CN112924180B - 基于发动机喷管缩比模型的喷流噪声主动控制试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于发动机喷管缩比模型的喷流噪声主动控制试验平台，包括涡扇发动机喷管缩比模型、供气系统、降噪试验舱、噪声频谱测量装置、电动阀门和控制器。通过微喷流流量和外涵道导流叶片构型与角度的变化对喷流噪声辐射的大小进行调节，试验件为发动机喷管的缩比模型，包含带微喷流的喷管试验件和多种外涵导流叶片构型的喷管试验件。供气系统采用螺杆式空气压缩机和高压气罐，通过调整电动阀门改变进入内外涵道的空气和微喷流流量。噪声频谱测量装置包含噪声频谱测量仪、麦克风阵列和信号处理软件，在线采集声音信号处理与分析。喷管缩比模型和噪声频谱测量装置均放置于安装吸声材料的试验舱内。优点：灵活度高、试验便捷、成本低。

Description

基于发动机喷管缩比模型的喷流噪声主动控制试验平台

技术领域

本发明是一种基于涡扇发动机喷管缩比模型的喷流噪声主动控制试验平台，属于航空发动机噪声控制技术领域。

背景技术

喷流噪声是飞机最主要的噪声源之一，目前航空发动机喷流降噪技术多为被动噪声控制技术，能够降低航空发动机噪声的潜力已经不大，且大多对于发动机的推力性能具有负面影响，由于被动降噪技术需要按照最苛刻的工况和噪声指标进行设计，因而其对于发动机推力性能的负面影响在其他工况下愈加明显。微喷流降噪技术是一种对于亚声速和超声速均可行的主动降噪方案，在航空发动机上主要是通过向主流中喷射少量高压的气流实现降噪目的。发动机喷流噪声的主要来源为大尺度湍流引起的低频噪声，为喷射流通过引入额外的气流速度动量，改变主喷流的羽流结构，将大尺度结构分裂为小尺度结构，降低低频噪声的强度，从而达到降低噪声的目的。同时利用微喷气流在剪切层中形成强烈的流向涡，通过流向涡的卷吸作用将流体卷入喷流中心，起到强化掺混的作用，降低主喷流速度，使得湍动能降低且分布更为均匀，从而降低噪声。现有研究表明，仅需要使用约主流0.2%流量大小的微喷流即可降低总噪声声压级2dB。外涵导流叶片FFD（FanLlowDeflector）降噪技术是利用布置在涡扇发动机外涵道出口处的导流叶片，在不改变发动机喷管轴向位置的情况下改变外涵道喷流的流向，从而降低喷流噪声辐射。降噪的核心在于降低大尺度湍流动能，研究表明湍流动能与喷流的速度梯度负相关，FFD将部分外涵喷流引入到内涵喷流下方，从而降低喷流下方的速度梯度，同时内涵高速喷流区受到挤压变得更紧致，对喷流流场对地面的噪声辐射起到屏蔽作用。现有研究表明FFD方法可以降低发动机对地面的喷流噪声辐射达5dB，是一种很有潜力的降噪手段。

微喷流降噪的降噪效果取决于喷射角度、喷射器数量和尺寸、射流压力和射流流量等，影响因素多且互相之间存在复杂的耦合关系，在发动机上进行主动微喷流降噪试验经费庞大、难度高，目前仅有针对YJ97等极少数的发动机进行了微喷流主动降噪试验，虽然取得了很好的降噪效果，但由于试验样本和数据少，目前微喷流降噪技术机理仍比较有限。外涵道导流叶片是一种较新的主动降噪技术，目前国内外的研究中其导流叶片的角度都是固定的，若要根据发动机工作状态和噪声水平对叶片角度进行调整，则需要进行更系统的试验研究获得导流叶片角度与降噪幅度的一般性关系。为使涡扇发动机喷流噪声主动控制研究能够广泛开展，当前急需一种针对喷流主动降噪的的低成本试验平台。

