УДК 62

ПРОБЛЕМЫ АКУСТИЧЕСКОГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТУРБИН ТРДД ПЕРСПЕКТИВНОГО «ЗЕЛЕНОГО» ЛА

Белова С.Е.
Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьёва
доцент кафедры "Авиационные двигатели", канд., техн. наук, докторант очной докторантуры

Аннотация
Рассмотрено значение шума турбины в совокупном шуме двигательной установки перспективного «зеленого» ЛА, сделан анализ известных результатов исследования причин возникновения шума турбин и существующих способов шумоглушения. Предложен подход к комплексному решению проблемы снижения шума турбин в источнике.

Ключевые слова: малошумные экономичные пассажирские самолеты, турбореактивный двухконтурный двигатель, шум турбин, шумоглушение


PROBLEMS OF ACOUSTIC IMPROVING TURBOFAN ENGINE «GREEN» AIRPLANE

Belova S.E.
Rybinsk State Aviation Technical University named after P.A. Solovyov

Abstract
This article is about problems of acoustic improving turbofan engine «green» airplane.

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Белова С.Е. Проблемы акустического совершенствования турбин ТРДД перспективного «зеленого» ЛА // Современные научные исследования и инновации. 2013. № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2013/01/20396 (дата обращения: 04.06.2017).

В настоящее время ведутся активные научно-исследовательские и проектные работы по созданию двигателей для перспективных малошумных экономичных пассажирских самолетов.

Перспективный пассажирский высокоскоростной самолет 2020-2035 гг. (поколения N2, N3 по терминологии NASA) должен иметь низкий звуковой удар, высокую топливную эффективность, допуск к полетам со сверхзвуковой скоростью над сушей, быть экологически приемлемым. Проблема снижения шума самолета и его двигателей является одной из ключевых во всех рассматриваемых концепциях, тем более, если учесть, что объем пассажирских авиаперевозок гражданской авиации России к 2020 г., по прогнозам аналитиков, может достигнуть 138 млн. пассажиров в год, т. е. увеличиться почти в 3 раза.

Двигатель для самолетов поколения N+3 (по терминологии NASA – это поколение, которое планируется ввести в действие в 2020-2035 г.г.), пока все еще виртуальный, вобрал в себя комбинацию самых перспективных технологий, предложенных двигательными фирмами, и сейчас используется как концептуальный при исследованиях и оптимизации облика самолета. Этот виртуальный двигатель, по мнению исследователей, обеспечивает расчетные уровни характеристик самолетов поколения N+3 и позволяет приблизиться к долгосрочным целям.

Если оценить обсуждаемые западными фирмами перспективные параметры турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) для экологически чистых («зеленых») пассажирских самолетов (таблица 1), то можно сделать следующие выводы. При высоких степенях двухконтурности (m = 8 … 18) планируется реализовать большие суммарные степени повышения давления в компрессоре π*Σ и соответствующие им высокие температуры газа перед турбиной. Российские фирмы называют еще более амбициозные значения параметров перспективных ТРДД: максимальная полная температура газа перед турбиной Т*Гмакс = 2100 … 2350 К, суммарная степень повышения давления в компрессоре по полным параметрам π*кΣ = 50 … 100 и максимальная степень двухконтурности mмакc = 10 … 35 («ЦИАМ им. П.И. Баранова»).

Таблица 1. Основные параметры газогенераторов ТРДД для самолетов поколения N2А

N2A

π*в=1,4 π*в=1,5 π*в=1,6 π*в=1,7
Полетные условия Н=0, М=0 Н=9,5 М=0,8 Н=0, М=0 Н=9,5 М=0,8 Н=0, М=0 Н=9,5 М=0,8 Н=0, М=0 Н=9,5 М=0,8
π*Σ 43,7 48,4 43,6 46,4 43,5 44,9 43,6 43,6

Т*г, К

2200 1966 2200 1940 2200 1922 2200 1910

Т*грк, К (на входе в РК

1-й ст.)

2112 1891 2112 1886 2112 1850 2112 1838

Т*СА, К (на выходе из СА 2-й ст.)

1640 1464 1640 1445 1640 1431 1640 1421

 

 

По данным статистики и указаниям многих авторов, из всех неблагоприятных экологических факторов шум вызывает больше всего жалоб от населения – это объясняется тем, что от шума практически невозможно спрятаться, а жилые зоны при росте мегаполисов все ближе и ближе подходят к зонам аэропортов.

Известно, что шум двигателя доминирует при разбеге и взлёте, а именно эти режимы и влияют на акустический комфорт жилых районов.

Таким образом, одной из важнейших составляющих экологичности летательных аппаратов (ЛА) является приемлемый уровень шума его силовой установки. Задача обеспечения конкурентоспособности самолета по акустическим характеристикам непростая, её можно решить только комплексно, отдавая ведущую роль шумоглушению двигателя.

