Анализ трехмерных акустических процессов при проектировании авиационного двигателя

Том ХЬЇ

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 2010

№ 2

УДК 534.83:629.7.03

АНАЛИЗ ТРЕХМЕРНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

А. М. СИПАТОВ, М. В. УСАНИН, Н. О. ЧУХЛАНЦЕВА

Проведено акустическое и газодинамическое моделирование шести вариантов геометрии вентиляторной ступени двигателя с точки зрения ее газодинамических и акустических характеристик. Все исследования проведены на основе трехмерных газодинамических расчетов ротор-статор взаимодействия в вентиляторной ступени перспективного авиационного двигателя. В используемом подходе распределения разности нестационарного давления на средних поверхностях лопаток спрямляющего аппарата рассматриваются как распределенные акустические источники. Выбраны варианты геометрии, позволяющие получить оптимальное соотношение между газодинамическим совершенством вентиляторной ступени и ее акустическими характеристиками.

Ключевые слова: акустика, трехмерный анализ, двигатель, нестационарность, давление, вентилятор.

В настоящее время перед компаниями, занимающимися разработкой и проектированием авиационных двигателей, стоит серьезная задача по улучшению экологических характеристик создаваемых силовых установок. В первую очередь это связано с постоянно ужесточающимися международными нормами ИКАО по выбросам вредных веществ и уровню шума.

Для авиационных двигателей с большой степенью двухконтурности (более четырех) значительный вклад в суммарный уровень шума на всех режимах работы вносит тональный шум вентиляторной ступени. В данной статье описан опыт применения методики оценки газодинамических и акустических характеристик вентиляторной ступени на основе результатов трехмерных нестационарных газодинамических расчетов ротор-статор взаимодействия. В используемом подходе распределение разности амплитуды нестационарного давления на средней поверхности лопатки спрямляющего аппарата рассматривается как распределенный акустический источник. Данная работа является продолжением работ, изложенных в статьях [1, 2]. В связи с этим более кратко будет рассмотрена постановка задачи, а основное внимание будет уделено анализу полученных результатов.

Используемая методика оценки акустических характеристик на основе трехмерных газодинамических расчетов впервые была применена японскими учеными из национального центра в работах [3, 4], где было показано, что полученные расчетные оценки качественно хорошо согласуются с экспериментом. Теоретические основы этого подхода можно найти в работах [5, 6].

Необходимо отметить, что существуют более точные подходы по оценке шума от ротор-статор взаимодействия в вентиляторной ступени. Однако эти подходы требуют проведения численного анализа по распространению звука от области источника (области спрямляющего аппарата) до области дальнего поля, где «работают» методы линейной акустики в открытом однородном пространстве. Задача исследования распространения звука в вентиляторной ступени и далее в воздухозаборнике с учетом неоднородности потока и особенностей геометрии существенно усложняется и требует разработки специальных акустических программ. К классу решаемых задач по этой проблеме можно отнести работы [7, 8].

Для поставленной задачи по выбору оптимального варианта спрямляющего аппарата с целью улучшения акустических характеристик вентиляторной ступени используемый в данной работе подход представляется достаточным.

Методика расчета. Для оценки интенсивности тонального шума источников, связанных с нестационарным ротор-статор взаимодействием вентилятора и спрямляющего аппарата (СА), использована методика, основанная на подходе, предложенном японскими исследователями в статьях [3, 4]. Лопатка СА рассматривается как дипольный акустический источник, характеристикой которого является разность давлений между спинкой и корытом. Чем выше амплитуда разности давлений, тем выше будет и уровень шума, создаваемый ротор-статор взаимодействием. Методика состоит в определении осредненных по средней поверхности лопатки амплитуд наиболее сильных (нескольких первых) гармоник нестационарной разности давления.

Методика включает в себя следующие этапы: 1) численное решение полной системы уравнений газовой динамики (газодинамический пакет СБХ-5.7) для определения нестационарного поля давления на лопатках СА; 2) Фурье-анализ нестационарного поля давления на лопатках СА, получение амплитуд на гармониках частоты следования лопаток вентилятора и их осреднение для выделения интегральных характеристик.

