Глушители шума вентилятора ТРДД

Вентиляторы ТРДД во многих случаях являются доминирующими источниками шума самолетов на местности. Поэтому при их проекти­ровании должны быть предусмотрены мероприятия по снижению шума. В целях обеспечения минимального шума следует применять од­ноступенчатый вентилятор без входного направляющего аппарата с далеко отодвинутым спрямляющим аппаратом, имеющий достаточно большое число лопаток (более чем в два раза превышающее число лопаток рабочего колеса).

Отсутствие ВНА и большое осевое расстояние между РК, и СА обеспечивает малый уровень шума взаимодействия; большое число лопаток СА позволяет реализовать явление отсечки первой гармоники шума взаимодействия РК и СА. При прочих равных условиях односту­пенчатые вентиляторы обеспечивают меньший уровень шума, чем двухступенчатые.

В целях снижения шума необходимо обтекатель пилона, ис­пользуемого для крепления двигателя на самолете, выполнить с минимально допустимым поперечным сечением и отодвинуть его от спрямляющего аппарата. В противном случае в вентиляторе будет генерироваться повышенный шум взаимодействия рабочего колеса с неравномерностью, вызванной обтеканием пилона.

Практика создания малошумных вентиляторов ТРДД свиде­тельствует о том, что снижения шума только в источнике недо­статочно для обеспечения нормируемых уровней шума самолета на местности. Необходимо использовать глушители шума вентилятора, устанавливаемые по пути распространения звуковых волн в каналах всасывания и выхлопа. Глушители пред­ставляют собой каналы силовой установки, облицованные по пе­риметру звукопоглощающими конструкциями. В воздухозаборнике и камере смешения — это обычно цилиндрические глушители, а в каналах наружного контура - кольцевые.

Глушители в каналах силовой уста­новки самолета работают в условиях высоких уровней звукового давления (150...160 дБ), высоких скоростей (~ до 150 м/с) и темпе­ратур (~ до 900°К) потока при относительных поперечных размерах канала D/λ >4 (D– диаметр канала, λ – длина волны).

Звукопоглощающие конструкции

Системы шумоглушения силовых установок современных самолетов основаны на применении в каналах мотогондол и двигателей звукопоглощающих конструкций с резонансными или объемными поглотителями и являются сегодня наиболее эффективным методом снижения интенсивности шума, генерируемого лопаточными машинами турбореактивного двигателя. Выбор оптимальных параметров ЗПК осуществляется с помощью расчетно-эмпирических моделей, в основе которых лежит решение волноводной задачи для случая распространения звука в неоднородном канале с плавным изменением параметров по его длине и для случая потенциального потока.

Влияние на поглощение звука разнесенности источника излучения по высоте канала, неравномерности профиля средней скорости потока, наличия пограничного слоя на стенках канала и другие эффекты учитываются в расчетных моделях с помощью эмпирических или полуэмпирических функций.

В практике снижения шума пассажирских самолетов широкое применение получили ре­зонансные, так называемые «сотовые», звукопоглощающие кон­струкции, состоящие из обращенного к потоку перфорированного листа, жесткого непроницаемого основания и воздушной полости между ними, разделенной на отдельные ячейки сотовым заполнителем (рисунок 8.10).

Рисунок 8.10

Сотовый заполнитель препятствует рециркуля­ции воздуха через перфорированный лист, возникающей за счет градиентов пристеночного давления в проточной части силовой установки, и тем самым уменьшает потери давления. Обычно в глушителях шума вентилятора силовой установки самолета при­меняется однослойная сотовая ЗПК; частотные характеристики снижения шума в таких глушителях имеют вид резонансной кри­вой с одним или несколькими максимумами (рисунок 8.11).

Рисунок 8.11 Частотная характеристика снижения шума в глушителе воздухозаборного канала

Частоту, на которой реализуется максимальное снижение шума, условно называют частотой настройки глушителя. Величина снижения шума в глушителе и частота его настройки зависят от геометри­ческих характеристик звукопоглощающих конструкций (глубины облицовки, степени перфорации наружной панели, диаметра от­верстий перфорированной панели), отношения высоты канала к длине звуковой волны, геометрической формы канала, параме­тров аэродинамического и акустического полей (числа М, темпе­ратуры в канале, радиальной неравномерности потока, уровня звукового давления) и характеристик звукового поля (широко­полосного шума, дискретных составляющих па частоте следова­ния лопаток рабочего колеса и ее гармониках, шума ударных волн).

