Диссертация (1150757), страница 5
Текст из файла (страница 5)
В отличие от самолетов, интерес в снижениишума РКН состоит в защите полезного груза, экипажа и наземной аппаратуры от чрезмерного шума во время старта [74–77]. Большая зависимость шумагорячих сверхзвуковых струй от направления значительно усложняет задачу гашения шума. Вопреки заметному снижению шума реактивных струй самолета внаправлении вниз по потоку, шум от струй РКН во время старта требует значительного гашения в направлении вверх по потоку [39, 78, 79]. Поэтому, методыснижения шума, принятые в проектировании авиационных двигателей для соответствия установленным требованиям, отличаются от тех, которые применимыв ракетной технике.Методы снижения шума можно разделить на две группы:– активные методы, которые воздействуют на источники шума в струе;– пассивные методы, которые снижают уже образовавшийся шум.Использование активных методов связано с модификацией сопел (зубчатыекромки выходных сечений, коаксиальные потоки и т.д.).
Механизм активногоснижения шума связан с изменением области смешивания, длины потенциаль-33ного ядра, устранением излучения волн Маха или ослаблением интенсивностиударно-волновых конфигураций, обрыв механизма обратной связи и, таким образом, устранение дискретного тона.Пассивные методы основаны на применении звукопоглощающих материалов, однако установка таких элементов вблизи реактивной струи приводит кконструктивным трудностям, поэтому применение таких методов весьма ограничено. В различное время предпринимались попытки экранирования акустического излучения с помощью элементов самолета (крыла, фюзеляжа и т. д.)и применения эжекторных глушителей шума со звукопоглощающей облицовкой эжекторов [80].
Пассивные методы снижения шума при старте РКН былиизучены в работе [81]. Оптимальным с точки зрения минимизации конструктивных изменений и увеличения эффективности снижения является сочетание какпассивных, так и активных методов. Рассмотрим некоторые способы сниженияшума реактивных струй.1.4.1Изменение формы кромки соплаОдни из первых исследований снижения шума высокоскоростных струй показали, что существенное влияние на развитие вихревых структур в слое смешения струи оказывает форма кромки сопла. Таким образом, добавление конструк-а. Шевроныб. МинидефлекторыРисунок 1.9: Различные формы кромок сопел34тивных элементов на кромку сопла может сильно влиять на акустическое полереактивной струи.
В настоящий момент в качестве таких элементов используются шевроны и минидефлекторы (рисунок 1.9). Процесс снижения шума связанс интенсификацией процесса перемешивания, предотвращая развитие крупныхкогерентных вихревых структур и заменяя их более мелкими вихрями. В результате чего снижается низкочастотный шум, но увеличивается высокочастотный.Рисунок 1.10: Шевроны самолета Boeing 777-300ER с эффектом памяти формыШевроны, ввиду своей простоты, нашли широкое применение в гражданскойавиации. Основным параметром, характеризующим эффективность шевронов,является угол заглубления шевронов в сопло. Чем больше этот угол, тем большеакустической энергии перейдет из низкочастотной области в высокочастотную.Таким образом, для каждого режима работы двигателя существует оптимальный угол заглубления шеврона.
Однако этот угол также влияет и на тяговые35характеристики двигателя. Поэтому в настоящий момент перспективным является разработка шевронов с переменным углом заглубления. Один из способовуправления углом заглубления шевронов — использование материалов с памятьюформы [82]. Такой подход реализован в самолете Boeing 777-300ER с использованием материала с памятью формы нитинол (TiNi) (рисунок 1.10), в результатечего удалось снизить шум при взлете на 3 – 4 дБ и увеличить удельный расходтоплива на крейсерской скорости на 1%.1.4.2Вдув коаксиального потокаПредставленный метод снижения шума заключается в том, что вокруг рабочей струи вдувается коаксиальный поток с меньшей скоростью, что ведет кснижению поперечного градиента скорости струи и, как следствие, снижениюуровня турбулентности потока. Такой способ снижения шума технически реализован для воздушно-реактивных двухконтурных двигателей.
