CC BY
121
Том XXXIV
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 2 00 3
№ 3—4
УДК 629.7.015.3.036:533.695.7 534.83:629.7.036—225
ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ И АКУСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕТРАДИЦИОННЫХ СХЕМ РЕАКТИВНЫХ СОПЕЛ
Е. В. ВЛАСОВ, Г. Н. ЛАВРУХИН, Д. В. МЕРЕКИН,
К. Ф. ПОПОВИЧ, В. Ф. САМОХИН, В. П. ШКОЛИН
Приведены результаты комплексных экспериментально-теоретических исследований тяговых и акустических характеристик традиционных круглых и плоских звуковых сопел, а также нетрадиционных плоских сопел со скошенным срезом и рядом вертикальных перегородок, установленных в выходном сечении сопла. Вертикальные перегородки предназначались для разбиения плоской струи на ряд струй с целью быстрого перемешивания с окружающей средой и снижения уровня шума. Показано, что в такой нетрадиционной схеме плоского сопла можно обеспечить снижение уровня шума по сравнению с эквивалентным круглым соплом. Приведена цена такого снижения уровня шума в виде соответствующего увеличения потерь тяги сопла. Показано, что такое сопло может быть достаточно эффективным средством снижения шума по сравнению с имеющимися мероприятиями по шумоглушению. Представлена картина течения в сверхзвуковых плоских струях исследованных схем.
1. Проблема снижения уровня шума реактивных двигателей и их выходных устройств является актуальной в течение последних 20 — 30 лет и приобрела особое значение в связи с достаточно высокими требованиями современной экологии. В настоящее время эти требования предъявляются к уровню шума как дозвуковых, так и сверхзвуковых пассажирских, административных и транспортных самолетов. Имеющиеся экспериментальные данные показывают, что основной вклад в уровень шума реактивных двигателей вносят выходящие из реактивных сопел струи. Поэтому основные усилия исследователей направлены на поиск эффективных способов снижения шума реактивных струй ВРД без заметного увеличения потерь тяги, связанных с использованием шумоглушащих устройств.
Комплекс вопросов, связанных с источниками шума реактивных струй, различные способы снижения шума реактивных двигателей и ряд других вопросов рассмотрены в работах [1], [2] и др. Проведенные различными авторами экспериментальные исследования по снижению уровня шума струй реактивных двигателей включают оценку аэрогазодинамической и акустической эффективности таких мероприятий, как использование механических глушителей шума, круглых сопел в виде трубчатых насадков, применение глушителей с гофрированными поверхностями, использование эжекции воздуха, вдува дополнительной массы газа, сетчатых экранов, соосных сопел и т. д. [3] — [13].
Выбор формы реактивного сопла (круглое или плоское) также является одним из способов снижения уровня шума реактивных струй [4] — [13] и др.
Проведенные в работах [5] — [8], [13] и др. исследования позволили выяснить ряд особенностей течения в плоских эжекторных соплах с гофрированными глушителями шума, определить их аэрогазодинамические и тяговые характеристики. Недостатком этих работ является отсутствие акустических характеристик рассматриваемых схем сопел.
Совместное исследование аэрогазодинамических и акустических характеристик простейших схем круглых и плоских сопел проведено в работах [9] — [12].
Настоящая работа является продолжением направления, взятого в работах [9] — [12], с переходом на совместное изучение аэрогазодинамических и акустических характеристик нетрадиционных схем плоских сопел.
