УСТРОЙСТВО ШУМОГЛУШЕНИЯ В ТУРБОРЕАКТИВНОМ ДВУХКОНТУРНОМ ДВИГАТЕЛЕ Российский патент 2006 года по МПК F02C7/24 

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно - к устройствам подавления шума турбореактивных двухконтурных двигателей.

Известна звукопоглощающая облицовка тракта турбореактивного двигателя, содержащая сотовый заполнитель, 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 небольшой ресурс и низкая прочность стенки 2 силового корпуса, выполненной без опор относительно перфорированной стенки, а также более низкая виброакустическая прочность стенки 4, преимущественно в режиме резонансных колебаний (флаттера).

Известна также серийная однослойная звукопоглощающая конструкция, содержащая стенку силового корпуса, перфорированную трактовую стенку, слой сотового заполнителя, размещенный между стенкой силового корпуса и перфорированной трактовой стенкой [2].

Недостатком известной звукопоглощающей конструкции является то, что применяемый в ней метод резонансного звукопоглощения позволяет добиться высоких акустических характеристик в узком диапазоне частот - не более 500...700 Гц. А частотный диапазон шума современных авиационных силовых установок находится в пределах от 500 до 8000 Гц. Поэтому для достижения высоких показателей в таком широком диапазоне требуется построение многослойных звукопоглощающих конструкций (ЗПК). Недостатком известной конструкции также является неполное использование возможности повышения акустических характеристик однослойных звукопоглощающих конструкций.

Известна также 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 перфорированной 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 [3].

Недостатком известной конструкции является большая высота панели для обеспечения высоких акустических характеристик, что не позволяет использовать такие панели в эксплуатируемых силовых установках.

Наиболее близкой к заявляемой конструкции является система шумоглушения силовой установки, содержащая в наружном контуре двигателя кольцевые ряды панелей, каждая из которых включает стенку силового корпуса, перфорированную трактовую стенку, слой сотового заполнителя, размещенный между стенкой силового корпуса и перфорированной трактовой стенкой [4].

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является высокая стоимость панелей и низкий коэффициент использования материала. Напряжения, возникающие при выполнении операции гибки плоских панелей, и нагрев в ходе термофиксации оказывают отрицательное влияние на прочность изделий, а следовательно, невозможно использовать силовые (титановые) корпуса двигателя, имеющие, например, меридианные горизонтальные стыки. Также недостатком известной конструкции является неполное использование возможности повышения величины поглощения звука и расширения частотного диапазона характеристики поглощения.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности звукопоглощения турбореактивного двухконтурного двигателя без существенных потерь его тяги.

Сущность технического решения заключается в том, что в устройстве шумоглушения в турбореактивном двухконтурном двигателе, содержащем в наружном контуре двигателя кольцевые ряды панелей, каждая из которых включает стенку силового корпуса, перфорированную трактовую стенку, слой сотового заполнителя, размещенный между стенкой силового корпуса и перфорированной трактовой стенкой, согласно изобретению в поперечном сечении, по меньшей мере, одного кольцевого ряда панелей размещено по две панели, каждая из которых включает фланцы, расположенные по периметру стенки силового корпуса, два продольных фланца скреплены с продольными фланцами смежной панели, а передний и задний фланцы скреплены с корпусом двигателя или со смежными задним и передним фланцами смежной панели, между стенками силового корпуса и перфорированной трактовой стенкой каждой панели размещены ряды демпферных упоров с отверстиями, сквозь которые эти стенки соединены крепежными элементами, а по периметру каждой панели размещена демпферная рамка, высота которой равна высоте сотового заполнителя, причем со стороны переднего и заднего фланцев каждая панель кольцевого ряда выполнена аэродинамически обтекаемой, с уменьшением высоты панели к стыку с каждым из фланцев, при этом, по меньшей мере, один кольцевой ряд панелей образует диффузорно-конфузорную резонансную полость со стенками корпуса турбины низкого давления двигателя или корпуса газогенератора. Перфорированная трактовая стенка и сотовый заполнитель выполнены из полимерной двумерной композиции, представляющей собой стеклопластик, органопластик или гибридный материал на основе слоев тканей, жгутов или ленточных материалов. Демпферная рамка по периметру панели охвачена слоями материала из полимерной двумерной композиции и соединена крепежными элементами с фланцами, при этом, по меньшей мере, один слой материала трактовой стенки расположен в задней части панели над слоями материала демпферной рамки. Наружные слои материала трактовой стенки включают абразивный порошок с размером частиц до 0,05 мм. Перфорация на трактовой стенке выполнена в виде групп отверстий, размещенных вокруг демпферных упоров, а три любых смежных отверстия перфорации на удалении свыше одного кольцевого ряда отверстий от демпферных упоров представляют собой равносторонний треугольник, при этом площадь отверстий перфорации составляет 8-12% от площади трактовой стенки. По меньшей мере, одна из панелей снабжена люком, выполненным из материала демпферной рамки, а края ячеек сотового заполнителя по периметру панели заполнены материалом демпферной рамки.

