К вопросу разработки глушителей шума реактивной струи

Аннотация

В настоящей работе анализируются результаты исследований акустических характеристик дозвуковых реактивных струй при воздействии на них высокочастотного шума. В качестве основного устройства, генерирующего высокочастотный звук, рассматривалась система, состоящая из периферийных сопел, расположенных вокруг основного (базового) сопла. Выявлено, что звуковое облучение оказывает существенное влияние на аэродинамические и акустические характеристики дозвуковых турбулентных струй.

Полный текст

Введение

Работы, проводимые двигателестроительными фирмами и научно-исследовательскими центрами, привели к созданию целого ряда эффективных газотурбинных установок (ГТУ). Данный факт обусловил широкое применение ГТУ в энергетике, морском и наземном транспорте. Например, в «Белой книге» [1] холдинга «РЖД» с целью увеличения эффективности предусмотрено сокращение удельных затрат на потребляемое тепловозами топливо. Для этого предполагается замещение дизельного топлива природным газом на величину 25 % к 2030 году путем перехода на эксплуатацию газотурбовозов. В частности, на российских железных дорогах началась эксплуатация отечественного газотурбовоза ГТ1h. Установка на газотурбовозе достаточно легкой и компактной ГТУ НК-361 позволило решить проблему создания мощного автономного локомотива. Мощность газотурбовоза ГТ1h более чем в три раза выше, чем у стандартных тепловозов. Однако использование ГТУ влечет за собой рост внешнего шума.

Анализ результатов эксплутационных испытаний газотурбовоза ГТ1h-002 с силовой установкой НК-361 [2] позволил определить минимальные требования к ГТУ, позволяющие повысить эффективность использования газотурбовозов. В числе этих требований снижение уровня внешнего шума до 87 дБ [3].

Например, основным источником внешнего шума тепловозов является шум струи отработавших газов дизеля, достигающий уровня 120–140 дБ. Для снижения уровня этого шума применяют механические глушители, которые в основном рассекают поток и приводят к его резкому торможению. При этом растет противодавление в глушителе, и, как результат, двигатель теряет мощность. Однако из опыта разработки выходных устройств турбореактивных двигателей (ТРД) известно, что основная задача выходного устройства ТРД — это обеспечение пропускной способности, поддерживающей требуемую согласно термодинамическому расчету оптимальную рабочую линию совместной работы вентилятора и газогенератора для получения максимального КПД этих узлов, т. е. минимального удельного расхода топлива. Такая задача решается выбором эффективной площади сопла с учетом коэффициента расхода, равного отношению действительного расхода газа к идеальному расходу. Таким образом, для эффективного снижения шума выхлопа ГТУ требуются методы шумоглушения, не ухудшающие рабочую линию совместной работы вентилятора и газогенератора.

1 Теоретические основы исследования

Закономерности образования шума дозвуковых турбулентных струй изучены достаточно подробно теоретически и экспериментально [4–5]. Так, общепризнано наличие в турбулентных струях когерентных структур — крупномасштабных периодических вихревых образований, развивающихся и взаимодействующих друг с другом на фоне мелкомасштабной турбулентности. Когерентные структуры могут излучать шум в процессах их образования, роста, слияния и разрушения в конце начального участка. Зависимость когерентных структур от начальных условий истечения, их чувствительность к периодическим возмущениям позволяют управлять аэродинамическими и акустическими характеристиками турбулентных струй.

Весьма эффективным является метод управления турбулентностью в струйных течениях путем воздействия на их когерентные структуры [6–7]. Так, высокочастотное звуковое облучение при числе Струхаля $St=\frac{fd}{\upsilon }=\mathrm{2....5}$ приводит к ослаблению турбулентного смешения в начальном участке, уменьшению характерного масштаба турбулентности в слое смешения и, как следствие этого, к снижению широкополосного шума струи.

Работы по исследованию влияния акустического облучения реактивной струи на процесс развития турбулентности в струе начались в ЦАГИ в конце 70-х годов прошлого века. Было показано, что звуковое облучение оказывает существенное влияние на аэродинамические и акустические характеристики дозвуковых турбулентных струй. Впоследствии эти исследования были распространены на сверхзвуковые струи [6].

В настоящей работе исследуются акустические характеристики дозвуковых реактивных струй при воздействии на них высокочастотного шума. В качестве основного устройства, генерирующего высокочастотный звук, рассматривалась система, состоящая из периферийных сопел, расположенных вокруг основного (базового) сопла. Диаметр периферийных сопел был на порядок меньше диаметра основного сопла. Скорость истечения периферийных струй равнялась скорости истечения газа из основного сопла. Если диаметр периферийных струй в 10 раз меньше диаметра основной струи $d_2=\raisebox{1ex}{$d_1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$10$}\right.$, то $f_2=10f_1$. Следовательно, число Струхаля, определенное по диаметру и скорости основной струи и частоте $f_2$ воздействующего на основную струю звука, будет составлять $St=\frac{f_2{d}_1}{\upsilon }=10\frac{f_1{d}_1}{\upsilon }=\mathrm{2....5}$, т. е. шум, генерируемый периферийными струями, воспринимается основной струей как высокочастотное возбуждение.

