Общая характеристика видов испытаний

• Название: Общая характеристика видов испытаний
• Анкор: ekzam_ispytania_Ad.docx
• Дата: 21.02.2017
• Размер: 4.13 Mb.
• Имя файла: ekzam_ispytania_Ad.docx
• Тип: Документы; #2941
• страница: 4 из 6

36.1 Нормирование выбросов загрязняющих веществ.

К загрязняющим веществам, выбрасываемым авиационными двигателями, относятся: окись углерода, или угарный газ СО; несгоревшие углеводороды - различные углеводородные соединения, представляющие собой продукты разложения и неполного сгорания топлива (СН₄, С₂Н₂, С₂Н₄ и др.) и условно обозначаемые С_хН_у; окислы азота (NO, NO₂) - NO_x (частицы сажи и другие углеродистые вещества, препятствующие прохождению света.

Загрязняющие вещества СО и С_xН_y образуются вследствие неполного сгорания топлива. Окисление азота происходит при высоких температурах (свыше 2 000 К), и поэтому NO_x образуется, главным образом, в локальных зонах при горении смеси стехиометрического состава. Сажевые частицы, приводящие к дымлению двигателей, выделяются в переобогащенных объемах смеси вследствие термического разложения топлива.

В настоящее время разработаны международные и национальные нормы на допустимое содержание загрязняющих веществ в выхлопных газах авиационных двигателей. Принципы нормирования состоят в следующем. Вводится условный цикл взлетно-посадочных операций, представляющий собой перечень режимов работы двигателя при взлете и посадке и их продолжительность. Этот перечень основан на статистических данных для магистральных пассажирских самолетов, предназначенных для дозвуковых и сверхзвуковых скоростей полета, и приведены в табл. 7.1, где - отношение значений тяги двигателя на рассматриваемом и взлетном режимах.

Нормируемым параметром для газообразных компонент является удельная масса выброса _i - масса данного вредного вещества М_i в граммах, выделившаяся за условный цикл взлетно-посадочных операций, отнесенная к величине взлетной тяги двигателя Р_вз в килоньютонах при стандартных атмосферных условиях (В₀=760 мм рт.ст., Т₀=288 К, абсолютная влажность 0,00629 килограмма воды на килограмм воздуха): _i=М_i/Р_вз.

Значения Мi несгоревших углеродов и окислов азота вычисляются при условном предположении, что они находятся в продуктах сгорания в виде метана СН4 и в виде двуокиси азота NO2.

Уровни выделений газообразных веществ не должны превышать нормативных значений, указанных в табл. 7.2 .

На рис. 7.1 приведены графики изменения допустимых значений i в зависимости от значения *к0.

Здесь *к0 - так называемая базовая степень повышения давления, т.е. степень повышения давления в компрессоре на взлетном режиме при стандартных атмосферных условиях и скорости полета равной нулю.

Для двигателей с форсажом допускаются более высокие уровни выделений СО и СН, в особенности при небольших значениях *к0. Это связано с пониженными значениями коэффициента полноты сгорания топлива в форсажной камере по сравнению с основной. Уровни же выделения NOх практически совпадают, так как в форсажной камере окислы азота практически не образуются из-за более низких, чем в основной камере, значений температуры горения локальных объемов смеси состава, близкого к стехиометрическому.

Некоторое увеличение допустимых уровней выхода окислов азота с ростом *к0 объясняется в основном тем, что с ростом *к0 существенно увеличивается образование NOх, так как растут значения температуры за компрессором и, следовательно, максимальные величины температуры горения.

Выход загрязняющего вещества i на каждом режиме работы двигателя характеризуется индексом выброса Ii, который представляет собой количество вещества i в граммах, выделившегося при сжигании одного килограмма топлива. Зная величину Ii на каждом режиме работы двигателя, можно вычислить массу вещества i за цикл:



где Gтj - расход топлива, кг/с; tj - время работы на каждом из режимов условного цикла, с.

