InnoMake Конкурс проектов ЦМИТ Москвы

Уровни шума СДС на местности и

перспективные методы снижения шума

Автор проекта: Хайретдинов Ирек Мастерская: Реактор Трек: MAKE Направление: Механика ЦМИТ: Реактор

Замысел

Значительно уменьшить уровень шума при взлёте и посадке таких самолётов как Конкорд и Ту-144

Попробуйте кратко ответить на вопросы:

Проблема и её причины.

Что для этого нужно?

Как это реализовать?

Анализ возможного результата и новые предложения

Проблема и её причины.

Опыт эксплуатации разработанных в конце 60-х годов XX века СДС первого поколения Ту-144 и Конкорд показал, что для удовлетворения, например, действующих в настоящее время норм Главы 3 Стандарта ИКАО необходимо обеспечить уменьшение уровней шума силовой установки разрабатываемого самолета при взлете на величину порядка 27 EPN дБ [1] (рис. 1) для удовлетворения требований Главы 14 стандарта ИКАО, вступающего в силу в конце 2017 года.

Рис. 1. Тенденции снижения шума пассажирских самолетов на местности

Острота проблемы уменьшения шума СПС

Была связана с необходимостью применения двигателей с высокой тяговооруженностью для обеспечения полета со сверхзвуковой скоростью в крейсерском режиме. Так, скорость истечения струй из силовых установок самолетов Ту-144 и Конкорд достигала величины 900 м/с и была более чем в 1.5 раза больше скорости истечения из двигателей, использовавшихся в то время дозвуковых пассажирских самолетов. Для сравнения отметим, что у двигателей современных дозвуковых пассажирских самолетов, обеспечивающих возможности ужесточения нормативных требований по шуму, скорости истечения струй составляют 300-350 м/с.

Острота проблемы уменьшения шума СПС

Украсьте вашу презентацию фотографиями, схемами, чертежами и другими иллюстративными материалами

Ту-144

Была связана с необходимостью применения двигателей с высокой тяговооруженностью для обеспечения полета со сверхзвуковой скоростью в крейсерском режиме. Так, скорость истечения струй из силовых установок самолетов Ту-144 и Конкорд достигала величины 900 м/с и была более чем в 1.5 раза больше скорости истечения из двигателей, использовавшихся в то время дозвуковых пассажирских самолетов. Для сравнения отметим, что у двигателей современных дозвуковых пассажирских самолетов, обеспечивающих возможности ужесточения нормативных требований по шуму, скорости истечения струй составляют 300-350 м/с

План

Анализ

Нахождение возможных решений

Расчёт результата

Альтернативные методы снижения шума.

Украсьте вашу презентацию фотографиями, схемами, чертежами и другими иллюстративными материалами

Конкорд

Обеспечение низкой зашумленности местности вблизи аэропортов является ключевым условием для начала эксплуатации СДС и связано с успешностью разработки эффективных методов уменьшения шума реактивных струй. Возможным решением может быть применение для СДС двигателя переменного цикла работы: двухконтурный турбореактивный двигатель при взлете и посадке самолета и одноконтурный турбореактивный двигатель в крейсерском полете.

Виды двигаителей

Одноконтурный реактивный двигатель

Двухконтурный турбореактивный двигатель

Проблемы и решение

Однако одним изменением цикла работы силовой установки обеспечить, например, требования Главы 3 Стандарта ИКАО по шуму на местности не удастся и необходимо использовать достижения по разработке способов уменьшения шума струй. Исследуемые в последние годы в применении к проблеме СДС методы уменьшения шума включают методы интенсификации процессов смешения струй с окружающей средой, снижения результирующей скорости истечения из силовой установки и пассивного поглощения звука. Интенсификация процессов смешения струй возможна путем изменения параметров потоков внутреннего и внешнего контуров двигателя и применения многоэлементного или многолепесткового насадка в комбинации с эжектором. При этом желательно, чтобы скорость потока на выходе из эжектора была бы сравнима по величине со скоростью истечения струй современных двигателей

