Что такое зпк в двигателях

Что такое зпк в двигателях


УСИД: ЧТО ЭТО ТАКОЕ?

ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова»: Виктор Милешин, начальник отделения, д.т.н.
Юрий Халецкий, начальник сектора, д.т.н.
Роллан Шипов, главный научный сотрудник, д.т.н.

Для современных самолетов гражданской авиации глушение шума вентилятора с помощью акустической обработки каналов ТРДД является обязательным. Испытание, подтверждающее эффективность применяемых звукопоглощающих конструкций (ЗПК), — неотъемлемая часть проектирования глушителя шума вентилятора ТРДД.

Из всех усовершенствований, которые имели место в ТРДД за последние тридцать лет, половину снижения шума дало применение звукопоглощающей акустической облицовки в каналах силовой установки. Обычно, при правильном проектировании, ЗПК в воздухозаборнике обеспечивают снижение шума на 5 ЕPN дБ. Облицовка выхлопных каналов ТРДД — горячего и холодного — дает в 2 раза большее снижение шума. Если учесть, что пригодные для размещения ЗПК площади в ТРДД весьма ограничены, а звукопоглощающие конструкции должны быть легкими и надежно работать в предельно неблагоприятной окружающей среде (широкий диапазон температур, высокие скорости потока, присутствие влаги), то по акустическим меркам этот результат следует без преувеличения признать чудом.

К сожалению, стоимость изготовления и испытания комплекта звукопоглощающих конструкций для натурного двигателя является очень высокой, и при проектировании и испытании глушителя редко предоставляется роскошь выполнения более одной попытки перед его внедрением в серийное производство.

Казалось бы, можно перенести такие исследования на модельные компрессорные стенды, в особенности, на специализированные компрессорные стенды, снабженные акустическими измерительными камерами — заглушенными или реверберационными. В большинстве таких установок модельный вентилятор располагается у одной из стен акустической камеры, чтобы его привод оказался в соседнем помещении. Это позволяет снизить шум помех. В результате такие установки позволяют изучать либо шум, излучаемый из воздухозаборника вперед, либо шум, излучаемый из сопла вентилятора назад (при установке вентилятора с выхлопом в камеру). Однако эксперименты показывают, что в результате дифракции шум, излученный через воздухозаборник, распространяется не только в переднюю полусферу, но и назад, а шум, излученный из сопла, частично распространяется и в переднюю полусферу. По этой причине такие модельные испытания ЗПК на компрессорных стендах не обеспечивают акустического моделирования реального акустического поля вентилятора ТРДД.

Чтобы избежать этих недостатков, нужно испытывать уменьшенную модель вентилятора сразу с воздухозаборником, наружным каналом и соплом наружного контура, одновременно измеряя все излучаемое вентилятором акустическое поле. Такого типа конструкцию модельного вентилятора называют универсальным стендовым имитатором двигателя (УСИД, в зарубежной практике такие устройства принято именовать «стендовыми имитаторами двигателя» — Universal Propulsion Simulator или UPS). Испытания модельных вентиляторов в системе УСИД можно проводить в безэховых аэродинамических трубах или в безэховых камерах, причем весь имитатор монтируется внутри акустической камеры. В проточной части имитаторов можно размещать исследуемые модельные звукопоглощающие конструкции. По данным, полученным NASA, испытание уменьшенной модели ЗПК может стоить от 150 до 250 тысяч долларов, в то время как эквивалентное испытание натурного двигателя может потребовать миллиона долларов или больше.

Еще в начале 90-х годов прошлого столетия фирмой «Пратт-Уитни» был изготовлен и испытан универсальный стендовый имитатор двигателя диаметром около 430 мм. Позднее фирмы «Пратт-Уитни» и «Дженерал Электрик» перешли на имитаторы диаметром около 560 мм. Вентилятор этого имитатора приводится во вращение технологической турбиной с выхлопом в окружающее пространство. Модельная мотогондола поддерживается с помощью силовой стойки.

В настоящее время в ЦИАМ изготавливается первый биротативный УСИД для испытания в заглушенной камере стенда Ц-3А. Этот УСИД также имеет диаметр 560 мм. Рабочие колеса имитатора приводятся в независимое противоположное вращение двумя турбинами.

Для УСИД диаметром 560 мм коэффициент моделирования ТРДД диаметром 2 м составляет 0,28, а для ТРДД диаметром 3 м — 0,19.