Нормирование уровня дымления осуществляется путем использования так называемого параметра выброса сажи D, который характеризует концентрацию сажевых частиц в выхлопных газах, препятствующих прохождению света. Для двигателей с Р_вз>6,53 кН параметры выброса сажи на любом из режимов не должны превышать значения, рассчитанного по формуле

D=83,6(Р_вз)^-0,274.

Для двигателей с Р6,53 кН D50.

Допустимые значения D выбраны в основном из тех соображений, чтобы струя выхлопных газов была практически незаметной при визуальном наблюдении. Естественно, что с ростом тяги двигателя увеличивается диаметр выхлопной струи, и для того чтобы она оставалась незаметной, необходимо уменьшить концентрацию сажевых частиц (рис. 7.2).






Рис. 7.2. Изменение допустимого значения параметра выброса сажи D в зависимости от тяги двигателя на взлетном режиме
Рис. 7.1. Изменение удельной массы выброса газообразных загрязняющих веществ в зависимости от базовой степени повышения давления в компрессоре:

М < 1; М > 1
Испытания по определению воздействия двигателей на окружающую среду

37.2 Основные параметры авиационного шума и его нормирование.

Для количественной оценки шума пользуются усредненными акустическими параметрами, определяемыми на основании статических законов, учитывающих структуру шума и свойства среды, в которой он распространяется.

Принято оценивать шум тремя основными параметрами: силой звука, спектром шума и воспринимаемым шумом.

Сила звука определяется уровнем акустической (звуковой) мощности, звуковым давлением и уровнем звукового давления.

Уровень звуковой мощности в децибелах L_W=10ln(W/W₀), где W - полная звуковая мощность источника, Вт; W₀=10^-12 Вт – условная величина, принятая для сравнения и являющаяся наименьшим пороговым значением.

Звуковое давление - избыточное по отношению к атмосферному среднестатистическому давлению, порождаемое звуковыми волнами: p_зв=(J_зв/₀a₀)^0,5, где J_зв - интенсивность (сила) звука, Вт/м²; /₀ и a₀ - плотность атмосферного воздуха и скорость звука в нем. Приборы, применяемые при акустических измерениях, воспринимают звуковое давление и измеряют его в определенных полосах частот, выделяемых с площадью частотных фильтров.

Уровень звукового давления (уровень интенсивности звука) в децибелах L=20lg(р_зв/р_зв0)=10lg(J_зв/J_зв0), где J_зв0=10^-12 Вт/м и р_зв0=2^.10^-5 Па - минимальные значения интенсивности звука и звукового давления, соответствующие порогу слышимости. Из формулы видно, что увеличение уровня звукового давления примерно на 3 дБ означает удвоение силы звука. Верхний, «болевой» порог восприятия звука ухом человека зависит от частоты звука и соответствует J - 100 Вт/м² или L - 140 дБ. При шуме более 80 дБ рекомендуется использовать защиту органов слуха. Распространение звука в дальнем звуковом поле, где влияние конечных размеров и форм излучателя звука на характеристики звукового поля несущественны, определяется соотношением L=L₁-20lg(r/r₁)-А, где L – известный уровень звукового давления на заданном расстоянии r₁; А - дополнительное ослабление звука в атмосфере в результате поглощения звука воздухом, туманом, дождем, снегом, растительностью, стенами и др. Из формулы видно, что для идеальной среды (А=0) уровень интенсивности звука при удвоении расстояния уменьшается примерно на 6 дБ.

