ANALIZA MOŻLIWOŚCI ZMNIEJSZENIA HAŁASU ŚMIGŁOWCA NA PRZYKŁADZIE PZL W3 SOKÓŁ

Transkrypt

1 1. WSTĘP ANALIZA MOŻLIWOŚCI ZMNIEJSZENIA HAŁASU ŚMIGŁOWCA NA PRZYKŁADZIE PZL W3 SOKÓŁ mgr inż. Grzegorz GOLON PZL Świdnik W artykule przeprowadzono analizę możliwości zmniejszenia hałasu emitowanego przez śmigłowiec PZL W3 Sokół. Wyszczególnione zostały źródła hałasu występujące na śmigłowcu z dokonaniem podziału na źródła hałasu emitujące hałas do wewnątrz i na zewnątrz śmigłowca. Zaproponowano rozwiązania, które w istotny sposób przyczynią się do zmniejszenia poziomu hałasu, przy w miarę nie zmienionych osiągach i właściwościach pilotażowych. Propozycje przedstawione, dotyczą zmian konstrukcyjnych wirnika nośnego oraz śmigła ogonowego. Przeprowadzona została analiza obliczeniowa poziomu hałasu i osiągów śmigłowca z uwzględnieniem zaproponowanych rozwiązań. Szybki wzrost liczby śmigłowców oraz fakt ich użytkowania w pobliżu zurbanizowanych terenów spowodował konieczność ograniczenia nadmiernego hałasu, który wytwarza ten rodzaj transportu. Podjęto prace badawcze, w których główny nacisk położony jest na badania umożliwiające rozpoznanie mechanizmów generowania hałasu przez elementy śmigłowca, w szczególności przez zespół napędowy, wirnik nośny, śmigło ogonowe i układ transmisji. 2. PRZEPISY DOTYCZĄCE DOPUSZCZALNYCH NORM HAŁASU Jednostką miary poziomu ciśnienia hałasowego jest decybel (db), będący zgodnie z cechami ucha ludzkiego, wielkością nieliniową. Występuje on, w zależności od okoliczności i charakteru źródła hałasu, w różnych wariantach. Poziomy hałasu miejskiego są zazwyczaj wyrażane jako tak zwane poziomy ważone, wyrażane w decybelach dba, które ważą poziom hałasu zmierzonego mikrofonem; odpowiada to dość dobrze odbiorowi hałasu przez obserwatora [1]. Dla wierniejszego odwzorowania reakcję człowieka na hałas wprowadzono jednostkę oznaczaną PNdB (PN Perceived Noise, hałas odczuwany), uwzględniającą rozkład częstotliwości tworzących hałas. Dla śmigłowców przejście z decybeli dba na PNdB polega, zgrubsza, na dodaniu 13 jednostek do wartości zmierzonej (w dba) dla warunków przelotowych i 9 dla zawisu. Dla celów certyfikacji hałasu wprowadzono ostatecznie w jednostki EPNdB, odniesionej do poziomu hałasu skutecznie odczuwanego przez człowieka (EPN Effective Perceived Noise) [4]. Międzynarodowa organizacja lotnictwa cywilnego ICAO w aneksie 16 określiła maksymalne dopuszczalne poziomy hałasu emitowane przez śmigłowiec w zależności od masy startowej. Dla śmigłowca PZL Sokół, którego masa startowa wynosi 6400 kg należy zmierzyć hałas w trzech fazach lotu śmigłowca: start, przelot wlocie poziomym na wysokości 150 m nad ziemią, podejście do lądowania. Tab. 1. Normy poziomu hałasu dla śmigłowca klasy PZL W3 Sokół Stan lotu Poziom dopuszczalny Start Przelot Lądowanie 98,06 EPNdB 97,06 EPNdB 99,06 EPNdB 3. ŹRÓDŁA HAŁASU Rozpatrując śmigłowiec jako źródło hałasu lotniczego należy wyodrębnić emisję hałasu do wnętrza (kabina pilota i przedział pasażerski) oraz na zewnątrz śmigłowca. Hałas wewnętrzny śmigłowca zależny jest od hałasu emitowanego przez: silnik turbinowy, przekładnie główną, układ transmisji, urządzenia i agregaty pomocnicze. ANALIZA MOŻLIWOŚCI ZMNIEJSZENIA HAŁASU ŚMIGŁOWCA

