СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ШУМА ВЫХЛОПНОЙ СТРУИ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2005 года по МПК F02K1/34 

Предлагаемое изобретение относится к способам уменьшения шума выхлопной затопленной струи двигателя, преимущественно газотурбинного.

Известен способ уменьшения шума струи газотурбинного двигателя (ГТД), при котором вокруг выхлопной струи на некотором расстоянии от нее подают смесь мыльной воды и воздуха [Патент США №3442350, МПК F 01 N 1/04, опубл. 06.05.69 г.].

Недостатком этого способа является низкая эффективность снижения шума, т.к. в этом случае смесь воды и воздуха в виде пены является для выхлопной струи лишь акустическим экраном и практически не снижает интенсивность вихрей в выхлопной среде и не воздействует на источник шумообразования. При использовании способа уменьшения шума струи с помощью пенного экрана требуются большие расходы воды и мыльных реагентов для образования пены, что не приемлемо для авиационных ГТД по массогабаритным ограничениям. Из литературы известно, что для сопла диаметром 25,4 мм расход пены достигал 0.315 кг/сек (Manson Lidia, Burge H.L.Jet-moise reduction through liquid-base foam injection. “J.Acoust.Soc. Amer., 1971, 50 N 4 Part 1, 1067-1074 (англ)”. Кроме того, пенный экран невозможно удержать вокруг сопла ГТД на самолете при его движении по взлетно-посадочной полосе, на взлете или в полете.

Также известен способ уменьшения шума выхлопной струи ГТД, включающий подачу струи рабочего тела, в качестве которого используют жидкость, в ограниченную зону выпуска выхлопной струи под углом к ее оси [Патент США №3815356, МПК В 63 h 11/00, опубл. 10.03.71 г.].

Недостатком этого способа также является его низкая эффективность и увеличенный расход жидкости. Это объясняется тем, что формируемым в выхлопной струе вихрям необходимо сообщать противоположные импульсы и таким образом обеспечивать снижение скорости вращения и размеров вихрей, что ведет к снижению генерируемого вихрями шума. Величина передаваемого или генерируемого противоположного импульса зависит от угла подачи струи рабочего тела и его вязкости. Кроме того, добиться уменьшения шума выхлопной струи можно увеличением зоны, в которую подают струю рабочего тела. В данном решении выбор оптимального угла подачи струи рабочего тела, использование рабочего тела с различной вязкостью и увеличение зоны подачи не предусмотрены.

Технической задачей, на которую направлено изобретение, является повышение эффективности снижения шума выхлопной струи ГТД и сокращение относительного расхода рабочего тела на каждый децибел снижения шума за счет выбора оптимального угла подачи струи рабочего тела, изменения вязкости рабочего тела, а также увеличения зоны, в которую подают струю рабочего тела.

Поставленная задача решается тем, что в способе уменьшения шума выхлопной струи ГТД, включающем подачу струи рабочего тела, например жидкости или газа, в ограниченную зону выпуска выхлопной струи, струю рабочего тела подают под углом к оси выхлопной струи.

Новым в предлагаемом изобретении является то, что струю рабочего тела подают предварительно под различными углами к оси выхлопной струи, которые изменяют последовательно, и измеряют уровень шума, соответствующий каждому из этих углов. Затем выбирают угол подачи, соответствующий минимальному уровню шума, и в дальнейшем производят подачу струи рабочего тела под этим углом.

В предлагаемом способе в качестве рабочего тела можно использовать жидкости или газы с различной вязкостью.

Для получения наибольшего эффекта после определения угла подачи, соответствующего минимальному уровню шума, зону подачи рабочего тела увеличивают путем изменения напора струи рабочего тела.

На прилагаемом чертеже изображена схема, иллюстрирующая предлагаемый способ уменьшения шума выхлопной струи ГТД, где 1 - выхлопная струя ГТД, выходящая из реактивного сопла 2, форсунки 3, подающие струю 4 рабочего тела под углом 5 к оси симметрии 6 выхлопной струи 1, вихри 7, образующиеся на границе затопленной выхлопной струи 1 двигателя (стрелками показано направление вращения вихрей), 8 - емкость (бак) с рабочим телом (жидкостью), 9 - измеритель-индикатор шума.

Способ реализуется следующим образом.