Спектр шума - распределение уровня интенсивности звука по частоте. Ухо человека воспринимает звуки в диапазоне частоты от 16 до 2^.10⁴ Гц. При определении спектра шума двигателя весь диапазон частот разделяют на отдельные полосы, соответствующие октаве или ее 1/3. Октавой называется интервал между частотами, отличающимися в два раза: f₂=2f₁. Для 1/3 октавы соотношение между конечной частотой полосы и начальной будет . В качестве стандартного используется 1/3- октавный спектр в диапазоне средних частот f_ср=50...10 000 Гц, включающий 24 полосы. Измеряют средние уровни звукового давления в каждой отдельной частотной полосе, относя их к среднегеометрическим частотам. В результате получают спектры шума двигателя (рис. 7.8), имеющие, как правило, непрерывную основу (широкополосный или «белый» шум) 1 с наложенными на нее пиками интенсивности 2 в области средних частот, связанными с работой лопаточных машин (дискретные составляющие или тональный шум). Общий уровень звукового давления равен сумме относительных величин силы звука в каждой из n рассматриваемых частотных полос спектра: .


Рис. 7.9. Равные уровни, воспринимаемого шума

Рис. 7.8. Спектр шума двигателя:

1 - шум реактивной струи; 2 - шум вентилятора
Воспринимаемый шум оценивает качественные особенности субъективных ощущений акустического шума органами слуха и организмом человека. Воспринимаемый шум зависит не только от силы звука, но и от спектра шума и продолжительности его действия.

Частотный состав шума учитывается системой оценки PNL, в которой уровень воспринимаемого шума выражается в специальных единицах - PN дБ, учитывающих различное раздражающее действие авиационного шума разной частоты. На рис. 7.9 показана полученная опытным путем зависимость, связывающая уровень звукового давления L с уровнем равного воспринимаемого шума в PN дБ при разных частотах. Видно, что наиболее чувствительно ухо человека к частотам 3 000...5 000 Гц. Они самые неприятные для человека. Лучше воспринимаются звуки низких частот. Одинаково воспринимается звук с f100 Гц и L=107 дБ и звук с f4 000 Гц и L90 дБ. несмотря на то, что их интенсивности отличаются в десятки раз. По измеренным в каждой из 24 полос стандартного 1/3-октавного спектра уровня звукового давления L согласно графикам, аналогичным приведенным на рис. 7.9, определяют уровень воспринимаемой шумности в отдельных полосах спектра PNL_i, а затем уровень суммарной воспринимаемой шумности по формуле PNL_=0,85PNL_max+0,15, где PNL_max - наибольшая из 24 значений PNL_i. Величины PNL численно совпадают с уровнем звукового давления L на кривых равной шумности при f=1 000 Гц. Увеличение уровня воспринимаемого шума на 10 PN дБ физиологически соответствует удвоению его раздражающего действия.

Продолжительность воздействия и дискретные составляющие шума совместно с частотным составом шума учитываются системой оценки EPNL, в которой эффективный уровень воспринимаемого шума выражается в EPN дБ, установленных ГОСТ 17229-85.

Система EPNL используется для нормирования максимально допустимых уровней авиационного шума на местности.

Воздействию авиационного шума (90 PN дБ и выше) при взлете и посадке подвергаются значительные районы (до ста квадратных километров) в окрестности взлетно-посадочной полосы аэродрома. Например, обычный уровень городского шума в промышленном районе с интенсивным движением равен 85 PN дБ, а в жилом районе днем – 65 PN дБ.

Размеры зоны воздействия авиационного шума в основном зависят от типа двигателей, их тяги, расположения на самолете, траекторий набора высоты или посадки, режимов использования двигателей. Основной источник авиационного шума - двигатель, однако иногда аэродинамический шум планера может быть соизмерим с шумом двигателя вследствие большой механизации крыла или интенсивных эволюции в полете.

Максимально допустимые уровни авиационного шума самолета являются его характеристикой. Эти уровни не должны превышаться, если самолет получил сертификат летной годности. Максимально допустимые уровни шума реактивных самолетов на местности устанавливаются требованиями стандарта ИКАО по шуму и ГОСТов.
38.3 Экспериментальное исследование шума двигателя.

