ГЛУШИТЕЛЬ ШУМА Российский патент 2001 года по МПК F01N1/00 

Изобретение относится к области машино- и авиастроения, а именно к области разработки и конструирования устройств, позволяющих снизить шум струи газового потока, имеющего дозвуковую скорость истечения, например, шум струи выходящих газов турбовального двигателя вертолета.

Известен эжектор в виде прямолинейной цилиндрической трубы определенной расчетной длины, применяемый в глушителях шума. Это устройство позволяет снизить шум в широком спектре частот (см. 1, А.С. Погодин. "Шумоглушащие устройства", М., Машиностроение, 1973, с. 133).

Известен также глушитель шума, представляющий систему эжекторная труба - диффузор - насадок (перфорированная цилиндрическая труба). Экспериментальным путем подобрано такое сочетание размеров эжектора и насадка, при котором обеспечиваются необходимая эжекция воздуха и одновременное снижение шума. Для улучшения эффективности шумоглушащего устройства применяют звукопоглощающую облицовку различной формы и толщины (см. 1, с. 134-137).

Нашими экспериментами с вышеперечисленными глушителями шума (фиг. 2, 3) показано, что применяемые глушители имеют относительно низкую эффективность. В октавной полосе частот шум струи выходящих газов двигателей, имеющих вышеназванные глушители, значительно превышает санитарно-допустимые нормы (см. 2, ГОСТ 12.1.003-83. Система стандартов безопасности. Шум. Общие требования безопасности. - М.: Изд. стандартов, 1983, с. 7).

Недостатком этих устройств является то, что их использование малоэффективно, особенно для тех, кто вынужден по роду своей деятельности находиться вблизи работающего двигателя, например, в кабине вертолета или на стоянке около него, где уровень звукового давления существенно выше санитарно-допустимых норм. Применяемые индивидуальные средства шумозащиты не предохраняют организм человека от неблагоприятного воздействия шума через кожный покров и костные ткани. Кроме того, при использовании вышеназванных глушителей эффективное шумоглушение может быть достигнуто только при значительном увеличении их геометрических размеров, что не всегда приемлемо, особенно при установке глушителей на летательных аппаратах и передвижных энергоустановках.

Задачей предлагаемого изобретения является создание компактного глушителя шума с повышенной эффективностью шумоглушения, особенно, в непосредственной близости от работающего двигателя, с одновременной вентиляцией отсека камеры сгорания двигателя.

Поставленная задача решается созданием и использованием глушителя шума газового потока, содержащего эжектор и диффузор, с перфорацией и звукопоглощающей облицовкой. Причем эжектор выполнен расширяющимся с рассекателями потока в виде лопаток, установленных напротив друг друга на его стенках под углом к газовому потоку, диффузор выполнен криволинейным с углом кривизны α = 10 - 15 градусов и радиусами кривизны для выпуклой стенки R₁ = (3 - 4)d, для вогнутой стенки R₂ = (4 - 5)d, выходным сечением в форме эллипса, большая ось которого расположена в плоскости кривизны диффузора, с перфорацией, составляющей 5 - 10% площади стенок глушителя. Задача решается также и тем, что звукопоглощающая облицовка может быть выполнена в виде z-гофр с переменной высотой H₁ = (0,05 - 0,1)d на участке L₁ = (2,5 - 3)d, H₂ = (0,2 - 0,3)d на участке L₂ = (3 - 4)d, H₃ = (0,2 - 0,3)d на участке L₃ = (4 - 5,5)d.

Глушитель шума газового потока, представленный на фиг. 1, состоит из эжектора 1 и диффузора 2. Эжектор 1 глушителя выполнен расширяющимся. На стенках эжектора 1 установлены рассекатели газового потока 3 в виде лопаток. Размеры и угол установки лопаток зависят от скорости газового потока и выбираются для конкретного типа двигателя. Диффузор 2 криволинейный, с углом кривизны α = 10-15 градусов. Радиус выпуклой стенки диффузора R₁ = (3 - 4d), а радиус вогнутой стенки R₂ (4 - 5d), где d - диаметр выходного сечения сопла двигателя. Выходное сечение диффузора имеет форму эллипса. Большая ось эллипса лежит в плоскости кривизны диффузора. Если угол кривизны диффузора α будет меньше 10 градусов, то эффект шумоглушения снижается до уровня прототипа, если больше 15 градусов, то падает КПД двигателя. Применение радиусов кривизны стенок диффузора меньше или больше граничных значений аналогичным образом влияет на шумоглушение и КПД двигателя. Стенки глушителя, имеющие звукопоглощающую облицовку 4, перфорированы. Площадь перфорации составляет 5-10% от площади стенок. Это позволяет расширить диапазон заглушаемых частот, так как различные участки газовой струи генерируют шум разной частоты. Увеличение и уменьшение площади перфорации ухудшает акустические свойства облицовки.

