Воздействие на систему "планер-кабина-оператор/пассажир" виброакустического спектра двигателей большой двухконтурности

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.01

ОАО «Туполев», Россия, Москва

Воздействие на систему «планер-кабина-оператор/пассажир» виброакустического спектра двигателей большой двухконтурности

В.С. Бакланов

Сегодня приняты несколько научно-исследовательских программ по дальнейшему снижению шума на местности. Одним из основных направлений является переход от двигателей большой степени двухконтурности (4,5…6,0) к двигателям сверхбольшой степени двухконтурности (8…12).

самолет двигатель инфразвук вибрационный

Рис. 1. Источники шума двигателей 1960 и 2000 годов [1].

Уже сегодня эксплуатируется ряд самолётов с двигателями двухконтурности 8,5…9 (Боинг777, Боинг747,А-340, А-380).

Опыт эксплуатации самолётов нового поколения с двигателями сверхбольшой степени двухконтурности показал, что произошло перераспределение характера шума (рис.1). При существенном снижении шума струи двигатель остаётся основным источником шума, но теперь это шум вентилятора, в котором, кроме гармоник на частотах следования лопаток, наблюдается полигармонический ряд составляющих, возбуждаемый ударными волнами в широком диапазоне частот (так называемый пилообразный шум) [2].

Пилообразный шум - это одна сторона (высокочастотная часть) ожидаемого спектра шума в гермокабине самолётов нового поколения с двигателем сверхбольшой двухконтурности. Другой стороной спектра является низкочастотная часть, куда входят роторные частоты и низкочастотные составляющие газовоздушного тракта.

Характер ударных волн определяется сверхзвуковой скоростью концов лопастей вентилятора и диаметром вентилятора. Одна из необходимых мер борьбы с ударными волнами - снижение частоты вращения вала вентилятора, определяет тенденцию сдвига вибрационного спектра двигателя в низкочастотную область, а некоторых гармоник газовоздушного тракта - в инфразвуковую. Уровень этих составляющих в большой степени определяется для двигателей сверхбольшой двухконтурности, условиями на входе в вентилятор (и возможностью генерирования аэродинамического дисбаланса). Эти составляющие будут определять спектр динамического воздействия СУ, передаваемый через узлы крепления на конструкцию планера.

Для планера современного самолета (в виду его балочной конструкции) характерно наличие нескольких десятков форм колебаний в низкочастотной части спектра; взаимодействие некоторых из них с возмущающим воздействием силовой установки может привести к генерированию в кабинах самолетов дискретных низкочастотных составляющих шума (вплоть до инфразвуковых) высокого уровня.

Проведенные исследования в Португальском медицинском центре уже отмечают наличие повышенного уровня инфразвуковых составляющих шума в кабине экипажа в сравнении с пассажирским салоном на современных самолетах [3] (рис. 2).

Рис. 2. Сравнение уровня инфразвука в кабине пилотов для разных самолётов.

Полученные данные вызывают беспокойство в связи с возможным увеличением этих составляющих при переходе на двигатели сверхбольшой двухконтурности.

Вибрационный спектр турбовентиляторных двигателей, особенно большой двухконтурности, существенно расширяется вследствие низкой частоты вращения ротора вентилятора (особенно в случае применения редуктора ), 2-х, 3-х вальных схем и низкочастотных составляющих возмущающего воздействия газовоздушного тракта двигателя, что и будет определять характер вибрационного процесса на корпусе двигателя.

Так, в ходе исследования виброизолирующего крепления двигателя, разработанного с учётом реальных динамических характеристик (динамической податливости корпуса двигателя и планера), определялся вклад вибрационного воздействия в акустические характеристики гермокабины [4].

На рис.3 представлены спектры вибраций корпуса двигателя по переднему (а) и заднему (b) поясам креплений.

В спектре вибраций корпуса двигателя (особенно в районе переднего пояса крепления) отмечен полигармонический ряд дискретных составляющих вокруг основных частот следования лопаток (1 и 2 гармоник), отличающихся на частоту вращения вала вентилятора:

, (1)

где f - частота дискретных составляющих, f _в - частота вращения вала вентилятора, z - число лопаток вентилятора, m - число гармоник на частоте следования лопаток, i = 0, 1, 2…k.

