СПОСОБ РАССТАНОВКИ ЛОПАТОК В РАБОЧЕМ КОЛЕСЕ ВЕНТИЛЯТОРА АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD FOR ARRANGEMENT OF BLADES IN AIRCRAFT ENGINE FAN IMPELLER

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, в частности к снижению уровня шума, генерируемого авиационным турбовентиляторным двигателем.
В целом ряде исследований было показано, что шум, генерируемый ударными волнами, образующимися перед вентилятором двигателя на режимах взлета и набора высоты самолета (т.е. на режимах, когда периферийные сечения лопаток ротора обтекаются потоком воздуха со звуковыми и/или сверхзвуковыми скоростями), вносит существенный вклад в общий уровень шума двигателя и самолета на этих режимах. Поэтому для выполнения новых, все более жестких требований стандарта ИКАО необходимо дальнейшее снижение уровня шума двигателя. Предлагаемое изобретение относится к способам снижения уровня шума в источнике, т.е. там, где он генерируется, в отличие от звукопоглощающих конструкций, которые уменьшают уровни уже созданного шума.
Известен способ снижения шума турбовентиляторного авиационного двигателя (Патент РФ №2261999, публ. 20.09.2004, МПК F02K 3/04, F02C 7/045), который заключается в том, что предлагаются определенные соотношения между числом лопаток рабочего колеса (РК) и числом лопаток спрямляющего аппарата (СА), между длиной и выходным диаметром воздухозаборного канала, площадью на входе в двигатель и площадью горла воздухозаборника и т.д., что позволяет снизить уровни шума, генерируемые вентилятором без существенных потерь тяги двигателя. Недостаточная эффективность предложенного способа обусловлена в том числе тем, что он в основном воздействует на тональный шум вентилятора, генерируемый на частоте следования лопаток и ее гармониках. В тоже время известно, что на режимах взлета и набора высоты основной вклад в шум двигателя вносит шум ударных волн, возникающих перед вентилятором и генерируемых на частоте вращения ротора и ее гармониках.
Известен способ ослабления акустических шумов (Патент РФ №2246632, пр. 20.09.2001, МПК F02C 7/045), возникающих в результате взаимодействия между лопатками РК и СА вентилятора, заключающийся в том, что создают противоположный по фазе контршум путем впрыска в канал струек воздуха через отверстия, число которых равно числу лопаток СА. Изобретение позволяет ослабить акустические шумы, возникающие в двигателе, однако оно тоже воздействует только на тональный шум вентилятора, генерируемый на частоте следования лопаток и ее гармониках.
Известен способ расстановки лопаток ротора турбомашины (Патент РФ №2355889, пр. 25.07.2007, МПК F01D 5/02), в котором с целью снижения величины дисбаланса ротора производятся следующие действия. Измеряют радиальный, тангенциальный и осевой статические моменты лопаток, предназначенные для данного ротора, определяют суммарный статический момент каждой лопатки, классифицируют их в пары и устанавливают на роторе таким образом, чтобы лопатки с наибольшими суммарными статическими моментами в соседних парах располагались в противоположных полуплоскостях диска ротора. При этом в патенте не рассматривается влияние такой расстановки лопаток в роторе на шум двигателя.
