Perm, Perm, Russian Federation
Perm', Perm, Russian Federation
Perm', Perm, Russian Federation
Perm', Perm, Russian Federation
Perm', Perm, Russian Federation
Perm', Perm, Russian Federation
GRNTI 55.01 Общие вопросы машиностроения
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
GRNTI 55.35 Металлургическое машиностроение
There is considered and offered an idea of threaded opening use instead of smooth openings in single-layered sound absorbing structures (SAS). A procedure for a numerical modeling of a type and opening shape impact in cells of single-layered SAS upon sound absorption using Ansys CFX program package is described. The investigations are carried out at different frequencies in the throat of a resonator of boards made of VKU-39 composite.
sound absorption, composite, roughness, opening shaping, numerical modeling
Важнейшей проблемой для конструкций самолетов гражданской авиации является шумопоглощение [1].
Одним из перспективных способов решения экологических требований ICAO (международный комитет гражданской авиации) по снижению шума самолетов на местности является применение в силовых установках авиатехники звукопоглощающих конструкций. Наиболее перспективными являются многослойные композитные звукопоглощающие конструкции (ЗПК) с металлическими и неметаллическими сотовыми заполнителями, которые имеют повышенную акустическую эффективность и эксплуатационную надежность, сохраняющуюся в течение длительного времени.
Стоит отметить, что за рубежом в университете Xi'an Jiaotong (Китай) выявили [2], что на звукопоглощение так же влияет и шероховатость поверхности. Была разработана теоретическая модель распространения звука в цилиндрических микротрубках (рис. 1), содержащих различные параметры шероховатости цилиндрической поверхности, с учетом как вязкого, так и теплового эффектов.
Для определения скорости жидкости вокруг каждого элемента шероховатости в дополнение к условию нулевой скорости на стенке трубы применялось приближенное условие непрерывности скорости, т.е. скорость в верхней части элемента шероховатости равна средней скорости потока жидкости внутри трубки вдоль ее осевого направления. Аналогичным образом, на основе приблизительной температуры в верхней части цилиндрической шероховатости и нулевого условия повышения температуры на стенках трубы получено среднее распределение температуры в трубке.
На основе разработанной теоретической модели проведены численные расчеты для исследования влияния параметров шероховатости на снижение уровня шума. Установлено, что наличие шероховатости улучшает акустическое сопротивление и повышает коэффициент затухания микротрубок по широкой частоте, что приводит к увеличению коэффициента звукопоглощения. Кроме того, увеличение высоты, радиуса и числа элементов шероховатости может улучшить акустическое сопротивление, коэффициент затухания и звукопоглощение.
Рис 1
Влияние параметров качества отверстий в звукопоглощающих конструкциях авиационных двигателей на акустические характеристики были рассмотрены также в Пермском национальном исследовательском политехническом университете и отражены в работе [7]. Был проведен эксперимент в специальной акустической лаборатории, в одних и тех же условиях исследованы в импедансной трубе образцы фрагментов звукопоглощающих конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) с удовлетворительным и с неудовлетворительным качеством отверстий. Снятые с обоих образцов данные показали различные акустические характеристики и различные коэффициенты звукопоглощения, импедансы действительные и мнимые. Замеры показали существенное смещение резонансных частот из-за различия в диссипации энергий, сил упругости и инерциии масс воздуха. Некачественно выполненная перфорация отверстий, а именно, наличие бахромы и сколов волокон ПКМ с недопустимой величиной заусенцев вокруг отверстия резонаторов, меняет акустические характеристики ЗПК.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что существует ещё один способ эффективного шумоглушения с применением ЗПК, который на сегодняшний день является не изученным. В настоящей работе предлагается исследовать влияние в звукопоглощающих конструкциях типа и формы отверстий горла резонатора на звукопоглощение.
Обобщая вышесказанное, перспективным путем решения задачи акустического совершенствования авиационных двигателей является использование резонансных звукопоглощающих сотовых панелей, устанавливаемых в канале воздухозаборника и во внешнем контуре двигателя. Одной из проблем совершенствования панелей ЗПК является ограниченность размеров компоновки. Было выявлено, что метод улучшения поглощения шума ячейками ЗПК может быть основан на изменении типа и формы отверстий горла резонатора.
