8.1. Акустический глушитель шума реактивной струи ТРД

Проведенные в последние годы исследования [8.3,8.9], позволили наметить принципиально новый, акустический метод снижения шума турбулентных струй. Было, в частности, установлено, что звуковое облучение может оказывать существенное влияние на аэродинамические и акустические характеристики турбулентных струй. Так, низкочастотное звуковое облучение струи при числе Струхаля (здесь диаметр выходного сечения сопла, из которого истекает струя, скорость истечения струи, частота воздействующего звука) приводит к интенсификации турбулентного смешения в начальном участке, возрастанию характерного масштаба турбулентности в слое смешения и, как следствие этого, к усилению генерации шума. Высокочастотное звуковое облучение при приводит к обратному эффекту, т.е. ослаблению турбулентного смешения в начальном участке, уменьшению характерного масштаба турбулентности в слое смешения и, как следствие этого, к снижению широкополосного шума струи.

В связи с этим представляется привлекательной идея использования звукового облучения струи для уменьшения излучаемого ею шума. Однако здесь возникает трудность, связанная с необходимостью установки на двигатель высокочастотного излучателя шума.

В настоящей главе исследуются акустические характеристики модельных и натурных реактивных струй при воздействии на них шума, излучаемого несколькими расположенными вокруг основной струи параллельными струйками, диаметр сопел которых примерно на порядок меньше диаметра сопла основной струи, а скорость истечения равна скорости истечения газа из основного сопла. Такая система струй может быть реализована при истечении как основной струи, так и вспомогательных периферийных из одного ресивера (рис.8.1,а).

Возможность снижения шума в такой системе по сравнению с шумом исходной одиночной струи основана на следующих соображениях. Как известно [8.1,8.3,8.9], максимум излучаемого турбулентной струей шума соответствует диапазону чисел Струхаля Это соотношение в равной мере применимо как к основной (индекс 1), так и к периферийным (индекс 2) струйкам, т.е.

При равной скорости истечения основной и периферийных струй отсюда следует, что

Если диаметр периферийных струек в 10 раз меньше диаметра основной струи то Следовательно, число Струхаля, определенное по диаметру и скорости основной струи и частоте воздействующего на основную струю звука будет составлять

т.е. шум, генерируемый периферийными струйками, воспринимается основной струей как высокочастотное возбуждение.

8.1.1. Модельные испытания холодных струй. Дальнее поле. Исследовались устройства, состоящие из основного сопла и нескольких периферийных сопел, расположенных по окружности вокруг основного (рис.8.1,б) сопла. Акустическая эффективность таких устройств определялась в заглушённых камерах на маломасштабной модели с для холодных струй при отношениях полного давления на срезе сопла к статическому на крупномасштабной модели с горячими струями при и на натурном двигателе, установленном на открытом акустическом стенде. Режимы работы двигателя при этих испытаниях изменялись от до где тяга относительно некоторого номинального режима. При испытаниях оси основных струй были горизонтальными.

Акустические измерения проводились с помощью электроакустической аппаратуры фирмы "Брюль и Къер". Микрофоны устанавливались в горизонтальной плоскости, проходящей через ось основного сопла, на дуге окружности с центром на оси в плоскости среза сопла. Радиусы этой дуги при модельных испытаниях составляли а при натурных испытаниях -

Первая серия экспериментов выполнялась на моделях, в которых вокруг основной струи диаметром располагались шесть периферийных струек диаметром Оси периферийных струек были либо параллельны оси основной струи либо располагались под углом 15° к оси основной струи так чтобы свести к минимуму аэродинамическое взаимодействие между основной струей и периферийными струйками.

При параллельности осей основной и периферийных струй плоскость среза периферийных сопел могла смещаться относительно плоскости среза основного сопла Воздух ко всем соплам подводится от одной успокоительной камеры, вследствие чего скорости истечения струй из основного и периферийного сопел были приблизительно одинаковы.

Измерения показали что наиболее существенное снижение шума основной струи (и всей струйной системы) при наличии периферийных струек наблюдается на лучах, расположенных под углом к оси струи, т.е. в зоне максимального излучения шума струи.

