ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ДИАМЕТРА ВОЗДУШНОГО ВИНТА НА АКУСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ЛЕГКОГО САМОЛЕТА

Полный текст

Введение. Проблема установления методов снижения шума на местности легкомоторных самолетов общего назначения является актуальной в связи с действием и постоянным ужесточением национальных и международных норм на предельно допустимые уровни шума таких самолетов на местности [1; 2]. Другой аспект актуальности проблемы снижения шума винтомоторных силовых установок заключается в снижении степени акустической заметности малоразмерных беспилотных летательных аппаратов с винтомоторной силовой установкой, используемых для решения задач специального назначения. В зарубежных работах на сегодняшний день опубликованы следующие представления о влиянии диаметра на акустические характеристики воздушных винтов [3-5]. При увеличении диаметра винта нагрузка на лопасти уменьшается, что приводит к уменьшению гармонической составляющей шума от аэродинамической нагрузки. Поэтому увеличение диаметра приводит к снижению шума на взлетном режиме работы СУ. В то же время при низкой окружной скорости следует ожидать более высокий КПД у винта с увеличенным диаметром, и поэтому для заданной тяги требуется меньшая располагаемая мощность силовой установки. Увеличение диаметра винта может сочетаться с уменьшением окружной скорости в концевом сечении лопасти винта для более существенного снижения шума. В то же время подобные заключения справедливы при существенном изменении величины диаметра винта. Интересно рассмотреть ситуацию незначительного уменьшения или увеличения диаметра винта на 3-5 % и оценить при этом влияние диаметра винта на акустическое поле СУ при условии сохранения законов распределения по размаху лопасти основных геометрических параметров (хорда, крутка и толщина). Следует отметить, что при незначительном уменьшении диаметра необходимо незначительно увеличить шаг винта для обеспечения сохранения тяги на взлетном режиме работы СУ по сравнению с винтом большего диаметра. Условия выполнения оценки влияния диаметра винта на акустические характеристики СУ. Оценка влияния диаметра на акустические характеристики винта в настоящей работе выполняется при следующих условиях сравнения: - принцип равенства тяги сравниваемых винтов; - принцип сохранения аэродинамического подобия (квазипостоянство числа Рейнольдса на относительном радиусе лопасти (Re0,75)); - условие постоянства частоты вращения винтов. Ниже проводится оценка влияния диаметра винта на его акустические характеристики с помощью экспериментального и расчетного методов. Экспериментальный метод основан на сравнительном анализе измеренных в статических условиях акустических характеристик силовых установок ЛВС, отличающихся только диаметрами винтов и, соответственно, окружными скоростями при постоянной частоте вращения винтов. Расчетная оценка базируется на полуэмпирическом методе расчета шума воздушных винтов [6; 7]. Экспериментальное исследование влияния диаметра винта на энергетические характеристики акустического излучения СУ. Сравнительный анализ акустических характеристик винтов разного диаметра проводится на примере силовых установок двух легких винтовых самолетов МАИ-223М и F30. Общий вид самолетов представлен на рис. 1 и 2. Силовые установки самолетов МАИ-223М и F30 включают в себя поршневые двигатели ROTAX-912ULS, заключенные в капот, и тянущие трехлопастные воздушные винты фиксированного шага производства «КиевПроп» диаметрами 1,8 и 1,74 м соответственно [8; 9]. Уменьшение диаметра составляет ≈ 3,3 %. Законы распределения по размаху лопасти основных геометрических параметров (хорда, крутка и толщина) являются практически неизменными. Следует отметить, что шаг винта меньшего диаметра по данным разработчиков данных самолетов (ОСКБЭС МАИ) возрос до 1,3 в сравнении с 1,25 у винта большего диаметра. Незначительное увеличение шага винта необходимо для обеспечения сохранения неизменной тяги на взлетном режиме работы. Акустические испытания проведены для шести различных режимов работы силовых установок самолетов, определяемых частотой вращения коленвала