Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЯ В ДВУХКОНТУРНОМ ТУРБОРЕАКТИВНОМ ДВИГАТЕЛЕ

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к устройствам для звукопоглощения в двухконтурных турбореактивных двигателях, преимущественно с большой степенью двухконтурности.

Известно устройство для звукопоглощения в кольцевых каналах турбореактивного двигателя, содержащее трактовые стенки, полости вне тракта, звукопоглощающие конструкции в полостях вне тракта, каждая звукопоглощающая конструкция в каждой полости вне тракта выполнена с перегородками для звукопоглощения типа резонатора Гельмгольца, с кольцеобразным акустическим покрытием. В известной конструкции кольцеобразное акустическое покрытие для каналов газотурбинного двигателя в полостях вне тракта по типу резонаторов Гельмгольца проходит по концентричной поверхности на меридианной оси акустического покрытия [1].

Недостатком известной конструкции является невысокая эффективность поглощения звука в диапазоне частот 1250...5000 Гц дискретных гармоник тонального шума вентилятора. Наличие высоких уровней звукового давления (до 160 дБ), высокоскоростной поток (до 200 м/с) влияют на акустические свойства звукопоглощающей облицовки в известной конструкции таким образом, что увеличивают амплитуду колебаний и толщину пограничного с трактовой стенкой слоя, что приводит к увеличению потерь давления звуковых колебаний, отраженных экранами, а также к "запиранию" канала, по которому протекает поток газа, и к уменьшению тяги двигателя. Также недостатком известной конструкции является ослабление трактовых стенок меридианными щелевыми отверстиями, большая строительная высота полостей вне тракта, а также большие затраты на ее изготовление. Это означает, что известную конструкцию можно использовать для конкретного случая применения, т.е. при других частотах и другой ширине полос для демпфирования звуковой энергии ее нельзя использовать, возможно же использование только при существенном изменении всей конструкции.

Известен также звуковой демпфер, предназначенный для канала, по которому протекает поток газа, состоящий из двух концентричных цилиндрических стенок, которые внутри ограничивают канал, причем радиально расположенные перегородки разделяют полость между цилиндрическими стенками для образования отдельных кольцевых полостей, которые по крайней мере через одно отверстие во внутренней цилиндрической стенке соединены с каналом, благодаря чему полости образуют соответствующие кольцевые объемные резонаторы, с помощью которых распространяющаяся в канале звуковая энергия демпфируется в определенном диапазоне частот, причем вход из канала в соответствующий объемный резонатор осуществляется через канал с искривленной траекторией, который является частью кольцевой полости и отходит от внутренней цилиндрической стенки таким образом, что закрывает отверстие с внутренней цилиндрической стенкой, а часть траектории проходит в основном концентрично оси канала и ограничивается промежуточной стенкой в полости, концентричной оси канала. В данной конструкции отверстия во внутренней цилиндрической стенке выполнены в виде кольцевых пазов, дополнительная перегородка в полости между внутренней цилиндрической стенкой и ограничивающей траекторию промежуточной стенкой отделяет дополнительную кольцевую полость с вторичным резонатором. Звуковой демпфер содержит полость с вторичным резонатором, которая соединена с соседним каналом с искривленной траекторией с помощью отверстий в ограничительной стенке. Звуковой демпфер содержит кольцевую полость, которая разделена, по крайней мере, на две расположенные в виде секторов полости [2].

Недостатком известной конструкции является неполное использование возможностей эффективного поглощения звука в диапазоне частот 1000...7000 Гц дискретных гармоник тонального и комбинационного шума вентилятора, а также суммарного шума двигателя. В условиях высоких уровней звукового давления ~160 дБ, высоких скоростей потока ~200 м/с недостаточна конструктивная прочность и ресурс трактовой стенки. Звуковые колебания, отраженные экранами и генерируемые в отверстиях, увеличивают амплитуду колебаний и толщину пограничного с трактовой стенкой слоя, что приводит к увеличению потерь давления звуковых колебаний, к "запиранию" канала, по которому протекает поток газа, к уменьшению тяги двигателя. Уменьшение тяги двигателя приводит к взлету на повышенной (на это снижение) тяге, что увеличивает уровень звукового давления (интенсивности звука) и в конечном итоге ухудшает акустическое зонирование окрестностей аэропортов в соответствии с нормами Международной организации гражданской авиации (ИКАО).

