Применение шумоглушителей

Существуют различные методы снижения уровня шума. К ним относятся: применение специальных шумоглушителей реактивной струи, в том числе, шумоглушителей эжекторного типа; рациональное взаимное расположение двигателей на многодвигательном самолёте; применение двигателей с пониженной скоростью вытекания струи (ТРДД); применение акустических решёток в воздухозаборниках двигателей или самолётов; рациональный выбор профиля взлёта самолёта, уменьшающего шум на местности.

Шумоглушащее сопло применяется для снижения шума выхлопной струи двигателя. Трудность создания таких сопел состоит в том, что их применение не должно сопровождаться значительным ухудшением тяговых и весовых характеристик двигателей. Особенно возрастают трудности использования глушителей шума на сверхзвуковых самолетах. Таким образом, шумоглушащие сопла должны: обеспечить необходимое снижение шума при минимальных потерях тяги, быть просты в конструктивном исполнении, иметь незначительную массу, обеспечивать надежную работу с большим ресурсом в условиях высоких температур, и в ряде случаев удовлетворять требованиям совместимости с реверсивным устройством.

Для уменьшения акустической мощности реактивной струи наиболее эффективным является уменьшение скорости истечения. Этот путь широко используется при замене одноконтурных двигателей двухконтурными. Однако уменьшение скорости в выходном сечении сопла не может быть реализовано без существенных ухудшений их характеристик. Поэтому в большинстве случаев основным способом уменьшения шума реактивной струи является применение различного вида шумоглушащих сопел.

Эти сопла можно разбить на две группы: шумоглушащие сопла, функционирующие на всех режимах работы двигателя; шумоглушащие сопла, функционирующие только на тех режимах работы двигателя, для которых требуется заглушение шума. К первой группе относятся все шумоглушащие сопла с фиксированной геометрией: многотрубчатые, гофрированные, лепестковые, щелевые и т.д., а также неубирающиеся в полете эжекторные насадки. Ко второй группе относятся сопла, функционирующие только при опробовании двигателя на земле, при разбеге, взлете и посадке самолета.

Принципы действия шумоглушащих устройств могут быть следующими:

уменьшение средней скорости струи за счет снижения относительных скоростей струи и воздуха, эжектируемого ею, и смещение спектра шума в область высоких частот. На этом принципе основаны шумоглушащие сопла смешения, у которых одна струя исходного сопла разделяется на определенное число меньших по размеру струй;

уменьшение шума за счет изменения формы исходного сопла, приводящего к изменению спектра шума и его направленности. Исходное сопло должно обеспечивать минимальные потери эффективной тяги двигателя.

Рассмотрим основные параметры шумоглушащих сопел, работающих по принципу смешения, и методику расчета их акустических характеристик. К подобным соплам относятся все виды многотрубчатых, многолепестковых и гофрированных сопел, а также струйные шумоглушащие для обычного суживающегося сопла и для сверхзвукового сопла с центральным телом, убирающиеся шумоглушители для суживающегося - расширяющегося сопла. Для максимального уменьшения шума, достигаемого с помощью шумоглушащих сопел, следует найти их оптимальные геометрические параметры. Остановимся на выборе геометрических параметров многоступенчатых шумоглушащих сопел, как наиболее простых по конструкции. При этом имеется в виду, что анализ, проводимый для многотрубчатых шумоглушащих сопел, может быть распространен на многолепестковые, струйные и на другие виды шумоглушащих сопел.

Основные параметры, которые определяют эффективность многотрубчатых сопел, показаны на рис. 18. Одним из важных параметров является отношение площади миделя шумоглушащего сопла к площади исходного сопла (d₂/d_c)². С увеличением этого отношения растет расход воздуха из окружающей среды, подмешиваемого к отдельным струям. Как показывают опыты, максимальное уменьшение шума достигается тогда, когда расстояние между отдельными струйками примерно равно их диаметру. Это приводит к тому, что все струи смыкаются в конце начального участка отдельных струй. При увеличении расстояния между струями отдельные струи будут слабо взаимодействовать и акустическая мощность изменится незначительно. При уменьшении этого расстояния средняя скорость в сечении смыкания будет большей, чем для оптимального соотношения (d₂/d_c)². С увеличением числа отдельных струй q оптимальная площадь (d₂/d_c)² растет, что объясняется необходимостью организации подвода для подмешивания из окружающей среды к струйкам в центре шумоглушащего сопла. С увеличением числа отдельных струек максимум спектра шума струй перемещается в область высоких частот, что способствует большему поглощению шума с увеличением расстояния. Следует указать, что при значениях (d₂/d_c)² < (d₂/d_c)²_опт из-за недостаточной подпитки отдельных струй растет донное сопротивление шумоглушащего сопла, что существенно уменьшает эффективную тягу двигателя.