发明内容

本发明提出的是一种基于涡扇发动机喷管缩比模型的喷流噪声主动控制试验平台，其目的在于针对发动机喷流噪声试验一般试验经费高、难度大、受场地限制，且国内缺乏针对航空发动机主动喷流噪声控制的试验平台的缺陷，公开了一种由涡扇发动机喷管缩比模型、供气系统、降噪试验舱、噪声频谱测量装置、电动阀门和控制器组成的喷流噪声主动控制试验平台，通过改变微喷流流量和外涵导流叶片构型角度控制喷流噪声辐射的大小。

本发明的技术解决方案：基于发动机喷管缩比模型的喷流噪声主动控制试验平台，包括外涵导流叶片主动降噪试验模块和微喷流主动降噪试验模块两部分，每个试验模块包括涡扇发动机喷管缩比模型、供气系统、降噪试验舱、噪声频谱测量装置、电动节流阀、信息采集装置和控制器，供气系统提供试验所需高压气，通过管道连接涡扇发动机喷管缩比模型，管道上设有电动节流阀和信息采集装置，电动节流阀信号输入端连接控制器信号输出端，流量计信号输出端连接控制器信号输入端；涡扇发动机喷管缩比模型放置在降噪试验舱内，降噪试验舱内设有噪声频谱测量装置；其中，所述涡扇发动机喷管缩比模型为带外涵导流叶片的喷管缩比模型或带微喷流机构的喷管缩比模型，通过调整外涵导流叶片的叶型与角度和微喷流流量对喷流噪声进行控制。

所述供气系统包括螺杆式空气压缩机和高压气罐，用于提供微喷流主动降噪试验和外涵导流叶片主动降噪试验所需高压气。

所述电动节流阀为电动球阀，通过调整电动节流阀的开度改变进入流道的空气流量和微喷流流量；所述信息采集装置包括流量计和压力传感器，用于监测进入主流路和微喷流路的空气流量。

所述控制器控制阀门和采集压力及流量信号，包含处理器、多路电压电流输入接口、电压输出接口、PWM信号输出接口和一路串行通讯接口，用于输出对电动节流阀的控制信号，以及信息采集装置信号的采集，串行通讯接口用于与用户进行采集数据和命令信号的交互。

所述降噪试验舱内贴有吸声材料，避免因为声波反射造成的干扰；试验舱侧面开有门，供试验人员对内部设备进行调整，接入四根气流管道，给微喷流降噪设备和外涵导流降噪设备供气，喷口正对面上留有孔洞用于出气，同时留有可供接电线和数据传输线的孔洞。

所述噪声频谱测量装置包括麦克风阵列、外置多通路声卡和噪声频谱分析仪，配备噪声频谱分析软件，麦克风阵列布置于高度可调的可移动支架上，麦克风之间距离均匀排列；通过噪声频谱分析仪在线采集声音信号并进行频谱分析，麦克风阵列测量得到喷流噪声声场信息，通过外置多通道声卡采集麦克风阵列信号。

所述的噪声频谱分析软件实时获取并存储麦克风信号，实时或离线对信号进行频谱分析，具备噪声信号的采集、存储、在线信号的显示与快速傅里叶分析、已存储信号的显示和频域分析功能。所述噪声频谱分析软件包括数据交互、数据处理、人机界面和数据库管理四个模块，所述数据交互模块包括输入输出接口管理单元、传感器驱动管理单元、参数输入与数据处理单元和通讯数据管理单元，所述数据处理模块包括传感器数据解析单元、执行机构命令解析单元、快速傅里叶交换单元、数据库信息管理单元，所述人机界面包括传感器参数实时显示单元、噪声信号频谱分析及频谱显示单元、历史数据回放及处理单元和数据库管理交互单元，所述数据库管理模块包括试验用户信息单元和试验记录单元，其中，数据交互模块输出端连接数据处理模块输入端，数据处理模块输出端连接人机界面模块输入端，数据处理模块输入输出端连接数据库管理模块输出输入端，数据款管理模块输入输出端连接人机界面模块输出输入端，人机界面模块输出端连接数据交互模块输入端。

