噪聲技術(shù)在航空發(fā)動機中的運用

◎許榮兵

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

一、航空發(fā)動機的噪聲分類

目前民航飛機的發(fā)動機噪聲主要分為以下幾種類型：風扇噪聲、渦輪噪聲、噴流噪聲以及燃燒噪聲等。另外，還有機械振動噪聲、軸承噪聲等多種噪聲類型。

風扇噪聲：風扇噪聲是航空發(fā)動機中比較重要的噪聲源之一，是民航發(fā)動機制造中主要噪聲控制點。當發(fā)動機在工作時，主要從兩個方面會產(chǎn)生風扇噪聲。一方面，當風扇在高速轉(zhuǎn)動時，與空氣接觸后會產(chǎn)生比較多的渦流，這些渦流會在力的作用下產(chǎn)生多個子渦流，這些渦流及分裂出來的子渦流會與空氣發(fā)生碰撞，從而出現(xiàn)比較大的噪聲；另一方面，發(fā)動機的風扇葉片在高度旋轉(zhuǎn)時，會與空氣發(fā)生碰撞，葉片會將空氣快速進行切割，這樣就會出現(xiàn)比較風扇噪聲。當發(fā)動機滿負荷運行時，噪聲分貝會更高。如果按照發(fā)動機的轉(zhuǎn)速進行分類，在發(fā)動機風扇轉(zhuǎn)速較快時，主要表現(xiàn)出的是旋轉(zhuǎn)噪聲，而轉(zhuǎn)速偏低時，通常表現(xiàn)出來的是渦流噪聲。

噴流噪聲：噴流噪聲是航空發(fā)動機的主要噪聲源之一，尤其在民航飛機中表現(xiàn)的更為突出。在發(fā)動機噴口處噴射出來的高速氣流會與空氣出現(xiàn)快速擾動，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。當發(fā)動機的噴流越大、速度越高，則產(chǎn)生的噪聲越大。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，飛機制造事業(yè)也迎來了比較大的轉(zhuǎn)變，現(xiàn)階段的民用航空發(fā)動機也在逐漸增大涵道比。涵道比逐漸增多，發(fā)動機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)動機中噪聲的主要來源。燃燒噪聲的產(chǎn)生有比較多的來源，主要來源是燃料在燃燒過程中產(chǎn)生的，產(chǎn)生地點為燃燒室。當燃燒室內(nèi)的壓力出現(xiàn)比較明顯的無規(guī)律變化，就會出現(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)動機燃燒室內(nèi)的燃料燃燒更充分，產(chǎn)生的燃燒擾動越小，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)動機中的運用分析

1.燃燒噪聲的抑制技術(shù)分析。

航空發(fā)動機的燃燒室主要分為主燃燒區(qū)和混合燃燒區(qū)。隨著發(fā)動機制造技術(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)動機的燃燒室進口溫度也逐漸提升，同時燃燒室的整體尺寸也有了比較大的轉(zhuǎn)變，燃燒室長度變得更短。現(xiàn)階段的航空發(fā)動機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題更明顯，對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)階段的實際情況來看，發(fā)動機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)動機的核心機內(nèi)部，由于核心機結(jié)構(gòu)的復雜性和外部壓氣機、渦輪葉片的阻擋，發(fā)動機燃燒室噪聲在傳播過程中會發(fā)生聲能和聲壓上的衰減，輻射到遠場的燃燒室噪聲可以認為不是航空發(fā)動機的主要噪聲源；其次，當航空發(fā)動機的功率在一個大范圍內(nèi)變化時，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)動機的噪聲。

考慮到發(fā)動機燃燒室噪聲的降噪措施，可以采用以下幾種方法；均勻噴油，保證燃燒時的放熱率，減小燃氣的密度脈動；使用多個噴油嘴，減小氣流壓力脈動；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，適當降低噴流速度可以大幅度的減少噴流噪聲，是簡單而且有效的噪聲抑制技術(shù)。從過去噴氣時代到現(xiàn)在大型渦輪風扇發(fā)動機時代，發(fā)動機的涵道比不斷增加，噴流噪聲也從最初占發(fā)動機噪聲主導地位變成現(xiàn)在與葉輪機噪聲等相當?shù)臄?shù)量級。在發(fā)動機性能方面，如果只降低發(fā)動機的噴氣速度，那么發(fā)動機的推力會大幅度減小，增加涵道比正好解決了發(fā)動機推力減小的問題，提高了發(fā)動機的進氣流量，不僅彌補了推力的損失，而且增加了發(fā)動機的推力。隨著涵道比增加，噴流噪聲顯著減小。

3.風扇噪聲及渦輪噪聲的抑制技術(shù)分析。

首先，增大涵道比，并用單級風扇代替多級風扇。增大潤扇發(fā)動機的通道比，其結(jié)果是降低了噴流速度從而降低了噴流噪聲，同時經(jīng)濟性也得到改善高通道比渦璃發(fā)動機，風扇噪聲占主導地位，在設(shè)計中考慮用單緩風扇代替多級風扇，將使風扇噪聲有明顯下降，從而降低發(fā)動機總噪聲級。隨著桶道比的增大，風扇噪聲略有增加。這是由于風扇尺寸增大，風扇中空氣流量增大的緣故。

首先，對于風扇、壓氣機和渦輪，采用的主要降噪措施是：改多級風扇設(shè)計為單級風扇；恰當選取轉(zhuǎn)子和靜子的葉片數(shù)目，這個參數(shù)決定了管內(nèi)干涉噪聲能否被“截止”；適當增大轉(zhuǎn)子和靜子間的軸向間歇，以減小氣流擾動強度；盡可能使進口流場均勻，減小來流畸變。在設(shè)計低噪風扇、壓氣機和渦輪時，還需要考慮轉(zhuǎn)子葉片的葉尖速度、葉片間距、后掠角、級壓比、輪轂比以及葉片弦長等幾何參數(shù)。

結(jié)語：航空運輸業(yè)的快速發(fā)展，以及航空發(fā)動機技術(shù)的逐漸成熟，人們對于航空發(fā)動機的噪聲關(guān)注度更高，解決航空發(fā)動機噪聲問題也變得更為緊迫。要想做好航空發(fā)動機的噪聲抑制，就需要對航空發(fā)動機噪聲源進行全面分析，對噪聲的產(chǎn)生原理以及噪聲的傳播特點等方面進行分析，同時不斷完成對噪聲技術(shù)的創(chuàng)新，建立更為科學的數(shù)據(jù)分析模型，這樣才能實現(xiàn)降低發(fā)動機噪聲的目的，并推動航空事業(yè)的健康發(fā)展。