Проблемы и решение

Ускорение процессов смешения струй может быть реализовано в двигателе переменного цикла работы при применении так называемого "перевернутого" профиля скоростей и температур потоков на выходе двигателя, когда высоконапорный и высокотемпературный поток реализуется во внешнем контуре. Модельные исследования показали, что применение "перевернутого" профиля параметров потоков приводит к уменьшению максимальных уровней шума струй на величину 5-7 дБ и уменьшению уровней акустической мощности на величину до 5 дБ. Дополнительное уменьшение уровней шума в этом случае может быть достигнуто за счет создания между выхлопным потоком и наблюдателем газового экрана, например, путем отбора за камерой сгорания части газа и организации вторичного подогретого потока, истекающего параллельно направлению истечения основного потока.

Акустический эффект в этом случае основан на отражении и преломлении звуковых волн при прохождении через газовый слой. При этом существенное уменьшение уровней шума на величину до 10 дБ наблюдается в области высоких частот и углов наблюдения, соответствующих направлениям наиболее интенсивного излучения шума струй. Очевидно, что для получения наибольшего акустического эффекта разумно применять определенное сочетание методов уменьшения шума струй, в том числе и активных методов управления шумом

Проблемы и решение

Особенно важной задачей при создании силовой установки СДС является разработка эффективного эжекторного глушителя шума струй, действующего при взлетно-посадочных режимах полета, и убирающегося из потока или частично деформирующегося в удобообтекаемое тело во время крейсерского полета. Сложности проектирования эжекторного шумоглушащего устройства связаны с трудностями получения идеально расширенного основного потока для широкого диапазона перепадов давлений, режимов работы двигателя и обеспечения приемлемых тяговых характеристик двигателей при реальных условиях эксплуатации. Шумоглушащее устройство должно быть спроектировано таким образом, чтобы минимизировать шум волновых структур в потоке путем разработки оптимальных систем переменной геометрии выхлопных сопел.

Проблемы и решение

Акустический эффект при использовании эжекторного шумоглушителя достигается за счет уменьшения скорости потока в зоне смешения с окружающей средой. Например, в осесимметричном шумоглушащем эжекторном устройстве, состоящем из обечайки, эжектора, центрального тела и полых пилонов, эффективное смешение основного потока с эжектируемым воздухом происходит за счет его разделения на ряд струй меньшего поперечного размера и эжектирования окружающего воздуха в зону смешения через дополнительные окна в боковых стенках. На режиме крейсерского сверхзвукового полета пилоны трансформируются, перекрывая проток внешнего воздуха и формируя сверхзвуковую часть сопла с низкими потерями тяги. Аналогичную конструкцию имеет, например, и многоэлементное эжекторное шумоглушащее устройство прямоугольной формы, состоящее из обечайки, гофров, центрального тела, боковых стенок и створок эжектора.

Проблемы и решение

Рис. 2. Эжекторное шумоглушащее сопло: а) с эжектированием

воздуха через кольцевой зазор; б) с эжектированием через дополнительные окна;

1 - основной поток; 2 - эжектор; 3 - эжектируемый воздух; 4 - центральное тело;

5 - звукопоглощающая облицовка; 6 - гофрированное сопло; 7 - пилоны

Выполненное расчетное исследование [3] ожидаемых уровней шума в двух контрольных точках на местности при взлете СДС с перспективными ТРДД с осесимметричными и плоскими соплами в выхлопном тракте двигателей при наличии системы шумоглушения лопаточных машин в силовой установке. Расчетные оценки получены с помощью программного комплекса «Аэрошум» [4]. Исходными данными для акустических расчетов служили полученные в НИО-2 ЦАГИ расчетные траектории взлета самолета и расчетные геометрические и газодинамические параметры перспективного ТРДД, установленные в ЦИАМ разностные матрицы спектров шума неизотермических струй, и полученные в ЦАГИ расчетно-экспериментальные матрицы спектров поглощения пассивной системы шумоглушения силовой установки самолета.

