Источники шума газотурбинных двигателей

Шум работающего ГПА складывается из шумов аэродинамического и механического происхождения, спектральный состав которых может меняться от внешних условий, режима работы и состояния ГПА.

Если рассматривать в комплексе весь дви­гатель, то можно назвать четыре источника: всасывание, вы­пуск, корпус ГТД и редуктор. По своей природе шум в ГТД делится на шумы аэродинамического (газодинамического) и механического происхождения. Наибольшее значение имеют шумы аэродинамического происхождения, излучаемые во всасы­вающий и выхлопной тракты ГТД. Основными источниками шума компрессорной станции являются компрессоры (или турбокомпрессоры) и системы перепуска (сброса) воздуха в атмосферу. Шум компрессора (или турбокомпрессора) излучается в атмосферу через всасывающий и выхлопной тракты, а в помещение машинного зала – через корпус компрессора.

Природа и причины шумообразования ГТД весьма сложны. Наиболее кардинальным методом борьбы с шумом является снижение его в самом источнике. Примене­ние этого метода требует знания физической природы шумо­образования.

Шум исправной ГТУ и ЦБН по своему спектральному составу сплошной во всем диапазоне частот с рядом дискретных составляющих. Широкополосный шум порождается беспорядочными колебаниями газовоздушного потока и является следствием турбулентности его пограничного слоя, срыва концевых вихрей при обтекании лопаток потоком, турбулентности набегающего потока, взаимодействия вращающегося потока с ротором и статором, процесса горения.

Дискретный шум исправного ГПА обусловлен колебаниями (вынужденными и резонансными) деталей ГТУ и ЦБН, периодическим вытеснением газа лопатками конечной толщины, соударением деталей, взаимодействием вращающегося потока с ротором и статором. Появление неисправностей приводит к появлению новых источников шума и изменению спектра шума работы ГПА.

Составляющие общего шума двигателя от каждого из этих источников существенно различаются у двигателей разных типов. Уровень шума зависит также от расстояния и положения наблюдателя относительно двигателя, так как излучение шума ГТД характеризуется ярко выраженной направленностью.

Шум компрессора ГТД (нагнетателя) складывается из широкополосного («белого») шума и пиков шума на дискретных частотах. Наиболее негативно воспринимаются дискретные составляющие шума в области средних и высоких частот. Источником широкополосного шума служит турбулентность потока, проходящего через входной канал, лопаточные венцы, выходные каналы. Турбулентные пульсации вызывают местные пики давления на поверхности лопаток и стенках корпуса, которые порождают акустические волны. Другим источником широкополосного шума являются вихри, срывающиеся с задних кромок рабочих и неподвижных лопаток.

Распространение звука в воздуховодах

Затухание в сети (в воздушном канале) DL_Рсети – сумма затуханий в ее элементах, последовательно расположенных по ходу звуковых волн. Энергетическая теория распространения звука по трубам предполагает, что эти элементы не влияют друг на друга. В действительности последовательность фасонных элементов и прямых участков образуют единую волновую систему, при которой на чистых синусоидальных тонах принцип независимости затухания в общем случае не может оправдываться. Вместе с тем, в октавных (широких) полосах частот стоячие волны, создаваемые отдельными синусоидальными составляющими, компенсируют друг друга, и поэтому энергетический подход, не учитывающий волновой картины в воздуховодах и рассматривающий поток звуковой энергии, можно считать оправданным.

Снижение уровня звуковой мощности в круглых (а) и прямоугольных (б) воздуховодах в зависимости от гидравлического диаметра

Затухание на прямых участках воздуховодов из листового материала обусловлено потерями на деформацию стенок и излучение звука наружу. О снижении уровня звуковой мощности DL_Р на 1 м длины прямых участков металлических воздуховодов в зависимости от частоты можно судить по данным рисунка.

Как видно, в воздуховодах прямоугольного сечения затухание (снижение уровня звуковой мощности) с ростом частоты звука уменьшается, а круглого сечения возрастает. При наличии теплоизоляции на металлических воздуховодах приведенные на рисунке значения следует увеличивать примерно в два раза.

Понятие затухание (снижение) уровня потока звуковой энергии нельзя отождествлять с понятием изменения уровня звукового давления в воздушном канале. При движении звуковой волны по каналу общее количество энергии, которую она несет, уменьшается, но это не обязательно связано с уменьшением уровня звукового давления. В сужающемся канале, несмотря на затухание общего потока энергии, уровень звукового давления может увеличиваться вследствие увеличения плотности звуковой энергии. В расширяющемся канале, наоборот, плотность энергии (и уровень звукового давления) может уменьшаться быстрее, чем общая звуковая мощность. Затухание звука на участке с переменным сечением равно

,

где L₁ и L₂ – средние уровни звукового давления в начальном и конечном по ходу звуковых волн сечениях участка канала; F₁ и F₂ – площади поперечных сечений соответственно в начале и конце участка канала.

Затухание на поворотах (в коленах, отводах) с гладкими стенками, поперечное сечение которых меньше длины волны, определяется реактивным сопротивлением типа дополнительной массы и возникновением мод более высокого порядка. Кинетическая энергия потока на повороте без изменения сечения канала увеличивается из-за возникающей неравномерности поля скоростей. Прямоугольный поворот действует подобно фильтру низких частот. Величину снижения шума на повороте в диапазоне плоских волн дает точное теоретическое решение

, Дб,

где K - модуль коэффициента прохождения звука.

Модуль коэффициента прохождения звука

При a = λ/2 величина K равна нулю и падающая плоская звуковая волна теоретически полностью отражается поворотом канала. Максимальное снижение шума наблюдается, когда глубина поворота равна примерно половине длины волны.

В реальных конструкциях максимальное затухание равно 8…10 дБ, когда в ширине канала укладывается половина длины волны.

Снижение шума на прямоугольных поворотах:

1 – падение звука в осевом направлении; 2 – диффузное падение; 3 – расчетная кривая

С повышением частоты затухание уменьшается до 3…6 дБ в области длин волн, близких по величине к удвоенной ширине канала. Затем оно снова плавно возрастает на высоких частотах, достигая 8…13 дБ. На рисунке показаны кривые затухания шума на поворотах каналов для плоских волн (кривая 1) и для случайного, диффузного падения звука (кривая 2). Эти кривые получены на основе теоретических и экспериментальных данных. Наличие максимума снижения шума при a = λ/2 можно использовать для снижения шума с низкочастотными дискретными составляющими, настраивая размеры каналов на поворотах на интересующую частоту.

Снижение шума на поворотах, угол которых меньше 90°, приближенно пропорционально величине угла поворота. Например, уменьшение уровня шума на повороте с углом 45° равно половине его уменьшения на повороте с углом 90°. На поворотах с углом меньше 45° уменьшение шума не учитывается.

В разветвлениях каналов, поперечные размеры которых меньше половины длины звуковой волны, физические причины затухания аналогичны причинам затухания в коленах и отводах.

Разветвления каналов

Изменение уровня звуковой мощности при площади сечения ответвления

, дБ; , дБ.

При внезапном изменении сечения канала с поперечными размерами меньше длин полуволн снижение уровня звуковой мощности может быть определено как

, дБ

где m - отношение большей площади сечения канала к меньшей.

По этой формуле можно рассчитать затухание шума и в диффузорах с углами раскрытия более 30°.