автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Разработка звукопоглощающих элементов из материала МР для газотурбинных двигателей

На правах рукописи

Сафин Артур Ильгизарович

РАЗРАБОТКА ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ МАТЕРИАЛА МР ДЛЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательны* аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 О НОЯ 2014

005555418

Самара-2014

005555418

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» на кафедре автоматических систем энергетических установок.

Научный руководитель: Прокофьев Андрей Брониславович, доктор технических наук, профессор.

Официальные оппоненты: Зверев Александр Яковлевич, доктор физико-математических наук, федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского»;

Калабухов Вадим Николаевич, кандидат технических наук, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный университет», доцент кафедры математического моделирования в механике.

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский национальный исследовательский политехнический универси-

Защита состоится «29» декабря 2014 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.02, созданного на базе федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ), по адресу 443086, Самара, Московское шоссе, д.34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте http://www.ssau.ru/resources/dis_protection/Safin/ федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ)

Автореферат разослан «07» ноября 2014 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.215.02 доктор технических наук, профессор

Скуратов Д.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Одной из важных задач при создании ГТД является обеспечение норм международной организации гражданской авиации ИКАО по уровню шуму.

Шум самолетов строго регламентирован национальными стандартами и стандартами ИКАО. Требования к шуму самолетов имеют тенденцию к ужесточению (рисунок 1). При этом основным источником шума самолета является ГТД. В связи с этим самым эффективным способом борьбы с шумом самолета является снижение шума ГТД.

Рисунок 1 - Тенденция снижения шума самолетов

На сегодняшний день существует два основных, применяемых в практике, способа борьбы с шумом ГТД. Первым способом является снижение шума непосредственно в источнике. Но это, как правило, приводит к ухудшению других характеристик ГТД, таких как КПД, ресурс, расход топлива и т.д. Второй способ - это снижение шума на путях его распространения использованием звукопоглощающих конструкций (ЗПК).

Для снижения шума в ГТД широко используются резонансные ЗПК. Их недостатком является то, что они эффективны в достаточно узком частотном диапазоне. Такого недостатка лишены ЗПК, в которых в роли основного звукопоглощающего элемента выступают пористые материалы. Однако вопросы применения пористых звукопоглощающих элементов в условиях, характерных для ГТД и ЭУ, в настоящее время изучены недостаточно. Поэтому работа, направленная на разработку и исследование особенностей применения и свойств пористых звукопоглощающих элементов в конструкциях ЗПК, эффективных в широком диапазоне частот, является актуальной задачей.

Степень разработанности темы. Вопросам снижения шума ГТД посвящены работы Мунина А.Г., Загузова И.С., Кузнецова Н.Д., Копьева В.Ф., Данцыга А.Я.. Гутина Л.Я., Шилова P.A., Халецкого Ю.Д., Старобинского Р.Н., Bernard J.P., Heidelberg L.G., Smith М„ Mel-ling Т.Н., Daak P.E. и др. В них освещены вопросы снижения уровня шума ГТД на базе использования сотовых звукопоглощающих конструкций. Однако отсутствуют рекомендации по расширению частотного диапазона эффективного снижения уровня шума ГТД путем ис-

пользования пористых материалов, которые применяются в современной акустике, что обусловлено особенностями эксплуатации ЗПК в тракте ГТД - высокими температурами, значительной вибрацией и т.д.

Для улучшения виброакустических характеристик различных конструкций хорошо зарекомендовал себя упругопористый материал, представляющий собой однородную пористую структуру, полученную холодным прессованием дозированной по весу вытянутой проволочной спирали. Этот материал известен под названием МР. Некоторые вопросы применения МР в качестве звукопоглощающего элемента рассмотрены в работах Белоусова А.И., Изжеурова Е.А., Белова C.B., Никифорова Н.А., Хунюань Ц., Гоучи У. Однако до сих пор не существует математического описания звукопоглощающих свойств ни материала МР, ни ЗПК на его основе, что сдерживает широкое применение таких ЗПК.

Цель исследования состоит в повышении акустической эффективности ЗПК на основе звукопоглощающих элементов из упругопористого материала МР для снижения шума газотурбинных двигателей и энергоустановок.

Основные задачи диссертационной работы:

1 Анализ возможностей расширения диапазона эффективного звукопоглощения ЗПК, применяемых для снижения шума ГТД.

2 Разработка математической модели описания акустических характеристик звукопоглощающих элементов из упругопористого материала МР.

3 Теоретическое и экспериментальное исследование влияния параметров материала МР на его акустические характеристики.