Для определения уровня звукового давления на лопатке СА использовались полученные на втором этапе осредненные амплитуды гармоник. Уровни звукового давления отдельных гармоник вычислялись по формуле:

БРЬ = 201св ((/р^),

где Р/а — осредненная амплитуда /-й гармоники, Рге* = 2е -5 Па — порог слышимости.

Объект исследования. Объектом исследования являлась вентиляторная ступень перспективного авиационного двигателя (рис. 1).

Было рассмотрено шесть различных вариантов геометрии спрямляющего аппарата наружного контура. Все варианты были получены из исходного путем изменения наклона оси лопатки в окружном направлении. Наклон в осевом направлении оставался неизменным для всех рассматриваемых вариантов. Геометрия всех вариантов лопаток спрямляющего аппарата представлена на рис. 2, 3. Для оценки уменьшения амплитуды разницы нестационарного давления, которое дает наклон лопаток СА по направлению вращения вентилятора, исследовались следующие шесть вариантов: вариант 1 — «исходный» — не имеет наклона в окружном направлении; варианты 2 и 3 — «наклонные» — получены из исходного путем наклона оси лопатки исходного варианта СА на 20 и 30° по ходу вращения вентилятора соответственно; варианты 4, 4.1 и 5 —

ь

варианты с изогнутой осью, углом наклона 10° по отношению к оси лопатки исходного варианта на втулке и углами наклона 30° (варианты 4 и 4.1) и 25° (вариант 5) на периферии по ходу вращения вентилятора. Вариант 4.1 — это перепрофилированный вариант 4 с учетом изменившихся углов натекания потока на лопатки СА на выбранном режиме работы двигателя.

Газодинамические расчеты. С целью корректно поставленных условий периодичности газодинамические расчеты проводились при несколько измененном количестве лопаток статоров наружного и внутреннего контуров. В результате расчетная область содержала один межлопа-точный канал ротора и 2, 4 межлопаточных канала СА и направляющего аппарата (НА) соответственно (рис. 4).

Для рассматриваемых вариантов были построены расчетные сетки одинаковой топологии и размерности, содержащих порядка 1.5 млн. узлов, а затем проведены трехмерные нестационарные газодинамические расчеты ротор-статор взаимодействия в пакете СБХ-5.7. Данный пакет основан на методе контрольных объемов. В процессе расчета использовалась численная схема второго порядка точности по пространству и времени. Для моделирования турбулентности использовалась к-в модель. Учет нелинейных эффектов проводился за счет выполнения пяти ньютоновских подитераций на каждом временном шаге.

Спрямляющий аппарат

Для анализа акустических эффектов был выбран режим набора высоты, т. е. один из основных режимов работы двигателя, где измеряются акустические характеристики самолета. Изменение КПД, степени повышения давления и коэффициентов запаса было проанализировано на режиме работы двигателя, для которого требования по аэродинамическому совершенству вентиляторной ступени максимальны.

Анализ результатов. По результатам газодинамических расчетов были получены распределения нестационарных параметров потока в расчетной области за период ротор-статор взаимодействия. Для исходного варианта распределение числа Маха в абсолютном движении в среднем сечении расчетной области и вблизи поверхности лопатки спрямляющего аппарата представлено на рис. 5.

Для получения данных по акустическим источникам, в качестве которых рассматриваются лопатки спрямляющего аппарата, делается предположение, что лопатки бесконечно тонкие. В таком случае давление, действующее на поверхность лопаток со стороны спинки и корыта, проектируется на их среднюю поверхность (рис. 6), а разность нестационарного давления между спинкой и корытом на этой поверхности рассматривается как распределенный акустический источник. Далее эти данные подвергаются преобразованию Фурье, после которого для гармоник, кратных частоте следования лопаток вентилятора, можно получить распределение амплитуды разности нестационарного давления (рис. 7). Для получения интегральной характеристики этого распределенного источника данные по распределению амплитуды разности нестационарного давления на выбранной гармонике подвергаются осреднению по площади. На рис. 8 представлено сопоставление осредненной по площади амплитуды разности нестационарного давления на первых пяти гармониках для всех шести рассматриваемых вариантов.

