Снижение шума при испытаниях жидкостных ракетных двигателей

Шум повышенных уровней — один из наиболее вредных и опасных факторов загрязнения окружающей и производственной среды. Основными источниками шума в окружающей среде являются транспортные средства. На производстве также существуют многочисленные установки, машины, агрегаты, механизмы, излзЛающие на рабочие места вредный и опасный шум высокой интенсивности. Тенденция современной цивилизации — увеличение скоростей движения и мощности транспортных средств, увеличение мощности агрегатов, машин и механизмов, а также увеличение их числа. Все это неизбежно ведет к повышению шума, который воздействует на человека при нахождении дома, на работе, при передвижении и в др. условиях [1].

Повышенный шум не просто источник беспокойства, его влияние на человека имеет разнообразные аспекты. Под действием шума ухудшается здоровье человека, снижается его работоспособность. Шум может явиться причиной несчастных случаев на производстве, на транспорте и в других условиях. Борьба с шумом требует немалых затрат, которые сравнимы с затратами на освоение космического пространства [2].

Чтобы оценить масштабы рассматриваемой проблемы приведем несколько цифр. По данным Европейской комиссии, посвященной проблеме шума на пороге XXI века [3], отмечается, что около 80 млн. человек, или более 20% населения Европы, страдают от повышенного шума, который оказывает отрицательное воздействие на их здоровье, а еще 45% (более 170 млн. человек) живут в условиях, когда повышенный шум создает беспокойство или дискомфорт. Можно полагать, что почти половина населения Земли в той или иной степени подвергаются вредному акустическому воздействию.

17 наиболее развитых стран Европы тратят на борьбу с шумом порядка 38 млрд. экю в год, что составляет порядка 0,65% ВНП этих стран [3]. Экстраполируя эти цифры на большие масштабы можно говорить о расходах человечества на борьбу с шумом, выражающихся в сотнях млрд. долларов США в год.

Из всех источников шума техногенного происхождения наиболее высокие уровни характерны для двигательных установок ракет-носителей космического назначения (РКН). Если рассматривать такой источник шума, как взлетающую тяжелую ракету, то уровни звука от ее работы в окружающей среде могут достигать 150−180 дБ и на много порядков превьппать шум, например, от автомобильного транспорта. Такие уровни шума смертельны для человека. Поэтому эксплуатация пусковых комплексов ракет-носителей, а также испытательных станций ракетных двигателей связаны с необходимостью реализации целого комплекса мер по шумозащите, включающего в себя создание значительных по площади санитарно-защитных зон, установку специальных технически сложных глушителей шума, возведение зданий и сооружений с повышенной звукоизоляцией и пр.

Наиболее остро задача защиты от шума стоит при проведении испытаний жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Это связано как с высокими мощностями излучаемого шума, так и с неизбежным присутствием обслуживающего персонала на испытательных станциях. Зачастую испытательные и U T-v станции размещены в местах, недостаточно удаленных от жилой застройки. В последние годы нормы шума в окружающей среде ужесточаются и эксплуатация этих станций зачастую не только причиняет беспокойство и страдания жителям, но и становится предметом конфликтов между экологическими службами и испытательными центрами. Возникают вполне обоснованные требования о переносе мест испытаний в мало — и ненаселенную местность, что является очень дорогостоящим мероприятием. Все это ставит под удар реализацию важнейших космических программ. Выходом из этой ситуации является разработка и установка таких дополнительных систем шумоглушения к уже имеющимся, которые могут обеспечить соблюдение санитарных норм по шуму при испытаниях ЖРД при практически любом расположении испытательных стендов по отношению к селитебной зоне.

Основная цель настоящего исследования — разработать научные основы снижения шума, создаваемого работой ЖРД на испытательных стендах.

Научная новизна работы:

— разработка метода расчета шума, создаваемого струей выхлопных газов на выходе из газодинамического тракта (ГДТ) испытательного стенда ЖРД в окружающей среде (ОС);

— разработка упрощенного метода расчета эффективности глушителей шума на выпуске из ГДТ при огневых стендовых испытаниях (ОСИ) ЖРД;

— установление связи эффективности абсорбционных глушителей шума в зависимости от типа и конструктивного исполнения, в первую очередь, от площади облицовки звукопоглощающими материалами (ЗПМ).