2. Одной из нетрадиционных схем является плоское сопло со скошенным в плане срезом и вертикальными перегородками, установленными в выходном сечении сопла (рис. 1). Отношение площади критического сечения исследованного варианта плоского сопла (на прямоугольном цилиндрическом участке) к площади входа канала круглого сечения, т. е. степень поджатия плоского сопла от входа до критического сечения, равно 0,42. Характерными геометрическими особенностями рассматриваемого сопла являются: относительно небольшая длина переходного участка от круглого сечения О = 74 мм к прямоугольному (Ь/О=0,86); достаточно большая величина полуугла расширения этого канала при виде в плане, р=30° (полуугол сужения
Вертикальные перегородки
Рис. 1. Схемы сопел
переходного канала в вертикальной плоскости а=10°); прямоугольный канал за переходным участком с параллельными верхними и нижними стенками и отношением ширины к высоте b/h 010; скошенное в плане под углом 40° выходное сечение сопла (с учетом угла скоса
относительная ширина выходного сечения канала составляет ~ 13); двенадцать равномерно расположенных по ширине выходного сечения канала тонких профилированных вертикальных перегородок длиной, равной примерно высоте выходного сечения сопла. Хотя эти вертикальные перегородки достаточно тонкие, но конструктивно имеют ненулевую толщину: отношение максимальной толщины профиля к его длине (или то же самое, что к высоте выходного сечения сопла) составляет ~ 0,07.
При отсутствии вертикальных перегородок течение в рассматриваемом плоском сопле со скошенным срезом, имеющим параллельные боковые, верхние и нижние стенки, можно, по всей вероятности, считать плоскопараллельным со звуковой скоростью в выходном сечении.
При установке 12 вертикальных профилированных перегородок отношение площади выходного сечения сопла к суммарной площади проходного (критического) сечения канала в районе максимальной толщины перегородок составляет величину ~ 1,09, т. е. течение между перегородками эквивалентно течению серии 12 сверхзвуковых плоских сопел с относительной площадью выходного сечения Fc =1,09 . Вертикальные перегородки в выходном сечении сопла предназначались как для увеличения прочности конструкции, так и для разбиения реактивной струи плоского сопла на ряд струй для более быстрого смешения с окружающей средой. Фотографии модели приведены на рис. 2.
Измерения аэродинамических и акустических характеристик сопла проводилось раздельно на специальных стендах при отсутствии набегающего потока, т. е. при истечении струи в затопленное пространство.
Одновременно с исследованиями плоского сопла со скошенным срезом исследовались круглые и плоские эталонные звуковые сопла с плавным внутренним контуром в критическом сечении, схематично показанные в верхней части рис. 1. В настоящей работе результаты для
срез сопла
а) сопло без перегородок
срез сопла
б) сопло с 12 вертикальными перегородками
Рис. 2. Фотографии сопел со скошенным срезом
плоского эталонного сопла приведены при Ь/к=10. Методически эталонные сопла предназначались при исследовании аэродинамических характеристик сопел для выделения потерь тяги сопла на переходном участке от круглого поперечного сечения до прямоугольного критического сечения и потерь тяги собственного сопла со скошенным срезом и вертикальными перегородками.
На специальном стенде с помощью тензовесов измерялись тяговые характеристики сопел (описание стендов и методика измерения кратко даны, например, в [13]). Измерения осуществлялись с помощью трехкомпонентных тензовесов, позволяющих оценить величину возможной боковой составляющей силы тяги сопла со скошенным срезом. Одновременно проводилась визуализация поля течения в струе за срезом сопла теневым прибором Теплера в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Полное давление на входе в сопло измерялось с помощью гребенки полных напоров, установленных в круглом канале перед входом в переходный участок, как показано на рис. 1.
Степень понижения давления в соплах определялась как отношение осредненного полного
р0спб.
давления на входе в сопло к давлению в окружающем пространстве пс =---------.
Рю
Потери тяги сопел определялись как разность между идеальной и измеренной тягой, отнесенной к идеальной тяге, определенной по действительному расходу газа через сопло, АР=1-Р/Рёа .
3. Фотографии поля течения за срезом плоских сопел с помощью теневого прибора Теплера позволили определить ряд особенностей структуры течения в исследуемых соплах.
Эта структура при истечении из плоских сопел сверхзвуковой струи с пс = 3,4 представлена на рис. 3 и 4. Достаточно очевидна периодическая структура сверхзвуковой струи, истекающей из плоского звукового сопла как при виде сверху, так и при виде сбоку (рис. 3, а, б). При виде сбоку даже при большом отношении ширины плоского сопла к его высоте (Ь/к =10)
периодическая структура плоской сверхзвуковой струи качественно аналогична хорошо известной «бочкообразной» структуре сверхзвуковой круглой струи. В принципе, без специального разъяснения затруднительно отличить плоскую струю (рис. 3, б) от осесимметричной (или круглой) сверхзвуковой струи. При виде сверху периодичность структуры плоской сверхзвуковой струи просматривается четко (рис. 3, а), однако очевидна и особенность этой периодической структуры: неравномерность по ширине сопла и влияние боковых стенок на структуру течения, что проявляется в искривлении скачков уплотнения в сторону боковых стенок сопла.