Поскольку испытания модельных вентиляторов диаметром 560 мм — дело достаточно обычное, вопросов, связанных с аэродинамическим моделированием, практически не возникает. Что касается акустического моделирования, то согласно стандарту ИКАО шум самолетов и авиадвигателей измеряется в диапазоне частот 50…10000 Гц. Для сохранения аэродинамического подобия при уменьшении размеров модели частоту вращения ее рабочего колеса увеличивают. В результате на аэродинамически подобных режимах рабочий диапазон частот на УСИД смещается в сторону высоких частот и достигает глубокого ультразвука. Поэтому испытания УСИД должны проводиться с использованием высокочастотной аппаратуры.

Читайте также:  Как на ниву поставить инжекторный двигатель вместо карбюраторного

Сложнее обстоит дело с панелями ЗПК. Модельные однослойные перфорированные ЗПК на УСИД диаметром 560 мм при простом геометрическом моделировании должны иметь высоты 3…8 мм. Для сотовых перфорированных ЗПК предел их возможной миниатюризации составляет не менее 5…6 мм. Поэтому моделирование однослойных перфорированных ЗПК строительной высотой 10 мм с помощью однослойных перфорированных ЗПК меньшей строительной высоты оказывается практически невозможным.

К сожалению, сложности не ограничиваются только технологическими проблемами. Ключевым параметром для использования данных, полученных на модельной облицовке с целью проектирования и доводки натурных акустических ЗПК, является акустический импеданс ЗПК (импеданс — комплексное сопротивление). Однако у акустических панелей традиционной конструкции вследствие эффектов второго порядка непосредственно по геометрическому размеру и частоте акустический импеданс не моделируется.

Главное препятствие, остающееся на пути к успешному моделированию ЗПК в качестве инструмента проектирования натурных ЗПК, является способность измерять импеданс модельных ЗПК как при наличии сносящего потока, так и без него вплоть до самой высокой частоты, представляющей интерес для модели. Без надежных измерений нельзя определить, какому импедансу соответствует измеренное подавление звука на данной частоте в облицованном канале модельной установки. Для данных модельной и натурной ЗПК на соответствующих модельной и натурной частотах импеданс должен быть одинаковым. Если известен импеданс модельной ЗПК, ее проектирование является достаточно простым. Однако соответствующие аналитические модели расчета импеданса должны быть подтверждены экспериментами.

В последнее десятилетие применительно к вентиляторам ТРДД интенсивно развиваются методы моделирования ЗПК. В 1998-2003 гг. была выполнена исследовательская программа, главная цель которой состояла в совершенствовании методов, позволяющих использовать УСИД в качестве инструмента проектирования ЗПК.

Работа концентрировалась на создании методов, позволяющих расширить верхний предел частотного диапазона возможного применения методов расчета и измерения акустического импеданса модельных ЗПК. В прошлом верхний предел измерения импеданса натурных панелей ЗПК равнялся приблизительно 6 кГц. На первом этапе работы были развиты методы, позволяющие при нормальном падении звука расширить диапазон частот измерения импеданса в импеданс-трубе приблизительно до 13 кГц. Цель второго этапа исследования состояла в удвоении этой величины до 25 кГц для импеданса ЗПК при отсутствии сносящего потока. Была выполнена также оценка методов расширения до 12 кГц диапазона частот при измерениях импеданса с учетом сносящего потока. В программе использовались как аналитические, так и экспериментальные методы. В работе были рассмотрены только однослойные ЗПК либо с перфорированным листом, либо с «линейным» сеточным слоем сопротивления.
Пока же при испытании УСИД используется приемы приближенного моделирование звукопоглощающих конструкций. Эти приемы включают: корректировку модельных сотовых перфорированных ЗПК с целью обеспечения требуемого импеданса на некотором режиме работы вентилятора; применение линейных сеточных модельных ЗПК; применение широкополосных объемных модельных ЗПК.

Следует заметить, что ЗПК на основе металлической сетки находят некоторое применение в авиадвигателестроении. Однако широкому их использованию мешают эксплуатационные недостатки, связанные, в первую очередь, с быстрым загрязнением мелкоячеистой структуры сетки. Объемные же поглотители, включающие слои твердых или тонковолоконных пористых материалов, практически не применяются в серийных двигателях как по причине их быстрого загрязнения, так и вследствие выдувания тонковолоконного заполнителя. И линейные и объемные ЗПК обладают хорошими характеристиками звукопоглощения как по акустической эффективности, так и по широкополосности. При правильном подборе параметров таких ЗПК они могут достаточно точно смоделировать свойства модельных сотовых ЗПК для каждого из рабочих режимов натурного двигателя — взлетного, набора высоты и посадочного режима.

Применение УСИД позволяет исследовать эффект от применения каждой ЗПК по отдельности и любой их возможной комбинации на двигателе, а также с высокой степенью достоверности оценить влияние этих конструктивных доработок на реальном двигателе .

