3.2.4. Методы снижения шума струи

Механическая мощность струй двигателей достигает весьма высоких величин (), поэтому, несмотря на то, что акустическая мощность составляет всего лишь доли процента механической мощности, шум, создаваемый струями, достигает высоких уровней и представляет серьезную опасность как для людей в командах обслуживания запусков, так и для конструкций, находящихся на стартовых площадках. В связи с этим необходима разработка эффективных мероприятий по снижению шума.

Методы снижения шума струй могут быть разделены на активные и пассивные. Активные методы подразумевают воздействие на процесс турбулентного перемешивания выхлопного потока с окружающей средой. Пассивные методы предусматривают снижение уже образовавшегося шума посредством применения глушителей, принцип работы которых заключается, в основном, в использовании эффекта затухания акустической энергии в звукопоглощающих материалах. В первую очередь, эти методы получили развитие в авиационной технике.

Рассмотрим активные методы снижения шума, предусматривающие использование, применяемых для авиационных двигателей, цилиндрического эжектора, многотрубчатого насадка, сетчатого экрана и вдува дополнительного воздуха в зону смешения струй.

Снижение шума струи при использовании этих методов осуществляется вследствие уменьшения градиента средней скорости и интенсификации процесса смешения, а оценка эффективности основана на полученных результатах расчета шума участков турбулентной струи. Пассивные методы снижения шума, основанные на затухании в каналах с импедансными стенками, могут быть рассмотрены с общих позиций независимо от типа источника шума. Кроме того, в ряде случаев оказывается целесообразным совместное применение активного и пассивного методов снижения шума. Например, известны глушители, использующие насадки и эжектор со звукопоглощающими стенками.

Некоторые методы снижения шума струй для авиационных двигателей и на испытательных стендах

1. Цилиндрический эжектор.

При истечении струи в трубу-эжектор происходит эжектирование воздуха из окружающей среды, снижение градиента средней скорости и, следовательно, уменьшение генерируемого шума. Эжектируемый в трубу воздух смешивается с выхлопным потоком, а образующийся в результате смешения поток на выходе из эжектора имеет среднюю скорость, меньшую скорости истечения исходной струи. Вследствие этого, уровни шума, создаваемые потоком на выходе из эжектора, меньше уровней шума исходной струи в случае ее свободного истечения. Акустическая эффективность эжектора в области высоких частот может быть увеличена, если внутреннюю поверхность трубы облицевать звукопоглощающим материалом. Однако, в этом случае может оказаться преобладающим шум, образующийся в результате смешения потока на выходе из эжектора с окружающей средой. Для увеличения эффективности облицованного эжектора необходимо сбалансированно снижать шум потока на выходе из глушителя, например, путем уменьшения его скорости, и увеличивать затухание шума струи в эжекторе.

2. Многотрубчатый насадок.

При установке на срезе выхлопного сопла многотрубчатого насадка, то есть при замене исходной струи на ряд более мелких струй, происходит снижение суммарной акустической мощности выхлопного потока, сопровождающееся уменьшением уровней низкочастотных и увеличением уровней высокочастотных составляющих шума. Наиболее эффективное применение многотрубчатого насадка отмечается в направлении максимальной интенсивности акустического излучения струи ( к оси струи).

Величина возрастания уровней шума в области высоких частот, вызываемого применением многотрубчатого насадка, уменьшается при увеличении скорости эжектируемого воздуха, то есть при уменьшении градиента средней скорости в зонах смешения отдельных струй. Поэтому важнейшим параметром, определяющим акустическую эффективность многотрубчатого насадка, является также отношение площади, ограничивающей насадок, к площади среза исходного сопла или величина расстояния между отдельными струями. Максимальное снижение уровней шума наблюдается при величине расстояния между трубками, равной приблизительно диаметру трубки. Уменьшение расстояния между трубками приводит к быстрому слиянию отдельных струй в единый турбулентный поток и, следовательно, уменьшению акустического эффекта. В то же время, чрезмерное увеличение этого расстояния приводит к преобразованию отдельных струй в совокупность обычных свободных струй. В этом случае сумма акустических мощностей отдельных струй становится равной акустической мощности исходной струи, а практически единственный акустический эффект от применения многотрубчатого насадка заключается в перемещении спектра шума выхлопного потока в высокочастотную область.

