CC BY
89
_______УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГ И
То м XV 19 84
№ 5
УДК 534.85.629
АКУСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДЕЛЕЙ ЭЖЕКТОРНЫХ ГЛУШИТЕЛЕЙ ШУМА СТРУЙ
Ю. Г. Жулев, О. В. Лебедева, А. Г. Мунин, Ю. Ф. Потапов
Приведены результаты исследования акустических характеристик глушителя шума струи, выполненного в виде гофрированного сопла и эжектора со звукопоглощающими стенками. Экспериментально показано, что при определенном сочетании форм выходных сопел и размеров эжектора шум реактивной струи может быть снижен на величину, равную 13 дБ в области составляющих спектра, где шум максимален, как в стационарных условиях, так и в условиях полета до 270 км/час.
Акустические характеристики современных пассажирских самолетов с турбореактивными двигателями с низкой степенью двухконтурно-сти определяются в основном реактивной струей газа, которая, как известно, является мощным генератором шума. Поэтому ведется поиск эффективных мер по снижению шума струи. Первые работы по созданию глушителей шума струи относятся к 50-м годам, когда рассматривалось их применение для самолетов Ту-104, В-707, ДС-8, «Каравелла» и др. Глушители выполнялись в виде насадков различной формы, устанавливаемых на срезе сопла двигателя [1, 2]. Однако такие глушители не нашли применение из-за больших потерь тяги, несмотря на то- что для увеличения тяги предусматривалось, например, для самолета ДС-8, применение эжектора. Весьма интересный вариант глушителя шума струи предложен в работе [3], где снижение шума достигается с помощью вдува поперек струи мелких высокоскоростных струек воздуха.
На рис. 1 представлены соотношения между максимальным снижением шума и дополнительными потерями тяги при установке глушителей шума по сравнению с коническим соплом, полученные в результате обобщения экспериментальных исследований в США, Англии и Франции глушителей шума струи реактивных двигателей пассажирских самолетов [4]: / — соотношение указанных величин для большинства глушителей при уровне технологии 1972 г.; 2 — для лучших вариантов моделей глушителей при технологии 1979 г.; 3 — рекомендации Комитета по авиационному шуму Международной организации гражданской авиации (ИКАО) для проведения параметрических расчетов. Таким образом, при оценке акустической эффективности глушителей шума ИКАО рекомендуется считать, что снижение шума на каждый 1,2 РЫ дБ приводит к 1% потери тяги.
С целью поиска более экономичного варианта глушителя шума струи в ЦАГИ были проведены акустические и аэродинамические исследования различных схем глушителей. При разработке этих схем был использован опыт создания эжекторных глушителей шума реактивных двигателей, которые в стационарных условиях на аэродроме обеспечивали снижение шума на 25 дБ практически без потерь тяги [5].
Принципиальная схема такого глушителя представлена на рис. 2. Струя реактивного двигателя, истекающая из гофрированного сопла, эжектирует воздух из атмосферы и смешанный поток выбрасывается в атмосферу через выходное отверстие эжектора. Реактивная струя, эжектируя воздух, передает ему часть своей кинетической энергии и образует на выходе из эжектора струю большего диаметра и меньшей скорости. Снижение шума струи при этом достигается за счет уменьшения градиентов скорости на входе в эжектор и поглощения звука импедансными стенками эжектора.
Необходимо отметить, что значительный эффект снижения шума будет наблюдаться только в случае равномерного поля скоростей на выходе из эжектора. Опыты показывают, что для полного смешения потоков эжектируемого воздуха и струи необходимо иметь длину эжектора, равную 8—10 диаметрам эжектора. В случае короткого эжектора на выходе наблюдается поток с отчетливо выраженным профилем скорости, обусловленный струей газа из сопла двигателя. В этом случае эффективность снижения шума резко падает. С другой стороны, применение эжектора большой длины приводит к увеличению габаритов и веса конструкции глушителя, вследствие чего такие глушители
2
/—гофрированное сопло; 2—эжектор; 3—звукопоглощающая облицовка
не могут быть использованы для снижения шума струи двигателя в условиях самолетной компоновки.
Для улучшения эжектирующей способности струи и уменьшения требуемой длины эжектора необходимо изменить форму выходного сопла таким образом, чтобы на выходе его увеличилась поверхность взаимодействия струи с окружающим воздухом, обеспечивая хорошее смешение потоков и достаточно равномерное поле скоростей на выходе из эжектора.