2 Poziom hałasu zewnętrznego emitowanego przez śmigłowiec znajdujący się zarówno w ruchu, jak i w stanie stacjonarnym z pracującym zespołem napędowym uwarunkowany jest przede wszystkim poziomem dźwięku emitowanym przez: wirnik nośny, śmigło ogonowe, silnik turbinowy, układy transmisji oraz drgania mechaniczne konstrukcji. Hałas wewnątrz śmigłowca różni się od hałasu emitowanego na zewnątrz do otoczenia. Podróżując w śmigłowcu doznamy innych wrażeń dźwiękowych. Rotacyjny hałas wirnika nośnego jest zredukowany w kabinie śmigłowca, ponieważ pasażerowie znajdują się bliżej źródła dźwięku. Słyszalny jest podobny hałas spowodowany impulsem ciśnienia każdej łopaty oddziałującym na kadłub. W niektórych śmigłowcach przybiera to formę brzęczenia, bębnienia osłony kabiny pilota co nie tylko może być słyszalne ale i widziane jako drganie cienkiego okna. Impulsywny hałas spowodowany ściśliwością nacierającej łopaty nie jest słyszalny w kabinie pilota również impulsowy hałas spowodowany oddziaływaniem łopata wir może nie zawsze być słyszalny. Dlatego cicha kabina nie daje gwarancji, że nie ma problemu z hałasem na ziemi [3]. kształtowanie końcówek łopat co w efekcie zmniejsza poziom hałasu i negatywne zjawiska związane ze ściśliwością i oderwaniem strug Modyfikacja śmigła ogonowego Zmniejszenie hałasu emitowanego przez śmigło ogonowe można uzyskać przez zastąpienie głowicy trójłopatowej, głowicą typu X (nożycową). Głowica typu X powstała na skutek połączenia ze sobą dwóch głowic wahliwych lub występującymi pod inną nazwą huśtawkowych, które zawierają wspólny przegub poziomy. Rozwiązanie to zostało zastosowane w śmigłowcach Mi-28 oraz AH-64 Apache. Głowica typu X bazuje na dwóch dwułopatowych śmigłach, usytuowanych w różnych płaszczyznach i rozstawionych względem siebie po kątem różnym od 90. Kąt zawarty pomiędzy łopatami śmigłowca Mi-28 wynosi Ψ = 36, natomiast AH 64 wynosi Ψ = 55. W całym zespole tworzącym wirnik nożycowy rozróżnia się moduły (pary łopat) wewnętrzne usytuowane bliżej piasty oraz zewnętrzne oddalone od piasty. Rozsunięcie modułów określa się na drodze eksperymentalnej dla uzyskania najlepszych osiągów wirnika. 4. ANALIZA METOD ZMNIEJSZENIA HAŁAŚLIWOŚCI Zmniejszenie hałasu śmigłowca nie zależy tylko od konstruktorów ale również pilotów. Duży wpływ na zmniejszenie hałasu będą miały zmiany konstrukcyjne śmigłowca dotyczące głównie wirnika nośnego i śmigła ogonowego. Do najważniejszych modyfikacji które mogą przyczynić się do zmniejszenia hałasu należą: zwiększenie liczby łopat, zmniejszenie prędkości końca łopat, zmiana profilu łopaty, zmiana końcówek łopat, nierównomierny rozstaw łopat wirnika, zmiany konstrukcyjne śmigła ogonowego lub zastosowanie innych rozwiązań, zastosowanie lepszych materiałów izolacyjnych, procedury ograniczające hałas podczas użytkowania śmigłowca Modyfikacja wirnika nośnego Istotny wpływ na zmniejszenie hałasu ma zwiększenie liczby łopat. Zakładając stałą wielkość ciągu ze wzrostem liczby łopat zmniejsza się ciąg przypadający na jedną łopatę a zatem i natężenie cyrkulacji wiru zewnętrznego. Zmniejsza się również rozstaw kolejnych łopat. Efektem tego jest zmniejszenie intensywności oddziaływania wirów spływających z łopaty poprzedzającej na następującą oraz mniej intensywne zwinięcie się w sznur wirowy śladu spływającego z końcówki łopaty. Przez zwiększenie liczby łopat w wirniku wzrasta wypełnienie tarczy