Акустические характеристики вентилятора ТРДД

Уровни акустической мощности вентиляторов современных ТРДД типа НК86, Д36, Д18Т со степенью двухконтурности m = 3.1-6.0 составляют 150-155 дБ при взлетном режиме работы (рисунок 4.16).

В современном газотурбинном двухконтурном двигателе с высокой степенью двухконтурности вентилятор является не только основным источником шумности двигателя, но и основным источником акустической энергии. Например, уровень акустической мощности вентилятора двигателя типа Д36 (степень двухконтурности ~ 5.5) на взлетном режиме работы является самым высоким по сравнению с другими источниками шума и превышает уровень мощности излучения реактивной струи на ~ 4-5 дБ (рисунок 4.19). В то же время у ТРДД с низкой степенью двухконтурности типа НК86 (m = 1.3) даже при взлетном режиме работы уровень акустической мощности вентилятора ниже мощности реактивной струи на величину до 10 дБ (рисунок 4.18).

В основе аэродинамического шума вентилятора турбореактивного двигателя лежат детерминированные и случайные процессы, характеризующие силовое взаимодействие лопаток рабочего колеса и спрямляющего аппарата с потоком воздуха. Это взаимодействие осуществляется в процессе преобразования энергии вращения лопаток рабочего колеса в энергию движения среды через рабочее колесо, при взаимодействии потока с лопатками спрямляющего аппарата, при прохождении твердого тела лопаток через упругую воздушную среду.

В соответствии с терминологией, установившейся в акустике лопаточных машин, общее акустическое излучение ступени вентилятора подразделяется на шум вращения и вихревой шум. Первый обусловлен силовым взаимодействием лопаток РК и СА с воздушным потоком, а второй связан с излучением от турбулентного пограничного слоя на обтекаемой поверхности лопаток и от турбулентного следа за лопатками. В свою очередь шум вращения включает в себя шум от аэродинамической нагрузки и шум вытеснения. Шум вращения может значительно усиливаться при сверхзвуковых относительных скоростях на лопат­ках, когда перед ними образуется система ударных волн, а также при взаимодействии лопаток РК и СА с неоднородностями в потоке.

Аэродинамические нагрузки, действующие на лопатки РК и СА непрерывно во времени, в общем случае являются нестационарными случайными функциями и для установившихся режимов работы РК могут быть представлены в виде:

, (6.1)

где - стационарная случайная функция, - детерминированный множитель, учитывающий периодический характер изменения функции. Стационарную случайную функцию можно рассматривать в виде суммы статической, то есть независящей от времени, и динамической, или пульсационной составляющих.

При действии на среду нестационарной силы, являющейся аналогом периодического воздействия на среду лопаток РК, образуется акустическое излучение, спектр которого представляет собой суперпозицию спектров от статической и пульсационной составляющих нагрузки. Статической составляющей аэродинамической нагрузки соответствует дискретный спектр излучения, а пульсационной составляющей – непрерывный по частоте спектр излучения.

Акустическое излучение ступени вентилятора от воздействия на среду нестационарной нагрузки можно условно разделить, в зависимости от характера изменения нагрузки во времени, на непрерывное и импульсное, а в зависимости от вида спектра излучения – на гармоническое и широкополосное.

Излучение импульсного типа возникает при взаимодействии лопаток СА с равномерно распределенными по диску колеса неоднородностями в виде турбулентных следов за лопатками РК. Излучение импульсного типа может генерироваться и лопатками РК в случае, когда перед РК установлен входной направляющий аппарат, или когда имеет место взаимодействии лопаток РК с входной турбулентностью. Спектр импульсного излучения также представляет собой суперпозицию гармонической и широкополосной составляющих.

Неоднородность потока в ступени РК может быть вызвана различными причинами. Существен­ные неоднородности скоростей потока – радиальная и окружная - возникают как в воздухозаборном устройстве, так и в воздушном тракте ступени и связаны с турбулентностью входя­щего потока, пограничными слоями на стенках и на самих лопат­ках, а также с турбулентностью в следах, сходящих с лопаток, и во вторичных течениях на периферии колеса. Заметные неоднородности могут создаваться и в результате обтекания отдельных конструктивных элементов, имеющихся в проточных частях воздушного тракта двигателя - стойках, пилонах и т.п.