Наиболее близким к заявляемой конструкции является устройство для звукопоглощения в двухконтурном турбореактивном двигателе, содержащее в канале наружного контура двигателя кольцевые трактовые перфорированные стенки, полости вне тракта, звукопоглощающие конструкции в полостях вне тракта, каждая звукопоглощающая конструкция в каждой полости вне тракта выполнена в виде ряда кольцевых резонаторных камер, преимущественно камер Гельмгольца, при этом двигатель размещен в гондоле и соединен на входе с воздухозаборником самолета, а на выходе ограничен реактивным соплом [3].

Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является неполное использование возможности максимального поглощения звука в диапазоне дискретных гармоник тонального шума вентилятора и компрессора (f=1000....7000 Гц), что объясняется пережатием кольцевых камер Гельмгольца в местах крепления их к стрингерам. Также недостатком известного устройства является невозможность размещения резонаторных камер Гельмгольца двумя коаксиальными кольцевыми рядами вследствие крепления звукопоглощающих панелей с облицовкой к стрингерам. При этом полости вторичного резонанса отсутствуют, а камеры Гельмгольца труднее настроить к конкретным случаям применения широкополостности демпфируемых частот, а также понизить уровни звукового давления, действующего в воздухозаборнике самолета и в канале наружного контура двигателя, вызывающие изменения действительной части импеданса (акустического сопротивления), которая для трактовых стенок определяется сопротивлением продуванию перфорации. При высокоскоростном потоке газа (до 200 м/с) и высоком уровне звукового давления (до 160 дБ) увеличиваются потери давления, определяемые сопротивлением продуванию перфорации. Это приводит к увеличению потерь давления звуковых колебаний, увеличению толщины пограничного с трактовой стенкой слоя и уменьшению тяги двигателя. При этом для известной конструкции существует определенный предел звукового давления, при достижении которого величина импеданса перфорированных трактовых стенок с размещенными в них звукопоглощающими конструкциями существенно увеличивает амплитуды колебаний струй из отверстий перфорации, т.е. толщину пограничного слоя, и снижает тягу двигателя, что не позволяет достичь акустического совершенства и удовлетворить с запасом требования норм ИКАО на шум самолетов.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности звукопоглощения в двухконтурном турбореактивном двигателе без потерь его тяги путем использования акустически настроенных концентричных резонаторных камер Гельмгольца, более эффективной облицовки звукопоглощающими конструкциями в полостях вне тракта при обеспечении определенного соотношения площадей облицовки на внешних и внутренних трактовых стенках канала наружного контура двигателя, а также в снижении шума двигателя путем акустической настройки звукопоглощающих конструкций дискретно гармоникам тонального шума вентилятора за счет многоярусного расположения внешних трактовых стенок в полостях вне тракта канала наружного контура, преимущественно в местах прохождения тяг подвески двигателя к пилону, реверса и панелей сопла, а также в минимизации потерь давления путем определенных конструктивных параметров звукопоглощающих конструкций и параметров канала наружного контура двигателя.

Сущность технического решения заключается в том, что в устройстве для звукопоглощения в двухконтурном турбореактивном двигателе, содержащем в канале наружного контура двигателя кольцевые трактовые стенки с полостями вне тракта, звукопоглощающие конструкции в полостях вне тракта, каждая из которых выполнена в виде ряда кольцевых резонаторных камер, преимущественно Гельмгольца, при этом двигатель размещен в гондоле и соединен на входе с воздухозаборником самолета, а на выходе ограничен реактивным соплом, согласно изобретению звукопоглощающие конструкции в полостях вне тракта выполнены в виде ряда заполнителей, поперечное сечение каждого из которых представляет фигуру с замкнутым в меридианном сечении двигателя контуром, преимущественно в форме четырехугольника, число поверхностей стыка между заполнителями в полости вне тракта на единицу меньше числа заполнителей в этой полости, каждый из заполнителей скреплен одной стороной с перфорированной трактовой стенкой и с соответствующей стороной смежного заполнителя, при этом отношение площадей облицовок звукопоглощающими конструкциями в полостях вне тракта внешних трактовых стенок канала наружного контура двигателя к площадям облицовок звукопоглощающими конструкциями в полостях вне тракта внутренних стенок этого канала равно (0,9...1,1)·, где - акустический параметр канала наружного контура двигателя, соответствующий логарифмическому масштабу 5 дБ. Глубина полостей вне тракта для размещения в них звукопоглощающих конструкций составляет (1,6...10)· oт толщины трактовой стенки, площадь перфорации составляет 0,10...0,12 от площади облицовки звукопоглощающими конструкциями трактовой стенки, а диаметр перфорации составляет (0,4...0,8)· от толщины трактовой стенки. Заполнители в полости вне тракта размещены двумя коаксиальными рядами, меньшие стороны поперечного сечения каждой пары заполнителей разных рядов расположены в одной плоскости, по меньшей мере большая сторона каждого ряда заполнителя выполнена перфорированной, а объемы резонаторных камер заполнителей внутреннего ряда в целое число раз или в раз превышают объемы резонаторных камер заполнителей внешнего ряда. Заполнители в полости вне тракта выполнены составными в окружном направлении и скреплены с трактовыми стенками, стенками в полости вне тракта и соединительными фланцами. Площадь перфорации на трактовой стенке в целое число раз или в раз превышает площадь перфорации на стенке, разделяющей первый и второй ряды заполнителя. Отношение общей площади облицовки звукопоглощающими конструкциями в полостях вне тракта канала наружного контура двигателя к площади сечения горла самолетного воздухозаборника и, соответственно, к площади сопла двигателя составляет (1,95...3,05)·.

