автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Повышение конструктивно-технологических свойств турбовентиляторных авиационных двигателей с учетом эксплуатационных ограничений по шуму

На правах рукописи

0Й4Ь111

СГАДЛЕВ ВАСИЛИИ ВИКТОРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ КОНСТРУКТИВНО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТУРБОВЕНТИЛЯТОРНЫХ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С УЧЕТОМ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ОГРАНИЧЕНИЙ

ПО ШУМУ

Специальность 05.22.14. - Эксплуатация воздушного транспорта

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

210нгт

Москва-2010

004611173

Работа выполнена в Мое» университете гражданской авиации

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

ком государственном техническом

профессор, доктор технических наук Елисов Лев Николаевич профессор, доктор технических наук Никонов Валерий Васильевич кандидат технических наук Васин Михаил Владимирович ГосНИИГА

Защита состоится «_» _2010 года в _ часов на

заседании Диссертационного Совета Д 223.011.01 в Московском государственном техническом университете гражданской авиации по адресу: 125993, Москва, А-493, ГСП-3, Кронштадтский бульвар, д. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА. Автореферат разослан «_» _2010 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, доктор технических наук,'профессор * Кузнецов C.B.

Общая характеристика работы.

Актуальность темы исследования.

Интенсивное развитие авиационной техники, создание нового поколения пассажирских и транспортных самолетов потребовали решения ряда сложных научно-технических задач в области эксплуатации воздушного транспорта, безопасности воздушного транспорта, двигателестроения. Проблема обеспечения акустической безопасности, являющаяся частью общей проблемы безопасности воздушного транспорта, с каждым годом становится все более значимой в гражданской авиации. Акустические характеристики воздушных судов стали одним из показателей, определяющих их конкурентоспособность. Разработаны международные и отечественные стандарты, соблюдение которых является необходимым условием эксплуатации пассажирских самолетов. Очень важной практической задачей является проблема расчета акустических характеристик современных двигателей.

Реактивный двигатель является сложным источником шума, поскольку шум образуется во всех его узлах: компрессоре, камере сгорания, турбине, реактивном сопле и так далее. Значительным источником шума является вентилятор, достижение высоких акустических характеристик которого должно быть одной из первоочередных целей на всех этапах проектирования и эксплуатации воздушного судна.

Исходя из опыта эксплуатации воздушных судов, можно выделить два направления снижения шума вентилятора. Первое и основное из направлений - это установка звукопоглощающих конструкций. Это направление более простое, но и наиболее дорогое. Второе направление - это снижение шума в самом источнике. Это направление более наукоемкое и технологически сложное. Опыт эксплуатации воздушных судов и знание международных и отечественных требований по шуму позволяет выработать рекомендации по модернизации двигателей воздушных судов и достижение высоких акустических характеристик вентиляторов.

Целью диссертационной работы является выработка рекомендаций по модернизации двигателей воздушных судов и достижение высоких акустических характеристик вентиляторов на основе методики оценки

акустических характеристик с учетом эксплутационных ограничений по шуму.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

• Анализ проблем обеспечения акустической безопасности в гражданской авиации.

• Исследование и разработка математических моделей акустических характеристик двигателей ВС.

• Моделирование и оценка акустических характеристик вентиляторов двигателей ВС.

• Разработка программного комплекса для анализа спектрального состава тонального шума лопаточных машин.

На защиту выносятся:

Математическая модель оценки акустических характеристик вентиляторов двигателей ВС,

Методика расчета акустических характеристик двигателей ВС, Программно - методический комплекс для расчета акустических характеристик двигателей ВС,

Результаты экспериментального исследования методики. Научная новизна работы состоит в том, что:

• Разработана методика расчета акустических характеристик.

• Разработан программный комплекс оценки акустических характеристик вентилятора.

• Предложенная методика учитывает эксплутационные ограничения по шуму при модернизации двигателей ВС.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные результаты, выраженные в рекомендациях по модернизации двигателей воздушных судов с учетом опыта эксплуатации, позволяют значительно расширить возможности модернизации и проектирования двигателей воздушных судов с высокими акустическими характеристиками. Рекомендации разрабатываются на основе методики расчета акустических характеристик вентиляторов авиационных двигателей. В условиях ужесточения норм ИКАО по шуму это

позволит создавать более конкурентоспособные двигатели, разрабатываемые отечественной промышленностью.

Точность и достоверность полученных результатов обеспечивается корректным использованием математического аппарата, обоснованием принятых допущений и ограничений, экспериментальной проверкой результатов.

Апробация. Результаты выполненных исследований были изложены и получили положительную оценку на следующих научно - технических конференциях и семинарах:

Десятый Международный салон «Двигатели - 2008» в рамках проведения научно-технического Конгресса по двигателестроению «НТКД-2008».

Международный семинар ЦАГИ "Авиационная акустика" в 2007г. и в 2009г.

МНТК «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники, общества», Москва, МГТУГА, 2008г.

Научно - технические семинары ГосНИИ ГА, МГТУГА, ЦИАМ 2008 -2010г.г.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы. Основная часть работы изложена на 162 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков, 34 таблицы, 6 схем, 10 графиков, список литературы, включающий 75 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы. Сформулированы цель и задачи, подлежащие решению, изложены научные и практические решения, выносимые автором на защиту.