Все эти составляющие вибрационного спектра, наряду с дискретными компонентами виброактивных агрегатов (например, плунжерных насосов), установленных на двигателях, будут являться источником структурного шума, передаваемого через узлы крепления на конструкцию планера и переизлучаемого в гермокабину. В спектре шума гермокабины (рис. 3а) наблюдается существенно прореженный ряд высокочастотных составляющих шума, но внушительный ряд компонент в нижней части спектра.

Рис. 3. Спектры шума и вибрации.

(a) - спектр шума в гермокабине (район крепления двигателя),

(b) - спектр вибрации корпуса двигателя (передний пояс подвески),

(c) - спектр вибрации корпуса двигателя (задний пояс подвески).

Оператор (экипаж транспортного средства) на своём рабочем месте включён в состав динамической системы этого транспортного средства, образуя ещё одну ветвь многосвязной системы.

На оператора, например, пилота через опорные связи рабочего места передаётся весь комплекс воздействия со стороны планера самолёта, который, в свою очередь, подвергается воздействию набегающего потока, а также вибрации и структурного шума, генерируемого силовой установкой, агрегатами системы жизнеобеспечения.

Новейшие исследования показывают, что низкочастотный шум в октавной полосе 31 Гц и особенно инфразвуковой диапазон с октавными полосами 8 и 16 Гц являются вредным фактором, влияющим на здоровье и работоспособность человека [5]. Это связано с тем, что объёмные частоты многих внутренних органов человека лежат в инфразвуковом диапазоне. Также имеются данные об изменении проницаемости эритроцитарных мембран, ишемических изменениях в миокарде и перикарде, а также расслоении ткани перикарда под воздействием инфразвука.

Низкочастотные акустические колебания инфразвукового диапазона по характеру своего действия сходны с воздействием вибрации, т.к. оказывают непосредственное воздействие на систему черепно-мозговых нервов.

Сегодня нет обязательных международных норм, лимитирующие внутренний шум в кабинах самолетах. Обеспечение тех или иных условий по шуму показатель конкурентоспособности фирм-изготовителей или эксплуатирующих компаний. Уровень шума в кабинах пилотов устанавливает фирма-изготовитель с учетом мнения крупных авиакомпаний, которые ориентируются на соглашения с профсоюзом.

Допустимые уровни звукового давления на рабочих местах лётного состава воздушных судов соответствуют требованиям ГОСТа 20296-81, но допустимые уровни инфразвука до 110 дБ [6] не соответствуют сегодняшним представлениям о роли инфразвука при воздействии на организм. Санитарные нормы Минздрава России [7], разработанные на основе новейших исследований воздействия инфразвука на организм человека, ограничивают суммарный уровень инфразвука, например, для работ интеллектуально-эмоциональной напряженности до 95 дБ.

Для обеспечения комфортных условий работы экипажа и безопасности полета при выборе силовой установки для самолётов нового поколения, наряду с решением проблем снижения шума на местности, необходимо включать разработку высокоэффективной системы виброзащиты экипажа и пассажиров.

Таким образом, при создании нового поколения самолётов с малошумными салонами потребуется преодолеть проблемы, так и нерешённые при создании винтовентиляторных самолётов нового поколения в 80-ые годы, когда разработка специальных мер по снижению шума, вызванного воздействием винтовентилятора, потребовала весовых затрат, превышающих доходы от топливной эффективности.

При выборе виброзащиты гермокабины самолета на первое место выходят средства снижения виброактивности двигателей и передачи вибраций по конструкции, где наиболее эффективным нам представляется встраивание блоков виброизоляции в узлы крепления двигателей.

Для решения задачи уменьшения низкочастотного воздействия необходима концепция нового виброизолирующего крепления [8].

Но какие бы средства виброзащиты (активные или пассивные) не применялись, для обоснованного выбора параметров блоков виброизоляции, необходима расчетная модель, учитывающая реальные динамические характеристики конструкций, как двигателя, так и планера в местах опорных связей.

