250 мм. Площадь звукопоглощающей облицовки в воздухозабор­нике равна 6,5 м². Короткий наружный канал заменен длинным, плоскость среза которого стала совпадать с плоскостью среза выхлопа внутреннего контура двигателя. В наружном канале на большей части его длины расположена звукопоглощающая обли­цовка, площадь которой равна 24 м². Увеличение массы каждой гондолы двигателя составило около 350 кг.

Для облицовки входного и выхлопных каналов фирмой Боинг разработан специальный материал на основе фибергласса и полиамидных смол. За пористым слоем, как и в гондоле само­лета DС-8-50, расположена сотовая конструкция. Модификация обеспечила снижение шума на 15 ЕРNдБ при посадке и 3 ЕРNдБ при взлете и разбеге.

Одним из способов снижения шума компрессора является создание в воздухозаборнике критического сечения, в котором скорость потока равна скорости звука или близка к ней. В этом случае распространение звука против потока теоретически невоз­можно. В действительности звук частично проходит через это сечение, поскольку звуковые волны, генерируемые компрессором, движутся под утлом к оси двигателя. Кроме того, звук может распространяться по дозвуковому пограничному слою. Исследо­вания показывают, что нет необходимости создания в горле в точности звуковой скорости; уже при большой дозвуковой скорости М = 0,7…0,9 реализуется значительная блокировка рас­пространения звука. Это связано с эффектами отражения потока энергии от стенок канала и градиентов плотности.

Существенное уменьшение проходного сечения канала возду­хозаборника при относительно небольшой его длине в ТРДД с большой степенью двухконтурности приводит к образованию за горлом значительной диффузорности течения. Вызванные этим потери можно уменьшить или использованием методов управле­ния пограничным слоем, или регулированием площади сечения, или одновременно тем и другим. Последний способ является предпочтительным, поскольку на крейсерских режимах полета в этом случае можно восстановить площадь проходного сечения, а на взлете и посадке осуществить эффективный подвод воздуха к двигателю.