所述涡扇发动机喷管缩比模型按真实发动机喷管尺寸进行比例缩放后制得，缩比模型试验所得外场声压级与实际发动机喷流外场噪声声压级按以下相似关系进行换算：

式中SPL表示测量声压级，A为喷口面积，r为测量点距喷口中心距离，下标scaling表示缩比模型试验对应参数，下标real表示对应的真实尺寸发动机参数。

所述微喷流主动降噪试验模块包含带微喷流机构的喷管缩比模型、供气系统、降噪试验舱、噪声频谱测量装置、两个电动球阀、两路流量计和两路压力传感器，所述微喷流主动降噪试验模块包含主喷流和微喷流两路气流，每路各设有一个电动球阀、一路流量计、一路压力传感器；喷管缩比模型中微喷流喷管管口直径为主喷流直径的0.5%-1.5%，微喷流出口方向与喷口轴向呈45°，微喷流喷射器数目12个，沿喷口四周均匀分布；供气系统中的高压气罐排出的气源分别进入主喷流管道和微喷流管道，两路管道中分别放置电动球阀，控制器给定控制信号调整球阀开度，通过球阀开度的大小调整主涵道和微喷流流路的流量和压力，流量计和压力传感器测量两个通路中的相关信号，测量结果通过控制器进行采集，并由控制器上的串行接口传输至监控设备；噪声的采集分析以及控制器与微喷流主动降噪模块共用；试验过程中，调整使用的喷射器的数量和微喷流的流量和压力，测量不同试验条件下的噪声辐射大小，对微喷流的降噪效果进行评估。

所述外涵导流叶片主动降噪试验模块包含带外涵导流叶片的喷管缩比模型、供气系统、降噪试验舱、噪声频谱测量装置、两个电动球阀、两路流量计和两路压力传感器，所述外涵导流叶片主动降噪试验模块包含两路涵道，每路涵道各设有一个电动球阀、一路流量计、一路压力传感器；带外涵导流叶片的喷管缩比模型采用3D打印而成，试验中需要多个试验件，每个试验件的导流叶片构型和安装角度各有不同，包含机翼叶形和楔形两种规格，其中机翼叶形叶片为在一定的方位角上沿着喷管两侧对称安装，安装于外涵喷口处，每个试验件的安装攻角均有不同，楔形叶片置于外涵道最上方，位于涵道内紧贴涵道出口处，每个试验件的楔角不同；高压气罐排出的气体分别进入内外涵道，通过两个气路中的电动球阀控制各个涵道的流量和压力，两路管道中均设有流量计和压力传感器，噪声的采集分析以及控制器与微喷流主动降噪模块共用；试验过程中，调整试验件的种类和进入内外涵的流量大小，测试在不同涵道比情况下，不同的导流叶片叶型和角度对降噪效果的影响大小。

本发明的有益效果：

1）本发明提供一种基于涡扇发动机喷管缩比模型的喷流噪声主动控制试验平台，填补了国内在利用微喷流和外涵导流叶片进行航空发动机喷流噪声主动控制方向上试验设备的空白，提供了一种进行主动喷流噪声控制试验切实可行的解决方案。

2）本发明提供的主动喷流噪声试验平台建设周期短、灵活程度高、试验准备时间短，可用于对微喷流和外涵导流叶片降噪机理的研究，相较于发动机台架试验平台或飞行噪声试验平台，本发明具有成本低和抗风险能力强的优点。

附图说明

图1涡扇发动机喷流噪声主动控制试验台原理示意图。

图2微喷流主动降噪试验设备结构。

图3外涵导流叶片主动降噪试验设备结构。

图4 主动降噪试验测量与控制软件结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案进一步说明。

基于涡扇发动机喷管缩比模型的喷流噪声主动控制试验平台结构原理图如图1所示。由涡扇发动机喷管缩比模型、供气系统、降噪试验舱、噪声频谱测量装置、电动阀门和控制器组成。供气系统采用螺杆式空气压缩机和高压气罐，通过调整电动阀门的开度改变进入内外涵道的空气流量和微喷流流量，电动阀门的控制信号由控制器给定，控制器提供串行接口与外部进行数据传输。喷流噪声辐射的大小通过微喷流流量和外涵道导流叶片构型与角度进行控制，试验件为发动机喷管的缩比模型，包含带微喷流的喷管试验件和多种外涵导流叶片构型的喷管试验件，通过改变微喷流流量压力状态和外涵导流叶片的构型和角度对喷流噪声大小进行控制。噪声频谱测量装置包含噪声频谱测量仪、麦克风阵列和信号处理软件，通过噪声频谱分析仪在线采集声音信号并进行频谱分析，麦克风阵列测量得到喷流噪声声场信息，通过外置多通道声卡采集麦克风阵列信号，信号处理软件实时获取并存储麦克风信号，实时或离线对信号进行频谱分析。喷管缩比模型和噪声频谱测量装置均放置于降噪试验舱内，试验舱表面安装吸声材料，降低噪声的反射效应对测量结果的干扰。

