涡扇发动机边线噪声预测研究

闫国华，陈佳栋，孔鹏，戴康宁



涡扇发动机边线噪声预测研究

闫国华，陈佳栋，孔鹏，戴康宁

(中国民航大学，天津 300300)

随着飞机适航审定关于噪声要求的逐年提高，预测部件飞行噪声声压级可以为飞机的适航审定工作提供依据，也可以为发动机的减噪设计提供参考。通过对发动机部件噪声进行预测，可以有效确定发动机的部件特性。以核心机噪声为突破口，通过对发动机核心机的静态噪声进行预测，然后经过从静态到飞行状态相关映射因素声源移动效应、声衰减等的修正，最后得到飞机在边线时的噪声值。同时可以用文中的方法预测其他部件的噪声值，整合预测出整机的噪声，可作为适航审定的依据，从而大量减少适航审定过程的投入成本。

适航审定；飞行噪声；核心机；边线

0 引言

近年来，在航空强国梦的驱动下，我国民航事业飞速发展，民航工业迎来了前所未有的大发展，国产民机型号合格审定的需求也迫在眉睫。在新飞机适航审定过程中，噪声适航也是其中关键的部分。根据CCAR36部要求[1]，噪声适航审定是通过无数次飞行试验测量得到的，这需要消耗大量的人力、物力和财力。由于发动机是飞机的主要噪声源，因此与传统的飞行试验手段相比，发动机噪声预测的方法既能节约试验成本，又能降低研发新发动机的风险，且经实践证明该方法可行，预测结果也与发动机噪声的实际情况比较吻合。

航空器型号和适航合格审定噪声规定[1]中规定：如图1所示，边线噪声测量点位于与跑道中心线的延长线相平行并距该延长线450 m(1 476 ft)的边线上的一点。进入到20世纪80年代后，国际上大部分适航审定当局开始采用了一个被广泛认可的简化程序：当喷气飞机飞到大约305 m高空时，边线噪声会有最大值，因此只需要在飞机飞行高度为305 m时的跑道两侧分别放一个传声器即可[2]。另外，根据中国的飞机噪声管理规章CCAR-36部，中国民用航空局也接受了该点作为边线噪声测量点。

图1 飞机噪声适航审定测量点位置

1 Boeing737-800起飞航迹计算

研究核心机边线噪声，首先要研究飞机的起飞航迹。在ANP数据库中通常包括有依照国际适航当局所规定的严格的国际标准化程序进行噪声合格审定期间所获取的噪声数据[3]。表1为数据库中默认起飞程序获取波音737-800的起飞程序步骤数据，表2为从数据库中发动机系数表获取的该机型发动机在不同功率下的数据，表3为从数据库中气动系数表获取的该机型在不同襟翼设置下空气动力系数的数据。此外，还要从数据库中获取该机型预定起飞重量的数据，根据这些数据可以推算出波音737-800的起飞航迹。

表1 波音737-800默认起飞程序步骤

根据从ANP数据库中获取的数据，以起飞的第三航段——加速，保持最大推力，襟翼为5，以1 885.7 ft·min-1(1 ft·min-1=0.005 08 m·s-1)爬升率爬升到181.7 kn CAS为例进行计算。