4 Разработка и исследование схем ЗПК на базе использования материала МР, эффективных в широком диапазоне частот.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые получены следующие результаты:

1 Разработана математическая модель для описания акустических характеристик звукопоглощающих конструкций из упругопористого материала МР, позволяющая решать задачу оптимизации их габаритно-массовых характеристик и акустической эффективности.

2 Теоретически выявлены зависимости между коэффициентом звукопоглощения МР и его структурными параметрами, такими как диаметр проволоки, из которой изготовлен материал МР, пористость и толщина МР, которые подтверждены экспериментально.

3 Разработаны рекомендации по выбору схем ЗПК на базе использования материала МР и их параметров, обеспечивающих наибольшие значения коэффициента звукопоглощения в заданном диапазоне частот.

Теоретическая и практическая значимость работы:

Теоретическая значимость работы заключается в том, что разработаны математические модели, позволяющие изучать распространение акустических волн в упругопористом материале МР, а также в многослойных системах с его применением.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

- разработаны математические модели, позволяющие решать задачи оптимизации звукопоглощающих, массово-габаритных характеристик ЗПК на базе материала МР;

- разработаны, изготовлены и исследованы элементы звукопоглощающих конструкций для снижения шума газотурбинных двигателей, эффективные в широком диапазоне частот.

Результаты, полученные в работе, используется в:

- ГНЦ ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова»;

- СГАУ при чтении курса лекций «Основы виброакустики».

Основные положения, выноснмые на защиту:

1 Математические модели для описания акустических характеристик элементов ЗПК на базе материала МР.

2 Результаты экспериментальных исследований акустических характеристик материала MP и схем ЗПК, подтверждающие адекватность разработанных математических моделей акустических характеристик материала MP.

3 Разработанные рекомендации по выбору схем ЗПК на базе использования материала MP, обеспечивающие наибольшие значения коэффициента звукопоглощения в заданном диапазоне частот.

Методы исследования. Теоретические исследования базируется на применении основных положений теории колебаний и импедансного метода. Экспериментальные исследования базируются на акустических измерениях с последующей статистической обработкой результатов.

Степень достоверности. Достоверность результатов математических исследований акустических характеристик материала MP подтверждена результатами проведённых экспериментов. Проведена оценка неопределённости результатов измерений акустических характеристик в импедансной трубе в соответствии с ГОСТ Р 50.2.038-2004 и показано, что погрешность измерений коэффициента звукопоглощения не превышает 4,5 %. Экспериментальные исследования проведены на поверенном оборудовании аккредитованной акустической измерительной лаборатории с использованием современных методик сбора и обработки исходной информации.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались: на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (г. Самара 2011, 2014 гг.), международном экологическом конгрессе ELPIT (г. Тольятти, 2011 г.), международном социально-технологическом форуме «Безопасность. Технологии. Управление» SAFETY (г. Тольятти 2011, 2013 гг.), международной научной конференции «Колебания и волны в механических системах» (г. Москва, 2012 г.), XIX Всероссийской научно-технической конференции по неразрушаюшему контролю и технической диагностике (г. Самара. 2011 г.), симпозиуме «Самолетостроение России. Проблемы и перспективы» (г. Самара, 2012 г.), международном научно - техническом форуме, посвященном 100-летию ОАО «Кузнецов» и 70-летию СГАУ (г. Самара, 2012 г.), международной научно-технической конференции «Динамика и виброакустика машин» (г. Самара, 2012, 2014 гг.), XIX международном конгрессе «International congress on Sound and Vibration (ICSV19)» (Bangkok, Thailand, 2012 г.), XX международном конгрессе «International congress on Sound and Vibration (ICSV20)» (Vilnius, Lithuania, 2013 гг.), XXI международном конгрессе «International congress on Sound and Vibration (ICSV21)» (Beijing, China, 2014 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 42 научные работы, в том числе, 8 работ опубликовано в изданиях, определённых в перечне ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК, из них 4 работы опубликовано в изданиях, индексируемых в базе данных Scopus. Кроме того, имеется одно свидетельство о регистрации программы.

Личный вклад соискателя. Диссертация написана по результатам исследований, выполнявшихся в СГАУ в период с 2010 по 2014 гг. непосредственно автором. Доля автора в исследованиях составляет от 60 до 90 %. Доля автора диссертации в статьях в соавторстве составляет от 40% до 75%.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников из 77 наименований. Общий объем диссертации 126 страниц, 95 рисунков и 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель, приведены задачи диссертации, сформулирована научная новизна, дана характеристика теоретической и практической значимости работы, описаны методы исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ существующих методов и средств снижения шума ГТД с целью определения путей их совершенствования.

