Что такое газогенератор турбореактивного двигателя

Анализ шума авиационного двигателя посредством имитационного моделирования

На протяжении многих лет снижение шума авиадвигателя было приоритетной задачей для авиационной промышленности. Конечно, минимизация излучения шума требует понимания шума двигателя. Эта задача может стать достаточно трудной из-за сложной природы авиационных систем и конфигураций. Мы используем модель трубы авиационного двигателя для более глубокого рассмотрения акустического поля в авиационных двигателях.

Что же это за шум?

Отправляясь в аэропорт или проезжая мимо него, вы, вероятно, могли наблюдать, как самолет, готовясь к посадке, летит прямо над головой. Чаще всего мы восхищаемся видом авиалайнера, летящего так низко над землей, но кое-что еще привлекает внимание. Это звук, который производит самолёт. Мы видим его перед приземлением в течение одного короткого мгновения, а представьте, каково это жить неподалёку от аэропорта и слышать этот звук время от времени в течение дня. С этой точки зрения понятно, почему проблема авиационного шума стала такой распространённой темой для беспокойства.

С тех пор как это стало общественной проблемой в 60-х годах 20-го века, новые постановления и изыскания привели к разработке более тихого самолёта. Одним конструктивным элементом, который оказался успешным в рамках этого процесса, стал турбореактивный двигатель с высокой степенью двухконтурности. Особенность этих используемых в большинстве самолётов двигателей — это вентилятор, который захватывает поступающий воздух. По мере того как воздух проходит через вентилятор, часть поступает в камеру сгорания, а оставшаяся часть обтекает двигатель. По сравнению с предшествовавшим турбореактивным двигателем, в котором весь воздух проходит через газогенератор, турбовентиляторный двигатель создает меньше авиационного шума, а также обеспечивает более сильную тягу на низких скоростях.

Турбовентиляторный двигатель CFM56. (“CFM56 P1220759” автор David Monniaux. Лицензировано Creative Commons Атрибуция – На тех же условиях 3.0, с помощью Викисклада).

С этой улучшенной технологией двигателя следующим шагом становится анализ акустического поля турбовентиляторного двигателя в качестве попытки оптимизировать его конструкцию. Для этого мы можем начать имитацию.

Моделирование шума авиационного двигателя

Для анализа шума авиадвигателя мы можем использовать модель потока в контуре двигателя в пакете COMSOL Multiphysics. Особенность этой модели — аксиально симметричная труба внутри турбовентиляторного двигателя. Это приближенная модель впускной камеры турбовентиляторных двигателей линейки CFM56 (эти двигатели достаточно часто используются в авиалайнерах). В этом примере предполагается, что поток воздуха является сжимаемым, безвихревым, невязким и имеет постоянную энтропию. При моделировании с линеаризованными уравнениями потенциального потока акустическое поле выглядит как возмущения на поверхности фонового потока. С учётом этого поля давления и скорости связаны напрямую и выводятся из так называемого потенциала скорости.

Геометрия контура.

В этой модели z = 0 это исходная плоскость и местоположение вентилятора в реальной конфигурации двигателя. Источник шума находится на этой границе. В то же время z = L представляет собой носовое окончание двигателя и известно как плоскость впуска. Переменные R₁ и R₂ показывают контуры обтекателя и стенки воздуховода.

В этом исследовании мы моделируем случаи со сжимающимся вихревым фоновым потоком и без него. С числом Маха M = -0.5 (поток в отрицательном z направлении) и M = 0 (нет потока), соответственно. В ходе анализа также сравнивается применение твёрдой и морщинистой стенок внутри контура двигателя.

Результаты

В первую очередь модель решает фоновый поток, предполагается, что он стационарный. В таком случае подходящий акустический источник получен (дан распространяющийся нормальный режим). Наконец акустическое поле найдено.

Для случая со средним фоновым потоком (M = -0.5) было обнаружено, что потенциал скорости постоянный за пределами терминальной плоскости (контурные линии на иллюстрации ниже). Кроме того, отклонения в значении средней плотности (из-за того, что воздушного поток сжимающийся) наиболее распространились в неоднородных зонах геометрии воздуховода. Таких, как верхушка обтекателя. Эти отклонения выделены красным и синим цветами на рисунке ниже.

Иллюстрация поля среднего потока для исходной плоскости M = -0.5. Цветные поверхности соответствуют фоновой плотности и контурные участки потенциалу скорости.

Теперь, используя эти результаты, мы можем вычислить нормальные режимы для акустического поля в источнике шума. С этим можно представить определенную составляющую источника шума двигателя на данной частоте. График ниже отображает итоговый контур потенциала скорости для первого осевого граничного режима в исходной плоскости при M = -0.5 и M = 0.

График показывает итоговый контур потенциала скорости для самого тихого режима.

Когда у нас уже есть фоновый поток и источник, задача акустического поля может быть решена. Результаты (ниже) можно сравнить с результатами для аналогичной системы, описанной авторами Rienstra и Eversman (2001).

В случаях без фонового потока, распределения акустического давления для обеих (твёрдой и морщинистой) стенок были хорошо соотносились с результатами полученными Rienstra и Eversman. В случае со средним потоком и твёрдой стенкой результаты хорошо сочетаются с другими решениями. Как бы то ни было, в случае морщинистой стенки появилось несколько заметных несовпадений, а именно рядом с исходной плоскостью. Эти отличия можно объяснить расхождением в определении источника шума. В этой модели, режим источника был получен для случая твёрдой стенки трубы, в то время как в сравниваемых результатах моделирования использовался источник шума адаптированный к акустической подложке.

Распределение давления в акустическом поле для твёрдой (верхней) и морщинистой (нижней) стенки трубы в случаях без слабого потока (M = 0).

Распределение давления в акустическом поле для твёрдой (верхней) и морщинистой (нижней) стенки трубы в случаях со средним потоком (M = -0.5).

Модель, представленная тут, очень концептуальна, но она может быть потенциально расширена для большего количества сложных ситуаций. Моделируя эти системы, возможно оптимизировать форму определенных частей контура двигателя и основных свойств, чтобы уменьшить распространение звука. Такая оптимизация должна конечно идти рука об руку с контролем свойств потока для того чтобы не ухудшать производительность двигателя.