При опытных испытаниях авиационных ГТД получают акустические характеристики двигателя, которые (в отличие от самолета) не нормируются.

Акустической характеристикой ГТД называется зависимость спектров уровня шума и суммарных уровней звукового давления от режимов и условий работы ГТД.

Акустические характеристики авиационных ГТД исследуются для достижения следующих целей:

• 
  уменьшения вредного воздействия шума всего двигателя и отдельных источников шума в нем на человека и окружающую среду;
  
• 
  определения эффективности конструкторско-технологических мероприятий по снижению уровня шума от двигателя;
  
• 
  определения акустических нагрузок на элементы конструкции силовой установки и самолета;
  
• 
  ориентировочных расчетов авиационного шума на местности Л А с данным двигателем;
  
• 
  разработки эксплуатационных приемов уменьшения авиационного шума (трассы минимального шума, предпочтительной по шуму ВПП, многосегментной глиссады, аэродромного глушителя шума при наземной проверке двигателей и др.);
  
• 
  диагностики двигателя и его узлов, так как появление неисправностей в системах двигателя ведет к появлению новых источников аэродинамического шума и, следовательно, к изменению спектра шума при работе двигателя.
  

Акустическую характеристику ГТД определяют при стендовых испытаниях. Она распространяется на все двигатели данного типа, содержится в акустическом свидетельстве на двигатель и не связана с возможным использованием испытываемого двигателя на конкретном самолете.

Исследование шума двигателя проводят на открытых стендах [12]. После установки двигателя на стенд определяют основные характеристики (тягу, расход топлива по линии рабочих режимов и др.) установившихся режимов, на которых измеряется шум.

В дальнем звуковом поле шум измеряется на полуокружности, расположенной сбоку от двигателя. Центр измерительного пояса располагается в пределах вертикального цилиндра, основанием которого является окружность с диаметром, равным длине исследуемого, двигателя. Радиус окружности измерительного пояса равен 100 м. Допускается измерение и на измерительных поясах 50 и 150 м. Места, в которых устанавливаются микрофоны, располагаются на полуокружности через 10. Отсчет углов начинается от входа в двигатель (0 - против входа, 180° - против выхода из двигателя). Схема расположения точек измерения шума приведена на рис. 7.10.

При ближнем звуковом поле шум измеряется в точках 18...21 (рис. 7.11). Эти точки располагаются в плоскости оси двигателя.

Измерение шума требует точной и надёжной аппаратуры, удовлетворяющей следующим требованиям:

• 
  равномерность частотной характеристики на каждой октавной полосе не должна превышать ±3 дБ;
  
• 
  погрешность измерительного тракта с учетом градуировочных кривых не должна превышать ±2 дБ;
  
• 
  уровень внутренних шумов на всех диапазонах измерения должен быть, крайней мере, на 5 дБ ниже измеряемого значения;
  
• 
  микрофон должен быть малонаправленным во всем диапазоне частот.
  

Измерения шума двигателя должны проводиться при следующих атмосферных условиях: отсутствие осадков, температура воздуха у земли -10...+30 °С, влажность воздуха 40...90 %, скорость ветра не более 5 м/с на высоте 10 м. Рекомендуется проводить измерения в ночные часы. Атмосферные условия должны регистрироваться каждые 20 мин.

Акустическая характеристика ГТД, полученная при испытаниях, действительна для таких модифицированных двигателей, которые по сравнению с испытанным не имеют



Рис. 7.10. Схема расположения точек измерения шума в дальнем звуковом поле
конструктивных отличий в лопаточной части турбокомпрессора низкого давления, в проходных сечениях и обводах реактивных сопел, в размещении и свойствах звукопоглощающих конструкций в двигателе, в программах работы автоматики.

При разработке нового двигателя и при доводке существующих двигателей необходимы подробные акустические исследования элементов ГТД. Для этих целей созданы специальные стенды, называемые безэховыми звукоизолированными камерами.