Для снижения шума ГТД предусматривается комплекс различных методов. В данный комплекс входит совершенствование схем ГТД и выбор рациональных параметров их рабочего цикла, разработка конструктивных мероприятий, направленных на снижение уровня шума в источнике (реактивной струе, компрессоре, турбине) и на пути его распространения.

В диссертации рассматривается последний из перечисленных методов - снижение шума на путях его распространения. В настоящее время для этого применяют сотовые ЗПК, которые состоят из акустически прозрачного перфорированного листа и сотового заполнителя. Данная конструкция представляет собой равномерно расположенные резонаторы Гельмголь-ца и, следовательно, имеет высокую эффективность только в узком частотном диапазоне. Преимуществом такой конструкции является относительно малый вес, возможность применения в высокотемпературных газовых трактах. К недостаткам такой ЗПК следует отнести низкую технологичность и низкую эффективность в широком диапазоне частот.

Для расширения частотного диапазона ЗПК можно использовать пористые материалы, но в условиях эксплуатации ГТД необходимы пористые материалы, выдерживающие высокие температуры, вибрацию, загрязнение продуктами сгорания и при этом сохраняющие свои акустические характеристики. К данным условиям эксплуатации подходят пористые материаплы, некоторые характеристики которых представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристики пористых материалов для использования в ЗПК ГТД

Основные характери-

Материал МР

Пористоволокни-стые металлические материалы ФГУП "ВИАМ"

Пористый алюминий

Пористосетчатые материалы

Пористость

0,13. ..0,95

О,7...О,9

0,78...0,81

0,2...0,65

Удельный вес

390-6786 кг/м3

780-2340 кг/м3

500-600 кг/м3

2370-5850 кг/м3

Преимущества

Высокий коэффициент звукопоглощения в широком диапазоне частот

Достаточно равномерный спектр поглощения при частотах выше 1,6 _кГц_

Отсутствие ограничения по размерам

Возможность обработки материала, высокий коэффициент звукопоглощения

Недостатки

Низкая технологичность

Неустойчив к вибрации

Узкий температурный диапазон эксплуатации

Низкая технологичность, неустойчив к вибрации

Внешний вид

Вопросы использования спечённого пористого волокнистого материала, разработанного в ФГУП "ВИАМ", в качестве звукопоглощающих элементов 3ПК ГТД рассматривались в работах Фарафонова Д.П. и Мигунова В.П. Под руководством профессора Поляева В.М. в МВТУ им. Н. Э. Баумана был разработан пористосетчатый материал. Технология изготовления пористого алюминия была разработана на кафедре литейного производства УГТУ-УПИ. Изучению его свойств посвящены работы Финкельштейна A.B. Однако, данные материалы имеют существенные недостатки и не нашли практического применения в качестве звукопо-

глощаюших элементов ЗПК ГТД. Под руководством профессора Сойфера А.М. в КуАИ был разработан упругодемпфирующий пористый материал МР. Исследованию виброизолирующих характеристик МР посвящены работы Белоусова А.И., Уланова А.М., Лазуткина Г.В. и других. Гидродинамические и фильтрационные характеристики МР исследовались в работах Изжеурова Е.А. В работах ряда авторов (Белоусова А.И., Изжеурова Е.А.. Никифорова H.A., Хунюань Ц.) была выдвинута гипотеза о возможности использования МР в качестве звукопоглощающего материала ЗПК. Однако до настоящего времени этот вопрос не был изучен должным образом. Также недостаточно изучены и акустические характеристики МР. На основании проведённого анализа известных работ сформулированы задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены вопросы расчета акустических характеристик материала МР. Разработана математическая модель, описывающая акустические характеристики упру-гопористого материала МР. Основным параметром, определяющей характеристики МР как элемента ЗПК ГТД, является коэффициент звукопоглощения:

а = 1-

zBX~zO

Zo + ZßA-

где 2о - импеданс среды;

2цх = у-1) - входной импеданс слоя;

гс= Росо^1+с5в~С' -]СуВ~Сш j -характеристический импеданс слоя;

+ В~с> - ] Сз В~С' | - постоянная распространения волнового процесса;

/ - толщина образца слоя; С/...Ся - свободные коэффициенты;

В = - безразмерная частотно - зависимая переменная;

ро - плотность среды; /- частота;

со - скорость звука в воздухе;

г - удельное сопротивление продуванию.

