УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ШУМА ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА И СПОСОБ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
DEVICE FOR AXIAL COMPRESSOR AERODYNAMIC NOISE REDUCTION AND METHOD OF ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано во входных ступенях осевых компрессоров турбомашин.
В периферийной области необандаженной рабочей решетки компрессорной ступени течение имеет трехмерный характер. Попадая в решетку у внешнего обвода, теплоноситель разделяется на основной межлопаточный поток, периферийный и щелевой (в пространстве между торцевой поверхностью рабочих лопаток и наружной стенкой) потоки, обладающие высокой энергией. На выходе из радиальной щели на границе между щелевым и основными потоками у выпуклой стенки лопатки интенсивно развивается высокотурбулентный пограничный слой, который приобретает циркуляционное движение в виде дискретного вихря с отрывными явлениями. В этих условиях движение воздуха сопровождается значительными потерями энергии, генерацией вибрационных процессов и мощного звукового давления.
Основным источником акустической мощности газотурбинных установок является канал всасывания компрессора, представляющий собой волновод, свободно излучающий в окружающую среду звуковую энергию высокой интенсивности, достигающей порядка 40% от общей акустической мощности агрегатов. Большой уровень звукового давления на входе в турбомашину (до 140…150 дБ) создается за счет ударных волн, формируемых преимущественно первыми тремя ступенями компрессора, в которых наиболее интенсивным источником генерации шума являются вихревые течения в радиальных зазорах рабочих колес.
Известен способ управления пограничным слоем и ламинаризации потока путем введения в слой ферромагнитных частиц, на которые воздействуют магнитным полем (см. а.с. СССР, №909384, кл. F15D 1/06, 1982). Этот способ отличается высокой затратностью и сложностью, так как требует введения в поток специальных веществ.
Одним из возможных путей снижения шума является монтаж сопловых лопаток осевого компрессора с наклоном относительно радиального направления. При этом происходит локальное воздействие аэродинамической струи на входную кромку рабочей лопатки осевого компрессора, что обеспечивает фазовый сдвиг силового импульса, за счет чего снижается уровень генерируемой рабочим венцом вибрации и звукового давления (Зинченко В.И., Григорьян Ф.Е. Шум судовых газотурбинных установок. Л.: Судостроение, 1969, с. 74-75). Недостатком данного способа является его малая эффективность в сравнении с предлагаемым конструктивным решением.
Задачей настоящего изобретения является эффективное снижение энергетических потерь, уровней вибрации и аэродинамического шума, генерируемых проточной частью осевого компрессора.
Поставленная задача решается с помощью устройства для снижения аэродинамического шума осевого компрессора, содержащего рабочее колесо первой ступени, отличающегося тем, что на внутренней поверхности корпуса осевого компрессора в зоне радиального зазора установлен кольцевой электромагнит (ЭМ) шлицевого типа (см. Вестник Брянского Государственного Технического Университета, №3(19) 2008 г., с. 59-63), который производит внешнее воздействие на молекулы воздуха переменным магнитным полем с частотным диапазоном  что адекватно частоте собственных колебаний молекул.
9
13
Частоту воздействующего (внешнего) магнитного поля устанавливают равной частоте собственных колебаний молекул газа - частоте колебаний молекул относительно оси, определяющей их ориентацию, значения которых адекватны диапазону 10…10 Гц.
9
13
На ориентацию молекул газа большое влияние оказывает внешнее электромагнитное поле, так называемый эффект Керра (см. Прохоров A.M. Физическая энциклопедия. Том 2. М.: «Советская энциклопедия», 1990, с. 348-350). Следовательно, если на молекулы газа в пограничном слое потока оказать воздействие переменным магнитным полем с частотой 10…10 Гц, возможно исключить турбулизацию течения, то есть ламинаризировать структуру флюида.
Данное изобретение способствует уменьшению интенсивности высокотурбуленного вихревого течения на внешнем обводе рабочих лопаток в области высоких чисел Рейнольдса, обеспечивает ламинаризацию потока - снижение уровня анизотропии жидкости в пограничном слое. Это позволит снизить уровень гидродинамического трения, исключить вихревые срывные явления и пульсации воздуха в зоне периферийных радиальных зазоров первых ступеней компрессора, что повысит вибронадежность и экономичность рабочих колес ГТУ, погасит значительную часть излучаемой компрессорными ступенями звуковой энергии.
9
13
Способ снижения аэродинамического шума осевого компрессора, отличающийся тем, что электронный блок, управляемый регулятором, в который поступает электрический импульс от регистрирующего микрофона, после сравнения с заданием, регламентирующим нормированную звуковую мощность, вырабатывает сигнал, формирующий в кольцевых обмотках электромагнита высокочастотное электромагнитное поле в частотном диапазоне 10…10 Гц, настраивая его на частотные характеристики флюида.
Предлагаемое изобретение проиллюстрировано на чертежах.
На фиг. 1 схематично изображено устройство для снижения аэродинамического шума осевого компрессора.
На фиг. 2 схематично представлена функциональная схема системы автоматического регулирования (САР) уровня излучаемого шума как способ осуществления предлагаемого устройства.
Устройство для снижения аэродинамического шума осевого компрессора (фиг. 1) представляет собой кольцевой электромагнит шлицевого типа 1, установленный на внутренней поверхности корпуса входного отсека осевого компрессора 2, в зоне радиального зазора рабочего колеса 3 первой ступени, генерирующей высокий уровень акустической мощности, излучаемой в окружающее пространство.
Управление частотой электромагнитного поля, регулирующего уровень генерируемой проточной частью компрессора 2 звуковой энергии, производится посредством электронного блока 4 (фиг. 2), включенного в специальную САР акустической мощности, излучаемой входным трактом компрессора.
Функциональная схема такой системы управления приведена на фиг. 2. Она включает микрофон 5 (фиг. 2), установленный, например, на внутренней поверхности внешнего обвода входного канала 6 компрессора 2, регистрирующий уровень излучаемой агрегатом акустической энергии (модовый состав звукового поля).
9
13
Способ снижения аэродинамического шума осевого компрессора осуществляется следующим образом: электрический сигнал микрофона 5 после сравнения с заданием в задающем устройстве 7, регламентирующем нормированную мощность излучаемой энергии, поступает в регулятор 8, выполненный по электронной схеме с цифровой реализацией закона управления. Электронный блок 4, управляемый регулятором 8, формирует в кольцевых обмотках ЭМ 1 (фиг. 1, фиг. 2) высокочастотное электромагнитное поле, настраивая его на частотные характеристики флюида. Благодаря воздействию переменного магнитного поля в частотном диапазоне 10…10 Гц, что адекватно частоте собственных колебаний молекул воздуха, происходит ламинаризация периферийного пограничного слоя.
Разработанное конструктивное решение способствует управлению на молекулярном уровне течением энергоносителя в зоне периферийных радиальных зазоров первых ступеней компрессора, исключает в их каналах срывные явления, создает условия для изотропного течения воздуха, ламинаризирует пограничные слои.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволит повысить запас гидродинамической устойчивости потока и, как следствие, снизить потери энергии, уровень аэродинамического шума и вибронапряженность лопаток осевых компрессоров турбомашин, что увеличит моторесурс двигателя, улучшит его экологические характеристики.