АКУСТИЧЕСКАЯ ЭКОЛОГИЯ. ШУМЫ И ВИБРАЦИИ
УДК 534.83
ЭФФЕКТИВНОСТЬ МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ ШУМА РЕАКТИВНЫХ СТРУЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ПАССАЖИРСКИХ САМОЛЕТОВ
© 2010 г. В. М. Кузнецов
Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского Московский комплекс ЦАГИ 105005 Москва, ул Радио 17 Е-таП: vmkuznetsov@mtu-net.ru Поступила в редакцию 10.08.08 г.
Рассмотрено современное состояние проблем снижения авиационного шума. Отмечено, что для удовлетворения ужесточающихся нормативных требований по шуму для пассажирских самолетов необходимо применение эффективных способов снижения шума струй турбореактивных двигателей. Представлены результаты экспериментальных исследований методов снижения шума струй, проведенных в заглушенной камере ЦАГИ. Определена акустическая эффективность методов снижения шума струй за счет применения сопел с вырезами шевронного типа в боковых стенках, изменения параметров двухконтурного сопла посредством изменения относительного расположения сопел внутреннего и внешнего контуров, установки эжекторного шумоглушащего сопла и организации истечения газового "термоакустического" экрана вблизи выхлопа реактивной струи.
РАСЯ: 43.28.Ra
ВВЕДЕНИЕ
Снижение вредного воздействия авиационного шума на пассажиров и население, проживающее вблизи аэропортов, является весьма сложной проблемой, которая должна решаться посредством осуществления комплекса различных мероприятий с учетом технических возможностей и экономической целесообразности [1, 2].
Постановка и способы решения современных проблем снижения нежелательного воздействия авиационного транспорта на окружающую среду и человечество инициируются международной организацией гражданской авиации ИКАО. В рамках этой организации создан постоянно действующий Комитет по защите окружающей среды от воздействия авиации САЕР, занимающийся проблемами снижения авиационного шума и эмиссии вредных выбросов из авиационных двигателей.
В соответствии с введенными в 2006 году нормами Главы 4 Стандарта ИКАО допустимая суммарная величина уровней шума современного самолета в контрольных точках на местности уменьшена на 10 ЕРМ дБ по сравнению с действующими нормативными требованиями по шуму Главы 3. В ближайшие годы ожидается дальнейшее ужесточение международных нормативных требований по авиационному шуму, что должно сопровождаться постепенным ограничением и запретом эксплуатации наиболее шумных самолетов в международных аэропортах. Однако уже в настоящее время существует мнение, что новые
нормы являются недостаточно жесткими и в ближайшие годы при разработке перспективных нормативных требований Главы 5 необходимо предусмотреть снижение допустимых уровней шума самолетов еще на 10 ЕРМ дБ [2].
В России разработана и выполняется "Комплексная Программа работ на период 2002—2010 гг. по проблеме снижения шума, эмиссии и повышения точности навигации отечественных самолетов и вертолетов в обеспечение требований норм ИКАО и ЕС". В принятой Программе считается необходимым обеспечение соответствия уровней шума современных самолетов нормативным требованиям Главы 4 Стандарта ИКАО; предусмотрены также разработка и внедрение рекомендаций по снижению уровней шума самолетов с определенным запасом относительно новых нормативных требований ИКАО.
Снижение интенсивности шума, излучаемого используемыми на современных и перспективных самолетах двухконтурными турбореактивными двигателями, может быть осуществлено применением совокупности различных методов снижения. Определенный выигрыш в снижении уровней шума выхлопного потока достигается за счет усовершенствований конструктивных элементов выхлопных устройств двигателей сложной конфигурации, приводящих к изменению условий истечения струй и их смешения с окружающей средой. Что касается возможностей снижения уровней шума со стороны выхлопа современных двухконтурных турбореактивных двига-
Рис. 1. Выхлопная часть двигателя с двухконтурным
шевронным соплом.
телей, то здесь, конечно, разумно рассматривать только те способы, которые не приводят к значительным потерям тяги силовой установки.
Данная статья является продолжением опубликованной ранее в журнале обзорной статьи по шуму пассажирских самолетов [1], в которой представлены способы снижения шума самолетов за счет размещения в каналах силовой установки различных звукопоглощающих конструкций, изложены проблемы снижения шума самолетов с винтовентиляторными двигателями и шума сверхзвуковых пассажирских самолетов, дано описание характерных особенностей источников шума обтекания элементов планера самолета; рассмотрены также проблемы и методы снижения шума в кабинах пассажирских самолетов. В настоящей работе, рассматривающей возможности снижения уровней шума перспективных самолетов за счет изменения условий истечения реактивных струй двигателей, представлены результаты экспериментальных исследований методов снижения шума струй, подразумевающих возможность их практической реализации на натурных изделиях.