Существует несколько возможных моделей взаимодействия неоднородностей потока с лопатками РК и СА, приводящего к образовали звука. Одна из моделей - диполъная - объясняет появление звука действием на лопатку переменных пульсирующих сил. другая модель - квадрупольная - связывает генерацию звука с флуктуациями Рейнольдсовых напряжений в потоке, вращающемся вместе с ротором. В вентиляторах со сверхзвуковыми скоростями потека шум на гармониках роторной частоты вызывается ударными волнами, возникающими на передних кромках рабочих лопаток и в межлопаточных каналах.

Генерация шума лопатками РК и СА ступени турбомашин осложняется проявлением дополнительных эффектов, обусловленных влияниями атмосферной турбулентности и входного направляющего аппарата на шум ступени, влиянием акустических свойств воздуховодного канала на распространение звука (эффекты отсечки и конвекции). В условиях натурного эксперимента все отмеченные явления и эффекты проявляются совместно, и это накладывает определенные ограничения на возможности интерпретации экспериментальных данных

Спектральные характеристики шума одноступенчатого венти­лятора без входного направляющего аппарата (ВНА) в значи­тельной мере зависят от окружной скорости на периферии рабо­чего колеса (РК). При дозвуковых скоростях РК в спектре на фоне широкополосного шума доминируют дискретные составляю­щие на частоте следования лопаток РК и ее гармониках (рисунок 6.1, двигатель – Д36, М_отн =0.73).

Рисунок 6.1

Частота дискретной составляющей , где п — частота вращения; z — число лопаток РК. При работе вентилятора на сверхзвуковом режиме в спектре шума всасывания (излучаемого против потока), помимо перечисленных выше компонент, появ­ляются интенсивные дискретные составляющие на частоте враще­ния и ее гармониках, занимающих довольно широкую область частот (рисунок 6.2 , двигатель – Д36, М_отн =1.248).

Рисунок 6.2

Этот низкочастотный шум является шумом вращающихся ударных волн, система которых существует перед решетками рабочего колеса при сверхзвуковых относительных скоростях потока. Общий уровень шума вентиляторов без ВНА при сверх­звуковых скоростях потока выше, чем при .дозвуковых за счет шума ударных волн.

Среди всех спектральных составляющих акустического излучения вентилятора наибольшие уровни звукового давления соответствуют излучению на частоте следования лопаток рабочего колеса. Однако в энергетическом плане это излучение не является доминирующим.

На рисунке 6.3 показано для направления излучения 70⁰ соотношение между интенсивностью различных составляющих излучения вентилятора ТРДД типа Д18Т (m=6) в диапазоне изменения относительного числа Маха потока на периферии РК, равном 0.85 – 1.35. Данные получены на основе обработки узкополосных спектров уровней звукового давления с шириной полосы пропускания 5 Гц и 25 Гц. Здесь ΔL_i – разность между i – составляющей шума и суммарным уровнем звукового давления в полосе частот 0 – 10000

L_СЛ – уровень дискретной составляющей излучения на частоте следования лопаток РК, L_РГ – суммарный уровень гармонических составляющих излучения на гармониках роторной частоты, L_C1 – суммарный уровень звукового давления в полосе частот 0 – 2000 Гц. На примере вентилятора двигателя Д18Т можно видеть, что в энергетическом плане доминирующим является широкополосное акустическое излучение в диапазоне частот 250 – 10000 Гц, причем его интенсивность в рассматриваемом диапазоне изменения числа Маха относительной скорости слабо зависит от режима работы ступени.

Рисунок 6.3

Интенсивность излучения на частоте следования лопаток РК имеет максимум в диапазоне чисел Маха М_ОТН = 1.0 – 1.1, а при дальнейшем возрастании режима работы ступени она падает. Наоборот, интенсивность излучения на гармониках роторной частоты с ростом числа М_ОТН сначала резко возрастает, а при М_ОТН > 1.2 изменяется незначительно.

