Математическое моделирование генерации тонального шума ТРДД и его распространения в дальнее акустическое поле

Защита окружающей среды представляет сейчас одну из важнейших проблем современности. Неотъемлемой частью этой проблемы является снижение неблагоприятного воздействия на людей различных факторов, обусловленных применением авиации. Одним из таких факторов является шум, создаваемый самолетами. Авиационный шум неблагоприятно воздействует на летно-технический состав, непосредственно связанный с эксплуатацией авиационной техники, пассажиров, работников и посетителей аэропорта, а также на наиболее многочисленную категорию — население, проживающее в окрестности аэропортов.

Беспрецедентное развитие в последние десятилетия авиационного транспорта с его мощными силовыми установками привело к значительному росту зашумленности окружающей среды, особенно в городах и районах, прилегающих к аэродромам. Большое число жителей оказалось подвержено неблагоприятному воздействию высоких уровней шума. Необходимость уменьшения раздражающего воздействия авиационного шума стала особенно острой в связи с быстрым ростом парка реактивных самолетов, увеличением их грузоподъемности (а, следовательно, и мощности), интенсивности их эксплуатации, расширением сети аэропортов и приближением к ним границ жилых районов с высокой плотностью населения.

Шум пассажирских самолетов ограничен стандартами Международной организации гражданской авиации ИКАО (ICAO — International Civil Aviation Organization) [1]. Удовлетворение требованиям этих стандартов является необходимым условием допуска к эксплуатации пассажирских самолетов. Для вновь проектируемых самолетов требования стандартов непрерывно ужесточаются, что заставляет авиастроительные фирмы проектировать все менее шумные самолеты и силовые установки для них. Критерием оценки акустических характеристик самолетов и вертолетов является стандартизированная величина — эффективный уровень воспринимаемого шума.

EPNL), измеряемая в EPN дБ. Эта величина учитывает частотный состав и продолжительность действия шума. Она вычисляется по мгновенным спектрам изменяющегося во времени уровня звукового давления, измеренным с интервалом 0.5 секунды. Методика расчета EPNL подробно описана в приложении П1.

Стандарт ИКАО ограничивает эффективный уровень воспринимаемого шума в трех сертификационных точках (см. рис. 1): в контрольной точке измерения шума сбоку от взлетно-посадочной полосы (ВПП) (точка 1) — точке на линии, параллельной оси ВПП и удаленной от нее на 450 м, в которой уровень шума при взлете является максимальнымв контрольной точке измерения пролетного шума (точка 2) — точке на продолжении оси ВПП на расстоянии 6500 м от начала разбегав контрольной точке измерения шума при заходе на посадку (точка 3)-точке на земле, на продолжении оси ВПП на расстоянии 2000 м от начала ВПП.

Исходная траектория.

На рис. 1 приведены также приемы пилотирования, позволяющие уменьшить эффективный уровень воспринимаемого шума: более крутой заход на посадку (траектория 2) и уменьшение тяги при наборе высоты (траектория 1).

Нормы главы 3 стандарта ИКАО, которые действуют в настоящее время, приведены в таблице 1 и графически представлены на рис. 2 и рис. 3. Они 8 зависят от взлетной массы самолета и числа двигателей.

Таблица 1.

Нормы главы 3 стандарта ИКАО.

Этапы полета Допустимый уровень шума, EPN дБ при максимальной взлетной массе m до, т.

20.2 28.6 35 48.1 280 385 400.

Заход на посадку (точка 3) 98 86.03+7.751g (m) 105.

Взлет (точка 1) 98 80.87+8.511g (m) 103.

Набор высоты (точка 2) 2 двигателя 89 66,65+13.29tg (m) 101.

3 двигателя 89 69.65+13,29lg (m) 104.

4 двигателя 89 71.65+13.291g (m) 106 ш =t Z 0-ш.

О >ч э.

2 о 5 я> 10 5.

Для самолетов с двумя двигателями Для самолетов с тремя двигателями Для самолетов с четырьмя двигателями.

Взлетная масс самолета, тони.