Для проведения исследований влияния режимов резания на шероховатость отверстий в композиционном материале использованы: сверлильно-фрезерный станок мод. JET JMD – 45FD; микроскоп мод. МСП-1; профилометр мод. MahrSurf PS1. Обрабатывались образцы 60х25х7 мм; обрабатываемый материал – углепластик ВКУ–39 по ТУ К55/13–615. Инструменты: сверло из быстрорежущей стали Р6М5 (Ø10) мм по ГОСТ 10903-77; сверло сборное с твердосплавной пластиной SD105-10.00-10.49-30-16R7-1491 (фирмы Seco); метчик из быстрорежущей стали Р6М5 (Ø12 мм) по ГОСТ 3266-81. Обработка образцов производилась без СОЖ, так как не допускается по техническим условиям производства изделий из ПКМ. Режимы резания и шероховатость поверхности Ra, мкм, при сверлении быстрорежущим сверлом Р6М5, приведены в табл. 1
Табл. 1
1. Шероховатость Ra, мкм, при сверлении быстрорежущим сверлом Р6М5
|
Обороты n, об/мин |
Подача, мм/об |
Скорость V, м/мин |
||
|
0,12 |
0,18 |
0,25 |
||
|
50 |
3,866 |
4,196 |
4,560 |
1,57 |
|
2500 |
1,331 |
1,818 |
2,861 |
78,4 |
После сверления 50-ти отверстий на сверле из быстрорежущей стали Р6М5 наблюдается повышение износа на режущей кромке h = 0,16 мм ‒ около вершины кромки и на вершине кромки h =0,55 мм (рис. 2 и рис. 3).
Рис. 2
Рис. 3
Таким образом, можно сделать вывод, что при сверлении полимерных композиционных материалов сверлом из быстрорежущей стали Р6М5 при частоте вращения сверла n = 50 об/мин и подаче равной 0,25 мм/об получается грубая шероховатость величиной Ra = 4,56 мкм. Помимо грубой шероховатости было получено грубое нарушение входных и выходных кромок, расслоение и деструкция материала, что приводит к разрушению целостности конструкции из ПКМ. Низкое качество может быть обусловлено геометрией инструмента ‒ ширина ленточек для удаления стружки из зоны резания не позволяет стружке легко удалиться, что, в свою очередь, создаёт трение об обрабатываемое отверстие.
Результаты исследований, приведенные в табл. 2, показали, что при сверлении отверстий в композиционном материале сборным сверлом с твердосплавной пластиной SD105-10.00-10.49-30-16R7-1491 (фирмы Seco) получается высокое качество входных и выходных кромок отверстий. Целостность материала не была нарушена. Стойкость составного твердосплавного сверла выше. Износ инструмента на режущей кромке после сверления 50-ти отверстий равен h = 0,11 мм (рис. 4 и рис.5).
2. Шероховатость Ra, мкм, при сверлении твердосплавным сверлом фирмы Seco
|
Обороты n, об/мин |
Подача, мм/об |
Скорость V, м/мин |
||
|
0,12 |
0,18 |
0,25 |
||
|
50 |
2,290 |
2,553 |
2,667 |
1,57 |
|
2500 |
1,098 |
1,345 |
1,646 |
78,4 |
Табл. 2
Рис. 4
Рис. 5
Для опробования измененного типа и формы отверстия в образцах ПКМ, после сверления отверстий твердосплавным сверлом нарезали резьбу М12.
После нарезания резьбы М12 целостность материала не нарушилась, получена резьба требуемого качества (рис. 6), кроме того входные и выходные кромки отверстий не имеют дефектов.
Рис. 6
Для исследования влияния нарезанной резьбы в отверстиях перфорированного листа ЗПК на шумопоглощение были проведены численные расчеты.
Процессы рассматривались в трехмерной динамической постановке. В используемой физической модели приняты следующие допущения: полость ячейки заполнена идеальным газом; принята стандартная κ-ε модель турбулентности; стенки конструкции непроницаемые; для исследования влияния нарезанной резьбы в отверстиях перфорированного листа ЗПК на шумопоглощение были проведены численные расчеты; стенки конструкции не поглощают и не выделяют тепло; стенки конструкции не деформируются; шероховатость стенок тела не учитывается.
Давление идеального газа на входе в ячейку изменяется по синусоидальному закону.
В соответствии с принятой физической моделью разработана математическая модель, которая базируется на законах сохранения массы, импульса, энергии и замыкается уравнениями состояния идеального сжимаемого газа и турбулентности, а также начальными и граничными условиями. Требуется решить систему Навье-Стокса из четырех независимых уравнений (1) ‒ (4):
– закон сохранения массы:
; (1)
– закон сохранения импульса:
; (2)
– закон сохранения энергии:
; (3)
– уравнение состояния:
, (4)
где 
– время; 
– плотность; 
– скорость; 
– давление; 
– динамическая вязкость;
– турбулентная динамическая вязкость; 
– энтальпия; cp – теплоемкость; 
– коэффициент теплопроводности; Prt ‒ турбулентное число Прандтля; 
– универсальная газовая постоянная.