Размещение в поперечном сечении, по меньшей мере, одного кольцевого ряда панелей двух панелей, каждая из которых включает фланцы, расположенные по периметру стенки силового корпуса, при этом два продольных фланца скреплены с продольными фланцами смежной панели, а передний и задний фланцы скреплены с корпусом двигателя или со смежными задним и передним фланцами смежной панели, между стенками силового корпуса и перфорированной трактовой стенкой каждой панели размещены ряды демпферных упоров с отверстиями, сквозь которые эти стенки соединены крепежными элементами, а по периметру каждой панели размещена демпферная рамка, высота которой равна высоте сотового заполнителя, причем со стороны переднего и заднего фланцев каждая панель кольцевого ряда выполнена аэродинамически обтекаемой, с уменьшением высоты панели к стыку с каждым из фланцев, при этом, по меньшей мере, один кольцевой ряд панелей образует диффузорно-конфузорную резонансную полость со стенками корпуса турбины низкого давления двигателя или корпуса газогенератора, что обеспечивает снижение амплитуды колебаний поперек проницаемых композитных трактовых стенок, обладающих акустическим сопротивлением, т.е. через перфорацию и резонансное затухание косых отраженных звуковых волн в резонансных звукопоглощающих конструкциях за счет отсечки ударных волн, распространяющихся вверх и вниз по потоку, в резонансных кольцевых полостях наружного контура двигателя.

Выполнение перфорированной трактовой стенки и сотового заполнителя из полимерной двумерной композиции, представляющей собой стеклопластик, органопластик или гибридный материал на основе слоев тканей, жгутов или ленточных материалов, позволяет снизить тональный шум компрессора низкого давления в самом источнике - в турбореактивном двухконтурном двигателе, а также одновременно уменьшить широкополосный шум ступеней компрессора низкого давления.

Выполнение демпферной рамки таким образом, что она по периметру панели охвачена слоями материала из полимерной двумерной композиции и соединена крепежными элементами с фланцами, при этом, по меньшей мере, один слой материала трактовой стенки расположен в задней части панели над слоями материала демпферной рамки, повышает виброакустическую прочность звукопоглощающих панелей, надежность и ресурс по техническому состоянию, предотвращает отрыв и отслоение трактовой стенки.

Включение в наружные слои материала трактовой стенки абразивного порошка с размером частиц до 0,05 мм уменьшает эрозию трактовой стенки, износ и "выветривание" полимерной составляющей материала. Это повышает ресурс и надежность акустических панелей.

Выполнение перфорации на трактовой стенке в виде групп отверстий, размещенных вокруг демпферных упоров таким образом, что три любых смежных отверстия перфорации на удалении свыше одного кольцевого ряда отверстий от демпферных упоров представляют собой равносторонний треугольник, при этом площадь отверстий перфорации составляет 8-12% от площади трактовой стенки, а также выполнение одной из панелей с люком из материала демпферной рамки и заполнение краев ячеек сотового заполнителя по периметру панели материалом демпферной рамки позволяет оптимизировать зоны (векторы) акустических потоков в противофазе для обеспечения резонансного затухания косых отраженных звуковых волн в диффузорно-конфузорной кольцевой полости наружного контура турбореактивного двигателя.

На фиг.1 - изображен турбореактивный двухконтурный двигатель.

На фиг.2 - элемент I на фиг.1 диффузорно-конфузорной резонансной полости.

На фиг.3 - акустическая панель нижней полусферы.

На фиг.4 - разрез А-А на фиг.3 поперек акустической панели.

На фиг.5 - элемент Б на фиг.3 заднего фланца акустической панели.

На фиг.6 - разрез В-В на фиг.3 одного из люков акустической панели.

На фиг.7 - разрез Г-Г на фиг.3 (вариант 1).

На фиг.8 - разрез Г-Г на фиг.3 (вариант 2).

На фиг.9 - разрез Г-Г на фиг.3 (вариант 3).

На фиг.10 - вид Д на фиг.7,8 или 9.

