УСИД: ЧТО ЭТО ТАКОЕ?

ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова": Виктор Милешин, начальник отделения, д.т.н.
Юрий Халецкий, начальник сектора, д.т.н.
Роллан Шипов, главный научный сотрудник, д.т.н.

Для современных самолетов гражданской авиации глушение шума вентилятора с помощью акустической обработки каналов ТРДД является обязательным. Испытание, подтверждающее эффективность применяемых звукопоглощающих конструкций (ЗПК), - неотъемлемая часть проектирования глушителя шума вентилятора ТРДД.

Из всех усовершенствований, которые имели место в ТРДД за последние тридцать лет, половину снижения шума дало применение звукопоглощающей акустической облицовки в каналах силовой установки. Обычно, при правильном проектировании, ЗПК в воздухозаборнике обеспечивают снижение шума на 5 ЕPN дБ. Облицовка выхлопных каналов ТРДД - горячего и холодного - дает в 2 раза большее снижение шума. Если учесть, что пригодные для размещения ЗПК площади в ТРДД весьма ограничены, а звукопоглощающие конструкции должны быть легкими и надежно работать в предельно неблагоприятной окружающей среде (широкий диапазон температур, высокие скорости потока, присутствие влаги), то по акустическим меркам этот результат следует без преувеличения признать чудом.

К сожалению, стоимость изготовления и испытания комплекта звукопоглощающих конструкций для натурного двигателя является очень высокой, и при проектировании и испытании глушителя редко предоставляется роскошь выполнения более одной попытки перед его внедрением в серийное производство.

Казалось бы, можно перенести такие исследования на модельные компрессорные стенды, в особенности, на специализированные компрессорные стенды, снабженные акустическими измерительными камерами - заглушенными или реверберационными. В большинстве таких установок модельный вентилятор располагается у одной из стен акустической камеры, чтобы его привод оказался в соседнем помещении. Это позволяет снизить шум помех. В результате такие установки позволяют изучать либо шум, излучаемый из воздухозаборника вперед, либо шум, излучаемый из сопла вентилятора назад (при установке вентилятора с выхлопом в камеру). Однако эксперименты показывают, что в результате дифракции шум, излученный через воздухозаборник, распространяется не только в переднюю полусферу, но и назад, а шум, излученный из сопла, частично распространяется и в переднюю полусферу. По этой причине такие модельные испытания ЗПК на компрессорных стендах не обеспечивают акустического моделирования реального акустического поля вентилятора ТРДД.

Чтобы избежать этих недостатков, нужно испытывать уменьшенную модель вентилятора сразу с воздухозаборником, наружным каналом и соплом наружного контура, одновременно измеряя все излучаемое вентилятором акустическое поле. Такого типа конструкцию модельного вентилятора называют универсальным стендовым имитатором двигателя (УСИД, в зарубежной практике такие устройства принято именовать "стендовыми имитаторами двигателя" - Universal Propulsion Simulator или UPS). Испытания модельных вентиляторов в системе УСИД можно проводить в безэховых аэродинамических трубах или в безэховых камерах, причем весь имитатор монтируется внутри акустической камеры. В проточной части имитаторов можно размещать исследуемые модельные звукопоглощающие конструкции. По данным, полученным NASA, испытание уменьшенной модели ЗПК может стоить от 150 до 250 тысяч долларов, в то время как эквивалентное испытание натурного двигателя может потребовать миллиона долларов или больше.

Еще в начале 90-х годов прошлого столетия фирмой "Пратт-Уитни" был изготовлен и испытан универсальный стендовый имитатор двигателя диаметром около 430 мм. Позднее фирмы "Пратт-Уитни" и "Дженерал Электрик" перешли на имитаторы диаметром около 560 мм. Вентилятор этого имитатора приводится во вращение технологической турбиной с выхлопом в окружающее пространство. Модельная мотогондола поддерживается с помощью силовой стойки.

В настоящее время в ЦИАМ изготавливается первый биротативный УСИД для испытания в заглушенной камере стенда Ц-3А. Этот УСИД также имеет диаметр 560 мм. Рабочие колеса имитатора приводятся в независимое противоположное вращение двумя турбинами.

Для УСИД диаметром 560 мм коэффициент моделирования ТРДД диаметром 2 м составляет 0,28, а для ТРДД диаметром 3 м - 0,19.

