Глушители шума струи

Известны активные и пассивные методы снижения шума реактивной струи двигателя.

Активные методы снижения шума основа­ны на изменении аэродинамических характеристик слоя смешения в преде­лах начального участка струи, для чего, например, формируют соосную струю с большой скоростью центральной струи и меньшей скоростью в кольцевой струе (двухконтурные двигатели), что приводит к снижению сдвиговых напряжений в слое смешения. Или можно создать соосную струю с "перевернутым"профилем скорости на выхлопе ТРД, когда скорость во внешнем контуре больше, чем во внутреннем. Снижение шума струи за счет изменения ее аэродинамических характеристик в пределах началь­ного участка в некоторых случаях достигается путем вдува тонких попе­речных струек в основную струю вблизи выходного сечения сопла. Эти струйки создают окружную неравномерность потока, что в конечном счете ослабляет когерентные структуры, являющиеся важным источником шума струи.

Снижение шума струи может быть также достигнуто с помощью акустического воздействия на реактивную струю, а также благодаря различным механическим устройствам, размещаемым на срезе реактивного сопла, например, многоэлементным насадкам, рассекателям потока, эжекторам и т.п.

К пассивным методам относится снижения шума на пути его распространения от источ­ника наиболее эффективным пассивным методом снижения шума реактивной струи является экранирование излучения струи элементами планера самолета - крылом, оперением, или же с помощью звукопоглощающей облицовкой эжекторных глушителей.

Основными препятствиями, не позволяющими все эти методы широко использовать на практике, являются необходимость перехода к нетрадиционным компоновкам силовой установки на самолете, усложнение конструкции и увеличение веса выхлопной части двигателя, а в некоторых случаях и заметное ухудшение тяговых характеристик силовых установок, что в результате приводит к снижению экономических показателей самолета.

В то же время размещение на срезе сопла устройства акустического воздействия на струю, микродефлекторов или шевронов, изменяющих внутреннюю структуру струи, эжектора с акустически обработанной внутренней поверхностью, позволяют добиться, в определенных условиях, снижения выхлопного шума без существенного снижения тяги струи или даже при некотором ее увеличении.

Поэтому наиболее разумным с точки зрения удовлетворения требований по шуму и экономич­ности является сочетание различных методов снижения шума.

Акустическое воздействие на реактивную струю

Экспериментально установлено, что звуковое облучение может оказывать существенное влияние на аэродинамические и акусти­ческие характеристики турбулентных струй. Так, низкочастотное звуковое облучение струи при числе Струхаля Sh = fd/U = 0,2 - 0,5 (здесь d - диаметр выходного сечения сопла, из которого истекает струя, U - ско­рость истечения струи, f - частота воздействующего звука) приводит к ин­тенсификации турбулентного смешения в начальном участке, возрастанию характерного масштаба турбулентности в слое смешения и, как следствие этого, к усилению генерации шума.

Высокочастотное звуковое облучение при Sh =2-5, приводит к обратному эффекту, то есть к ослаблению турбулент­ного смешения в начальном участке, уменьшению характерного масштаба турбулентности в слое смешения и, как следствие этого, к снижению ши­рокополосного шума струи.

В связи с этим предложено использовать идею акустического облучения струи для уменьшения интенсивности излучаемого ею шума. Одна­ко здесь возникает трудность, связанная с необходимостью установки на двигатель высокочастотного излучателя шума.

В настоящее время разработана схема акустического воздействия на струю с помощью излучения, генерируемого несколькими расположенными вокруг основной струи параллельными струйками, диаметр сопел которых примерно на порядок меньше диамет­ра сопла основной струи, а скорость истечения равна скорости истечения газа из основного сопла. Такая система струй может быть реализована при истечении из одного ресивера как основной струи, так и вспомогательных периферийных струй (рисунок 8.3)

Рисунок 8.3

Возможность снижения шума в такой системе по сравнению с шумом исходной одиночной струи основана на следующих соображениях. Максимум излучаемого турбулентной струей шума соответствует диапазону чисел Струхаля Sh = fd/U = 0,2 - 0,5. Это со­отношение в равной мере применимо как к основной (индекс 1), так и к периферийным (индекс 2) струям, т.е.