Выполнение звукопоглощающих конструкций в полостях вне тракта в виде ряда заполнителей, поперечное сечение каждого из которых представляет фигуру с замкнутым в меридианном сечении двигателя контуром, преимущественно в форме четырехугольника, число поверхностей стыка между заполнителями в полости вне тракта на единицу меньше числа заполнителей в этой полости, каждый из заполнителей одной стороной скреплен с перфорированной трактовой стенкой и с соответствующей стороной смежного заполнителя, обеспечивает возможность оптимизации различных форм элементов звукопоглощающих конструкций к акустической настройке резонаторных камер Гельмгольца для звукопоглощения тонального шума вентилятора, адаптированных одновременно к акустической настройке этих камер для звукопоглощения комбинационного и широкополосного шумов вентилятора. Это обеспечивает высокую эффективность максимального поглощения звука в диапазоне частот 1250...5000 Гц дискретных гармоник тонального шума вентилятора в условиях высоких уровней звукового давления (до 160 дБ), высокоскоростного потока (до 200 м/с) без снижения тяги двигателя.

При отношении площадей облицовок звукопоглощающими конструкциями в полостях вне тракта внешних трактовых стенок канала наружного контура двигателя к площадям облицовок звукопоглощающими конструкциями в полостях вне тракта внутренних стенок этого канала, равном (0,9...1,1)·, обеспечивается снижение амплитуды колебаний поперек проницаемых трактовых стенок, обладающих акустическим сопротивлением, т.е. через перфорацию. Это уменьшает толщину пограничных с трактовыми стенками слоев, уменьшает турбулентность пограничных слоев и не увеличивает потерь давления, вызванных "запиранием" канала наружного контура двигателя в условиях повышенного уровня звукового давления. Такое выполнение конструкции обеспечивается путем многоярусного расположения внешних трактовых стенок в полостях вне тракта преимущественно в местах прохождения "тяг" подвески двигателя к пилону, реверса и панелей сопла.

При глубине полостей вне тракта для размещения в них звукопоглощающих конструкций, составляющей (1,6...10)· от толщины трактовой стенки, площади перфорации, составляющей 0,10...0,12 от площади облицовки звукопоглощающими конструкциями трактовой стенки, а также при диаметре перфорации, составляющем (0,4...0,8)· от толщины трактовой стенки, обеспечивается возможность оптимизации различных форм элементов звукопоглощающих конструкций, адаптированных одновременно к тональному и к комбинационному шуму вентилятора при взлете и посадке самолета, что расширяет диапазон звукопоглощения и обеспечивает более эффективное акустическое зонирование (окресностей аэропортов).

Размещение заполнителей в полости вне тракта двумя коаксиальными рядами, при этом меньшие стороны поперечного сечения каждой пары заполнителей разных рядов расположены в одной плоскости, по меньшей мере большая сторона каждого ряда заполнителя выполнена перфорированной, а объемы резонаторных камер заполнителей внутреннего ряда в целое число раз или в раз превышают объемы резонаторных камер заполнителей внешнего ряда, расширяет возможности применения при других частотах и другой ширине полос для демпфирования звуковой энергии за счет более эффективной настройки полостей вторичного резонанса (наружного ряда резонаторных камер) и дополнительного уменьшения потерь давления вблизи перфорации, вызываемых высокочастотными колебаниями тонального шума вентилятора.