Рис. 8.1. (см. скан) Схемы исследованных трубчатых глушителей шума струй.

С ростом максимальное снижение шума наблюдается при более высоких частотах.

Эффективность снижения шума при параллельном и наклонном расположении периферийных трубок (сопел) и при различной длине этих трубок менялась незначительно, что подтверждает предположение о незначительном влиянии на шум чисто аэродинамического взаимодействия между основной и периферийными струями.

Измерения, проведенные при истечении периферийных струек только из трех трубок (остальные три трубки заглушены), показали, что эффект

Рис. 8.2. Спектры шума в дальнем поле струи: 1- исходная струя; 2- 6 периферийных сопел, в периферийных сопел,

снижения шума сохраняется и в этом случае, причем на величину снижения шума не оказывает влияния азимутальное расположение действующих периферийных струек. Так, расположение периферийных струек как со стороны, где расположен микрофон, так и с противоположной стороны привело к практически одинаковому влиянию периферийных струек на шум (рис.8.3). Это свидетельствует о том, что наблюдаемое снижение шума струи не может быть связано ни с экранированием шума периферийными струйками, ни с рассеянием звука на них.

В то же время уменьшение числа периферийных струек до одной или двух сопровождается резким снижением акустической эффективности рассматриваемого устройства. По-видимому, это обусловлено тем, что для реализации эффекта аэроакустического взаимодействия требуется достижение некоторого минимального уровня звукового давления, создаваемого воздействующими на основную струю периферийными струйками [8.3,8.9].

Измерения средней скорости потока, выполненные с помощью трубки Пито на оси основной струи на расстоянии от среза сопла показали, в полном соответствии с данными работы [8.9], что высокочастотное звуковое облучение струи приводит к некоторому возрастанию средней скорости (примерно на

Рис. 8.3. Спектры шума в дальнем поле струи при различном азимутальном расположении периферийных струек исходная струя, периферийные струи на стороне, противоположной микрофону, периферийные струи на стороне установки микрофона

Таким образом, проведенные исследования показали, что предложенное устройство, основанное на принципе аэроакустического взаимодействия, обеспечивает некоторое снижение шума турбулентной струи. В зоне максимального излучения снижение шума струи достигает в широком диапазоне частот излучения.

В описанной выше серии экспериментов имевшиеся модели не позволили выполнить параметрические исследования, направленные на поиск оптимального расположения периферийных струек относительно основной струи. Для этой цели была проведена вторая серия экспериментов на модели, в которой вокруг основного сопла диаметром располагалась от двух до шести периферийных сопел диаметром Расстояние между осями основного и периферийных сопел составляло Основные измерения проводились при расположении срезов периферийных сопел в одной плоскости со срезом основного сопла; отдельные измерения были выполнены при смещении плоскости срезов периферийных сопел на вниз по потоку относительно плоскости среза основного сопла.

Анализ спектров пульсаций давления в дальнем поле показывает, что и в этом случае наличие периферийных струек приводит к снижению уровней звукового давления во всем диапазоне частот, причем наибольшее снижение отмечается в области высоких частот (рис.8.4). Измерения при различных показали, что в рассмотренном диапазоне наибольшее снижение шума достигается при минимальном значении и максимальном диаметре из диапазона

8.1.2. Модельные испытания горячих струй. Дальнее поле. Измерения, проведенные на горячих струях, выполнялись на модели, в которой основная струя истекала из сопла диаметром при диаметре периферийных струек и их числе от 4 до 12. Расстояние между плоскостями среза основного и периферийных сопел изменялось в диапазоне

Рис. 8.4. Спектры шума в дальнем поле струи - исходная струя, с 6 периферийными соплами

Помимо этого могло изменяться расстояние между осями основного и периферийный сопел.

Измерения показали, что и на горячих струях эффект снижения шума сохраняется приблизительно таким же, как и для холодных струй Увеличение диаметра периферийных струек приводило к усилению эффекта шумоглушения так же, как и увеличение количества этих струй. Максимальное снижение шума наблюдалось при совпадении плоскостей среза периферийных и основного сопла. Смещение периферийных сопел как вверх, так и вниз по потоку от плоскости среза основного сопла приводило к ослаблению эффекта.