В случае многоступенчатого вентилятора с входным направляющим аппаратом (на практике их обычно называют компрессорами низкого давления) первая ступень является доминирующим источником излучения на частоте следования лопаток РК.

Акустическое излучение вентилятора на частоте следования лопаток РК обладает определенной направленностью, которая зависит от режима работы ступени (дозвуковой или сверхзвуковой) и от конструктивных особенностей (наличие ВНА, количество ступеней и т.п.)

Рисунок 6.4

Для одноступенчатого вентилятора без ВНА ТРДД типа Д18Т, Д36, ПС-90А (m = 4-6) направленность гармонического излучения на частоте следования лопаток РК в большей степени выражена в задней полусфере двигателя как при дозвуковом, так и при сверхзвуковом режимах работы ступени (рисунок 6.4). Максимум интенсивности излучения имеет место: при сверхзвуковом режиме работы – в направлении θ = 110⁰.

В передней полусфере ТРДД наблюдается значительный разброс экспериментальных данных, что обусловлено, в основном, влиянием конструктивных особенностей воздухозаборного канала на распространение акустического излучения ступени вентилятора. Максимум направленности излучения соответствует азимутальным углам θ = 40⁰ – 70⁰.

Для 3-х - 4-х ступенчатого вентилятора с ВНА (ТРДД типа НК8-2У, НК86, Д30 2-й серии - с низкой степенью двухконтурности : m = 1 – 1.3) направленность гармонического излучения на частоте следования лопаток РК первой ступени отчетливо выражена как в передней, так и в задней полусферах двигателя (рисунок 6.5).

Рисунок 6.5.

Максимум характеристики направленности имеет место при θ = 30⁰ – 50⁰ и θ = 100⁰ - 120⁰. При этом энергия распространяется преимущественно в переднюю полусферу двигателя.

Характеристика направленности излучения 2-х ступенчатого вентилятора с ВНА ТРДД типа Д30А (m = 2.63) занимает промежуточное положение между соответствующими характеристиками одноступенчатого и 3-х – 4-х ступенчатого вентилятора. В многоступенчатом вентиляторе доминирующее направление распространения акустической энергии на частоте следования лопаток РК определяется местоположением ступени. У первой ступени энергия распространяется, в основном, в переднюю полусферу ТРДД, а у последней ступени – в заднюю полусферу.

В одноступенчатом вентиляторе ТРДД имеется по крайней мере два источника гармонического акустического излучения. Это – лопатки рабочего колеса и лопатки спрямляющего аппарата. Лопатки РК излучают звук вследствие силового взаимодействия с набегающим потоком, а лопатки статора – в основном благодаря взаимодействию с вращающейся решеткой турбулентных следов за лопатками ротора. Относительный вклад каждого из этих источников в общее излучение ступени зависит от осевого расстояния между РК и СА. В предельных случаях большого и малого расстояний доминирует либо излучение от РК, либо излучение от СА.

Интенсивность акустического излучения вентилятора на частоте следования лопаток РК в общем случае зависит от скорости обтекания лопаток РК и СА набегающим потоком, степени турбулентности потока, аэродинамических и геометрических характеристик лопаток.

У аэродинамических источников дипольного типа интенсивность излучения пропорциональна , где - скорость обтекания ло­паток в относительном движении; несущие свойства решетки лопаток мо­гут быть охарактеризованы величиной перепада давления воздуха, реализуемого ступенью ( } , а особенности работы ступени на нерасчетных режимах - через отношение относительных скоростей обтекания лопаток на расчетном и нерасчетном режимах. Таким образом для интенсивности излучения на частоте следования лопаток справедливо соотношение:

~ , (6.2)

где - параметр, учитывающий влияние степени турбулизации потока на шум лопаток Рк или СА и пропорциональный относительному осевому расстоянию между источником турбулизации потока и решеткой лопаток.