В первой главе автором диссертации применяется понятие «акустическая безопасность» - это совокупность состояний, процессов и действий, предотвращающих жизненно важные ущербы (или угрозы от таких ущербов), наносимых человеку или природной среде акустическими возмущениями. Определяется место, занимаемое акустической безопасностью в системе безопасности полетов. Описываются стадии и последствия воздействия шума на человека. Выявляются источники шума в авиации. Приводятся международные и отечественные нормы по шуму. Рассматриваются проблемы отечественного производства, связанные с шумом. Проводится анализ основных методов борьбы с шумом. Показана область исследования диссертационной работы (рис.1). Область исследования образована взаимодействием двух элементов. Первый элемент - проблема снижения дискретных составляющих шума вентилятора (рис.2). Второй элемент - проблема модернизации вентиляторов авиационных двигателей. Совместное решение этих проблем позволит существенно влиять на шум, производимый вентилятором.

Доминирующим источником шума в гражданской авиации является двигатель. В современных авиационных двигателях вентилятор является доминирующим источником шума излучаемого не только вперед, но и назад.

В настоящее время существует два основных направления обеспечения акустической безопасности. Первое из направлений - это снижение шума в самом источнике, оно самое наукоемкое. Главная задача этого направления -создание малошумящих источников. Вторым направлением обеспечения акустической безопасности является снижение шума путем установки звукопоглощающих конструкций. Установка звукопоглощающих конструкций на готовый двигатель дорогая и трудоемкая задача.

Шум самолета ^

л Г

Шум двигателя ^

Рис. 1. Область исследования диссертационной работы.

II *

7

5

й

600 1000 х*^ 4100 КМ

Рис. 2. Шум вентилятора.

Во второй главе проведен обзор методов расчета шума и анализ применимости этих методов при проектировании. Дано определение основного понятия в этой главе: «акустическая мода». Для акустики мода -это тип собственных колебаний, распространяющихся в волноводе или других направляющих системах. Акустическая мода характеризуется частотой колебаний и конфигурацией распространения амплитуды в

пространстве. Мода - это элементарная форма колебаний. С другой стороны, есть несколько математических определений понятия мода, из которых для целей настоящей работы наиболее применимо следующие: мода - это частное элементарное решение уравнения Эйлера.

Методы расчета шума бывают:

1. Эмпирические и полуэмпирические.

2. Аналитические.

3. Методы численного моделирования.

Эмпирические и полуэмпирические методы основаны на усреднении данных, полученных экспериментальным путем. Эмпирические методы достаточно дорогостоящи, а также они являются приближенными и не могут дать точный результат. Решение задачи в данном случае сводится к подбору необходимых коэффициентов, полученных осреднением экспериментальных данных, что, как правило, точной настройки под каждую конкретную задачу и плохо работает с принципиально новыми конфигурациями.

Наряду с полуэмпирическими методами для исследования шума двигателя применяются аналитические методы, которые основаны на точных математических выражениях и позволяют достаточно точно формировать акустические характеристики. Главным их достоинством является надежность.

В 70х годах в акустике авиационных двигателей стали применяться численные методы, прежде всего, для исследования распространения возмущений в каналах как с акустически твердыми, так и с акустически мягкими стенками. Современные численные методы действительно достаточно хорошо предсказывают акустические характеристики, но главная проблема этих методов в том, что они требуют больших вычислительных ресурсов и значительных времён расчета. Следует учесть также достаточную сложность программирования при параллельных вычислениях.

Во второй главе представлена математическая модель, на основе которой разрабатывается методика. Метод, основанный на теории Тайлера-Софрина, выбран потому, что возникают определенные трудности применения эмпирических и полуэмпирических методов, так как они плохо работают с принципиально новыми конфигурациями. Так же сложно применить численные методы, так как они требуют предварительного

определения значительного количества параметров, которые только закладываются на начальном этапе проектирования.

Возмущения в канапе описываются в виде конечной суммы частных решений уравнения Эйлера в цилиндрической системе координат, характеризуемых следующими параметрами: со- круговая частота; т -азимутальное число; п - радиальное число; а - амплитуда; фп - фаза.

Пусть канал имеет радиус К^, среднее стационарное поле течения в нем однородно, и скорость течения направлена вдоль оси X. Приведем выражение для параметра пульсации угловой скорости м>0'

т •1т(КПГ) _5штпРй Г

где Jm(z) - функция Бесселя - произвольный аргумент). В данном выражении использованы сокращения:

, о) -М + Г.,„ + _ I , ,,.( Хс 1

Выражение (1) описывает распространение незатухающей звуковой волны только при действительном Гщш, т.е. при:

атп'

2

1-(1 >0. (2)

Рассмотрим два взаимодействующих венца. Пусть первый венец имеет число лопаток В - второй V. Пусть скорость вращения первого венца относительно второго - = ¡П. Если все лопатки венцов неразличимы, и течение в межлопаточных каналах устойчиво, то возникающие в результате взаимодействия возмущения в системе отсчета, связанной с первым венцом имеют частоты, кратные частоте следования лопаток второго ротора а = я где э - натуральное число. Аналогично, в системе отсчета второго венца данные возмущения должны иметь частоты кратные частоте следования лопаток первого венца относительно второго а = п ¡П|В , где п -натуральное число.

Пусть рассматриваемое возмущение в системе отсчета второго венца (обычно это статор) имеет вид:

ЩО = £ I Асо*{\п\П\В1-тф2„). (3)

л =1 т=-оо

Во все соотношения частота входит с положительным знаком, а направление вращения моды определяется знаком т, то углу ф2 в системе отсчета связанной с первым ротором соответствует в данный момент времени угол фг = {2>, +П/ (полагается, что при / = 0 ф1 = ф2). Подставляя в предыдущее выражение, получим:

оо се

11(1) = £ Е Лсо^(п\а\В(-0.гМ-тфы). (4)

л ~\т=-<о

В то же время необходимо чтобы:

¿|П|Г=|и |0|Я -От\. (5)

Таким образом, получены ограничения, накладываемые на азимутальное число.