-

ш

м

-5.325е-001

7.О00е-0О1

3.650е-001

Рис. 5

рт

1-я гармоника 2-я гармоника 3-я гармоника

а/мш

Рис. 7

Рис. 8

Анализируя проведенные газодинамические расчеты, прежде всего следует отметить, что при переходе от варианта 2 к варианту 3 резко изменяется картина течения и образуются значительные вихревые зоны в расчетной области. Одна из таких зон вблизи втулки лопатки у варианта 3 хорошо заметна на рис. 9. Таким образом, даже предварительный анализ картины течения свидетельствует о том, что вариант 3 можно рассматривать как предельный вариант по прямолинейному наклону лопаток в окружном направлении.

Далее были рассмотрены два варианта с изогнутой осью наклона (№ 4 и 5), с суммарным углом наклона лопатки на 30 и 25° соответственно. Можно отметить, что максимальное снижение осредненной амплитуды было достигнуто для варианта 4.

Вариант 5 был рассмотрен с точки зрения возможного улучшения аэродинамических характеристик вентиляторной ступени при незначительном изменении ее акустических параметров. Однако желаемый результат не был достигнут. Учитывая, что для варианта 4 был получен максимальный эффект по снижению акустического источника, для этого варианта было проведено перепрофилирование спрямляющего аппарата в соответствии с изменившимися углами натекания (вариант 4.1). Для данного варианта получено еще большее снижение акустического источника.

Вариант 3 Вариант 4

Рис. 9

Следует также отметить, что на первой гармонике (на частоте следования лопаток вентилятора) будет сильно влиять эффект отсечки. Поэтому при анализе различных вариантов большее внимание следует обращать на изменение амплитуды на второй и третьей гармониках. В пользу этого говорит и тот факт, что использование звукопоглощающих конструкций прежде всего направлено на снижение тонального шума на первой гармонике. Таким образом, для реального двигателя вклад второй и третьей гармоник в суммарный уровень шума существенно возрастает.

1 06  -----------------------------------------------------------------------

Рис. 11

Аэрогазодинамические характеристики вентиляторной ступени представлены на рис. 10, 11 в виде зависимостей приведенного КПД вентиляторной ступени П в и приведенной степени повышения давления в вентиляторном контуре Пв от приведенного расхода воздуха в вентиляторном контуре О в . В качестве обезразмеривающих параметров выбраны параметры рабочего тела в расчетной точке. Коэффициенты запаса по устойчивой работе вентиляторной ступени представлены в табл. 1. В таблице не приведены данные для варианта 3, поскольку полученные результаты не дают необходимых запасов устойчивой работы.

Т аблица 1

Коэффициент запаса устойчивой работы для исследуемых вариантов

Номер варианта 1 2 4 4.1 5

ЛКу, % 17.49 17.17 16.78 16.39 17.08

Следует отметить, что, несмотря на более высокие параметры ступени на расчетном режиме, полученные для варианта 4.1, в целом, характеристика данного варианта лежит ниже характеристики варианта 4, что приводит к еще более низкому коэффициенту запаса устойчивости для варианта 4.1, по сравнению с вариантом 4. С другой стороны, данный вариант имеет минимальную интегральную амплитуду разности нестационарного давления из всех анализируемых вариантов (см. рис. 8). Таким образом, сопоставляя акустические и аэродинамические характеристики вентиляторной ступени рассматриваемых вариантов геометрии СА, следует выделить два, параметры которых представлены в табл. 2. Вариант 2 имеет наилучшие аэродинамические характеристики, хорошую технологичность изготовления, однако для этого варианта получено наименьшее снижение акустического источника. Вариант 4.1 наоборот имеет наилучшие акустические характеристики, но обладает некоторой сложностью в изготовлении и более худшими аэродинамическими параметрами. Учитывая упрощенность используемой постановки, в дальнейшем планируется выполнение экспериментальных работ для более точного исследования предлагаемых двух вариантов.

