Мощно и бесшумно – ученые ПНИПУ нашли баланс в создании деталей для авиадвигателей⁠⁠

При взлете самолета шум от реактивной струи авиационного двигателя может достигать 110-130 дБ, что при нахождении рядом вызывает у человека и животных болевые ощущения и даже может привезти к контузии. Для решения проблемы применяют комплексные меры, например, запрет на возведение рядом c аэропортами жилых домов и разработку новых методов посадки и взлета, но ключевая задача ложится на авиаконструкторов. Главный источник шума – это двигатель. С одной стороны, инженеры разрабатывают звукопоглощающие материалы, ими облицуют внутренние каналы двигателя, а еще обшивают салон. С другой стороны, б́́ольшая доля проблемы лежит на звуках от реактивной струи газов. Наиболее эффективный метод снижения шума – уменьшение скорости выхода газов за счет увеличения диаметра двигателя. Но такой подход приводит к тому, что размер и масса становятся больше, а аэродинамические характеристики самолета ухудшаются. Сейчас ищут другой путь – менять конструкции деталей двигателя, например, сопел. Ученые ПНИПУ выяснили, какая из них наиболее эффективна.

Исследование опубликовано в издании «Акустический журнал» том 69, №6 за 2023 год. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант РНФ 22-72-00063).

Реактивное сопло – деталь авиационного двигателя, которая нужна для создания реактивной струи. Ее задача привести в движение самолет и разогнать его для взлета. Обычно сопло имеет на срезе форму сужающегося конуса. Это обеспечивает наименьшие потери тяги – той силы, которая вырабатывается двигателем, и толкает самолет сквозь воздушную среду.  Часто использование различных устройств по снижению шума приводит к увеличению потери мощности двигателя. Важно найти баланс, чтобы такие устройства эффективно боролись с шумом при минимальной потере тяги.

В настоящее время чаще всего применяют шевронные сопла. Вдоль их кромки есть треугольные зубцы, которые улучшают смешение между струей и окружающим воздухом. В результате низкочастотный шум струи газов снижается, однако на высоких частотах он, наоборот, увеличивается.

Другой тип сопел – гофрированные, они имеют волнообразные складки на срезе. Уже проводились исследования такой формы сопел, но с малым числом гофр – от 4 до 6 штук. При этом эффект снижения шума при использовании малого числа гофр такой же, как и у шевронных сопел. В области низких частот наблюдается снижение шума, а на высоких частотах шум увеличивается. Ученые ПНИПУ задались вопросом: можно ли сделать их более эффективными, увеличив количество гофр.

С помощью нескольких заготовок политехники исследовали, как параметры гофров (складок) влияют на звуки от реактивной струи. Для этого они напечатали на 3D-принтере сопла из термопластика с  разным количеством и размерами лепестков. Результаты измерений сравнивали со стандартным коническим соплом.

Политехники проанализировали показатели и выяснили, что увеличение числа лепестков до 12 штук и амплитуды гофров расширяет возможности снижения звука. В результате исследования удалось не только уменьшить уровень шума, но и увеличить частотный диапазон, в котором он происходит. Одинаковые результаты получили в двух лабораториях. Одна находится в Центральном аэрогидродинамическом институте, а вторая – в ПНИПУ.

Движение самолета происходит под воздействием тяги, которая возникает, когда струя газов выходит из сопла. Так как конструкции для снижения шума приводят к потерям тяги, ученые Пермского Политеха провели дополнительные вычисления. Эти расчеты показали, что с ростом числа лепестков и их размеров реактивная сила действительно уменьшается. Если оценивать потери тяги в сравнении с базовым коническим соплом, то на всех скоростях струи тяга сопла с различным числом и размерами лепестков не превышает 0.4–0.6%, что соизмеримо с результатами, получаемыми для шевронных сопел.

– Использование сопел с увеличенным количеством лепестков (а именно 12 штук) снижает звук до 2–3 дБ в диапазоне частот 20–20000 Гц. При этом такая конструкция приводит к небольшому  ухудшению тяговых характеристик, поэтому результат мы считаем положительным, а исследования способов снижения шума реактивных струй планируем продолжать, – объясняет доцент кафедры ракетно-космической техники и энергетических систем ПНИПУ Игорь Храмцов.

Ученые Пермского Политеха создали и протестировали различные варианты конструкции гофрированных сопел. При их использовании на практике самолеты можно сделать тише на несколько децибел и, следовательно, безопаснее для людей и животных. Результаты исследования помогут производителям самолетов создавать экологичные сопла с минимальными потерями тяги.