Устройство шумоглушения в турбореактивном двухконтурном двигателе содержит в наружном контуре 1 двигателя кольцевые ряды панелей 2 и 3, 4 и 5, каждая из которых включает стенку силового корпуса 6, перфорированную трактовую стенку 7, слой сотового заполнителя 8, размещенный между стенкой силового корпуса 6 и перфорированной трактовой стенкой 7. В поперечном сечении кольцевого ряда панелей 2 и 3 размещено по две панели, каждая из которых включает фланцы 9, 10, 11, 12, расположенные по периметру стенки силового корпуса 6, два продольных фланца 9, 10 скреплены с продольными фланцами смежной панели, а передний 11 и задний 12 фланцы скреплены с корпусом двигателя или со смежными задним и передним фланцами смежной панели. Между стенками 6 силового корпуса и перфорированной трактовой стенкой 7 каждой панели 2, 3 размещены ряды демпферных упоров 13 с отверстиями, сквозь которые эти стенки 6, 7 соединены крепежными элементами 14. По периметру каждой панели 2, 3 размещена демпферная рамка 15, высота которой 16 равна высоте сотового заполнителя 8, причем со стороны переднего 11 и заднего 12 фланцев каждая панель кольцевого ряда 2, 3 выполнена аэродинамически обтекаемой с уменьшением высоты панели 17 к стыку 18 и 19 с каждым из фланцев 2, 3, а поз.20 - поток воздуха, отбрасываемого компрессором низкого давления 21. Кольцевой ряд панелей 2, 3 образует диффузорно-конфузорную резонансную полость 22 со стенками корпуса 24 турбины низкого давления двигателя и корпуса газогенератора 25, при этом поз.26, 27, 28 - расстояния от трактовой стенки 7 панели 2, 3, поясняющие образование диффузорно-конфузорной полости 22. Перфорированная трактовая стенка 7 и сотовый заполнитель 8 выполнены из полимерной двумерной композиции, представляющей собой стеклопластик, органопластик или гибридный материал на основе слоев тканей, жгутов или ленточных материалов. Перфорированная трактовая стенка 7 выполнена из неметаллической двумерной композиции, представляющей собой стеклопластик или органопластик на основе слоев тканей, плотность которого от 1,35 до 1,85 г/см³, а при температуре от -60°С до 80°С предел прочности при растяжении вдоль слоев от 41 до 55 кгс/мм², предел прочности при сжатии вдоль слоев от 14 до 32 кгс/мм², предел прочности при растяжении поперек слоев от 23 до 29 кгс/мм², предел прочности при сжатии поперек слоев от 12 до 18 кгс/мм². Демпферная рамка 15 по периметру панели 2, 3 охвачена слоями материала 29 из полимерной двумерной композиции и соединена крепежными элементами 30 с фланцами 9, 10, 11, 12, при этом, по меньшей мере, один слой материала 29 трактовой стенки 7 расположен в задней части 31 панели 2,3 над слоями материала демпферной рамки 15. Наружные слои материала трактовой стенки 7 включают абразивный порошок с размером частиц до 0,05 мм (не показано). Перфорация на трактовой стенке 7 выполнена в виде групп отверстий, размещенных вокруг демпферных упоров 13, а три любых смежных отверстия 32, 33, 34 перфорации на удалении свыше одного кольцевого ряда отверстий 35 от демпферных упоров 13 представляют собой равносторонний треугольник, при этом площадь отверстий 32, 33, 34, 35 и др. перфорации составляет 8-12% от площади трактовой стенки 7. Одна из панелей 2, 3 снабжена люком 36, выполненным из материала демпферной рамки 15, а края 37 ячеек сотового заполнителя 8 по периметру панели заполнены материалом демпферной рамки 15. Материал демпферных упоров 13 и демпферной рамки 15 представляет собой полужесткий клей с содержанием полых стеклянных микросфер до 30 массовых частей, плотность которого от 0,1 до 0,75 г/м³, а воздухопроницаемость для образцов диаметром 100 мм от 3 до 50 л/мин. В одном из вариантов изготовления акустических панелей материал демпферных упоров 13 и демпферной рамки 15 представляет собой полужесткий пенополиуретан, плотность которого от 0,1 до 0,75 г/см³, а воздухопроницаемость для образцов диаметром 100 мм от 3 до 50 л/мин.

Устройство шумоглушения в турбореактивном двухконтурном двигателе работает следующим образом. Определяющим параметром спектра шума со стороны перфорированной трактовой стенки 7 являются пики тонального шума компрессора низкого давления 21 и шум струи. Звуковое давление ≈150...180 дб, генерируемое дискретными гармониками ступеней компрессора низкого давления в условиях высокоскоростного (≈250 м/сек) потока воздуха компрессора низкого давления 21, воспринимается перфорированной трактовой стенкой 7 панелей верхней 2 и нижней 3 полусфер, пакетом 8 сотового заполнителя в виде многочисленных резонансных камер Гельмгольца и титановой стенкой силового корпуса 6, демпфируется в диффузорно-конфузорной резонансной (кольцевой) полости 22, образованной трактовой стенкой 7 панелей верхней 2 и нижней 3 полусфер со стенками корпуса турбины низкого давления 24 и корпусом 25 газогенератора (камеры сгорания). При этом демпферная рамка 15 по периметру стенки силового корпуса 6 верхней панели 2 и нижней панели 3 снижает амплитуду колебаний поперек проницаемых композитных трактовых стенок 7 за счет резонансного затухания косых отраженных звуковых волн в резонансных звукопоглощающих конструкциях. Далее пониженный уровень звукового давления воспринимается и демпфируется, многократно отражаясь и затухая в диффузорно-конфузорной полости 22 за счет отсечки ударных волн, вызываемых частотой следования ступеней лопаток компрессора низкого давления, распространяющихся вверх и вниз по потоку в канале наружного контура двигателя. Это позволяет снизить пики тонального шума ступеней компрессора низкого давления в самом источнике - в турбореактивном двухконтурном двигателе. При этом происходит оптимальное, в диапазоне частот 1200...5000 Гц, поглощение звука при минимизации потерь давления и тяги двигателя.

