Методы снижения шума двигателя

Уровень шума снижают капотированием (или использованием звукопоглощающих перегородок) двигателя, с помощью конструктивных мероприятий, воздействием на процесс сгорания, установкой глушителей.

Капотирование применяют на автомобильных, тракторных и небольших стационарных двигателях.

Звукоизолирующие перегородки для снижения шума устанавливают в судовых и стационарных двигателях.

К конструктивным мероприятиям относятся: уменьшение зазора между поршнем и цилиндром; увеличение длины юбки поршня; применение дезаксиального кривошипно-шатунного механизма и безударного профиля кулачка распределительного вала; увеличение толщины стенок втулки цилиндра в месте расположения камеры сгорания; использование шумоизолирующих прокладок и т.п. Обеспечение плавного перехода на индикаторной диаграмме от линии сжатия к линии сгорания и снижение скорости нарастания давления способствует уменьшению уровня шума сгорания.

Уровень шума впуска или выпуска снижают с помощью глушителей. По принципу действия глушители делят на активные (рис. 30, а, б) и реактивные (рис. 31, а, б).

В активных глушителях звуковая энергия превращается в теплоту при прохождении волны через сопротивление (сетки, перфорированные листы, звукопоглощающие материалы). Эффективность глушителя с перфорированным конусом выше, чем глушителя со звукопоглощающим материалом, однако, сопротивление первого глушителя больше. Глушитель шума на линии всасывания в компрессор (активный) обычно состоит из ряда плоских металлических дисков, оплетенных тонким шерстяным войлоком, или изогнутых металлических дисков, оклеенных тонким войлоком. Реактивные глушители представляют собой или расширительную камеру, или ряд резонансных камер. В этих глушителях происходит уменьшение амплитуд колебаний вследствие расширения потока газа.

Реактивные глушители эффективно заглушают низкочастотный шум, а активные - высокочастотный. Обычно используют комбинацию глушителей обоих типов, где активным элементом является перфорированная трубка, вокруг которой находится звукопоглотитель (стекловойлок, минеральная шерсть, вата, пенопласт). Параллельно активному элементу включен реактивный глушитель, представляющий собой камеру тороидальной формы, закрытую крышкой с отверстиями.

9. Виброакустическая диагностика

Методы виброакустической диагностики обеспечивают оценку технического состояния силовой установки путем использования информации, содержащейся в колебательных процессах, сопровождающих функционирование двигателя.

Как это было указано, динамические нагрузки вызывают появление и распространение акустических волн, как в самом двигателе, так и в окружающей среде. Параметры вибрации зависят, таким образом, от спектра и интенсивности возбуждающих сил и свойств виброакустического канала, расположенного между источником вибрации и точкой съема информации.

Причины возникновения неисправностей ГТД часто связаны первоначально с изменением характера действующих нагрузок, которые затем приводят к появлению дефекта, изменяющего собственные свойства системы, т.е. характеристики виброакустического канала. Следовательно, появляется возможность более раннего обнаружения и предупреждения развития дефектов методами виброакустической диагностики по сравнению с другими способами. Действительно, например, перекосы в шлицевых соединениях могут быть выявлены по изменению характера динамических нагрузок значительно раньше, чем появятся следы износа.

Вместе с тем ясна и сложность задачи вибродиагностирования, так как число источников вибрации в двигателе велико, а к точке приема виброакустической информации последняя приходит многими путями.

Наиболее распространенные направления виброакустической диагностики основаны на измерении акустического шума, излучаемого двигателем, а также пульсаций скорости и давления потока в проточной части ГТД, вибрации корпуса двигателя, колебаний рабочих лопаток и других ответственных элементов ротора турбомашины. Особое место занимает метод акустической эмиссии.

Метод акустической эмиссии основан на регистрации волн напряжения, возникающих при появлении дефектов в структуре материала детали или пластических деформациях. Особенность сигналов акустической эмиссии заключается в том, что его частоты лежат в диапазоне более 100 кГц. Метод отличается высокой чувствительностью и находит применение при обнаружении трещин в начальной стадии их развития во внутренних полостях охлаждаемых лопаток, а также при диагностике различных соединений.

Аэродинамические процессы, происходящие в лопаточной машине, порождают вибрационный шум. Его интенсивности растет при увеличении турбулизации потока, связанной с отклонением обтекания лопаток от расчетного, действием атмосферной турбулентности, бокового ветра, а также появлением дефектов и износом проточной части. В ряде случаев могут появиться и дополнительные спектральные составляющие, связанные с вращающимся срывом, вибрационным горением и т.д.