3. Вдув воздуха в зону смешения.

В случае вдува на срезе сопла дополнительного воздуха перпендикулярно оси из расположенных по периферии сопел малого диаметра происходит как снижение уровня суммарного шума струи, так и перераспределение спектрального состава шума по аналогии со случаем многотрубчатого насадка. В струе с вдувом происходит снижение длины ядра постоянной скорости и некоторое увеличение толщины зоны смешения по сравнению со случаем свободного истечения. Распределение средних скоростей в зоне смешения струи с вдувом так же, как и в свободной струе, при этом практически подчиняется универсальному закону распределения средних скоростей.

Действием, аналогичным струйному глушителю, обладают также вводимые в поток механические рассекатели воздуха. При совместном вводе в зону смешения дополнительного воздуха и рассекателей процесс смешения струи с окружающей средой еще более интенсифицируется, а акустический эффект возрастает.

4. Сетчатый экран.

Существенного изменения характеристик шума струи можно добиться при установке вблизи среза сопла нормально оси сетчатого экрана. Характер образующегося звукового поля обусловлен изменением структуры потока в зоне смешения.

Экспериментальные исследования аэродинамических характеристик струи, натекающей на сетчатый экран, показали, что экран, расположенный вблизи среза сопла, практически не влияет на характер течения перед ним. Так, распределение средних и пульсационных скоростей, статическое давление в этом участке практически не отличаются от соответствующих характеристик свободной струи. Непосредственно за сетчатым экраном наблюдается скачкообразное падение средней скорости потока, определяющееся площадью проходного сечения экрана. Поскольку средняя скорость является основным параметром интенсивности акустического излучения турбулентного потока, то таким образом происходит выделение шума участка от среза сопла до экрана. Течение в области за экраном можно представить в виде части свободной струи, истекающей из некоторого эквивалентного сопла. Диаметр этого сопла определяется из величины секундного количества движения потока за экраном, являющегося функцией площади проходного сечения экрана и параметров исходной струи.

Сетчатые экраны могут использоваться как самостоятельно, так и в сочетании с другими эффективными методами снижения шума выхлопного потока, например, в глушителе, облицованном звукопоглощающим материалом. Необходимо отметить, что применение сетчатых экранов и других механических глушителей шума приводит к значительным потерям импульса тяги струи и поэтому такие устройства нашли широкое применение только в стационарных установках.

Уменьшение уровня шумовых пульсаций давления вводом воды в струи двигательной установки

Наиболее эффективным средством уменьшения акустических давлений при старте является ввод в струи двигательной установки воды с относительным расходом

,

где – расход воды; – расход продуктов сгорания.

Физика эффекта состоит в снижении скорости течения струй пропорционально и соответствующем этому уменьшении кинетической энергии. Однако, на реальный эффект снижения оказывает влияние целый ряд факторов, отклоняющих зависимость от прямой пропорциональности уменьшению энергии.

Экспериментальные данные по снижению суммарных уровней в зависимости от () представлены на рис.3.233.25.

Экспериментальные данные (рис.3.23) показывают, что снижение акустического давления от ввода воды в струю для условий открытого старта несколько меньше, чем для струи в присутствии стартового сооружения , вместо . При этом еще меньшее снижение наблюдается у донного среза ракеты-носителя . Из графиков рис.3.24 (модель ракеты-носителя "Зенит") и рис.3.25 (модель ракеты-носителя "Энергия") видно, что максимальное снижение спектральных уровней при вводе воды имеет место на средних частотах.

