Диссертация (Прогнозирование и снижение шума на местности легких винтовых самолетов), страница 5

Параметрические исследования шумапоршневых двигателейНа основании многочисленных измерений М. Хеклом [28] была предложенаэмпирическая формула для расчета третьоктавного спектра уровней звуковой мощностибензинового карбюраторного поршневого двигателя наземного применения:(где((⁄ )))( ) ,(1.3)– номинальная частота вращения коленвала, об/мин; m – масса двигателя, кг; f –центральная частота третьоктавной полосы;– номинальная мощность, кВт; n – частотавращения коленвала на заданном режиме.Расчет шума выхлопа двигателяЕслипредположить,чтодвигательлишенвыхлопнойсистемыиистечениеотработанных газов происходит непосредственно в атмосферу, то для расчета шума выхлопной21струи поршневого двигателя можно применить акустическую аналогию Лайтхилла, также какдля случая струи реактивного двигателя [31].При этом следует учитывать различие в образовании шума струи в поршневом иреактивном двигателе.

Истечение газов при выхлопе происходит через сужение в клапане,являющееся переменным. И с периодичностью в зависимости от тактности двигателя. В связи сэтим расчет шума выхлопной струи следует производить при условии квазистационарностипроцесса истечения. То есть, в любой момент времени реальное истечение через клапанзаменяется условным, как бы проходящим из сопла с площадью равной текущему значениюплощади проходного сечения клапана ( ):(где h- подъем клапана,),– диаметр выпускной горловины,– угол фаски клапана.Далее можно рассчитать звуковую мощность выхлопной струи по выражению дляреактивной струи [46,70].Расчет шума выхлопных систем реальных двигателей, оборудованных глушителями,является отдельной и достаточно сложной задачей.

Выхлопную систему двигателя разделяютна источник, глушитель и выхлоп. При этом внутри глушителя и трубопроводов имеютсявторичные источники аэродинамического шума. Подробный аналитический обзор методовмоделирования выхлопных систем представлен в работе [71].Моделирование структурного шума ДВСПроблема расчета структурного шума ДВС подробно рассмотрена в работе [72].Уровеньструктурногошумаприработедвигателяповнешнейскоростнойхарактеристике может быть определен по эмпирической зависимости:LP nx  LP nном  LP n  LP pe ,(1.4)где LP n – уровень шума двигателя для заданного режима по внешней скоростной характеристике;xLP nном – уровень шума ДВС на номинальном режиме; LP n – приращение уровня шума приизменении частоты вращения коленчатого вала двигателя n; LP p – величина изменения уровняeшума при изменении среднего эффективного давления ре.Также в работе [72] предложена методика оценки структурного шума ДВС, согласнокоторой мощность акустического излучения от источников структурного шума ДВС на частотеkf0 может быть рассчитана следующим образом:W (kf0 )  zS (kf0 )  c  Sд  ve2( S ) (kf0 ) ,(1.5)22где Sд – площадь наружных поверхностей двигателя, м2; с – скорость звука в воздухе, м/с;  плотность воздуха, кг/м3; с – волновое сопротивление воздуха; ve2( S ) (kf0 ) - средний понаружной поверхности квадрат эффективной скорости колебаний; zS(kf0) – относительныйкоэффициент сопротивления излучению, нормированный по площади наружных поверхностейдвигателя Sд.

В этом случае задача расчета мощности акустического излучения структурногошума сводится к формированию методов определения составляющих выражения (1.5).Сравнительная оценка полученных экспериментальных и расчетных значений уровняструктурного шума от рабочего процесса двигателя 8ЧН12/12 при его работе по внешнейскоростной характеристике (рисунок 1.6) позволяет сделать вывод о том, что использованиеданной методики расчета [72] обеспечивает точность, приемлемую при выполнении расчетовструктурного шума ДВС. При этом отклонение экспериментальных данных от расчетных дляразличных режимов работы двигателя находится в пределах 0-2 дБ.Рисунок 1.6– Измеренные () и спрогнозированные уровни () структурного шума отрабочего процесса дизеля 8ЧН12/12 по внешней скоростной характеристикеЗависимость шума поршневого двигателя от режима работы и от нагрузкиЗависимости параметров шума поршневых двигателей от частоты вращения коленвала инагрузки двигателя неоднократно приводились в литературе [27].