Шум генерируется вихрями 7, образующимися на границе затопленной реактивной струи 1. Вихри 7 образуются из-за того, что среда, в которую истекает струя 1, имеет меньшую скорость, чем струя 1. Размеры вихрей 7 и их интенсивность зависят от геометрических размеров сопла 2, скорости истечения струи 1, вязкости среды и прочего. Чем мельче вихри, тем выше частота излучения шума. Каждый вихрь является самостоятельным излучателем. Совокупность вихрей создает вокруг сопла сложную интерференционную картину излучения. Чем больше интенсивность (скорость вращения) вихрей 7, тем сильнее уровень шума. Наиболее сильными фактором, влияющим на уровень шума, является разность скорости истечения и спутного потока (скорости полета).

Снижение (демпфирование) интенсивности вихрей достигается за счет того, что в выхлопную струю 1 ГТД, выходящую из реактивного сопла 2, из форсунок 3 подают струю 4 рабочего тела под углом 5 к оси 6 выхлопной струи 1 в область вихревого движения 7. Струю 4 рабочего тела последовательно подают под различными углами 5 к оси симметрии 6 струи 1 и измерителем (индикатором) 9 определяют уровень шума, соответствующий каждому из углов. Угол 5 подачи струи рабочего тела изменяют путем поворота форсунок 3 вокруг своей оси. Изменением угла 5 добиваются максимального эффекта в сообщении вихрю демпфирующего импульса.

После определения угла 5 подачи струи 4 рабочего тела, соответствующего минимальному уровню шума, зону подачи струи 4 за реактивным соплом 2 увеличивают путем увеличения давления рабочего тела в баке 8 (при насосной подаче рабочего тела увеличивают производительность насоса), добиваясь снижения шума до допустимого предела.

В качестве рабочего тела могут быть использована вода, глицерин или другая жидкость, в том числе многокомпонентная.

При использовании в качестве рабочего тела жидкости энергия, необходимая для осуществления вращения газового потока, снижается из-за ее отбора на парообразование вводимой в вихрь жидкости.

Кроме жидкости можно использовать пар водяной, воздух, азот и др.

Все они имеют различную вязкость (см. таблицу).

Динамическая вязкость рабочего тела

Рабочее телоμ·10⁷ Н·с/м²Вода2880Пар водяной122Воздух (азот)≈55

Изменением вязкости рабочего тела также можно влиять на интенсивность вихрей 7. Это объясняется тем, что на их образование (закрутку вихрей) в вязкой среде (за счет ввода вязкой жидкости в область образования вихря) требуется большее количество энергии.

Предлагаемый способ позволяет находить угол подачи рабочего тела, обеспечивающий максимальное снижение шума. Кроме того, использование рабочего тела с различной вязкостью позволяет регулировать отбор энергии от выхлопной струи, идущей на образование вихрей.

Приближенные расчеты показывают, что для обеспечения взлета двигателя типа Д30 КУ/КП/КУ-154 необходим запас жидкости 20... 50 литров для подавления шума в процессе взлета самолета при работе двигателей на взлетном (максимальном) режиме. Перед последующим взлетом самолета запас жидкости возобновляют путем дозаправки бака.

Способ уменьшения шума выхлопной струи газотурбинного двигателя включает подачу струи рабочего тела, например жидкости или газа, в ограниченную зону выпуска выхлопной струи под углом к ее оси. Струю рабочего тела предварительно подают под различными углами к оси выхлопной струи, которые изменяют последовательно, измеряют уровень шума, соответствующий каждому из углов, выбирают угол подачи, соответствующий минимальному уровню шума, и в дальнейшем производят подачу струи рабочего тела под этим углом. Изобретение повысит эффективность снижения шума выхлопной струи газотурбинного двигателя и сократит относительный расход рабочего тела на каждый децибел снижения шума. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ уменьшения шума выхлопной струи газотурбинного двигателя, включающий подачу струи рабочего тела, например жидкости или газа, в ограниченную зону выпуска выхлопной струи под углом к ее оси, отличающийся тем, что струю рабочего тела предварительно подают под различными углами к оси выхлопной струи, которые изменяют последовательно, измеряют уровень шума, соответствующий каждому из углов, выбирают угол подачи, соответствующий минимальному уровню шума, и в дальнейшем производят подачу струи рабочего тела под этим углом.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после определения угла подачи струи рабочего тела, соответствующего минимальному уровню шума, зону подачи жидкости увеличивают за счет увеличения напора жидкости.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используют жидкости или газы с различной вязкостью.