Для определения удельного сопротивления продуванию пористого материала МР было предложено эмпирическое соотношение;

г= К, Пер. агК' Чвозд.

где К/, К2 - экспериментально определенные коэффициенты зависящие от материала;

,1 - п лп _ гидравлический диаметр МР; с!п - диаметр проволоки МР; Я - пористость об-(1-п)

разца; Пвозд. - коэффициент вязкости воздуха.

Используя измеренные параметры удельного сопротивления продувания нескольких образцов, изготовленных из материала МР. были определены коэффициенты К/, А>

\ ♦ Экспериментальные данные — Разработанная математическая модель (К1 =0.002 К2=2.007)

\<

0.1 0.3 0.5 0.7 ¿,,ММ

Рисунок 2 - Сравнение расчётных и экспериментальных зависимостей удельного сопротивления продуванию от гидравлического диаметра МР

Из рассмотрения сравнения результатов расчета по эмпирической модели с данными эксперимента представлен на рисунке 2, можно сделать следующие выводы:

1 Предложенное соотношение для коэффициента сопротивления продуванию, зависит от одного параметра - гидравлического диаметра.

2 С увеличением гидравлического диаметра происходит снижение удельного сопротивления продуванию по степенной зависимости.

Анализ многочисленных экспериментальных данных позволил определить значения коэффициентов С|...С8, которые представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Коэффициенты математической модели акустических свойств MP

Коэффициенты С, С2 Сз С4 С5 С6 С7 Cs

Значения 0,057 0.754 0,087 0,732 0,169 0,595 0,098 0,700

С использованием разработанной математической модели построена частотная зависимость коэффициента звукопоглощения материала MP от толщины образца (рисунок 3). Построена зависимость индекса коэффициента звукопоглощения NRC (вычисляется в соответствии со стандартом ASTM С423 как среднее арифметическое между коэффициентами звукопоглощения на частотах 250, 500. 1000 и 2000 Гц) от толщины образца и гидравлического диаметра (рисунок 4).

--П=0,8 dn=0,2 h=20 мм

-П=0.8 dn=0,2 h=15 мм

— П=0,8 dn=0,2 h=10 мм • ' ■ П=0,8 dn=0,2 h=5 мм

0 5000 «ООО Гц

Рисунок 3 - Частотная зависимость коэффициента звукопоглощения материала МР в зависимости от толщины образца

£ ¡ищ

<№s

.....M.B7

MS} Ш

Рисунок 4 - Зависимость Ы11С образцов из материала МР от толщины образца 11 и гидравлического диаметра с!..

Установлено, что индекс звукопоглощения ШС растет с увеличением толщины образца, но только до определенного значения, свыше которого он остается постоянным.

Таким образом, существует оптимальная толщина звукопоглощающего элемента из МР, превышение которой не увеличивает его эффективность, но приводит к неоправданному увеличению массы ЗПК.

Разработанная математическая модель акустических свойств МР в дальнейшем (глава 4) использована для анализа акустических свойств предложенных схем ЗПК ГТД.

В третьей главе представлены описание модернизированной экспериментальной установки и результаты экспериментальных исследований звукопоглощающих характеристик модельных образцов упругопористого материала МР.

Схема доработанной установки, используемой для исследования акустических свойств звукопоглощающих материалов, представлена на рисунке 5.

H4SÖ-H3!

Рисунок 5 - Экспериментальная установка для оценки акустических свойств материалов

В измерительный комплекс входят импедансная труба фирмы Spectronics; модуль регистрации сигналов и генератор белого шума N1 USB-4431; датчики акустических сигналов PCB 377В02; динамик фирмы JBL модели 2426J.

Модернизированная экспериментальная установка позволяет определять характеристики звукопоглощения в частотном диапазоне 315...5000 Гц. В качестве входного сигнала для определения частотных характеристик используется белый шум. Разработано программное обеспечение, позволяющее в автоматическом режиме проводить обработку акустических сигналов с датчиков давления и вычислять передаточную функцию между датчиками, частотные характеристики коэффициентов отражения, поглощения и акустического импеданса исследуемых пористых материалов. Алгоритм работы, разработанного программного обеспечения, представлен на рисунке 6.