Известен ротор вентилятора авиационного двигателя (патент США US 4732532, 1988, МПК F02C 7/045; F04D 29/66,), периферийные сечения рабочих лопаток которого обтекаются со звуковыми или сверхзвуковыми скоростями потока. Наличие определенного порядка расстановки лопаток в роторе позволяет минимизировать интенсивность, по крайней мере, одной из гармоник шума ударных волн (ШУВ). Этот патент выбран в качестве прототипа способа. Лопатки установлены в роторе так, чтобы разность в угле установки их периферийных сечений была не больше, чем заранее определенная величина. Способ включает следующие операции (этапы): (а) измерение, по меньшей мере, одной выбранной размерной характеристики каждой лопасти в указанном роторе, (б) примерная установка лопастей вокруг ротора в выбранной последовательности, (в) оценка интенсивности ударной волны на каждой из указанных лопастей, расположенных в данной последовательности, (г) расчет, по крайней мере, одного коэффициента Фурье интенсивности указанной ударной волны для указанной последовательности, хотя бы один коэффициент Фурье выбирают таким, чтобы он соответствовал, по меньшей мере, одному, выбранному тону шума; (д) перестановка лопастей вокруг ротора в дальнейшей последовательности и повторение этапов (в) и (г) для каждой такой последовательности, чтобы определить, какая из указанных последовательностей дает приемлемое минимальное значение, по крайней мере, одного из указанных коэффициентов Фурье; и (е) расположение указанных лопастей в указанном роторе таким образом, чтобы они располагались в одной из указанных последовательностей, для которой получено указанное минимальное значение одного из коэффициентов Фурье.
Однако снижение интенсивности той или иной гармоники ШУВ не является критерием снижения уровня шума самолета в точках, где он нормируется стандартом ИКАО, т.к. уменьшение одного или даже нескольких значений коэффициентов Фурье приводит к перераспределению звуковой энергии с частот, кратных частоте вращения ротора, на другие частоты, в том числе на частоту следования лопаток, что не всегда приводит к снижению уровня шума в контрольных точках на местности, где он должен нормироваться по стандартам ИКАО, а может давать и обратный эффект - увеличение уровня шума в контрольных точках. К другим недостаткам прототипа следует отнести отсутствие в изобретении каких-либо рекомендаций по методологии расстановки лопаток в роторе; отсутствие указаний на другие важные для генерации ШУВ геометрические параметры лопаток.
Задачей предлагаемого технического решения является снижение ШУВ в точках на местности, где он нормируется по стандартам ИКАО.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении шума двигателя на режимах взлета и набора высоты без ухудшения его конструктивных и газодинамических параметров и без увеличения массы двигателя и самолета.
Технический результат достигается тем, что в способе расстановки лопаток в рабочем колесе вентилятора авиационного двигателя, заключающемся в измерении выбранного контролируемого параметра каждой лопатки, установке лопаток в рабочем колесе в выбранной последовательности, измеряют фактическое значение контролируемого параметра всех произведенных лопаток серии двигателей, сортируют их в порядке с монотонным изменением контролируемой величины, разбивают множество лопаток на группы по числу лопаток в рабочем колесе, рассчитывают фактический диапазон допуска контролируемого параметра лопаток для каждой группы, для группы с наибольшей величиной диапазона допуска рассчитывают величину снижения уровней шума самолета в точках, где он нормируется на режимах взлета и набора высоты, определяемую как разность между уровнями шума самолета с двигателями, имеющими стандартный допуск на угол установки лопаток рабочего колеса и уровнями шума самолета с двигателями, у которых лопатки рабочего колеса имеют наибольший диапазон допуска; в случае недостаточной величины снижения уровня шума на режиме взлета и набора высоты пересортировывают лопатки между группами, уменьшая величину диапазона допуска внутри группы, после чего повторяют расчет и пересортировку до получения максимально возможного снижения уровня шума, затем расставляют лопатки из каждой группы в рабочем колесе на первой половине окружности в порядке возрастания контролируемого параметра, а на второй половине окружности - в порядке его убывания или наоборот.
Технический результат достигается также тем, что в способе расстановки лопаток в рабочем колесе вентилятора разность величин контролируемого параметра соседних лопаток минимальна при переходе от лопатки к лопатке по всей окружности рабочего колеса.
В настоящем изобретении предлагается новый прямой критерий оценки эффективности предлагаемого изобретения - снижение уровня шума в тех точках на местности, где он нормируется стандартом ИКАО, причем на режимах работы двигателя, соответствующих режимам взлета и набора высоты самолета, когда периферийные сечения рабочих лопаток обтекаются со звуковыми и/или сверхзвуковыми скоростями и генерируют ШУВ. Алгоритм расчета уровней шума в точках, где он нормируется экспериментальным или расчетным путем, хорошо известен специалистам по авиационной акустике и описан в ряде работ (см., например, Замтфорт Б.С., Соркин Л.И. и др. К вопросу о нормировании уровня шума реактивных двигателей. М.: Труды ЦИАМ, №637, 1975).