Рис. 3. Теневая фотография струи, истекающей из плоского звукового сопла, пс = 3,4
Рис. 4. Теневая фотография струи, истекающей из плоского сопла со скошенным срезом, = 3,4 :
а) сопло без перегородок; б) сопло с 12 тонкими перегородками
После 3 — 4-кратной периодичности структуры течения плоская струя становится дозвуковой с углом расширения примерно 12 — 14° при виде сбоку. Как показали фотографии поля течения, расширение плоской струи при виде в плане, т. е. в горизонтальной плоскости, весьма незначительное и основное расширение ее происходит в вертикальной плоскости, т. е. при виде сбоку (рис. 3, б).
Качественно характер истечения реактивной струи из плоского сопла со скошенным срезом без перегородок (рис. 4, а) аналогичен характеру истечения струи из плоского звукового сопла (рис. 3, а) примерно с одинаковым расстоянием до образующихся скачков уплотнения от среза сопел двух рассматриваемых типов. Наличие вертикальных перегородок в выходном сечении сопла существенно изменяет структуру течения в реактивной струе (рис. 4, б): образуется «ячеистая» структура из скачков уплотнения, вызванных наличием вертикальных перегородок ненулевой толщины (или наличием серии плоских сверхзвуковых сопел). Такая структура способствует быстрому смешению реактивной струи с окружающим воздухом и, как будет показано ниже, снижению акустических характеристик струи.
4. Сравнение потерь тяги рассматриваемых типов сопел при некотором значении степени понижения давления пй □ 3 дано на рис. 5. При других значениях пс соотношение потерь тяги
остается аналогичным рис. 5.
Переход от круглого эталонного к плоскому эталонному соплу характеризует уровень потерь тяги сопла на переходном участке. Величина этих потерь находится на уровне 0,5% от идеальной тяги сопла и свидетельствует о том, что можно обеспечить небольшой уровень потерь давления при достаточно больших углах расширения переходного участка сопла. Переход от плоского эталонного сопла к плоскому соплу со скошенным срезом без перегородок и затем к соплу
с 12 вертикальными перегородками дает соответственно увеличение потерь тяги на 1,5 и 1%, т. е. в целом плоское сопло со скошенным срезом и перегородками примерно на 2,5% идеальной тяги хуже обычного плоского эквивалентного звукового сопла.
5. Измерение акустических характеристик сопел проводилось по методике, изложенной, например, в [14]. В данной работе приведены акустические характеристики плоского звукового
Рис. 5. Потери тяги плоского сопла с переходом от круглого сечения к прямоугольному
(эталонного) сопла с соотношением ширины к высоте b/h=10, эквивалентного по площади критического сечения круглого звукового (эталонного) сопла и плоского сопла со скошенным срезом и вертикальными перегородками в выходном сечении, как было отмечено выше (см. рис. 1, 2). Измерения проводились при различных углах сканирования шума струи в плане (ф = З0, 90°)
в достаточно широком диапазоне изменения частот (200 + 25000 Гц) и степени понижения давления в соплах nc =1,6^ З,0, характерных для режима взлета самолетов различного назначения.
Спектры шума в 1/3 октавных полосах частот исследованных вариантов сопел приведены на рис. б (при nc = 2+З в качестве примера), где схематично указано также положение
микрофона, измеряющего уровень шума.
