Шумоглушение в авиационных ГТД

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уфимский государственный авиационный технический университет»

 

 

 

РЕФЕРАТ

на тему :

«Шумоглушение в авиационных ГТД»

По дисциплине:

«Рабочие процессы и конструкция

газотурбинных двигателей»

Вариант №15

 

 

 

 

Выполнил: студент 3 курса    Проверил:

группы КТО-323Ус факультета АТС  Алгушаев А.Г.

заочной формы обучения    

Тухватуллин Р.А.      «___»_____________2015 года

«___»______________2015 года   Оценка _________

 

                                                      Уфа – 2015

Содержание:

 

1.Введение…………………………………………………………………….…..

1.1 Единицы измерения уровня  шума…………………...........................3

1.2 Источники шума в  ТРДД……………………………………….…..…5

2.Конструктивные  методы снижения шума……………………………….…

2.1 Уменьшение шума от  реактивной струи………………………….….6

2.2 Снижение шума от  вентилятора…………………………………..…..8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.ШУМОГЛУШЕНИЕ В АВИАЦИОННЫХ ГТД

Снижение шума реактивных двигателей является одной из серьезных проблем современной авиации. Шум, оказывая вредное влияние на человеческий организм, ухудшает также усталостные характеристики деталей конструкции авиационной техники. Необходимость уменьшения шума особенно остро проявляется в случае применения реактивных двигателей на пассажирских самолетах. Учитывая тенденцию роста скоростей пассажирских самолетов и возможность появления сверхзвуковых в будущем, можно утверждать, что проблема уменьшения аэродинамического шума авиационных ГТД будет становиться более острой.

Шум авиационных ГТД складывается из шумов внутренних агрегатов и узлов (компрессора, турбины, камеры сгорания и др.) и шума выхлопной струи из сопла ГТД. На основании экспериментальных данных установлено, что наибольший шум возникает от выхлопной струи из сопла ГТД. Этот аэродинамический шум создается вследствие турбулентного смешения выхлопной струи с окружающим воздухом. Поэтому на протяжении последних 10-15 лет, как у нас, так и за рубежом ведутся фундаментальные исследования по изучению природы аэродинамического шума струи и созданию эффективных систем шумоглушения устанавливаемых на двигателях летательных аппаратов. Но надо разрабатывать эффективные системы и устройства для глушения шума, не уменьшая и не снижая характеристик двигателя (как потеря тяги, излишний вес). Падение тяги двигателя при замене обычного сопла шумоглушителем происходит из-за увеличения внутреннего сопротивления каналов шумоглушителя движению выходной струи и др. Учитывая все эти особенности необходимо начинать на стадии проектирования разрабатывать системы шумоглушения. Много работ получили распространение по теме метода раздробленных струй двигателя на многоструйные течения. В настоящей работе приведена система, и устройство для глушения аэродинамического шума выхлопной струи авиационного двигателя.

 

Струя имеет три источника шума с различным механизмом действия:

а) Турбулентные пульсации в области смешения потоков;

б) Колеблющиеся скачки уплотнения в струе;

в) Взаимодействие между скачками уплотнения и турбулентными пульсациями.

На малых скоростях возникают турбулентные пульсации, а скачки уплотнения и их взаимодействие отсутствуют, так как они проявляются на больших скоростях. Тем самым необходимо уменьшение шума в окрестностях аэропортов создаваемого турбулентностью в струе. Большой вклад в теорию шума создаваемого турбулентными пульсациями были сделаны многими учеными, но основой является теория Лайтхилла (Великобритания), доказавшим, что движущееся турбулентное поле может рассматриваться как фиксированное поле квадроуполей.

Результаты испытания сопел: На ранних исследованиях указывалось, что для уменьшения шума очень важно уменьшить скорость истечения струи из сопла двигателя, но это ошибочно. Единственно возможное реальное направление борьбы с шумами заключалось в изменение формы сопла. Но это тоже вносит отрицательные изменения так как изменяются характеристики двигателя. Уменьшается КПД двигателя, увеличение веса и.т.д. Еще один из методов уменьшения шума это изменение частоты шума при изменении формы струи. Механизм заключается в повышении на 2-3 октавы всего диапазона частот за счет полного изменения формы сопла. Высокочастотный шум неприятен, но затухание его в атмосфере происходит быстрее и действие на человека происходит просто и легко. Можно отметить, что высокочастотная составляющая немного изменяется при изменении формы сопла. Сравним интенсивность шума круглой струи и тонкой кольцевой с одинаковым поперечным сечением. Длина звуковой волны определяется шириной области смешения в любой части струи и величины средней скорости в этой области. Высокочастотный шум образуется на 2D на кромке струи, а низкочастотный шум в области крупномасштабной турбулентности на 6 – 8D струи. А при щелевом сопле НЧ на 0,5D щели и ВЧ на 2D сопле. То есть измерение шума на границах струи показывают, что интенсивность НЧ шумов щелевых сопел заметно уменьшается, а ВЧ поглощаются быстрее из-за вязкости воздуха и с щелями к дополнительному уменьшению шума. Поэтому ставится задача снижения уровня аэродинамического шума в широком диапазоне изменения режимных параметров двигателя, а также повышение стабильности характеристик двигателя.