Сравнение двух вариантов вентиляторной ступени

Номер варианта Снижение амплитуды относительно варианта 1 Приведенный КПД ступени AKy, % Потери в СА, oCa

Номер гармоники % дБ

2 1-я гармоника 19.4 1.SS 0.9995 17.17 0.9936

2-я гармоника 26.5 2.6S

4.1 1-я гармоника 39.15 4.32 0.997S 16.39 0.9931

2-я гармоника 43.12 4.S9

Заключение. На основании проведенных подробных исследований шести вариантов геометрии спрямляющего аппарата по возможности улучшения акустических характеристик вентиляторной ступени выбрано два наиболее приемлемых варианта геометрии с точки зрения их дальнейшего внедрения. Учитывая упрощенность используемой постановки, данные варианты планируется исследовать экспериментально. Можно отметить следующие основные упрощения: проводится осреднение амплитуды разности нестационарного давления на поверхности лопатки, при этом происходит частичная потеря информации. Отсутствует также анализ распространения отдельных акустических мод, их различного затухания в зависимости от окружного волнового числа, воздействия на них вращающегося вентилятора и границ воздухозаборника. Некоторые результаты более подробного анализа по оценке шума вентиляторной ступени в дальнем поле представлены в работах [2, 9].

Следует также выделить преимущества используемого подхода: относительная быстрота в получении результатов расчета акустических характеристик (время расчета одного варианта сокращается более чем в два раза); зависимость получаемого решения только от одного параметра. На основе литературных данных можно говорить о том, что полученные результаты качественно согласуются с экспериментальными данными.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сипатов А. М., Усанин М. В. К оценке интенсивности тонального шума вентиляторной ступени ТРДД // Изв. ВУЗов: Авиационная техника. — Казань. 2004. № 4, с. 23 — 27.

2. Sip at o v A. М., Usanin M. V., Avgustinovich V. G., Chuhlantseva N. O. Computational analysis of tonal noise generated high-bypass ratio fan stage // ASME, Turbo-Expo 2005, GT-68857.

3. Yamagata A., Kodama H., Tsuchiya N. CFD prediction of unsteady pressures due to fan rotor-stator interaction // ISABE 2003, N 2003-1130.

4. Tsuchiya N., Nakamura Y., Goto S., Kodama H., Nozaki O., Nishi-zawa T., Yamamoto K. Low noise FEGV designed by numerical method based on CFD //

ASME, Turbo-Expo 2004, GT-53239.

5. N a m b a M. Three-dimensional analysis of blade force and sound generation for an annular cascade in distorted flows // J. of Sound and Vibration. 1977. V. 50, Issue 4, p. 479—508.

6. Kodama H., Namba M. Unsteady lifting surface theory for a rotating cascade of swept blades. // J. of Turbomachinery. 1980. V. 112, July, p. 411 — 417.

7. Manoha E.Redonnet S., Terra col M.Guenanff R. Numerical simulation of aerodynamic noise / European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering, ECCOMAS 2004. — Jyvaskyla (Finland), 24 — 28 July 2004, Onera TP 2004-156.

8. Polacsek C., Burguburu S. Computation of fan tone noise generation and radiation from engine inlets / 11th International Congress on Sound and Vibrations. — San-Petersburg (Russia), 5 — 8 July 2004, Onera TP 2004-141.

9. Sipatov A. M.,Usanin M. V., Avgustinovich V. G.,Chuhlantseva N. O.

Hybrid approach for computation of tonal noise applied to high-bypass ratio fan stage // ISABE 2005, N 2005-1187.

Рукопись поступила 7/VII2009 г.