Математическая модель замыкается по формуле (5) следующими начальными и граничными условиями:
, (5)
где Pm – амплитуда колебаний давления; f – частота колебаний; t – текущий момент времени.
Описанная математическая модель реализована в программном пакете AnsysCFX, который был выбран для проведения расчетов (рис.7).
Рис. 7
Для оценки собственной частоты ячейки используем формулу:
(6)
где с = 343 м/с – скорость звука;
(7)
где S0 – площадь горла резонатора; S6ug – площадь основания ячейки ЗПК; L – высота ячейки ЗПК; l – высота горла; li – присоединенная длина горла с внутренней стороны; le – присоединенная длина горла с внешней стороны;
(8)
где α, β – коэффициенты, зависящие от l (табл. 3); S – площадь сечения объема резонатора.
Табл. 3
Для присоединенной длины le было получено выражение:
(9)
где α = 0,815; d0 – диаметр горла; b – ширина прямоугольного канала, в котором установлен резонатор; β1, β2, β3 – эмпирические коэффициенты (табл. 4).
Табл. 4
3. Значения коэффициентов, зависящих от l
|
Коэффициенты |
Высота горла l, мм |
|||
|
0,5 |
1 |
2 |
5 |
|
|
α |
0,804 |
0,8080 |
0,815 |
0,820 |
|
β |
1,37 |
1,34 |
1,34 |
1,34 |
4. Значения эмпирических коэффициентов
|
a/b |
β1 |
β2 |
β3 |
|
0,5 |
1,48 |
0,53 |
0,16 |
|
1,0 |
0,97 |
0,32 |
0,07 |
|
2,0 |
0,60 |
0,52 |
0,24 |
В качестве размера b используем диаметр описанной окружности ячейки (b = 0,0105 м). В результате было получено выражение:
Учитывая, что всего три отверстия, получим выражение:
где, 
.
Площадь горла ‒ площадь шестиугольника, где е = 0,00525 м – сторона шестиугольника:
.
В результате резонансная частота, Гц, вычисляется по формуле:
Для построенных моделей проведены динамические расчеты с различной частотой колебаний на входе от 1000 до 2000 Гц с шагом в 250 Гц. В газодинамической области были выбраны три контрольных точки с координатами в метрах (0; 0; 0,003), (0; 0; 0,006) и (0; 0; 0,009) (рис. 8).
Рис. 8
В каждой точке выполнена оценка суммарного уровня давления, Па, по формуле:
(10)
где l ‒ уровень давления, Па; N ‒ количество временных шагов; pi ‒ мгновенное давление в контрольной точке; dt ‒ шаг по времени.
Для перерасчета уровня шума в децибелы (Дб) использовалась следующая формула:
, (11)
где Lp ‒ уровень шума, дБ; l ‒ уровень давления, Па; p0 ‒ порог слышимости.
Результаты представлены в виде табл. 5, 6, 7.
Табл. 5
Табл. 6
Табл. 7
5. Уровень шума в точке №1
|
Частота, Гц |
С резьбой М12 |
Без резьбы Ø12мм |
||
|
Па |
Дб |
Па |
Дб |
|
|
1000 |
55,1718 |
128,814 |
57,71642 |
129,205 |
|
1250 |
53,6282 |
128,567 |
55,11052 |
128,804 |
|
1500 |
53,61168 |
128,565 |
56,40571 |
129,006 |
|
1750 |
59,15885 |
129,420 |
63,36488 |
130,016 |
|
1860 |
34,44 |
124,72 |
52,75 |
128,42 |
|
2000 |
61,79057 |
129,798 |
65,57145 |
130,314 |
6. Уровень шума в точке № 2
|
Частота, Гц |
С резьбой М12 |
Без резьбы Ø12мм |
||
|
Па |
Дб |
Па |
Дб |
|
|
1000 |
54,81106 |
128,757 |
57,30402 |
129,1431 |
|
1250 |
53,08164 |
128,478 |
54,60965 |
128,7248 |
|
1500 |
52,86337 |
128,442 |
55,59657 |
128,8804 |
|
1750 |
57,93328 |
129,238 |
61,98944 |
129,8258 |
|
1860 |
34,05 |
124,62 |
52,1 |
128,31 |
|
2000 |
60,3608 |
129,594 |
64,0416 |
130,1086 |
7. Уровень шума в точке №3
|
Частота, Гц |
С резьбой М12 |
Без резьбы Ø12мм |
||
|
Па |
Дб |
Па |
Дб |
|
|
1000 |
54,18422 |
128,657 |
56,58643 |
129,0336 |
|
1250 |
52,13137 |
128,321 |
53,72916 |
128,5836 |
|
1500 |
51,56119 |
128,226 |
54,17883 |
128,656 |
|
1750 |
55,80306 |
128,913 |
59,59036 |
129,4829 |
|
1860 |
33,38 |
124,44 |
50,93 |
128,12 |
|
2000 |
57,86556 |
129,228 |
61,35493 |
129,7364 |
Из представленных данных видно, что наиболее эффективное шумопоглощение происходит на собственной частоте 1860 Гц.