т = (пВ + 5^)5^(0). (6)

При помощи выражения (5) определяется модальный состав излучения, который может быть сгенерирован взаимодействием венцов.

Используя выражения (2) и (6) появляется возможность, проверить какие из сгенерированных вентилятором мод затухают, а какие распространяются дальше. Тем самым может быть получен модальный состав, сгенерированный взаимодействием ротора со статором или двух роторов для биротативной ступени вентилятора, на выходе из воздухозаборника. Обладая инструментом воздействия на этот модальный состав, появляется возможность его минимизировать, тем самым снизить излучаемый шум вентилятора.

В третьей главе приведена численная оценка акустических характеристик вентиляторов перспективных авиационных двигателей. Расчеты проводились при гипотезе, что мощность пропорциональна числу мод.

В разделе рассматривается расчет режимов работы вентилятора и сравнение результатов расчета с натурным экспериментом. Здесь используется понятие «частота следования лопаток» - частота прохождения лопатки относительно неподвижного наблюдателя.

Объектом исследования является разработанная модельная ступень вентилятора С-179 для перспективного авиационного двигателя, имеющая следующие характеристики:

внешний радиус канала - 0.2 м, внутренний радиус канала - 0.03 м, количество лопаток ротора - 18, количество лопаток статора - 33.

В натурном эксперименте были измерены значения звуковой мощности первой и удвоенной частот следования лопаток, для некоторых режимов работы двигателя. Эксперимент №1 означает, что обороты постепенно увеличивали от малых к большим, а эксперимент №2 означает, что обороты постепенно уменьшали от больших к малым.

На рис.3 представлены зависимости изменения звуковой мощности первой частоты следования лопаток для натурного эксперимента модельной ступени вентилятора С-179 от оборотов двигателя и зависимости изменения звуковой мощности первой частоты следования лопаток от оборотов двигателя, полученные с помощью расчетного эксперимента.

Рис. 3. Изменение звуковой мощности первой частоты следования лопаток в зависимости от оборотов расчетного и натурного экспериментов для модельной ступени вентилятора С-179 перспективного авиационного

двигателя.

При проведении расчетов на оборотах ниже 0,7 происходит затухание всех мод, однако в эксперименте на этих оборотах присутствует звуковая мощность. Это связано с тем, что на входе в вентилятор достаточно сложно учесть действие внешних факторов. Действие внешних факторов вызывает неравномерность на входе в вентилятор. Эта неравномерность является важным элементом при расчете акустических характеристик лопаточных машин. Поэтому при проведении расчетов, автором было принято решение ввести неравномерность на входе в вентилятор, и, провести все расчеты, учитывая созданную неравномерность. Неравномерность обладает постоянной по времени и пространству структурой.

На рис.3 видно достаточно хорошее совпадение зависимостей изменения звуковой мощности, полученных с помощью расчета и натурного эксперимента. При больших и малых оборотах вращения ротора, расхождение не превышает четырех децибел. Однако, для эксперимента №1 в точке 0.75 приведенных оборотов разница составляет семь децибел. Эта разница возникла из-за того, что в расчете граница отсечки мод взаимодействия ротора со статором четко определена, а в эксперименте эта граница, предположительно, более размыта из-за влияния внешних факторов. Однако, зависимость для эксперимент №2 описывает гораздо четче эту границу, что говорит о том, что при снижении оборотов вращения ротора от больших к малым влияние внешних факторов на границу отсечки снижается. При сравнении с натурным экспериментом очень сложно учесть все факторы, присутствовавшие во время его проведения и влияющие на модальный состав возле границы отсечки.

На рис.4 представлена динамика изменения звуковой мощности удвоенной частоты следования лопаток для натурного эксперимента модельной ступени вентилятора С-179 от оборотов двигателя и зависимости изменения звуковой мощности удвоенной частоты следования лопаток от оборотов двигателя, полученные с помощью расчетного эксперимента.

Из рисунка следует достаточно хорошее совпадение зависимостей изменения звуковой мощности, полученных с помощью расчета и натурного эксперимента, при больших и средних оборотах вращения ротора. Расхождение не превышает трех децибел. Но, для эксперимента №1 на малых оборотах расхождение составляет почти пять децибел. Это расхождение можно объяснить тем, что на малых оборотах серьезный вклад в звуковую

мощность вносит взаимодействие ротора с неоднородностью потока, возникающей на входе в вентилятор, которую автор не учитывал. Однако, для эксперимента №2 расхождение значения мощности на малых оборотах вращения ротора не более четырех децибел. Это расхождение меньше потому, что при снижении оборотов вращения ротора влияние внешних факторов снижается.

Рис. 4. Изменение звуковой мощности удвоенной частоты следования лопаток в зависимости от оборотов расчетного и натурного экспериментов для модельной ступени вентилятора С-179 перспективного авиационного

двигателя.

Для удвоенной частоты следования лопаток учесть влияние входной неоднородности не представляется возможным, так как нельзя точно сказать о преобладающем вкладе в звуковую мощность результатов взаимодействия ротора с неоднородностью или взаимодействия ротора со статором.

В конце главы три приведены оценки акустических характеристик классической и биротативной ступеней вентиляторов, и рассмотрена возможность оптимизации параметров ступени, таких как число лопаток ротора и статора, для классической схемы вентилятора или лопаток первого ротора и лопаток второго ротора, для биротативной схемы вентилятора.

Для оптимизации были выбраны параметры первой ступени вентилятора С-179 разработанного для перспективного авиационного двигателя. Ступень имеет следующие параметры: число Маха =0.34, скорость звука=336м/с, частота вращения ротора=1400.7рад/с, внешний радиус канала=0.2м, внутренний радиус канала=0.03м, число лопаток рабочего колеса=18, число лопаток статора=33.

