Почему выхлоп гондолы двигателя Boeing 787 имеет такую ​​необычную форму?

Ну, это выглядит красиво, не так ли?

Боинг хотел уменьшить шум, создаваемый реактивной струей двигателей. Многие аэропорты по всему миру вводят новые нормы шума.

Как упоминает Боинг :

Чтобы уменьшить звук реактивной струи в задней части двигателя, Boeing, General Electric и NASA разработали зазубренные края, называемые шевронами, для задней части гондолы и выхлопного сопла двигателя. Шевроны снижают шум реактивной струи, контролируя способ смешивания воздуха после прохождения через двигатель и вокруг него.

Акустические вкладыши и шевроны являются настолько эффективными шумоподавителями, что с фюзеляжа можно убрать несколько сотен фунтов звукоизоляции.

Поскольку НАСА было вовлечено, они заявляют (моя перефразировка) :

Шевроны — это пилообразный узор, который можно увидеть на задних кромках сопел некоторых реактивных двигателей. Поскольку горячий воздух из сердцевины двигателя смешивается с более холодным воздухом, проходящим через вентилятор двигателя, формованные края служат для сглаживания смешивания, что снижает турбулентность, создающую шум.

... Новый Boeing 787 является одним из самых современных самолетов, в которых используются шевроны для снижения уровня шума двигателя. Это спортивные шевроны на гондолах или корпусах вентиляторов.

Я думаю, что оба ответа верны, но я хотел бы потратить некоторое время на описание явлений, которые шевроны пытаются уменьшить, чтобы я мог дополнить уже предоставленные ответы.

Итак, что же происходит в двигателе? У нас есть горячий газ с высокой скоростью, выходящий из ядра двигателя, и другой газ с более высокой скоростью, чем внешний воздух, но намного медленнее, чем ядро, сверху, и у нас есть внешний воздушный поток. На самом деле мне не хватает одного, который я объясню позже.

Итак, между потоками воздуха с разными свойствами (особенно с разной скоростью) есть слой, в котором оба потока воздуха смешиваются, чтобы создать другой поток со средними свойствами (говоря, что средний - это упрощение), смесь в области, называемой «слоем смешения». К сожалению, в типичных двигателях оба слоя смешиваются турбулентно. Вот типичное изображение имитации слоя смешения.

Это турбулентное смешивание создает звук. На самом деле легко увидеть подобное явление на флейте. Если вы откроете его, вы увидите, что когда вы дуете, вы вводите воздух, который достигает полости, в которой возникает звук (на самом деле, есть еще одно явление, резонанс, но я хотел бы проиллюстрировать, что турбулентность создает звук). Другой пример — когда вы машете острым предметом в воздухе (например, лезвием); если вы сделаете это достаточно быстро, вы услышите звук.

Точно такое же явление происходит вокруг двигателей, но звук громче. Почему? Потому что разница между скоростями действительно велика. Планер кажется бесшумным, хотя крылья действуют как лопасти... но разница в скорости не так велика.

Итак, теперь мы знаем, что чем меньше разница, тем меньше турбулентность и тем тише звук. Те шевроны, которые вы видите на Боинге 787, действительно служат этой цели. Они фактически создают еще один слой жидкости на промежуточной скорости между воздухом, проходящим через внешнюю часть двигателя (вторичный поток вентилятора) и внешним потоком, так что скачок свойств меньше, турбулентность уменьшается, а звук тише.

Итак, чтобы показать вам потоки в двигателе, я сделал вашу фотографию и добавил несколько стрелок:

В основном синий воздух, поступающий за внешнюю часть гондолы, смешивается с воздухом, поступающим от вентилятора (красная стрелка). Наличие шевронов означает, что некоторые части смешиваются раньше, чем другие, создавая положительное искажение в слое смешивания, например, «создавая третий поток». Зеленая стрелка показывает воздух из сердцевины двигателя, но между сердцевиной двигателя и вентилятором есть другой поток воздуха, фиолетовая стрелка.

То, что показано в предыдущих ответах для двигателей Conway и JTD-8, — это устройства, использующие один и тот же принцип, но на самом деле они не совпадают. В предыдущих реактивных двигателях не было большого вторичного потока от вентилятора, как в настоящее время, и смесь находилась непосредственно между ядром двигателя и внешним потоком, поэтому принцип тот же, но огромная разница между скоростями создала необходимость в более агрессивной смеси. Это устройство называется Hush Kit .