Расчётная модель

Многолетние исследования [9] по определению динамических характеристик корпусов ряда двигателей различных степеней двухконтурности и конструкции планера магистральных самолетов позволили существенно уточнить расчетные модели современных авиационных конструкций в диапазоне частот вращения роторов двигателей и определить тенденцию изменения динамических характеристик двигателя при увеличении его двухконтурности.

В статье предлагается расчетная модель, учитывающая реальные динамические свойства современных конструкций, которые характеризуются матрицей динамических податливостей корпуса двигателя в местах установки узлов крепления, и комплексом передаточных функций (виброакустических проводимостей конструкции планера) от точек крепления до мест контроля шума в гермокабине, а также матрицей динамических податливостей конструкции планера в местах установки ответных узлов крепления.

Исследование многосвязной динамической модели "двигатель-крепление-основание" проводится разделением по местам опорных связей (мест крепления двигателей) на независимые подсистемы с приложением в точках раздела реакций и составления дифференциальных уравнений, где в качестве коэффициентов пропорциональности между динамическими перемещениями и силами используются обобщенные динамические характеристики (например, динамические податливости) [10].

Используя комплекс реальных податливостей двигателей и самолётов, определённых экспериментально были исследованы границы связанных колебаний системы «двигатель-крепление-планер», а также возможность представления системы в виде независимых вибропроводов.

В случае динамической независимости узлов крепления двигателей уравнение для динамических сил, действующих со стороны двигателя в i-ой точке связи, можно привести к виду:

, (2)

-соответственно динамические податливости корпусных конструкций двигателя и планера в месте установки го узла крепления;

- переходная податливость (вибропроводимость) конструкции двигателя от точек () приложения возмущающих сил в элементах двигателя до го узла крепления;

- возмущающие силы, возникающие при работе двигателя в различных его элементах ().

Полученная зависимость позволяет сделать оценку уровня ожидаемого динамического воздействия как от основных источников (остаточного дисбаланса роторов двигателей), так и других виброактивных элементов и агрегатов, установленных на двигателе (например, плунжерных гидронасосов, валов привода коробки приводов, возмущений в газовоздушном тракте двигателя).

Рассматривая каждую i-ую связь из (m) опорных связей двигателей с конструкцией планера как отдельный источник воздействия, определяем уровень звукового давления (уровень шума) , генерируемый в какой-нибудь точке n гермокабины, как сумму звуковых давлений, возбуждаемых каждым таким источником:

, (3)

где - передаточная функция, характеризующая акустическую проводимость конструкции планера от точек вибрационного воздействия двигателей (точки крепления) до мест измерения шума; - уровень динамического воздействия со стороны двигателя на конструкцию планера в i -ой точке крепления.

После перехода к децибельной оценке шума, получим:

, (4)

где - функция акустической проводимости конструкции планера до точки n при воздействии в точке i с принятой в эксперименте исследования силой, в дБ; - уровень вибраций корпуса двигателя в районе i-ой точки крепления, см/с; f - частота, для которой ведется расчет, Гц; - уровень силы возбуждения вибратором конструкции планера при определении функции акустической проводимости, кг.

Проведя энергетическое сложение отдельных источников всех двигателей, получим суммарный уровень шума от вибрационного воздействия силовой установки.

На рис. 4 приведён пример расчёта ожидаемого структурного шума в кабине. В спектре виден высокий уровень низкочастотных составляющих, возбуждаемых вибрационным воздействием силовой установки. Расчётные данные согласуются с результатами экспериментальных исследований.

Рис. 4. Сравнение экспериментального и прогнозируемого (расчетного) структурного шума в кабине самолета.

1, 4 - Экспериментальные данные, V_Е = 10 мм/сек.

2, 3 - Расчётные данные для уровня вибрации V_Е = 10 мм/сек, V_Е = 1 мм/сек соответственно

На основе полученных динамических характеристик сделаны расчеты ожидаемого шума от вибрационного воздействия двигателя [11]. Сравнение ожидаемого шума и экспериментальных данных показывает не только хорошую сходимость уровня роторной гармоники вентилятора на разных режимах работы двигателя, но и указывает на возможность генерирования низкочастотных составляющих высокого уровня при эксплуатационном уровне вибрации двигателя (рис. 4).