Основное внимание при решении проблем снижения шума самолетов должно уделяться снижению интенсивности генерируемого шума, т.е. созданию малошумных двигателей, выбору рациональной в отношении акустики компоновки летательного аппарата, применению в силовой установке глушителей шума и специальных конструкций и материалов для снижения шума [3, 4]. В ближайшие годы для российских исследователей в области авиационной акустики актуальными являются исследования по снижению шума перспективных гражданских регионального, ближнемаги-стрального, магистрального самолетов и, в частности, исследования по созданию эффективных
систем шумоглушения нового поколения для силовых установок разрабатываемых самолетов Су-перджет-100, MC-21 для обеспечения выполнения требований по шуму на местности Главы 4 Стандарта ИКАО с запасом не менее 10 ЕРКдБ.
Снижение уровней шума современных и перспективных дозвуковых самолетов может быть достигнуто за счет сбалансированного снижения интенсивности источников шума и применения звукопоглощающих конструкций в силовой установке, например, за счет применения высокоэффективной системы шумоглушения в канале воздухозаборника и шевронных сопел, смесителей потоков в выхлопной части двигателя [1, 5]. Так, концепция сбалансированного снижения шума реализуется, например, в рамках проекта "Quited Tehnology Demonstrator" и заключается в увеличении площади звукопоглощающих конструкций в воздухозаборнике и применении шевронных кромок сопел двигателя (рис. 1).
Достаточно высокая акустическая эффективность при определенном режиме истечения может быть получена, например, при применении сопел с центральным телом, перфорированной поверхностью стенок и так называемых "bluebell" сопел [6, 7, 8]. Эти сопла имеют синусоидальную линию кромки шевронного типа и синусоидальную форму поперечного сечения (рис. 2). В основе конструкции таких весьма оригинальных сопел лежат две концепции, связанные с использованием шевронов для увеличения выходного периметра сопла или увеличения области смешения потоков и с использованием внутренних гофров для увеличения интенсивности смешивания основного потока со вторичным потоком. Недостатком конструкции этих сопел является зависимость акустической эффективности от режима истечения; при отклонении от расчетного режима акустический эффект менее заметен.
Многочисленные экспериментальные исследования [5, 9, 10] показали, что применение шевронных сопел (рис. 1, 2) весьма привлекательно с точки зрения простоты конструкции устройств при незначительном изменении тяги силовой установки. Аналогичным акустическим эффектом обладает также многосопловое устройство для снижения шума реактивной струи, где газ как к периферийным, так и к основному соплу поступает из общей камеры смешения [11] (рис. 3). Максимальный акустический эффект в случае применения этого глушителя достигает величины 2 ^ 3 дБ в широкой полосе частот и объясняется тем, что при высокочастотном звуковом облучении происходит ослабление турбулентного смешения в начальном участке струи, уменьшение характерного масштаба турбулентности в слое смешения и, следовательно, снижение широкополосного шума [12, 13]. Применение шевронных сопел или многосоплового устройства при
Рис. 2. Схемы сопел, выполненных в виде "колокола".
сверхзвуковых режимах истечения приводит к уменьшению интенсивности дискретных составляющих шума.
Итак, для достижения эффекта снижения уровней генерируемого шума со стороны выхлопа реактивного двигателя необходимо изменение начальных условий истечения, приводящее к изменению условий смешения истекающих потоков с окружающей средой и вызывающее снижение интенсивности акустического излучения движущейся средой. Далее представлены результаты экспериментальных исследований методов снижения шума струй, вызывающих снижение интенсивности акустического излучения истекающих струй и, в частности, вызывающих изменение характеристик направленности шума струй в плоскостях, перпендикулярных направлению истечения, т.е. приводящих к нарушению симметричности звуковых полей реактивных струй.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для снижения уровней шума в направлениях, соответствующих, например, контрольным точкам измерений шума на местности в окрестностях аэропорта могут быть применены такие способы как создание "газового экрана" между реак-
тивной струей и окружающей средой, изменение относительного расположения сопел внутреннего и внешнего контуров турбореактивного двигателя и изменение конструкций этих сопел.
Снижение уровней генерируемого шума в выбранном направлении относительно выхлопа двигателя может быть достигнуто за счет простого изменения формы конструкции выходного устройства, а именно, применения конического
1
т
Рис. 3. Схема многосоплового устройства.
< - У Б
1
стенках.
сопла с одним или двумя боковыми вырезами в стенке (рис. 4).
Экспериментальные исследования аэроакустических характеристик струй проводились в за-глушенной камере [3], оборудованной системой подачи сжатого воздуха и вывода его из камеры в окружающую среду. При расположении микрофона со стороны выреза при небольш
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.