На фиг. 1 показан разрез турбовентиляторного авиационного двигателя.
На фиг. 2 показана развертка рабочего колеса вентилятора.
На фиг. 3 показана система выбитых ударных волн.
На фиг. 4 показана схема расстановки лопаток в венце по возрастанию угла установки.
На фиг. 5 показано изменение контролируемого параметра по кривой, подобной синусоиде.
На фиг. 6 показан пример расстановки лопаток РК, в порядке уменьшения контролируемого параметра.
На фиг. 7 показан пример расстановки лопаток РК, в порядке изменения контролируемого параметра по синусоиде.
Поясним физическую картину происходящего. Перед рабочим колесом при звуковых или сверхзвуковых скоростях обтекания возникает система выбитых ударных волн (фиг. 3). В связи с тем, что все лопатки в венце неоднородны по углу установки, толщине передней кромки и т.д. (в пределах производственных допусков) - неоднородной является и система образующихся ударных волн: по направлению распространения ударной волны, по ее интенсивности и скорости распространения. Поэтому картина распространения ударных волн непрерывно меняется. Волны догоняют и сливаются друг с другом, изменяется направление их распространения и интенсивность. Вся эта хаотичность и приводит к усилению ШУВ.
Уменьшение неоднородности вышеперечисленных размерных характеристик между соседними лопатками за счет упорядочения их расстановки в рабочем колесе приводит к образованию более равномерной системы УВ, что приводит к уменьшению уровня генерируемого шума.
На фиг. 1 показан продольный разрез ТРДД с одноступенчатым вентилятором, состоящим из диска 1 рабочего колеса вентилятора с установленными на нем лопатками 2 и спрямляющего аппарата 3.
Предлагаемый способ расстановки лопаток заключается в следующем: по окончании производства всех лопаток рабочих колес выпускаемой серии двигателей измеряют основные размеры лопаток в периферийных сечениях, влияющие на процесс генерации ШУВ (фиг. 2), а именно: угол установки θ°, радиус кривизны спинки R, толщины передней кромки С и т.д., назовем их контролируемыми параметрами. В зависимости от методики проектирования вентилятора измеряют те или другие вышеперечисленные параметры и, следовательно, при выборе оптимальной расстановки лопаток в роторе необходимо минимизировать отклонения именно одного контролируемого параметра, например угла установки лопаток θ°. Затем составляют ведомость фактических углов установки всего множества лопаток с указанием их серийного номера; составляют новую ведомость с монотонным изменением (в порядке уменьшения или увеличения) угла установки лопаток; разбивают все множество лопаток на группы (число лопаток в группе равно числу лопаток в РК); это позволяет уменьшить величину диапазона допуска лопаток для каждого рабочего колеса; рассчитывают фактический диапазон допуска на угол установки лопаток в каждой группе, для группы с наибольшей величиной диапазона допуска рассчитывают величину снижения уровней шума самолета в точках, где он нормируется на режимах взлета и набора высоты, определяемую как разность между уровнями шума самолета с двигателями, имеющими стандартный допуск (конструкторский) на угол установки лопаток рабочего колеса, с уровнями шума самолета с двигателями, у которых лопатки рабочего колеса имеют наибольший диапазон допуска; в случае недостаточной величины снижения уровня шума на режимах взлета и набора высоты пересортировывают лопатки между группами, так чтобы для каждой группы величина диапазона допуска была меньше той величины диапазона допуска, для которой производился расчет, после чего повторяют расчет для новой величины диапазона допуска и так несколько раз с целью получить максимально возможную суммарную величину снижения уровня шума (по сумме уровней шума на режимах взлета и набора высоты); расставляют лопатки из каждой группы в РК на первой половине окружности в порядке возрастания угла установки, а на второй половине окружности - в порядке его убывания или наоборот.
