Применение резонансных звукопоглотителей для подавления высокоинтенсивных акустических колебаний в камерах сгорания

Электронный журнал «Техническая акустика»

Совершенствование методов определения характеристик и использования резонансных звукопоглотителей (РЗП) в технических устройствах и камерах сгорания при наличии акустических колебаний высоких уровней по-прежнему является актуальной задачей [1-4].

Известные методы и устройства для определения характеристик РЗП ограничены расчетами и экспериментами при низких уровнях звукового давления и ограниченном частотном диапазоне [2]. Представляемая автором статьи установка (интерферометр) для измерения акустического импеданса звукопоглотителей, работающая на основе метода стоячих волн имеет определенные преимущества. Аналог установки описан в работе [5]. Для реализации высоких уровней звукового давления был выбран источник с высокой акустической мощностью и легко регулируемый по частоте, а именно газодинамическая тональная сирена. Разного типа громкоговорители, ввиду их ограниченной мощности для этого случая не подходили. В работе [6] было показано, что при потоках, сопровождаемых работу сирены, поправочный коэффициент в классическую формулу для расчета импеданса при малых числах Маха (М≪1) можно не вводить. Поэтому установка для измерения импеданса РЗП была сконструирована так, чтобы на участке трубы, являющейся составной частью интерферометра и где выполняются измерения, газовый поток был мал М≪1. Для реализации этого требования один конец интерферометра выполнен с коленовидным разветвлением (рис. 1).

Рисунок 1.

Схема установки для измерения импеданса РЗП:

1 – импедансная труба; 2 – участок с звукопоглотителем; 3 – поршень для настройки на резонанс; 4 – камера с испытуемыми образцами; 5 – акустический датчик; 6 – источник сжатого газа; 7, 10 – газовые редукторы; 8 – газодинамическая сирена; 9 – координатное устройство; 11 – расходомер, 12 – измерительный блок

Установка была использована для измерения акустического импеданса резонансных звукопоглощающих элементов, работающих в условиях проходящего через них потока и без потока [9]. На рисунке 2 показаны резонаторы с различными по конструкции горловинами.

Рисунок 2.

Конструкции элементов резонансных звукопоглотителей. Под № 1 показана система установки элемента РЗП с прохождением через него газового потока

Задняя стенка, представленного на рисунке 2 резонатора № 1 выполнена с каналом, через который можно пропускать сжатый газ. Благодаря такому устройству добротность резонатора можно было регулировать в широких пределах. Установка позволяла измерять добротность резонатора при уровнях звукового давления до 170 дБ.

Схема гидродинамического стационарного течения в круглом цилиндрическом патрубке изображена на рисунке 3.

Рисунок 3.

Схема течения газа в резонаторе: а - первый полупериод колебаний (втекание);

б - второй полупериод колебаний (вытекание). Здесь S площадь сечения горловины резонатора, S 0 площадь поперечного сечения резонатора

В области 1 происходит сужение потока до сечения a0S и торможение его за счет возбуждения турбулентности в пристеночной области. В работе, выполненной автором совместно с А. В. Римским-Корсаковым и др. [6], была выведена формула для расчета R - полного активного сопротивления РЗП на резонансе:

R = 1/2 [Яизл ■ 8^ (^-1

+ к—^ +j

^[ ^ изл ⁺ ®тр ⁽ Ф 1 + ^   ^1)]2

--<^Р--’ зкуРо

где Лизл = S(w/c)2/2ti - коэффициент сопротивления излучения горловины в полубесконечную среду, RTp =

(2прры\ /2 I

\ S ) рС

р - плотность среды, c - скорость звука,

l - длина горловины резонатора, w - круговая частота, А = ф(1 — г0 а0)2 + k(1 — £0а0)2, где ф - коэффициент торможения потока, £0 = S/S0 - коэффициент перфорации, Р0 - статическое давление в среде, Рт - амплитуда звукового давления в среде около резонатора, ц — коэффициент вязкости среды в резонаторе, и0к - скорость течения потока наружу, и0^ - скорость потока течения внутрь резонатора, y - показатель адиабаты среды.

Если горловина настолько коротка, что ядро течения не касается ее стенок, и, после сужения расширяясь, касается сразу стенок объема резонатора, то формула для R несколько видоизменяется и принимает вид:

R= 1 ^R™ + к 2            4+'

N

n ² _ ^А изл

^8Pm A злуРо

.

Результаты расчета Rr= R/eo по формуле (1) для длинной цилиндрической горловины представлены на рисунке 4.

Рисунок 4

Зависимость добротности Q и активного сопротивления R_r от уровня звукового давления Р для резонаторов двух типов: А – с профилированной горловиной, В – с цилиндрической горловиной и острыми краями

Обоснование эффективности метода профилирования горловины резонатора для регулирования его добротности дана в работе [8]. Из графика на рисунке 5 видно, что профилирование горловины резонатора снижает его активное акустическое сопротивление (кривые 6 и 7).

Рисунок 5.