С ростом отношения высоты Н или диаметра D канала к дли­не звуковой волны λ эффективность глушителя снижается, что объясняется так называемым «лучевым эффектом», согласно ко­торому для высокочастотного звука, распространяющегося в центральной части канала, процесс взаимодействия с ЗПК до выхода из глушителя не успевает реализоваться.

По этой причине акустическая эффективность глушителей, устанавливаемых в воздухозаборных каналах (D/λ ≈ 4...10), ниже, чем глушителей, устанавливаемых в достаточно узких наружных каналах венти­лятора (D/λ ≈ 1...2). По той же причине эффективность глушите­лей на взлетном режиме работы двигателя ниже, чем на посадочном (λ_пос > λ_взл).

Материалы, из которых изготавливают ЗПК, определяются условиями их работы. В воздухозаборнике, где температура среды изменяется от - 60°С до +60°С, используют конструкции из неме­таллических материалов или комбинированные. В канале наруж­ного контура на внешней стенке, где температура среды изме­няется от - 60°С до +120°С, используют те же материалы, что и в воздухозаборнике. Поскольку на внутренней стенке наружного контура, в выхлопном канале внутреннего контура и в камере смешения температура среды может достигать 900⁰К, то здесь применяют полностью металлические звукопоглощающие конструкции.

Существующие ЗПК относятся к классу пассивных методов снижения шума, в которых сама конструкция остается неизменной в процессе эксплуатации. Вместе с тем в последние годы все большее внимание привлекают адаптивные ЗПК, характеристики которых могут изменяться в соответствии с изменением режима работы двигателя , что приводит фактически к расширению частотного диапазона эффективной работы звукопоглощающей конструкции.

В традиционных пассивных методах снижения шума современные исследования направлены на создание многослойных и многопараметрических звукопоглощающих конструкций. При этом одним из основных резервов увеличения эф­фективности рассматриваются одновременное увеличение затухания на частоте следования лопа­ток рабочего колеса вентилятора и ее гармони­ках и расширение полосы частот эффективного затухания звука.

Затухание звука в канале с потоком определяется многими факторами, важнейшими из которых являются распределение источников излучения и структура звукового поля в канале, характер и параметры течения в пограничном слое на стенках канала, профили средних скоростей в канале.

Повышение затухания на фиксированной частоте может быть достигнуто как за счет оптимизации параметров ЗПК, так и посредством увеличения площади облицованной поверхности. Расширение полосы частот звукопоглощения сотовых конструкций как в область вы­соких, так и в область низких частот, воз­можно при использовании многопараметричес­ких облицовок, комбинированных двухслойных конструкций различной толщины с переменной перфорацией поверхностных слоев (рисунок 8.12).

Особое внимание привлекают адаптивные звукопоглощающие конструкции, частотные настройки которых могут автоматически подстраиваться под характерную частоту излучения лопаточных машин двигателя. Это так называемые ЗПК с продуваемым слоем (рисунок 8.12) и гибридные активно-пассивные звукопоглощающие конструкции (рисунок 8.13). Характерной особенностью всех конструкций является наличие резонансного контура в виде сотового заполнителя и акустической обратной связи, благодаря которой осуществляется управление частотой настройки всей конструкции.

В ЗПК с продуваемым слоем (рисунок 8.12) благодаря выдуву потока через пористый верхний слой конструкции осуществляется управление параметрами импеданса пористого слоя и параметрами пограничного слоя от основного потока на поверхности слоя, что позволяет управлять акустическими характеристиками звукопоглощающей конструкции.

Рисунок 8.12

Рисунок 8.13

В гибридных активно-пассивных звукопоглощающих конструкциях (рисунок 8.13) управление акустическими характеристиками ЗПК осуществляется посредством изменения геометрических размеров резонаторного контура. В качестве приводных механизмов рассматриваются микроэлектромеханические системы (МЕМС”ы).

Акустическая эффективность ЗПК существенно зависит от однородности акустического поля в канале, на которую оказывает заметное влияние отражение звуковых волн от поверхности звукопоглощающей конструкции. Отражение волн зависит от технологии изготовления конструкции и, в частности, от наличия стыковочных швов между отдельными участками ЗПК.

Расчетные исследования показывают, что при наличии трех продольных швов на цилиндрической поверхности ЗПК (рисунок 8.14) в канале воздухозаборника возникающие неоднородности акустического поля в канале приводят к тому, что потенциальные

Рисунок 8.14

возможности по снижению интенсивности шума на частоте следования лопаток вентилятора не превышают 6дБ. При отсутствии стыков в ЗПК потенциальные возможности в снижении уровня первой гармоники шума вентилятора достигают 30дБ.