Неполнота смешения уменьшает теоретически ожидаемое снижение уровня пульсаций давления. Для высокоскоростных струй возможно повышение коэффициента при снижении скорости течения, что может не дать существенного снижения уровней в ближнем поле при малых значениях (). Снижения суммарного акустического давления следует ожидать и за счет снижения статического давления на преграде и пульсаций давления в зоне взаимодействия струй, балластированных водой, с отражателем. Это следует из экспериментальных и расчетных данных по взаимодействию струй с преградой при вводе в струи воды.

Рис.3.24. Экспериментальные зависимости, полученные на модели ракеты-носителя "Зенит" в масштабе

Рис.3.25. Экспериментальные зависимости, полученные на модели ракеты-носителя "Энергия" в масштабе

Поэтому определение эффективности ввода воды проводится экспериментально, преимущественно на крупномасштабных полносистемных моделях с воспроизведением всех факторов, влияющих на акустическое излучение при старте. Экспериментально получено, что снижение уровня пульсаций давления на кормовой части ракеты космического назначения "Зенит" при старте при вводе воды с составляет .

Большой эффект может достигаться при обеспечении наиболее полного смешения воды со струями.

Ввод воды на стартовом сооружении "Зенит" обеспечивался патрубками, устанавливаемыми на пусковой установке под каждым из четырех сопел двигательной установки. Обеспечивался относительный расход . Верхние поверхности патрубков, на которые непосредственно натекали струи, имели щелевые отверстия, из которых выводилась вода в количестве от общего расхода для уменьшения теплового воздействия на патрубок. На рис.3.26-а показан фрагмент испытаний по экспериментальной отработке патрубков на модели пусковой установки в масштабе .

Для снижения тепловых нагрузок на стартовый лоток и акустических нагрузок на ракету-носитель "Энергия", имеющую пятиблочную компоновку с четырьмя соплами на каждом блоке, системы охлаждения струй двигательной установки вводились с учетом особенностей конструкций двух различных по схемам стартовых сооружений – универсального комплекса "стенд – старт" и штатного сооружения 11П825.

Для стартового сооружения универсального комплекса "стенд – старт", предназначенного для испытаний блоков и связки ракеты-носителя "Энергия", была создана система ввода воды патрубками под каждое сопло – аналогично системе ввода воды на пусковом устройстве ракеты космического назначения "Зенит" (проект КБТМ). Расход воды составлял расхода газов продуктов сгорания топлива двигательной установки на максимальном режиме. Эта система обеспечивала снижение тепловых нагрузок на лоток для условий испытания связки в течение , а также снижение ударно-волновых и акустических нагрузок на ракету-носитель и орбитальный корабль при старте.

а)

б)

Рис.3.26. Экспериментальная отработка на моделях

Для штатного сооружения КБОМ была спроектирована и создана система ввода воды в струи двигательной установки жиклерами, установленными на трех уровнях (ярусах) по высоте. Выдача воды по ярусам под давлением производилась последовательно:

• в период запуска двигательной установки центрального блока (первый ярус на отметке от поверхности стартовой площадки) с расходом ;

• в период запуска боковых блоков (второй ярус на отметке ) с расходом ;

• в период подъема изделия (третий ярус на отметке ) с расходом .

Включение подачи воды в струи из жиклеров третьего яруса осуществлялась после прохождения срезом сопел плоскости осей жиклеров.

Фрагмент жиклерной системы водоподачи третьего яруса при испытаниях крупномасштабной модели приведен на рис.3.26-б.

Ввод воды в струи двигательной установки для уменьшения акустического воздействия на ракету и на космический аппарат был реализован на стартовых комплексах тяжелых ракет-носителей космических аппаратов – "Спейс шаттл" (США), "Энергия – Буран" (СССР), на стартовых комплексах для ракеты космического назначения "Зенит", на стартовом комплексе морского базирования для ракеты космического назначения "Зенит-3SL".