Так же, можно отметить, что на всем исследованном интервале частот конструкция с резьбовым отверстием показала лучший результат шумопоглощения по сравнению с конструкцией, имеющей гладкие отверстия. Прирост эффективности изменяется от 0,24 до 0,59 Дб. При этом лучшие результаты наблюдаются в высокочастотном диапазоне, где наиболее эффективное шумопоглощение происходит на собственной частоте 1860 Гц. На этой частоте суммарный уровень шума в конструкции, имеющей резьбовые отверстия, на 4 дБ ниже, чем в конструкции с гладкими отверстиями.
Необходимо отметить, что в данной работе исследования проводились только для одной ячейки, однако, реальные конструкции ЗПК состоят из огромного массива подобных ячеек, которые полностью покрывают внутреннюю поверхность авиационного двигателя, поэтому использование большего числа ячеек аналогичной конструкции покажет большую эффективность.
Выводы:
На основании выполненной работы сделаны следующие выводы:
- Для достижения высокого качества входных и выходных кромок отверстий необходимо использовать твердосплавное сверло со сменной твердосплавной пластиной.
- Для достижения большего импеданса шумопоглощения в ячейках ЗПК рекомендуется нарезание резьбы в перфорированной обшивке ЗПК.
- Реальные конструкции ЗПК, которые покрывают внутреннюю поверхность авиадвигателя, состоят из огромного массива резонаторов, следовательно, использование большего числа ячеек аналогичной конструкции покажет большую эффективность.
1. Khaletsky, Yu.D. ICAO: new standard for civil aircraft noise // Engine. - 2014. - No.2 (92). - pp. 8-11.
2. H. Meng a, b, X.H. Yang a, b, c, S.W. Ren a, b, F.X. Xin a, b, d, *, T.J. Lu a, b, ** Sound propagation in composite microtubes with surface-mounted fiber roughness elements // Composites Science and Technology. - 2016. - №127. - pp. 158-170.
3. Chigrinets, E.G. Improvement in process of drilling laminated polymeric composites of “Fiberglass-Titanium” type // Author’s Abstract in Competition for Can. Sc. Tech. Degree. - Rostov-upon-Don: DSTU, 2016. - pp. 22.
4. Dudarev, A.S., Svirshchyov, V.I. Effectiveness increase in opening drilling in polymer composites // Engineering Technique. - 2006. - No.7. - pp. 18-22.
5. Kustov, O.Yu., Palchikovsky, V.V. Interferometer for high acoustic pressure // Aerospace Engineering, High Technologies and Innovations. - 2015. - Vol. 1. - pp. 157-160.
6. Fedotov, E.S., Kustov, O.Yu., Khramtsov, I.V., Palchikovsky, V.V. Comparative analysis of acoustic interferometers based on computation-experimental investigations of sound absorbing structure samples // Bulletin of Perm National Research Polytechnic University. Aerospace Engineering. - 2017. - No.48. - pp. 89-103.
7. Dudarev, A.S., Kustov, O.Yu., Khramtsov, I.V., Podvintsev, A.V. Quality impact of opening shaping in sound absorbing structures of aircraft engines upon acoustic characteristics // Aircraft Industry. - 2017. - No.2. - pp. 50-53. Instrumental Solutions of Sandvik Coromant, Russia/CIC. PP “Sandvik”.
8. Catalogue: Instrumental Solutions of Sandvik Coromant, Russia/ CIC. PP “Sandvik”.
9. Fedotov, E.S., Palchikovsky, V.V. Investigations of Helmholz resonator functioning in waveguide with rectangular cross section // Bulletin of Perm National Research Polytechnic University. Aerospace Engineering. - 2014. - No.38. - pp. 107-126.
