авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Повышение конструктивно - технологических свойств турбовентиляторных авиационных двигателей с учетом эксплуатационных ограничений по шуму

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

СГАДЛЕВ ВАСИЛИЙ 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

Москва – 2010

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете гражданской авиации

Научный руководитель: профессор, доктор технических наук

Елисов Лев Николаевич

Официальные оппоненты: профессор, доктор технических наук

Никонов Валерий Васильевич

кандидат технических наук

Васин Михаил Владимирович

Ведущая организация: 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 С.В.

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.

 Область исследования-0

Рис. 1. Область исследования диссертационной работы.

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 канале описываются в виде конечной суммы частных решений уравнения Эйлера в цилиндрической системе координат, характеризуемых следующими параметрами: - круговая частота; m -азимутальное число; n – радиальное число; - амплитуда; - фаза.

Пусть канал имеет радиус , среднее стационарное поле течения в нем однородно, и скорость течения направлена вдоль оси . Приведем выражение для параметра пульсации угловой скорости

, (1)

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

,.

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

. (2)

Рассмотрим два взаимодействующих венца. Пусть первый венец имеет число лопаток - второй . Пусть скорость вращения первого венца относительно второго - . 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 , где s - натуральное число. Аналогично, в системе отсчета второго венца данные возмущения должны иметь частоты кратные частоте следования лопаток первого венца относительно второго , где n - натуральное число.

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

. (3)

Во все соотношения частота входит с положительным знаком, а направление вращения моды определяется знаком , то углу в системе отсчета связанной с первым ротором соответствует в данный момент времени угол (полагается, что при ). Подставляя в предыдущее выражение, получим:

. (4)

В то же время необходимо чтобы:

. (5)

Таким образом, получены ограничения, накладываемые на азимутальное число.

. (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.

 Изменение звуковой мощности первой-30

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.

 Изменение звуковой мощности-31



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.