Рисунок 6- Алгоритм работы разработанного программного обеспечения для определения акустических характеристик материалов в импедансной трубе

Экспериментальные исследования коэффициента звукопоглощения материала МР проводились на образцах материала, изготовленных из проволоки марки 1Х18Н9Т диаметром 0,12; 0,15; 0,2 мм пористостью 0,6; 0,7; 0,8 толщиной 5; 10; 15; 20; 25 мм в диапазоне частот от 315 до 5000 Гц. Некоторые результаты экспериментальных исследований коэффициента звукопоглощения образцов из материала МР приведены на рисунках 7-10.

-— П-0,8()п=0,2 И=10 мм -П=0,8(1п=0,151ы0мм

□

0,8 0,6 0,4 0,2

а б

Рисунок 7 - Частотные зависимости коэффициента звукопоглощения упругопористого материала МР при различных диаметрах проволоки: а - П = 0,8: Ь =10 мм; б - П= 0,7; И = 10 мм

Рисунок 8 - Частотная зависимость коэффициента звукопоглощения упругопористого материала МР при различных величинах пористости материала (с!п = 0,2 мм; Л = 10 мм)

П-О.В^Ъ-:,? И-5 мм п-о.ес*»о.15Г)-10|м

О 1000 2000 3000 4000 Г, Гц

Рисунок 9 - Частотные зависимости коэффициента звукопоглощения упругопористого материала МР при различных величинах толщины образца (Я = 0.8; (¡„ = 0.2 мм)

Результаты экспериментальных исследований позволили сделать следующие выводы. Существенное влияние на звукопоглощающие свойства оказывает диаметр исходной проволоки (г/я), из которой изготавливается материал МР. При уменьшении диаметра проволоки при прочих равных параметрах увеличивается коэффициент звукопоглощения.

Увеличение толщины звукопоглощающего слоя приводит к заметному увеличению коэффициента поглощения и смешению области максимального звукопоглощения в область более низких частот.

На рисунке 10 представлено сравнение результатов моделирования частотных характеристик коэффициента звукопоглощения образцов из материала МР, полученных при использовании предложенной автором математической модели, и экспериментальных исследований. Рассчитанные значения коэффициентов звукопоглощения упругопористого материала МР по разработанной математической модели дают хорошую сходимость с экспериментальными данными, полученными в импедансной трубе. Погрешность определения коэффициента звукопоглощения не превышает 5 %.

Экспериментальные исследования образцов с пористостью 0,6...0.8 показали, что при уменьшении пористости материала МР растет коэффициент звукопоглощения. Однако теоретические исследования, приведенные во второй главе, показывают, что дальнейшее уменьшение пористости (ниже 0.4) приводит к ухудшению звукопоглощающих свойств образцов.

П-0.8 dn-0,2 h=15 мм (эксперимент) — П-0,8 dn-0,2 hol 5 мм (расчет)

3150 I, Гц

• П=0.в dn-0,2 h=25 мм (эксперимент) — n-0.8dn-0.2h- 25 мм

Рисунок 10-Теоретическая и экспериментальная частотные характеристики коэффициента звукопоглощения упругопористого материала МР: а - П = 0,8; с!п = 0,2 мм; 11 = 15 мм; б - П = 0,8; с!п = 0,2 мм; Ь = 25 мм

В четвертой главе разработаны элементы ЗПК на базе использования материала МР и представлены результаты их экспериментальных исследований как в импедансной трубе при нормальном падения звука, так и в канале - в условиях наиболее близких к газотурбинному двигателю. Показано, что существенного улучшения акустических характеристик звукопоглощающих конструкций на базе материала МР можно достичь комбинацией нескольких звукопоглощающих элементов (образцов) из материала МР и/или установкой воздушного зазора (ВЗ) между ними.

С целью изучения влияния расположения звукопоглощающего элемента из материала МР на акустические свойства конструкции проведены экспериментальные исследования различных схем ЗПК (рисунок 11).

ВЗ h

.\\k\w\v

h

Рисунок 11 - Схемы исследуемых конструкций: а - схема ЗПК с ВЗ; б, в - схема трехслойной ЗПК; г - схема двухслойной ЗПК без ВЗ

-n«0.8dn=0.2 h«10мм

— n=0.8dn=0.2 h=10 мм (83=5 мм)

— n=0.8dn=0.2 h=10 мм (В3=10мм)_

— Г)=0.В dn=0.2 h=10 мм (В3=15 мм)

0 1000 2000 3000 4000 Г, Гц

Рисунок 12 - Частотная зависимость коэффициента звукопоглощения схемы ЗПК с МР при различных величинах воздушного зазора