Однако сохранили своезначение эмпирические зависимости, рекомендованные И.И. Славиным [73], с помощьюкоторых возможна оценка шума двигателя с одновременным увеличением частоты вращенияколенвала двигателя и нагрузки (т.е. при работе двигателя по внешней скоростнойхарактеристике). Рост скоростного режима работы от nкв1 до nкв2 вызывает прирост уровняшума⁄.

Соответственно увеличение нагрузки (крутящего момента) от Mкр1до Mкр2 (кг*м) приводит к приросту⁄.23В работе [51] была установлена эмпирическая зависимость влияния скоростного режимаработы на шум выхлопа четырехтактных ДВС в единицах дБА:⁄, дБА(1.6)В работе [36] экспериментально была установлена зависимость суммарного уровня шумадвухтактного поршневого карбюраторного двигателя от частоты вращения коленвала.Таким образом, можно ожидать, что звуковая мощность наземных поршневыхдвигателей будет пропорциональна частоте вращения коленвала двигателя в степени близкой кзначениям 3-4, и это справедливо только при работе двигателя по внешней скоростнойхарактеристике.

В тоже время представляет практический интерес установление зависимостиинтенсивности акустического излучения типовых авиационных поршневых двигателей отрежима работы и от нагрузки.О роли поршневого двигателя в суммарном шуме СУ ЛВСРоль поршневого двигателя в суммарном шуме СУ самолета зависит от множествафакторов, связанных с конструктивными особенностями, особенностями организации рабочегоцикла в двигателе, а также от режима работы СУ. В целом, можно выделить следующиеосновные факторы, влияющие на вклад поршневого двигателя в суммарный уровень шума ЛВСна местности: режим работы, тактность двигателя, наличие глушителей в трактах впуска и выхлопа, капотирование двигателя, рабочий объем, наддув, степень сжатия, удельная, литровая и эффективная мощности двигателя (нагрузка), тип смесеобразования, способ воспламенения и т.д.1.4.Особенности акустики толкающих воздушных винтовРасположение винта в толкающей конфигурации приводит к попаданию вихревого следаот крыла (пилона или хвостового оперения) на воздушный винт.

Получающийся при этом24неравномерный поток, набегающий на винт, приводит к появлению неустановившейсяаэродинамическойнагрузкиналопастяхвинтаи,какследствие,кизменениюаэродинамических и акустических характеристик толкающего воздушного винта по сравнениюсо случаем изолированного винта.Было установлено [74], что влияние элементов конструкции планера (пилона, хвостовогооперения или крыла) на интенсивность шума винта при расположении винта в толкающейкомпоновке проявляется в увеличении уровней гармонических составляющих шума на частотахследования лопастей по сравнению со случаем изолированного винта.

На уровеньинтенсивности широкополосной составляющей акустического излучения винта наличие крылане оказывает существенного воздействия, за исключением незначительного увеличенияуровней шума в области частот свыше 5 кГц. Также взаимодействие следа от крыла слопастями винта не оказывает заметного влияния на уровень основной или первой гармоники,однако, уровни высших гармоник при этом возрастают на 10-20 дБ.В тоже время на гармонические составляющие шума толкающего винта может влиятьугол атаки крыла.