Проблемы и решение Расчетная оценка ожидаемых уровней шума

Результаты расчетной оценки программном комплексе «Аэрошум»

Результаты расчетной оценки программном комплексе «Аэрошум»

На рис.3а показаны разностные матрицы спектров шума 4-х секционной плоской струи с 20 шевронами на верхней обечайке и компоновки из 4-х неизотермических осесимметричных струй эквивалентного диаметра. На рис.3б приведены результаты расчета уровней шума самолета на местности в точке сбоку от ВПП.

В случае учета внутренних и внешних источников шума СУ и при наличии системы шумоглушения лопаточных машин двигателя ожидаемые расчетные уровни шума на местности при взлете СДС с перспективными ТРДД, в сумме по двум контрольным точкам:

с осесимметричными соплами в выхлопном тракте - ниже требований норм Главы 3 стандарта ИКАО на ~ – 5.0 EРN дБ; приближенная оценка по двум точкам относительно норм Главы 14 - превышение норм на ~ + 6.3 EPN дБ;

с плоским соплом с шевронами в выхлопном тракте - ниже требований норм Главы 3 стандарта ИКАО - на ~ – 5.4 EРN дБ; приближенная оценка по двум точкам относительно норм Главы 14 - превышение норм на ~ +6.0 EPN дБ;

Проблемы и решение Расчетная оценка ожидаемых уровней шума

• с плоским соплом с удлиненной обечайкой в выхлопном тракте - превышают требования норм Главы 3 стандарта ИКАО - на ~ + 2.4 EРN дБ; приближенная оценка по двум точкам относительно норм Главы 14 - превышение норм на ~ +13.7 EРN дБ.

• Для снижения уровней шума на местности при взлете СДС до новых норм ИКАО рекомендуется, в первую очередь, снизить шумность лопаточных машин двигателя, повысить эффективность системы шумоглушения, снизить шум реактивной струи. Для оценки ожидаемого уровня шума самолета на местности на режиме захода на посадку необходимо провести акустические испытания модели шасси самолета с целью валидации соответствующей расчетной программы, разработанной для программного комплекса «Аэрошум»

Проблемы и решение Расчетная оценка ожидаемых уровней шума

Литература Кузнецов В.М. Проблемы снижения шума пассажирских самолетов (обзор) // Акустический журнал. 2003. Т. 49. № 3. С. 293-317. Маслова Н.П., Самохин В.Ф., Юдин В.Г., Миронов А.К. Расчетная оценка влияния конфигурации сопла на ожидаемые уровни шума на местности на режиме взлета СДС с перспективными ТРДД // В сборнике: Материалы XXVII научно-технической конференции по аэродинамике.– М.: ЦАГИ. 2016. С. 159-160. Копьев В.Ф., Битюрин В.А., Беляев И.В., Годин С.М., Зайцев М.Ю., Климов А.И., Копьев В.А., Моралев И.А., Остриков Н.Н. Управление шумом струи с помощью плазменных актуаторов диэлектрического барьерного разряда // Акустический журнал. 2012. Т. 58. № 4. С. 473-481. Дмитриев В.Г., Самохин В.Ф. Комплекс алгоритмов и программ для расчета шума самолетов на местности // Ученые записки ЦАГИ. 2014. Т. XLV. № 2. С. 136-157. Ляпунов С.В., Чернышев С.Л., Юдин В.Г., Вовк М.Ю., Макаров В.Е., Пожаринский А.А., Роднов А.В., Титов В.Н. Концепция и компоновка СДС/СПС с низким уровнем звукового удара и шума // В сборнике: Материалы XXVII научно-технической конференции по аэродинамике. – М.: ЦАГИ. 2016. С. 156-157. Коваленко В.В., Чернышев С.Л. К вопросу о снижении звукового удара // Ученые записки ЦАГИ. 2006. Т. XXXVII. № 3. С. 52-62.

Результаты

Надеюсь мой небольшой вклад в данную тему, принесёт хотя бы немного пользы. Спасибо за возможность!