Практическая ценность работы:

— выполнение измерений шума на рабочих местах и в ОС при проведении ОСИ ЖРД и сравнение их с нормами в инфразвуковом, звуковом и ультразвуковом диапазонах частот;

— определение требований к системам шумозащиты при проведении ОСИ ЖРД;

— разработка конструкций глушителей шума и выработка рекомендаций для снижения шума на стендах при проведении ОСИ ЖРД;

— разработка проектно-конструкторской документации на систему шумозащиты для конкретного испытательного стенда ЖРД.

Внедрение основных результатов работы было выполнено в Приморском НТЦ РКК «Энергия» (г. Приморск, Ленинградская обл.) и на испытательной станции РКК «Энергия» (г. Королев, Московская обл.).

Основные экспериментальные исследования по определению шума ЖРД выполнялись в РКК «Энергия» (г. Королев), экспериментальные исследования по определению распространения шума вьшолнены на территории 8 испытательного комплекса Приморского НТЦ (г. Приморск). Исследования конструкций глушителей выполнялись на модельной опытной установке в Приморском НТЦ (г. Приморск).

Результаты исследований доложены на конференции «Динамика технологических систем ДТС-2001» (Ростов-на-Дону, сентябрь 2001), Всероссийском семинаре «Новое в теоретической и прикладной акустике» (СПб, октябрь, 2001), на научно-технических советах РКК «Энергия», Приморского НТЦ, а также на заседании кафедры «Экология и БЖД» БГТУ «ВОЕНМЕХ». Основные результаты работы представлены и приняты к опубликованию на IX международный конгресс по звуку и вибрации (Орландо, США, июль 2002 г).

Автор выражает глубокую благодарность за содействие и поддержку при выполнении указанных исследований и работе над диссертацией Иванову НИ., Потехину В. В., Соколову Б. А., Королькову В. И., Денисову A.B., Анд-рюшкину см., Хомутникову В. П., Изюмову Г. Н.

Выводы по главе.

1. Предложена формула расчета эффективности абсорбционных глушителей, согласно которой эффективность зависит, в основном, от площади ЗПМ. Так, увеличение площади звукопоглощения в 3 — 4 раза увеличивает эффективность глушителя не менее чем на 6 — 7 дБА, После учета влияния скорости потока и температуры, учтены все основные параметры, влияющие на шумоглушение. Проверка этой формулы показала, что она обеспечивает достаточно высокую точность расчетов эффективности абсорбционных глушителей.

2. Выполнены сравнительные испытания трех типов абсорбционных глушителей: камерного, пластинчатых и сотовых в сравнении с необлицованными ЗПМ модулями. Необлицованные ЗПМ глушители снижают УЗД (до 3.

10 дБ) только на низких частотах (31,5−125 Гц), но практически неэффективны в средне — и высокочастотном диапазонах.

3. Камерные глушители имеют наименьшую площадь облицовки ЗПМ из всех испытанных глушителей. Эффективность камерного глушителя в зависимости от числа модулей составляет 7−12 дБ, А (или 4 — 20 дБ в диапазонах частот 250 — 8000 Гц). При увеличении числа модулей эффективность возрастает не менее чем на 3 — 5 дБ (3 дБА) для каждого модуля. Абсолютная максимальная эффективность таких глушителей составляет 12 дБ, А (6 -20 дБ в средне — высокочастотном диапазонах), что недостаточно для снижения шума в ОС от струи на выходе из ГДТ испытательного стенда ЖРД. Необлицованные камерные глушители практически не снижают шум (кроме частот 31,5 — 125 Гц).

4. Пластинчатые глушители более эффективны, чем камерные на 3- 7 дБА в зависимости от числа испытьшаемых модулей. Абсолютная эффективность одного модуля двухкамерного пластинчатого глушителя достигает 3,5 -17,5 дБ в диапазоне частот 250 — 8000 Гц, эффективность по УЗ составляет.

11 дБА. Максимально достигаемая эффективность двухкамерного глушителя составляет 8 — 26 дБ в диапазоне частот 250 — 8000 Гц или 20 дБА. Даль.

123 нейшее увеличение площади ЗПМ этих типов глушителей позволяет увеличить эффективность до 15 — 28 дБ и 27 дБА.