Зависимость активного сопротивления резонаторов, представленных на рисунке 2, от уровня звукового давления при постоянном коэффициенте перфорации

Натурные испытания резонаторов проводилась в камерах сгорания в условиях наиболее часто реализующихся на практике двух видов высокочастотной неустойчивости: продольной и тангенциальной мод автоколебаний. Для исследования влияния конструкции резонаторов при продольных автоколебаниях использовалась камера сгорания [6], схема которой показана на рисунке 6 .

Рисунок 6.

Камера сгорания:

• 1    – внутренняя стенка корпуса камеры;

• 2    – поршневая конструкция с топливоподводящей головкой 3; 4 – полость резонатора с подвижным поршнем – 5; 6 – цилиндр для размещения горловин резонатора различных конструкций; 7 – зона горения; 8 – подвижные охлаждаемые водой сопла 9.

Изменение частоты возникающих продольных автоколебаний при горении заранее приготовленной смеси осуществлялось возвратно-поступательным перемещением задней стенки 5 (рис. 6) камеры для подготовки смеси 4. Изменение интенсивности акустических колебаний при горении осуществлялось установкой в полость 6 различных конструкций горловинной части резонаторов, исследованных в интерферометре. Изменение демпфирующих свойств резонаторов достигалось как размещением в них пористых материалов, так и пропусканием через горловину потока газа с заданной скоростью [6, 8].

При горении топливной смеси в камере возбуждались тональные звуковые колебания с частотой от 500 Гц до 900 Гц. Устойчивый срыв продольных автоколебаний происходил при установке в камере резонатора с профилированной горловиной, добротностями около 18 и величиной безразмерного активного сопротивления 0,1. В целом, наилучшие условия для гашения автоколебаний достигаются при значении модуля акустической проводимости:

А

о

-'      ■

SR 1

^ 1,

где о и S, соответственно, площади поперечных сечений горловины резонатора и камеры, Q и Rx - добротность и активное сопротивление резонатора, у = — — отношение ы собственной частоты резонатора к частоте автоколебаний.

Выбирая из этих условий конструкцию резонатора, можно обеспечить его минимальные габариты и при этом добиваться гашения автоколебаний. Экспериментально было получено полное гашение автоколебаний при коэффициенте перфорации (отношение площадей горловины резонатора и камеры) равном 1%.

Для исследования влияния конструкции РЗП на тангенциальные моды колебаний использовалась камера сгорания аналогичной конструкции [7], что и приведенной на рисунке 6, но большего диаметра (150 мм). Звукопоглощающие элементы размещались в теле сменной форсуночной головки, которая была выполнена в виде плоского диска 1 (рисунок 7) с каналами для подачи топливной смеси 5 и РЗП разных конструкций [7, 10].

Рисунок 7.

Форсуночная головка камеры с РЗП. 1 – корпус форсуночной головки; 2 – 3 –РЗП;

4 – регулируемый объем РЗП; 5 – каналы для подачи топливной смеси; 6 – резьбовые заглушки

Настройка резонаторов производилась изменением глубины полости резонатора с помощью резьбовых вставок 6. В камере сгорания возникали акустические колебания с уровнем до 175 дБ и частотой 3 кГц. Область существования колебаний определялась в параметрах G ^ (кг/с) (суммарный расход окислителя и горючего) по оси ординат и а изб – коэффициент избытка окислителя, отложенного по оси абсцисс.

Рисунок 8.

Области высокочастотной неустойчивости (ВЧ) при различном расположении резонаторов: 1 – резонаторы закрыты; 2 – симметричное расположение резонаторов; 3 – несимметричное расположение резонаторов и настройка их на частоты, отличающиеся друг от друга на ± 6%

В камерах сгорания наиболее часто реализуются тангенциально-продольные моды колебаний, узловой диаметр которых вращается. Этот факт был подтвержден экспериментально путем измерения акустического давления несколькими охлаждаемыми датчиками, расположенными как по окружности, так и вдоль камеры. Для повышения эффективности РЗП вносилась асимметрия в их расположении в форсуночной головке, что позволяло остановить вращение узлового диаметра. Кроме того в связи с тем, что частота автоколебаний изменялась по мере изменения параметров G ^ и а применялся метод настройки резонаторов в диапазоне частот ± 6 % относительно средней частоты процесса. На рисунке 8 отображено, как изменяется область высокочастотной неустойчивости при реализации этих способов. Видно, что область 3 тангенциально-продольных автоколебаний значительно меньше области 2, причем уровень звукового давления в области 3 значительно ниже, чем в области 2 на ~20 дБ.

ВЫВОДЫ

• 1.    Предложена конструкция установки (интерферометра) для измерения параметров

• 2.    Приведены формулы для расчета активного сопротивления резонаторов как с

• 3.    Экспериментальные исследования акустических автоколебаний в камерах

резонансных звукопоглотителей, используемых в различных устройствах при высоких уровнях звукового давления.

длинными, так и с короткими горловинами. Показана возможность их использования в камерах сгорания различных установок.

сгорания позволили оптимизировать, как формы РЗП, так и расположение их на форсуночной головке камер, приводящие к значительному сужению области автоколебаний и их интенсивности.