Поставленная задача решается тем, что разработанный способ глушения шума реактивной струи двигателя включающем выдув в реактивную струю дополнительного газа. Эту струю выдувают по периферии и параллельно истекающей реактивной струе. При изменении режимов работы двигателя регулируют скорость истечения дополнительной струи, которую необходимо поддерживать с определенной скоростью. В наших исследованиях поддерживают ее больше скорости набегающего потока и меньше скорости истечения реактивной струи двигателя.

Шум, производимый двигателями, неблагоприятно воздействует на людей, живущих вблизи аэропортов, на пассажиров и обслуживающий технический персонал. Нормы на допустимый уровень шума от авиационного ГТД постоянно ужесточают. В соответствии с нормами Международной авиационной организации (ИКАО) на начало 2002 года уровень шума самолѐта в дневное время не должен превышать 108 дБ, а в ночное – 102 дБ.

Максимально допустимые уровни шума, создаваемого на местности дозвуковыми пассажирскими и транспортными самолѐтами с ТРД или ТРДД, в России установлены требованиями ГОСТ 17228-87. При этом соответствующие нормы указаны для контрольных точек, местоположение которых приведено в нижеследующей таблице.

 

 

 

Этап полета	Местоположение контрольных точек
Взлет	Точка на линии, параллельной оси взлетно-посадочной полосы (ВПП), отстоящей от нее на расстоянии 450 м
Набор высоты	Точка на продолжении оси ВПП в направлении полѐта на расстоянии 6500 м от начала разбега самолета
Заход на посадку	Точка на продолжении оси ВПП в направлении против полѐта на расстоянии 2000 м до порога ВПП под траекторией снижения на посадку

 

Шум самолета определяется в основном шумом двигателя. Однако, особенно на посадке, достаточно весомый вклад в шум самолета вносит обтекание набегающим потоком воздуха стоек шасси, закрылков и других самолетных узлов. Без прохождения целого комплекса проверок по измерению уровня шума ни один самолет не может получить Сертификат летной годности.

1. Единицы измерения уровня шума

Одной из характеристик шума, поддающихся измерению, является количество за-ключѐнной в нѐм энергии (Вт/м2). Но здесь возникают трудности, связанные с диапазоном измерения этой энергии. Так, человек с острым слухом способен воспринять звуковой сигнал интенсивностью 10-12 Вт/м2. Интенсивность шума взлетающего самолѐта может достигать 10 Вт/м2, а стартующей ракеты превышать 100 Вт/м2.

В качестве эталонной величины интенсивности шума принято Ео = 10-12 Вт/м2, а величина в 10 раз большая получила название «бел» (в честь изобретателя слухового аппарата и телефона). Шкала уровня шума выбрана логарифмической, т.е. увеличение интенсивности шума по сравнению с эталонным в 100 раз соответствует на этой шкале двум белам, в 1000 раз – трем белам и т.д. Следовательно, здесь общая закономерность такого ряда имеет вид 10n , где n показывает относительный уровень шума по сравнению с эталонным (в белах). Но так как «бел» является сравнительно крупной величиной, то в технике и в экологических нормативах принято оперировать с децибелами.

 

Формула для определения уровня шума (дБ) имеет вид

Уровень шума = 10 • lg (Е / Ео),

 

где Е – измеренная интенсивность шума, Вт/м2 ,

Ео – эталонный уровень шума, равный 10-12 Вт/м2.

Из данной формулы видно, что «децибел» является безразмерной величиной.

2. Источники шума в ТРДД

В ТРДД наибольший шум создаѐт струя газа, вытекающая из сопла. Этот шум возникает вследствие еѐ турбулентного перемешивания с окружающим воздухом. И основная доля этого низкочастотного шума идѐт назад. При этом уровень шума, создаваемого струей вытекающего газа пропорционален произведению V 8 • d 2.

На втором месте – шум вентилятора. Шумят: воздухозаборник, входной направляющий аппарат, лопатки рабочих колѐс турбокомпрессора. Кроме того, возникает шум от взаимодействия лопаточных венцов вентилятора и установленного за ним спрямляющего аппарата. Это высокочастотный шум, направленный вперед.