wirnika, dzięki czemu możliwe jest zmniejszenie prędkości końca łopat, przy nie pogorszonych osiągach co powoduje zmniejszenie hałasu. Dzięki ciągle trwającym pracom i wdrażaniu nowych technologii zwłaszcza kompozytowych, możliwa jest optymalizacja rozkładu profili wzdłuż łopat, oraz odpowiednie Rys. 1. Śmigło dwupłaszczyznowe dwuhuśtawkowe typu X Z przeprowadzonych badań w locie na śmigłowcu Mi-28 podczas przechodzenia z prędkości µ = 0,13-0,21 do wyższych prędkości µ = 0,3-0,37 wynika, że ciśnienie poziome dźwięku wzrasta z 600 do 2000 Hz. Hałas wygenerowany przez śmigłowiec z wirnikiem trójłopatowym wzrósłby o 10 db, natomiast hałas śmigłowca wyposażonego w wirnik nożycowy wzrósł o 3 db. Redukcja skrajnego hałasu zewnętrznego wynosiła ok. 3-5 EPNdB. Przeprowadzone badania ujawniły ze oba wirniki wydają wąskopasmowe widmo hałasu o ciśnieniu dźwięku f = 1,25Hz, uzyskując częstotliwość zakresu słyszalnego Hz. Propozycja zastąpienia 3-łopatowego śmigła ogonowego śmigłem 4-łopatowym dwuhuśtawkowym Przyjęto najprostsze kryterium aby w 4-łopatowym rozwiązaniu dwuhuśtawkowym można było zrealizować ten sam współczynnik ciągu co w klasycznym rozwiązaniu ale przy zmniejszonych prędkościach obrotowych. Dla masy śmigłowca 6400 kg, przy nie zmienianej geometrii łopaty śmigła, ciągu śmigła ogonowego w zawisie Ty = 5550 N, dla trzech łopat i prędkości końców łopat U = 210 m/s współczynnik siły ciągu liczony wg [5] t y = 0, PRACE INSTYTUTU LOTNICTWA Nr

3 Przy zmianie liczby łopat na 4 i prędkości końców łopat U = 180 m/s współczynnik siły ciągu liczony wg [5] t y = 0,134. Rozważając możliwość wzrostu masy przy ewentualnym projektowaniu wersji rozwojowych do 7000 kg ze zmodyfikowanym śmigłem ogonowym 4-łopatowym typu X i ze zmniejszoną prędkością obwodową śmigła do 180 m/s otrzymujemy wielkość t y = 0,15, a więc na poziomie akceptowalnym. Zastąpienie śmigła trójłopatowego śmigłem 4-łopatowym typu X pozwala zmniejszyć prędkość śmigła ogonowego, a zatem i hałas, przy zachowaniu siły ciągu na podobnym poziomie. Dla większych mas śmigłowca zachowana jest odpowiednia rezerwa nadmiaru ciągu. Ciąg bowiem krytyczny oderwania strug dla tych warunków lotu wynosi wg [5] t ykr ~ = 0,3 5. OSIĄGOWA ANALIZA OBLICZENIOWA ROZWIĄZAŃ ZMNIEJSZAJĄCYCH HAŁAS Do analiz obliczeniowych założono możliwość zwiększania liczby łopat wirnika nośnego do 7 i zmniejszania prędkości obwodowej wirnika, tak aby zachować odpowiedni zapas do oderwania strug na łopatach. Uwzględniono możliwość zwięk- szenia masy śmigłowca do 7000 kg. Oceniano zmiany zakresów obszarów zilustrowanych na wykresach osiągów śmigłowców oraz zmiany mocy niezbędnej pod wpływem zmian wybranych parametrów. Analiza osiągowa W analizie tej zmiennymi były parametry wejściowe jak: liczba łopat, prędkość końca łopat wirnika nośnego oraz masa śmigłowca. Głównym celem było otrzymanie takiego zestawu parametrów aby przy jak najmniejszej prędkości obrotowej wirnika nośnego zapewnić utrzymanie pułapu oderwania na poziomie około 2000 m przy prędkości maksymalnej w locie poziomym. Kontrolowano następujące, wynikowe parametry osiągowe: V min minimalna prędkość lotu, V max maksymalna prędkość lotu, Vw max prędkość pozioma najlepszego wznoszenia, Husl górna granica oderwania (Upper Stall Limit), Hlsl dolna granica oderwania (Lower Stall