Наконец, чтобы ответить на ваш вопрос, нет аэродинамического преимущества; есть штраф. Благо аэроакустика.

Однако есть и косвенное преимущество: уменьшается количество акустического демпфирующего материала, необходимого для обеспечения достаточной тишины в салоне. Это экономит вес и, следовательно, топливо.

На самом деле, подобные приемы применялись и раньше на самолетах Boeing для уменьшения шума реактивных двигателей.

Rolls - Royce Conway (который использовался на Boeing 707) имел зубчатый выхлоп, который улучшал перемешивание струи и снижал шум выхлопа. Поскольку Conway был также первым работающим двухконтурным двигателем, более низкая скорость выхлопа этой конструкции уже помогла снизить шум. Во время разработки инженеры предполагали, что двигатель будет установлен в корнях крыла, однако степень двухконтурности составляла всего 0,25.

Также JTD-8 самолета Boeing 737-100 использовал аналогичную конструкцию глушителя:

Во всех случаях идея состоит в том, чтобы увеличить поверхность между горячими, быстрыми выхлопными газами и окружающим воздухом и растянуть шумный процесс смешивания .

См. также этот вопрос для получения дополнительной информации.

Основное назначение шевронов в двигателях — снижение шума двигателя.

Большинство гражданских авиалайнеров используют турбовентиляторные двигатели с большой степенью двухконтурности, которые создают значительный уровень шума, особенно в условиях высокой тяги. Шум самолета (двигателя) особенно важен на этапах взлета и захода на посадку, поскольку он влияет на людей в районе аэропорта, а также на наземный персонал. Снижение реактивного шума было одной из основных задач производителей гражданских самолетов со времен (неудачной) программы SST.

Источник: adg.stanford.edu

Как видно, шум двигателя, возможно, является наиболее важным фактором, влияющим на общий шум самолета. Таким образом, снижение шума двигателя становится первостепенной задачей. Большинство турбовентиляторных двигателей с большой степенью двухконтурности имеют две области потока - центральную сердцевину и окружающий вентилятор. Эти области обычно не смешиваются друг с другом в коротком сопле.

" Airbus Lagardère - двигатель GP7200 MSN108 (1) " от Dr Brains - собственная работа. Под лицензией CC0 через Commons .

На приведенной ниже схеме показана работа типичных турбовентиляторных двигателей с большой степенью двухконтурности, используемых в гражданских авиалайнерах.

" ТРДД " К. Аинскаци - Собственная работа . Под лицензией CC BY 2.5 через Commons .

Обычно высокие коэффициенты байпаса снижают шум. Основным источником струйного шума является турбулентное перемешивание сдвиговых слоев в выхлопе двигателя. Эти слои сдвига содержат нестабильности, которые приводят к сильно турбулентным вихрям, которые генерируют колебания давления, ответственные за звук.

[2012, В. Парезанович] Источник: http://www.berndnoack.com/

Одним из способов снижения шума является эффективное смешивание основного и перепускного газов. НАСА провело исследования в этой области и оценило ряд различных конфигураций.

Источник: НАСА – Инновации в аэронавтике.

Эти исследования показали, что, хотя лопастные смесители лучше снижали шум, связанные с этим потери тяги были больше, а шевроны предлагали оптимальное решение. Затем были протестированы два решения, с вкладками и шевронами (имитация полета) в различных конфигурациях.

Эти испытания показали, что конфигурация с шевронами в соплах вентилятора вызвала лишь наименьшее снижение коэффициента тяги. Вероятно, это и послужило причиной выбора.

В дополнение к этому проводились исследования по разработке систем, оптимизирующих «погружение» шеврона в реактивный поток в зависимости от условий полета. Были разработаны сплавы с памятью формы, активируемые нагреванием, которые позволили бы полностью погрузить шеврон в реактивный поток при требованиях к высокой тяге (например, во время взлета) и не погружать его во время крейсерского полета, когда эффективность тяги имеет большее значение.

Шевроны с изменяемой геометрией для управления погружением (AIAA 2006-2546) (изображение Boeing)