Рис. 2. Предельно допустимый уровень шума в контрольной точке 2 при наборе высоты) ш 110 ч.

Заход на посадку (точка 3) Сбоку от ВПП (точка 1).

Взлетная масс самолета, тонн.

Рис. 3. Предельно допустимый уровень шума в контрольных точках 1 и 3 (сбоку от ВПП и при заходе на посадку).

СО.

— О 310 о.

LLi со" 300 г N 3 290.

0).

ID 0.

О. >. s 280 л к а.

01 i 270 О.

Глава 2 Глава 3 Глава 4.

Взлетный вес, т.

Рис. 4. Суммарный максимально допустимый уровень шума, регламентируемый главами 2,3,4 стандарта ИКАО в зависимости от взлетной массы (масштаб логарифмический) для самолета с тремя двигателями.

Развитие международных стандартов ИКАО наглядно показывает рис. 4, опубликованный в журнале «ICAO Journal» [2]. На рисунке приведена алгебраическая сумма по трем контрольным точкам максимально допустимых уровней шума, регламентируемых главами 2, 3, 4 стандарта ИКАО как функция взлетной массы для случая самолета с тремя двигателями. Из рис. 4 видно, что новые нормы (глава 3, действующая в настоящее время) значительно более жесткие по сравнению со старыми (глава 2). Нормы главы 4 стандарта ИКАО, которые вступают в силу с 1 января 2006 года, по суммарному шуму в трех контрольных точках еще на 10 дБ ниже существующих на сегодняшний день.

Кроме существования жестких международных норм на шум самолетов, следует отметить, что интенсивное акустическое нагружение летательных аппаратов может привести к появлению усталостных повреждений элементов конструкции двигателя и планера и выходу из строя систем оборудования. Важна также проблема шума в салоне самолета, которая связана с шумом двигателей, шумом пограничного слоя планера и шумом, вызываемым вибрацией элементов конструкции. Уменьшение шума двигателей, позволит уменьшить толщину звукоизоляционного слоя, что приведет к увеличению дальности полета самолета и увеличению грузоподъемности. Таким образом, производимый шум рассматривается как одна из важнейших характеристик современного летательного аппарата, отражающая уровень его технического совершенства и конкурентоспособности.

Наибольшее значение для современных турбореактивных двухконтурных двигателей (ТРДД) имеет проблема снижения тонального шума, генерируемого в вентиляторной ступени. Традиционным методом снижения уровня тонального шума в авиадвигателестроении является установка звукопоглощающих конструкций (ЗПК) во внешнем контуре ТРДД и воздухозаборнике. Однако их эффективность обычно оказывается недостаточной для удовлетворения требованиям новых стандартов по шуму и созданию необходимого для конкурентоспособности запаса относительно норм стандарта. Необходим комплексный подход к проблеме, максимально.

11 использующий все известные методы для снижения шума. Особенно важным является максимальное снижение тонального шума вентиляторной ступени в источниках его возникновения за счет специального профилирования лопаток спрямляющего аппарата и вентилятора, а также за счет подбора их взаимного расположения. Разработка практических методов снижения аэродинамического шума ротор-статор взаимодействия требует знаний теории образования и распространения этого шума. Успешная реализация подходов по снижению тонального шума не может быть достигнута без применения методов расчета акустических характеристик, позволяющих оценить ожидаемые уровни шума вентилятора на всех этапах разработки, в том числе — на самых ранних, когда выбираются основные параметры двигателя.

Существующие на сегодняшний день эмпирические методы расчета шума ТРДД основаны на регрессионном анализе экспериментальных данных и неприменимы для оценки шума двигателей принципиально новых конструкций. Приближенные линейные теории расчета генерации шума ротор-статор взаимодействия также не дают достоверных результатов, поскольку этот процесс существенно нелинеен и должна быть использована теория, основанная на нелинейных уравнениях. Кроме того, существующие теории и подходы, как правило, не дают никакой информации инженеру о том, как нужно изменить конструкцию, чтобы уменьшить генерацию шума или увеличить затухание в каналах ТРДД и воздухозаборнике.