Следует отметить, что, во-первых, в целом общая картина изменения спектров шума различных вариантов сопел в исследованном диапазоне частот и степени понижения давления nc
слабо изменяется при изменении nc и качественно остается одной и той же, т. е. плоское сопло со скошенным срезом (скошенное сопло) в диапазоне nc =1,6^ З,0 обеспечивает уровень шума ниже, чем круглое эквивалентное сопло (рис. б, а, б). Во-вторых, широкополосный шум плоской струи звукового сопла ниже шума эквивалентной круглой струи (nc = 2, рис. б, б). В-третьих, шум плоского сопла с косым срезом и вертикальными перегородками меньше в направлении его измерения со стороны скошенного среза (позиция 2 на рис. б, а, б). В-четвертых, шум плоского сопла со скошенным срезом ниже шума эквивалентного плоского звукового сопла (позиция 2 и 1 на рис. б, б при nc = 2).
Следует также отметить, что ярко выраженная периодическая структура плоской струи, истекающей из обычного плоского (эталонного) сопла (см. рис. 3), аналогичная хорошо известной «бочкообразной» структуре струи, истекающей из круглого сопла, приводит, как
120 р
L, дБ но
100
90 ( ґ
«о1
70
бо L 200
140
L, дБ'
130 120 110 100
90! • so
70 L
60 L
Рис. 6. Спектры шума различных сопел ф = 30°:
♦ — позиция 1; ■ — позиция 2; ▲ — позиция 3; о — позиция 4; • — позиция 5
показали измерения спектральных характеристик шума, к возникновению при некоторых частотах
дискретной составляющей, которая не наблюдается у сопла со скошенным срезом и вертикальными перегородками.
Одним из возможных объяснений наличия дискретной составляющей у плоского (эталонного) сопла может служить наличие крупномасштабной периодической структуры, характерный размер которой равен размаху (ширине) плоского сопла (см. рис. 3). Наличие вертикальных перегородок у сопла со скошенным срезом приводит к образованию «ячеистой» структуры течения
(см. рис. 4); характерный размер структуры определяется расстоянием между вертикальными перегородками и примерно на порядок меньше размаха (ширины) плоского сопла, что, по всей вероятности, и убирает дискретные составляющие в спектре шума у сопла с косым срезом и вертикальными перегородками.
Результаты расчета уровня акустической мощности ^, дБ (относительно 10-12 Вт) приведены на рис. 7 и показывают, что практически на всех исследованных режимах истечения круглых и плоских реактивных струй (пй = 1,6 + 3) плоское сопло с косым срезом и вертикальными перегородками дает наименьший уровень шума по сравнению с обычными круглыми и плоскими звуковыми соплами. При пс = 3 снижение шума у такого сопла достигает ~ 10 дБ, что связано со спецификой структуры течения и отсутствием дискретных составляющих
Рис. 7. Зависимость акустической мощности струи от степени понижения давления пс на срезе при различной форме сопла:
о — круглое звуковое сопло; □ — плоское звуковое (прямоугольное) сопло;
А — сопло со скошенным срезом и 12 перегородками
в спектре шума.
6. Обобщение результатов исследований акустических и аэрогазодинамических характеристик исследованных сопел представлено на рис. 8, а, а достигнутый уровень совершенства плоского сопла со скошенным срезом с точки зрения снижения шума — на рис. 8,
б.
Переход от круглого звукового сопла к плоскому со скошенным срезом сопровождается монотонным снижением уровня шума, но при этом также монотонно увеличиваются потери тяги сопел (рис. 8, а), однако сравнение с исследованными ранее способами шумоглушения
Рис. 8. Эффективность шумоглушения различных сопел:
а) диаграмма акустических и газодинамических характеристик; б) сравнение эффективности различных сопел;
Г. Ш. — глушитель шума
показывает, что плоское сопло с вертикальными перегородками обеспечивает наибольшую эффективность в параметрах «снижение уровня шума — увеличение потерь тяги», рис. 8, б. Так, если исследованные в 60 — 70-х годах механические глушители шума (г. ш.) в виде гофр давали снижение шума на ~10 дБ ценой увеличения потерь тяги ~ на 10% (тангенс угла наклона нижней прямой на рис. 8, б равен ~ 1,1), то использование эжекторных и механических глушителей шума (верхняя зависимость на рис. 8, б) позволило повысить эффективность устройств шумоглушения примерно вдвое (т. е. тангенс угла наклона верхней прямой на рис. 8, б — 2,1, что соответствует увеличению потерь тяги сопел ~ на 5% при снижении уровня шума примерно на 10 дБ). Видно, что плоское сопло с вертикальными перегородками оказывается эффективнее, чем приведенные на рис. 8, б способы шумоглушения (увеличение потерь тяги ~ на 3,5% при снижении шума на ~ 10 дБ).