Последнее соотношение позволяет, при соответствующем подборе параметров "а", "b", "с", обобщить известные экспериментальные данные по гармоническому шуму ступени вентилятора на частоте следования лопаток РК. На рисунке 6.6 представлены результаты обработки экспериментальных данных по шуму ряда отечественных и зарубежных ТРДД с раз­личной степенью двухконтурности. По оси ординат здесь отложена функция:

, (6.3)

а в качестве параметра используется число Маха относительной скорос­ти потока на периферии лопатки РК ( ). Здесь:

, (6.4)

к = 90 и 50 соответственно для передней и задней полусфер двигателя, G - расход воздуха через ступень вентилятора.

Рисунок 6.6

Все экспериментальные данные в целом удовлетворительно группи­руются вблизи некоторой зависимости, которая немонотонным образом изменяется по параметру и имеет максимум вблизи ≈ 1.1.

Пос­леднее обстоятельство обусловлено тем, что в соотношениях (6.2-6.4) не учитываются вклад волновых процессов в дополнительную генерацию шума ступенью вентилятора и эффекты, связанные с распространением звука в каналах двигателя (конвекция звука и явление отсечки.

Полу­ченные обобщенные данные свидетельствуют о преобладающей роли дипольной модели генерации шума ступенью вентилятора. На основании данных, приведенных на рисунке 6.6, функция " F " в выражении (6.3) может быть представлена в виде простых аппроксимационных соотношений.

Для передней полусферы:

, при , (6.5)

при

Для задней полусферы:

, при , (6.6)

при .

Дискретная составляющая спектра шума одноступенчатого вентилятора без ВНА, наблюдаемая на частоте следования лопа­ток РК, обусловлена следующими механизмами излучения звука: взаимодействием следов лопаток РК с неподвижным аппаратом (направляющим или спрямляющим), взаимодействием РК с неравномерностями потока, силовым воздействием лопаток РК (шум вращения). В противоположность последней компоненте первые две принято называть «шумом взаимодействия». В механизмах шумообразования различают «потенциальное» взаимодействие, теоретически-существующее в потенциальном потоке идеального газа, и «следовое» или «вязкое», определяемое влиянием вязкости реального газа.

Первый из перечисленных механизмов участвует в генерации шума только в том случае, если последовательность сигналов, образующихся в результате пересечения лопаток СА следами, сходящими с лопаток РК, движется со сверхзвуковой скоростью. В противном случае наблюдается явление отсечки, когда возни­кающие в результате взаимодействия ротор - статор возмущения экспоненциально затухают в направлении нормали к фронту ре­шетки. В этом случае возбуждается так называемая поверхност­ная волна (волна Рэлея), движущаяся вдоль решетчатой области, тогда как вдоль оси канала звуковая энергия не переносится.

При обтекании лопаток вентилятора сверхзвуковым потоком перед РК образуются головные скачки уплотнения, наклоненные под опреде­ленными углами к потоку относительно лопаток. По мере удаления от лопаток интенсивность скачков уплотнения убывает, и они приближают­ся к волнам Маха. В канале воздухозаборника ТРДД волны Маха образу­ют спираль, угол наклона которой определяется относительным числом Маха потока. Неподвижный наблюдатель, находящийся в поле этих волн, воспринимает их как гармонический шум. Если бы ударные волны на всех лопатках РК были совершенно идентичны, то в дальнем акустическом по­ле основная гармоника этого излучения соответствовала бы частоте следования лопаток вентилятора.

Однако, на практике, как это было показано на примере вентилятора двигателя Д.36 (рисунок 6.2), излучение от ударных волн воспринимается на гармониках частоты вращения ротора вентилятора ("роторные" гармоники), что может быть обусловлено не идентичностью скачков уплотнения на лопатках РК.

Интенсивность излучения на роторных гармониках определяется многими параметрами, важнейшими из которых являются интенсивность скачков уплотнения на лопатках, форма проточной части и длина воздухозаборного канала, разброс значений геометрических характеристик решетки лопаток, степень проявления эффекта отсечки и др.