двигателя. Данные о режимах работы двигателя ROTAX-912ULS представлены в таблице. Режимы работы двигателя во время испытаний № режима Частота вращения коленвала, об/мин 1 4000 2 4200 3 4400 4 4600 5 4800 6 5000 Рис. 1. Общий вид самолета МАИ-223М Рис. 2. Общий вид самолета F30 Рис. 3. Схема расположения точек измерения шума на дуге окружности радиусом 30 м Во время испытаний измерялось звуковое давление в 13-ти точках акустического поля, расположенных на дуге окружности радиусом 30 м и с шагом 15° (рис. 3). Центр окружности совпадал с проекцией втулки винта на земную поверхность. Направление 0° соответствовало излучению в переднюю полусферу в плоскости, проходящей через ось винта, а направление 90° соответствовало направлению излучения в плоскости диска винта. Измерительные точки располагались на уровне земной поверхности, что позволяло исключить влияние интерференции звука на измеряемые уровни шума. Для регистрации акустических измерений и последующей обработки данных использовалась измерительная система PORTABLE. Основные параметры регистрации сигнала на цифровом магнитофоне: частота квантования сигнала - 51200 Гц, протяженность записи на одном режиме - 30 с, регистрация полезного сигнала осуществлялась параллельно с 13-ти измерительных каналов. Обработка измеренного звукового давления включала в себя получение узкополосных спектров с шириной полосы 1,56 Гц в диапазоне частот 0-10000 Гц и третьоктавных спектров звукового давления в диапазоне частот 16-10000 Гц. Во время испытаний проводилось измерение параметров атмосферы (температуры, давления и относительной влажности), а также скорости и направления ветра. Поскольку диаметры у рассматриваемых винтов различаются незначительно (расхождение не превышает 3,5 %), то можно ожидать, что обобщенные пространственные и спектральные характеристики винтов на сходных режимах работы также будут близкими. Поэтому ниже представлены результаты анализа влияния диаметра винта только на энергетические характеристики акустического излучения силовой установки. Энергетический анализ акустического излучения силовой установки самолета выполнен на основании измеренных в 13-ти точках акустического поля третьоктавных и узкополосных спектров уровней звукового давления. Суммарный уровень звуковой мощности СУ, а также уровни звуковой мощности отдельных составляющих излучения воздушного винта рассчитывались в соответствии с соотношением [10]: (1) где R - расстояние от источника до точки измерения шума; φ - угол направления излучения и соответствующий ему уровень звукового давления L. На рис. 4 показаны для статических условий зависимости суммарных уровней звуковой мощности СУ самолетов МАИ-223М с винтом диаметром 1,8 м и F30 с винтом диаметром 1,74 м от режима работы СУ, характеризуемого частотой вращения воздушного винта. Можно видеть, что на сходственных режимах работы СУ суммарный уровень звуковой мощности СУ с винтом диаметром 1,8 м на ~1,5 дБ выше, чем суммарный уровень звуковой мощности СУ с винтом диаметром 1,74 м, и это соотношение справедливо для всех рассматриваемых режимов. На рис. 5 представлены зависимости уровней звуковой мощности излучения на частотах, кратных частоте следования лопастей винта (LW1в, LW2в, LW3в), а также уровней суммарной звуковой мощности первых шести гармоник шума вращения винта (LW1-6в) от режима работы СУ при различных значениях диаметра винта. Рис. 4. Снижение суммарного уровня звуковой мощности винта при уменьшении его диаметра при условии сохранения неизменными тяги и частоты вращения при различных режимах работы СУ а б в г Рис. 5. Снижение суммарного уровня звуковой мощности отдельных составляющих излучения воздушного винта при уменьшении его диаметра при условии сохранения неизменными тяги и частоты вращения при различных режимах работы СУ: а - уровни звуковой мощности излучения на частоте 1-й гармоники шума вращения винта, LW1в; б - уровни звуковой мощности излучения на частоте 2-й гармоники шума вращения винта, LW2в; в - уровни звуковой мощности излучения на частоте 3-й гармоники шума вращения винта, LW3в; г - уровни суммарной звуковой мощности первых шести гармник шума вращения винта, LW1-6в