Широкое распространение в звукопоглощающих конструкциях находит вариант расположения звукопоглощающего материала на некотором расстоянии от жесткой стенки. Коэффициент звукопоглощения ЗПК с воздушным зазором (рисунок 11, а) существенно зависит от величины воздушного зазора между пористым материалом и жесткой стенкой конструкции. Наличие ВЗ приводит к значительному увеличению коэффи-

циента звукопоглощения. При этом меняется и частота резонансного звукопоглощения. При увеличении ВЗ с 5 до 15 мм частота резонансного звукопоглощения уменьшается с 3700 до 2900 Гц. Одновременно при этом увеличивается коэффициент звукопоглощения ЗПК с 0,35 до 0,6 (рисунок 12). Разработаны схемы трехслойных ЗПК (рисунки 11, б и II, в). Коэффициент звукопоглощения зависит не только от характеристик материала МР и величины воздушного зазора, но и от взаимного расположения звукопоглощающих элементов конструкции (рисунок 13). Согласно рисунку 13 видно, что схема ЗПК на рисунке 11, б имеет более высокий коэффициент звукопоглощения до частоты 4000 Гц, на частотах с 4000 Гц до 5000 Гц схема ЗПК на рисунке 11, в поглощает звук лучше. Проведен анализ их акустической эффективности на базе разработанных математических моделей таких ЗПК. Акустические характеристики ряда схем трехслойных ЗПК исследованы на модернизированной автором стендовой установке.

Проведены экспериментальные исследования двухслойной ЗПК без воздушного зазора (рисунок 11, г), где сравнивается звукопоглощение двух схем. В первом варианте звуковая волна падает сначала на образец материала МР с меньшей пористостью, следом за которым установлен образец МР с большей пористостью. Во втором варианте ЗПК расположение образцов обратное. Второй вариант ЗПК показывает большее звукопоглощение (рисунок 14) во всем диапазоне звуковых частот до 4,5 кГц и может быть рекомендован к применению в ГТД.

В некоторых практических случаях нет возможности установки в ЗПК звукопоглощающих элементов с воздушным зазором. В этом случае необходимо решать оптимизационную задачу повышения акустических характеристик ЗПК при ограничительных требованиях по габаритам и массе конструкции, что может быть реализовано путем исследования разработанных математических моделей многослойных ЗПК на базе МР.

Экспериментальные исследования разработанных ЗПК проводились также методом двух реверберационных камер на стенде У-96Т ЦИАМ (рисунок 15). Испытательный стенд У-96Т состоит из двух реверберационных камер соединенных между собой каналом, имеющим в сечении прямоугольную форму, где размещаются плоские образцы звукопоглощающих конструкций (рисунок 16), и сиренное устройство с батареей газоструйных излучателей, обладающих уровнем звуковой мощности порядка 160 дБ.

— П=0,8 ап=0.2 Н=5+10 мм (Рисунок 116)

— П=0,8 <!п=0,2 Н=10+5 мм (Рисунок 11 е)

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

О 1000 2000 3000 4000 Г, Гц

Рисунок 13 - Частотная зависимость коэффициента звукопоглощения трехслойных схем ЗПК с МР

0 1000 2000 3000 4000 Г\ Гц

Рисунок 14- Частотная зависимость коэффициента звукопоглощения двухслойной схемы ЗПК из МР без воздушного зазора

Выхлоп IV

Источник шума

Поток Воздуха

Рисунок 15 - Схема испытательного стенда У-96Т, предназначенного для исследования эффективности звукопоглощающей конструкции

Рисунок 16 -ЗПК в канале

Схема установки

На стенде У-96Т ЦИАМ были исследованы как однослойные, так и многослойные ЗПК на базе материала МР. Все исследованные ЗПК имеют длину двух калибров канала. Испытания проводились при числе Маха воздушного потока в канале М = 0,35.

Для экспериментального исследования ЗПК в канале была изготовлена пресс форма, с помощью которой изготовлены образцы МР размерами 250x100x10 мм и 250x100x5 мм.

— МР И=5 мм

— МР (1=10 мм

— МР (1=15 мм

630 1250 2500 5000 10000 Гц

Рисунок 17 - Результаты экспериментальных исследований однослойной схемы ЗПК в канале

Экспериментальные исследования (рисунок 17) показали, что максимальное значение акустической эффективности однослойной ЗПК длиной равной двум калибрам канала составляет около 6...8 дБ. Такую эффективность можно рассматривать как удовлетворительную. учитывая максимальную простоту разработанной и испытанной схем. Кроме того, однослойная ЗПК обеспечивает достаточно ровную акустическую эффективность в широком диапазоне частот.