Это особенно важно при взлете самолета, поскольку на этом режименормируется шум на местности ЛВС. Было установлено [74], что увеличение угла атакиприводит к возрастанию гармонических составляющих шума на частотах, кратных частотеследования лопастей. Вероятнее всего этот эффект обусловлен увеличением турбулентностипотока за крылом, связанной с увеличением нагрузки на крыле.В тоже время можно ожидать, что проявление акустических эффектов, связанные сустановкой винта в толкающей компоновке, можно снизить или даже полностью удалить,воздействуя на вихревой след. В работах [75,76] показано, что «продувание» пилона (pylonblowing), или вдув воздуха в след за пилоном, может существенным образом влиять на степеньинтенсивности вихревого следа.Схематично пример возможности воздействия на вихревой след за пилоном, прикотором профиль скорости в следе выравнивается полностью, представлен на рисунке 1.7.

Напрактике, продувка пилона осуществляется за счет специального стержня, интегрированного сзадней кромкой пилона.Установлено, в частности [75,76], что подобное влияние на вихревой след за крыломприводит к снижению суммарного гармонического шума воздушного винта во всемрассматриваемом диапазоне режимов работы. Наибольшее снижение шума винта за счетзаполнения турбулентного следа (до 7 дБ) наблюдается при наиболее полном выравниваниипрофиля скорости в следе.25Рисунок 1.7 – Схема воздействия на вихревой след за пилоном за счет продувкиДругим способом воздействия на вихревой след за обтекаемым телом может бытьразмещение на поверхности тела дополнительных малоразмерных вихрегенераторов или минищитков, предлагаемых в качестве малоинерционных органов управления обтеканием крыла[77,78].

Возникающая при этом система вихрей может привести к существенному изменениюполя скоростей в вихревом следе за телом [78-81]. В настоящее время в литературе непредставлено данных о влиянии данного способа управления вихревым следом за крылом наакустические характеристики толкающих винтов.Все сделанные ранее выводы были основаны на результатах исследований моделей ЛА ваэродинамических трубах с открытой рабочей частью. Представляет интерес проведениеподобных исследований на натурных объектах.1.5.Влияние формы выхлопа на шум СУЭкспериментально установлено влияние формы поперечного сечения выхлопного соплатурбовинтового двигателя (ТВД) [69] на шум винта в толкающей компоновке.Обычно выхлопной патрубок двигателя располагается вблизи втулки винта. Если формузадней кромки сопла заменить: вместо круговой использовать эллиптическую, причем так,чтобы область взаимодействия потока с лопастями сместилась ближе к втулке (рисунок 1.8), тоинтенсивность шума взаимодействия уменьшится и понизится уровень шума винта, в среднемна 3-4 дБ.Аналогично стоит ожидать существенного влияния на шум толкающего винтавыхлопной струи от поршневого двигателя.

Необходимо по возможности, чтобы выхлопныегазы отбрасывались в сторону от винта или ближе к втулке винта, где ниже окружная скоростьлопастей и, соответственно, меньшее влияние окажет выхлоп на шум винта26Рисунок 1.8 – Изменение формы поперечного сечения сопла выхлопа ТВД для снижения шумавзаимодействия выхлоп/лопасть винта в толкающей компоновкеВ тоже время было установлено существенное влияние формы выходного отверстия нашум выхлопа двигателя [31]. Были выполнены измерения шума выхлопа при работе двигателяЯАЗ-204 по внешней скоростной характеристике для трех различных форм выходногоотверстия. Измерительный микрофон был расположен на оси выхлопной трубы на расстоянии 5метров от среза. На рисунке 1.9 представлена зависимость шума выхлопа от формы выхлопногоотверстия.Рисунок 1.9– Зависимость уровня шума выхлопа от формы выхлопного отверстия при работедвигателя по внешней скоростной характеристике1.6.Сравнительный анализ шума ЛВС в статических и в полетных условияхОдним из способов оценки шума легких винтовых самолетов на местности в настоящеевремя является пересчет измеренных в статических условиях третьоктавных матриц шума27силовой установки самолета для случая полетных условий с учетом особенностейраспространения звука.