Методика расчета акустических характеристик многотрубчатых шумоглушащих сопел следующая. Струя, истекающая из исходного круглого сопла, делится на две области (см. рис. 18). Если обозначить акустическую мощность первого участка струи исходного круглого сопла через W₁, а акустическую мощность первого участка многотрубчатого шумоглушащего сопла через W₁΄, то суммарная акустическая мощность будет равна в исходном сопле W_c = W₁ + W₂, в шумоглушащем сопле W_гл = W₁΄ + W₂. Принято, что вторая область струи генерирует при (d₂/d_с)_опт акустическую мощность W₂, равную акустической мощности основной зоны смешения при наличии шумоглушащего сопла. Если число отдельных струек q , то начальный (первый) участок струек будет отсутствовать и W₁? = 0, а W_гл = W₂. Уменьшение уровня акустической мощности в нем будет равно ΔL = 10 lg (W₂/W_c).

Относительную акустическую мощность W₂/W_c можно определить по следующему соотношению, записанному для сечений С - С и 2 - 2. Так как акустическая мощность равна W_c = kρ_cV_c⁸d_c²а^-5, то W₂/W_c = (ρ₂/ρ_c)(V₂/V_c)⁸(d₂/d_c)₂. Таким образом, для определения W₂/W_c следует найти отношения ρ₂/ρ_c и V₂/V_c. Для вычисления этих отношений используются уравнения для сечений С - С и 2 - 2 при V₀ = 0. В результате получим ρ₂/ρ_c = (V_c/V₂)²/(d₂/d_c)², где V₂/V_c = (m₁ + )/(2b), m₁ = 2 - ; b = 0,1666λ_c²[1 – (d₂/d_c)²] + (d₂/d_c)², λ_c = V_c/a_кр; а_кр = - критическая скорость звука; V₀; Т₀ - скорость и температура набегающего потока; = Т₀/T_c^*. Таким образом, для q будем иметь = W₂/W_c = (V₂/V_c)⁶.

В реальном шумоглушащем сопле q , поэтому для определения уровня шума необходимо знать величины W₁ и W₁^?. Обозначим отношение W₁?/W₁ = A, тогда W_гл/W_с = A(1 - ) + . Уменьшение уровня акустической мощности для реального шумоглушащего сопла ΔL_w = 10 lg W_гл/W_с. Для определения величины W_гл/W_с необходимо знать величину коэффициента А; которая определяется из выражения A = (W_гл/W_с - )/(1 - ). Так как шум реактивной струи имеет выраженную направленность относительно оси двигателя с максимумом при θ = 30 - 45⁰, то практический интерес представляет уменьшение уровня звукового давления ΔL в направлении этого максимума. Величина ΔL, как правило, характеризует эффективность шумоглушащего сопла. Для того, чтобы определить величину снижения уровня шума ΔL в заданном направлении, необходимо найти коэффициент А_θ. Принимая (W_гл/W_с) @ (I_гл/I_с)_θ, можно записать, что А = [(I_гл/I_с)_θ -]/(1 - ), т. к. I_гл и I_c - интенсивности звука шумоглушащего сопла и исходного сопла в одной и той же точке прослушивания. Значения I_гл и I_с определяются по уровням шума L_гл и L_с, замеренным при эксперименте в условиях V₀ = 0. Величина коэффициента А_θ зависит от числа отдельных струй q, угла направленности θ и полного относительного давления в сопле π_c = p*_c/p₀ (где p*_с - полное давление перед соплом; p₀ - давление в окружающей среде). Значения коэффициента A_θ = f (π_c, θ, q, ) приведены в табл. 8.