Выполнение заполнителей в полости вне тракта составными в окружном направлении и скрепленными с трактовыми стенками, стенками в полости вне тракта и соединительными фланцами позволяет упростить технологию изготовления и снизить стоимость звукопоглощающих конструкций за счет упрощенного удаления упругоэластичной формующей оснастки из заполнителей, изготовленных преимущественно из полимерных композиционных материалов.

При площади перфорации на трактовой стенке в целое число раз или в раз превышающей площадь перфорации на стенке, разделяющей первый и второй ряды заполнителя, обеспечивается расширение диапазона поглощения звука в диапазоне частот 1000...7000 Гц дискретных гармоник тонального шума вентилятора и суммарного шума двигателя.

При отношении общей площади облицовки звукопоглощающими конструкциями в полостях вне тракта канала наружного контура двигателя к площади сечения горла самолетного воздухозаборника и, соответственно, к площади сопла двигателя, составляющего (1,95...3,05)·, обеспечивается снижение тонального шума вентилятора в самом источнике - двухконтурном турбореактивном двигателе, а также одновременно снижается широкополосный шум вентилятора. Это объясняется резонансным затуханием косых отраженных звуковых волн в резонансных звукопоглощающих конструкциях рядов заполнителей за счет определенного расположения перфорации на проницаемых трактовых стенках, обладающих акустическим сопротивлением. Это объясняется также теорией глушения шума в каналах с импедансными границами, ламинаризацией обтекания, демфированием пограничного слоя и уменьшением внутренних потерь.

На фиг.1 изображен двигатель ПС-90А в гондоле.

На фиг.2 - элемент I трактовых стенок канала наружного контура.

На фиг.3 - вариант элемента I трактовых стенок канала наружного контура с двухярусным расположением звукопоглощающих конструкций в полостях вне тракта.

На фиг.4 - вариант элемента I трактовых стенок канала наружного контура с двухярусным расположением звукопоглощающих конструкций, скрепленных с соединительными фланцами в полостях вне тракта.

На фиг.5 - структура шума двигателя ПС-90А.

На фиг.6 - запасы по шуму двигателя ПС-90А для различных самолетов (до использования заявляемого изобретения).

Устройство для звукопоглощения в двухконтурном турбореактивном двигателе содержит в канале наружного контура 1 двигателя 2 кольцевые трактовые стенки 3, 4, полости вне тракта 5, 6, звукопоглощающие конструкции 7, 8 в полостях вне тракта 5, 6 (см. фиг.1). Каждая звукопоглощающая конструкция 7, 8 в каждой полости вне тракта 5, 6 выполнена в виде ряда кольцевых резонаторных камер 9, преимущественно камер Гельмгольца (см. фиг.2). Двигатель 2 размещен в гондоле 10 и соединен на входе 11 с воздухозаборником 12 самолета, а на выходе 13 ограничен реактивным соплом 14 (см. фиг.1). Звукопоглощающие конструкции 7, 8 в полостях вне тракта 5, 6 выполнены в виде ряда заполнителей 15, 16, 17 и других, поперечное сечение каждого из которых представляет фигуру с замкнутым в меридианном сечении двигателя 2 контуром 18, преимущественно в форме четырехугольника (см. фиг.2). Число поверхностей стыка 19 между заполнителями 15, 16, 17 и др. в полости вне тракта 5 или 6 на единицу меньше числа заполнителей 15, 16 17 и др. в этой полости 5 или 6 (см. фиг.2). Каждый из заполнителей 15, 16, 17 одной стороной 20 скреплен с перфорированной трактовой стенкой 3 или соответственно 4, по меньшей мере одной из других сторон 21 скреплен с соответствующей стороной 19 смежного заполнителя 15, 16, 17 и др. (см. фиг.2). Отношение площади облицовки звукопоглощающими конструкциями 7, 8 в полостях вне тракта 5, 6 внешних трактовых стенок 3 канала наружного контура 1 двигателя 2 к площади облицовки звукопоглощающими конструкциями 7, 8 в полостях вне тракта 5, 6 внутренних стенок 4 этого канала 1 равно (0,9...1,1)·, где - акустический параметр канала наружного контура двигателя, соответствующий логарифмическому масштабу 5 дБ. Глубина 22 полостей вне тракта 5, 6 для размещения в них звукопоглощающих конструкций 7, 8 составляет (1,6....10)· от толщины 23 трактовой стенки 3, 4 (см. фиг.2). Площадь перфорации 24 составляет 0,10...0,12 от площади 25 облицовки звукопоглощающими конструкциями 7, 8 трактовой стенки 3 или 4 (см. фиг.2). Диаметр перфорации 24 составляет (0,4...0,8)· от толщины 23 трактовой стенки 3 или 4 (см. фиг.2). Заполнители 15, 16, 17 и др. в полости вне тракта 5 или 6 размещены двумя коаксиальными рядами 26 и 27 (см. фиг.3). Меньшие стороны 28 поперечного сечения каждой пары заполнителей 15, 16, 17 и др. разных рядов 26 или 27 расположены в одной плоскости 29 (см. фиг.3). По меньшей мере большая сторона 30 каждого ряда 26 или 27 заполнителей 15, 16, 17 и др. выполнена перфорированной отверстиями 24 (см. фиг.3). Объемы 31 резонаторных камер заполнителей внутреннего ряда 26 в целое число раз или в раз превышают объемы резонаторных камер 32 заполнителей внешнего ряда 27 (см. фиг.3). Заполнители 15, 16, 17 и др. полости вне тракта 5, 6 выполнены составными в окружном направлении и скреплены с трактовыми стенками 3, 4, стенками 33 в полости вне тракта и соединительными фланцами 34 (см. фиг.4).

