Повышение конструктивно-технологических свойств турбовентиляторных авиационных двигателей с учетом эксплуатационных ограничений по шуму тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.14, кандидат технических наук Сгадлев, Василий Викторович

• Сгадлев, Василий Викторович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сгадлев, Василий Викторович

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение конструктивно-технологических свойств турбовентиляторных авиационных двигателей с учетом эксплуатационных ограничений по шуму»

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.

Заключение диссертации по теме «Эксплуатация воздушного транспорта», Сгадлев, Василий Викторович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сгадлев, Василий Викторович, 2010 год

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.