5. Эффективность сотовых глушителей несколько выше, чем камерных, т.к. они имеют большую площадь ЗПМ. Эффективность одного модуля четы-рехкамерного сотового глушителя достигает 5 — 20 дБ в диапазоне 250 -8000 Гц и 15 дБА, т. е. несколько выше, чем двухкамерного пластинчатого из-за большой площади звукопоглощения. Эффективность многокамерного сотового глушителя вьппе на 4 дБ и достигает 9 — 25 дБ (и 24 дБА). Максимальная эффективность сотового многокамерного достигает 17 — 30 дБ (27 дБА), т. е. максимальная эффективность сотового и пластинчатого глушителей примерно равны.

6. Результаты определения эффективности, полученные при нахождении измерительных точек в ближнем звуковом поле, как минимум, на 3 — 5 дБ (дБА) ниже, чем при измерении в дальнем звуковом поле. При нахождении измерительной точки в дальнем звуковом поле, а также при достижении максимальных значений эффективности глушителей, на процессы шумооб-разования начинают влиять обходные пути звука и реальная эффективность глушителей ниже.

ГЛАВА V. РАЗРАБОТКА ШУМОЗАЩИТЫ НА ВЫХОДЕ ИЗ ГДТ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ СТЕНДОВ ЖРД.

5.1 Рекомендации по снижению шума.

Из результатов выполненных исследований следует, что снижение шума определяется расстоянием, рельефом местности, наличием застройки и зеленых насаждений между испытательньпл стендом и защищаемыми объектами.

Разрабатьюаемая система шумозащиты применяется дополнительно к имеющимся на стендах шумозаглзшхающим устройствам. Рекомендуется устанавливать на выходе из ГДТ испытательного стенда ЖРД абсорбционные глушители шума сотового или пластинчатого типа (двух — или четырехкамер-ные), длина которых соответствует длине не менее, чем двум модулям, испытанным на экспериментальной модельной установке. Такие глушители на практике обеспечивают снижение шума не менее, чем на 15 дБ, А в окружающей среде.

Для увеличения эффективности необходимо ликвидировать, в первую очередь, обходные пути звука через неплотности в соединениях элементов глушителя. Для дальнейшего увеличения эффективности глзш1ителя возможно увеличивать площадь звукопоглощения применением ЗПМ, стойким к высоким температурам. Необходимо также предусмотреть защиту ЗПМ от вьщува-ния струей. Рекомендуется снижать прохождение звука через стены глушителя применением вибродемпфирующей облицовки стен. Применение на испытательном стенде ЖРД шумозащитных устройств, учитьшающих перечисленные рекомендации, может обеспечивать эффективность шумоглушения не менее 25 дБ А.

5.2 Конструктивное исполнение шумозащитного устройства для стенда испытательной станции РКК «Энергия в Г. Королев Московской области.

Шумозащитное устройство для стенда испытательной станции РКК «Энергия в Г. Королев спроектировано с учетом результатов испытаний разработанных конструкций абсорбционных глушителей на экспериментальной модельной установке, выполненной в масштабе 1:10.

При этом в модельной установке были реализованы различные варианты размещения пластин с заполнением их ЗПМ с организацией в поперечном сечении коробчатой конструкции от одного до восьми каналов для прохода газа.

Для каждого варианта по числу каналов были проведены испытания с пластинами одно-, двухи трехкратной длины и соответственным увеличением высоты коробчатой конструкции в два и три раза по сравнению с первоначальной.

С точки зрения оптимизации технологичности конструкции и достижения при этом близкого к максимальному снижения уровня шума, по результатам эксперимента выбрана конструкция с четырьмя каналами для прохода газа и удвоенной длиной пластинчатых глушителей.

В качестве ЗПМ выбрано тонкое базальтовое волокно, имеющее более высокий коэффициент звукопоглощения, чем использованное в экспериментальной установке стеклянное штапельное волокно торговой марки URSA, и выдерживающее в процессе эксплуатации более высокий зфовень температурных воздействий. Значения коэффициентов звукопоглощения (а) для обоих материалов приведены в таблице 5.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) являются одним из наиболее шумных источников загрязнения окружающей среды, используемых современной цивилизацией. Проблема защиты от шума ракетных двигателей стоит как при запусках ракет-носителей, так и при стендовых испытаниях двигателей и ракетных блоков. Распространение звука от ЖРД характеризуется сложной картиной с наличием ближнего звукового поля. Требуют специального изучения вопросы распространения шума в окружающем пространстве, особенно в застройке и в лесных массивах.