Испытания в ЦАГИ проводились вначале на моделях самолетных эжекторных глушителей шума, а затем в аэродинамической трубе на натурном самолете с работающим двигателем. При модельных испытаниях измерялись акустические и аэродинамические характеристики глушителей, а при натурных — только аэродинамические.
Исследования на моделях проводились при имитации струи реактивного двигателя изотермической струей холодного воздуха при перепаде давления на срезе сопла, равном 1,6—2,2. Общий вид испытываемых сопел представлен на рис. 3. Сопло выполнялось либо в виде конического насадка (а), на боковой поверхности которого имеются четыре продольные щели (в дальнейшем такой насадок будем называть рассекателем), либо в виде гофрированного (многолепесткового) насадка (б). Исследовались два варианта эжекторов, имеющих диаметр на выходе, равный 1^ = 50 мм, и различную длину I. Эжектор длиной 1,4 калибра (калибр — отношение длины эжектора I к его диаметру £>1 на входе) и отношением площадей выхода и входа (02/Ь±)2 = 1,22 будем в дальнейшем называть «коротким» эжектором. Эжектор длиной 4,5 калибра и отношением площадей выхода и входа, равным 1,7, будем называть «длинным» эжектором. Внутренние стенки эжектора были выполнены из перфорированного листа или металлической сетки саржевого плетения. Между внутренними и наружными стенками эжектора расположены воздушные кольцевые полости. Импеданс этой конструкции подбирался из условия обеспечения мак-
по А
симального затухания на частотах, при которых наблюдался макси-' мум шума, излучаемого потоком внутри эжектора. Акустическая эффективность глушителей оценивалась в результате сравнения с данными испытаний струи круглого сопла диаметром 25,5 Мм.
Аэродинамические исследования проводились в трубе Т-101 на натурном дозвуковом самолете М-15 с двигателем АИ-25. Испытания проводились с обычным круглым соплом этого двигателя (диаметр 470 мм) и с глушителем шума в виде конического насадка со щелями и коротким эжектором. При этом определялись зависимости тяги и внешнего сопротивления самолета от скорости внешнего потока с глушителем и без него. Акустические испытания на моделях проводились в заглушенной камере АК-2, обеспечивающей условия свободного звукового поля на частотах выше. 200 Гц. Точки измерения располагались в горизонтальной плоскости на расстоянии 1 м (40 калибров в диаметрах струи) от среза сопла при различных углах относительно оси струи. При работе использовался комплект электроакустической аппаратуры, обеспечивающий измерения уровней шума с точностью ±0,5 дБ в диапазоне 200—20 000 Гц.
Рассмотрим вначале качественную картину влияния шумоглушащих устройств, устанавливаемых на сопло реактивного двигателя самолета, на тягу двигателя [6]. На рис. 4 показано изменение относительного снижения внутренней тяги двигателя Яш/Я от скорости полета самолета Уи- Яш — тяга двигателя с шумоглушащим устройством, Я — исходного двигателя. Рассмотрим два варианта шумоглушащих устройств, выполненных в виде гофрированного сопла с эжектором и без него.
Применение гофрированных сопл приводит к увеличению гидравлического сопротивления и, следовательно, к потерям тяги двигателя, которые увеличиваются с ростом скорости полета самолета (линия 1). Кроме того, с увеличением скорости полета растут потери из-за внешнего обтекания глушителя. При некоторой скорости полета V*, когда самолет поднялся на такую высоту, при которой не требуется снижения шума струи, шумоглушащее устройство может быть убрано. В этом
/—гофрированный насадок; 2—шумоглушащее устройство отсутствует; 3—-гофрированный насадок с эжектором
4—«Ученые записки» № 5
49
случае потери тяги на режиме крейсерского полета самолета будут незначительны (линия 2).
При использовании глушителя шума с эжектором отношение Rui/R в существенной степени зависит от габаритов и конструкции эжектора, влияние которого на тягу определяется двумя эффектами. С одной стороны, наличие эжектора приводит к уменьшению тяги вследствие трения о стенки эжектора и аэродинамического сопротивления внешнему потоку самого эжектора. С другой стороны, влияние эжектора может привести к увеличению тяги струи за счет эжектирования струей окружающего воздуха. Эффект увеличения тяги за счет эжектируемого воздуха имеет максимальное значение для самолета, находящегося на земле (линия 3), и резко убывает на взлете и на режиме крейсерского полета самолета, т. е. при увеличении скорости внешнего потока, исчезая совсем при скорости полета V0, которая в данных испытаниях составляла 150 км/ч. При дальнейшем увеличении скорости полета применение шумоглушащей системы приводит в результате увеличения внешнего сопротивления эжектора к росту потерь тяги и поэтому при скорости полета V* необходимо шумоглушащую систему убирать.
