噪聲技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的運(yùn)用

◎許榮兵

航空工業(yè)一直是重點(diǎn)工業(yè)之一，尤其航空飛機(jī)有著方便快捷、安全高效等方面的諸多優(yōu)勢(shì)。隨著飛機(jī)的載貨量和載客量逐漸增長(zhǎng)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)功率也在不斷提高，噪聲污染也就隨之增加。飛機(jī)的噪聲問(wèn)題一直是人們比較關(guān)注的問(wèn)題，噪聲過(guò)高會(huì)對(duì)人們的身體健康造成諸多不適，對(duì)于飛機(jī)制造來(lái)說(shuō)，如何控制發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲已經(jīng)逐漸成為技術(shù)人員所研究的重點(diǎn)內(nèi)容，旨在降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，建造出更為安靜的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。

一、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲分類(lèi)

目前民航飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲主要分為以下幾種類(lèi)型：風(fēng)扇噪聲、渦輪噪聲、噴流噪聲以及燃燒噪聲等。另外，還有機(jī)械振動(dòng)噪聲、軸承噪聲等多種噪聲類(lèi)型。

風(fēng)扇噪聲：風(fēng)扇噪聲是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中比較重要的噪聲源之一，是民航發(fā)動(dòng)機(jī)制造中主要噪聲控制點(diǎn)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，主要從兩個(gè)方面會(huì)產(chǎn)生風(fēng)扇噪聲。一方面，當(dāng)風(fēng)扇在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與空氣接觸后會(huì)產(chǎn)生比較多的渦流，這些渦流會(huì)在力的作用下產(chǎn)生多個(gè)子渦流，這些渦流及分裂出來(lái)的子渦流會(huì)與空氣發(fā)生碰撞，從而出現(xiàn)比較大的噪聲；另一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片在高度旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)與空氣發(fā)生碰撞，葉片會(huì)將空氣快速進(jìn)行切割，這樣就會(huì)出現(xiàn)比較風(fēng)扇噪聲。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，噪聲分貝會(huì)更高。如果按照發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行分類(lèi)，在發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速較快時(shí)，主要表現(xiàn)出的是旋轉(zhuǎn)噪聲，而轉(zhuǎn)速偏低時(shí)，通常表現(xiàn)出來(lái)的是渦流噪聲。

噴流噪聲：噴流噪聲是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要噪聲源之一，尤其在民航飛機(jī)中表現(xiàn)的更為突出。在發(fā)動(dòng)機(jī)噴口處噴射出來(lái)的高速氣流會(huì)與空氣出現(xiàn)快速擾動(dòng)，這樣就在空氣中出現(xiàn)了比較大的氣流，從而產(chǎn)生了噪聲。噴流噪聲主要分為兩種，一種是高頻噪聲，另一種是低頻噪聲。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴流越大、速度越高，則產(chǎn)生的噪聲越大。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，飛機(jī)制造事業(yè)也迎來(lái)了比較大的轉(zhuǎn)變，現(xiàn)階段的民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)也在逐漸增大涵道比。涵道比逐漸增多，發(fā)動(dòng)機(jī)的噴流速度隨之降低，這樣噪聲也就逐漸降低。

燃燒噪聲：燃燒噪聲也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中噪聲的主要來(lái)源。燃燒噪聲的產(chǎn)生有比較多的來(lái)源，主要來(lái)源是燃料在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的，產(chǎn)生地點(diǎn)為燃燒室。當(dāng)燃燒室內(nèi)的壓力出現(xiàn)比較明顯的無(wú)規(guī)律變化，就會(huì)出現(xiàn)燃燒噪聲。雖然可能誘發(fā)燃燒噪聲產(chǎn)生因素比較多，但是可以確定的是，讓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的燃料燃燒更充分，產(chǎn)生的燃燒擾動(dòng)越小，則產(chǎn)生的燃燒噪聲就越低。燃燒室產(chǎn)生的噪聲主要可以分為兩種，一種是直接噪聲，另一種是間接噪聲。

二、噪聲技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的運(yùn)用分析

1.燃燒噪聲的抑制技術(shù)分析。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室主要分為主燃燒區(qū)和混合燃燒區(qū)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)的不斷成熟，燃燒噪聲的抑制效果也變得更為明顯。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室進(jìn)口溫度也逐漸提升，同時(shí)燃燒室的整體尺寸也有了比較大的轉(zhuǎn)變，燃燒室長(zhǎng)度變得更短?，F(xiàn)階段的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室溫度升高要求有了新的變化，這樣就使得燃燒噪聲問(wèn)題更明顯，對(duì)于燃燒噪聲的抑制技術(shù)創(chuàng)新也有了更高要求。但從現(xiàn)階段的實(shí)際情況來(lái)看，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的噪聲抑制技術(shù)仍然有比較大的提升空間。