Источник

Что такое зпк в двигателях

Электронный научный журнал «ТРУДЫ ВИАМ»

Читайте также:  Сколько литров заливать масла в двигатель шевроле круз

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
«ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Авторизация

Статьи

Рассмотрены вопросы снижения шума гражданских воздушных судов, являющиеся актуальными в свете ужесточения требований по шуму на местности. Предложен способ улучшения массовых и акустических характеристик звукопоглощающей конструкции (ЗПК) путем применения взамен стеклосотопласта звукопоглощающего материала-конструкции с пористой вставкой заданной толщины, расположенной на определенной высоте. Кратко описана технология получения подобных материалов, а также даны характеристики полученного материала.

Введение

В настоящее время многие эксперты ставят требования к малошумности воздушных судов (ВС) гражданского назначения на второе место после обеспечения безопасности полетов [1]. Данное обстоятельство связано с тем, что шум ВС на местности регламентируется Международной организацией гражданской авиации (ИКАО). Требования ИКАО носят рекомендательный характер, однако большинство развитых стран закрепляют их в своих законах и технических регламентах, назначая экологические штрафы либо запрещая эксплуатацию не соответствующих этим требованиям ВС в своих аэропортах. Одним из эффективных способов снижения шума ВС является применение звукопоглощающих конструкций (ЗПК). Применяемые в настоящее время для снижения шума на местности ВС двухслойные резонансные ЗПК не позволяют достигнуть снижения уровня шума, необходимого для выполнения вступивших с 2017 г. требований ИКАО, что вынуждает применять трехслойные резонансные конструкции, которые имеют высокие трудоемкость изготовления и массу. В связи с чем идет активный поиск альтернативных вариантов решения данной задачи.

В последние годы наблюдается тенденция по повышению количества неметаллических материалов в ВС [2–4], что приводит к увеличению работ по разработке связующих [5] и клеев [6], конструкционных материалов на их основе [7], а также систем защиты от внешних воздействий [8, 9] и по оценке влияния этих воздействий на материалы [10]. При этом требования, которые предъявляются к материалам, становятся все более жесткими и комплексными, особенно в высокотехнологичных областях, таких как авиастроение и космонавтика. Так, материалы для ЗПК современных ВС гражданской авиации должны помимо основной функциональной характеристики – акустической эффективности – отвечать таким требованиями, как прочность, низкая удельная плотность, стойкость к эксплуатационным воздействиям. При разработке новых двигателей зачастую существует потребность в изменении акустических характеристик ЗПК в процессе доводки двигателя, в связи с чем большим преимуществом является вариативность акустических характеристик без значительного изменения прочностных и массово-габаритных параметров.

Работа выполнена в рамках реализации стратегического научного направления 15.3. «Материалы и покрытия для защиты от ЭМИ, ударных, вибрационных, акустических и электрических воздействий» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1].

Материалы и методы

Разработке ЗПК и материалов для них уделяется большое внимание во всем мире. Одними из наиболее эффективных способов повышения акустических характеристик является применение пористых материалов [11, 12] и мембран (акустических сеток) взамен внутренних перфорированных слоев ЗПК [13], однако это делает актуальным вопрос обеспечения прочности конструкции и ее стойкости к воздействию внешних факторов. В качестве пористых материалов, как правило, рассматривают материалы волокнистого типа, так как они наиболее акустически эффективны по сравнению с ячеистыми и гранулированными пористыми материалами [14], однако по эксплуатационным характеристикам данный тип материалов уступает ячеистым, что затрудняет внедрение подобных разработок в изделия.

Во ФГУП «ВИАМ» разработана структура и технология изготовления звукопоглощающего материала-конструкции, предназначенного для применения в ЗПК двигательной установки ВС [15], состоящего из промышленно производимых стеклянных сот и звукопоглощающего элемента на основе пенопласта с открытой пористью, пропитанного гидрофобизирующим составом на основе кремнийорганического каучука, расположенного внутри сот таким образом, чтобы достичь максимальных акустических характеристик при минимальной плотности.

Структура предложенного звукопоглощающего материала представлена на рис. 1 (изометрическая проекция) и 2 (вид сбоку).

Применение промышленных сот позволяет сохранить прочностные характеристики на уровне существующих и применяемых резонансных ЗПК, что облегчает интеграцию разработанного материала-конструкции в состав двигательной установки ВС, а также позволяет сохранить существующую технологию изготовления ЗПК и узлов на их основе.