Поскольку испытания модельных вентиляторов диаметром 560 мм - дело достаточно обычное, вопросов, связанных с аэродинамическим моделированием, практически не возникает. Что касается акустического моделирования, то согласно стандарту ИКАО шум самолетов и авиадвигателей измеряется в диапазоне частот 50…10000 Гц. Для сохранения аэродинамического подобия при уменьшении размеров модели частоту вращения ее рабочего колеса увеличивают. В результате на аэродинамически подобных режимах рабочий диапазон частот на УСИД смещается в сторону высоких частот и достигает глубокого ультразвука. Поэтому испытания УСИД должны проводиться с использованием высокочастотной аппаратуры.

Сложнее обстоит дело с панелями ЗПК. Модельные однослойные перфорированные ЗПК на УСИД диаметром 560 мм при простом геометрическом моделировании должны иметь высоты 3…8 мм. Для сотовых перфорированных ЗПК предел их возможной миниатюризации составляет не менее 5…6 мм. Поэтому моделирование однослойных перфорированных ЗПК строительной высотой 10 мм с помощью однослойных перфорированных ЗПК меньшей строительной высоты оказывается практически невозможным.

К сожалению, сложности не ограничиваются только технологическими проблемами. Ключевым параметром для использования данных, полученных на модельной облицовке с целью проектирования и доводки натурных акустических ЗПК, является акустический импеданс ЗПК (импеданс - комплексное сопротивление). Однако у акустических панелей традиционной конструкции вследствие эффектов второго порядка непосредственно по геометрическому размеру и частоте акустический импеданс не моделируется.

Главное препятствие, остающееся на пути к успешному моделированию ЗПК в качестве инструмента проектирования натурных ЗПК, является способность измерять импеданс модельных ЗПК как при наличии сносящего потока, так и без него вплоть до самой высокой частоты, представляющей интерес для модели. Без надежных измерений нельзя определить, какому импедансу соответствует измеренное подавление звука на данной частоте в облицованном канале модельной установки. Для данных модельной и натурной ЗПК на соответствующих модельной и натурной частотах импеданс должен быть одинаковым. Если известен импеданс модельной ЗПК, ее проектирование является достаточно простым. Однако соответствующие аналитические модели расчета импеданса должны быть подтверждены экспериментами.

В последнее десятилетие применительно к вентиляторам ТРДД интенсивно развиваются методы моделирования ЗПК. В 1998-2003 гг. была выполнена исследовательская программа, главная цель которой состояла в совершенствовании методов, позволяющих использовать УСИД в качестве инструмента проектирования ЗПК.

Работа концентрировалась на создании методов, позволяющих расширить верхний предел частотного диапазона возможного применения методов расчета и измерения акустического импеданса модельных ЗПК. В прошлом верхний предел измерения импеданса натурных панелей ЗПК равнялся приблизительно 6 кГц. На первом этапе работы были развиты методы, позволяющие при нормальном падении звука расширить диапазон частот измерения импеданса в импеданс-трубе приблизительно до 13 кГц. Цель второго этапа исследования состояла в удвоении этой величины до 25 кГц для импеданса ЗПК при отсутствии сносящего потока. Была выполнена также оценка методов расширения до 12 кГц диапазона частот при измерениях импеданса с учетом сносящего потока. В программе использовались как аналитические, так и экспериментальные методы. В работе были рассмотрены только однослойные ЗПК либо с перфорированным листом, либо с "линейным" сеточным слоем сопротивления.
Пока же при испытании УСИД используется приемы приближенного моделирование звукопоглощающих конструкций. Эти приемы включают: корректировку модельных сотовых перфорированных ЗПК с целью обеспечения требуемого импеданса на некотором режиме работы вентилятора; применение линейных сеточных модельных ЗПК; применение широкополосных объемных модельных ЗПК.

Следует заметить, что ЗПК на основе металлической сетки находят некоторое применение в авиадвигателестроении. Однако широкому их использованию мешают эксплуатационные недостатки, связанные, в первую очередь, с быстрым загрязнением мелкоячеистой структуры сетки. Объемные же поглотители, включающие слои твердых или тонковолоконных пористых материалов, практически не применяются в серийных двигателях как по причине их быстрого загрязнения, так и вследствие выдувания тонковолоконного заполнителя. И линейные и объемные ЗПК обладают хорошими характеристиками звукопоглощения как по акустической эффективности, так и по широкополосности. При правильном подборе параметров таких ЗПК они могут достаточно точно смоделировать свойства модельных сотовых ЗПК для каждого из рабочих режимов натурного двигателя - взлетного, набора высоты и посадочного режима.

Применение УСИД позволяет исследовать эффект от применения каждой ЗПК по отдельности и любой их возможной комбинации на двигателе, а также с высокой степенью достоверности оценить влияние этих конструктивных доработок на реальном двигателе.