Для вентилятора С-179 в результате проведенных автором расчетов по оптимизации было установлено: что при увеличении количества лопаток на первом рабочем колесе на 3, а на первом статоре на 6, снижается количество групп мод с одинаковыми азимутальными числами с 7 до 3, а общее количество радиальных мод с 57 до 29. Это позволят снизить звуковую мощность излучаемого шума ступени. Однако, автор считает, что количественно снижение возможно оценить лишь при помощи натурных экспериментов.

Начальными данными для работы по оптимизации количества лопаток биротативной ступени вентилятора, были выбраны параметры одного из вентиляторов, разрабатываемых по европейской программе VITAL: число Маха =0.26, скорость звука=337м/с,

частота вращения первого ротора=-485.2рад/с, частота вращения второго ротора=436.6рад/с, внешний радиус канала=0.28м, внутренний радиус канала=0.05м, число лопаток первого ротора=10, число лопаток второго ротора=14.

Для биротативного вентилятора в результате оптимизации, количество лопаток на первом рабочем колесе увеличено на 4, а на втором рабочем колесе на 9, что позволило снизить количество излучаемых азимутальных мод с 26 до 10. Автор считает, что количественно снижение, возможно, оценить лишь при помощи натурных экспериментов.

В четвертой главе приведено описание программного комплекса. Программа предназначена для анализа гармонического состава звукового излучения закапотированного вентилятора. Программа работает под Microsoft Windows, с удобным пользовательским интерфейсом и графической визуализацией полученных результатов. Анализ производится для заданных диапазонов азимутальных чисел и частот.

Четвертая глава предоставляет данные по верификации и валидации программы, проведенные автором.

Верификация проводилась в два этапа: сначала верифицировалась часть программы, отвечающая за классические схемы вентилятора, а потом часть программы, отвечающая за биротативные схемы вентилятора. Данные по верификации показали, что программа математически работает правильно и корректно.

Валидация проводилась на основе данных эксперимента приведенных в отчете NASA/TM—2002-211594 «Fan Noise Source Diagnostic Test—Tone Modal Structure Results». Данные эксперимента представлены в виде графиков, показывающих звуковую мощность азимутальных мод, измеренных на различных режимах двигателя. Для одного из режимов было представлено распределение азимутальных и радиальных мод. Для сравнения радиальных мод основной величиной сопоставления был параметр отсечки

е-г-тт- (7)

VI -т2 4,с

Данные по валидации показали, что программа физически работает правильно и корректно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В работе показана возможность выработки рекомендаций по модернизации двигателей воздушных судов с учетом опыта эксплуатации, обладающих высокими акустическими характеристиками вентиляторов на основе методики оценки акустических характеристик. Методика основана на использовании теории Тайлера-Софрина и модели распространения возмущений в канале.

Разработана программа, предназначенная для анализа спектрального состава тонального шума звукового излучения закапотированного вентилятора. Программа работает под Microsoft Windows, с удобным пользовательским интерфейсом и графической визуализацией полученных результатов.

На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Акустическая безопасность является неотъемлемой частью системы безопасности воздушного транспорта.

2. Для поддержания акустической безопасности введены стандарты ИКАО и отечественная нормативная база по авиационному шуму. Соответствие акустических характеристик эксплуатирующихся и разрабатываемых ВС нормативной базе является обязательным условием в авиации.

3. Основными источниками шума двигателя воздушного судна является реактивная струя, вентилятор, компрессор, турбина и камера сгорания. Шум вентилятора зависит от режимных и геометрических параметров, а также числа лопаток ротора и статора. На настоящее время основным направлением борьбы с шумом вентилятора является установка ЗПК.

4. Анализ существующих методик расчета шума, таких как, эмпирические, аналитические и методы прямого численного моделирования акустических характеристик, показал, что для целей диссертационной работы наиболее приемлемы аналитические методы, так как они не требуют множества данных и подходят для принципиально новых конфигураций.

5. Разработана математическая модель генерации шума в самом источнике (вентиляторе) с последующим распространением сгенерированных звуковых волн в канале воздухозаборника.

6. Проведена оценка акустических характеристик вентилятора для двух первых гармоник частоты следования лопаток на различных режимах работы вентилятора. Проведен сравнительный анализ экспериментальных данных с результатами расчета акустических характеристик на различных режимах работы вентилятора.

7. Выработаны рекомендации по модернизации акустических характеристик классической ступени. Найдены оптимальные числа

лопаток ротора и статора, для которых генерируемый шум вентилятора будет минимальным.

8. Выработаны рекомендации по модернизации акустических характеристик биротативной ступени вентилятора. Найдены оптимальные числа лопаток роторов, для которых генерируемый шум вентилятора будет минимальным.

9. Разработана методика оценки акустических характеристик вентилятора, учитывающая опыт эксплуатации.

10. Разработан программный комплекс на основе предложенной математической модели. Программный комплекс реализует аналитический метод предсказания спектрального состава тонального шума в вентиляторах, работает под Microsoft Windows, с удобным пользовательским интерфейсом и графической визуализацией полученных результатов.

СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

В изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК для опубликования основных научных результатов диссертаций:

1. Сгадлев В.В., Нюхтиков М.А., Россихин А.А. Численное моделирование тонального шума вентиляторов современных двигателей. Научный вестник МГТУ ГА. Серия эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов. Вып. №108,-М.: МГТУ ГА, 2006г.-с 23-30.