Экспериментальные исследования шума вентиляторов отечественных двигателей типа Д.36, Д.18Т со стендовым воздухозаборником позволили определить энергетические и спектральные характеристики, направ­ленность излучения ударных волн вентиляторов. Установлено, в частности, что акустическое излучение на гармониках роторной частоты стано­вится заметным в узкополосных спектрах звукового давления уже при околозвуковых скоростях потока на периферии лопаток рабочего колеса. Гармоники располагаются как в области средних частот (ниже частоты следования лопаток РК), так и в области высоких частот (вше частоты следования лопаток).

Излучение вентилятора на гармониках роторной частоты обладает отчетливой направленностью: максимум акустической энергии распрост­раняется в переднюю полусферу вентилятора в направлениях θ =40⁰-60° (рисунок 6.7).

Рисунок 6.7

Различие в суммарных уровнях звукового давления для из­лучения на гармониках роторной частоты в направлениях θ =50° и θ =120° составляет 12 дБ. Направленность акустического излучения прак­тически не зависит от его суммарной мощности и частоты спектральной составляющей.

Воздухозаборный и выхлопной каналы вентилятора представ­ляют собой волноводы цилиндрической формы соответственно круглого и кольцевого сечений. В зависимости от характера воз­мущений на границах (то есть в плоскости входа в вентилятор и выхода из него) эти волноводы обладают той или иной акустиче­ской проводимостью. В частном случае они могут вообще явиться фильтрами, практически полностью задерживающими возмущения некоторых типов.

Условия рас­пространения шума ударных волн по воздухозаборному каналу существен­но зависят от формы канала. Воздухозаборники двигателей пассажирских самолетов характеризуются поджатием входного сечения, вследст­вие чего шум ударных волн обычно экранируется стенками канала и не распространяется за его пределы. Например, в дальнем акустическом поле самолета Як-42 при взлетном режиме работы двигателей, соответ­ствующем сверхзвуковому режиму работы вентилятора ТРДД Д.36, в спектре акустического излучения отсутствуют роторные гармоники.

Если же стен­ки канала не полностью перекрывают проекцию сверхзвуковых областей течения в РК на входное сечение воздухозаборника, то какая-то часть излучения вентилятора на роторных гармониках может распространяться в дальнее акустическое поле ТРДД (самолет Ан-124, двигатель Д.18Т).

Влияние эакромочных следов на шум РК и СА.

При взаимодействии системы турбулентных закромочных следов, образующихся за лопатками РК, с лопатками спрямляющего аппарата, или следов за лопатками ВНА с решеткой профилей РК, происходит генерация акустического излучения, спектр которого состоит из дискретных и ши­рокополосной составляющих. Колебания скорости в закромочном следе оказывают влияние на величину угла атаки решетки профилей ( соответ­ственно РК или СА), что вызывает изменение величины подъемной силы. Это изменение происходит периодически по мере относительного переме­щения закромочных следов и лопаток решетки. Изменение скорости и из­менение угла атаки воздействуют на образование подъемной силы профи­ля (Y) различным образом, то есть:

Y ~ α ~ , поэтому Y ~ V.

Амплитуда колебаний скорости в закромочном следе лопатки РК зависит от относительного расстояния ( ) от начала закромочного следа и для решетки профилей равна:

~ ,

где х - удаление от начала закромочного следа, b - хорда лопатки, - относительный осевой зазор между началом закромочного сле­да и решеткой профилей. Учитывая, что Y ~ V, а звуковая мощность пропорциональна W ~ Y², будем иметь:

W ~ V²~

~ (6.7)

Экспериментальные исследования шума ступеней вентилятора с различны­ми величинами осевого зазора между РК и СА дают аналогичные зависимости (рисунок 6.8).

Рисунок 6.8

Для ТРДД со степенью двухконтурности m >3 величина как правило больше 1. Как показывают экспериментальные данные, для этих вентиляторов справедливо отношение

(6.8)

Влияние скорости полета на шум ступени.