Варьируя акустический импеданс коаксиального потока можно добиться дополнительного эффектаза счет усиления отражения и преломления шума рабочей струи. Экспериментально установлено, что такой метод может привести к снижению шума до 20 дБв высокочастотной области акустического спектра.а. Без вдува коаксиального потокаб. С вдувом коаксиального потокаРисунок 1.11: Шлирен-фотографии сверхзвуковой струи с = 1.536Также исследование коаксиальных потоков, проведенное в работе [83] показало, что подобное воздействие на сверхзвуковую струю приводит к сильномуснижению излучения волн Маха, что хорошо видно на шлирен-фотографиях нарисунке 1.11.1.4.3Акустическое воздействиеИсследования по влиянию акустического воздействия на процесс турбулентного перемешивания в струе, проведенные в работах [84, 85], показали, что облучении струи звуком низкой частоты = / = 0.2 − 0.5 ( — частотавоздействующего звука) приводит к увеличению интенсивности турбулентностив начальном участке, что приводит к усилению интенсивности акустическогоизлучения.
В свою очередь звук высокой частоты с = 2 − 5 действует противоположно и снижает интенсивность турбулентного смешения и, как следствие, уровень излучаемого шума. Сложность практического применения такогометода заключается в установке около реактивного сопла элементов, излучающих акустические волны определенных частот. В настоящий момент разработана экспериментальная модель, где в качестве таких излучающих элементовиспользуются струи газа, установленные по периметру основной струи, однаков практике такой метод снижения шума не используется.1.4.4Вдув микроструй воздухаРазвитие идеи об акустическом облучении рабочей струи с помощью газовых потоков, расположенных по периметру выходного сечения рабочего соплапривели к созданию нового метода снижения шума. Отличие заключается в том,что струи газа истекают не параллельно оси рабочей струи, а имеют некоторый угол наклона.
Таким образом, воздействие происходит не акустическое, ааэродинамическое. В результате такого взаимодействия происходит уменьшениедлины потенциального ядра струи и увеличение интенсивности турбулентно-37го смешения, как и в случае с шевронами. Снижение шума происходит как засчет уменьшения средней скорости потока, так и в результате перераспределения акустической энергии из области низких частот в область высоких. Такойтип снижения акустического шума эффективней шевронов благодаря гибкостиуправления параметрами вдува микроструй.
Детальное исследование данногометода снижения шума проведено в [86].1.5Снижение акустических нагрузок с помощьюинжекции водыКак отмечалось в предыдущем разделе, снижение шума реактивных струй —это прежде всего задача для авиации, и поэтому методы снижения шума развивались для авиационной техники и в первую очередь решали задачу уменьшениявоздействия именно на окружающую среду, и только потом на сам корпус самолета. В связи с чем многие авиационные методы не пригодны для ракетнойтехники, где главной задачей является снижение акустического воздействия наголовную часть РКН.
Акустическое поле при старте РКН значительно превышает значения в полете и могут достигать критических значений и привести ккатастрофическим последствиям [39,74–79]. Поэтому основной задачей в ракетной технике является снижение шума именно в момент старта, а так как такоевоздействие кратковременное и составляет всего несколько секунд, то конструкторские изменения в самой ракете являются нецелесообразными как с технической точки зрения (конструкция ракеты и так является очень сложной), так и сэкономической (изменение конструкции приведет к увеличению стартовой массы РКН, а стоимость вывода на орбиту 1 кг груза достаточно высока). Поэтомусистемы снижения шума при старте РКН должны располагаться на стартовойплощадке и среди них перспективным является инжекция воды в струи двигательной установки.38Исследование снижения шума с помощью инжекции воды началось более50 лет назад. Впервые такое исследование было проведено в работе [87], где всверхзвуковую струю реактивного двигателя на режиме форсажа впрыскивалось3300 литров воды в минуту под давлением 7 атм.
Экспериментальная установкаизображена на рисунке 1.12. В результате общий уровень звукового давлениябыл снижен на 6 дБ, причем в основном за счет снижения низкочастотной составляющей. Первый патент на турбореактивный двигатель с такой системойснижения шума принадлежит Лилли [88].Рисунок 1.12: Первые испытания по исследованию влияния инжекции воды вструю реактивного двигателя на акустическое поле [87]В 70-х годах прошлого столетия происходит переход исследований от авиационной техники к ракетной.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
