航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪噪聲適航性評(píng)估平臺(tái)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張　鴻，江朝振，閆國(guó)華（，.中國(guó)民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院航空工程學(xué)院，：天津300300）

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航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪噪聲適航性評(píng)估平臺(tái)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張鴻1，江朝振1，閆國(guó)華2
（1，2.中國(guó)民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院1航空工程學(xué)院2，：天津300300）

摘要：渦輪噪聲是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要噪聲源，其噪聲評(píng)估對(duì)飛機(jī)適航取證非常重要。為解決渦輪噪聲適航性評(píng)估難的問(wèn)題，將NASA渦輪噪聲預(yù)測(cè)方法和中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲適航標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，利用Matlab GUI軟件設(shè)計(jì)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪噪聲適航性評(píng)估平臺(tái)。該平臺(tái)具有界面友好、操作簡(jiǎn)單、可視化顯示等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)將預(yù)測(cè)結(jié)果與渦輪靜態(tài)測(cè)試噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比以及軟件對(duì)包括渦輪轉(zhuǎn)速、渦輪葉片數(shù)和渦輪直徑對(duì)渦輪噪聲適航性影響分析功能展示，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)平臺(tái)的有效性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：渦輪噪聲評(píng)估；噪聲適航標(biāo)準(zhǔn)；Matlab GUI編程；適航性評(píng)估平臺(tái)；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

引用格式：張鴻，江朝振，閆國(guó)華.航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪噪聲適航性評(píng)估平臺(tái)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2016,42（3）：17-20.ZHANG JIANG Chaozhen，YAN Guohua.Design and application of turbine noise airwortiness assessment platform of turbofan engine[J].Aeroengine,2016,42(3):17-20.

0　引言

渦輪噪聲作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要噪聲源，直接影響到飛機(jī)適航取證和決定該型發(fā)動(dòng)機(jī)能否進(jìn)入市場(chǎng)。發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲評(píng)估以及相關(guān)適航審定技術(shù)的研究，已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注[1-3]。目前，中國(guó)對(duì)民用發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的研究?jī)H處于起步階段，國(guó)內(nèi)學(xué)者雖然已經(jīng)開(kāi)始對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件噪聲和抑制技術(shù)進(jìn)行研究[4-5]，但對(duì)渦輪噪聲的適航性評(píng)估研究還屬空白，因此中國(guó)在自主研發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)缺少渦輪噪聲適航性評(píng)估軟件平臺(tái)。Matlab GUI軟件不但具有無(wú)與倫比的矩陣計(jì)算、可視化建模、仿真和實(shí)時(shí)控制等功能，也是1種簡(jiǎn)單易用、擴(kuò)展性強(qiáng)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。它能夠設(shè)計(jì)界面友好、操作方便的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，已在不同領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[6]。

本文結(jié)合NASA渦輪噪聲預(yù)測(cè)方法和航空器適航合格審定噪聲規(guī)定，使用Matlab GUI軟件進(jìn)行交互界面編程，搭建航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪噪聲適航評(píng)估平臺(tái)。

1　渦輪噪聲適航評(píng)估平臺(tái)設(shè)計(jì)

為規(guī)范渦輪噪聲適航評(píng)估平臺(tái)的構(gòu)建過(guò)程，從系統(tǒng)分析、仿真程序和仿真界面3個(gè)方面設(shè)計(jì)評(píng)估平臺(tái)框架，如圖1所示。

圖1 渦輪噪聲適航評(píng)估平臺(tái)框架

系統(tǒng)分析包括渦輪噪聲參數(shù)選取、參數(shù)無(wú)量綱計(jì)算、渦輪噪聲預(yù)測(cè)模型和噪聲適航評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)4部分，這4部分需要在航空發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)測(cè)試試驗(yàn)參數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，主要目的是為了完成噪聲預(yù)測(cè)的公式推導(dǎo)和渦輪噪聲適航性評(píng)估流程建立。

仿真程序由渦輪參數(shù)導(dǎo)入、參數(shù)無(wú)量綱化、渦輪噪聲計(jì)算和評(píng)估報(bào)告生成4個(gè)程序組成，處理航空發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)，主要目的是為了解決噪聲預(yù)測(cè)的后臺(tái)程序，完成渦輪噪聲適航性評(píng)估后臺(tái)程序編寫(xiě)。

仿真界面分為渦輪參數(shù)輸入、參數(shù)無(wú)量綱化、渦輪噪聲評(píng)估和評(píng)估報(bào)告生成面板4部分，主要目的是為了解決噪聲預(yù)測(cè)平臺(tái)交互界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)渦輪噪聲適航平臺(tái)人機(jī)對(duì)話，并將預(yù)測(cè)結(jié)果與渦輪靜態(tài)測(cè)試噪聲進(jìn)行對(duì)比。

2　系統(tǒng)圖形用戶界面制作與實(shí)現(xiàn)

2.1界面設(shè)計(jì)

