АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 61, № 1, с. 106-113
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭКОЛОГИЯ. ШУМЫ И ВИБРАЦИЯ
УДК 621.452.322:534.83
СНИЖЕНИЕ ШУМА ВЕНТИЛЯТОРА АВИАДВИГАТЕЛЯ ПУТЕМ НАКЛОНА ЛОПАТОК СПРЯМЛЯЮЩЕГО АППАРАТА
© 2015 г. Ю. Д. Халецкий, Я. С. Почкин
Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова 111116 Москва, ул. Авиамоторная 2 E-mail: yurikhalet@ciam.ru Поступила в редакцию 11.04.2014 г.
Приведены результаты экспериментального исследования акустических характеристик вентилятора авиадвигателя, в конструкции которого лопатки спрямляющего аппарата наклонены в окружном направлении. Получено, что конфигурация спрямляющего аппарата с наклоном лопаток по вращению рабочего колеса приводит к снижению шума вентилятора относительно конфигурации с прямыми лопатками спрямляющего аппарата, а конфигурация спрямляющего аппарата с наклоном лопаток против вращения рабочего колеса — к его повышению.
Ключевые слова: вентилятор, рабочее колесо, спрямляющий аппарат, двухконтурный турбореактивный двигатель, шум.
DOI: 10.7868/S0320791914060094
ВВЕДЕНИЕ
В современной практике проектирования авиационных двигателей практически всегда используется сочетание методов снижения его шума в источнике с методами, использующими механизмы поглощения и отражения звука по мере его распространения в каналах двигателя [1—3]. К первой группе можно отнести подбор числа лопаток рабочего колеса (РК) и спрямляющего аппарата (СА) вентилятора с целью выполнения условия отсечки тонального шума взаимодействия, выбор компромиссного осевого расстояния между ротором и статором, поскольку его увеличение, с одной стороны, приводит к снижению уровня шума, но с другой, — к увеличению массы двигателя. В последние годы появились публикации, в которых использование стреловидных и наклонных лопаток статора вентилятора (рис. 1) приводит к снижению генерируемого шума по сравнению с радиальными лопатками (см. обзор в [4]). Наклонные и стреловидные лопатки СА вентилятора были предложены для ослабления механизма взаимодействия следов ротора с лопатками статора. Стреловидность лопатки представляет собой осевое смещение лопатки СА таким образом, чтобы периферийная часть лопатки оказалась расположенной дальше по потоку, чем втулочная. Другими словами, стреловидность лопаток СА увеличивает осевой зазор на периферии, где окружная скорость наиболее высока. Наклон лопаток СА представляет собой окружное смещение набора лопаток относительно радиального направления. Предполагается, что угол наклона
положителен, когда лопатки статора наружного контура имеют наклон в направлении вращения ротора, и отрицателен в противном случае.
В одной из первых публикаций на эту тему было экспериментально показано, что наклон лопаток СА на 45.2° в направлении вращения ротора приводит к снижению уровня шума на 9 дБ [5]. В работе [6] были выявлены физические механизмы снижения шума вентилятора с наклонными и стреловидными лопатками СА. Показано, что вентилятор со стреловидными лопатками статора имеет преимущество над вентилятором с радиальными лопатками за счет увеличенного осевого зазора на периферии, а наклон лопаток в окружном направлении приводит к увеличению числа пересечений роторного следа с лопатками СА по размаху. Вследствие этого происходит дополнительное снижение амплитуды звуковой волны. На рис. 1а показан продольный разрез вентилято-
(a) (б)
is
Рис. 1. Стреловидные (а) и наклонные в окружном направлении (б) лопатки СА.
Рис. 2. Установленная на стенде ЦИАМ модель вентилятора: без мотогондолы (слева), с мотогондолой и противотур-булентным устройством на входе (справа).
ра, у которого СА имеет стреловидные лопатки, а на рис. 1б — СА с наклонными в окружном направлении лопатками.
В аэродинамической трубе на модели вентилятора диаметром 0.560 м было проведено исследование влияния наклона и стреловидности лопаток [7, 8]. Результаты показали, что применение СА со стреловидными и наклонными в окружном направлении лопатками, а также СА только со стреловидными лопатками, может значительно снизить уровень тонального шума взаимодействия, а также широкополосный шум. Причем наибольшее снижение шума наблюдалось в задней полусфере. Влияние конструкции лопаток СА оказалось даже более сильным, чем увеличение осевого зазора между РК и СА. В работе [9] было проведено теоретическое исследование распространения широкополосного шума через каскады с турбулентным потоком на входе. Результаты показали, что наклон лопаток в окружном направлении, по сравнению со стреловидностью, менее эффективно снижает широкополосный шум. В [10] было выполнено расчетно-эксперименталь-ное исследование шума взаимодействия ступени компрессора с входным направляющим аппаратом. Показано, что положительный угол наклона лопаток СА в окружном направлении приводит к более значительному снижению уровней тонального шума, чем отрицательный. При этом на широкополосную составляющую шума компрессора угол наклона лопаток СА практически не влияет.