涡扇发动机喷管缩比模型为根据实际发动机喷管尺寸进行一定比例缩放所得，在忽略粘性力与热传导，仅考虑外场噪声时，在距离发动机喷口

处所接收到的外场喷流噪声的声压级可视为正比于

，其中

为喷流湍流区域内气体的平均密度，

表示喷流出口速度，

为喷管的出口面积，

为环境密度，

为环境声速。若缩比模型与实际发动机所处环境条件相同，则本发明的试验平台所得的测量结果可以通过下式换算得到对应的实际发动机的噪声结果：

式中SPL表示测量声压级，A为喷口面积，r为测量点距喷口中心距离，下标scaling表示缩比模型试验条件，下标real表示对应的真实尺寸发动机的试验条件。

微喷流主动喷流降噪模块结构图如图2所示。其包含带微喷流的喷管模型试验件、两个电动节流阀、两路流量计、两路压力传感器、连接件和支架。微喷流喷管管口直径为主喷流直径的0.5%-1.5%，微喷流出口方向与喷口轴向呈45°，微喷流喷射器数目12个，沿喷口四周均匀分布。从高压气罐排出的气源分别进入主喷流管道和微喷流管道，两路管道中分别放置电动球阀，控制器给定控制信号调整球阀开度，通过球阀开度的大小调整主涵道和微喷流流路的流量和压力，流量和压力传感器测量两个通路中的相关信号，测量结果通过控制器进行采集，并由控制器上的串行接口传输至监控设备。试验过程中，调整使用的喷射器的数量和微喷流的流量和压力，测量不同试验条件下的噪声辐射大小，对微喷流的降噪效果进行评估。

外涵导流叶片主动降噪模块结构图如图3所使。其包含外涵导流喷管试验件、两路电动节流阀、两路流量计和压力传感器、连接件和支架。试验件为带外涵导流叶片的喷管模型，采用3D打印而成，试验中需要多个试验件，每个试验件的导流叶片构型和安装角度各有不同，主要包含两种规格：机翼叶形和楔形，其中机翼叶形叶片为在一定的方位角上沿着喷管两侧对称安装，安装与外涵喷口处，每个试验件的安装攻角均有不同，楔形叶片置于外涵道最上方，位于涵道内紧贴涵道出口处，每个试验件的楔角不同。高压气罐排出的气体分别进入内外涵道，通过两个气路中的电动球阀控制各个涵道的流量和压力，两路管道中也均有压力和流量传感器，噪声的采集分析以及控制器与微喷流主动降噪模块共用。试验过程中，调整试验件的种类和进入内外涵的流量大小，测试在不同涵道比情况下，不同的导流叶片叶型和角度对降噪效果的影响大小。

降噪试验舱为噪声试验提供静音环境，内部贴有吸声材料，避免因为声波反射造成的测量干扰，侧面开有门，供试验人员对内部设备进行调整，接入四根气流管道，给微喷流降噪设备和外涵导流降噪设备供气，喷口正对面上留有孔洞用于出气，同时留有可供接电线和数据传输线的孔洞。

控制器包含处理器、多路电压电流输入接口、电压输出接口、PWM信号输出接口和一路串行通讯接口，用于输出对电动节流阀的控制信号，以及压力和流量传感器信号的采集，串行通讯接口用于与用户进行采集数据和命令信号的交互。

噪声频谱测量系统包含噪声频谱分析仪、麦克风整列、外置多通路声卡和噪声频谱分析软件。通过噪声频谱分析仪对特定的测量点进行实时的噪声大小和频谱的测量，麦克风阵列布置于高度可调的可移动支架上，麦克风之间距离均匀排列，可通过麦克风阵列获取声场信息，模拟飞机起飞时噪声适航评估的测量环境，通过外置多通路声卡对麦克风信号进行采集。