首先，燃燒室噪聲的聲源在發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)內(nèi)部，由于核心機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和外部壓氣機(jī)、渦輪葉片的阻擋，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室噪聲在傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生聲能和聲壓上的衰減，輻射到遠(yuǎn)場(chǎng)的燃燒室噪聲可以認(rèn)為不是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要噪聲源；其次，當(dāng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的功率在一個(gè)大范圍內(nèi)變化時(shí)，燃燒室噪聲的變化范圍很小，使用吸聲裝置能夠有效的減小發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲。

考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室噪聲的降噪措施，可以采用以下幾種方法；均勻噴油，保證燃燒時(shí)的放熱率，減小燃?xì)獾拿芏让}動(dòng)；使用多個(gè)噴油嘴，減小氣流壓力脈動(dòng)；使用環(huán)形燃燒室；讓燃油和空氣充分混合，保證火焰的穩(wěn)定性；安裝吸聲裝置，減少排氣管道內(nèi)的燃燒室噪聲。

2.噴流噪聲的抑制技術(shù)分析。

噴流速度大小對(duì)噴流噪聲有著舉足輕重的影響，有著8 次方的正比關(guān)系，因此，適當(dāng)降低噴流速度可以大幅度的減少?lài)娏髟肼?，是?jiǎn)單而且有效的噪聲抑制技術(shù)。從過(guò)去噴氣時(shí)代到現(xiàn)在大型渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)代，發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比不斷增加，噴流噪聲也從最初占發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲主導(dǎo)地位變成現(xiàn)在與葉輪機(jī)噪聲等相當(dāng)?shù)臄?shù)量級(jí)。在發(fā)動(dòng)機(jī)性能方面，如果只降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣速度，那么發(fā)動(dòng)機(jī)的推力會(huì)大幅度減小，增加涵道比正好解決了發(fā)動(dòng)機(jī)推力減小的問(wèn)題，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣流量，不僅彌補(bǔ)了推力的損失，而且增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。隨著涵道比增加，噴流噪聲顯著減小。

3.風(fēng)扇噪聲及渦輪噪聲的抑制技術(shù)分析。

首先，增大涵道比，并用單級(jí)風(fēng)扇代替多級(jí)風(fēng)扇。增大潤(rùn)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的通道比，其結(jié)果是降低了噴流速度從而降低了噴流噪聲，同時(shí)經(jīng)濟(jì)性也得到改善高通道比渦璃發(fā)動(dòng)機(jī)，風(fēng)扇噪聲占主導(dǎo)地位，在設(shè)計(jì)中考慮用單緩風(fēng)扇代替多級(jí)風(fēng)扇，將使風(fēng)扇噪聲有明顯下降，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)總噪聲級(jí)。隨著桶道比的增大，風(fēng)扇噪聲略有增加。這是由于風(fēng)扇尺寸增大，風(fēng)扇中空氣流量增大的緣故。

首先，對(duì)于風(fēng)扇、壓氣機(jī)和渦輪，采用的主要降噪措施是：改多級(jí)風(fēng)扇設(shè)計(jì)為單級(jí)風(fēng)扇；恰當(dāng)選取轉(zhuǎn)子和靜子的葉片數(shù)目，這個(gè)參數(shù)決定了管內(nèi)干涉噪聲能否被“截止”；適當(dāng)增大轉(zhuǎn)子和靜子間的軸向間歇，以減小氣流擾動(dòng)強(qiáng)度；盡可能使進(jìn)口流場(chǎng)均勻，減小來(lái)流畸變。在設(shè)計(jì)低噪風(fēng)扇、壓氣機(jī)和渦輪時(shí)，還需要考慮轉(zhuǎn)子葉片的葉尖速度、葉片間距、后掠角、級(jí)壓比、輪轂比以及葉片弦長(zhǎng)等幾何參數(shù)。

結(jié)語(yǔ)：航空運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的逐漸成熟，人們對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲關(guān)注度更高，解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲問(wèn)題也變得更為緊迫。要想做好航空發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲抑制，就需要對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源進(jìn)行全面分析，對(duì)噪聲的產(chǎn)生原理以及噪聲的傳播特點(diǎn)等方面進(jìn)行分析，同時(shí)不斷完成對(duì)噪聲技術(shù)的創(chuàng)新，建立更為科學(xué)的數(shù)據(jù)分析模型，這樣才能實(shí)現(xiàn)降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的目的，并推動(dòng)航空事業(yè)的健康發(fā)展。