Диссертация (1150757), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Так первый пуск многоразового транспортногокосмического корабля «Спейс шаттл» чуть не закончился аварией из-за недостаточной экспериментальной отработки, в результате чего ударно-волновые иакустические нагрузки в четыре раза превысили расчетные. Для снижения этих39нагрузок были разработаны система подачи воды в струи двигательной установки и экраны, снижающие импульсные нагрузки. В результате инжекции воды с расходом, вдвое превышающим расход газа твердотопливных ускорителей«Спейс шаттла», удалось снизить общий уровень звукового давления на 12 дБ,что удовлетворяло проектным требованиям в допустимых нагрузках 145 дБ [89].В области вверх по потоку, где доминирует ударный шум, понижение было выше, чем в области вниз по потоку, где доминирует шум крупных вихрей.
Одновременно с зарубежными, подобные исследования были проведены и в СССРпри проектировании комплекса «Энергия-Буран».В работах [90–93] проведены исследования по влиянию впрыска воды вструи авиационных двигателей. Были проведены независимые исследования повлиянию на турбулентный, ударно-волновой и дискретный источники шума дляразличных эксплуатационных условий с относительным расходом воды от 0.19до 3.4. Установлено, что низкого относительного расхода воды было достаточно для изменения ударно-волновой структуры струи, что позволило снизитьударно-волновую и дискретную составляющую шума [90].
В противоположность этому, для значительного уменьшения низкочастотного турбулентного шума, который распространяется в основном вниз по потоку, потребовался высокийотносительный расход воды. Наилучшее снижение составляло 12 дБ. Более высокое снижение наблюдалось в направлении вверх по потоку, где доминируетударно-волновой шум, чем в направлении вниз по потоку, где доминирует шумкрупномасштабной турбулентности. Такой результат показывает эффективностьданного метода в снижении акустических нагрузок на головную часть РКН.В работах [91–93] исследовалась инжекция воды при очень низких относительных расходах.
Водяные струи дробились на капли и вводились в слойсмешения струи газа. С помощью метода PIV (Particle Image Velocimetry) измерялись характеристики потока. Полученные результаты подставлялись в правуючасть уравнения Филлипса (1.7), по которому вычислялось дальнее акустическоеполе. Далее эти результаты сравнивались с результатами, записанными микро-40а.б.в.г.Рисунок 1.13: Экспериментальные установки: а. [90], б.
[91], в. [94], г. [95]фонами во время экспериментов. Такой подход позволил определить, что эффектинжекции воды состоял в снижении колебательного движения струи и размеракрупномасштабных вихрей, интенсивности турбулентности и сдвиговых напряжений в струе.Эксперименты, проведенные в работе [96] показали, что ослабление больше чем в 5 дБ/м для плоских волн может быть достигнуть при прохожденииоблака из капель воды.
В работе [97] показано, что снижение турбулентного шума может быть предсказано теоретически с предположением об инвариантностиотношения диаметра капель к диаметру сопла и отношения числа Рейнольдсакапли к числу Рейнольдса струи и вводом эффективных параметров струи. В работе отмечено, что эффект снижения шума струи при инжекции воды с малым41относительным расходом, главным образом, связан с изменением параметровтурбулентного перемешивания, без заметного изменения средних параметровпотока (скорости и температуры). Тогда как инжекция воды с высоким относительным расходом понижала шум благодаря снижению средней скорости итемпературы струи.
Позднее такой расчет был расширен и для ударно-волновойсоставляющей шума [98]. Кроме того было исследовано спектральное ослабление турбулентного шума [99]. Главным недостатком предложенной модели является отсутствие учета дробления капель, которое в высокоскоростных потокахявляется определяющим.В работах [94, 100] было проведено исследование для холодных и горячихструй в широком диапазоне чисел Маха (до 2.9) и температур торможения (до2200 К). Снижение для горячих струй в направлении вверх по течению составляло 7 дБ, тогда как при тех же параметрах инжекции воды для холодных струйдоходило до 12 дБ в том же направлении.
Таким образом, было установлено,что увеличение температуры струи снижает эффективность водоподачи из-заснижения импульсного обмена между каплями и газом вследствие испарения.Однако такой способ снижения оказался эффективным и для горячих струй. Вработах [95, 101, 102] проведены исследования для горячих сверхзвуковых струйс = 2.8 и 0 = 3415 , истекающих из РДТТ. В дополнение к подтвержденным ранее фактам об эффективности водоподачи, было установлено, чтонаиболее эффективным является инжекция воды под углом я 60 и что с увеличением давления подачи воды эффективность практически не увеличивается.При проектировании стартовых сооружений для комплекса «Энергия-Буран»и «Зенит» в нашей стране были проведены масштабные исследования влиянияинжекции воды в струи двигателя [39].