(1) 计算单台发动机的静推力

式中，相关参数代表的含义分别为：

-飞机所在位置的实际大气压与平均海平面处的标准大气压之比；

-飞机高度，单位为ft(1 ft=0.304 8 m)；

v-校准空速(CAS)，单位为kn(1 kn=0.514 m·s-1)；

-飞机周围的大气温度，单位为℃；

、、G、G、-推力系数，在ANP数据库的喷气式发动机系数表中，对于不同机型的不同推力设定值，都给出了相应的推力系数。

(2) 计算气压比

(3) 计算平均单台发动机静推力

(4) 计算航段末重量

(5) 计算平均重量

(6) 计算爬升角

(7) 计算飞过的水平距离

表2 CFM56-7B发动机相关的系数

表3 气动系数

其余航段的计算与此类似。最后计算得到如图2所示的波音737-800起飞航迹。

图2 波音737-800起飞航迹示意图

2 涡扇发动机噪声预测算法

涡扇发动机的噪声主要由风扇噪声、核心机噪声和喷流噪声等构成。下面简单介绍这几种噪声源的预测模型。

2.1 核心机噪声预测模型

核心机噪声主要分两部分，燃烧室噪声和涡轮噪声，研究时分别研究燃烧室、涡轮噪声的预测方法，最后再将两处噪声合并为核心机噪声。

SAE(Society of Automotive Engineers)模型用来预测燃烧室噪声，针对燃气轮机燃烧室，远程不同频率(50～10 000 Hz)、1/3倍频程的远场均方声压的预测公式是[4]：

Smith & Bushell噪声预测模型是用来预测轴流式涡轮宽频噪声，将此模型用于预测远场噪声[4]，式(10)给出了涡轮在不同频率(50～10 000 Hz)、1/3倍频程远场无量纲化均方声压的表达式：

2.2 风扇噪声预测模型

2.3 喷气噪声预测模型

喷气噪声的预测公式为

2.4 静态噪声修正

将得出的各部件所贡献的声压级噪声叠加在一起就能得到发动机所贡献的声压级噪声，再利用航空发动机静态远场噪声数据对预测的飞行噪声级进行修正，主要包括噪声源移动修正和声衰减修正[10]，将发动机静态噪声数据，外推至适航条件下的飞行状态，从而得到24个1/3倍频程中心频率对应的边线声压级数据。在进行噪声预测前，修正系数作如下说明。

2.4.1 噪声源移动的修正

噪声源振幅修正是指由于噪声源(飞机)相对传声器移动而需进行的声压级更改，可利用式(14)进行计算：

2.4.2 声衰减修正

(1) 几何发散声衰减

在距离一定的情况下，每个1/3倍频程的几何发散衰减如式(15)所示：

(2) 大气吸声衰减

各频带大气吸声衰减值为

3 应用实例

3.1 预测程序开发

由于Matlab具有良好的算法开发及数据分析功能，故用它作为预测程序开发的工具。预测程序通过输入所需的参数进行计算，最终输出以Excel表格呈现的噪声数据，包括在不同距离、不同角度、不同频率(50～10 000 Hz, 1/3倍频程)时的声压级(Sound Pressure Level, SPL)，感觉噪声级(Perceived Noise Level, PNL)值和有效感觉噪声级(Effective Perceived Noise Level, EPNL)。

3.2 参数输入

本算例使用装配CFM56-7B发动机的波音737-800起飞航迹，以及采用CFM56-7B的相关数据进行预测。预测条件为噪声合格审定的基准条件：标准大气压，环境温度为25℃，相对湿度为70%，零风速。以核心机为例，部分基本输入参数如表4所示。

表4 燃烧室性能参数表

表5 涡轮性能参数表

在起飞过程中，噪声适航审定测量点与发动机的距离及与发动机进气道夹角变化如图3所示。

3.3 预测结果

在飞机噪声适航中，一般选用感觉噪声级PNL和有效感觉噪声级EPNL作为飞机噪声的评价参数，有效感觉声压级是在感觉声压级上基础上进行噪声持续时间修正得到的，反映了航空器在一段时间历程中所发出的噪声在某个位置产生的噪度[11]。最后预测的核心机边线噪声如表6所示，经过持续时间修正和纯音修正得到有效感觉噪声级EPNL为77.34 dB，而根据发动机制造商的测试分析，核心机的边线噪声约为79 dB，其误差值在3 dB以内，可以认为这个预测结果是比较可靠的。

图3 测量点与发动机距离随测量点与发动机进气道夹角变化的示意图

表6 感觉噪声级(PNL)预测值

同理，应用喷气和风扇算法也可以算出它们的边线噪声，从而可以算出整台发动机的边线噪声，这里由于缺少CFM56-7B的部分数据，故不再计算。

4 结语

(1) 根据ANP数据库可以计算得到飞机的起飞剖面图以及相关数据；

(2) 应用模型算法进行飞行状态计算，得到结果与B737-800适航取证数据进行对比，计算数据可靠；

(3) 根据起飞数据和模型算法，结合静态预测的数据，对发动机部件的边线噪声进行预测，可为预测飞机噪声提供一个可参考的方法。

[1] 中国民用航空局. CCAR-36-R1航空器型号和适航合格审定噪声规定[S]. 北京: 中国民用航空局, 2007: 41-42.