Подсчитанное по изложенной методике уменьшение уровня шума ΔL для θ = 30⁰, π_c = 1,8 и различных q и (d₂/d_c) хорошо согласуются с рассмотренными ранее общими представлениями о влиянии числа струй и величины (d₂/d_c)². В случае если шумоглушитель многолепестковый, то под величиной d понимается диаметр наибольшей окружности, вписанной в отдельный лепесток (гофр) шумоглушителя. Для лепесткового сопла легко найти связь q и = d/d_c по формуле q = π/[(π/2 - 1) + d₂/d_c]. Так как лепестки или гофры в большинстве реальных конструкций не доходят до оси сопла и в центре сохраняется круглое или гофрированное сопло с диаметром большим, чем диаметр вписанной в лепесток окружности, эффективность такого шумоглушащего сопла несколько уменьшается. Величина уменьшения шума с учетом влияния центрального сопла может быть определена по формуле:

ΔL = 10 lg [A_θ (1 - ) + + (1 - A_θ)], (18)

где= d_ц/d_с, где d_ц - диаметр струи, истекающей из центрального сопла в сечении 2 - 2. Шумоглушащее сопло снижает уровень звуковой мощности на 7 - 8 дБ по сравнению с исходным круглым соплом. Шум двигателя с шумоглушащим соплом становится более высокочастотным и разность между уровнем воспринимаемого шума PNL и суммарным уровнем возрастает.

Расчет шума при пролете самолета с ТРД, где имеются шумоглушащие сопла, можно проводить по изложенной выше методике при условии V₀ 0. Если предположить, что коэффициент А_θ, экспериментально определенный при V₀ = 0, не зависит от скорости полета, то при известных для условий полета газодинамических параметрах в выходном сечении шумоглушащего сопла можно определить величину и рассчитать эффективность такого сопла в зависимости от относительной скорости полета. Как показывают расчеты, с увеличением скорости полета эффективность шумоглушения практически не изменяется.

Близкими к рассмотрению шумоглушащим соплам, работающим по принципу смешения, являются сопла, в которых разбиение исходной круглой струи осуществляется или аэродинамическим путем (струйками воздуха), или механическим (рассекателями – лопатками).

На рис. 19 показана схема струйного шумоглушителя, расположенного в системе реактивного сопла сверхзвукового пассажирского самолета. Сжатый воздух, отбираемый от компрессора, через подводящий трубопровод 1 попадает в коллектор 2 и через насадки 3 вдувается в струю выхлопных газов сопла 4. Под воздействием вдуваемых струек, как в случае введения в него твердых тел (или разбиения на отдельные струи), турбулентное смешение выхлопной струи с внешним потоком интенсифицируется, и осевые размеры струи сокращаются, вследствие чего энергия излучаемого ею шума уменьшается. Рассмотрим спектр шума струи при π_с = 2,2 без и с вдувом воздуха. В диапазоне частот 100 - 5000 Гц шумоглушитель обеспечивает снижение шума, а при f > 5000 Гц наблюдается увеличение; однако вклад энергии на этих частотах в общий уровень шума невелик, так что в результате получается общее снижение звукового давления ΔL 4 дБ. Изменение акустического спектра для струйного шумоглушителя аналогично изменению акустического спектра многотрубчатых шумоглушащих сопел.

Результаты испытаний натурного струйного шумоглушителя в стартовых условиях на самолете показали следующее. В выхлопную струю через 12 насадков вдувался воздух. Отбираемый за компрессором, причем максимальный расход не превышал 2 % от общего расхода воздуха. Уровни шума, измеренные на расстоянии 60 м от среза сопла θ = 40?, приведены в зависимости от тяги, отнесенной к номинальному значению, полученному в опытах без включения шумоглушителя (безразмерная величина ). С ростом диаметра насадков (поддерживалось постоянное значение π₂) увеличивается расход вдуваемого воздуха и уменьшается уровень шума. Для одинаковых значений тяги уменьшение уровня шума составляет 4 - 5 дБ. Аналогичные данные получены на форсажных режимах.

