Звукопоглощающая конструкция для тракта газотурбинного двигателя

Звукопоглощающая конструкция для тракта газотурбинного двигателя

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к устройствам подавления шума турбовентиляторных авиационных двигателей.

Известна звукопоглощающая облицовка тракта турбореактивного двигателя, содержащая сотовый наполнитель, размещенный между наружной и внутренней стенками, первая из которых расположена с зазором относительно силового корпуса, а вторая выполнена перфорированной, при этом наружная стенка также выполнена перфорированной со степенью перфорации, составляющей 3-20%, а отношение зазора к расстоянию от внутренней стенки до корпуса равно 0,3-0,7 [1].

Недостатком известной конструкции является невысокая эффективность поглощения звука в диапазоне частот 1250-5000 Гц дискретных гармоник тонального шума вентилятора и компрессора. Другим недостатком известной конструкции является невысокая конструктивная прочность стенки 4 силового корпуса, выполненной с зазором, без опор относительно перфорированной наружной стенки 2, а также низкая виброакустическая прочность стенки 4, преимущественно в режиме резонансных колебаний (флаттера).

Известна композитная звукопоглощающая конструкция, содержащая наружную перфорированную панель, первый слой сотового заполнителя, внутреннюю перфорированную панель, второй слой сотового заполнителя и жесткую звуконепроницаемую панель, скрепленные связующим при полимеризации [2].

Недостатком известной конструкции является небольшой ресурс и недостаточная эффективность поглощения звука в диапазоне частот 1250-5000 Гц дискретных гармоник тонального шума вентилятора и компрессора, а также низкая теплостойкость связующего, не выдерживающего градиенты температур более 160°С. Другим недостатком известной конструкции является деструкция материала полимерных панелей и сотовых заполнителей, что ограничивает их ресурс, а также низкая виброакустическая прочность, преимущественно в "горячей" части двигателя, что делает невозможным ее использование в турбовентиляторных двигателях для самолетов гражданской авиации.

Известна многослойная сотовая панель с проницаемым внутренним слоем, состоящая из перфорированной трактовой обшивки, первого слоя резонансного заполнителя, проницаемого слоя - материала с градиентной пористостью и плотностью, второго слоя резонансного заполнителя, а также обшивки (стенки) силового корпуса [3].

Недостатком известной конструкции является недостаточная эффективность поглощения звука в диапазоне частот 1000-7000 Гц дискретных гармоник тонального и комбинационного шума вентилятора, а также суммарного шума при использовании панели в турбовентиляторных двигателях. Известная конструкция основана на диссипативном типе звукопоглощения, т.е. на потерях акустической энергии на трение воздуха при его перемещениях под воздействием фронтовой падающей акустической волны внутри пористых структур материалов. В известной конструкции трудно подобрать оптимальные диссипативные поглощающие характеристики проницаемых слоев материалов по отношению к акустическим колебаниям нижней и верхней границы диапазона частот поглощения звука. Известная конструкция при ее использовании в турбовентиляторных двигателях увеличивает потери давления звуковых колебаний, амплитуду колебаний и толщину пограничного с трактовой стенкой слоя, что приводит к \запиранию\ канала, по которому протекает поток газа, и к уменьшению тяги двигателя. Уменьшение тяги двигателя приводит к взлету на повышенной (на это снижение) тяге, что увеличивает уровень звукового давления (интенсивности звука) и ухудшает акустическое зонирование окрестностей аэропортов.

Наиболее близкой к заявляемой конструкции является звукопоглощающая акустическая панель гондолы турбовентиляторного двигателя с клиновидным обтекателем и передним цельным кольцом, содержащая стенку силового корпуса, перфорированную трактовую стенку, перфорированную стенку в полости вне тракта, фронтовой слой сотового заполнителя, размещенный между перфорированными трактовой стенкой и стенкой в полости вне тракта, а также тыловой слой сотового заполнителя, размещенный между перфорированной стенкой в полости вне тракта и стенкой силового корпуса [4].

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является неполная возможность ее использования непосредственно в газогенераторе турбореактивного двигателя, а также неполная возможность более эффективного глушения шума в диапазоне частот 1000-7000 Гц дискретных гармоник и комбинационного шума вентилятора и компрессора, а также суммарного шума двигателя для повышения запасов по шуму. Также недостатком известной панели является ее недостаточная виброакустическая прочность в условиях высоких уровней звукового давления (˜160 дБ) и высоких скоростей потока (˜200 м/сек), а также сложность акустической настройки звукопоглощающих конструкций в полостях вне тракта в диапазонах частот суммарного шума двигателя. В известной конструкции трудно достичь эффективного снижения шума вследствие трудностей \настройки\ и оптимизации параметров выхлопного шума струи и дискретных гармоник тонального шума вентилятора.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности звукопоглощения конструкции в турбовентиляторном авиационном двигателе без существенных потерь его тяги.