2 Этапы разработки устройств шумоглушения дозвуковой реактивной струи

Исследования на горячих струях устройств, реализующих акустический метод снижения шума дозвуковой реактивной струи, были осуществлены в заглушенной камере. На моделях исследовалось влияние конструктивных элементов на эффективность шумоглушения струйной системой (струйный глушитель), включающей в себя базовое сопло и периферийные сопла, расположенные по окружности вокруг базового сопла. Испытания в заглушенной камере проходили в несколько этапов. Результаты акустических испытаний сразу пересчитывались на полетные условия натурного двигателя с диаметром сопла 1,06 м.

Модельная установка первого и второго этапа исследований (см. рис.) состояла из базового сопла диаметром $D=80$ мм и периферийных сопел (трубопроводов) диаметром , расположенных по периметру базового сопла.

Рис.. Модельная установка

Fig.. Model installation

Периферийные сопла питались через коллектор. На данной установке исследовалось влияние конструктивных параметров на эффективность глушения струи. Рассматривались следующие конструктивные параметры: количество периферийных сопел n; диаметр периферийных сопел $\overline{d}=\frac{d}{D}$; осевое $\overline{x}=\frac{x}{D}$ удаление периферийных сопел, здесь x — расстояние между плоскостями срезов основного сопла и периферийных сопел; радиальное $\overline{H}=\frac{H}{D}$ — удаление периферийных сопел, здесь H — удаление оси периферийного сопла от кромки среза основного сопла.

При испытаниях струйной системы выдерживалось постоянство термодинамических параметров. Так, температура продувочного воздуха на входе в базовое сопло поддерживалась равной $T_c=468\pm 1^{0}K$. Отношение полного давления на срезе периферийных сопел к статическому давлению ${\pi }_k=\mathrm{1,95}$. Для базового сопла эта величина составляла ${\pi }_c=\mathrm{1,9}$. Результаты модельных экспериментальных исследований первого этапа пересчитывались в уровни воспринимаемого шума (EPNдБ) для контрольной точки «набор высоты».

Влияние диаметра и количества, периферийных сопел на шум струйной системы исследовалось с периферийными соплами диаметрами: $\overline{d}=\mathrm{0,046}$, $\overline{d}=\mathrm{0,094}$ и $\overline{d}=\mathrm{0,119}$. При испытаниях плоскости среза периферийных сопел совпадали с плоскостью среза базового сопла $\overline{x}=0$, при этом радиальное удаление составляло $\overline{H}=\mathrm{0,225}$.

Варьирование количеством n для периферийных сопел диаметром $\overline{d}=\mathrm{0,046}$ эффекта не дало. В данном случае число Струхаля, определенное по диаметру D и скорости ${\upsilon }_1$ основной струи и частоте $f_2$ воздействующего на основную струю звука, составляло $St=\mathrm{5....10}$, что выходит за рамки диапазона $St=\mathrm{2....5}$.

Для периферийных сопел диаметром $\overline{d}=\mathrm{0,094}$ эффект снижения шума увеличивался с ростом числа периферийных сопел. Число Струхаля, определенное по диаметру D и скорости ${\upsilon }_1$ основной струи и частоте $f_2$ воздействующего на основную струю звука, в этом случае составляло $St=\mathrm{2....5.}$ При $n=4$ была получена эффективность 0,3 EPNдБ, при $n=9$ эффективность составила 0,4 EPNдБ, а при $n=12$ эффективность возросла до 1,2 EPNдБ. Для сопел $\overline{d}=\mathrm{0,119}$ тенденция снижения уровня шума струйной системы по сравнению с шумом базового сопла сохранилась. Глушитель в такой компоновке снижает шум реактивной струи в контрольной точке «набор высоты» на 1,5 EPNдБ.

Третий этап экспериментальных исследований, как и предыдущий этап, был связан с поиском конструктивных параметров, обеспечивающих максимальное снижение шума струи. Среди конструктивных параметров оставался один параметр, роль которого в снижении шума до конца не была установлена на первом и втором этапе. Это — осевое удаление периферийных сопел.

Испытания в заглушенной камере проходили на горячих струях $\left(T={\mathrm{460....480}}^{0}K\right)$. При этом соблюдалось равенство перепада давления в сопле и коллекторе ${\pi }_c={\pi }_k=\mathrm{2,1}$. Для оценки эффективности шумоглушения в каждой серии испытаний проводились продувки базового сопла диаметром $D=80$ мм.