Таким образом, применение эжекторного глушителя имеет несомненное преимущество, так как эта система имеет малые потери тяги во время полета: потери тяги, обусловленные наличием гофрированного сопла или рассекателя, компенсируются увеличением тяги за счет эжектируемого воздуха. На начальном участке пути разгона самолета рассматриваемая шумоглушащая система может приводить даже к увеличению тяги двигателей. После набора высоты во время крейсерского полета вся система может убираться и тогда не вызывает потерь тяги.
Аэродинамические испытания позволили выявить влияние формы и размеров выходного сопла с эжектором на его эффективность [6]. Установлено, что для более полного перемешивания эжектируемого и эжектирующего потоков необходимо на выходе сопла реактивного двигателя установить конический насадок со щелями или гофрированный многолепестковый насадок. В этом случае можно использовать сравнительно короткий эжектор. При этом более перспективным оказался конический насадок со щелями. Форма этого насадка обеспечивает перевод струи круглого поперечного сечения в струю сложной формы с малыми потерями. Испытания натурного глушителя, представляющего собой рассекатель с эжектором для двигателя АИ-25 самолета М-15, показали (рис. 5), что при скорости внешнего потока до 150 км/ч тяга двигателя с глушителем больше, чем без глушителя. При дальнейшем увеличении скорости внешнего потока наблюдается снижение тяги двигателя, и при скорости 175 км/ч потери тяги достигают 2%.
Известно, что для самолетов, основным источником шума которых является реактивная струя двигателя, направление максимума акустического излучения реактивной струи, наблюдаемое под углом 150°— 160° к ее оси (отсчет ведется от входа в двигатель), практически совпадает с направлением на контрольную точку на местности, соответствующим максимальному уровню шума на местности. Поэтому результаты исследования шума под углом 150° к оси струи являются наиболее характерными для оценки снижения шума струи двигателя в направлении максимального акустического излучения.
Применение сопел с гофрами-лепестками или с рассекателями приводит к изменению спектральных характеристик струи, истекающей из круглого сопла, — снизились низкочастотные и возросли высокоча-стотные составляющие шума (рис. о). Под углом 150° к оси струи сни-
Рис. 5. Зависимость относительного снижения тяги двигателя от скорости полета самолета М-15
/—круглое сопло; 2—сопло с рассекателем; 3—четырехлепестковое сопло
Рис. 6. Спектры шума струи различных вариантов выхлопных сопел
жение спектральных составляющих шума при числе 5Ь = 0,1-ь0,5, определяющих максимальную интенсивность излучения шума струи, истекающей из круглого сопла (кривая 1), достигает 6 дБ для струи с рассекателем (кривая 2) и 11 дБ для струи с 4-лепестковым соплом (кривая 3). В направлении ф=90° акустическая эффективность шумоглушащих насадков падает; более того, в области высоких частот (БЬ> >0,5) применение насадков приводит к увеличению шума. Однако отметим, что в направлении ф = 90° уровни шума струи в области высоких частот при наличии насадков не превышают шума струи без насадков в направлении <р=150°. Таким образом, оценка шума, создаваемого на местности самолетом с двигателями, имеющими шумоглушащие насадки на сопле, будут определяться уровнями шума при <р = 150°. Отметим, что аналогичная тенденция была отмечена в работе [7] при исследовании шумоглушащего насадка в виде гофрированного 12-лепесткового сопла фирмы Макдоннелл-Дуглас и 8-лепестко-вого сопла фирмы Роллс-Ройс.
Установка эжектора со звукопоглощающей облицовкой привела к увеличению снижения шума, особенно в области высоких частот. Для сопла с рассекателем применение короткого эжектора снизило шум на 2—4 дБ (кривая 2, рис. 7), а для длинного — на 5—10 дБ (кривая 3),
Необходимо отметить, что увеличение перепада давления на срезе сопла до лс = 2,2 приводит к увеличению акустической эффективности испытываемой системы. При наличии короткого эжектора система с рассекателем обеспечивает снижение составляющих шума струи при-
1—сопло с рассекателем; то же и короткий эжектор; 3—то же и длинный эжектор
Рис, 7. Акустическая эффективность различных систем снижения шума струи
мерно на 13 дБ в области максимального излучения. Применение длинного эжектора приводит к снижению шума примерно на 25 дБ. Однако, как уже отмечалось, использование длинного эжектора на самолете практически невозможно.
