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.

Шумность ТРДД

Под шумностъю понимается такая количественная характеристика источника, которая отражает степень раздражающего воздействия акус­тического излучения на человека. В соответствии с существующими стан­дартами воспринимаемая шумность (n_i) акустического излучения в третьоктавной полосе частот оценивается в единицах "ной" и зависит от интенсивности и частоты излучения. Значения n_i заданы в стандартах в табличной форме.

Суммарная шумность воспринимаемого человеком излучения в звуковом диапазоне частот (45-11300 Гц) оценивается с помощью критерия "суммарная воспринимаемая шумность" ( N ), опре­деляемого как:

, (4.24)

где i-номер третьоктавной полосы частот, n_max - максимальная величина воспринимаемой шумности в спектре излучения.

По аналогии с суммарным по третьоктавному спектру уровнем звуко­вого давления в стандартах введено понятие "уровень воспринимаемого шума" (РNL). Величина PNL оценивается в единицах PNдБ и определяет уровень суммарной шумности излучения в диапазоне частот 45-11300 Гц.

PNL(k) = 40,0 + 33,22 lgN (k). (4.25)

Вместе с тем параметр “PNL” не всегда бывает удобным для характеристики шумности ТРДД. Величина PNL зависит от направления распространения акустического излучения и для описания шумности ТРДД даже на одиночном режиме работы необходимо задание одномерной матрицы значений PNL.

Для описания шумности ТРДД вводится понятие "интегральная шумность" ( IN ), которое является аналогом понятия "мощность акустического излучения" (W).

По определению:

W ~ ,

IN~ , (4.26)

поэтому уровень интегральной шумности будет равен:

,

, (4.27)

где W₀ и IN₀ - пороговые значения мощности и интегральной шумности, равные:

p₀ = 2 10^-5 Па ;

. (4.28)

Здесь р₀ и N₀ - пороговые значения звукового давления и суммар­ной шумности. Для определения величины N₀ рассмотрим совместно два выражения для PNL : соотношение (4.25) и соотношение вида:

(4.29)

При N =1 величина PNL равна 40; подставив эти значения в вы­ражение (4.29), получим: N₀ = 10^-2 , ной.

Тогда в соответствии с (4.28) для условий МСА получим:

IN₀ = 2 10^-7 . (4.30)

На практике для оценки уровня интегральной шумности (L_IN) и характеристики направленности шумности можно использовать пространствен­ное распределение уровней воспринимаемого шума (PNL ) (соотношение 2.4).

Уровни интегральной шумности отечественных ТРДД при различных режимах их работы приведены на рисунке 4.24.

Рисунок 4.24

Для ТРДД с различной степенью двухконтурности при отсутствии в двигателе ЗПК все экспериментальные данные группируются вблизи некоторой монотон­ном зависимости, близкой к линейной. Увеличение взлетной тяги дви­гателя или увеличение режима работы приводит к возрастанию уровня интегральной шумности. Использование в двигателе звукопоглощающих конструкций приводит к снижению уровня интегральной шумности. Для ТРДД типа Д.18Т эффективность ЗПК составляет ~10РN дБ при взлетном режиме работы.

Характеристика направленности шумности ТРДД также зависит от режима работы и степени двухконтурности двигателя. Уменьшение режима работы в целом приводит к уменьшению неравномерности пространствен­ного распределения шумности в диапазоне углов наблюдения φ =20⁰-150° (рисунки 4.25а,б).

Рисунок 4.25а

Рисунок 4.25б

При максимальном и повышенных дроссельных режимах (0,9N-N) работы наибольшая шумность для всех рассматриваемых типов ТРДЦ имеет место в задней полусфере в диапазоне углов φ =90⁰-150°. Причем у ТРДД с ЗПК максимум шумности располагается вблизи оси реактивной струн ( φ> 130°), а у ТРДД с высокой степенью двухконтурности - при φ =100⁰-130° и φ< 40°.

Подобное пространственное распределение шумности свидетельствует о том, что у ТРДД с m < 3 при максимальном и высоких дроссельных режимах работы основным источ­ником шумности является реактивная струя, а при низких режимах - внутренние источники акустического излучения двигателя - лопаточные машины, камера сгорания. У двигателей с высокой степенью двухконтурности при всех режимах работы основными источниками шумности явля­ются внутренние источники акустического излучения.

Полученные данные о пространственном распределении шумности ТРДД позволяют определять средства снижения шумности двигателя в за­висимости от конкретной практической задачи.

Оценка шумности ТРДД в единицах РN дБ является достаточно сложной и требует проведения длительного акустического испытания дви­гателя и последующей обработки на ЭВМ экспериментальных данных. В случаях, когда необходимо существенно ускорить и удешевить этот процесс, можно использовать прямые измерения суммарного уровня зву­кового давления по шкале "Д" стандартного шумомера и с помощью кор­ректирующих поправок Δ_D перевести результаты измерений в значения уровней воспринимаемого шума PNL:

PNL = L_D + Δ_D . (4.31)

Лекция 5

Генерация шума турбулентным потоком. Неоднородное волновое уравнение Лайтхилла – Керла. Изотермическая струя – структура течения, турбулентные и акустические характеристики. Основные закономерности шума – мощность, направленность и спектр акустического излучения затопленной струи и струи в спутном потоке. Соосные струи.. Полуэмпирические модели шума затопленной струи, струи в спутном потоке и соосных струй.