Это подтверждено новейшими исследованиями на самолёте-демонстраторе QTD2 (В-777 с двигателями GE90-115В, степень двухконтурности которых равна 9), где низкочастотные составляющие возвышаются в общем спектре на 30-40 дБ (рис.5) [12].

Рис. 5. Снижение шума в передней части кабины в результате установки новых вибропоглощающих панелей воздухозаборника [12].

В связи с этим допустимые уровни инфразвука на рабочих местах операторов, (например, экипаж самолета), выполняющих работы различной степени интеллектуально-эмоциональной напряженности должны существенно ужесточиться, в соответствии с санитарными нормами [7].

Выводы

Вибрационный спектр турбовентиляторных двигателей, особенно большой двухконтурности, существенно расширяется со сдвигом в низкочастотную часть спектра, что и будет определять низкочастотную часть спектра шума в гермокабине.

Выбор силовой установки для самолётов нового поколения, кроме решения проблем внешнего шума, требует разработки высокоэффективной системы виброзащиты экипажа и пассажиров для поддержания комфортных условий и обеспечение безопасности полёта.

Основой системы виброзащиты должно стать виброизолирующее крепление двигателей разработанное с учётом реальных частотных характеристик планера и корпусов двигателей самолётов нового поколения.

Литература

1.Parke R. r. “Engine technologies for future aircraft noise reduction - The Rolls-Royce Vision”. International Symposium: Which technologies for future aircraft noise reduction? // Proc., Arcachon, France, 9-11 October, 2002.

2.Бакланов В.С.. Виброакустика самолетов нового поколения с двигателями большой и сверхбольшой двухконтурности // Математическое модулирование, том 19, номер 7, 2007, с.27-38.

3.Alves- Pereira M., Castelo Branko M.S., Motylewski J., Pedrosa A., Castelo Branko N. Airflow - Induced Infrasound in Commercial Aircraft // INTER-NOISE 2001 The Hague, The Netherlands, August 2001.

4.Baklanov V., Zayakin A., Orlenko E., Postnov S.. “Expected vibroacoustical spectrum of high by-pass ratio power plant”. // Proc. Condition Monitoring 2005, 18th - 21st July, King's College Cambridge.

5.Alves-Pereira M., Proc. of 11th International Congress on Sound and Vibration, St. Petersburg, Russia, 5-8 July 2004.

6.«Гигиена и эпидемиология на транспорте», Санитарные правила и нормы, СанПиН 2.5.1.051-96 Госкомсанэпиднадзор России, М., 1996

7.Санитарные нормы СН 2.2.4/2.1.8.583-96 Минздрав России, М. 1997.

8.Baklanov V.S. Low-frequency vibroisolation mounting of power plants for new generation airplanes with engines of extra-high bypass ratio // J. of Sound and Vibration, 2007, V. 308, No. 3-5, p. 709-720.

9.Агафонов В.К., Бакланов В.С., Вуль В.М., Попков В.И., Попов А.В. . Исследование динамических и виброакустических характеристик самолета и двигателя методом тарированного тестирования. Доклады VIII конференции по аэроакустике, ЦАГИ, М., 1990, с.141-144.

10.Baklanov V.S., Vul B.M. Vibration Isolation of Aviation power plants Taking into account real dynamic characteristics of engine and aircraft//Proc. Second International Congress on Recent Developments in Air- and Structure-Borne Sound and Vibration, Auburn University, USA, March 4-6, 1992

11.Baklanov V., Zayakin A., Orlenko E., Postnov S.. The calculation of structural noise in cabin for aircraft with high-by-pass ratio engines. // Proc. of 11^th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, Monterey, California, May 23-25 2005, AIAA 2005-3034, pp. 1-

12.Nesbitt E., Jia Yu and all, “Quiet Technology Demonstrator 2 Intake Liner Design and Validation” // 12th AIAA/CEAS Aeroacoustic Conference, 8-10 May, 2006, Cambridge, Massachusetts.

Размещено на Allbest.ru