4.3.2. 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, ламинаризацией обтекания и другими методами.

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

Лопатки изолированного ротора образуют дискретные тона, обусловленные распространением возмущений поля давлений: при сверхзвуковых скоростях лопаток эти возмущения могут усиливаться, образуя шум в широком диапазоне частот - от роторной до лопаточных частот, включая их гармоники при явном проявлении эффекта биения, который образует звук, напоминающий шум циркулярной пилы. Взаимодействие лопаток ротора с лопатками статора при их близком расположении вызывают циклические пульсации полей давлений и возбуждение дискретных тонов. Этот механизм можно ослабить с помощью увеличения осевого зазора между лопатками ротора и статора. При увеличенных осевых зазорах между лопатками ротора и статора возникают дискретные тона за счет взаимодействия вихревых следов с неподвижными лопатками и циклического изменения подъемной силы профилей лопаток. При дальнейшем увеличении зазоров пульсации давлений снижаются.

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.

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.

4.4. Камера сгорания гтд

При поступлении в камеру сгорания воздух за компрессором раздваивается. Основная часть воздуха направляется в жаровую трубу. Другая часть, необходимая для охлаждения стенок жаровой трубы, в кольцевой канал между наружным корпусом и перфорированной стенкой жаровой трубы, называемый далее трубой с перфорированной оболочкой (см. рис. 16). В момент сгорания топлива имеет место мгновенное циклическое нарастание температуры до 2500 К. Соответствующее этой температуре давление в локальном объеме ядра пламени жаровой трубы камеры сгорания порождает волны большой интенсивности, распространение которых сопровождается громовым гулким грохочущим шумом. Уровень шума камер сгорания современных ГТД достигает 165 дБ. В широкополосном спектре их шума обязательно присутствуют две главные компоненты пульсатора и осциллятора горения.

Автоколебательный процесс горения жидкого мелкораспыленного топлива в турбулентном потоке горячей воздушной среды в газотурбомашинах обладает самоускоряющим цепным аэротермоакустическим механизмом самозажигания паров вокруг капель порции топлива (самовоспламенение) и последующего парциального взрывного периодического реагирования газовоздушной горючей стехиометрической смеси. По этой причине протекающий процесс пульсационно-осцилляционного горения в камерах сгорания турбомашин сопровождается ритмичными шумами высокой интенсивности.

Низкочастотный шум турбулентного пламени, называемый "шумом горения" генерируется при самозажигании паров поступившей порции топлива в турбулентном потоке первичного воздуха и периодического последующего расширения реагирующей среды по выходу из огневого диполя. Это кольцо представляет собой пульсирующий эллиптический тор, который аналогичен по функционированию тору акустических монополей. Его далее будем называть пульсатором монополей горения.

Высокочастотный шум турбулентного пламени, называемый "гулом визга" горения, генерируется в зоне горения и подпитывается циклическими парциальными взрывами горючей газовой стехиометрической смеси. Эта смесь формируется в турбулентном потоке вторичного воздуха и в противотоке продуктов сгорания циклическим превращением массы горящих капель порций топлива в термоакустическом поле. Источник генерации продуктов сгорания, тепловой и акустической энергии в форме эллиптического тора аналогичен тору акустических диполей. Его называют осциллятором диполей горения.

Следует заметить, что при характерных формах и геометрических соотношениях камер сгорания основным типом колебаний являются продольные колебания газовоздушной среды.

При движении в трубе с перфорированной оболочкой дозвукового потока горячего газа наблюдается возникновение сильного шума. Возмущение газового потока можно представить как совокупность вихревых, акустических и энтропических взаимодействий. Основными источниками шума являются: шум турбулентного пограничного слоя и диффузора трубы, взаимодействие потока с перфорацией оболочки трубы, температурная неоднородность потока. Источником пульсаций является взаимодействие периодических вихрей в свободной струе и акустических колебаний газа. Такой шум эквивалентен акустическому диполю.

Расчет шума внутренних источников может быть выполнен по формулам, полученным в результате обобщения экспериментальных данных. Уровень звуковой мощности, создаваемой камерой сгорания, может быть определен из следующего выражения:

L_W= 10 lg (G₃а₀²/10^-12) + 10 lg {[(T₄^* - T₃^*)/T₃^*]²[p₃^*/p₀]²[(T₄^* - T₈^*)/T₀]^-4} - 60,5 , (13)

где G₃ - расход воздуха, кг×с^-1; (T₄^* - T₃^*) - перепад температур в камере сгорания; (T₄^* - T₈^*) - перепад температур на турбине (T₄^* - полная температура на входе в турбину, T₈^* - на выходе); p₃, T₃ - соответственно, полное давление и температура воздуха, входящего в камеру сгорания; индекс "0" соответствует стандартным условиям на уровне моря.