В данной работе проведена экспериментальная верификация метода снижения шума вентилятора путем наклона стреловидных лопаток СА в окружном направлении по вращению РК и в противоположную сторону. Несмотря на то, что в работе тестировалась модель вентилятора, ресурсы на ее выполнение были ограничены, поэтому варьирование угла наклона не предусматривалось.
Угол наклона лопаток СА выбран, исходя из условия, что аэродинамические характеристики вентилятора оставались не хуже, чем для его базовой конструкции.
СТЕНД Ц-3А ЦИАМ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ МОДЕЛЕЙ ВЕНТИЛЯТОРОВ
Работа выполнена на стенде с заглушенной камерой, предназначенном для акустических и аэродинамических испытаний моделей вентиляторов авиадвигателей [11, 12]. Модель исследуемого вентилятора расположена в заглушенной камере объемом 1150 м3, на расстоянии 6 м от задней стены камеры. Такое расположение испытуемой модели вентилятора позволяет одновременно определять акустические характеристики моделей вентиляторов в передней и в задней полусферах. Для устранения приземной турбулентности и обеспечения подобия потока полетным условиям на входе исследуемой модели вентилятора устанавливается противотурбулентное устройство (ПВУ). На рис. 2 слева показана находящаяся в процессе монтажа модель вентилятора без мотогондолы, а на рис. 2 справа — подготовленная к испытаниям модель вентилятора с установленным на входе ПВУ.
Заглушенная камера стенда имеет следующие размеры: 15.6 х 14.7 х 5.0 м. Стены камеры покрыты пористым звукопоглощающим материалом, характеристики которого обеспечивают внутри камеры условия свободного звукового поля. Система сбора и обработки акустических данных стенда Ц-3А включает 24 измерительных канала. Микрофоны установлены на двух дугах радиусом 4.0 м в направлениях: 10°—90° с центром на оси вентилятора относительно передней кромки рабочего колеса и 90°—60° — относительно сечения сопла (рис. 3).
Рис. 3. Схема расположения микрофонов в заглушенной камере.
ОБЪЕКТ ИСПЫТАНИЙ
Программа исследования влияния наклона лопаток СА на шум вентилятора включала три конфигурации СА модели широкохордного вентилятора. В качестве базовой модели СА использовалась конструкция, состоящая из стреловидных лопаток без наклона в окружном направлении. Кроме того, были испытаны две конфигурации спрямляющего аппарата. Первая из них имела стреловидные лопатки с наклоном 30° относительно радиуса в направлении вращения РК, а другая конфигурация имела наклон лопаток против направления вращения РК (рис. 4).
Таблица 1. Параметры модели вентилятора на расчетном режиме
Диаметр модели вентилятора 700 мм
Число лопаток РК 18
Число лопаток СА 41
Окружная скорость вентилятора 395 м/с
Степень повышения полного давления 1.54
Расход воздуха 74.4 кг/с
Степень двухконтурности 8.5
Относительное удлинение лопатки РК 1.7
Профили у всех лопаток были примерно одинаковыми, но из-за смещения оси лопаток в окружном направлении разброс коэффициента восстановления полного давления находился в пределах 0.008 от величины коэффициента восстановления полного давления прямой лопатки базовой модели. В табл. 1 приведены конструктивные и газодинамические параметры модели вентилятора на расчетном режиме.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
На стенде с заглушенной камерой были определены аэродинамические и акустические характеристики трех конфигураций СА модели широ-кохордного вентилятора. Режимы работы модели вентилятора приведены в табл. 2.
Для анализа результатов акустических измерений рассмотрим спектры шума модели вентилятора на сверхзвуковом, трансзвуковом и дозвуковом режимах, соответствующих режимам работы вентилятора — "взлету", "набору высоты" и "посадке". Третьоктавные спектры шума модели вентилятора с тремя вариантами СА — базовый с прямыми лопатками и два варианта с наклонными лопатками — приведены на рис. 5—7.
(а) (б)
Рис. 4. Спрямляющий аппарат модели вентилятора с наклоном лопаток СА: (а) по вращению РК; (б) против вращения РК.
На сверхзвуковом режиме взлета получено, что в передней полусфере наклон лопаток не приводит к какому-либо изменению спектра. Зато в задней полусфере на частоте следования наклон лопаток в направлении вращения РК приводит к снижению шума на 2 дБ, а наклон лопаток в противоположном направлении приводит к его повышению примерно на ту же величину. Причем эта тенденция наблюдается практически во всем частотном диапазоне выше частоты следования (рис. 5). Подобная же картина наблюдается на трансзвуковом режиме набора высоты (рис. 6) и на дозвуковом режиме посадки (рис. 7).
Наиболее значимый эффект влияния наклона лопаток статора проявился на дозвуковом режиме посадки. В передней полусфере изменения уровней шума весьма незначительны, в задней полусфере снижение шума до 5 дБ наблюдается в широком диапазоне частот 2.0—12.5 кГц. Наклон лопаток СА в направлении, противоположном вращению вала, приводит к негативному результату, а наклон в направлении вращения — к позитивному результату (рис. 7).
Узкополосный анализ показал, что на сверхзвуковом режиме взлета в передней полусфере присутствует шум ударных волн. Однако на эти составляющие шума в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.