Остальные граничные параметры составных элементов глушителя определяют расчетным путем и корректируют, исходя из условий обеспечения максимальной эффективности шумоглушения при минимальных гидравлических потерях устройства (см. 3, Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Газодинамика диффузоров и выхлопных патрубков. - М. : Энергия, 1970, с. 278-279). Геометрические размеры элементов глушителя для конкретного двигателя выбирают с учетом скорости истечения потока (см. 4, Карпов Ю.В., Дворянцева Л.А. Защита от шума на предприятиях химической промышленности. - М.: Химия, 1991, с.32). Диаметр входного сечения глушителя выбирают из условий обеспечения необходимой степени эжекции. Кроме того, при использовании глушителя, например, на летательных аппаратах общие габаритные размеры не должны ухудшать аэродинамические характеристики изделия.

Звукопоглощающая облицовка 4 может быть выполнена из складчатых заполнителей с рельефом в виде z-гофр. Зигзагообразный гофр является перспективным видом звукопоглотителей и представляет собой ряд зигзагов, чередующихся впадинами и вершинами, получаемыми путем сгибания (складывания) листового материала по определенной технологии. Высокая насыщенность объема облицовки вертикальными и наклонными элементами с резкими изломами между ними определяет оригинальные акустические свойства складчатых конструкций. Конструкции звукопоглощающих облицовок с зигзагообразными гофрами обладают рядом конструктивных, технологических и акустических преимуществ по сравнению с сотовой конструкцией (проще и дешевле в изготовлении, особенно криволинейных поглотителей, низкая себестоимость и возможность изготовления из широкого спектра материалов, настройка на более широкий диапазон частот). Высота облицовки варьируется в зависимости от изменения характера струи и частоты излучаемого шума (см. 5, Дейч М.Е. Техническая газодинамика. - М.: Госэнергоиздат, 1974, с.408). По длине глушителя высота облицовки 4 может быть постоянной (сплошная линия поз. 4 на фиг. 1) или переменной (пунктирная линия поз. 4 на фиг. 1) в зависимости от степени турбулентности струи.

При прохождении газового потока через эжектор 1 глушителя (см. фиг. 1) начальный участок струи сокращается в результате взаимодействия с лопатками 3, которые разбивают его на отдельные части, имеющие тангенциальные составляющие скорости. Оптимальный угол раствора канала эжектора, составляющий 2 - 8 градусов (см. 3, с. 94), компенсирует возможное ухудшение эжекции, вызванное уменьшением скорости эжектирующей струи на начальном участке. В расширяющемся канале эжектора 1 скорость истечения струи замедляется за счет увеличения площади проходного сечения. В криволинейном диффузоре 2 образуются вторичные течения, снижающие скорость истечения основного потока. Выходное сечение в виде эллипса с расположением большой оси в плоскости кривизны диффузора увеличивает мощность вторичных течений, вызывает увеличение потерь энергии, снижает скорость и уменьшает акустическую мощность газового потока. Расположение большой оси эллипса перпендикулярно плоскости кривизны диффузора повышает его КПД, но несколько снижает акустические свойства. Звукопоглощающая облицовка 4 глушителя экранирует газовый поток, а перфорация стенок глушителя улучшает ее акустическую эффективность. Помимо снижения шума струи выходящих газов двигателя глушитель обеспечивает вентиляцию отсека двигателя (например, отсека камеры сгорания турбовального двигателя).

