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        航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)噪聲傳播特性及影響因素分析研究

        2022-01-17 14:39:50李存陳志龍
        內(nèi)燃機(jī)與配件 2022年2期

        李存 陳志龍

        摘要:航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中,系統(tǒng)性地開(kāi)展試車(chē)臺(tái)噪聲傳播特性及影響因素分析研究,優(yōu)化試車(chē)臺(tái)聲學(xué)設(shè)計(jì),對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)過(guò)程中噪聲的有效控制起著至關(guān)重要的作用。本文重點(diǎn)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源的特性進(jìn)行分析,綜合考慮試車(chē)臺(tái)噪遠(yuǎn)場(chǎng)聲傳播過(guò)程的影響因素,最終給出試車(chē)臺(tái)降噪需求,并探討了航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)聲學(xué)設(shè)計(jì)的要點(diǎn),為優(yōu)化試車(chē)臺(tái)聲學(xué)設(shè)計(jì)方案提供參考。

        Abstract: In the process of test cell design, systematically developing the noise propagation characteristic and related effect factors and optimizing the acoustic design are crucial to realize the effective noise control during the aero-engine running. As key points, the aero-engine noise source characteristic and propagation process in far field are analysed, and the noise reduction requirement is carried out, besides, the major concerns in the aero-engine acoustic design are expounded, to provide the support for test cell acoustic design.

        關(guān)鍵詞:航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái);噪聲傳播特性;噪聲傳播影響因素

        Key words: aero-engine test cell;noise propagation characteristics;noise propagation effect factors

        中圖分類(lèi)號(hào):V263.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào):1674-957X(2022)02-0042-03

        0 ?引言

        隨著航空事業(yè)的不斷發(fā)展與進(jìn)步,航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)建設(shè)過(guò)程中越來(lái)越重視噪聲控制問(wèn)題。從上世紀(jì)60年代起,國(guó)外便開(kāi)始對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)噪聲控制開(kāi)展了系統(tǒng)性研究[1],國(guó)內(nèi)相關(guān)研究起步較晚,直至1994年以后,國(guó)內(nèi)才開(kāi)始陸續(xù)開(kāi)展對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試車(chē)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲特性分析與研究。黃晶晶、王娜等過(guò)對(duì)試車(chē)臺(tái)聲環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量獲取試車(chē)臺(tái)降噪效果評(píng)估[2]。近些年國(guó)內(nèi)新建大量的航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái),在試車(chē)臺(tái)設(shè)計(jì)之初對(duì)試車(chē)臺(tái)噪聲源進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估,開(kāi)展降噪需求與傳播特性分析,以便有針對(duì)性地開(kāi)展試車(chē)臺(tái)聲學(xué)設(shè)計(jì)工作。本文基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)在試車(chē)臺(tái)內(nèi)的噪聲源特性,重點(diǎn)分析航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)噪聲傳播特性,闡述了開(kāi)展試車(chē)臺(tái)降噪需求分析的方法與思路,為建立系統(tǒng)化的航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)聲學(xué)設(shè)計(jì)體系提供思路與參考。

        1 ?建立參考試車(chē)臺(tái)模型

        1.1 假設(shè)條件

        本文以“U”型試車(chē)臺(tái)為例,相關(guān)假設(shè)條件如下:

        ①“U”型試車(chē)臺(tái),垂直進(jìn)氣塔和排氣塔位于試車(chē)間的兩側(cè),結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示;

        ②進(jìn)氣塔、排氣塔以及試車(chē)間具有相同的截面尺寸;

        ③進(jìn)氣塔和排氣塔處的消音元件阻塞比為1/2;

        ④試車(chē)間允許的最高氣流速度為15m/s;

        ⑤最高允許的排氣溫度為250℃,此溫度下對(duì)應(yīng)的排氣流速低于消音元件的氣流沖刷腐蝕點(diǎn)。

        1.2 確定試車(chē)間截面積

        某型大涵道比民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)氣動(dòng)參數(shù)如表1所示。

        其中,

        N1R——發(fā)動(dòng)機(jī)低壓相對(duì)換算轉(zhuǎn)速;

        N1——發(fā)動(dòng)機(jī)低壓換算轉(zhuǎn)速;

        mj——內(nèi)涵噴管出口氣流流量;

        mb——外涵噴管出口氣流流量;

        Tj——內(nèi)涵噴管喉部氣流總溫;

        Tb——外涵噴管喉部氣流總溫。

        根據(jù)能量守恒公式,得流經(jīng)試車(chē)間的總流量mt為:

        式中:Tm為內(nèi)涵噴管與外涵噴管混合氣流溫度,T0為試車(chē)間溫度,取288K;Tf引射筒進(jìn)口溫度,取333K。

        試車(chē)間橫截面積為:

        式中:?籽0為流經(jīng)進(jìn)氣塔的空氣密度,常溫下?籽0=1.18kg/s;V0為流經(jīng)試車(chē)間截面的空氣流速,不大于15m/s。

        經(jīng)計(jì)算得,mt=1092kg/s,試車(chē)間有效流通面積為s0>61.7m2,進(jìn)排氣塔的消音元件的堵塞比為1/2,故總的橫截面積應(yīng)為S=2S0?叟123.4m2,考慮一定設(shè)計(jì)裕度并取整,得參考試車(chē)臺(tái)的橫截面積為12m×12m。

        2 ?試車(chē)臺(tái)噪聲源特性分析

        某型大涵道比民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)在自由聲場(chǎng)下的前傳噪聲聲功率PWL前傳和后傳噪聲聲功率PWL后傳分別如圖2所示。

