Диссертация (Прогнозирование и снижение шума на местности легких винтовых самолетов), страница 4

Структурный шум образуется, в основном, примеханических взаимодействиях элементов конструкции между собой, а также при сгораниитопливо-воздушной смеси, и излучается через наружные поверхности двигателя.Шум, распространяющийся через выхлопной тракт (шум выхлопа), формируютразличные процессы. Низкочастотная и среднечастотная части спектра (до 500 Гц) излучениясоответствуют процессам, происходящим в камерах сгорания цилиндров. Уровень звуковогодавления на выходе из выхлопной трубы достигает на отдельных частотах 110-120 дБ.

Частоты,которым соответствует излучение звука максимальной интенсивности, связаны с основнойчастотой работающего двигателя и ее гармониками. Высокочастотная часть спектра (1000 Гц иболее) обязана своим происхождением турбулентности, возникающей в газовоздушных трактахдвигателя [48].Шум впуска обусловлен колебательным движением газов во впускном коллекторе исопровождается значительными колебаниями амплитуды давления. Основное влияние науровень шума впуска оказывает величина давления во входном коллекторе, которая зависит отрежима работы двигателя (увеличение частоты вращения на 1000 об/мин приводит кповышению уровня звукового давления на впуске на 5-15 дБ) [48].Шум, излучаемый двигателем через корпус (структурный шум), обусловлен, с однойстороны, рабочим процессом в цилиндрах, с другой стороны, механическими процессами(удары клапанов, перекладка поршней, зубчатыми зацеплениями приводов и т.д.).Незаглушенный аэродинамический шум существенно превосходит по интенсивностиструктурный шум [49].

Однако, при наличии в системах газообмена эффективныхшумоглушащих устройств влияние составляющих аэродинамического шума на общий уровеньакустического излучения поршневого двигателя снижается и определяющим источником можетстать структурный шум [47].На высоких частотах роль периодических процессов в формировании спектраакустического излучения двигателя заметно ослабевает, поскольку более значительную роль всуммарном акустическом излучении начинают играть нерегулярные процессы случайногопроисхождения.

В частности, для шума выхлопа может оказаться существенной вихреваясоставляющая. В самом деле, выхлопной тракт и тракт впуска двигателя формируют в среде16последовательность импульсов давления, частотный спектр которой, в соответствии ссуществующейтеориейспектровизлучения[50],представляетсобойкомбинациюгармонической и широкополосной составляющих.Шум авиационного поршневого двигателяАэродинамический шумШум выхлопаСтруктурный шумУдары в подвижныхсочлененияхШум впускаРабочий процессРисунок 1.3 – Классификация источников шума авиационного поршневого двигателяГармонические составляющие шума поршневого двигателя кратны частоте следованиявспышек в цилиндрах двигателя. В отечественной литературе дискретные составляющие шумапоршневого двигателя, как правило, не разделяют на гармоники шума цилиндра и гармоникишума двигателя.

Их называют одним общим термином - «двигательные» (или «моторные») [51]гармоники. В свою очередь, очень важно и для понимания механизмов генерации шумамногоцилиндровым поршневым двигателем, и для определения методов снижения егоинтенсивности, определение источника и типа гармоники излучения с максимальнойинтенсивностью.Частоты дискретных составляющих в шуме двигателя определяются соотношениями:гармоники шума одиночного цилиндра -гармоники шума двигателя (всех цилиндров) – fд = k fц i;;где k – номер гармоники, nкв – частота вращения коленвала двигателя (об/мин), i – числоцилиндров в двигателе, - тактность двигателя.Спектральный максимум ( ) вихревой составляющей шума впуска и выхлопахарактеризуется числом Струхаля⁄ . Число Струхаля зависит от характерногогеометрического размера отверстия, через которое происходит впуск свежего заряда иливыхлоп отработанных газов.

В качестве такого размера целесообразно использовать величинуподъема клапана (h). Закон изменения h по углу поворота коленвала двигателя ()17определяется профилем кулачка. Скорость впуска свежего заряда или скорость выхлопаотработанных газов ( ) определяется режимом работы двигателя.Можно видеть (рисунок 1.4), что число Струхаля при повороте коленвала исоответствующем подъеме клапана существенным образом изменяется в диапазоне значений0,05-0,45.Рисунок 1.4– Зависимость числа Струхаля от подъема клапана и положения кулачка (для шумавпуска) [31]Акустический баланс винтомоторной силовой установкиЕсли суммировать все составляющие акустического излучения винтомоторной силовойустановки, представленные в классификации источников шума (рисунки 1.1-1.3), по звуковоймощности (W), то получим уравнение акустического баланса авиационной поршневой силовойустановки.,(1.1)где подстрочные индексы означают: СУ - силовая установка, винта – воздушного винта,пд – поршневого двигателя, агр – агрегатов СУ, нагр – шума от аэродинамической нагрузки,выт – шума вытеснения, шир - широкополосного (вихревого) шума винта, вых - шума выхлопаДВС, вп – шума впуска ДВС, стр – структурного шума ДВС.Данное уравнение аналогично представленным выражениям акустического баланса[31,33] для поршневого двигателя внутреннего сгорания и дополнительно включает в себясоставляющие шума воздушного винта и агрегатов СУ.На основании уравнения (1.1) можно определить роль каждой i-й ( ) составляющейизлучения в суммарном шуме СУ ЛВС:18⁄(1.2)Также уравнение баланса удобно использовать при расчете суммарной звуковоймощности СУ самолета, при этом вкладом источников с ожидаемой низкой интенсивностьюизлучения можно пренебречь.1.2.О расчете шума воздушного винта.