[2] 闫国华, 马永康, 陈佳栋. 大涵道比涡扇发动机风扇部件边线噪声预测[J].科学技术与工程, 2018(9): 205-209.

YAN Guohua, MA Yongkang, CHEN Jiadong. Fan lateral noise prediction of high bypass ratio turbofan engine[J]. Science Technology and Engineering, 2018(9): 205-209.

[3] ECAC. CEAC Doc29 3rd Eidtion, Report on Standard Method of Computing Noise Contours around Civil Airports, Volume2: Technical Guide[S]. ECAC.CEAC, 2005.

[4] 张敦煜, 闫国华. 民用航空发动机燃烧室噪声预测[J]. 噪声与振动控制, 2013, 37(6): 134-138.

ZHANG Dunyu, YAN Guohua. Noise prediction of civil airplane engine combustor[J]. Noise and Vibration Control, 2013, 37(6): 134-138.

[5] John R J. Aircraft noise prediction program theoretical manual [R]. NASA-TM-82199-2009.

[6] 闫国华,戴康宁. 转静子间距比对发动机风扇噪声预测算法的影响[J]. 装备制造技术, 2018(1): 181-183.

YAN Guohua, DAI Kangning. Effects of rotor-to-stator distance on engine fan noise prediction algorithm[J]. Equipment Manufacturing Technology, 2018(1): 181-183.

[7] SAE ARP 876C. Gas turbine jet exhaust noise prediction. aerospace recommended practice[S]. Society of Automotive Engineers，1985.

[8] 闫国华, 孔鹏. 民用飞机噪声预测影响因素分析[J]. 机械研究与应用, 2017, 30(6): 153-155.

YAN Guohua, Kong Peng. Analysis on influencing factors of civil aircraft noise prediction[J]. Mechanical Research & Application, 2017, 30(6): 153-155.

[9] MORRIS P J. A perspective on jet noise’s recent developments and future directions[C]//Proceedings of the Acoustics 2012 Nantes Conference, 2309-2314, 2012.

[10] 刘锦虎, 闫国华, 谢福. 利用航空发动机静态远场噪声数据预测飞行噪声级[J]. 噪声与振动控制, 2012, 32(2): 91-94.

LIU Jinhu, YAN Guohua, XIE Fu. Prediction of flight noise level by using far field noise data of the engine in static testing[J]. Noise and Vibration Control, 2012, 32(2): 91-94.

[11] 乔渭阳. 航空发动机气动声学[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2010.

Prediction research of laternal noise in turbofan engine

YAN Guo-hua, CHEN Jia-dong, KONG Peng, DAI Kang-ning

(Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

With the requirements for noise in airworthiness certification increasing year by year, the prediction of component sound pressure level can provide a justification for aircraft flight test and a reference for the design of engine noise reduction. The component characteristics of the engine can be effectively determined by the prediction of component noise. In this paper, core engine noise is taken as a breakthrough, The static noise of the core engine is accurately predicted, and then the noise in the flight state of engine components is obtained by modifying the correlation mapping factor from static state to flight state, and finally to get the noise value of plane in the laternal condition. Furthermore, the noise values of other components can be predicted by this method, and then integrating these predictions are integrated to obtain the predicted noise of the whole engine, which can be used as a basis for airworthiness certification, to greatly reduce the cost of airworthiness approval process.

airworthiness certification; flight noise; core engine; lateral

V216.5+4

A

1000-3630(2018)-04-0362-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.04.012

2017-05-12;

2017-08-21

闫国华(1964－), 男, 陕西韩城人, 博士, 教授, 研究方向为飞机噪声控制、节能减排和航空噪声适航审定。

陈佳栋,E-mail:siaecjd92@163.com