Шум от компрессора, камеры сгорания и турбины гораздо слабее, он перекрывается шумом струи.

 

 

2.Конструктивные методы снижения шума

1. Уменьшение шума от реактивной струи

Струя, вытекающая из двигателя, как источник шума характеризуется высокой скоростью истечения газа из внутреннего контура (500...600 м/с) и температурой до 800К и более. Скорость истечения из наружного контура и температура потока существенно меньше (соответственно 300...400 м/с и 300...500 К).

Так как уровень шума от струи выходящих газов зависит от скорости их истечения и от гидравлического диаметра струи, то для борьбы с ним применяют шумоглушащие насадки. Их принцип действия основан на дроблении струи, уменьшении градиента скорости, на увеличении зоны перемешивания струи, изменении масштаба турбулентности. Как правило, исходную круглую струю размельчают и расчленяют путѐм гофрирования стенок выходного сопла, введения в струю рассекателей потока. В качестве примера на рис 2.10.1 показаны два вида сопел, в которых произведено расчленение струй: за счѐт гофрированной конструкции (верхнее) и с введением рассекателей.

 

 

 

 

Рис. 2.10.1. Используемые формы сопел, обеспечивающих пониженный уровень шума

 

Перспективным является использование сопел шевронного типа. У такого типа сопел с зубчатыми вырезами вблизи выходного сечения истекающая из двигателя струя газа вследствие изменѐнного волнового процесса ее расширения (по сравнению с обычными соплами) приобретает иной спектр акустических характеристик. Для оптимизации геометрических размеров шевронных вырезов у таких сопел необходимо проводить целый ряд сравнительных экспериментальных проверок, так как достоверность расчѐтных методов в такой схеме истечения газа недостаточно высока.

На рис. 2.10.2 показан внешний вид некоторых конструкций сопел шевронного типа. Причѐм такие сопла могут быть выполнены и с центральным телом. А сами шевронные вырезы могут иметь различную конфигурацию.

Вполне вероятно, что такие сопла найдут применение в новых разработках ГТД.

 

 

  

Рис. 2.10.2. Разновидности сопел шевронного типа

 

 

 

2. Снижение шума от вентилятора

 

Снижение шума в зоне вентилятора может быть достигнуто за счет:

- ликвидации  входного направляющего аппарата;

- выбора  оптимальной геометрии и угла  установки лопаток рабочего колеса;

- применения  широкохордных лопаток вентилятора. (Это уменьшает ширину следа и интенсивность турбулентности в потоке, набегающем на лопатки спрямляющего аппарата, и тем самым снижает интенсивность генерируемого шума);

- увеличения  расстояния между лопатками вентилятора  и спрямляющего аппарата (1,5 – 2 хорды);

- изменения  числа лопаток в спрямляющем  аппарате;

- повышения  степени двухконтурности ТРДД  до 10. (При увеличении степени  двухконтурности происходит передача  большей части энергии из турбины  к вентилятору и за счет этого снижается среднемассовая скорость истечения воздуха из наружного контура);

- использования  звукопоглощающей облицовки, встроенной  в воздуховоды перед вентилятором и за ним (материал – волокнистые пористые пластмассы или сотовые панели).

 

Принцип работы звукопоглощающих конструкций (ЗПК), состоящих из множества ячеек, основан на идее резонатора Гельмгольца. Каждая ячейка представляет собой камеру, в которой колебания столба воздуха имеют определѐнную собственную частоту. Если на такой резонатор направить звуковую волну с такой же частотой, то эта волна начнет раскачивать воздух в ячейке. При этом происходит рассеяние акустической энергии и превращение ее в тепловую вследствие потерь на трение при циркуляции воздуха внутри ячеек. Задача конструктора – выбрать оптимальные геометрические размеры ячеек звукопоглощающих панелей и рационально разместить их в наружном контуре двигателя.

ЗПК могут быть пассивными (ячейки с отверстиями), активными (ячейки набиты войлоком) и комбинированными. Они могут быть силовыми (воспринимать нагрузку) и навесными (прикрепленными к корпусу).

Изготавливают ЗПК из алюминиевой, титановой или стальной фольги, а у некоторых ГТД – из композитов или бумаги. Толщина стенок у ячеек 0.05 – 0,08 мм, а у силовых элементов 0,5 – 0,8 мм. Масса одного квадратного метра ЗПК толщиной 15мм зависит от используемого материала: сталь – 11 кг, титановые сплавы – 7 кг, алюминий – 7 кг, композиционные материалы – 2 кг.