2. Сгадлев В.В. Оптимизация количества лопаток классической ступени вентилятора, с точки зрения уменьшения шума в самом источнике. Научный вестник МГТУ ГА . Серия эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов. Вып. №135, - М.: МГТУ ГА, 2008г. -с 123-131.

В других изданиях:

1. Сгадлев В.В., Россихин А.А. Гибридный метод численного расчета генерации и распространения тонального шума, основанный на использовании методов вычислительной акустики. Тезисы докладов на

Научно-техническом Конгрессе по двигателестроению НТКД-2008, Москва.

2. Сгадлев В.В. Метод анализа и графического представления источников тонального шума ВРД на основе полуэмпирических теорий шума лопаточных машин. Тезисы докладов на семинаре «Авиационная акустика», октябрь 2007 г., Москва.

3. Сгадлев В.В., Нюхтиков М.А., Россихин А.А., Браилко И.А. Numerical method for turbo-machinery tonal noise generation and radiation simulation using CAA approach. Тезисы докладов конференции ASME Turbo Expo

4. Сгадлев В.В., Нюхтиков М.А., Россихин A.A. Расчет тонального шума однорядных и биротативных вентиляторов методами вычислительной акустики. Основные результаты научно-технической деятельности ЦИАМ (2006-2007 гг.).

5. Сгадлев В.В., Россихин A.A. Опыт расчета тонального шума вентиляторов ТРДЦ с использованием методов вычислительной аэроакустики. Тезисы докладов на семинаре «Авиационная акустика», октябрь 2009 г., Москва.

Соискатель 7 Сгадлев В.В.

2008.

Печать офсетная 1,04 усл.печ.л.

Подписано в печать27.09.10 г. Формат 60x90/16

0,98 уч.-изд. л. Тираж 90 экз.

Заказ № 1143/ Y

Московский государственный технический университет ГА 125993 Москва, Кронштадтский бульвар, д. 20 Редакционно-издателъский отдел 125493 Москва, ул. Пулковская, д.ба

© Московский государственный технический университет ГА, 2010

Перечень сокращений

Введение

Глава 1 Анализ проблем обеспечения акустической безопасности в гражданской авиации

1.1 Акустическая безопасность как важный компонент безопасности воздушного транспорта

1.2 Источники шума в гражданской авиации и их классификация

1.3 Анализ требований стандартов ИКАО по авиационному шуму

1.4 Анализ отечественной нормативной базы по авиационному шуму

1.5 Основные направления, методы и средства обеспечения акустической безопасности воздушного транспорта

1.6 Постановка задачи диссертационного исследования и концепция ее решения

Выводы к главе

Глава 2 Исследование и разработка математических моделей акустических характеристик двигателей воздушных судов 4]

2.1 Исследование методов моделирования акустических характеристик

2.1.1 Исследование эмпирических методов моделирования акустических характеристик

2.1.2 Исследование аналитических методов моделирования акустических характеристик

2.1.3 Исследование методов прямого численного моделирования акустических характеристик

2.1.4 Анализ методов расчета шума, в том числе возможность их применения на ранних стадиях проектирования ^

2.2 Разработка математической модели оценки акустических характеристик двигателей ВС на ранних стадиях проектирования. ^

2.2.1 Аналитическое исследование распространения возмущений в канале

2.2.2 Адаптация соотношений Тайлера-Софрина к решению задачи оценки акустических характеристик двигателей ^

2.2.3 Комплексная модель оценки акустических характеристик двигателей ВС на основе теории распространения возмущений в канале и Соотношения Тайлера-Софрина ^

2.2.4 Алгоритмы реализации метода моделирования 71 Выводы к главе

Глава 3 Моделирование и оценка акустических характеристик вентиляторов двигателей воздушных судов ^ ^

3.1 Исследование режимов работы вентилятора

3.2 Моделирование и оценка акустических характеристик классической ступени вентилятора

3.3 Моделирование и оценка акустических характеристик биротативной ступени вентилятора

3.4 Разработка методики оценки зависимости шума вентилятора от числа лопаток ротора и статора

Выводы к главе

Глава 4 Программно - методический комплекс анализа спектрального состава тонального шума лопаточных машин

4.1 Требования к процедуре компьютерного моделирования. И ее описание

4.2 Основные программные элементы.

4.2.1 Программный модуль классической схемы вентилятора

4.2.2 Программный модуль биротативной схемы вентилятора

4.2.3 Программный модуль управления программой

4.3 Верификация программы.

4.4 Валидация программы.

Выводы к главе

Интенсивное развитие авиационной техники, создание нового поколения пассажирских и транспортных самолетов потребовали решения ряда сложных научно-технических задач в области эксплуатации воздушного транспорта, безопасности воздушного транспорта, двигателестроения, технологии и других. Проблема обеспечения акустической безопасности, являющаяся частью общей проблемы безопасности воздушного транспорта, приобрела большое значение в авиации. Вот, почему акустические характеристики пассажирских самолетов стали одним из показателей, определяющих их конкурентоспособность. С целью ограничения роста авиационного шума разработаны стандарты, соблюдение которых является необходимым условием эксплуатации пассажирских самолетов. Поэтому очень важной практической проблемой является проблема расчета акустических характеристик современных двигателей.

Реактивный двигатель является сложным источником шума, поскольку шум образуется во всех его узлах: компрессоре, камере сгорания, турбине, реактивном сопле, а также шумит реактивная струя. Значительным источником шума является вентилятор. Таким образом, достижение высоких акустических характеристик должно быть одной из первоочередных целей на всех этапах проектирования вентилятора.

Целью данной работы является снижение шума вентилятора на ранних стадиях проектирования, путем создания программно - информационного комплекса.

Цель работы предполагает решение следующих задач:

• Анализ проблем обеспечения акустической безопасности в гражданской авиации.