В России и в зарубежных странах решению этой задачи уделяется много внимания. В настоящее время действует, например, программа «Silencer», цель которой снизить до 2015 года уровень шума в окрестностях аэропортов до уровня шума «highway» («наземного транспорта»).

В этой программе принимают участие около 50 фирм Европы и Америки. При реализации «Silencer» предпочтение отдается классическим методам подавления шума (пассивному шумоглушению, конструктивным решениям и т.д.), и только намечены активные методы борьбы с шумом. Но уже в следующей, разрабатываемой в настоящее время программе «Openair» акценты смещены в сторону активных методов.

Не исключая пассивно снижение шума, «Openair» позволяет рассчитывать на качественный рывок в снижении его уровней до степени «bedroom» («в спальном районе»), что будет соответствовать предполагаемому ужесточению норм по шуму для новых самолетов на ~ 10 EPN дБ.

В ТРДД LEAR-X (фирма «CFM International»), работы по которому начались в 2008 г., например, применена турбина с низкой густотой решеток. А при разработке ТРДД Trent применена акустическая обработка корпуса турбины низкого давления (НД).

Несмотря на достигнутые успехи в шумоглушении, силовые установки по-прежнему остаются определяющим источником шума самолета на местности.

Основные причины шума лежат в области аэродинамики рабочего тела двигателя. Из-за огромной скорости реактивная струя турбулизирует окружающий её воздух, вследствие чего возникает шум. Кроме того, шумят механические детали: компрессор и турбина, лопатки которых тоже создают значительную турбулентность. Ранее большие резервы по уменьшению шума дала замена обычного турбореактивного двигателя (ТРД) двухконтурным турбореактивным двигателем (ТРДД), причем, чем выше двухконтурность m ТРДД, тем ниже генерируемый им уровень шума.

Согласно известным исследованиям максимальные уровни звуковой мощности современных двигателей при взлетном режиме работы достигают величины: у ТРДД с низкой степенью двухконтурности – 170 дБ (на примере двигателя НК86, m=1,3), у ТРДД с высокой степенью двухконтурности – 155 дБ (на примере двигателя Д18Т, m=6). 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.

У двигателей с высокой степенью двухконтурности (m > 3), а именно такие и станут силовыми установками «зеленого» ЛА, наиболее мощным источником акустического излучения на всех режимах работы двигателя все-таки является вентилятор. Далее по уровню акустической мощности располагаются реактивная струя, камера сгорания и турбина. Но в то же время относительный уровень мощности турбины возрастает на низких дроссельных режимах работы двигателя.

Двигатель работает на режимах с пониженной тягой в момент взлета и посадки, именно поэтому в плане акустической безопасности перспективного «зеленого» ЛА роль турбины выходит на передний план по степени важности.

На режиме захода на посадку, когда двигатели работают на пониженных дроссельных режимах, акустическое излучение турбины особенно заметно именно у ТРДД с высокой степенью двухконтурности.

Шум турбины в принципе вызывается теми же причинами, что и шум вентилятора, но имеет специфические особенности, главная из которых связана с высокой крупно- и мелкомасштабной неравномерностью и флуктуациями потока, выходящего из камеры сгорания. Это значительно усиливает все широкополосные и дискретные составляющие шума турбины. В результате турбина создает широкополосный шум как в области низких, так и в области высоких частот. Дискретные составляющие возникают на частотах следования лопаток турбин компрессора и вентилятора, а также на кратных им и комбинированных частотах.

Самым важным в нашем исследовании является то, что дискретный шум от тихоходных турбин вентилятора ТРДД с большой степенью двухконтурности может находиться в области наиболее неприятных для человеческого уха средних частот. Поэтому иногда специально увеличивают число лопаток турбины вентилятора для перемещения в высокочастотную зону. Но этого зачастую оказывается недостаточно.

Высокая степень турбулизации и неоднородности, значительная скорость, а иногда и закрутка потока за турбиной являются причинами появления шума выходного канала ТРДД. Здесь возникают два вида шума. Вихревой шум появляется при обтекании стоек и др. препятствий, а турбулентный представляет собой шум взаимодействия потока газа со стенками канала и т.п.

Надо сказать, что имеющиеся в известной литературе экспериментальные данные по шуму турбин ТРДД, как правило, не обладают необходимой степенью общности для построения надежной аналитической или эмпирической методик расчета дальнего акустического поля турбин, работающих в системе ТРДД. Известен целый ряд работ, посвященных изучению шума турбины. В результате исследований установлено, что в дальнем акустическом поле ТРДД обычно бывает заметно излучение от последней ступени турбины, служащей для привода вентилятора двигателя.