Данная работа посвящена исследованию нелинейных моделей генерации тонального шума в вентиляторной ступени ТРДД и созданию моделей, позволяющих описывать процессы распространения малых звуковых возмущений в каналах двигателя и окружающей среде, а также интеграции моделей в процесс проектирования авиадвигателя.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

Разработана методика оценки мощности источников тонального шума, вызванного следовым ротор-статор взаимодействием лопаток вентилятора и спрямляющего аппарата (СА), основанная на численном решении уравнений Навье-Стокса, а также проведены расчеты источников тонального шума для нескольких вариантов геометрии лопаток СА и выделены варианты, дающие наименьшую интенсивность шума при сохранении КПД вентиляторной ступени.

Разработана методика расчета распространения звуковых волн в каналах турбомашины и ближнем акустическом поле, основанная на численном решении линеаризованных уравнений Эйлера, и проведен расчет звуковых пульсаций в воздухозаборнике и ближнем акустическом поле.

Реализован численный метод для расчета распространения звука от распределенных по поверхности источников в дальнее акустическое поле, основанный на аналитическом решении волнового уравнения Фокс Вильямса — Хоукингса.

На защиту выносится:

Методика определения источников тонального шума ротор-статор взаимодействия вентилятора и СА, а также полученные на ее основе результаты для нескольких вариантов геометрии СА двигателей ПС-90А и ПС-12.

Численный метод расчета распространения малых звуковых возмущений в каналах сложной формы при наличии неоднородного стационарного потока, а также полученные результаты решения модельных и реальных задач.

Численный метод расчета распространения малых звуковых возмущений от заданных поверхностных источников в неограниченной однородной среде и результаты решения тестовых и реальных задач.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и трех приложений.

Заключение

.

1. В работе разработана методика оценки мощности источников тонального шума, вызванных следовым ротор-статор взаимодействием вентилятора и спрямляющего аппарата ТРДД, основанная на численном решении уравнений Навье-Стокса.

1.1. Методика реализована в виде программы, которая может быть использована для обработки результатов нестационарных газодинамических расчетов ротор-статор взаимодействия с целью определения мощности источников тонального шума. Программа имеет прямой интерфейс с газодинамическими пакетами CFX и Fluent.

1.2. С помощью разработанной методики проведен анализ нескольких геометрических вариантов СА для двигателей ПС-90А и ПС-12 и определены рациональные варианты с точки зрения снижения шума и обеспечения требуемого аэродинамического совершенства вентиляторной ступени.

1.3. При анализе различных вариантов геометрии лопаток С, А получено, что наклон лопаток в окружном направлении по ходу вращения вентилятора позволяет значительно снизить мощность источников тонального шума, связанных с нестационарным газодинамическим взаимодействием, причем показано, что при соответствующем сложном профилировании лопаток снижение газодинамической эффективности вентиляторной ступени практически отсутствует.

2. Предложена методика для расчета распространения тонального шума в дальнее акустическое поле, основнная на последовательном решении трех связанных задач: 1) нестационарной газодинамической задачи в области ротор-статор взаимодействия, 2) нестационарной линеаризованной газодинамической задачи в области воздухозаборника, 3) нестационарной акустической задачи в дальнем поле.

2.1. Для решения первой задачи использовался коммерческий газодинамический пакет CFX 5.6.

2.2. Для решения второй задачи разработана методика расчета распространения звуковых волн в каналах турбомашины при наличии стационарного неоднородного основного потока, основанная на численном решении линеаризованных уравнений Эйлера.

2.3. Для решения третьей задачи реализован численный метод расчета распространения звука от распределенных по поверхности источников, основанный на аналитическом решении волнового уравнения Фокс Вильямса — Хоукингса.

2.4. Разработанные методы были верифицированы на модельных задачах и применены для расчета тонального шума двигателя ПС-90А.

Разработанные программы применяются на ОАО «Авиадвигатель» при проектировании лопаток вентилятора и спрямляющего аппарата ТРДД, а также при оценке акустических характеристик разрабатываемых вентиляторных ступеней.