Можно видеть (рис. 5, а, в), что при данных условиях сравнения уменьшение диаметра приводит к уменьшению уровней звуковой мощности излучения на частоте первой и третьей гармоник шума вращения на 0-2 и 1-5 дБ соответственно, в зависимости от режима работы СУ. При этом уменьшение уровня звуковой мощности излучения на частоте второй гармоники шума вращения винта составляет 4 дБ, и это соотношение справедливо во всем диапазоне рассматриваемых режимов работы (рис. 5, б). В то же время уменьшение суммарного уровня звуковой мощности первых шести гармоник шума винта составляет 1-2 дБ (рис. 5, г), что свидетельствует о доминирующей роли первой гармоники в гармонической составляющей шума вращения винта. На рис. 6 рассмотрены графики изменения уровней звуковой мощности широкополосного высокочастотного излучения в диапазоне частот 1000-5000 Гц силовых установок самолетов МАИ-223М и F30 при различных режимах работы СУ. Можно видеть, что у самолета АИ-223М суммарные уровни звуковой мощности широкополосного излучения превышают на 1,5-4 дБ соответствующие уровни звуковой мощности самолета F30. Возможно, что доминирующим источником широкополосного акустического излучения в случае СУ самолета МАИ-223М является обтекание воздухозаборника радиатора двигателя индуктивным потоком от винта, габариты которого заметно больше, чем у самолета F30 (см. рис. 1 и 2). Рис. 6. Снижение суммарного уровня звуковой мощности широкополосного излучения (1000-5000 Гц) воздушного винта при уменьшении его диаметра при условии сохранения неизменными тяги и частоты вращения при различных режимах работы СУ Ранее было показано [11-15], что среди основных источников шума воздушного винта выделяется так называемый шум вращения, источником которого является действующая на лопасть винта аэродинамическая нагрузка, шум, обусловленный вытеснением среды телом лопасти, а также шум вихревого происхождения, одним из источников которого является турбулентный след за лопастями. В шуме винтомоторной СУ самолета, помимо винта и двигателя, может иметь место дополнительный источник акустического излучения, связанный с обтеканием индуктивным потоком от винта элементов конструкции планера самолета (например, обтекание воздухозаборника радиатора (см. рис. 1)). Сравнение уровней звуковой мощности высокочастотного широкополосного излучения (1000-5000 Гц) СУ самолетов МАИ-223М и F30, имеющих аэродинамически подобные винты разного диаметра, показало, что различие в уровнях звуковой мощности может быть связано не только с различием в диаметрах винтов, но и с наличием дополнительных источников генерации шума, связанных с компоновкой винтомоторной силовой установки. Расчетная оценка влияния диаметра винта на его звуковую мощность. Ранее при анализе полуэмпирической модели шума винта [6; 7; 14] было установлено, что мощность акустического излучения малонагруженного воздушного винта, у которого доминирующими являются источники дипольного типа от аэродинамической нагрузки, пропорциональна числу Маха характерной скорости обтекания профиля лопасти в восьмой степени квадрату коэффициента тяги винта α2 и коэффициенту мощности β: (2) где c1 - эмпирический коэффициент пропорциональности; d - диаметр винта, м; a - максимальная толщина аэродинамического профиля винта на эффективном радиусе, м; - относительный радиус винта; c0 - скорость звука, м/с; z - число лопастей; bэ - хорда лопасти в эффективном сечении, м; ρ - плотность воздуха, кг/м3; n - частота вращения воздушного винта, об/с. Отметим, что винты рассматриваемых самолетов являются геометрически и аэродинамически подобными, а режимы их работы соответствуют автомодельным режимам. В этом случае, используя выражение (2), можно оценить влияние диаметра на звуковую мощность гармонической составляющей шума вращения воздушного винта от аэродинамической нагрузки. Основным условием сравнения акустических характеристик двух винтов является равенство их тяг на сходственных режимах работы, т. е.: (3) У винта самолета F30 при меньшем диаметре d1 шаг увеличен на 4 %, и, следовательно, выше значение коэффициента тяги, т. е. α1 > α2. Если допустить, что в соотношении (3) увеличение шага винта самолета