При равной скорости истечения основной и периферийных струй U₀₁ = U₀₂ , отсюда следует, что f₂ = f₁d₁ / d₂. Если диаметр периферийных струек в 10 раз меньше диаметра основ­ной струи (d₂ = d₁/10), то f₂ = 10 f₁. Следовательно, число Струхаля излучения, определенное по диаметру и скорости основной струи и частоте f₂ воздей­ствующего на основную струю звука, будет составлять

т.е. шум, генерируемый периферийными струями, воспринимается основ­ной струей как высокочастотное возбуждение.

Акустическая эффективность предложенного шумоглушащего устройства, определенная по испытаниям на модельных струях, составляет 2-3 дБ в звуковом диапазоне частот (рисунок 8.4).

Рисунок 8.4

Наибольшее снижение уровней шума имеет место на частотах больших или равных частоте максимума в спектре шума исходной струи. При одинаковых скоростях истечения основной и периферийной струй максимальное уменьшение уровня шума достигается при отношении диаметров d₁/d₂ ≈ 10.

Пересчет полученных результатов на условия взлета и захода на посадку магистрального самолета с ТРДД с низкой степенью двухконтурности показал, что реальное снижение уровней шума самолета в трех контрольных точках на местности составляет: 1.4 EPNдБ – сбоку от ВПП, 1.2 EPNдБ – в точке под траекторией взлета, 0.8 EPNдБ – в точке под глиссадой захода на посадку. Суммарное снижение уровней шума самолета в сумме по трем точкам на местности составляет 3-3.5 EPNдБ.

Изменение формы кромки сопла

На кромке сопла могут располагаться устройства, принцип действия которых основан на управлении крупномасштабными когерентными структурами в струе и формировании вихревых систем, способствующих изменению процесса смешения струи с окружающим воздухом и, как следствие, снижению шума. В качестве таких устройств сегодня известны «шевроны» и «минидефлекторы» (рисунок 8.5).

Рисунок 8.5

. Экспериментальные исследования показали, что относительно небольшое изменение формы “кромки сопла” и выбор оптимальных геометрических параметров “шевронов” можно обеспечить снижение шума струи (относительно исходного круглого сопла) в широком диапазоне частот для ТРДД с общей камерой смешения, а также и для ТРДД с раздельным выхлопом потоков. При этом в области максимума спектра шума струи это снижение достигает величины L=4-5 дБ, как при отсутствии спутного потока, так и при его наличии (рисунок 8.6).

1 – исходное сопло, 2 – сопло с шевроном

Рисунок 8.6

Относительные потери тяги для предлагаемых шевронных сопел без внешнего потока не превышают 1% при перепадах давления на срезе сопла _с=1,8-3 и находятся в пределах точности эксперимента.

Сопло с мини-дефлекторами, расположенными на срезе сопла, приводит к заметному снижению шума струи, особенно в низкочастотной части спектра. Эффективность снижения шума струи зависит от количества мини-дефлекторов, их формы и режима истечения струи. Максимальное снижение шума в 1/3-октавных полосах частот на исследованных моделях достигает величины порядка 10 дБ. Число мини-дефлекторов, выступающих во внешний поток, слабо влияет на увеличение сопротивления сопла и при М_ = 0,7 – 0,8 потери тяги не превышают 0,3 % идеальной тяги сопла. Основное влияние на величину потерь тяги сопла оказывает число мини-дефлекторов, отклоняемых в реактивную струю.

Многотрубчатый насадок

При установке на срезе сопла многотрубчатого насадка, то есть при замене исходной струи несколькими более мелкими струйками, происходит снижение общей акустиче­ской мощности выхлопного потока, уменьшение доли низкочастот­ных и увеличение доли высокочастотных составляющих в спектрах шума (рисунок . 8.7).

Рисунок 87 Снижение шума струи при применении многотрубчатого насадка d = 0,2D, п=19$ 1 — исходная струя; 2 — сопло с многотрубчатым насадком.

Наиболее эффективно применение многотруб­чатого насадка в области максимальной интенсивности акустиче­ского излучения струи или в направлении под углом θ = 30⁰...40° к оси струи.

Схематично течение в зоне смешения струй, истекаю­щих из многотрубчатого насадка, можно представить в виде сово­купности двух участков. На первом, начальном, участке истечение струек из каждой трубки происходит независимо друг от друга. При этом внешние струйки экранируют шум внутренних струек. Вследствие этого суммарная акустическая энергия начального участка меньше суммы акустических энергий всех струек в пре­делах этого участка. Течение на втором, основном, участке можно представить в виде части некоторой эквивалентной круглой струи, параметры которой определяют из условия постоянства количества движения.

