طراحی کاهش صدای موتور توربوفن
با گسترش حمل‌ونقل هوایی و افزایش ترافیک هوایی در دهه‌های اخیر، آلودگی صوتی ناشی از موتورهای هواپیما به یکی از چالش های مهم زیست محیطی
تبدیل شده است. موتورهای توربوفن که امروزه پرکاربردترین نوع موتورهای جت در هواپیماهای تجاری هستند، با وجود راندمان بالا، منابع اصلی نویز در پرواز به
شمار می‌آیند. کاهش نویز این موتورها علاوه بر بهبود تجربه مسافران و ساکنین اطراف فرودگاه‌ها، یکی از الزامات مهم برای تطابق با استانداردهای بین‌المللی
نظیر ICAO Annex 16 محسوب می‌شود.
منابع تولید نویز در موتور توربوفن
برای طراحی کاهش صدای مؤثر، ابتدا باید منابع اصلی تولید نویز در موتور توربوفن را شناخت. این منابع شامل موارد زیر هستند:
۱. نویز فن (Fan Noise)
فن در جلوی موتور قرار دارد و به دلیل چرخش با سرعت بالا و برخورد با جریان ورودی ، صدای قابل توجهی ایجاد می کند . این صدا شامل مؤلفه های تونال
(به دلیل تعداد تیغه‌ها) و پهن‌باند است.
۲. نویز توربین و کمپرسور
تیغه‌های چرخان در توربین و کمپرسور در تعامل با جریان عبوری ، نویزهایی با فرکانس های بالا ایجاد می کنند که اگرچه نسبت به فن ضعیف تر است ، اما در
سرعت‌های بالا اهمیت پیدا می‌کند.
۳. نویز جت (Jet Noise)
نویز جت، ناشی از اختلاط جریان پرسرعت خروجی موتور با هوای محیط است . این نویز در موتورهای توربوجت بیشتر است ، ولی در توربوفن با نسبت کنارگذر
بالا کاهش یافته است.
۴. نویز احتراق
فرآیند احتراق در محفظه احتراق نیز می‌تواند منبع نویز باشد، به‌خصوص در موتورهای با طراحی قدیمی یا تنظیمات نامناسب.
راهکارهای طراحی برای کاهش نویز
۱. افزایش نسبت کنارگذر (Bypass Ratio)
یکی از مؤثرترین روش‌های کاهش نویز، افزایش نسبت کنارگذر موتور است. در موتورهای توربوفن با نسبت کنارگذر بالا (High-bypass), بخش عمده رانش از طریق
جریان فن تأمین می‌شود، نه از طریق گاز داغ توربین. این کار باعث کاهش نویز جت و افزایش کارایی می‌شود.
مثال: موتورهای سری GE90 و Rolls-Royce Trent دارای نسبت کنارگذر بالا و نویز کمتر نسبت به مدل‌های قدیمی‌تر هستند.
۲. طراحی آیرودینامیکی تیغه‌های فن
شکل، تعداد و زاویه حمله تیغه‌های فن تأثیر زیادی بر تولید نویز دارند. استفاده از تیغه‌های داسی‌شکل (swept blades) و طراحی نامتقارن تیغه‌ها می‌تواند باعث
کاهش نویز تونال شود. همچنین استفاده از فن‌های با تعداد متغیر تیغه یا فن بدون دندانه یکسان (شبیه دندانه‌های کوسه‌ماهی) در لبه‌های حمله، تلاطم جریان
را کاهش می‌دهد.
۳. استفاده از آسترهای جاذب صدا (Acoustic Liners)
داخل دیواره کانال فن و نازل خروجی ، معمولاً با موادی پوشانده می شود که توانایی جذب انرژی صوتی را دارند . این آستر ها که از مواد متخلخل یا ساختارهای
هانی‌کامب تشکیل شده‌اند، امواج صوتی خاصی را در فرکانس‌های مشخص جذب می‌کنند.