Рис. 1. Изометрическая проекция звукопоглощающего материала-конструкции:

Читайте также:  16 valve efi двигатель характеристики

1 – сотопласт; 2 – заполнитель из пенопласта с открытой пористостью

Рис. 2. Вид сбоку звукопоглощающего материала:

1 – слой ячеистой структуры (сотопласт); 2 – пенопласт с открытой пористостью; 3, 4 – воздушные полости

Поскольку плотность является одной из определяющих характеристик в авиастроении, для ее снижения толщина пенопласта выбирается наименьшей, при которой достигаются значения акустических характеристик в требуемом заказчиком диапазоне частот. Высота размещения пенопласта также оказывает влияние на акустические характеристики материала-конструкции путем изменения высоты как фронтальной, так и тыльной воздушной полости.

Технология изготовления материала-конструкции разрабатывалась с учетом возможностей серийного производства, в связи с чем основной задачей было снижение трудоемкости изготовления, а также возможность изготовления больших партий без использования дорогостоящего оборудования. Технология предусматривает изготовление панели заданных размеров благодаря размещению слоя определенной толщины пенопласта с открытой пористостью внутри слоя сотопласта путем вдавливания в гидравлическом прессе, в результате которого происходят разрезание пенопласта ребрами ячеек сотопласта на отдельные фрагменты и их размещение в каждой ячейке сотопласта за одну технологическую операцию. В данном случае необходимо отметить, что пенопласт с открытой пористостью должен соответствовать ряду требований, таких как низкая плотность, высокие акустические характеристики в широком диапазоне частот, а также должен разрезаться ребрами ячеек при статичном нагружении по горизонтальной оси. Экспериментальные исследования показали, что под данное описание подходят пенопласты с плотностью менее 0,3 г/см 3 и прочностью на срез не более 2 МПа. Для обеспечения высоких акустических характеристик необходима структура с открытой пористостью с равномерным процентным распределением размеров пор, лежащих в интервале от 50 до 600 мкм [16].

Далее за одну технологическую операцию проводится гидрофобизация и приклеивание пенопласта к ячейкам сотопласта путем пропитки полученной заготовки составом на основе кремнийорганического каучука в пропиточной ванне, при этом состав должен обладать высокими гидрофобизирующими свойствами, а также высокой адгезией к материалу на основе фенолформальдегидного связующего, которое применяется при изготовлении стеклосотопласта. Для обеспечения высоких акустических характеристик гидрофобизацию пенопласта необходимо проводить не по поверхности материала (так как в случае образования сплошного слоя это приведет к ухудшению акустических характеристик), а в объеме таким образом, чтобы влияние на пористость материала было минимальным, либо после гидрофобизации размеры пор были в диапазоне, указанном ранее.

Результаты

Одним из наиболее важных преимуществ разработанной структуры и технологии является возможность настройки акустических характеристик за счет изменения таких параметров, как толщина и расположение пенопласта, состав гидрофобизатора. Необходимость изменения акустических характеристик ЗПК возникает при разработке двигателя в случае изменения его рабочих параметров по сравнению с расчетными. Как известно из литературных источников [17], акустические характеристики резонансных ЗПК определяются четырьмя основными геометрическими параметрами – диаметром отверстий перфорации фронтального слоя, толщиной фронтального слоя, процентом перфорации (отношение площади отверстий к общей площади слоя) и высотой используемого заполнителя (в данном случае сотопласта). Как правило, изменение толщины конструкции на поздних стадиях разработки двигателя невозможно, в связи с чем перенастройку системы шумоглушения проводят, изменяя параметры фронтального слоя, что приводит к изменению прочностных характеристик и, как следствие, к необходимости комплексного подхода к решению описанной задачи. В случае применения материала-конструкции такая проблема отсутствует, так как настройка акустических характеристик возможна путем изменения описанных ранее параметров без необходимости изменять итоговую высоту конструкции или параметры фронтального слоя, что позволяет сохранить прочностные свойства как материала, так и конструкции с его применением. Таким образом, доводка двигателя по шуму на завершающих этапах разработки становится чисто акустической задачей, не требующей комплексного подхода.

Разработанная материал-конструкция имеет общую высоту 30 мм, толщину пенопласта 5 мм, высоту воздушных полостей по 12,5 мм и обладает следующими свойствами:

– рабочая температура 150°С;

– средняя поверхностная плотность 4093 г/м 2 ;

– влагопоглощение материала при φ=98% в течение 3 сут составило в среднем 0,86% (по массе);

– материал является трудносгорающим, что удовлетворяет требованиям АП-25.

Коэффициент звукопоглощения материала-конструкции в диапазоне частот от 800 до 5000 Гц имеет следующие значения:

Источник