Площадь перфорации 24 на трактовой стенке 3, 4 в целое число раз или в раз превышает площадь перфорации 24 на стенке 34, разделяющей первый 26 и второй 27 ряды заполнителей 15, 16, 17 и др. (см. фиг.3, 4). Отношение общей площади облицовки звукопоглощающими конструкциями 15, 16, 17 в полостях вне тракта 5, 6 канала наружного контура 1 двигателя 2 к площади сечения горла самолетного воздухозаборника 12 и, соответственно, к площади 13 сопла 14 двигателя 2 составляет (1,95...3,05)· (см. фиг.1).

Устройство для звукопоглощения в двухконтурном турбореактивном двигателе работает следующим образом. Определяющим параметром спектра шума для двигателя ПС-90А являются пики тонального шума вентилятора (см. фиг.5). Звуковое давление ~150...160 дБ, генерируемое дискретными гармониками тонального шума вентилятора в условиях высокоскоростного потока ~200 м/с, воспринимается звукопоглощающими конструкциями 7, 8 в полостях вне тракта 5, 6 сквозь перфорацию 24. При отношении площади облицовки звукопоглощающими конструкциями 7, 8 в полостях вне тракта 5, 6 внешних трактовых стенок 3 канала наружного контура 1 двигателя 2 к площади облицовки звукопоглощающими конструкциями 7, 8 в полостях вне тракта 5, 6 внутренних стенок 4 этого канала 1, равного (0,9...1,1)·, обеспечивается коэффициент поглощения звука (по энергии), близкий к единице, т.е. при этом происходит полное поглощение звука. Этим достигается акустическая резонансная настройка звукопоглощающих конструкций 7, 8 в полостях вне тракта 5, 6. При отношении общей площади облицовки звукопоглощающими конструкциями 15, 16, 17 и др. в полостях вне тракта 5, 6 канала наружного контура 1 двигателя 2 к площади сечения горла самолетного воздухозаборника 12 и, соответственно, к площади 13 сопла 14 двигателя 2, составляющем строго определенную величину в пределах (1,95...3,05)·, уменьшается тональный шум вентилятора в самом двигателе и происходит резонансное затухание косых отраженных звуковых волн, а также происходит почти полное поглощение звука при минимизации потерь давления и без потерь тяги двигателя, т.е. коэффициент поглощения звука (по энергии), близкий к единице. Заявляемое изобретение повышает эффективность звукопоглощения в двухконтурном турбореактивном двигателе и обеспечивает запасы по шуму.

Источники информации

1. FR, патент № 2639678 А1, F 02 C 7/24, 7/045, F 02 K 1/00, 1/44, 1989 г.

2. DE, патент № 2801071 С2, G 10 K 11/16, F 01 N 1/02, F 02 C 7/24, 1978 г.

3. FR, патент № 2613773 А1, F 02 C 7/24, G 10 K 11/16, 1987 г. - прототип.