Усенко В’ячеслав Юрійович
начальник відділу силових установок
ДП «Антонов»
Україна, Київ
Анотація. В роботі розглянуто шум повітряних гвинтів. У структурі шуму повітряного гвинта виділяють широкосмугову і дискретну складові. Широкосмугова складова характеризується вихровим шумом, що викликаний зривом вихорів з задньої кромки лопаті. Дискретна складова характеризується шумом обертання. Шум обертання включає в себе шум, який обумовлений впливом на середовище стаціонарних аеродинамічних навантажень, і об’ємний шум. Для трансзвукових гвинтів характерним джерелом шуму є шум за рахунок коливань стрибків ущільнень на поверхні лопаті.
Ключові слова: шум, повітряний гвинт, монополь, диполь, квадруполь
Зниження шуму турбогвинтових і турбогвинтовентиляторних двигунів є дуже актуальною проблемою. В першу чергу, це пов'язано з посиленням міжнародних стандартів нормування шуму на місцевості у зв’язку негативним впливом шуму на людей та навколишнього середовища [1].
Повітряний гвинт є основним джерелом шуму силової установки [2].
У структурі шуму повітряного гвинта виділяють широкосмугову і дискретну складові.
Широкосмугова складова характеризується вихровим шумом, що викликаний зривом вихорів з задньої кромки лопаті. Вихровий шум, що утворюється в результаті обтікання потоком лопаті гвинта, має суцільний спектр, оскільки перерізи лопаті обтікаються з різними швидкостями, в залежності від радіуса і, крім того, циркуляція за довжиною лопаті змінна. З кожної лопаті сходить суцільна безперервна за радіусом вихрова завіса. Звук випромінюється безперервно в момент зриву вихорів із задніх крайок перерізів лопаті. Вихровий шум еквівалентний квадрупольному акустичному джерелу.
Дискретна складова характеризується шумом обертання. У свою чергу, шум обертання поділяють на дві складові. Одна з них обумовлена впливом на середовище стаціонарних аеродинамічних навантажень - сил тяги і моменту на валу гвинта. Ця складова еквівалентна акустичному диполю. Друга складова шуму обертання пов'язана з кінцевою товщиною лопаті. Лопать при обертанні витісняє з навколишнього середовища об'єм, що дорівнює об'єму лопаті, який потім знову заповнюється середовищем. Відбувається періодична зміна об'єму в будь-якій фіксованій точці простору, що знаходиться в межах гвинта. Тобто, елементарні об'єми в кожній точці простору в межах диску гвинта пульсують з тією ж частотою, що і частота шуму обертання при впливі на середовище сталих аеродинамічних навантажень на лопаті. Ця складова шуму обертання є об'ємним шумом. Об'ємний шум еквівалентний акустичному монопольному джерелу. Інтенсивність об'ємного шуму залежить від товщини профілів лопаті і від відносної швидкості.
На злітному режимі роботи повітряного гвинта перерізи лопаті обтікаються при великих кутах атаки. Це є причиною зривного обтікання лопатей. При цьому рівень шуму може бути на 10-15 дБ вище, ніж при безвідривному обтіканні лопаті [2].
Для трансзвукових гвинтів характерним джерелом шуму є шум за рахунок коливань стрибків ущільнень на поверхні лопаті. Положення стрибків ущільнення при швидкостях, що є наближеними до звукової, нестійкі, і незначні за зовнішнім впливом, зокрема, зміна частоти обертів гвинта, призводить до їх коливань і, отже, до додаткового звукового випромінювання. Вібрація лопатей також може призвести до збільшення шуму гвинта.
Згідно з рівнянням Фокс Вільямса-Хоукінгса загальне акустичне випромінювання повітряного гвинта характеризується дипольним, квадрупольним і монопольним акустичним джерелом. В загальному вигляді рівняння Фокс Вільямса-Хоукінгса записується наступним чином [3, с. 122-127]:
де ρ – густина; с0 – швидкість звуку в стаціонарному навколишньому середовищі; xi, xj – координати точок спостереження; V – об'єм газу; Tij – тензор напружень Лайтхилла; r - радіальна координата точки спостереження в циліндричній системі координат; S – обтічна поверхня; ui – швидкість течії в напрямі xi; ui – нормальна швидкість поблизу твердої поверхні; pi виражає силу на одиницю поверхні S, з якою потік впливає на границю в напрямі xi.
Складові виразу можна інтерпретувати наступним чином. Перший член являє собою випромінення звуку квадруполями. Другий член представляє собою випромінення диполями, розподіленими на поверхні S. Ці джерела визначаються пульсаціями тиску і в’язкими напругами. Третій член представляє собою джерела звуку монопольного типу, які розташовані на поверхні S. Він характеризує той факт, що при переміщенні границі поверхні рідина виштовхується з тої області, яку вона займала [3, с. 122-127].
Шум повітряних гвинтів досліджують за допомогою натурного фізичного або чисельного експерименту. Однак натурний фізичний експеримент не дає можливості дослідити окремо акустичні джерела (монополь, диполь і квадруполь).
Застосування чисельного експерименту дає можливість якісну картину вихрового шуму, тобто квадрупольного акустичного джерела, при обтіканні повітряного гвинта. На рис.1 представлена отримана візуалізація акустичного квадрупольного джерела при обтіканні гвинта.
Рис. 1. Візуалізація квадрупольного джерела за гвинтом
Аналіз рис.1 показує, що за гвинтом утворюється вихрова завіса, що є зривом вихорів при обтіканні лопатей гвинта. У випадку співвісних гвинтів наявність вихрової завіси викликає нерівномірність потоку на вході у другий гвинт, що, в свою чергу, призводить до зривного обтікання лопатей другого гвинта.
Таким чином, можна зробити висновок, що шум гвинтів визначається вихровим шумом і шумом обертання. Додатково для трансзвукових гвинтів характерним джерелом шуму є шум за рахунок коливань стрибків ущільнень на поверхні лопаті. Спектр шуму має широкосмугову і дискретну складову.
Результати моделювання показали, що за гвинтом утворюється вихрова завіса яка є джерелом вихрового шуму і нерівномірності потоку.
Література
1. Приложение 16. Охрана окружающей среды. Том I. Авиационный шум [Текст]/ Монреаль: Международная организация гражданской авиации, издание восьмое, 2017. -264с.
2. Мунин, А. Г. Авиационная акустика [Текст]/ А.Г. Мунин, В.Е. Квитка. – М.: Машиностроение, 1973.– 448с.
3. Голдстейн, М. Е. Аэроакустика [Текст]/ М. Е. Голдстейн. – М.: Машиностроение, 1981. – 294 с.