Применение четырехлепесткового гофрированного сопла и короткого эжектора со звукопоглощающей облицовкой обеспечило на дозвуковом режиме истечения струи (лс=1,6) в области максимального излучения звука снижение на 13 дБ (рис. 8).
Исследование влияния спутного потока на акустическую эффективность моделей эжекторных глушителей шума, выполненных в виде гофрированного сопла и эжектора длиной 1,4 калибра, показало, что при скорости спутного потока до 270 км/ч акустическая эффективность в диапазоне чисел Струхаля 5Ь = 0,04-ь0,5 практически сохраняется постоянной (рис. 9).
Летные испытания натурного глушителя фирмы Макдоннелл-Дуг-лас, выполненного в виде 12-лепесткового сопла со звукопоглощающим эжектором, показали, что акустическая эффективность глушителя мало зависит от скорости полета при ее изменении до ~300 км/ч [7]. Учитывая подобие схем исследуемых нами моделей глушителей шума и глушителей, описанных в [7], а также практически одинаковую их акустическую эффективность, можно предположить, что влияние скорости полета на акустические характеристики глушителей будет одинаковым. Поэтому следует ожидать, что расчеты, проведенные по оценкам акустической эффективности испытанных глушителей в наземных условиях, будут верны и для летных условий. Используя полученные частотные характеристики шума для модельного глушителя, оценим акустическую эффективность глушителя для натурного двигателя АИ-25 самолета М-15, соблюдая условия подобия чисел Струхаля. Расчет шума самолета в единицах РЫ дБ проводился в соответствии со стандартом ИКАО [8].
Оценка показала, что глушитель, выполненный в виде 4-лепестко-вого сопла со звукопоглощающим эжектором длиной 1,4 калибра, при перепаде давления на срезе сопла 1,6 ата обеспечит снижение шума самолета М-15 в направлении максимального излучения реактивной струи на местности на 6 РЫ дБ, а глушитель, выполненный в виде конического насадка со щелями и звукопоглощающим эжектором, обеспечит снижение шума на 4 РЫдБ. При перепаде давления 2,2 ата 4-лепестковое сопло со звукопоглощающим эжектором длиной 1,4 калибра обеспечит снижение шума на 8 РЫ дБ при потере тяги не более 4%.
/—сопло с рассекателем и коротким эжектором; 1 — четырехлепестковый насадок, КСЛ1 = 0;
2—четырехлепестковое сопло и короткий эжектор; 2 — то же V = 270 км/ч
3— 12-лепестковое сопло с эжектором [7] . ’ с*п
Рис. 8. Сравнение акустической эффектов- Рис. 9. Акустическая эффективность
ности исследуемых авторами моделей глу- эжекторного глушителя при наличии
шителей из работы [7] спутного потока
1. Проблемы уменьшения шума реактивных двигателей. — Сб. переводов./Под ред. Л. И. Соркина. — М.: Изд. иностр. литер., 1961.
2. Авиационная акустика./Под. ред. А. Г. Мунина и В. Е. Квитки. — М.: Машиностроение, 1973.
3. Крашенинников С. Ю., Соркин JI. И., Толстошее в М. Н. Исследование акустических и газодинамических характеристик струйного шумоглушителя. — Акуст. ж., 1970, т. 16, № 1.
4. Assessment of technological progress made in reduction of Noise from subsonic and supersonic jet aeroplanes. — ICAO Curcular 157—AN/101, Montreal, Canada, 1981.
5. Мунин А. Г., Власов E. В., Науменко 3. H. Исследование глушителей шума газовых струй.—Труды ЦАГИ, 1968, вып. 1092.
6. Ж У л е в Ю. Г., Потапов Ю. Ф. Исследование влияния геометрических параметров эжекторного увеличителя тяги на его эффективность.— Труды ЦАГИ, 1978, вып. 195-8.
7. Fitzsimmons R. D., Mckinnon R. A. and Johnson E. S. Flight and wind-tunnel test results of a mechanical jet noise supressor nozzle. — AIAA Paper — 0165, 1980.
8. Международные стандарты и рекомендуемая практика. Охрана окружающей среды. Приложение 16 к конвенции о Международной гражданской авиации. Том 1. Авиационный шум, Монреаль, 1981.
Рукопись поступила 17IIII 1983