Вибрацию в ГТД генерируют также зубчатые соединения, подшипники и агрегаты: частоты спектральных составляющих связаны с принципом их действия. Кроме составляющих, обусловленных вращением валов и роторов, для зубчатых соединений характерно появление зубцовых гармоник izn, где z - число зубьев, для подшипников - частот следования тел качения, а для агрегатов - составляющих с частотами следования основных рабочих элементов: плунжеров, рабочих лопаток, зубьев шестерен и т.д.

Оценка состояния ГТД производится несколькими путями. Один из них - анализ частотного состава спектра путем его сравнения в исправном и дефектном состояниях. Наиболее просто, таким образом, выявляются неисправности, приводящие к появлению новых дискретных составляющих, например, вращающего срыва, или существенному изменению уровня вибрационного шума при износе лопаток компрессоров вертолетных ГТД.

The summary

Проблемы снижения шума воздушного и наземного транспорта актуальны и являются частью общей борьбы за чистоту среды нашей планеты, за улучшение условий обитания на земле. Рассмотренные основы теории и результаты экспериментальных исследований по образованию, распространению и воздействию шума ВРД летательных аппаратов и ПД наземного транспорта показывают, что максимальный шум имеет преимущественно аэродинамическое происхождение и возникает при эксплуатации транспорта. Разработаны достоверные методы расчётного и экспериментального определения уровня шума двигателя и составляющих его узлов, а также конструктивные способы уменьшения шума путем воздействия на процесс его образования в самом источнике и повышения интенсивности поглощения звуковых волн по пути их распространения, которые позволяют технически обоснованно ограничивать предельные значения, а также совершенствовать нормы и показатели уровня шума. Создание малошумных самолетов и автомобилей требует комплексного решения проблемы, включая работы по снижению уровня шума всех агрегатов и узлов самолета или автомобиля, оптимизацию режимов работы, траекторий взлета и посадки и т.д.

Библиография

1. Авиационная акустика. В двух частях. Часть 1. Шум на местности дозвуковых пассажирских самолетов и вертолетов / А. Г. Мунин, В. Ф. Самохин, Р. А. Шипов и др.; Под общей редакцией А. Г. Мунина. – М.: Машиностроение, 1986. – 248 с. [Указаны основные источники шума вертолетов и самолетов, представлена физическая картина шумообразования, рассмотрены различные способы снижения шума].

2. Авиационная акустика. В двух частях. Часть 2. Шум в салонах пассажирских самолетов /А. Г. Мунин. – М.: Машиностроение, 1986, - 264 с. [Описаны методы снижения шума внутри самолетов: звукоизоляция и виброизоляция, звукопоглощение и вибропоглощение].

3. Noise on a carrier / Butterworth & Co (Publishers) Ltd., 1987 [Рассмотрены проблемы снижения шума, генерируемого средствами автомобильного, железнодорожного и воздушного транспорта].

4. Международные стандарты и рекомендуемая практика. Охрана окружающей среды. Приложение 16. Том 1. Авиационный шум, ICAO, Монреаль, Канада, 1961. [Представлены нормы на предельные значения шума авиационных летательных аппаратов, установлены методы определения характеристик шума, включая условия и методы измерений, объем и режимы испытаний, требования к измерительной аппаратуре, способы обработки и представления полученных результатов].

5. MIL–E–005007E (AS) от 1.09.1983 года и MIL–E–5007D от 15.10.1973 года. Спецификации на авиационные ТРД и ТРДД для ВМС и ВВС США. [Установлены технические требования к характеристикам, эксплуатации, конструкции и компоновке двигателя, включая требования к уровню шума, его измерению и представлению акустических характеристик].

6. Публикации международной электротехнической комиссии (IEC): IEC 179. Точность измерения уровня шума; IEC 225. Полосовые фильтры шириной в октаву, половину октавы, треть октавы для анализа звуковых колебаний и вибраций [Сформулированы требования к системе измерения, аппаратуре для записи, воспроизведения, анализа и процедуре измерения шума].