Limit), w0 prędkość wznoszenia pionowego, w max prędkość maksymalnego wznoszenia skośnego, VM kr liczba Macha profilu na końcu łopaty nacierającej, VM kr + 0,1 przekroczenie liczby Macha profilu na końcu łopaty nacierającej o 0,1, VM kr + 0,15 przekroczenie liczby Macha profilu na końcu łopaty nacierającej o 0,15. Przyrost mocy niezbędnej wskutek oderwania rośnie liniowo począwszy od pojawienia się oderwań Hlsl na końcu łopaty na azymucie 270 i osiąga wielkość równa mocy profilowej wirnika przy górnej granicy oderwania USL. Straty mocy na ściśliwość rosną w 3 potędze i zaczynają się od osiągnięcia Ma kr ; przy przekroczeniu liczby Macha o 0,1osiągają 15% mocy niezbędnej całkowitej a przy przekroczeniu o 0,15 osiągają 30% [5]. Poniżej przedstawiono wyniki obliczeń dla wybranych wersji śmigłowców. Rys. 2. Wykres osiągów śmigłowca z wirnikiem 4-łopatowym z prędkością końca łopat 220 m/s, masa 6400 kg Rys. 3. Wykres osiągów śmigłowca z wirnikiem 5-łopatowym z prędkością końca łopat 205 m/s, masa 6400 kg Rys. 4. Wykres osiągów śmigłowca z wirnikiem 6-łopatowym z prędkością końca łopat 190 m/s, o masie 6400 kg. Rys. 5. Wykres osiągów śmigłowca z wirnikiem7-łopatowym z prędkością końca łopat 180 m/s, o masie 6400 kg. ANALIZA MOŻLIWOŚCI ZMNIEJSZENIA HAŁASU ŚMIGŁOWCA

4 Na rysunku 8 przedstawiono wyniki analizy rozkładu mocy niezbędnej do lotu w funkcji prędkości lotu dla rozpatrywanych wirników nośnych. Jak wynika z przedstawionego wykresu zwiększenie liczby łopat spowodowało zmniejszenie mocy niezbędnej przy większej prędkości ze względu na zmniejszenie głównie strat ściśliwości. 6. ANALIZA OBLICZENIOWA HAŁASU Rys. 6. Wykres osiągów śmigłowca z wirnikiem 7-łopatowym z prędkością końca łopat 190 m/s, o masie 7000 kg Analiza wpływu regulacji prędkości obrotowej wirnika na moc niezbędną w zawisie Przeprowadzona modernizacja klasycznego 4-łopatowego wirnika nośnego na wirnik o większej ilości łopat zabudowany na śmigłowcu PZL Sokół miała na celu zmniejszenie emitowanego hałasu. Ocena zmniejszenia hałasu śmigłowca została przeprowadzona na podstawie wzorów zawartych w książce Wayne Johnsona pt. Helicopter Theory. Przedstawione są w niej wzory opracowane przez Dawidsona i Hargesta w 1965 roku oraz Stuckey i Goddard w 1967 roku. Przeprowadzone obliczenia za pomocą obu wzorów dają zbliżone wyniki, co zostało przedstawione poniżej. Dawidsona i Hargesta 6 2 SPL = 10 log[( ΩR) A ( Ct / σ) ] 36, 7dB 150 b Stuckeya i Goddarda SPL = 10 R, log A Ct 39 7dB 150 ( Ω ) ( / σ), b Rys. 7. Rozkład mocy minimalnej (niezbędnej Pn)w zawisie w funkcji prędkości obrotowej wirnika nośnego na wysokości H = 1000 m, Q = 6400kg Na rysunku 7 zilustrowano porównanie zapotrzebowania na moc niezbędną Pn potrzebną do zawisu na wysokości 1000 m, dla zadanej masy i dla wirników 4, 5, 6, 7-łopatowych (liczby łopat zaznaczono charakterem linii na wykresie). Z rozkładu mocy wynika, że zwiększenie liczby łopat wraz ze zmniejszeniem prędkości obrotowej wirnika nośnego zmniejsza zapotrzebowanie na moc niezbędną. Istnieje możliwość utrzymania jej na jednym poziomie dla wirników 4, 5, 6, 7-łopatowych, przy odpowiednim zmniejszeniu prędkości obrotowej wirnika. Analiza rozkładu mocy niezbędnej w funkcji prędkości lotu w celu oceny bilansu energetycznego składowych mocy. Rys. 8. Rozkład mocy niezbędnej do lotu