Проведенными экспериментами на модельных глушителях шума (фиг. 1 - 3) выявлено, что эффективность заявляемого глушителя (фиг. 1) выше, чем глушителя-прототипа (фиг. 2), и, тем более, глушителя-аналога (фиг. 3) и позволяет снизить шум на 2 - 9 дБ. Модели вариантов глушителей исследовались в одинаковой среде (воздух), при одинаковом состоянии его плотности, вязкости и местной скорости звука. Исследование акустических характеристик газового потока осуществлялось на холодном воздухе при выполнении условия геометрического и физического подобия течения (по линейным размерам моделей, расходу воздуха, скорости и числу Рейнольдса). Измерения уровней звукового давления и определение амплитудно-частотных характеристик шума струи проводились на расстоянии 3, 6 и 9 калибров от среза сопла двигателя при различных углах наблюдения. За калибр принимался диаметр d сопла двигателя. Анализ акустической эффективности глушителя проводился по амплитудно-частотным характеристикам шума, генерируемого газовым потоком (фиг. 4, 5) и значениям уровней звукового давления, измеренным на среднегеометрических частотах октавных полос и уровней, измеренных по шкале А шумомера, в зависимости от угла наблюдения. На фиг. 4 представлены спектры шума при использовании глушителя-прототипа, на фиг. 5 - заявляемого глушителя. Уровни звукового давления в октавной полосе частот для различных моделей глушителей и уровни звукового давления, измеренные по шкале А шумомера, при угле наблюдения 60 градусов представлены в таблице 1.

Анализ значений уровней звукового давления показал, что максимальное снижение уровней достигается при использовании расширяющегося эжектора с криволинейным диффузором, перфорированной облицовкой и рассекателями потока. Использование данного глушителя позволяет уменьшить уровни звукового давления в октавной полосе частот со среднегеометрическими частотами 250 и 500 Гц до уровней санитарно-допустимых норм.

Анализ амплитудно-частотных характеристик шума струи (фиг. 4, 5) показал, что заявляемый вариант глушителя существенно снижает амплитуды звукового давления на энергонесущих частотах шума струи выходящих газов в области средних частот. Например, при использовании заявляемого глушителя для турбовального двигателя вертолета снижение уровней звукового давления, генерируемого струей выходящих газов, достигает 2-9 дБ. Причем максимальное снижение амплитуд наблюдается в октавных полосах нахождения энергонесущих частот.

Изобретение относится к машино- и авиастроению, а именно к разработке и конструированию устройств, позволяющих снизить шум струи газового потока, имеющего дозвуковую скорость истечения, например, шум струи выходящих газов турбовального двигателя вертолета. Глушитель содержит эжектор и диффузор с перфорацией и звукопоглощающей облицовкой. Причем эжектор выполнен расширяющимся с рассекателями потока в виде лопаток, установленных напротив друг друга на его стенках под углом к газовому потоку, диффузор выполнен криволинейным с углом кривизны α = 10 - 15^o и радиусами кривизны для выпуклой стенки R₁ = (3 - 4)d, для вогнутой стенки R₂ = (4 - 5)d, где d - диаметр выходного сечения сопла двигателя, выходным сечением в форме эллипса, большая ось которого расположена в плоскости кривизны диффузора с перфорацией, составляющей 5 - 10% площади стенок глушителя. Звукопоглощающая облицовка может быть выполнена в виде z-гофр с переменной высотой H₁ = (0,05 - 0,1)d на участке L₁ = (2,5 - 3)d, H₂ = (0,2 - 0,3)d на участке L₂ = (3 - 4)d, H₂ = (0,2 - 0,3)d на участке L₃ = (4 - 5,5)d. Заявляемый глушитель позволяет снизить шум на 2 - 9 дБ. 1 з.п.ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Глушитель шума газового потока, содержащий эжектор и диффузор, с перфорацией и звукопоглощающей облицовкой, отличающийся тем, что эжектор выполнен расширяющимся с рассекателями потока в виде лопаток, установленных напротив друг друга на его стенках под углом к газовому потоку, диффузор выполнен криволинейным с углом кривизны α = 10-15^o и радиусом кривизны для выпуклой стенки R₁= (3-4)d, для вогнутой стенки R₂=(4-5)d, где d - диаметр выходного сечения сопла двигателя, и выходным отверстием в форме эллипса, большая ось которого расположена в плоскости кривизны диффузора, с перфорацией, составляющей 5-10% площади стенок глушителя. 2. Глушитель шума по п.1, отличающийся тем, что звукопоглощающая облицовка выполнена в виде z-гофра с переменной толщиной Н₁ = (0,05-0,1)d на участке L₁ = (2,5-3)d, H₂ = (0,2-0,3)d на участке L₂ = (3-4)d, H₃ = (0,2-0,3)d на участке L₃ = (4-5,5)d.