Таким образом, на основании модельных испытаний предложенного шумоглушащего устройства можно сделать следующие выводы. Наличие периферийных струй приводит к снижению шума системы струй по

Рис. 8.5. Спектры шума в дальнем поле горячих струй с акустическим глушителем исходное сопло, 2 - многотрубчатое сопло

сравнению с шумом исходной основной струи на величину до Снижение шума наблюдается во всем звуковом частотном диапазоне. Наибольшее снижение шума имеет место на частотах больших или равных частоте максимума в спектре шума исходной струи. Эффект снижения шума наблюдается в случаях холодных и горячих струй. При одинаковых скоростях истечения основной и периферийных струй максимальное снижение шума достигается при отношении диаметров

8.1.3. Натурные испытания ТРД. Дальнее и ближнее поля. На основе анализа результатов модельных исследований был изготовлен 12 - трубчатый глушитель шума реактивной струи применительно к натурному двигателю. Общий вид этого глушителя показан на рис. 8.6. Газ из камеры смешения поступал как к основному соплу, так и к 12 периферийным соплам. Суммарная площадь выходного сечения составила Срезы всех сопел были расположены в одной плоскости. При использовании многотрубчатого сопла диаметр основного сопла был уменьшен, с тем чтобы в обоих случаях сохранить площадь выходного сечения. Проведенные на открытом акустическом стенде испытания двигателя с указанным выходным устройством показали, что эффективность акустического глушителя в натурных условиях примерно такая же, как и в модельном эксперименте

Пересчет полученных результатов на условия взлета и посадки реального самолета в эффективные уровни воспринимаемого шума а именно в этих единицах нормируется шум самолетов на местности [8.1],

Рис. 8.6. Натурный турбореактивный двигатель с многотрубчатым глушителем шума на акустическом стенде

Рис. 8.7. Спектры шума в дальнем поле двигателя на номинальном режиме работы. 1 - двигатель с серийным соплом, 2 - с трубчатым соплом

показал, что использование акустического глушителя приводит к снижению шума в контрольных точках на следующие величины: сбоку от при наборе высоты - при заходе на посадку - Суммарное снижение шума в трех контрольных точках на местности составляет Проведенные ранее исследования [8.4] показали, что наличие спутного потока не приводит к принципиальному изменению параметров когерентных структур, определяюших реакцию струи на акустическое облучение. Это дает основание полагать, что на режимах взлета и посадки шумоглушащее сопло рассмотренного типа будет столь же эффективным, как и в стационарных условиях.

Необходимо отметить, что применение трубчатого сопла приводит также к снижению уровней пульсаций давления в ближнем звуковом поле двигателя Это позволяет использовать указанный глушитель для снижения акустической нагруженности обшивки фюзеляжа самолета и, как следствие, для снижения шума в пассажирском салоне.

Исследования дроссельных характеристик натурного двигателя с трубчатым и серийным соплами в закрытых боксах и термобарокамере показало, что трубчатый глушитель практически не ухудшает экономичности двигателя в стационарных условиях.

Рис. 8.8. Спектры шума в ближнем поле двигателя на номинальном режиме работы в точках с координатами (начало координат на оси выходного сечения двигателя) - двигатель с серийным соплом, 2-е трубчатым соплом

Однако выполненные расчеты показали, что в условиях полета следует ожидать увеличения удельного расхода топлива на из-за наличия зон донного давления и некоторого ухудшения внешнего обтекания. Впрочем, указанное выше некоторое увеличение удельного расхода топлива может быть существенно уменьшено, если периферийные сопла выполнить убирающимися.

В заключение отметим, что эффективность предложенного многотрубчатого глушителя шума реактивной струи, по-видимому, может быть повышена при увеличении уровня воздействующего на нее звука, что, в частности, можно достигнуть, если скорость истечения газа из периферийных сопел будет значительно превышать скорость истечения из основного сопла. Материалы этой главы опубликованы в статье [8.6].