dla wirników 4, 5, 6, 7-łopatowych dla wybranych prędkości końca łopat Tab. 11. Zestawienie obliczeń hałasu różnych wersji śmigłowca Śmigło Wirnik nośny ogonowe Masa Q ωr W.N. 7. WNIOSKI Liczba łopat W.N. ωr Ś.O. Liczba łopat Ś.O. D/H S/G D/H S/G ,71 87,5 70,6 72, ,16 85,07 67,46 69, ,94 85,72 70,56 71, ,36 82, ,2 Zwiększenie liczby łopat wirnika nośnego i śmigła ogonowego obniży hałas emitowany przez śmigłowiec. Zwiększy zapas na rozkręcenie wirnika (z dotychczasowego 9 % do ponad 20 %) co zwiększy margines bezpieczeństwa przy gwałtownych manewrach. Znacznie zmniejszy się poziom drgań przenoszonych z wirnika na kadłub co ma istotny wpływ na żywotność śmigłowca. Zmniejszy się również obciążenie układu sterowania (między innymi w wyniku zmniejszenia efektów ściśliwości). Zwiększy się (mimo zmniejszenia prędkości obrotowej) energia kinetyczna inercyjnego układu wirnika nośnego J(ω 2 n ω 2 k ) poprawiając warunki lądowania autorotacyjnego i zmniejszenie strefy HV. Zwiększy się zapas do granicy flatteru. 254 PRACE INSTYTUTU LOTNICTWA Nr

5 Wymienione wyżej rozwiązania w istotny sposób prowadzą do zmniejszenia hałasu. Jednak wprowadzenie tych modyfikacji prowadzi do rozbudowy konstrukcji co niesie za sobą: zwiększenie względnej masy układu, względna komplikacja układu, trudności eksploatacyjne (np. składanie łopat). BIBLIOGRAFIA [1] Dziuba K., Czerwiński Z., Chyla A.: Statystyczny model hałasu śmigłowca. [2] Sprawozdanie z prób certyfikacyjnych śmigłowca PZL W3 Sokół na zgodność z przepisami ICAO. Aneks 16 w zakresie hałasu. [3] Mnitowski S.: Źródła hałasu wytwarzanego przez śmigłowiec. Wojskowa Akademia Techniczna, Prace Instytutu Lotnictwa nr [4] Witkowski R.: Wprowadzenie do wiedzy o śmigłowcach. Biblioteka Naukowa instytutu Lotnictwa Nr 8, 2003 r. [5] Mиль M. Л.: Bepmoлemы. Moskwa Г. Голон АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ПОНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ШУМА ВЕРТОЛЁТА НА ПРИМЕРЕ PZL W3 SOKOŁ Резюме В статье проводится анализ возможности понижения уровня шума вертолёта PZL W3 Sokoł. Перечислены источники шума вертолёта с разделением на внутренние и наружные источники шума. Предложены решения, которые значительно понизят уровень шума при незначительных изменениях лётных характеристик пилотажных свойств вертолёта. Представленные предложения связны с изменениями конструкции несущего винта и хвостового винта. Представлен расчётный анализ уровня шума и характеристик вертолёта с учётом предложенных изменений. G. Golon THE ANALYSIS OF THE POSSIBILITIES OF HELICOPTER NOISE DECREASE ON THE EXAMPLE OF PZL W3 FALCON HELICOPTER Summary In the article is performed the analysis of the possibilities of noise decrease broadcasted by the PZL W3 Falcon helicopter. Itemized were noise sources occurring on the helicopter with the selection on the noise sources broadcasting noise to within and on the outside of the helicopter. Proposed are the solutions, which in the essential manner will contribute to the decrease of noise level, with helicopter performance and pilotage properties not changed. Submitted proposals refer to the lifting rotor and tail rotor design changes. The computational analysis of noise level and helicopter performance regarded with proposed solutions was made. ANALIZA MOŻLIWOŚCI ZMNIEJSZENIA HAŁASU ŚMIGŁOWCA