При условии равенства суммарной площади среза сопел тру­бок насадка и площади среза исходного круглого сопла справед­ливо следующее соотношение: f_н/f = √n, где f_н -характерная частота шума струи с насадком; f - частота шума исходной струи; п — число трубок насадка. Увеличение числа трубок и, следова­тельно, уменьшение их диаметра d вызывают смещение спектра шума в область более высоких частот.

Рост уровней шума в области высоких частот, вызываемый применением многотрубчатого насадка, замедляется при увеличе­нии скорости эжектируемого воздуха, то есть при уменьшении гра­диента средней скорости в зонах смешения отдельных струек.

Поэтому важнейшим параметром, определяющим акустическую эффективность многотрубчатого насадка, является отношение пло­щади, ограничивающей насадок, к площади среза исходного сопла, или расстояние между отдельными струйками. Экспериментально установлено, что максимальное снижение шума наблюдается при расстоянии между трубками, равном, приблизительно, их диаметру.

Метод оценки акустической эффективности многотрубчатого насадка основан на представлении суммарной акустической мощности в виде суммы акустических мощностей начальных участков отдельных струек и акустической мощности эквивалентной круглой струи без учета излучения от начального участка. Снижение уровня акустической мощности струи при применении многотруб­чатого насадка можно представить в следующем виде:

где k — коэффициент, характеризующий число трубок, которые определяют суммарную акустическую мощность; ; D_Э - диаметр эквивалентной струи.

Гофрированный насадок и рассекатели.

При установке на срезе сопла насадков, выполненных в виде гофр, лепестков (рисунок 8.8) или рассекателей, происходит уменьшение длины начального участ­ка основной струи, изменение структуры турбулентного потока в зоне смешения и изменение спектрального состава шума выхлопа.

Рисунок 8.8

Экспериментальные исследования показывают, что в направлении наиболее интенсивного излучения звука θ= 30° снижение макси­мальных составляющих шума струи (то есть в области частот Sh = 0,2...0,5} достигает 8 дБ для сопла с рассекателями и 15 дБ для восьмилепесткового сопла.

. Рассекатели приво­дят к снижению шума в области низких частот; максимум шума смещается в область высоких частот. Такого же эффекта можно добиться, если на срезе сопла вдувать высокоскоростные струйки воздуха в основную струю.

В ряде практических случаев с целью уменьшения шума в оп­ределенном направлении требуется изменить направленность аку­стического излучения. Это может быть достигнуто при помощи механических шумоглушителей с несимметричным расположением рассекателей. При этом наблюдается снижение шума в направле­нии оси, вблизи которой группируются рассекатели. Следует за­метить, что подобное изменение диаграммы направленности шума можно осуществить путем придания выходному сечению сопла формы эллипса или прямоугольника.

Многоэлементный насадок и эжектор.

С целью улучшения работы механического глушителя и интенсификации процесса турбулентного перемешивания целесообразно совместно применять гофрированный или многоэлементный насадок и эжектор {рисунок 8.9).

Рисунок 8.9 Совместное применение меха­нического и эжекторного глушителей шума реактивной струи. 1 — сопло; 2 — рассекатель; 3 — эжектор; 4 —ЗПК

В этом случае возрастает поверхность взаимодействия вых­лопного потока с окружающей средой, увеличивается эжектирующая способность струи, обеспечивающая полное смешение потоков и достаточно равномерное поле скоростей на выходе из эжектора.

Акустическая эффективность такой системы может быть увеличе­на, если внутреннюю поверхность эжектора облицевать звукопоглощающим материалом. Такая система имеет ряд преимуществ, поскольку потери тяги, вызванные нали­чием гофрированного сопла или рассекателей, частично компенсируются дополнитель­ным увеличением тяги благо­даря применению эжектора.

Экспериментальные исследования в стационарных условиях показали, что насадок с эжектором со звукопоглощаю­щей облицовкой длиной 1,4 диаметра сопла (короткий эжек­тор) обеспечивает снижение уровней шума в области высоких частот в направлении максимального излучения на величину до 15 дБ, а насадок с эжектором длиной 3 диаметра сопла (длинный эжектор) - на величину до 25 дБ.

Глушители шума вентилятора ТРДД

Вентиляторы ТРДД во многих случаях являются доминирующими источниками шума самолетов на местности. Поэтому при их проекти­ровании должны быть предусмотрены мероприятия по снижению шума. В целях обеспечения минимального шума следует применять од­ноступенчатый вентилятор без входного направляющего аппарата с далеко отодвинутым спрямляющим аппаратом, имеющий достаточно большое число лопаток (более чем в два раза превышающее число лопаток рабочего колеса).