Список иллюстраций

Рис. 1. Спектр шума двигателя: 1 — шум реактивной струи; 2 —шум вентилятора

Рис. 2. Равные уровни воспринимаемого шума

Рис. 3. Кривые равной шумности N в зависимости от уровня звукового давления и частоты

Рис. 4. Зависимости шумности N от уровня звукового давления L в одной октаве

Рис. 5. Типичная зависимость изменения уровня шума PNLT от времени

Рис. 6. Структурная схема основных связей, определяющих раздражающее воздействие авиационного шума на людей

Рис. 7. а) Траектория взлета - посадки самолета, контрольные точки для определения уровня шума в контрольных точках I, II, III; б) зависимость величины допустимых уровней шума в EPN дБ от взлетной массы; n = 2, 3, 4 – число двигателей на дозвуковом самолете

Рис. 8. Основные источники, создающие шум внутри самолета: 1 – выхлопная струя двигателя; 2 – вентилятор; 3 – пограничный слой; 4 – винт; 5 – вибрации двигателя; 6 – система кондиционирования воздуха; I – ТВД; II – ТРД

Рис. 9. Схема излучения шума внутренними источниками двигателя:1- турбулентная область смешения струи; 2 - холодный поток второго контура; 3-горячий поток струи внутреннего контура; 4- шум вентилятора, свободно излучаемый через входное устройство двигателя, угол направленное излучения меняется в диапазоне примерно от 0 до 110°; 5-шум вентилятора с влиянием рефракции звука в направлении от холодной струи к границам атмосферы; 6-шум турбины с влиянием рефракции звука от одной струи к другой и к границам атмосферы (угол излучения шума примерно 100- 130°)

Рис. 10. Основные источники и индикатрисы излучения шума ТРДД (вверху, I) и ТРД (внизу, II): 1- вентилятор; 2- струя сопла; 3- турбина; 4- компрессор

Рис. 11. Уровни шума от элементов ТРД одинаковой максимальной тяги (пролет на высоте 300 м со скоростью 100 м×с^-1): à — ТРД; б — ТРДД, т = 1 ... 2; в — ТРДД, т = 4 ... 6 (одноступенчатый вентилятор без входного направляющего аппарата): 1 -общий уровень шума; 2 - шум от реактивной струи; 3 – шум от турбины; 4 - шум от вентилятора

Рис. 12. Основные источники шума при обтекании профиля лопасти винта 1 – начальная турбулентность; 2 – неоднородность набегающего потока; 3 – ударная волна (М_R>1); 4 – местные скачки уплотнения (М_R>М_кр); 5 – пограничный слой; 6 – вихревая пелена

Рис. 13. Спектр шума винта в узких полосах частот (Δf = 5 Гц) I – гармоники шума вращения; II – широкополосный шум

Рис. 14. Схема входной части ТРДД, иллюстрирующая расположение лопаток ротора и статора: 1-направление воздушного потока на входе в двигатель; 2-лопатка вентилятора; 3-статорная лопатка входного спрямляющего аппарата; 4 - направ­ление потока воздуха во втором контуре; 5- воздушный поток компрессора двигателя; 6- валы приводов к турбинам

Рис. 15. Зависимость поправки на интенсивность излучения звука DL и гармонического сигнала от числа М? и разности чисел DМ? у периферии и втулки рабочего колеса вентилятора: I – вверх по потоку ; II – вниз по потоку

Рис. 16. Схема типичной камеры сгорания: 1-подача горючего: 2-подвод сжатого воздуха при температуре около 800 К; 3 - зона горения; 4 – зона смешения; 5 - газовый поток при температуре до 2000 К, направленный к турбинам

Рис. 17. Схема турбины, иллюстрирующая расположение лопаток турбины: 1 - воздушный поток второго контура; 2- газовый поток из камеры сгорания; 3 – спрямляющий аппарат выхлопного потока; 4- поток выхлопных газов; 5 -валы привода от вентилятора и компрессоров

Рис. 18. Смешение реактивных струй при истечении: а) из исходного сопла; б) шумоглушащего сопла; в) схема расчета . I , II – начальные зоны смешения , III , IV – основные зоны смешения

Рис. 19. Схема струйного шумоглушителя в системе суживающегося-расширяющегося сопла: 1-подводящий трубопровод; 2-коллектор; 3-насадок; 4-сопло; 5-подвижные створки

Рис. 20. Схема выхлопной системы ТРДФ «Олимп» 593 с убирающимися обтекателями (лопатками); 1—первичное сопло; 2—вторичный воздух; 3— третичный воздух; 4— граница реактивной струи; 5—внешнее сопло; 6—съемный узел с вводимыми лопатками; 7—лопатки