2. Предложена формула для расчета шума в окружающей среде от струи ЖРД на выходе из ГДТ испытательного стенда с учетом затухания на расстоянии, затухания при прохождении звука через различные сооружения, зеленые насаждения и пр. Выполнено экспериментальное и теоретическое определение затухания звука, в реачьных условиях окружающих испытательные стенды ЖРД. Получены поправки в расчетные формулы на лесные массивы, рельеф местности и застройку на основании выполненных исследований и расчетов. Разработаны требования к дополнительным величинам шумоглушения звука струи на выходе из ГДТ испытательных стендов ЖРД, которые составляют не менее 15 дБА.

3. Определены характеристики шума для реального испытательного стенда ЖРД на рабочих местах и в окружающей среде в инфразвуковом, звуковом и ультразвуковом диапазоне частот. Отмечено превышение во всех областях частот на 10−25 дБ.

4. Разработана методика проведения измерений шума, инфра — и ультразвука на испытательных стендах ЖРД, в которой приведены точки измерений, условия измерений, виброакустическая аппаратура и методы обработки полученных данных. Для измерений использовалась самая современная прецизионная аппаратура.

5. Для выполнения исследований абсорбционных глушителей разработана экспериментальная установка. Испытания проводились на моделях в маештабе 1:10. Установка адекватно отображает условия реального испытательного стенда ЖРД. Для испытаний бьша разработана серия абсорбционных глушителей трех типов: камерных, пластинчатых и сотовых различного исполнения (всего 6 конструкций). Каждый из испытанных глушителей наращивался в процессе испытаний от одного до трех одинаковых модулей. Всего проведено 20 испытаний в виде одной серии.

6. Предложена формула расчета эффективности абсорбционных глушителей, в которой основной эффект предложено учитывать в зависимости от площади ЗПМ. Так увеличение площади звукопоглощения в 3 — 4 раза увеличивает эффективность глушителя не менее, чем на 6 — 7 дБА. С введением в формулу значений скорости потока и температуры учитываются все основные параметры, влияющие на шумоглушение. Проверка этой формулы показала, что она обеспечивает достаточную точность расчетов эффективности абсорбционных глушителей.

7. Выполнены сравнительные испытания трех типов абсорбционных глушителей: камерного, пластинчатых и сотовых в сравнении с необлицованными ЗПМ модулями. Необлицованные ЗПМ глушители снижают УЗД (до 3 -10 дБ) только на низких частотах (31,5 — 125 Гц), но практически не эффективны в средне — высокочастотном диапазонах. Камерные глушители имеют наименьшую площадь облицовки ЗПМ из всех испытанных глушителей. Абсолютная максимальная эффективность таких глушителей составляет 12 дБА (6 — 20 дБ в средне — высокочастотном диапазонах), что недостаточно для снижения шума в ОС от выхлопа ЖРД. Пластинчатые глушители более эффективны, чем камерные на 3- 7 дБА в зависимости от числа испытываемых модулей. Дальнейшее увеличение площади ЗПМ этих типов глушителей позволяет увеличить эффективность до 15 — 28 дБ и 27 дБА. Эффективность сотовых глушителей несколько выше, чем камерных, т.к. они имеют большую площадь ЗПМ.

8. Результаты измерения эффективности, полученные при нахождении измерительных точек в ближнем звуковом поле, как минимум, на 3 — 5 дБ (дБА).

134 выше, чем при измерении в дальнем звуковом поле. При нахождении измерительной точки в дальнем звуковом поле, а также при достижении максимальных значений эффективности, на процессы шумообразования начинают влиять обходные пути зв) гка и реальная эффективность глушителей ниже.

9. Разработаны рекомендации по снижению шума в окружающей среде от струи на выходе из ГДТ испытательного стенда ЖРД. Дано описание конструкции шумозащитного устройства, разработанного в соответствии с приведенными рекомендациями, на конструкцию получен акт о внедрении.