Сущность технического решения заключается в том, что в звукопоглощающей конструкции для тракта газотурбинного двигателя, содержащей стенку силового корпуса, перфорированную трактовую стенку, перфорированную стенку в полости вне тракта, фронтовой слой сотового заполнителя, размещенный между перфорированными трактовой стенкой и стенкой в полости вне тракта, а также тыловой слой сотового заполнителя, размещенный между перфорированной стенкой в полости вне тракта и стенкой силового корпуса, согласно изобретению число перфорированных стенок в полости вне тракта равно или на единицу больше числа слоев сотовых заполнителей, между каждой парой размещенных в полости вне тракта смежных перфорированных стенок установлены контактирующие с этими стенками упоры, скрепленные рядами крепежных элементов, соединяющих все слои, включающие стенку силового корпуса, перфорированные стенки в полости вне тракта, слои сотовых заполнителей и перфорированную трактовую стенку, при этом звукопоглощающая конструкция выполнена в виде панели, содержащей поперечные и радиальные стенки по периметру перфорированных стенок в полости вне тракта, а каждой парой контактирующих с упорами в полости вне тракта перфорированных стенок образована замкнутая периметром этих стенок буферная акустическая камера. Упоры между каждой парой смежных перфорированных стенок в полости вне тракта выполнены в виде рамки, замкнутой периметром этих стенок, и ряда штырьков, размещенных внутри этой рамки, при этом поперечные и радиальные стенки по периметру перфорированных стенок в полости вне тракта выполнены с рядами отверстий, каждым из которых соединены смежные перфорированные стенки в полости вне тракта и слои сотовых заполнителей. Панели закреплены на каркасе, причем радиальные стенки панелей в местах их стыка выполнены в виде ответных углублений и выступов с отверстиями для крепежных элементов, а толщина панели в местах выступов или углублений равна, по меньшей мере, толщине стенки силового корпуса или поперечной стенки.

Выполнение числа перфорированных стенок в полости вне тракта равным или на единицу больше числа слоев сотовых заполнителей, с установкой между каждой парой размещенных в полости вне тракта смежных перфорированных стенок контактирующих с этими стенками упоров, скрепленных рядами крепежных элементов, соединяющих все слои, включающие стенку силового корпуса, перфорированные стенки в полости вне тракта, слои сотовых заполнителей и перфорированную трактовую стенку, а также выполнение звукопоглощающей конструкции в виде панели, которая содержит поперечные и радиальные стенки по периметру перфорированных стенок в полости вне тракта, а каждой парой контактирующих с упорами в полости вне тракта перфорированных стенок образована замкнутая периметром этих стенок буферная акустическая камера, обеспечивает возможность оптимизации элементов звукопоглощающих конструкций: фронтового и тылового слоев сотового заполнителя, по типу многочисленных резонансных камер Гельмгольца, для звукопоглощения тонального шума вентилятора, адаптированных одновременно к акустической настройке буферной акустической камеры для звукопоглощения комбинационного и широкополосного шумов вентилятора и компрессора. Это повышает эффективность максимального поглощения звука в диапазонах частот 1200-5000 Гц дискретных гармоник тонального шума вентилятора в условиях высоких уровней звукового давления (до 160 дБ), высокоскоростного потока (до 200 м/сек), без снижения тяги двигателя, преимущественно за счет демпфирования пограничного слоя и снижения внутренних потерь при протекании воздуха и (или) газа в канале с импедансными границами.

Выполнение звукопоглощающей конструкции для тракта газотурбинного двигателя таким образом, что упоры между каждой парой смежных перфорированных стенок в полости вне тракта выполнены в виде рамки, замкнутой периметром этих стенок, с рядом штырьков внутри этой рамки, при этом поперечные и радиальные стенки по периметру перфорированных стенок в полости вне тракта выполнены с рядами отверстий, каждым из которых соединены смежные перфорированные стенки в полости вне тракта и слои сотовых заполнителей, все это обеспечивает повышенную виброакустическую прочность, повышает ресурс и надежность. Так, например, через отверстия в поперечных и радиальных стенках (по периметру панели) возможно осуществлять сварку или пайку смежных перфорированных стенок в полости вне тракта с поперечными и радиальными стенками панели.