Пористый материал МР может загрязняться продуктами сгорания авиационного керосина и это влияет на акустическую эффективность ЗПК на его основе. Проведены экспериментальные исследования влияния степени загрязнения образцов из материала МР продуктами сгорания на акустическую эффективность. С целью устранения влияния загрязнения ЗПК с звукопоглощающими элементами из МР предложено использовать в качестве первого слоя перфорированный лист. В такой комбинации первый слой придохраняет до некоторой степени материал МР от загрязнения. Кроме того, перфорированный лист повышает жест-

кость ЗПК и в определенной мере способствует повышению акустической эффективности ЗПК, т.е. сам выступает как звукопоглощающий элемент.

ли дБ 9 8 7 6 5 4 3 2 1 О

630 1 250 2500 5000 10000 Гц

Рисунок 18 - Результаты экспериментальных исследований многослойной схемы ЗПК, где в качестве звукопоглощающего элемента использовались плиты из МР различной толщины

Разработаны схемы многослойных ЗПК, где слоями звукопоглощающих элементов являются: перфорированный металлический лист, материал МР, сотовая конструкция. Проведены экспериментальные исследования таких конструкций (рисунок 18). Использование МР вместо сотового заполнителя повышает акустическую эффективность разработанных ЗПК на 2 - 5 дБ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с целью исследований в диссертационной работе решена задача разработки звукопоглощающих элементов из материала МР для применения в проточной части современных газотурбинных двигателей и энергетических установок и получены следующие результаты:

1 Предложено использование материала МР в звукопоглощающих конструкциях газотурбинных двигателей, что обеспечивает расширение частотного диапазона их эффективного звукопоглощения.

2 Разработана математическая модель для расчета акустических характеристик однослойных и многослойных звукопоглощающих конструкций на базе материала МР, позволяющая решать задачу оптимизации их габаритно-массовых характеристик и акустической эффективности.

3 Теоретически и экспериментально исследовано влияние параметров материала МР (пористости, диаметра проволоки и др.) на его акустические характеристики. Определена оптимальная толщина звукопоглощающего элемента из МР, превышение которой не увеличивает его эффективность, но приводит к неоправданному увеличению массы ЗПК.

4 Разработаны схемы звукопоглощающих конструкций, обеспечивающие повышение эффективности шумоглушения на 2-5 дБ в диапазоне частот 0,800 - 12,5 кГц. Результаты, полученные в работе, используются в ГНЦ ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» и в СГАУ при чтении курса лекций «Основы виброакустики»

Результаты работ могут быть рекомендованы для борьбы с шумом газотурбинных двигателей.

Таким образом, поставленная цель исследования достигнута.

Публикации в изданиях перечня ВАК

1. Иголкин, А.А. О применении различных типов микрофонов при измерениях в импеданс-ной трубе [Текст] / А.А. Иголкин, А.И. Сафин, Е.В. Шахматов // Вектор науки Тольятгин-ского государственного университета, 2011. - № 2( 16). - С.49-51.

2. Иголкин, А.А. Применение пористого материала «металлорезина» в гидрогазовых системах энергетических установок для шумоподавления и термостабилизации [Текст]/ А.А. Иголкин, А.И. Сафин. Е.А. Изжеуров, Е.В. Шахматов - СПб.: Судостроение, 2012. - № 5. -С. 46-48 С.

3. Сафин, А.И. Некоторые аспекты исследования акустических характеристик материала «металлорезина», полученного с использованием зиговки исходной проволоки / А.И. Сафин, АЛ. Иголкин, М.В. Дегтярев, Е.А. Изжеуров, Е.В. Шахматов // Вектор науки Тольятгинско-го государственного университета, 2012. - № 2(24). - С. 200-202.

4. Сафин, А.И. Разработка математической модели акустических характеристик упругопо-ристого материала «металлорезина» [Текст] /А.И. Сафин, А.А. Иголкин // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва. -Самара, 2012. - № з (2). - С. 69-74.

Публикации в изданиях, индексируемых в базе данных Scopus:

5. Igolkin, A .A. Pressure reducing valve noise reduction [электронный ресурс] /А. Igolkin, А. Kruchkov, A. Koh, A. Safin, Е. Shakhmatov // Hie 19 th International Congress on Sound and Vibration (ICSV 19)/The international institute of Acoustics and Vibration, 2012. - Vilnius, Lithuania. July 08-12, 2012.- 1 электр.оггг. диск (CD-ROM).