Рис. 21. Возможности снижения шума с помощью звукопоглощающих облицовок: 1-результат многократного отражения звука; 2 - отсутствие отражения; 3 – результат двойного отражения звука; 4 - результат однократного отражения; 5 - акустическая облицовка стенок каналов двигателя

Рис. 22. Основные типы звукопоглощающих облицовок и спектры поглощаемых ими звуков: 1 – перфорированная пластина; 2 – сотовый слой; 3 – фрикционный слой (войлок, стекловолокно и т. п.); 4 – стенка канала; 5 – пористое покрытие; а) – резонаторная узкополосная реактивная; b) – широкополосная активная; с) – широкополосная активно – реактивная

Рис. 23. Экспериментальная кривая зависимости параметра М облицовки от процента перфорации панели

Рис. 24. Зависимость параметра R (R_ак) от величины перфорации F панели облицовки : 1 – сетка № 685; 2 - сетка № 450; 3 - сетка № 120; 4 – сетка из алюминия. Уровни звукового давления: а) L 120 дБ; б) L 140 дБ; в) L 150 дБ

Рис. 25. Частотная зависимость нормального коэффициента поглощения звука облицовок, состоящих из воздушного объема глубиной h мм и перфорированной панели (F = 35%) с прилегающей к ней металлической сеткой: а)—при h = 40 мм; 1— сетка ¹ 685; 2—сетка ¹ 450; 3— сетка ¹ 120; б)—сетка ¹ 450:1— h = 10 мм; 2—h = 20 мм; 3—h = 30 мм: 4—h = 50 мм

Рис. 26. Зависимость снижения шума на посадке DÐN дБ от отношения облицованной площади S_об. к площади источника S_ист и отношения поперечного размера между двумя облицованными сторонами d’ к длине звуковой волны l : 1 - DPN = 15 дБ; 2 - DPN = 10 дБ; 3 - DPN = 5 дБ

Рис. 27. Схема размещения акустических облицовок в газовоздушном тракте ТРДД, отстроенных по поглощаемым частотам: 1 - частота шума в источнике 2000 Гц, материал шумопоглощающих покрытий дайнароор; 2 - пористые пластинки над хонейкомбами, поглощающие шум в диапазоне частот 630 - 800 Гц ("шум пилы");3 - безбандажные лопатки вентилятора (24 штуки); 4 - звукопоглощающее покрытие дайнароор, настроенное на поглощение частоты 1600 Гц; 5 - звукопоглощающее покрытие дайнароор, настроенное на поглощение частоты 2000 Гц; 6 -пористые пластинки над хонейкомбовыми панелями, настроенные на поглощение частоты 3150 Гц; 7 - пористые пластинки, сваренные с хонейкомбовыми покрытиями, настроенные на поглощение частоты 4000 Гц; 8 - лепестковый смеситель; 9- тридцать три лопатки спрямляющего аппарата вентилятора; 10 - расстояние между ротором и статором вентилятора равно четырем хордам лопатки вентилятора

Рис. 28. Схема расположения точек измерения шума: а) в дальнем звуковом поле; b) в ближнем звуковом поле

Рис. 29. Диаграмма уровней шума систем и агрегатов дизеля: 1- дизель; 2- система впуска; 3- процесс сгорания; 4- шатунно-поршневая группа; 5- топливный насос; 6- клапанный механизм

Рис. 30. Схемы активных глушителей: а) с перфорированным конусом; б) со звукопоглощающим материалом

Рис. 31. Схемы реактивных глушителей а) с расширительной камерой; б) с резонансными камерами

Таблица 1. Сила звука I и звуковые давления р_зв

Таблица 2. Центральные и граничные частоты в октавных^* и 1/3-октавных полосах

Таблица 3. Стандартные A, B, C, и D коррекции уровня звукового давления L

Таблица 4. Предельные спектры звукового давления, определяющие максимально допустимые уровни шума в пассажирских самолетах

Таблица 5. Уровни звукового давления, соответствующие предельным спектрам

Таблица 6. Допустимые уровни шума мощных стационарных паровых турбин

Таблица 7. Качественные характеристики шума ГТД

Таблица 8. Значения коэффициента А_θ = f (p_с,q, q, х), определяющего эффективность шумоглушащего сопла

Таблица 9. Параметры сеток, использующихся для звукопоглощения

Таблица 10. Сравнение уровней шума

Таблица 11. Типичные уровни шума, дБА на расстоянии 7,5 м