• Исследование и разработка математических моделей акустических характеристик двигателей ВС.

• Моделирование и оценка акустических характеристик вентиляторов двигателей ВС.

• Разработка программного комплекса для анализа спектрального состава тонального шума лопаточных машин.

Первая глава показывает место занимаемое, акустической безопасностью в системе безопасности полетов. Рассматривает шум как фактор воздействия на человека. Описывает стадии и последствия воздействия шума на человека. Описывает источники шума в авиации и в частности шум авиационного двигателя. Приводит международные нормы по шуму. И рассматривает проблемы отечественного производства связанные с шумом. Так же проводиться анализ основных методов борьбы с шумом, существующих сегодня. В ней происходит постановка задачи и приводиться концепция ее решения.

Вторая глава посвящена математической модели лежащей в основе методики. Математическая модель состоит из двух частей, первая это модель распространения возмущения по прямолинейному цилиндрическому каналу, вторая часть модели это соотношения Тайлера-Софрина. Подробный анализ мод, возникающих при ротор-статор взаимодействии, был проведен в 60х годах Тайлером и Софриным. При расчетах выдвигалась гипотеза, что мощность пропорциональна числу мод. Так же рассматривались еще несколько гипотез, таких как: весовое распределение мод по воздействию их на человека.

В третьей главе приведена оценка акустических характеристик вентиляторов двигателей воздушных судов. В начале главы идет рассмотрение разных режимов работы вентилятора и сравнение с экспериментом. Также в третьей главе приведены оценки акустических характеристик классической и биротативной ступеней вентиляторов. И была рассмотрена возможность использования программно - методического комплекса для поиска оптимального числа лопаток.

В четвертой главе приведен программно - методический комплекс разработанный для решения задачи диссертации. Программа предназначена для анализа гармонического состава звукового излучения закапотированного вентилятора. Анализ производится для заданных диапазонов азимутальных чисел и частот. Также представлены данные по верификации и валидации программы.

Далее приведены положение выносимые на защиту.

На защиту выноситься:

Математическая модель оценки акустических характеристик вентиляторов двигателей воздушных судов,

Методика расчета акустических характеристик двигателей воздушных судов,

Программно - методический комплекс для расчета акустических характеристик двигателей воздушных судов,

Результаты экспериментального исследования методики.

Выводы к главе 4.

1. Разработан программно - методический комплекс на основе математической модели

2. Программно - методический комплекс реализует аналитический метод предсказания спектрального состава тонального шума в вентиляторах, работает под Microsoft Windows, с удобным пользовательским интерфейсом и графической визуализацией полученных результатов.

3. Была успешно проведена верификация программно - методического комплекса.

4. Была успешно проведена валидация программно — методического комплекса.

Заключение.

В работе представлена методика оценки акустических характеристик вентилятора. Методика основана на использовании теории Тайлера-Софрина и модели распространения возмущений в канале. Разработана программа для получения этих решений и представления их в удобной для пользователя форме.

В результате проведенных диссертационных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Акустическая безопасность является неотъемлемой частью системы безопасности воздушного транспорта.

2. Для поддержания акустической безопасности введены стандарты ИКАО и отечественная нормативная база по авиационному шуму. Соответствие акустических характеристик эксплуатирующихся и разрабатываемых ВС нормативной базе является обязательным условием в авиации.

3. Основными источниками шума двигателя воздушного судна является реактивная струя, вентилятор, компрессор, турбина и камера сгорания. Шум вентилятора зависит от режимных и геометрических параметров, а также числа лопаток ротора и статора. На настоящее время основным направлением борьбы с шумом вентилятора является установка ЗПК.

4. Анализ существующих методик расчета шума, таких как, эмпирические, аналитические методы и методы прямого численного моделирования акустических характеристик, показал, что на ранних стадиях проектирования, больше всего подходят аналитические методы, так как они не требуют множества данных и подходят для принципиально новых конфигураций.

5. Написана математическая модель генерации шума в самом источнике (вентиляторе) с последующим распространением сгенерированных звуковых волн в канале воздухозаборника.

6. Проведена оценка акустических характеристик вентилятора для двух первых гармоник частоты следования лопаток на различных режимах работы вентилятора. Проведен сравнительный анализ экспериментальных данных с результатами оценки акустических характеристик на различных режимах работы вентилятора.

7. Проведена оценка акустических характеристик классической ступени вентилятора на одном из режимов работы вентилятора. Найдены оптимальные числа лопаток ротора и статора, для которых генерируемый шум вентилятора будет минимальным.

8. Проведена оценка акустических характеристик биротативной ступени вентилятора на одном из режимов работы вентилятора. Найдены оптимальные числа лопаток роторов, для которых генерируемый шум вентилятора будет минимальным.

9. Разработана методика оценки акустических характеристик вентилятора на ранних стадиях проектирования.

Ю.Разработан программно - методический комплекс на основе математической модели. Программно — методический комплекс реализует аналитический метод предсказания спектрального состава тонального шума в вентиляторах, работает под Microsoft Windows, с удобным пользовательским интерфейсом и графической визуализацией полученных результатов.

1. Durrn D.G., Peart N.A. Aircraft Noise Source and Contour Estimation. (D6-60233, Boeing Commercial Airplane Co.; NAS2-6969). - NASA CR-114649, 1973.

2. Feiler C.E., Conrad E.W. Noise from Turbomachinery. AIAA Paper 73-815, Aug. 1973.

3. Heidmann M.F., Feiler C.E.: Noise Comparisons From Full-Scale Fan Tests at NASA Lewis Research Center. AIAA Paper 73-1017, Oct. 1973.