Было установлено, что наиболее эффективным является впрыск с относительным расходом 1.5, а максимальный эффектдостигается при наиболее полном смешении воды и струи. Было установлено,что впрыск может снизить общий уровень звукового давления на корме РКН «Зенит» на 3-5 дБ.421.6Выводы главы 1В данной главе рассмотрены структуры одиночных и блочных сверхзвуковых струй на различных режимах истечения и с наличием физико-химическихпроцессов, в частности, c догоранием недоокисленных компонентов продуктовсгорания в атмосфере.
На основе теории Лайтхилла и ее модификаций введены соотношения для оценки мощности акустического поля дозвуковых и сверхзвуковых струй. Показано, что исследование акустического поля сверхзвуковыхструй, главным образом, экспериментальные и проводятся в основном для одиночных струй, в связи с чем до сих пор имеется большое количество вопросови расхождений в результатах исследований. Отмечено, что акустическое полесверхзвуковых струй имеет чрезвычайно сложную структуру и изучено в основном для простых течений. Исследований источников шума блочных сверхзвуковых струй, а также сверхзвуковых струй с физико-химическими реакциямипрактически нет, что является серьезным пробелом в данной области, так как напрактике такие струи встречаются очень часто в ракетной технике, а мощностьакустического излучения подобных струй может достигать огромных значенийи иметь катастрофические последствия.Анализ различных способов снижения шума сверхзвуковых струй показал,что развитие этих методов, главным образом, связано с задачами авиации, вчастности, с природоохранным законодательством, и только потом с задачамиракетной техники.
В связи с чем большинство авиационных методов снижения шума не подходит для снижения шума РКН, которое необходимо проводитьпри старте. Разработка таких методов является актуальной задачей на данныймомент. Показано, что наиболее эффективным как с технической, так и с экономической точки зрения, методом снижения шума сверхзвуковых струй являетсяинжекция воды в слой смешения. Несмотря на достаточно большую историюразвития данного метода, из-за отсутствия расчетных моделей сложно прогнозировать эффективность. Большинство исследований выполнено эксперименталь-43но на мелкомасштабных установках, где чаще всего используются одиночныеструи. Ввиду отличий акустического излучения блочных сверхзвуковых струйот одиночных, эффект от инжекции воды в слой смешения может отличаться.
Всвязи с чем есть необходимость экспериментального исследования такого метода снижения шума в применении к блочным струям.44Глава 2Экспериментальнаяустановка и методикаобработки результатовВ данной главе представлены описания экспериментальной установки, модельного двигателя, систем измерений и видеорегистрации, методики численного моделирования. Разработаны методика проведения испытаний и методикаанализа акустических сигналов на основе вейвлетного преобразования.2.1Экспериментальная установкаЭкспериментальное исследование снижения акустических нагрузок на корпус РКН с помощью инжекции воды в слой смешения струи приводилось настенде 140-13Сп, который разработан АО «КБСМ» и смонтирован на испытательной станции предприятия. Схема стенда изображена на рисунке 2.1.
Двигательная установка 8 вместе с имитатором корпуса РКН 5 с помощью опор 9и 4 соответственно закреплены горизонтально на расстоянии 1.3 м от уровня бетонного основания стенда 11. Имитатор РКН представляет собой пластиковую45трубу с размерами 500 х 12 х 2200 мм. Внутри имитатора расположен упор 6,выполненный из профильной квадратной трубы 100 х 100 х 8 мм, который спомощью переходника 7 передает нагрузки от тяги двигателя на вертикальнуюстену стенда 1. Для снижения передачи вибрации от упора 6, имитатор корпуса РКН заполнен гранулами вспененного полистирола. Для уменьшения влияния отраженных акустических волн на общее акустическое поле на основаниистенда 11 устанавливается звукопоглощающий экран по всей ширине и в длинуна 4 м от вертикальной стены 1.
На вертикальную стену 1 также устанавливается звукопоглощающий экран 2. В качестве звукопоглощающего материалаиспользуются плиты из минеральной ваты.Рисунок 2.1: Схема испытательного стенда 140-13Сп46Рисунок 2.2: Экспериментальная установка на испытательной станцииАО «КБСМ»47Инжекция воды в слой смешения осуществляется с помощью кольцевогоколлектора 10, закрепленного на расстоянии 84 мм от выходного сечения сопла.Кольцевой коллектор разделен на две секции, в каждый из которых системойводоподачи 3 раздельно подается вода. Система водоподачи 3 содержит два бакаводы объемом по 5 м3 , два водовода и два независимо включаемых насоса. Инжекция воды осуществляется через насадки-распылители, представляющие собой патрубки с форсунками. Предусмотрена возможность установки 36 насадокраспылителей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