Рис. 7.11. Схема расположения точек измерения шума ближнем звуковом поле

Испытываемый узел двигателя помещают внутри камеры. На поворотной балке установлены микрофоны, которые позволяют определить уровень звукового давления в различных точках поля.
39.4 Шумоглушение при испытаниях двигателей.

При испытаниях ГТД необходимо не превышать максимально допустимых уровней шума на территории окружающей жилой застройки, в общественных и рабочих помещениях, располагающихся в окрестности аэродрома или открытого стенда.

Нормируемыми параметрами шума являются максимальные уровни звука L_А в децибелах и эквивалентные уровни звука L_Аэкв в децибелах. 1

Эквивалентный уровень звука рассчитывается по формуле J



где t - время, с; Т - период наблюдения, равный 57 600 с для дневного времени (с 7 ч 00 мин до 23 ч 00 мин) и 28 800 с для ночного времени; n - номер испытания двигателя; N - число испытаний за период наблюдения; - начальный момент воздействия n-го испытания, начиная с которого уровень звука превышает звуковой фон; - конечный момент испытания.

Максимальные уровни шума L_А днем не должны превышать 85 дБ, а ночью (с 23 до 7 ч) - 75 дБ; эквивалентные уровни днем не должны быть более 65 дБ, а ночью - 55 дБ.

Снижение шума в помещениях и на местности при испытаниях ГТД достигается:

• 
  применением шумоглушения в испытательных боксах, всасывающих и выхлопных шахтах;
  
• 
  конструктивными доработками испытываемого, а также вспомогательного двигателей;
  
• 
  строительно-планировочными мероприятиями.
  

Шумоглушение на стенде осуществляется использованием различных видов глушителей: камерных, пластинчатых, экранных, реактивных, активных. Камерные глушители представляют собой расширительные устройства в виде параллелепипеда с постепенным переходом в цилиндрический канал. В пластинчатых глушителях внутренний канал заполнен пластинами из звукопоглотителя. Экранные глушители имеют вид дефлекторов, состоят из звукопоглощающего материала, металлической предохранительной сетки и каркаса и снижают уровень звукового давления на 15...25 дБ. Глушители активного типа характеризуются облицовкой внутренней части звукопоглощающим материалом. Реактивные глушители работают по принципу акустического фильтра представляют собой ряд последовательно соединенных каналов-камер. Возможны комбинированные глушители, сочетающие указанные выше типы.

Рекомендуется следующая последовательность расчетов при проектировании шумопоглощающих устройств:

• 
  определение по нормативным документам допустимого уровня шума L_доп;
  
• 
  определение требуемого снижения уровня звуковой мощности в глушителе по формуле
  

.

где L_W - уровень звуковой мощности источника шума; r - расстояние от источника шума до расчетной зоны, м; L_a - снижение интенсивности шума в атмосфере;  - телесный угол, в который излучается шум;

• 
  выбор типа глушителя по величине AL_тр;
  
• 
  гидравлический и акустический расчеты глушителя; конструкторская разработка шумоглушащего устройства.
  

Возможны следующие конструктивные пути снижения шума от испытываемого или вспомогательного двигателей: использование одноступенчатого вентилятора без входного направляющего аппарата, увеличение осевого зазора между рабочим колесом и спрямляющим аппаратом компрессора, согласование числа лопаток венцов, применение шумоглушащих сопел, использование звукопоглощающих конструкций (ЗПК). Звукопоглощающие/конструкции являются эффективными поглотителями шума внутренних источников ГТД. Типичная ЗПК состоит из сотового заполнителя и перфорированной обшивки, расположенных со стороны потока. Акустические характеристики ЗПК зависят от большого числа факторов, поэтому ее математическая модель в условиях, приближающихся к реальным, может быть получена лишь экспериментально. Значительное сокращение затрат на получение статистической математической модели ЗПК может быть достигнуто применением методов теории планирования экспериментов.