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 DL=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 p_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.