Параметрические исследования шумавоздушных винтовТеоретические методы расчета акустического поля воздушного винта базируются, восновном, на известной модели Л.Я. Гутина [3,4], в соответствии с которой реальный винтзаменяетсянепрерывнымраспределениемточечныхисточниковвплоскостидиска.Дальнейшее развитие этой теоретической модели [9,13,46] шло в направлении перехода отсосредоточенной аэродинамической нагрузки к нагрузке, распределенной по поверхностилопасти, и учету эффектов, связанных с поступательным перемещением винта.Достаточно гибким в практическом применении показал себя полуэмпирический методрасчета дальнего акустического поля винта [25,26], основанный на использовании акустическойаналогии Лайтхилла для излучения звука потоком в присутствии жестких границ.

В основурасчетной модели положена гипотеза Л.Я.Гутина о допустимости представления действующейна лопасть винта распределенной аэродинамической нагрузки в виде сосредоточенной силы, игипотезы Г.Лэмба [52] о том, что следствием действия периодической сосредоточенной силы набесконечно малый объем среды является появление безвихревого движения среды вне областидействия силы, то есть появление звуковых волн. Этот метод используется в программномкомплексе «АЭРОШУМ», разработанном в ЦАГИ для расчета шума на местности ЛВС и БПЛАс винтомоторными СУ [53].Один из подходов к расчету шума задней кромки базируется на использованиианалитических моделей [54-57]. Эти модели были получены от точных решений задачакустического рассеяния на плоской пластине и могут быть применены к оценкеширокополосного шума реальных объектов.

В частности, это шум обтекания крыла и шумзадней кромки вращающихся лопастей.О численном моделировании шума воздушного винтаОсновные подходы к вопросу численного моделирования шума винта были рассмотреныв работе [58]. Тональный шум, генерируемый винтом, можно вычислить на основе решенияуравнения Фокс-Вильямса-Хоукингса [59].

При этом компоненты гармонического шума: шумот вытеснения и шум от аэродинамической нагрузки рассчитываются через интегралы по19поверхности лопасти [18-21,60-62]. Квадрупольным вкладом, соответствующим нелинейнымчленам, распределенным в возмущенной области вокруг лопасти, как правило, пренебрегают.В то же время существует альтернативная акустическая модель для расчета тональногошума лопаточных машин, основанная на переходе от пульсаций давления по размаху лопасти кизлучаемым акустическим модам [63-65].В обоих представленных случаях подхода к численному моделированию шума винтанеобходимо для начала выполнить численный расчет аэродинамических характеристик винта.Основным в данном случае методом является расчет аэродинамики винта в рамках трехмерныхуравнений Рейнольдса [66].

Этот подход основан на нелинейном трехмерном расчете с учетомвсех важных особенностей геометрии и течения. В рамках такого подхода можно рассчитыватьаэродинамику винта практически на всех режимах и учитывать его интерференцию с другимичастями самолета [67]. Но на современном уровне развития вычислительной техникииспользовать эти методы для оптимизации геометрии винта невозможно из-за больших временрасчета.О влиянии числа лопастей на шум воздушного винтаНа основании опубликованных работ можно сделать следующие выводы о влияниичисла лопастей на шум воздушного винта [17,68]. Увеличение числа лопастей воздушноговинта при условии сохранения постоянной тяги на взлетном режиме работы приводит кснижению составляющей гармонического шума от аэродинамической нагрузки. В тоже времяувеличение числа лопастей приводит к увеличению шума вытеснения.

Поэтому на режимах,когда существенную роль играет шум вытеснения, увеличение числа лопастей может привестик увеличению шума винта. Увеличение числа лопастей приводит к смещению гармоническихсоставляющих в сторону более высоких частот, и поэтому при оценке шума самолета наместности в единицах дБА на взлетном, сертифицируемом по шуму на местности режиме,можно не достигнуть существенного эффекта снижения шума.Влияние формы лопасти на шум воздушного винтаОдним из способов уменьшения шума винта является изменение формы конца лопасти(рисунок 1.5). Такое изменение формы приводит к некоторому смещению в сторону втулкимаксимума радиального распределения аэродинамической нагрузки, то есть к смещению вобласть пониженных окружных скоростей. Такая форма показала свою эффективность дляслучая работы винта при около- и сверхзвуковых скоростях.20В целом можно отметить, что возможности снижения шума винта за счет измененияформы лопасти зарубежные авторы ограничивают величиной 3 дБ [68].

Было установлено, чтоизменение формы лопасти более существенным образом влияет на аэродинамические, чем наакустические характеристики винта.Рисунок 1.5 – Типичные формы лопастей малонагруженных винтов легких винтовых самолетовВ эксперименте [69] получено для лопасти А (рисунок 1.5) с модифицированнойпередней кромкой конца уменьшение уровня шума до 1,5 дБ по сравнению с базовой лопастью.Лопасть В не приносит существенного снижения шума, несмотря на более резко выраженнуюстреловидность в плане.1.3.О расчете шума поршневого двигателя.