主动降噪试验系统测试及控制软件结构如图4所示，其包含数据交互、数据处理、人机交互界面和数据库四大部分，具备噪声信号的采集、存储、在线信号的显示与快速傅里叶分析、试验人员管理、历史数据的回放和频域分析功能。采集信号存储于数据库中，可以通过人机交互界面或通过通讯接口申请访问。

本发明的基于涡扇发动机喷管缩比模型的喷流噪声主动控制试验平台开展喷流噪声主动控制试验研究，采用喷管的缩比模型作为试验件，首次将可调外涵导流叶片作为主动喷流降噪的手段进行机理研究，并对微喷流降噪进行大范围工况的试验研究以期获取更具一般性的降噪规律。因其成本低，建造和试验准备周期短，抗风险能力，通过本发明，研究人员可以快速开展大量的基于微喷流和外涵导流叶片的主动喷流降噪试验，因此本发明为涡扇发动机主动喷流降噪试验研究提供一种切实可行的解决方案。可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.基于发动机喷管缩比模型的喷流噪声主动控制试验平台，其特征是包括外涵导流叶片主动降噪试验模块和微喷流主动降噪试验模块两部分，每个试验模块包括涡扇发动机喷管缩比模型、供气系统、降噪试验舱、噪声频谱测量装置、电动节流阀、信息采集装置和控制器，供气系统提供试验所需高压气，通过管道连接涡扇发动机喷管缩比模型，管道上设有电动节流阀和信息采集装置，电动节流阀信号输入端连接控制器信号输出端，流量计信号输出端连接控制器信号输入端；涡扇发动机喷管缩比模型放置在降噪试验舱内，降噪试验舱内设有噪声频谱测量装置；其中，所述涡扇发动机喷管缩比模型为带外涵导流叶片的喷管缩比模型或带微喷流机构的喷管缩比模型，通过调整外涵导流叶片的叶型与角度和微喷流流量对喷流噪声进行控制；

所述微喷流主动降噪试验模块包含带微喷流机构的喷管缩比模型、供气系统、降噪试验舱、噪声频谱测量装置、两个电动球阀、两路流量计和两路压力传感器，所述微喷流主动降噪试验模块包含主喷流和微喷流两路气流，每路各设有一个电动球阀、一路流量计、一路压力传感器；喷管缩比模型中微喷流喷管管口直径为主喷流直径的0.5%-1.5%，微喷流出口方向与喷口轴向呈45°，微喷流喷射器数目12个，沿喷口四周均匀分布；供气系统中的高压气罐排出的气源分别进入主喷流管道和微喷流管道，两路管道中分别放置电动球阀，控制器给定控制信号调整球阀开度，通过球阀开度的大小调整主涵道和微喷流流路的流量和压力，流量计和压力传感器测量两个通路中的相关信号，测量结果通过控制器进行采集，并由控制器上的串行接口传输至监控设备；噪声的采集分析以及控制器与微喷流主动降噪模块共用；试验过程中，调整使用的喷射器的数量和微喷流的流量和压力，测量不同试验条件下的噪声辐射大小，对微喷流的降噪效果进行评估。

2.根据权利要求1所述的基于发动机喷管缩比模型的喷流噪声主动控制试验平台，其特征是所述供气系统包括螺杆式空气压缩机和高压气罐，用于提供微喷流主动降噪试验和外涵导流叶片主动降噪试验所需高压气。

3.根据权利要求1所述的基于发动机喷管缩比模型的喷流噪声主动控制试验平台，其特征是所述电动节流阀为电动球阀，通过调整电动节流阀的开度改变进入流道的空气流量和微喷流流量；所述信息采集装置包括流量计和压力传感器，用于监测进入主流路和微喷流路的空气流量。

4.根据权利要求1所述的基于发动机喷管缩比模型的喷流噪声主动控制试验平台，其特征是所述控制器控制阀门和采集压力及流量信号，包含处理器、多路电压电流输入接口、电压输出接口、PWM信号输出接口和一路串行通讯接口，用于输出对电动节流阀的控制信号，以及信息采集装置信号的采集，串行通讯接口用于与用户进行采集数据和命令信号的交互。