4. Aircraft Engine Noise Reduction. NASA SP-311, 1972.

5. Smith M.J., House M.E. Internally Generated Noise from Gas Turbine Engines. Measurement and Prediction. ASME Trans., vol. 89, no. 1, Jan. 1967 pp. 117-190.

6. Burdsall E.A., Urban R.H. Fan-Compressor Noise: Prediction, Research and Reduction Studies. Pratt and Whitney Aircraft (FAA-RD-71-73). 1971.

7. Ozyoriik, Y., and Long, L. N. A Navier-StokesjKirchhoff method for noise radiation from ducted fans. AIAA Paper 94-0462, 1994.

8. Farassat, F., and Myers, M. K. Extension of Kirchhoff s formula for radiation from moving surfaces. Journal of Sound and Vibration, 123, pp. 451-460, 1988.

9. Dong, T. Z., and Mankbadi, R. Direct numerical simulation of engine internal noise propagation and radiation. CEASj AIAA Paper 95-064, 1995.

10. Benzakein, M. J. Research on fan noise generation. Journal of Acoustical Society of America, 51, pp. 1427-1438, 1972.

11. Tyler J.M., Sofrin J.E. Axial Flow Compressor Noise Studies. SAE Trans., vol. 70, 1962, pp. 309-332.

12. Eversman, W., Parret, A. V., Preisser, J. S., and Silcox, R. J. Contributions to the finite element solution of the fan noise radiation problem. Transactions of the ASME, 107, pp. 216-223, 1985.

13. Topol, D. A. Development offan noise design system, part 2: Far-field radiation and system evaluation. AIAA Paper 93-4415, 1993.

14. Nayfeh, A. H., Kaiser, J. E., and Telionis, D. P. Acoustics of aircraft engine-duct systems. AIAA Journal, 13(2), pp. 130-153, February 1975.

15. Heidmann M.F. Interim Prediction Method for Fan and Compressor Source Noise. NASA, 1975-79. - TM X-71763.

16. Bragg S.L., Bridge P. Noise from turbojet compressors. J. Roy. Aeron. Soc. - Vol. 68, 1964.

17. Pianko M.M. Etude the orique et experimental du bruit de compresseur. -Sumposium Franco-Sovietique. No/ 3, 1969.

18. Снижение шума самолетов с реактивными двигателями. — Под ред. Мхитаряна A.M. -М.: Машиностроение, 1975.

19. Burdsall Е.А., Urban R.H. Noise from turbojet compressors. — J. Roy. Aeron. Soc. Vol. 68, 1964.

20. Юдин Е.Я. Исследование шума вентиляторных установок и методов борьбы с ним. Труды ЦАГИ № 713, - Оборонгиз, 1958.

21. Юдин Е.Я. Акустическая мощность аэродинамического шума вентиляторов. Международный акустический конгресс. Токио, авг. 1968.

22. Greatrex F.B. By-pass engine noise. SAE Trans., Vol. 69, 1961. p. 312324.

23. Heferington R. Compressor noise generated by fluctuating lift resulting from rotor-stator interactions. (Русский перевод: «Ракетная техника и космонавтика». -№2.- 1963.-С. 231).

24. Карпов В.И. О методике расчета шума осевого компрессора. ЦАГИ, 1969. - Техн. Отчет № 877.

25. Kazin S.B. et al. Core engine noise control program. FAA-RD-74-125, 1974.

26. Final Report Quiet Engine Definition Program. NASA. - CR-72488; Allison EDR 5996/

27. Bayliss, A., and Turkel, E. Far field boundary conditions for compressible flow. Journal of Computational Physics, 48, pp 182-199, 1982.

28. Lowson, M. V. Duct acoustics and mufflers, in AGARD Lecture Series No. 77 on Aircraft Noise Generation, Emission and Reduction, 1975.

29. Rice, E. J. Acoustic liner optimum impedance for spinning modes with mode cut-off ratio as the design criterion. AIAA Paper 76-516, 1976.

30. Baumeister, K. J., and Bittner, E. C. Numerical simulation of noise propagation in jet engine ducts. Technical Report NASA TN D-7339, NASA, 1973.

31. Baumeister, K. J. Analysis of sound propagation in ducts using the wave envelope concept. NASA TN D-7719, 1974.

32. Kaiser, J. E., and Nayfeh, A. H. A wave envelope technique for wave propagation in non-uniform ducts. AIAA Paper 76-496, 1976.

33. Baumeister, K. J. Finite-difference theory for sound propagation in a lined duct with uniform flow using the wave envelope concept. NASA Technical Paper 1001, 1977.

34. Eversman, W., Cook, E. L., and Beckmeyer, R. J. A method of weighted residuals for the investigation of sound transmission in nonuniform ducts without flow. Journal of Sound and Vibration, 38, pp. 104-123, 1975.

35. Astley, R. J., and Eversman, W. Transmission in lined ducts with flow, part2:

36. The finite element method. Journal of Sound and Vibration, 74, pp. 103-121, 1981.

37. Viadya, P. G. State of the art of duct acoustics. A1A A Paper 77-1279, 1977.

38. Rice, E. J. Multimodal far-field acoustic radiation pattern using mode cutoff ratio. AIAA Journal, 16, pp. 906-911, 1978.

39. Rice, E. J., and Heidmann, M. F. Modal propagation angles in a cylindrical duct with flow and their relation to sound radiation. AIAA Paper 79-0183, 1979.

40. Heidmann, M. F., Saule, A. V., and McArdle, J. G. Analysis of radiation patterns of interaction tones generated by inlet rods in the JT15D engine. AIAA Paper 79-0581, 1979.