Для сборки одного рабочего колеса (фиг. 4) используют лопатки из одной группы и в пределах этой группы лопатки располагают, например, следующим образом:
- с максимальным углом установки,
- с промежуточными углами установки,
- со средней величиной угла установки,
- с промежуточными величинами угла установки,
- с минимальной величиной угла установки.
Для того чтобы избежать усиления ШУВ важны не абсолютные величины параметров, а их относительно слабое плавное изменение от лопатки к лопатке, что и будет соблюдено. Примерно аналогичной будет расстановка лопаток при изменении контролируемого параметра по кривой, подобной синусоиде с соответствующим образом подобранным периодом, например по длине окружности L изменение угла установки должно укладываться по синусоиде от нуля до 2π (фиг. 5).
Приведем пример расстановки лопаток в РК. Перенумеруем лопатки, пересортированные в порядке монотонного изменения контролируемого параметра угла установки θ, входящие в этот комплект (например, 20 штук), с 1-ой по 20-ую. На фиг. 6 и 7 приведены два конкретных варианта расстановки лопаток, соответствующих фиг. 4 и 5. В первом варианте на правой стороне РК будут расположены все нечетные лопатки, имеющие номер с 1-ой по 19-ую (фиг. 6), а на левой - все четные лопатки, имеющие номер со 2-ой по 20-ую. При этом реализуется еще одна идея: разность величин углов установки соседних лопаток минимальна. На фигуре 7 (второй вариант) лопатки расставлены так, что угол установки θ изменяется по кривой, подобной синусоиде, как на фигуре 5. Справа все нечетные лопатки расставлены так, что шаг изменяется через 4 номера, при этом лопатки с минимальным значением углов установки расставлены под углами 0° и 180°, а максимальными - под углом 90°; на левой половине РК: максимум - под углом 270°, а минимумы - под углами 0° и 180°. При этом сохраняется минимальная разность величин углов установки соседних лопаток.
Для доказательства эффективности предложенного способа снижения ШУВ была выполнена следующая серия расчетов для ближнемагистрального трехдвигательного самолета, оснащенного двигателями со степенью двухконтурности 5,3. В выполненном исследовании все геометрические и газодинамические параметры двигателя и самолета были приняты неизменными, а варьировалась только величина допуска на угол установки лопаток на периферии РК. Всего было рассчитано четыре варианта двигателей, отличающихся только величиной допуска на угол установки лопатки в ее периферийном сечении.
В таблице №1 представлено расчетное изменение уровня шума в точке, где нормируется шум самолета при наборе высоты в зависимости от величины допуска на угол установки лопатки.
Увеличение допуска угла установки лопаток с 0,006 до 0,007 приводит к росту уровня шума на 0,6 EPN дБ (расчет №2 минус расчет №1). Уменьшение величины допуска на 25% приводит к весьма существенному снижению уровня шума на 2,2 EPN дБ (расчет №1 минус расчет №4). Таким образом, ужесточение допуска приводит, к более однородной картине выбитых УВ и, следовательно, к генерации меньшего ШУВ. Необходимо заметить, что такое снижение ШУВ, а следовательно, и уровня шума на режиме набора высоты, можно получить без ужесточения производственных допусков и удорожания стоимости производства - только за счет обмера вышеуказанных параметров лопаток, сортировки их на группы и определенной расстановки лопаток в РК. Надо заметить, что чем больше производственная программа по выпуску двигателей, тем будет выпущено большее число лопаток (при той же величине поля допуска), и это поле допуска будет разделено на большее число групп (равное числу двигателей), т.е. фактически сортировка позволяет уменьшить величину допуска.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет снизить шум, генерируемый авиадвигателями, на режимах взлета и набора высоты без ухудшения его конструктивных и газодинамических параметров и без увеличения массы двигателя и самолета только путем сортировки и определенной расстановки лопаток рабочего колеса вентилятора.