Измерения уровней звукового давления на стенке воздухозаборного канала различных ТРДД в статических и полетных условиях показали ( рисунок 6.9) , что при пониженных режимах работы двигателей уровни гармоник на частоте следования лопаток РК на 6-10дБ ниже, чем при статических испытаниях ТРДД. При возрастании числа Маха эффективной скорости потока на периферии лопаток РК до величины 1,0-1,1 этот эффект практически пропадает.

Рисунок 6.9

Экспериментально установлено, что в статических условиях доминирует акустическое излучение, генерируемое нерегулярными источниками (турбулентность), а в полетных условиях - квазипериодическими источниками, связанными только с РК и СА.

Степень неоднородности потока на входе в РК в значительной степени зависит не только от атмосферной турбулентности, но и от формы воздухоэаборного канала. Это проявля­ется в различии уровней и спектров шума вентилятора, измеренных в статических условиях в дальнем поле ТРДЦ с различными типами воздухоза­борников ( цилиндрический канал с плавным входом и объектовый воздухозаборник с поджатием входного сечения) , которое может достигать величины 5-10дБ.

В статических условиях воздухозаборник с плавным входом слабо чувствителен к боковому ветру и обеспечивает непрерывное распределение ускорения потока вплоть до входного сечения в РК, в то время как в объектовом заборнике происходит сильное торможение пото­ка, приводящее к утолщению пограничного слоя на стенке канала и силь­ной неравномерности профиля скорости в поперечном сечении.

При боковом ветре в объектовом воздухозаборнике может происходить отрыв по­тока от стенки, что вызывает значительное повышение степени нерав­номерности потока на входе в РК. При наличии поступательного движения ТРДД (то есть в полетных условиях) происходит снижение влияния атмосферной турбулентности и ветра на неравномерность поля течения в канале объектового воздухозаборника. Этим объясняется снижение интенсивности шума вентилятора при наличии поступательного движения и повышение уровня шума ступени с объектовым воздухозаборником в статических условиях по сравнению с шумом ступени с лемнискатным воздухозаборником.

Функция влияния B_v , входящая в расчетную модель рассматриваемого эффекта, принимается равной B_v=1 для ТРДД с любым видом воздухозаборника в полетных условиях. Для случая работы ТРДД с самолетным воздухозаборником в стати­ческих условиях величина B_v может быть определена с по­мощью аппроксимационного соотношения:

B_v = , (6.9)

где М - число Маха эффективной скорости потока на периферии РК.

Влияние решетки пилонов на шум РК

Теоретически и экспериментально установлено, что возму­щения давления, возникающие при обтекании решетки пилонов, распространяются вверх по потоку и вызывают изменения аэродинамической нагрузки, действующей на лопатки рабочего колеса. Эти изменения нагрузки возрастают с увеличением толщины пилона. С увеличением относительного расстояния между решеткой пилонов и РК величина возмущений давления экспоненциально снижается (рисунок 6.10).

Рисунок 6.10

Наличие статора СА, по­мещенного между РК и решеткой пилонов, вызывает увеличение "дальнобойности" распространения возмущений вверх по потоку. Влияние других параметров пилона (хорда, угол атаки) на создаваемые им возмущения незначительно. Величина возмущения давления на задней кромке лопатки РК, оцененная в рамках теории потенциальных течений для источника в однородном поле, равна:

,

где b - характерная толщина пилона, х - осевое расстояние между РК и решеткой пилонов. Для оценки величины функции влияния B_n можно использовать сле­дующее аппроксимационное соотношение:

. (6.10)

где - относительный осевой зазор между РК и решеткой пило­тов, b_n- толщина профиля пилона, - густота решетки пилонов, k_n - число пилонов, d_n - диаметр внутренней окружности кольца пилонов.

Эффект конвекции.

Высокоскоростной поток, образующийся в каналах вентилятора, вызывает конвекцию (снос) звука в заднюю полусферу ТРДД. Степень проявления эффекта конвекции зависит от продольной сос­тавляющей скорости потока, если канал цилиндрический, и от распреде­ления относительной скорости потока по размаху лопатки (от втулки до периферийного сечения), если рассматривается межлопаточное простран­ство.