5.根据权利要求1所述的基于发动机喷管缩比模型的喷流噪声主动控制试验平台，其特征是所述降噪试验舱内贴有吸声材料，避免因为声波反射造成的干扰；试验舱侧面开有门，供试验人员对内部设备进行调整，接入四根气流管道，给微喷流降噪设备和外涵导流降噪设备供气，喷口正对面上留有孔洞用于出气，同时留有可供接电线和数据传输线的孔洞。

6.根据权利要求1所述的基于发动机喷管缩比模型的喷流噪声主动控制试验平台，其特征是所述噪声频谱测量装置包括麦克风阵列、外置多通路声卡和噪声频谱分析仪，配备噪声频谱分析软件，麦克风阵列布置于高度可调的可移动支架上，麦克风之间距离均匀排列；通过噪声频谱分析仪在线采集声音信号并进行频谱分析，麦克风阵列测量得到喷流噪声声场信息，通过外置多通道声卡采集麦克风阵列信号，信号处理软件实时获取并存储麦克风信号，实时或离线对信号进行频谱分析。

7.根据权利要求1所述的基于发动机喷管缩比模型的喷流噪声主动控制试验平台，其特征是所述涡扇发动机喷管缩比模型按真实发动机喷管尺寸进行比例缩放后制得，缩比模型试验所得外场声压级与实际发动机喷流外场噪声声压级按以下相似关系进行换算：

式中SPL表示测量声压级，A为喷口面积，r为测量点距喷口中心距离，下标scaling表示缩比模型试验对应参数，下标real表示对应的真实尺寸发动机参数。

8.根据权利要求1所述的基于发动机喷管缩比模型的喷流噪声主动控制试验平台，其特征是所述外涵导流叶片主动降噪试验模块包含带外涵导流叶片的喷管缩比模型、供气系统、降噪试验舱、噪声频谱测量装置、两个电动球阀、两路流量计和两路压力传感器，所述外涵导流叶片主动降噪试验模块包含两路涵道，每路涵道各设有一个电动球阀、一路流量计、一路压力传感器；带外涵导流叶片的喷管缩比模型采用3D打印而成，试验中需要多个试验件，每个试验件的导流叶片构型和安装角度各有不同，包含机翼叶形和楔形两种规格，其中机翼叶形叶片为在一定的方位角上沿着喷管两侧对称安装，安装于外涵喷口处，每个试验件的安装攻角均有不同，楔形叶片置于外涵道最上方，位于涵道内紧贴涵道出口处，每个试验件的楔角不同；高压气罐排出的气体分别进入内外涵道，通过两个气路中的电动球阀控制各个涵道的流量和压力，两路管道中均设有流量计和压力传感器，噪声的采集分析以及控制器与微喷流主动降噪模块共用；试验过程中，调整试验件的种类和进入内外涵的流量大小，测试在不同涵道比情况下，不同的导流叶片叶型和角度对降噪效果的影响大小。

9.根据权利要求6所述的基于发动机喷管缩比模型的喷流噪声主动控制试验平台，其特征是所述噪声频谱分析软件包括数据交互、数据处理、人机界面和数据库管理四个模块，所述数据交互模块包括输入输出接口管理单元、传感器驱动管理单元、参数输入与数据处理单元和通讯数据管理单元，所述数据处理模块包括传感器数据解析单元、执行机构命令解析单元、快速傅里叶交换单元、数据库信息管理单元，所述人机界面包括传感器参数实时显示单元、噪声信号频谱分析及频谱显示单元、历史数据回放及处理单元和数据库管理交互单元，所述数据库管理模块包括试验用户信息单元和试验记录单元，其中，数据交互模块输出端连接数据处理模块输入端，数据处理模块输出端连接人机界面模块输入端，数据处理模块输入输出端连接数据库管理模块输出输入端，数据款管理模块输入输出端连接人机界面模块输出输入端，人机界面模块输出端连接数据交互模块输入端；所述噪声频谱分析软件具备噪声信号的采集、存储、在线信号的显示与快速傅里叶分析、试验人员管理、历史数据的回放和频域分析功能，采集信号存储于数据库中，可以通过人机交互界面或通过通讯接口申请访问。

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