渦輪噪聲適航性評(píng)估平臺(tái)包含2個(gè)界面。打開(kāi)程序時(shí)，首先進(jìn)入程序啟動(dòng)界面（如圖2所示），再由啟動(dòng)界面進(jìn)入主界面（如圖3所示），然后由主界面進(jìn)入渦輪參數(shù)導(dǎo)入模塊、無(wú)量綱計(jì)算模塊和噪聲評(píng)估模塊，最終輸出渦輪噪聲適航性評(píng)估報(bào)告。

圖2 仿真平臺(tái)的啟動(dòng)界面

圖3 仿真平臺(tái)的主界面

通過(guò)渦輪參數(shù)導(dǎo)入模塊將渦輪相關(guān)參數(shù)導(dǎo)入系統(tǒng)中，并顯示在顯示面板上，可以通過(guò)參數(shù)修改按鈕和檢驗(yàn)數(shù)據(jù)按鈕進(jìn)行參數(shù)修改和數(shù)據(jù)驗(yàn)錯(cuò)。

參數(shù)無(wú)量綱化模塊能夠?qū)斎氲臏u輪參數(shù)進(jìn)行預(yù)處理，整理出符合要求的無(wú)量綱數(shù)，同時(shí)該面板具有參數(shù)修改和數(shù)據(jù)驗(yàn)錯(cuò)功能。

渦輪噪聲評(píng)估面板包括模式選擇、顯示面板和聲壓級(jí)分析面板，能選擇飛行模式和靜態(tài)模式，并能通過(guò)圖3右上角窗口顯示工作狀態(tài)和分析結(jié)果；評(píng)估報(bào)告的生成可以由分析報(bào)告按鈕直接將分析結(jié)果導(dǎo)出并保存為Excel文件。

2.2程序流程

在結(jié)合以NASA渦輪噪聲預(yù)測(cè)方法和中國(guó)飛機(jī)噪聲適航規(guī)定基礎(chǔ)上，搭建航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪噪聲適航性評(píng)估程序，其在Matlab GUI平臺(tái)設(shè)計(jì)中的工作原理流程如圖4所示。具體步驟如下：

圖4 渦輪噪聲評(píng)估平臺(tái)工作原理流程

（1）建立參數(shù)輸入標(biāo)準(zhǔn)化模塊，計(jì)算渦輪輸入?yún)?shù)，獲得與渦輪噪聲級(jí)相關(guān)的無(wú)量綱數(shù)[7]；

（2）利用無(wú)量綱的聲功率關(guān)系計(jì)算單音噪聲和寬頻噪聲的總聲功率級(jí)[8-10]；

（3）判斷是否為靜態(tài)測(cè)試，即飛行馬赫數(shù)是否為0。如果為0，計(jì)算渦輪單音噪聲和寬頻噪聲的功率頻譜級(jí)，如果不為0，需要引入多普勒因子進(jìn)行修正后再計(jì)算功率頻譜級(jí)[11]；

（4）利用半經(jīng)驗(yàn)公式[12-14]計(jì)算一定距離沿圓弧各角度處的聲壓級(jí)，并與靜態(tài)測(cè)試噪聲數(shù)據(jù)對(duì)比；

（5）通過(guò)適航標(biāo)準(zhǔn)推薦的修正方法[15]對(duì)感覺(jué)噪聲級(jí)進(jìn)行修正，并求出有效感覺(jué)噪聲級(jí)；

（6）進(jìn)行渦輪噪聲級(jí)適航性評(píng)估，包括評(píng)估轉(zhuǎn)速、渦輪葉片數(shù)和渦輪直徑對(duì)噪聲適航性的影響。

3　渦輪噪聲適航評(píng)估平臺(tái)驗(yàn)證與分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)的適用性，將渦輪噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果與某型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪靜態(tài)測(cè)試噪聲進(jìn)行對(duì)比。

3.1某型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪相關(guān)參數(shù)

在靜態(tài)條件下，對(duì)距離某型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪45.7 m處的噪聲進(jìn)行評(píng)估，其性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 某型發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)

3.2預(yù)測(cè)結(jié)果輸出

該型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口軸線夾角為110°下渦輪預(yù)測(cè)噪聲與靜態(tài)測(cè)試噪聲的頻譜特性的對(duì)比情況如圖5所示。

在1/3倍頻程中心頻率為8000 Hz下，該型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪預(yù)測(cè)噪聲與靜態(tài)測(cè)試噪聲的方向性特性的對(duì)比情況如圖6所示。

圖5 110°渦輪預(yù)測(cè)噪聲和靜態(tài)測(cè)試對(duì)比

圖6 8000 Hz渦輪預(yù)測(cè)噪聲和靜態(tài)測(cè)試對(duì)比

從圖5、6中可見(jiàn)，預(yù)測(cè)模型基本上能預(yù)測(cè)出渦輪噪聲的趨勢(shì)和噪聲的分布特點(diǎn)，在渦輪噪聲的核心范圍內(nèi)與靜態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)吻合，二者誤差范圍在5 dB以內(nèi)。