Отсутствие ВНА и большое осевое расстояние между РК, и СА обеспечивает малый уровень шума взаимодействия; большое число лопаток СА позволяет реализовать явление отсечки первой гармоники шума взаимодействия РК и СА. При прочих равных условиях односту­пенчатые вентиляторы обеспечивают меньший уровень шума, чем двухступенчатые.

В целях снижения шума необходимо обтекатель пилона, ис­пользуемого для крепления двигателя на самолете, выполнить с минимально допустимым поперечным сечением и отодвинуть его от спрямляющего аппарата. В противном случае в вентиляторе будет генерироваться повышенный шум взаимодействия рабочего колеса с неравномерностью, вызванной обтеканием пилона.

Практика создания малошумных вентиляторов ТРДД свиде­тельствует о том, что снижения шума только в источнике недо­статочно для обеспечения нормируемых уровней шума самолета на местности. Необходимо использовать глушители шума вентилятора, устанавливаемые по пути распространения звуковых волн в каналах всасывания и выхлопа. Глушители пред­ставляют собой каналы силовой установки, облицованные по пе­риметру звукопоглощающими конструкциями. В воздухозаборнике и камере смешения — это обычно цилиндрические глушители, а в каналах наружного контура - кольцевые.

Глушители в каналах силовой уста­новки самолета работают в условиях высоких уровней звукового давления (150...160 дБ), высоких скоростей (~ до 150 м/с) и темпе­ратур (~ до 900°К) потока при относительных поперечных размерах канала D/λ >4 (D– диаметр канала, λ – длина волны).

Звукопоглощающие конструкции

Системы шумоглушения силовых установок современных самолетов основаны на применении в каналах мотогондол и двигателей звукопоглощающих конструкций с резонансными или объемными поглотителями и являются сегодня наиболее эффективным методом снижения интенсивности шума, генерируемого лопаточными машинами турбореактивного двигателя. Выбор оптимальных параметров ЗПК осуществляется с помощью расчетно-эмпирических моделей, в основе которых лежит решение волноводной задачи для случая распространения звука в неоднородном канале с плавным изменением параметров по его длине и для случая потенциального потока.

Влияние на поглощение звука разнесенности источника излучения по высоте канала, неравномерности профиля средней скорости потока, наличия пограничного слоя на стенках канала и другие эффекты учитываются в расчетных моделях с помощью эмпирических или полуэмпирических функций.

В практике снижения шума пассажирских самолетов широкое применение получили ре­зонансные, так называемые «сотовые», звукопоглощающие кон­струкции, состоящие из обращенного к потоку перфорированного листа, жесткого непроницаемого основания и воздушной полости между ними, разделенной на отдельные ячейки сотовым заполнителем (рисунок 8.10).

Рисунок 8.10

Сотовый заполнитель препятствует рециркуля­ции воздуха через перфорированный лист, возникающей за счет градиентов пристеночного давления в проточной части силовой установки, и тем самым уменьшает потери давления. Обычно в глушителях шума вентилятора силовой установки самолета при­меняется однослойная сотовая ЗПК; частотные характеристики снижения шума в таких глушителях имеют вид резонансной кри­вой с одним или несколькими максимумами (рисунок 8.11).

Рисунок 8.11 Частотная характеристика снижения шума в глушителе воздухозаборного канала

Частоту, на которой реализуется максимальное снижение шума, условно называют частотой настройки глушителя. Величина снижения шума в глушителе и частота его настройки зависят от геометри­ческих характеристик звукопоглощающих конструкций (глубины облицовки, степени перфорации наружной панели, диаметра от­верстий перфорированной панели), отношения высоты канала к длине звуковой волны, геометрической формы канала, параме­тров аэродинамического и акустического полей (числа М, темпе­ратуры в канале, радиальной неравномерности потока, уровня звукового давления) и характеристик звукового поля (широко­полосного шума, дискретных составляющих па частоте следова­ния лопаток рабочего колеса и ее гармониках, шума ударных волн).

С ростом отношения высоты Н или диаметра D канала к дли­не звуковой волны λ эффективность глушителя снижается, что объясняется так называемым «лучевым эффектом», согласно ко­торому для высокочастотного звука, распространяющегося в центральной части канала, процесс взаимодействия с ЗПК до выхода из глушителя не успевает реализоваться.