Интересно отметить тот факт, что распространение шума турбины вверх по потоку затруднено вследствие загромождения проходного сечения проточной части (тракта) камерой сгорания и ступенями компрессоров и конвекции звука потоком. На распространение шума турбины вниз по потоку заметное влияние оказывают импеданс среза сопла в осевом направлении, пульсации скорости и температуры в потоке, градиенты скорости и температуры в зонах перемешивания газовой и воздушной струи ТРДД между собой и с окружающей воздушной средой.

Что касается ступени турбины, то здесь образование шума осложняется наличием поля пульсаций температуры потока. При этом важнейшим источником шума являются пульсации давления на поверхности лопаток рабочего колеса (РК) и соплового аппарата (СА), когда они взаимодействуют с турбулентными следами за лопатками, расположенными выше по потоку.

Вследствие рефракции звуковых волн и дисперсии скорости звука в зонах турбулентного перемешивания потоков, которые приводят к неупорядоченным изменениям амплитуды и фазы колебаний вдоль фронта, происходит рассеяние энергии гармонических колебаний в области частот, прилегающих к частоте следования лопаток РК турбины. В результате действия этих явлений излучение турбины на частоте следования лопаток РК проявляется в дальнем акустическом поле в виде «размытого» по частоте спектрального максимума. Измерения, выполненные на фирме «Роллс-Ройс», показали, что непосредственно за турбиной в спектре пульсаций давления присутствует дискретная составляющая на частоте следования лопаток РК, однако после прохождения звука через выхлопную струю в дальнем акустическом поле фиксировался лишь «размытый» по частоте максимум давления.

Экспериментально установлено, что интенсивности отдельных составляющих в спектре акустического излучения турбины зависят от взаимного расположения сопел внутреннего и наружного контуров ТРДД, от соотношения чисел сопловых и рабочих лопаток, от закрутки лопаток СА, от степени равномерности распределения лопаток РК по шагу, от величины осевого зазора на ступени и числа оборотов ротора и т.п.

В настоящее время учеными разных стран предпринимаются значительные усилия по снижению шума турбин существующих и перспективных гражданских самолетов.

Конечно, сейчас повсеместно применяются способы внешнего глушения. При этом, важным способом снижения шума двигателя стало широкое использование так называемых звукопоглощающих конструкций (ЗПК).

Как известно, по принципу работы звукопоглощающие конструкции, выполняющие функции звуковых фильтров, разделяют на два типа: резонансные и диссипативные (с рассеиванием энергии). В резонансных ЗПК энергия падающей звуковой волны гасится за счёт возбуждения вынужденных колебаний воздуха в замкнутых объёмах резонаторов. В диссипативных ЗПК потеря акустической энергии происходит за счёт трения частиц в пористых структурах из гомогенного материала.

Резонансные ЗПК, применяемые в системах шумопоглощения авиационных двигателей, представляют собой одно- или двухслойные сотовые конструкции. Двухслойные ЗПК могут быть настроены не на одну, а на две частоты. Но, надо сказать, что у обоих типов полоса гасимых частот достаточно узкая.

Прорывом на фронте борьбы с шумом можно считать создание градиентных звукопоглощающих конструкций с плавным изменением пористости и плотности по толщине слоя. Отличительная черта этих материалов, созданных во Всероссийском институте авиационных материалов (ВИАМ), — высокая звукопоглощающая способность в очень широком диапазоне.

Благодаря установке ЗПК на отечественных авиадвигателях удалось снизить шум самолётов семейства Ту-204 и Ил-96 до норм ИКАО, действующих с 2001 г. К сожалению, применение звукопоглощающих конструкций не только удорожает строительство самолёта, но утяжеляет его конструкцию и соответственно ухудшает экономические показатели из-за повышения расхода топлива.

Известно, что эффективная длина облицовки звукопоглощающим покрытием определяется в четыре калибра канала.

Все существующие на данный момент средства шумоподавления относятся к пассивным, то есть глушится уже существующий звук. Но развитие науки и техники в настоящее время заставляет активно воздействовать на источники шума. Например, есть проект, предусматривающий установку внутри корпуса двигателя системы из микрофонов и излучающих устройств, которые принимают звуковой сигнал и подают его обратно в противофазе. Но в данный момент экспериментальная система весьма сложна и громоздка.

Многого ждут сейчас от фундаментальных исследований механизмов генерации шума турбулентными потоками, роли в этом процессе вихревых структур, изучения проблем образования вихрей и их распада. Так, удалось установить, что турбулентная струя состоит из совокупности элементарных вихревых колец различного размера, напоминающих по структуре кольца табачного дыма. Каждый такой вихрь генерирует узкополосные звуковые колебания, которые в сумме дают широкополосный шум турбулентной струи.