F30 на 4 % полностью компенсируется соответствующим уменьшением диаметра на 3,3 %, то при равенстве частот вращения n2 = n1 число Маха окружной скорости винта самолета F30 также уменьшится на 3,3 %. В этом случае, в соответствии с соотношением (2), для составляющей шума вращения винта от аэродинамической нагрузки отношение мощностей акустического излучения винтов самолетов МАИ-223М и F30 будет равно: (4) При условии, что малое изменение диаметра не влечет за собой заметного изменения пространственных и частотных характеристик акустического излучения винта, ожидаемое расчетное изменение уровня интенсивности шума за счет изменения диаметра винта и соответствующего изменения окружной скорости при условии постоянства частоты вращения винтов (n1 = n2) и тяги будет равно: (5) где - окружные скорости сравниваемых винтов. После подстановки в выражение (5) значений диаметров воздушных винтов самолетов МАИ-223М (d1 = 1,8 м) и F30 (d2 = 1,74 м) и окружных скоростей получим, что для рассматриваемых условий сравнения ожидаемое расчетное снижение уровня звуковой мощности составляющей шума вращения от аэродинамической нагрузки винта самолета F30 по сравнению с винтом самолета МАИ-223М составляет ~1,2 дБ. Эффект снижения шума вращения винта от аэродинамической нагрузки при постоянстве частоты вращения за счет уменьшения диаметра заключается, по-видимому, в снижении интенсивности шума источников дипольного типа за счет уменьшения окружной скорости (в общем случае интенсивность шума диполя пропорциональна окружной скорости винта в шестой степени), а также, возможно, за счет некоторого смещения точки приложения равнодействующей аэродинамической нагрузки ближе к втулке винта непосредственно вследствие уменьшения диаметра. Экспериментально установленное снижение суммарного уровня звуковой мощности силовой установки самолета F30 по сравнению с винтом самолета МАИ-223М (см. рис. 4) составляет ~1,5 дБ. Расчетное значение снижения шума винта за счет уменьшения диаметра и соответствующего уменьшения окружной скорости несколько ниже полученного в эксперименте. Это, возможно, связано с тем, что в расчетной оценке не учитывалась роль составляющей шума вращения винта от «вытеснения». Заключение. Мощность акустического излучения СУ легкого винтового самолета с тянущим винтом зависит от интенсивности акустического излучения винта двигателя и от аэродинамической компоновки агрегатов двигателя. Для самолета F30 значительное снижение суммарного уровня звуковой мощности силовой установки по сравнению с СУ самолета МАИ-223М на величину до 1,5 дБ при прочих равных условиях объясняется снижением шума винта от аэродинамической нагрузки. При этом расчетное ожидаемое снижение уровня звуковой мощности гармонической составляющей шума вращения винта от аэродинамической нагрузки, связанной с уменьшением диаметра винта на 0,06 м и соответствующим уменьшением окружной скорости в концевом сечении лопасти винта, при постоянной частоте вращения винта составляет 1,2 дБ. Некоторое расхождение расчетных и экспериментальных данных объясняется, возможно, тем, что при расчетной оценке не учитывалась роль составляющей шума винта от «вытеснения». Таким образом, применение на самолете МАИ-223М воздушного винта меньшего диаметра по сравнению со штатным можно рассматривать как конструктивный способ снижения шума на местности данного самолета. При этом необходимо учитывать также влияние компоновки агрегатов двигателя на генерацию широкополосного акустического излучения СУ в целом. На основании полуэмпирической модели шума винта получено соотношение для определения влияния диаметра винта на уровень звуковой мощности СУ при условии геометрического, аэродинамического подобия винтов и постоянстве частоты вращения.

Об авторах

П. А. Мошков

Центральный аэрогидродинамический институт имени проф. Н. Е. Жуковского

Email: moshkov89@bk.ru
Российская Федерация, 140180, г. Жуковский, Московская область, ул. Жуковского, 1

В. Ф. Самохин

Центральный аэрогидродинамический институт имени проф. Н. Е. Жуковского

Российская Федерация, 140180, г. Жуковский, Московская область, ул. Жуковского, 1

Список литературы

Дополнительные файлы