Выполнение звукопоглощающей конструкции для тракта газотурбинного двигателя таким образом, что панели закреплены на каркасе, причем радиальные стенки панелей в местах их стыка выполнены в виде ответных углублений и выступов с отверстиями для крепежных элементов, а толщина панели в местах выступов или углублений равна, по меньшей мере, толщине стенки силового корпуса или поперечной стенки, что обеспечивает оптимальное демпфирование виброакустических напряжений и акустическую настройку буферных акустических камер каждой панели для звукопоглощения комбинационного и широкополосного шумов вентилятора и компрессора, а также для звукопоглощения шума струи.

На фиг.1 изображен турбовентиляторный авиационный двигатель в мотогондоле самолета.

На фиг.2 - панели на каркасе.

На фиг.3 - поперечное сечение панели, у которой число перфорированных стенок в полости вне тракта равно числу слоев сотовых заполнителей.

На фиг.4 - вид А на фиг.3.

На фиг.5 - поперечное сечение панели, у которой число перфорированных стенок в полости вне тракта на единицу больше числа слоев сотовых заполнителей.

На фиг.6 - вид Б на фиг.5.

Звукопоглощающая конструкция включает вентилятор 1 с подпорными ступенями 2, спрямляющий аппарат 3 вентилятора, компрессор 4 высокого давления, камеру сгорания 5, турбины 6, 7 высокого и низкого давлений, смеситель 8 на выходе турбинного тракта 9 и реактивное сопло 10. Звукопоглощающая конструкция выполнена в виде панелей 11, 12, каждая панель содержит поперечные стенки 13, 14 и радиальные стенки 15, 16, при этом панели 11, 12 закреплены на каркасе 17. Конструкция содержит стенку 18 силового корпуса, перфорированную трактовую стенку 19, перфорированную стенку 20 в полости вне тракта 21, фронтовой слой сотового заполнителя 22, размещенный между перфорированной трактовой стенкой 19 и перфорированной стенкой 20 в полости вне тракта 21, а также тыловой слой сотового заполнителя 23, размещенный между перфорированной стенкой 20 в полости вне тракта 21 и стенкой 18 силового корпуса. Число перфорированных стенок 20 в полости вне тракта 21 может быть равным числу слоев 22, 23 (фронтового и тылового) сотового заполнителя, т.е. в звукопоглощающей конструкции выполнена дополнительная перфорированная стенка 24 в полости вне тракта 21. Между парой размещенных в полости вне тракта 21 смежных перфорированных стенок 20, 24 установлены контактирующие с этими стенками упоры 25, скрепленные рядами крепежных элементов (электрозаклепок) 26, соединяющих стенку 18 силового корпуса, перфорированные стенки 20, 24 в полости вне тракта 21, слои сотовых заполнителей 22, 23 и перфорированную трактовую стенку 19. При этом парой контактирующих с упорами 25 в полости вне тракта 21 перфорированных стенок 20,24 образована замкнутая периметром этих стенок, а, по существу, поперечными и радиальными стенками 13, 14 и 15, 16 буферная акустическая камера 27 (резонансная камера Гельмгольца). Упоры 25 между парой смежных перфорированных стенок 20, 24 в полости вне тракта 21 могут быть выполнены в виде рамки 28, замкнутой периметром этих стенок 20, 24, а по существу поперечными и радиальными стенками 13, 14 и 15, 16, и ряда ступенчатых штырьков 29, размещенных внутри этой рамки 28. При этом поперечные стенки 13, 14 и радиальные стенки 15, 16 по периметру перфорированных стенок 20, 24 в полости вне тракта 21 выполнены с рядами отверстий 30, каждым из которых соединены смежные перфорированные стенки 20, 24 в полости вне тракта 21 и слои 22, 23 сотовых заполнителей (для возможности их крепления сваркой, пайкой). Панели 11, 12 закреплены на каркасе 17, причем радиальные стенки 15, 16 панелей 11, 12 в местах их стыка 31 выполнены в виде ответных углублений 32 и выступов 33 с отверстиями 34 для крепежных элементов 35, а толщина 36 панели 11, 12 в местах выступов 33 или углублений 32 равна, по меньшей мере, толщине 37 стенки силового корпуса или, по меньшей мере, толщине 38 поперечной стенки 13. Число перфорированных стенок 20 в полости вне тракта 21 может быть на единицу больше числа слоев 22, 23, 39 сотовых заполнителей, т.е. в звукопоглощающей конструкции выполнены четыре перфорированные стенки 20, а каждой парой контактирующих с упорами 25, 28, 29 в полости вне тракта 21 перфорированных стенок 20 образована замкнутая периметром этих стенок буферная акустическая камера 27, т.е. образованы две буферные акустические камеры 27.