41. Horowitz, S. J., Sigman, R. K., and Zinn, B. An iterative finite element integral technique for predicting sound radiation from turbofan inlets in steady flight. AIAA Paper 82-0124, 1982.

42. Astley, R., and Eversman, W. Wave envelope and infinite element schemes for fan noise radiation from turbofan inlets. AIAA Journal, 22, pp. 1719-1726, 1984.

43. Baumeister, K. J., and Horowitz, S. J. Finite element-integral acoustic simulation of JT15D turbofan engine. Journal of Vibration, Acoustics, Stress, and Reliability in Design, 106, pp. 405-413, 1984.

44. Parret, A. V., and Eversman, W. Wave envelope and finite element approximations for turbofan noise radiation in flight. AIAA Journal, 24, pp. 753-760, 1986.

45. Preisser, J. S., Silcox, R. J., Eversman, W., and Parret, A. V. A flight study of tone radiation patterns generated by inlet rods in a small turbofan engine. A1A A Paper 84-0499, 1984.

46. Philbrick, D. A., and Topol, D. A. Development of a fan noise design system, part 1: System design and source modeling. AIAA Paper 93-4415, 1993.

47. Hsu, C.-H., Spence, P. L., and Farassat, F. Ducted fan noise prediction based on a hybrid aerodynamic-aeroacoustic technique. CEAS/ AIAA Paper 95-075, 1995.

48. Meyer, H. D. Effect of inlet reflections on fan noise radiation. AIAA Paper 93-4427, 1993.

49. Eversman, W., and Roy, I. D. Ducted fan acoustic radiation including the effects of nonuniform mean flow and acoustic treatment. AIAA Paper 93-4424, 1993.

50. Eversman, W. Aft fan duct acoustic radiation. CEAS/ AIAA Paper 95-155, 1995.

51. Myers, M. K. Boundary integral formulations for ducted fan radiation calculations. CEAS/ AIAA Paper 95-076, 1995.

52. Farassat, F., Dunn, M., Hsu, C., and Spence, P. Acoustic analogy and noise radiation from ducted fans, presented at unsteady aerodynamics for aeroelasticity and aeroacoustics of rotating blades workshop, NASA Lewis Research Center, Cleveland, OH, 1994.

53. Eversman, W., and Roy, I. D. Aft fan duct acoustic radiation, presented at unsteady aerodynamics for aeroelasticity and aeroacoustics of rotating blades workshop, NASA Lewis Research Center, Cleveland, OH, 1994.

54. Ozyoruk, Y., Long, L.N., and Jones, M.G., "Time-Domain Numerical Simulation of a Flow-Impedance Tube", Journal of computational physics, 146, pp. 29-57, 1998.

55. Нюхтиков, M.A., Россихин, A.A., Сгадлев, B.B., «Численное моделирование тонального шума вентиляторов современных двигателей», Научный вестник МГТУ ГА №108(11), ст. 23-29, 2006.

56. Strousstrup, В. «Язык программирования С++. Специальное издание», Перевод с английского. М.: ООО «Бином-Пресс», 2004 г., 1104с.

57. Мешков, А.В., Тихомиров, Ю.В. «Visual С++ и MFC», Перевод с английского 2-е издание переработанное и дополненное БХВ — Санкт-Петербург, 2000 г. 1040 с.

58. Павловская, Т.А., «Программирование на языке высокого уровня», Санкт-Петербург, 2002 г. 464 с.

59. Скляров, В.А., «Программирование на языках С и С++», Практическое пособие, Москва 1996 г. 240 с.

60. Сгадлев, В.В., «Оптимизация количества лопаток классической ступени вентилятора, с точки зрения уменьшения шума в самом источнике», Научный вестник МГТУ ГА №135, ст. 123-131, 2008.

61. Под ред. Мунин А.Г. «Авиационная акустика» в 2-х ч.

62. КухлингХ. «Справочник по физике», Москва 1985 г. 520 с.

63. Иофе В.К., Корольков В.Г., Сапожков М.А., «Справочник по акустике», Москва 1979 г. 312 с.

64. Денисов В.Е., Илларионов В.Т., Кедров A.B., Михальченко Г.Г. «Анализ влияния ограничений по уровню шума на местности на выбор основных параметров пассажирского самолета», Тр. ЦАГИ,1982 г. вып.2136, с 1-14.

65. Мунин А.Г., Бляхман Б.П. «Аэродинамика и акустика винтовентиляторов» Тр. ЦАГИ,1982 г. вып.2189, с 18.

66. Блохинцев Д.И. «Акустика неоднородной движущейся среды», М. Наука 1981 г. 206 с.

67. Гиневский A.C., Власов Е.В., Колесников A.B. «Аэроакустические взаимодействия» М.: Машиностроение, 1978 г. 177 с.

68. Гольдстейн М.Ф. «Аэроакустика» М., 1980 г. 294 с.

69. Квитка В.Е., Мельников Б.В., Токарев В.И. «Нормирование и снижение шума самолетов и вертолетов», Киев. 1980 г. 206 с.

70. Лопашев Д.З., Осипов Г.Л., Федосеева E.H. «Методы измерения и нормирование шумовых характеристик» М.,1983 г. 280 с.

71. Свищев Г.П., Мунин А.Г. «Проблемы создания «тихого самолета»».-Наука и жизнь, 1980 г., №10, с. 12-19.

72. Скучик Е. «Основы акустики»: в 2-х книгах. Пер. с англ. Под. Ред. Лямшева Л.М., М. 1976 г., 1057 с.

73. Халецкий Ю.Д., Шипов P.A. «Экспериментальное исследование поглощение звука в канале со звукопоглощающей облицовкой при наличии потока».- В кн.: Аэроакустика. М.: Наука, 1980 г. с. 101-108.