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 00-01-00158).
ЛИТЕРАТУРА
1. Соркин Л. И. Проблемы уменьшения шума реактивных двигателей / Сб. переводов под ред. Соркина Л. И.— М.: Изд. иностр. лит.— 1961.
2. Мунин А. Г., Кузнецов В. М., Леонтьев Е. А. Аэродинамические источники шума.— М.: Машиностроение. — 1981.
3. Knowles K. Combined noise and flow control of supersonic jets using swirl // DGLR/AIAA 14-th Aeroacoustics Conference.— May 11 — 14, 1992 (Proceedings, v. II) (DGLR/AIAA 92-02-125).
4. Louis J. W. NASA’s high-speed research program // 7-th European Aerospace Conference (EAC 94) on the Supersonic Transport of Second Generation.— October 25 — 27, 1994.
5. Presz W. M. Jr, Gousy R., Moris B. L. Forced mixer lobes in ejector design // AIAA Paper 86-1614. —1986.
ЗЗ
6. Tillman T. G., P a t r i c W. P. Flow field measurements for a supersonic mixer ejector in forward flight DGLR//AIAA 14-th Aeroacoustics Conference. Proceedings VII.— May 11 — 14, 1992 (DGLR/AIAA 92-G2-46).
7. Tillman T. G., Paterson R. W., P r e s z W. M. Jr. Supersonic nozzle mixer ejector // J. of Propulsion and Power.— 1992. Vol. 8, N 2.
8. Tillman T. G., P r e s z W. M. Jr. Thrust characteristics of a supersonic mixer ejector // AIAA-93-4345.— 1993.
9. Власов Е. В., Лаврухин Г. Н., Самохин В. Ф., Туманов В. А. Аэродинамические и акустические характеристики осесимметричных и плоских сопел // Труды международной конференции по «Аэрогазодинамике силовых установок летательных аппаратов».— Россия, Жуковский. — 1993.
1G. Vlasov E. V., Lavrukhin G. N., Samokhin V. F., Tumanov V. A. Nozzle shape influence of the aerodynamic characteristics and structure of the acoustic jet field // 1-st Conference «Fundametal Research in Aerospace Science».— TsAGI, Zhukovsky, Russia.— Sept., 1994.
11. Vlasov E. V., Lavrukhin G. N., Samokhin V. F., Tumanov V. A. Some peculiarities of aeroacoustic characteristics of the advanced civil aircraft exhaust systems // Proceedings of the Second Internal Symposium «Transport Noise and Vibration».— St.-Peterburg.— Oct., 1994.
12. Власов Е. В., Лаврухин Г. Н., Самохин В. Ф., Туманов В. А.
Аэродинамические и акустические характеристики плоских и осесимметричных сопел. «Фундаментальные проблемы аэротермодинамики силовых установок летательных аппаратов» // Всерос-
сийская научно-техническая конференция.— Россия, Жуковский.— 1 — 3 декабря, 1999.
13. Zhitenev V., Pavlyukov E., Shenkin A. Thrust performance of noise suppressor nozzle of the second generation supersonic transport // Proceeding of the 3-th JSTC/TsAGI Joint Workshop on Ecological Aspects of the Impact of a Supersonic Civil Aircraft of the Second Generation on Environment. Part A: SST-2 Community Noise Reduction.— Zhukovsky, Russia.— November 24 — 25, 1998.
14. Vlasov E. V., K ar a v a s o v R. K. Noise investigation of jets issuing from ejector nozzles in the co-current flow presence // Proceeding of the 2-nd JSTC/TsAGI Joint Workshop on Ecological Aspects of the Impact of a Supersonic Civil Aircraft of the Second Generation on Environment. Part A: SST-2 Community Noise Reduction.— Zhukovsky, Russia.— November 4 — б, 1998.
Рукопись поступила 30/12002 г.