Развитие расчетно-экспериментальных методов для разрабатываемых перспективных двигателей на базе унифицированного газогенератора позволяет оптимизировать ротор-статор взаимодействие, определить модальный состав этого взаимодействия и настраивать акустические характеристики звукопоглощающих конструкций на подавление наиболее энергонесущих мод.

Ещё одним существенным мероприятием могло бы стать применение наклонных лопаток, снижающих уровень шума за счет фазового рассогласования излучения на выходе из колеса.

Для эффективной борьбы с шумом турбины перспективного «зеленого» ТРДД необходимо досконально разобраться в причинах, порождающих этот шум.

В плане изучения акустики турбины интересны опыты NASA на трехступенчатой турбине, которые показали: шум на дискретных частотах увеличивается при росте степени расширения на турбине и при постоянной скорости вращения; шум на дискретных частотах уменьшается при Т*г = const и при увеличении скорости вращения. Этот результат эквивалентен увеличению шума с повышением относительной скорости на рабочих лопатках при Т*г = const.

Очевидно, что для глушения шума перспективных турбин целесообразно реализовать программу, содержащую комплекс мер, перечисленные далее.

Для уменьшения шума необходимо, чтобы поток на входе в ступень был равномерным. С этой целью необходимо исключить косой задув в ступень, не допускать образование толстого пограничного слоя на стенках канала, удалить входной направляющий аппарат и другие тела, расположенные в потоке перед входом в ступень, которые могут являться причиной появления крупномасштабной турбулентности потока.

Снижения шума ступени лопаточной машины можно достичь увеличением относительного осевого зазора, определяемого отношением осевого зазора к хорде лопатки, вплоть до Δ=1. Но при Δ >1,0 увеличение дает незначительное снижение шума.

На уровень шума решетки турбомашины большое влияние оказывает геометрический угол входа потока, причем существует оптимальный угол, соответствующий оптимальному углу установки лопаток, при котором шумоизлучение минимально при любых углах атаки.

Уменьшение уровня шума на основной гармонике частоты следования лопаток f = nz (где n – частота вращения, z – число лопаток) достигается расфазировкой источников шума одним из следующих методов: неравномерным размещением лопаток; применением лопаток с изломом; использованием наклонных лопаток.

Снижение шума также достигается применением пористых лопаток или лопаток с отверстиями для смещения точки отрыва пограничного слоя.


Библиографический список
  1. Самохин В.Ф. Шум ГТД. Введение в авиационную акустику. Текст. – М.: Изд-во МАИ, 2007;
  2. Ланшин А.И., Палкин В.А., Федякин В.Н. Текст..// Анализ тенденций развития двигателей для самолётов гражданской авиации. Двигатель, №6, 2010;
  3. Скибин В.А. Работы ведущих авиадвигателестроительных компаний в обеспечение создания перспективных авиационных двигателей. Текст./ Под общей редакцией В.А. Скибина, В.И. Солонина. – М.: Изд-во ЦИАМ, 2010;
  4. Кузнецов В., Мунин А., Самохин А. Зеленый самолет. Текст.// сайт «Известия науки», публикация от 16.03.2009 г. [электронный ресурс];
  5. Чурсин В., Алексенцев А. Акустическое совершенствование двигателей нового поколения. Текст.// Информационно-технический бюллетень №19. Пермские авиационные двигатели. Ноябрь 2009 г.;
  6. Яковлева Е.А. Проблема авиационного шума. Текст.// Естествознание и гуманизм. 2006. Том 3. вып. 4.;
  7. Шляхтенко С.М., Сосунов А.А. Теория турбореактивных двухконтурных двигателей. Текст. – М.: Машиностроение, 1979.
  8. Власов Е.Н. Исследование шума лопаточных машин и способы его снижения (монография). Текст. – М.: ИРЦ Газпром, 1998;
  9. Авиационная акустика. Текст./Под. ред. А.Г. Мунина и В.Е. Квитки: –М.: Машиностроение, 1973;
  10. Аэродинамические источники шума. Текст./ А.Г. Мунин, В.М. Кузнецов, Е.А. Леонтьев: –М.: Машиностроение, 1981;
  11. Будаев, В. А. Проницаемые материалы в конструкциях глушителей аэродинамического шума. Текст./ В.А. Будаев, Л.А. Белхороев. Энергомашиностроение. 1989 № 2 С. 20-22;
  12. Синер А.А. Моделирование тонального шума авиационного двигателя. Текст.// А.А. Синер, А.М. Сипатов // Cборник научных трудов «Вычислительная механика». – Пермь: ПГТУ, 2006. – Вып. №4. – С.43–50.


Все статьи автора «Светлана Белова»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: