Характеристики шума ТРДД

Реактивный двигатель является сложным источником шума. Акустическое излучение генерируется во всех элементах двигателя: вентиляторе, компрес­соре, камере сгорания, турбине и в реактивном сопле. Мощным источником шума является реактивная струя, излучение которой образуется при ее смешении с окружающей средой, т. е. вне двигателя.

Доля шума источников в общем шуме двигателя за­висит от типа двигателя: турбореактивный (ТРД) или турбореак­тивный двухконтурный (ТРДД) и от степени двухконтурности ТРДД. Под степенью двухконтурности т понимают отношение расхо­да воздуха через внешний контур двигателя Q₂ к расходу через внутренний контур Q₁ то есть m=Q₂ / Q_1.

Акустическое поле газотурбинного двигателя представляет собой суперпозицию акустических полей отдельных источников шума, таких как лопаточные машины (вентилятор, компрессор, турбина), камера сгорания, реактивная струя. При этом суммарная мощность акустического излучения двигателя, определяемая по измерениям пространственного распределения уровней звукового давления в дальнем акустическом поле, представляет собой энергетическую сумму мощностей излучения отдельных источников с учетом установленных на двигателе систем шумоглушения для каждого источника:

+ Δ(ШГУ_i). (4.2)

Каждому из источников шума свойственны характерные параметры акустического излучения – мощность, направленность и спектр излучения. Поэтому параметры суммарного акустического излучения двигателя будут зависеть от соотношения между параметрами излучения отдельных источников и эффективности системы шумоглушения каждого из источников.

Одними из важнейших параметров, определяющих энергетику суммарного акустического излучения газотурбинного двигателя и соотношение между акустическими характеристиками отдельных источников шума, являются создаваемая двигателем тяга и степень двухконтурности.

Акустическая мощность

Уровни акустической мощности отечественных турбореактивных двигателей с различной степенью двухконтурности представлены на рисунке 4.16.

Рисунок 4.16

При одинаковой тяге двигателей уровень акустической мощности ТРДД тем выше, чем ниже степень двухконтурности. Максимальные уровни звуковой мощности современных двигателей при взлетном режиме работы достигают величины: у ТРДД с низкой степенью двухконтурности - 170 дБ (НК86, m=1.3), у ТРДД с высокой степенью двухконтурности – 155 дБ (Д18Т, m=6). Для ТРДД со степенью двухконтурности m ≤ 1.5 зависимость уровня акустической мощности от тяги близка к линейной.

Важным показателем акустического совершенства двигателя является его акустико-механический коэффициент или акустический коэффициент полезного действия (КПД), показывающий, какая доля механической энергии двигателя переходит в акустическое излучение (рисунок 4.17).

Рисунок 4.17

Акустический КПД достигает максимального значения при взлетном режиме работы двигателя и составляет 1.5% у ТРД (m=0), и 0.1-0.3% - у ТРДД со степенью двухконтурности m=5-6. С уменьшением режима работы двигателя его акустический КПД также уменьшается. Реактивная струя переводит в звук около 1.5% своей энергии, а лопаточные машины – на уровне 0.1-0.3% энергии..

На взлетном режиме работы у двигателей с низкой степенью двухконтурности (m < 3) наиболее мощным источником акустического излучения на всех режимах работы двигателя является реактивная струя (рисунок 4.18). Далее по уровню акустической мощности располагаются камера сгорания, первая ступень компрессора и последняя ступень турбины.

Рисунок 4.18

У двигателей с высокой степенью двухконтурности (m > 3) наиболее мощным источником акустического излучения на всех режимах работы двигателя является вентилятор (рисунок 4.19). Далее по уровню акустической мощности располагаются реактивная струя, камера сгорания и турбина. Относительный уровень мощности турбины возрастает на низких

Рисунок 4.19

дроссельных режимах работы двигателя.

Спектральная плотность мощности

Под спектральной плотностью мощности понимается распределение мощности акустического излучения источника шума по частоте с разрешением по ширине полосы частот Δf = 1 Гц.

L_Wf = ψ (f)

где L_Wf- уровень звуковой мощности в полосе частот Δf = 1 Гц; f — средняя частота этой полосы.

Рисунок 4.20

Представление о распределении энергии акустического излучения двигателя по частоте дают графики спектральной плотности излучения, приведенные на рисунках 4.20 и 4.21 для двух режимов работы ТРДД со степенью двухконтурности 2.3-6.0.

При работе ТРДД на режиме максимальной тяги все экспериментальные данные группируются вблизи некоторой функциональной зависимости, напоминающей распределение по волновым числам энергии пульсаций скорости в свободных и в пристеночных пограничных слоях.

Рисунок 4.21

При работе ТРДД на низких дроссельных режимах монотонный характер изменения спектральной плотности мощности по частоте нарушается в области высоких частот за счет энергии акустического излучения, генерируемого лопаточными машинами двигателя.

Спектр излучения

Типичный узкополосный спектр акустического излучения ТРДД с высокой степенью двухконтурности типа Д36 в передней полусфере и при взлетном режиме работы (сверхзвуковой режим работы вентилятора) показан на рисунке 4.22. (φ = 70⁰, f_сл =2475 Гц, ∆f = 12.5 Гц).

Рисунок 4.22

В спектре выделяются составляющие излучения всех основных источников шума ТРДД с высокой степенью двухконтурности: вентилятор и реактивная струя. Здесь: 1 - излучение с дискретным спектром на гармониках частоты следования лопаток РК , где n – обороты РК вентилятора об/мин, z – число лопаток РК, 2 – излучение с дискретным спектром на гармониках роторной частоты f_рот = kn, где к = 1,2,3… - номер гармоники; 3 – спектральный максимум широкополосного излучения реактивной струи.

Направленность излучения

Характеристика направленности акустического излучения источника шума определяется как разность между фактическим распределением акустической энергии источника в окружающем пространстве и равномерным по пространству распределением.

Уровень звукового давления по определению равен:

L_р = 10 lg = 20 lg = , дБ, но ,

где W – мощность акустического излучения, F – площадь поверхности, в которую происходит излучение шума, Ф – фактор направленности излучения.

Поэтому характеристика направленности излучения источника может быть определена как разность между фактическим уровнем звукового давления в акустическом поле источника и уровнем звукового давления в случае, когда акустическая энергия излучается равномерно по всем направлениям, то есть:

, дБ, (4.3)

где L_СФ – уровень звукового давления в поле источника со сферической характеристикой направленности.

Характеристики направленности акустического излучения современных ТРДД имеют ряд характерных максимумов в передней и в задней полусферах,, соответствующих излучению различных источников.

У ТРДД с высокой степенью двухконтурности максимум характеристики направленности в передней полусфере двигателя формируется излучением, распространяющимся, преимущественно, через воздухозаборный канал (рисунок 4.23), а в задней полусфере – излучением, распространяющимся через выхлопной тракт двигателя, и излучением от реактивной струи.

Рисунок 4.23

Максимум характеристики направленности шума одноступенчатого вентилятора в передней полусфере соответствует направлению распространения излучения φ = 50⁰-70⁰, считая угол от оси воздухозаборного канала. В задней полусфере максимальная интенсивность излучения вентилятора соответствует направлению распространения φ = 110⁰- 120⁰. Турбина излучает шум наибольшей интенсивности в направлениях φ = 120⁰- 130⁰, а реактивная струя – в направлениях φ = 135⁰- 145⁰.

У ТРД и ТРДД с низкой степенью двухконтурности максимум характеристики направленности суммарного акустического излучения определяется излучением реактивной струи и имеет место в задней полусфере двигателя в направлениях φ = 135⁰-145⁰.