        當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)位于試車(chē)臺(tái)內(nèi)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)與引射筒相對(duì)位置、試車(chē)間截面尺寸等因素會(huì)對(duì)噪聲傳播產(chǎn)生一定影響,試車(chē)間內(nèi)噪聲源聲壓級(jí)SPLex可通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源聲功率獲得[3]。排氣塔入口噪聲源聲壓級(jí)可表達(dá)如下:

        式中:PWL后主為自由聲場(chǎng)下的后傳噪聲聲功率級(jí);Aex為排氣消音系統(tǒng)入口截面積。

        試車(chē)間區(qū)域的噪聲源聲壓級(jí)SPLin可表達(dá)如下:

        式中: Ain試車(chē)間區(qū)域截面積;C 試車(chē)間聲壓級(jí)經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)。

        3 ?試車(chē)臺(tái)噪聲遠(yuǎn)場(chǎng)傳播影響因素

        3.1 距離傳播損失K

        試車(chē)臺(tái)進(jìn)氣塔或排氣塔塔口噪聲傳播可看作半球輻射傳播,距離傳播損失K可表式為:

        當(dāng)受聲點(diǎn)距聲源的距離r滿足以下條件時(shí),可看作遠(yuǎn)場(chǎng)傳播[5],

        其中為傳播噪聲的波長(zhǎng);l為聲源的特征長(zhǎng)度。

        3.2 指向性修正值DI

        試車(chē)臺(tái)噪聲通過(guò)進(jìn)排氣塔遠(yuǎn)場(chǎng)傳播時(shí)具有一定的指向性,指向性修正值可表述為

        式中:SPLav為距聲源r處的平均聲壓級(jí),SPL(r,?覫,?茲)為距離聲源r處某高度角和方位角處的聲壓級(jí)。

        不同試車(chē)臺(tái)進(jìn)氣塔和排氣塔出口的指向性修正曲線(基于不同方向角的平均值)分別如圖3和圖4所示。

        指向性修正值直接與試車(chē)臺(tái)塔口尺寸和受聲點(diǎn)的相對(duì)位置相關(guān),開(kāi)展試車(chē)臺(tái)聲學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)需預(yù)留3dB~5dB設(shè)計(jì)裕度。

        3.3 大氣吸收效應(yīng)

        聲波在大氣中傳播時(shí),因空氣的粘滯性和熱傳導(dǎo),一部分聲能被轉(zhuǎn)化為熱能而損耗,會(huì)出現(xiàn)聲波隨距離而逐漸衰減,稱(chēng)為大氣吸收效應(yīng),可依據(jù)ISO 9613-1進(jìn)行取值。

        3.4 試車(chē)臺(tái)噪聲遠(yuǎn)場(chǎng)傳播計(jì)算

        試車(chē)間內(nèi)的噪聲源通過(guò)進(jìn)排氣塔傳播到試車(chē)臺(tái)外,在距離r處的聲壓級(jí)SPLr可表達(dá)為

        式中:SPLin/ex為試車(chē)間或排氣塔入口處的聲壓級(jí);B為在氣流折彎處的噪聲損失(未經(jīng)消聲處理),取3dB;Ain/ex為進(jìn)氣或排氣的流通面積;DI為指向性修正值;Aa為大氣吸收效應(yīng)衰減值。

        選定r=50m距離作為基線,評(píng)估不同測(cè)點(diǎn)位置的噪聲值,計(jì)算得距離試車(chē)臺(tái)進(jìn)氣塔和排氣塔50m處的聲壓級(jí)SPLin@50m和SPLex@50m。(表2、表3)

        4 ?試車(chē)臺(tái)降噪設(shè)計(jì)需求評(píng)估

        根據(jù) GB 50454-2008 《航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)設(shè)計(jì)規(guī)范》的噪聲控制要求和GB12348-2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》,以及考慮試車(chē)臺(tái)附近辦公區(qū)域的噪聲敏感點(diǎn),試車(chē)臺(tái)的噪聲控制要求如表4所示。

        對(duì)于不同噪聲敏感點(diǎn),將噪聲敏感點(diǎn)處的噪聲控制要求與參考試車(chē)臺(tái)的參考位置處的噪聲值進(jìn)行比對(duì),從而獲得試車(chē)臺(tái)不同區(qū)域的降噪設(shè)計(jì)要求,如表5和表6所示。

        5 ?總結(jié)

        本文通過(guò)開(kāi)展試車(chē)臺(tái)噪聲傳播特性及影響因素分析研究,對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)噪聲傳播特性及影響因素進(jìn)行識(shí)別,并重點(diǎn)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源的特性進(jìn)行分析,綜合考慮試車(chē)臺(tái)噪遠(yuǎn)場(chǎng)聲傳播過(guò)程的影響因素,最終給出試車(chē)臺(tái)降噪需求并對(duì)聲學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程影響因素進(jìn)行分析,為開(kāi)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)的系統(tǒng)化聲學(xué)設(shè)計(jì)提供重要參考。

        參考文獻(xiàn):

        [1]Pietrasanta, A.C., Guide for the Analysis and Solution of Air Base Noise Problems, WADC Technical Report 57-702,Aeronautical System Division, Wright-Patterson Air Force Base, Ohio,November 1961.

        [2]王娜,萬(wàn)能,湯道敏.某渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)的聲環(huán)境研究[J].環(huán)境工程,2012,30(S1):107-109.

        [3]David A. Bies, Colin H .Hansen. Engineering Noise Control Theory and Practice [M]. Spon Press, 2009.

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