По этой причине акустическая эффективность глушителей, устанавливаемых в воздухозаборных каналах (D/λ ≈ 4...10), ниже, чем глушителей, устанавливаемых в достаточно узких наружных каналах венти­лятора (D/λ ≈ 1...2). По той же причине эффективность глушите­лей на взлетном режиме работы двигателя ниже, чем на посадочном (λ_пос > λ_взл).

Материалы, из которых изготавливают ЗПК, определяются условиями их работы. В воздухозаборнике, где температура среды изменяется от - 60°С до +60°С, используют конструкции из неме­таллических материалов или комбинированные. В канале наруж­ного контура на внешней стенке, где температура среды изме­няется от - 60°С до +120°С, используют те же материалы, что и в воздухозаборнике. Поскольку на внутренней стенке наружного контура, в выхлопном канале внутреннего контура и в камере смешения температура среды может достигать 900⁰К, то здесь применяют полностью металлические звукопоглощающие конструкции.

Существующие ЗПК относятся к классу пассивных методов снижения шума, в которых сама конструкция остается неизменной в процессе эксплуатации. Вместе с тем в последние годы все большее внимание привлекают адаптивные ЗПК, характеристики которых могут изменяться в соответствии с изменением режима работы двигателя , что приводит фактически к расширению частотного диапазона эффективной работы звукопоглощающей конструкции.

В традиционных пассивных методах снижения шума современные исследования направлены на создание многослойных и многопараметрических звукопоглощающих конструкций. При этом одним из основных резервов увеличения эф­фективности рассматриваются одновременное увеличение затухания на частоте следования лопа­ток рабочего колеса вентилятора и ее гармони­ках и расширение полосы частот эффективного затухания звука.

Затухание звука в канале с потоком определяется многими факторами, важнейшими из которых являются распределение источников излучения и структура звукового поля в канале, характер и параметры течения в пограничном слое на стенках канала, профили средних скоростей в канале.

Повышение затухания на фиксированной частоте может быть достигнуто как за счет оптимизации параметров ЗПК, так и посредством увеличения площади облицованной поверхности. Расширение полосы частот звукопоглощения сотовых конструкций как в область вы­соких, так и в область низких частот, воз­можно при использовании многопараметричес­ких облицовок, комбинированных двухслойных конструкций различной толщины с переменной перфорацией поверхностных слоев (рисунок 8.12).

Особое внимание привлекают адаптивные звукопоглощающие конструкции, частотные настройки которых могут автоматически подстраиваться под характерную частоту излучения лопаточных машин двигателя. Это так называемые ЗПК с продуваемым слоем (рисунок 8.12) и гибридные активно-пассивные звукопоглощающие конструкции (рисунок 8.13). Характерной особенностью всех конструкций является наличие резонансного контура в виде сотового заполнителя и акустической обратной связи, благодаря которой осуществляется управление частотой настройки всей конструкции.

В ЗПК с продуваемым слоем (рисунок 8.12) благодаря выдуву потока через пористый верхний слой конструкции осуществляется управление параметрами импеданса пористого слоя и параметрами пограничного слоя от основного потока на поверхности слоя, что позволяет управлять акустическими характеристиками звукопоглощающей конструкции.

Рисунок 8.12

Рисунок 8.13

В гибридных активно-пассивных звукопоглощающих конструкциях (рисунок 8.13) управление акустическими характеристиками ЗПК осуществляется посредством изменения геометрических размеров резонаторного контура. В качестве приводных механизмов рассматриваются микроэлектромеханические системы (МЕМС”ы).

Акустическая эффективность ЗПК существенно зависит от однородности акустического поля в канале, на которую оказывает заметное влияние отражение звуковых волн от поверхности звукопоглощающей конструкции. Отражение волн зависит от технологии изготовления конструкции и, в частности, от наличия стыковочных швов между отдельными участками ЗПК.

Расчетные исследования показывают, что при наличии трех продольных швов на цилиндрической поверхности ЗПК (рисунок 8.14) в канале воздухозаборника возникающие неоднородности акустического поля в канале приводят к тому, что потенциальные

Рисунок 8.14

возможности по снижению интенсивности шума на частоте следования лопаток вентилятора не превышают 6дБ. При отсутствии стыков в ЗПК потенциальные возможности в снижении уровня первой гармоники шума вентилятора достигают 30дБ.