4　渦輪噪聲適航評(píng)估應(yīng)用實(shí)例

為了將設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用推廣，并與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪設(shè)計(jì)結(jié)合，選取某型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪數(shù)據(jù)進(jìn)行適航評(píng)估。將某型渦輪參數(shù)導(dǎo)入該設(shè)計(jì)軟件后的參數(shù)輸入面板如圖7所示。

圖7 渦輪參數(shù)輸入面板

在該轉(zhuǎn)速下，距離渦輪45.7 m處噪聲聲壓級(jí)的等角度分析和等頻率分析結(jié)果如圖8、9所示。

圖8 聲壓級(jí)等角度分析結(jié)果

圖9 聲壓級(jí)等頻率分析結(jié)果

從圖8、9中可見(jiàn)，在該轉(zhuǎn)速下，渦輪噪聲頻譜由單音譜和寬頻譜組成，單音頻譜出現(xiàn)在8000 Hz左右，渦輪噪聲表現(xiàn)出很強(qiáng)的方向性，在與進(jìn)氣口夾角為110°左右時(shí)出現(xiàn)峰值。

研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)近階段的渦輪噪聲占發(fā)動(dòng)機(jī)總噪聲的比例已不容忽視[16]。根據(jù)中國(guó)飛機(jī)進(jìn)近噪聲適航規(guī)定[15]，分析距離在120 m內(nèi)的渦輪噪聲有效感覺(jué)聲壓隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系如圖10所示。

圖10 渦輪有效感覺(jué)聲壓級(jí)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖11 渦輪有效聲壓級(jí)與葉片數(shù)的關(guān)系

從圖10可見(jiàn)，在3200～4000r/min內(nèi)，渦輪轉(zhuǎn)速每提高250r/min，有效感覺(jué)聲壓級(jí)就會(huì)增加1EPNdB左右，但隨著渦輪轉(zhuǎn)速的增大，有效感覺(jué)聲壓級(jí)增加速度有所減緩。在3600r/min下，改變渦輪葉片數(shù)，渦輪有效感覺(jué)聲壓級(jí)隨葉片數(shù)的變化關(guān)系如圖11所示。從圖中可見(jiàn)，渦輪有效噪聲級(jí)先隨著葉片數(shù)的增加而增大，當(dāng)葉片數(shù)在50～70范圍內(nèi)達(dá)到最大，之后隨著渦輪葉片數(shù)增加緩慢減小。有效感覺(jué)聲壓級(jí)最大達(dá)到96 EPNdB，建議在該型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪設(shè)計(jì)時(shí)，渦輪葉片數(shù)應(yīng)小于60或者大于80。

在同樣轉(zhuǎn)速下，渦輪感覺(jué)聲壓級(jí)隨渦輪直徑的變化關(guān)系如圖12所示。

從圖中可見(jiàn)，渦輪有效噪聲級(jí)隨渦輪直徑增大而增大，當(dāng)渦輪直徑大于1.0 m時(shí)峰值角有效感覺(jué)聲壓級(jí)超過(guò)了95 EPNdB，為了使渦輪噪聲不影響該型發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲適航性，建議該型渦輪直徑應(yīng)小于1m。

圖12 渦輪有效聲壓級(jí)與渦輪直徑關(guān)系

5　結(jié)束語(yǔ)

將發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪噪聲預(yù)測(cè)和飛機(jī)適航性評(píng)估結(jié)合，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪噪聲適航性評(píng)估平臺(tái)。通過(guò)與某型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪靜態(tài)測(cè)試噪聲數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了該仿真平臺(tái)的有效性和準(zhǔn)確性。利用該平臺(tái)分析了渦輪有效聲壓級(jí)與轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)和渦輪直徑等重要設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪噪聲適航性評(píng)估平臺(tái)可為中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲適航審定的開(kāi)展提供技術(shù)參考。

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（編輯：栗樞）

Design and Application of Turbine Noise Airworthiness Assessment Platform of Aeroengine

ZHANG Hong1，JIANG Chao-zhen1，YAN Guo-hua2
（1，2 Sino-European Institute of Aviation Engineering1，Aeronautical Engineering Institute2
，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China）

Abstract:Turbine noise is one of the main noise source of turbofan engine,which is important to the airworthiness certification.With the combination of NASA turbine noise prediction method and Chinese aeroengine noise certification standard, a model for noise airworthiness assessment platform of turbine,which has friendly interface,simple operation and visually display was established,and a program by Matlab GUI code was written to solve the difficulty of turbine noise certification assessment.The efficiency and practicability of the platform is verified by comparing the prediction results with static test data of turbine noise and presenting the analysis function of the relation between turbine noise and turbine parameters including turbine rotation speed,number of turbine blades and turbine diameter.

Key words:turbine noise assessment；noise certification standard；Matlab GUI program；airworthiness certification platform；aeroengine

中圖分類號(hào)：V216.5+4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.03.004

收稿日期：2015-09-19基金項(xiàng)目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)中國(guó)民航大學(xué)專項(xiàng)（3122013H001）資助

作者簡(jiǎn)介：張鴻（1978），男，博士，研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)適航審定；E-mail：zhanghong.siae@hotmail.com。