Необходимо отметить, что применение рассматриваемого струйного шумоглушителя на самолете полностью исключает потери тяги на крейсерском режиме полета, так как в этом случае вдув не производится. Этими же свойствами обладает убирающийся шумоглушитель, разработанный фирмой SNECMA для модели Олимп - 593 самолета "Конкорд". Схема типовой модели такого шумоглушителя представлена на рис. 20. Лопатки 7 вводятся на определенную глубину в струю, выходящую из первичного сопла 1. При этом через внутренние полости лопаток радиально в струю поступает из окружающей среды третичный воздух 3. Комбинированное действие лопаток и вводимого воздуха приводит к ускорению процессов смешения основной струи и укорачивает зону порождения шума, уменьшая, таким образом, излучаемую звуковую энергию. Когда шумоглушитель находится в рабочем положении, его лопатки занимают радиальное положение. Когда шумоглушение становится ненужным, лопатки отводятся внутрь стенок узла и располагаются вне газовоздушного тракта. Общая масса одного шумоглушителя и механизма не превышает 30 кг. Как показали опыты, основное снижение шума происходит вследствие введения лопаток в первичную струю; максимальный эффект от подвода радиально поступающего воздуха составляет примерно 1 дБ. Полученное в натуральных условиях максимальное снижение шума при оптимальных геометрических размерах лопаток (число их равно 10) составляет 4 - 5 PN дБ при потерях тяги на взлете ~ 2,5 %.

Результаты испытаний модели струйного глушителя и глушителя самолета "Конкорд" показали, что в области значений π_с = 2,5 - 3,0 наблюдается большая эффективность струйного глушителя.

Следует обратить внимание на то, что значения π_с = 2,5 - 3, характерные для взлетных режимов современных ТРД, соответствуют сверхзвуковому перепаду давлений и поэтому сверхзвуковой скорости истечения струи. В спектре шума нерасчетной сверхзвуковой струи наряду со сплошным шумом наблюдаются дискретные составляющие, существенно изменяющие общий уровень шума. Для таких режимов предлагается глушитель с подачей вдуваемых струек через отверстие в центральном теле. При вдуве струек происходит изменение спектра шума и дискретные составляющие спектра исчезают.

Кроме рассмотренных выше схем для снижения шума применяют эжекторные сопла, а также сопла, действие которых заключается в изменении направления излучения шума. При наличии эжекторного сопла истекающая струя двигателя смешивается с эжектируемым воздухом, поступающим внутрь эжекторного насадка, в результате чего в выходном сечении насадка снижается скорость истечения, и, следовательно, излучаемый шум. Однако для получения эффективного уменьшения шума необходимо иметь длину эжекторного насадка, равную 6 - 8 диаметрам сопла двигателя, поэтому эжекторные шумоглушащие сопла обычно не применяются. Эффективность его может быть значительно улучшена, если эжекторный насадок используется в комбинации с шумоглушащим соплом смешения. Такая комбинация позволяет при приемлемой длине эжекторного насадка, следовательно, при небольших потерях тяги, получить необходимое снижение шума. Если внутреннюю поверхность эжекторного насадка выполнить в виде звукопоглощающего материала, то эффективность снижения шума возрастает, особенно в высокочастотной области спектра.

Примером шумоглушащих сопел, изменяющих направление излучения шума, являются регулируемое прямоугольное сопло на ТРДД типа RB - 207. Перпендикулярно короткой стороне прямоугольного отверстия сопла излучается шум с более высокой частотой, чем в направлении, перпендикулярном длинной стороне. Само по себе повышение частоты не приводит уменьшению акустической мощности струи, но затухание высокочастотного шума в атмосфере происходит быстрее, и уровень шума в точке прослушивания становится меньшим.

Применение шумоглушащих сопел с фиксированной геометрией связано с ухудшением тяговых характеристик двигателя на протяжении всего полета. Потери тяги возникают по следующим причинам:

из-за плохой организации потока внутри шумоглушащих сопел при резком изменении формы - внутренние потери тяги;

из-за сложности конструкции шумоглушащего сопла, приводящей к понижению давления на его поверхности и появлению донного сопротивления;

из-за изменений внешних обводов гондолы двигателя, приводящих к отрыву потока или изменению критического числа М, и появлению внешнего сопротивления.

Наиболее перспективными соплами являются сопла с элементами, которые можно убирать на время крейсерского полета (лопатки, вдуваемые струи и др.). Подобные устройства хорошо компонуются как в схемах суживающихся, так и суживающихся – расширяющихся сопел. Кроме того, они облегчают применение реверсивных устройств.