6. Igolkin, A.A. Silencer optimization for the pressure reducing valve [электронный ресурс] / A.I. Safin, A.N. Kryuchkov, I.S. Soroka // The 20th International Congress on Sound and Vibration (ICSV 20)/The international institute of Acoustics and Vibration. - Bangkok, Thailand, July 07-11, 2013. -1 электр.опт. диск (CD-ROM).

7. Safin, A.I. Some research aspects of acoustic characteristics of metal rubber produced with new technology [электронный ресурс] / A.I. Safin, A.A. Igolkin, M.V. Degtyarev, E.A. Izzheurov, E.V. Shakhmatov // The 21st International Congress on Sound and Vibration (ICSV 21)/ The international institute of Acoustics and Vibration. - Beijing, China, July 13-15, 2014. - 1 электр.опт. диск (CD-ROM).

8. Safin, A.I. Hydrodynamic noise dampener with metal rubber [электронный ресурс] / A.I. Safin, M.A. Ermilov, A.A. Igolkin, G.M. Makaryants, A.N. Kryuchkov // The 21st International Congress on Sound and Vibration (ICSV 21)/ The international institute of Acoustics and Vibration. - Beijing, China, July 13-15,2014. - 1 электр.опт. диск (CD-ROM).

Статьи и материалы конференций (основные):

9. Сафин А.И. Исследование удельного сопротивления продуванию материала металлорезина [Текст] / А.И. Сафин, А.А. Иголкин // Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика: матер, междунар. научн.-техн. конф. студентов и аспирантов. - М.: МГТУ, 2011. — С. 76-80.

10. Сафин А.И. Исследование акустических характеристик звукопоглощающих конструкций из упругопористого материала «Металлорезина» [Текст] / А.И. Сафин, А.А. Иголкин, Е.В. Шахматов // Динамика и виброакустика машин, матер межд. научн.- техн. форума, посвященного 100 - летаю ОАО «Кузнецов» и 70 - летию СГАУ. - Самара: СГАУ, 2012. - С. 147 - 148.

11. Сафип А.И. Создание звукопоглощающих конструкций на базе упругопористого материала «металлорезина» для перспективных авиационных двигателей [Текст] / А.И. Сафин, А.А. Иголкин, Е.А. Изжеуров, Е.В. Шахматов // Самолетостроение России. Проблемы и перспективы: матер, симп. с межд. уч. - Самара: СГАУ, 2012. - С. 347 - 348.

12. Сафин А.И. Оптимизация звукопоглощающей конструкции из упругопористого материала «металлорезина» [Текст] / А.И. Сафия, И.С. Сорока // ХП Королевские чтения, матер. всерос. молодежной научн. конф. с межд. уч. — Самара: СГАУ, 2013. - С. 233 - 233.

13. Сафин Л.И. Экспериментальные исследования горелочного устройства камеры сгорания [Текст] / А.И. Сафин //Труды междун. научн.-техн. конф. "Проблемы и перспективы развития двигателестроения". - Самара: СГАУ, 2014,- В 2 Ч. Ч. 2 - С. 78 - 80.

14. Makaryants, G.M. High frequency noise suppression of the automobile exhaust system [электронный ресурс] /G.M. Makaiyants, K.A. Kiyuchkov, A.I. Safin, A.N. Kryuchkov, M.I. Fesina, I.V. Malkin // Journal of Dynamics and Vibroacoustics. - 2014. - 1(1). Режим доступа: http://journals.ssau.ru/index.php/dynvibro/article/view/1647

Свидетельство и патенты:

15. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Российская Федерация. Программа для измерений акустических характеристик материалов и конструкций в импедансной трубе [Текст] / Сафин А.И., Иголкия A.A., Гаспаров М.С.; заявитель и патентообладатель федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ) (RU). - №2012619881; заявл. 15.11.2012; опубл. 09.01.2013. - 1с.

16. Решение о выдаче патента на изобретение. Российская Федерация. Устройство для изготовления пористого материала [Текст] / Изжеуров Е.А., Дегтярев М.В., Ревякин A.B., Федяев И.М., Колганов И.Н., Сафин А.И.; заявитель и патентообладатель федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ) (RU). - Ks 2013111723/02(017412); заявл. 15.03.2013 - 1с.

Подписано в печать 24.10.2014. Формат 60 х 84/16. Бумага офсетная. Печать оперативная. Объем- 1,0 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ №. 179

Отпечатано в типографии «Инсома-пресс» 443080, г. Самара, ул. Сапфировой, 1ЮА, оф. 22 А, тел. 222-92-40, E-mail: insoma@bk.ru

/Г

' 'О _