۴. طراحی سایلنسر در نازل خروجی
در برخی موتورها، نازل‌های چند‌تکه (chevron nozzles) به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که جریان گاز خروجی را به‌صورت ملایم‌تری با هوا مخلوط می‌کنند. این کار باعث
کاهش نویز جت، خصوصاً در مراحل برخاست و اوج‌گیری می‌شود.
۵. کنترل فعال نویز (Active Noise Control)
این فناوری هنوز در مراحل توسعه است، اما شامل استفاده از سنسورها و محرک‌های فعال برای تولید امواج صوتی با فاز معکوس نسبت به صدای مزاحم است.
این امواج به‌صورت هدفمند نویزهای ناخواسته را تضعیف یا حذف می‌کنند.
۶. بهینه‌سازی فرآیند احتراق
با طراحی بهتر محفظه احتراق و کنترل دقیق نرخ سوخت، می‌توان نوسانات فشاری و پدیده‌های مخرب مانند نوسان حرارتی (Combustion Instability) را کاهش
داد که به کاهش نویز احتراق کمک می‌کند.
ملاحظات طراحی چندوجهی
الف) مصالح و وزن
استفاده از مواد سبک و مقاوم، مانند کامپوزیت‌ها در ساخت فن و بدنه، به کاهش وزن و در عین حال کنترل ارتعاشات کمک می‌کند. با کاهش ارتعاشات، نویزهای
القایی نیز کاهش می‌یابند.
ب) تاثیر بر عملکرد موتور
کاهش نویز نباید منجر به افت کارایی یا افزایش مصرف سوخت شود. در نتیجه طراحی باید بهینه‌سازی چندهدفه را در نظر بگیرد که بین نویز، راندمان و وزن تعادل
برقرار شود.
ج) هزینه و قابلیت ساخت
برخی روش‌ها مانند کنترل فعال نویز هزینه‌بر و پیچیده‌اند. در نتیجه در انتخاب روش‌ها باید به هزینه ساخت و نگهداری توجه ویژه داشت.
استانداردها و الزامات بین‌المللی
سازمان بین‌المللی هوانوردی غیرنظامی (ICAO) از طریق ضمیمه ۱۶ (Annex 16)، محدودیت‌هایی برای نویز موتورهای هواپیما در مراحل مختلف پرواز (برخاست،
عبور از فراز، فرود) تعیین کرده است. این استانداردها در مراحل طراحی باید لحاظ شوند تا موتور مجوز استفاده تجاری را دریافت کند.
فناوری‌های آینده در کاهش نویز
موتورهای با فن باز (Open Rotor): اگرچه نویز بیشتری دارند، اما با طراحی پیشرفته می‌توان نویز آن‌ها را کنترل کرد.
پیش‌رانش الکتریکی-ترکیبی: با جایگزینی بخشی از موتور با سامانه‌های الکتریکی، نویز کاهش می‌یابد.
مواد هوشمند: موادی که رفتار آکوستیکی آن‌ها قابل کنترل باشد، در آینده نقش کلیدی در طراحی آسترهای صوتی خواهند داشت.
نتیجه‌گیری
کاهش نویز موتور توربوفن یکی از چالش‌های مهم و ضروری در طراحی موتورهای نسل جدید است. با شناخت منابع نویز و استفاده از ترکیبی از روش‌های طراحی
آیرودینامیکی، مصالح نوین، آسترهای صوتی و فناوری‌های نو، می‌توان به کاهش قابل توجه نویز دست یافت . این تلاش ها نه تنها به بهبود کیفیت زندگی ساکنان
اطراف فرودگاه‌ها کمک می‌کند، بلکه با تطابق با استانداردهای زیست‌محیطی، امکان بهره‌برداری گسترده‌تر از هواپیماها را فراهم می‌سازد.
برای مشاوره و خرید با ما در ارتباط باشید.