Испытания третьего этапа осуществлялись с периферийными соплами диаметром $\overline{d}=\frac{d}{D}=\mathrm{0,071};\mathrm{0,091};\mathrm{0,121};\mathrm{0,14}$, что позволили получить эффективность для контрольной точки «взлет» — 2,2 EPNдБ.

Результаты испытаний моделей струйного глушителя позволили проработать ряд конструкций малошумных выходных устройств ГТД — например, глушитель шума реактивной струи [8], содержащий основное сопло диаметром D, расположенные вокруг него периферийные сопла диаметром $d=\left(\mathrm{0,07....0,17}\right)D$ и эжектор диаметром $D_{Э}$ со звукопоглощающей конструкцией. Длина части эжектора, выходящая за срез многотрубчатого сопла, выполняется равной $L=\frac{D_{Э}-D}{2K}+K(d+l)$, где $l$ — расстояние от кромки основного сопла до кромки периферийного сопла; коэффициент $K=\mathrm{0,12....0,29}$.

3 Обсуждение результатов исследования

Результаты первого этапа исследований на горячих струях показали.

1. Величина приведенной площади раскрытия периферийных сопел равная $\overline{F}\approx 12......17\%$, соответствует максимальным эффективностям снижения шума струи. Причем увеличение приведенной площади раскрытия периферийных сопел в случае использования периферийных сопел диаметром, соответствующим диапазону чисел Струхаля $St=\mathrm{2....5}$, эффективно как за счет увеличения диаметра $\overline{d}$ периферийных сопел, так и за счет увеличения числа n периферийных сопел.
2. Верхняя граница диапазона радиального удаления периферийных сопел, соответствующего максимальным эффективностям снижения шума струи, равна $\overline{H}\approx \mathrm{0,5}$.
3. Максимальную эффективность показала следующая компоновка струйного глушителя: основное сопло диаметром D; периферийные сопла диаметром $\overline{d}=\mathrm{0,119}$; приведенная площадь раскрытия периферийных сопел $\overline{F}\approx 17\%$ (число периферийных сопел $n=12$); осевое удаление периферийных сопел $\overline{x}=0$; радиальное удаление периферийных сопел $\overline{H}=\mathrm{0,375....0,5}$. Глушитель в такой компоновке снижает шум реактивной струи в контрольной точке «набор высоты» на 1,5 EPNдБ.

Основные результаты исследований второго этапа.

1. Диапазон радиального удаления периферийных сопел, соответствующий максимальным эффективностям снижения шума струи, равен $\overline{H}\approx \mathrm{0,05....0,5}$.
2. Наиболее эффективная компоновка струйного глушителя шума реактивной струи характеризуется следующими конструктивными параметрами: относительный диаметр периферийных сопел $\overline{d}\approx \mathrm{0,1}$; относительная площадь раскрытия периферийных сопел $\overline{F}\approx 12\%$ $(n=\mathrm{12,}\overline{d}=\mathrm{0,1})$ или $\overline{F}\approx 17\%$ $(n=\mathrm{12,}\overline{d}=\mathrm{0,119})$; относительное радиальное удаление осей периферийных сопел от кромки среза основного сопла $\overline{H}\approx \mathrm{0,05....0,5}$; относительное осевое удаление периферийных сопел $\overline{x}=0$.
3. Проведенные испытания показали следующие эффективности снижения шума при условии сохранения равенства тяг, площадей и компенсации гидравлических потерь.

Компоновка шумоглушителя с периферийными соплами диаметром $\overline{d}=\mathrm{0,1}$ $(\overline{F}=12\%)$:

— контрольная точка «взлет» — 1,5 EPNдБ.

Компоновка шумоглушителя с периферийными соплами диаметром $\overline{d}=\mathrm{0,119}(\overline{F}=17\%)$:

— контрольная точка «взлет» — 2,2 EPNдБ;

Проведенный анализ результатов исследований третьего этапа позволил установить диапазон осевого удаления периферийных сопел, обеспечивающий максимальные эффективности шумоглушения. Этому диапазону соответствуют значения ${\overline{x}}_2\approx \mathrm{0,5....1}$.

Заключение

Исследования в области снижения авиационного шума [9] показали, что наиболее оптимальными являются комбинированные системы шумоглушения. Данный факт объясняется тем, что человеческое ухо испытывает наибольший дискомфорт от шума в диапазоне частот 1–6,3 кГц. Таким образом, системы, снижающие шум в узком диапазоне частот, являются менее эффективными по сравнению с комбинированными шумоглушителями.

Опыт разработки глушителей шума выходных устройств ГТУ показывает, что использование новых материалов и методов [10], появившихся в последние десятилетия, способно привести к существенному прогрессу в области снижения шума ГТУ.