В межлопаточном пространстве при достижении сверхзвуковой от­носительной скорости на периферии скорость потока вблизи втулки может быть дозвуковой. Поэтому вынос акустической энергии в направлении, противоположном потоку, зависит от распределения относительной скорости потока по размаху лопасти. Результаты экспериментальных оценок эффекта конвекции широкополосного акустического излучения для диапа­зона чисел Маха на периферии лопаток РК до 1.6 представлены на рисунке 6.11, где ∆М = М – М_вт - разность между числами Маха относитель­ной скорости потока на периферии и втулке лопатки РК.

Рисунок 6.11

Функция влия­ния D_k может быть определена с помощью следующих соотношений, Для рабочего колеса:

D_k = 1 - M, при φ ≤ 90⁰,

D_k = 1 + M, при φ > 90⁰.

Для спрямляющего аппарата, если число Маха относительной скорости по­тока М ≤ 0.8, то:

D_k = 1 - M, при φ ≤ 90⁰,

D_k = 1 + M, при φ > 90⁰,

а если число Маха М>0,8, то для излучения, распространяющегося через межлопаточные пространства РК (то есть φ ≤ 90⁰) :

. (6.11)

Эффект отсечки.

В механизмах шумообразования различают «потенциальное» взаимодействие, теоретически существующее в потенциальном потоке идеального газа, и «следовое» или «вязкое», определяемое влиянием вязкости реального газа.

Первый из перечисленных механизмов участвует в генерации акустического излучения в том случае, если последовательность сигналов, образующихся в результате пересечения лопаток СА следами, сходящими с лопаток РК, движется со сверхзвуковой скоростью.

В другом (дозвуковом) случае наблюдается явление так называемой “отсечки”, когда возни­кающие в результате взаимодействия ротор-статор возмущения экспоненциально затухают в направлении нормали к фронту ре­шетки (то есть вдоль оси невозмущенного потока). В этом случае возбуждается так называемая поверхност­ная волна (волна Рэлея), движущаяся вдоль решетчатой области, тогда как вдоль оси канала звуковая энергия не переносится.

Условие отсечки (без учета осевого числа М потока) имеет вид

, (6.12)

где m - номер гармоники; k - целое число (0, ±1, ±2, ...); U_k - окружная скорость на периферии РК; с - скорость звука.

Из этого условия следует, что при заданной окружной скорости РК, путем соответствующего выбора соотношения чисел лопаток РК и СА, можно добиться снижения шума вентилятора, вызы­вая отсечку любой m-й гармоники частоты следования лопаток; для этого величина отношения Z_СА/Z_РК должна несколько превышать 2m (для случая U_k ≈ c). Например, для отсечки основной дискретной составляющей (m=1) число лопаток СА должно более чем в два раза превышать число лопаток РК.

Вместе с тем необходимо отметить, что в экспериментальных исследованиях шума вентиляторов современных ТРДД, спроектированных из условия отсутствия первой гармоники акус­тического излучения, тем не менее в спектре шума обнаружено присутст­вие интенсивной дискретной составляющей на частоте следования лопаток РК. Это свидетельствует о наличии и других механизмов генерации шума на частоте следования лопаток, при которых не проявляется действие аффекта отсечки. Таким механизмом может быть взаимодействие возмуще­ний во входном потоке с лопатками РК.

Для количественной оценки вли­яния эффекта отсечки на распространение гармонического излучения можно использовать соотношение для параметра отсечки, полученное из теоретической модели явления .

Для статической составляющей нагрузки, действующей на лопатки РК и СА, величина параметра отсечки равна:

,

для динамической составляющей нагрузки, действующей на лопатки СА:

Входящая в расчетную модель шума ступени вентилятора функция влияния отсечки D₀ может быть приближенно оценена с помощью аппроксимационного соотношения:

, (6.13)

где - параметр отсечки.

Лекция 7

Полуэмпирическая модель шума вентилятора. Газогенератор двигателя – энергетические характеристики основных источников излучения (камера сгорания и турбина).