Звукопоглощающая конструкция работает следующим образом. Определяющим параметром спектра шума со стороны перфорированной трактовой стенки 19 являются пики тонального шума вентилятора 1 и шум струи. Звуковое давление ˜150-160 дБ, генерируемое дискретными гармониками тонального шума вентилятора 1 в условиях высокоскоростного (˜200 м/сек) потока воздуха вентилятора, воспринимается перфорированной трактовой стенкой 19, пакетом 22 фронтового слоя сотового заполнителя в виде многочисленных сотовых ячеек - резонансных камер Гельмгольца и демпфируется в буферной акустической камере 27. Далее пониженный уровень звукового давления воспринимается второй перфорированной стенкой 20 и демпфируется в тыловом слое 23 сотового заполнителя. При этом слои сотового заполнителя 22, 23, а также поперечные стенки 13, 14, радиальные стенки 15, 16, трактовая стенка 19 и стенки 20 в полости вне тракта 21 имеют перфорацию, а стенка 18 силового корпуса выполнена сплошной. При работе двигателя потоки воздуха, отбрасываемые лопатками вентилятора 1, деформируются таким образом, что происходит резонансная отсечка частоты следования лопаток вентилятора в буферной акустической камере 27, т.е. происходит резонансное затухание косых волн, отраженных стенкой 18 силового корпуса. При этом происходит оптимальное, в диапазоне частот 1200-5000 Гц, поглощение звука при минимизации потерь давления и тяги двигателя. Заявляемое изобретение повышает эффективность звукопоглощения в турбовентиляторном авиационном двигателе и обеспечивает надежную виброакустическую прочность и запасы по шуму согласно Главы 4 норм ИКАО, вводимых с 2006 года.

Источники информации

1. RU, патент №1324376, F 02 C 7/24, 18.04.2003 г.

2. Журнал \Аэрокосмический курьер\ №2, 2003 г., стр. 32, рис.1.

3. Журнал \Аэрокосмический курьер\ №2, 2003 г., стр. 28, 29, рис.1, 3.

4. US, патент №6173807, F 02 K 1/00, 13.04.1998 г. - прототип.

1. Звукопоглощающая конструкция для тракта газотурбинного двигателя, содержащая стенку силового корпуса, перфорированную трактовую стенку, перфорированную стенку в полости вне тракта, фронтовой слой сотового заполнителя, размещенный между перфорированными трактовой стенкой и стенкой в полости вне тракта, а также тыловой слой сотового заполнителя, размещенный между перфорированной стенкой в полости вне тракта и стенкой силового корпуса, отличающаяся тем, что число перфорированных стенок в полости вне тракта равно или на единицу больше числа слоев сотовых заполнителей, между каждой парой размещенных в полости вне тракта смежных перфорированных стенок установлены контактирующие с этими стенками упоры, скрепленные рядами крепежных элементов, соединяющих все слои, включающие стенку силового корпуса, перфорированные стенки в полости вне тракта, слои сотовых заполнителей и перфорированную трактовую стенку, при этом звукопоглощающая конструкция выполнена в виде панели, содержащей поперечные и радиальные стенки по периметру перфорированных стенок в полости вне тракта, а каждой парой контактирующих с упорами в полости вне тракта перфорированных стенок образована замкнутая периметром этих стенок буферная акустическая камера.

2. Звукопоглощающая конструкция по п.1, отличающаяся тем, что упоры между каждой парой смежных перфорированных стенок в полости вне тракта выполнены в виде рамки, замкнутой периметром этих стенок, и ряда штырьков, размещенных внутри этой рамки, при этом поперечные и радиальные стенки по периметру перфорированных стенок в полости вне тракта выполнены с рядами отверстий, каждым из которых соединены смежные перфорированные стенки в полости вне тракта и слои сотовых заполнителей.

3. Звукопоглощающая конструкция по п.1, отличающаяся тем, что панели закреплены на каркасе, причем радиальные стенки панелей в местах их стыка выполнены в виде ответных углублений и выступов с отверстиями для крепежных элементов, а толщина панели в местах выступов или углублений равна, по меньшей мере, толщине стенки силового корпуса или поперечной стенки.