Заявляемое устройство шумоглушения в турбореактивном двухконтурном двигателе повышает виброакустическую прочность и обеспечивает запасы по шуму согласно главе 4 норм Международной организации гражданской авиации (ИКАО), вводимых с 2006 г.

Источники информации

1. RU, патент №1324376, F 02 C 7/24, 27.10.96 г.

2. RU, "Аэрокосмический курьер" №2, 2003, серийная однослойная ЗПК, стр.16, рис.2.

3. US, патент №6173807, F 02 K 1/00, 13.04.1998 г.

4. RU, "Полет" №9, 2003, система шумоглушения силовой установки самолета ТУ-154М, стр.12, рис.4 - прототип.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к устройствам подавления шума турбореактивных двухконтурных двигателей. Устройство шумоглушения в турбореактивном двухконтурном двигателе содержит в наружном контуре двигателя кольцевые ряды панелей, каждая из которых включает стенку силового корпуса, перфорированную трактовую стенку и слой сотового заполнителя. Слой сотового заполнителя размещен между стенкой силового корпуса и перфорированной трактовой стенкой. В поперечном сечении, по меньшей мере, одного кольцевого ряда панелей размещено по две панели, каждая из которых включает фланцы, расположенные по периметру стенки силового корпуса. Два продольных фланца скреплены с продольными фланцами смежной панели, а передний и задний фланцы скреплены с корпусом двигателя или со смежными задним и передним фланцами смежной панели. Между стенками силового корпуса и перфорированной трактовой стенкой каждой панели размещены ряды демпферных упоров с отверстиями, сквозь которые эти стенки соединены крепежными элементами. По периметру каждой панели размещена демпферная рамка, высота которой равна высоте сотового заполнителя. Со стороны переднего и заднего фланцев каждая панель кольцевого ряда выполнена аэродинамически обтекаемой с уменьшением высоты панели к стыку с каждым из фланцев. По меньшей мере, один кольцевой ряд панелей образует диффузорно-конфузорную резонансную полость со стенками корпуса турбины низкого давления двигателя или корпуса газогенератора. Изобретение позволяет повысить эффективность звукопоглощения турбореактивного двухконтурного двигателя без существенных потерь его тяги. 5 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Устройство шумоглушения в турбореактивном двухконтурном двигателе, содержащее в наружном контуре двигателя кольцевые ряды панелей, каждая из которых включает стенку силового корпуса, перфорированную трактовую стенку, слой сотового заполнителя, размещенный между стенкой силового корпуса и перфорированной трактовой стенкой, отличающееся тем, что в поперечном сечении, по меньшей мере, одного кольцевого ряда панелей размещено по две панели, каждая из которых включает фланцы, расположенные по периметру стенки силового корпуса, два продольных фланца скреплены с продольными фланцами смежной панели, а передний и задний фланцы скреплены с корпусом двигателя или со смежными задним и передним фланцами смежной панели, между стенками силового корпуса и перфорированной трактовой стенкой каждой панели размещены ряды демпферных упоров с отверстиями, сквозь которые эти стенки соединены крепежными элементами, а по периметру каждой панели размещена демпферная рамка, высота которой равна высоте сотового заполнителя, причем со стороны переднего и заднего фланцев каждая панель кольцевого ряда выполнена аэродинамически обтекаемой с уменьшением высоты панели к стыку с каждым из фланцев, при этом, по меньшей мере, один кольцевой ряд панелей образует диффузорно-конфузорную резонансную полость со стенками корпуса турбины низкого давления двигателя или корпуса газогенератора.2. Устройство шумоглушения в турбореактивном двухконтурном двигателе по п.1, отличающееся тем, что перфорированная трактовая стенка и сотовый заполнитель выполнены из полимерной двумерной композиции, представляющей собой стеклопластик, органопластик или гибридный материал на основе слоев тканей, жгутов или ленточных материалов.3. Устройство шумоглушения в турбореактивном двухконтурном двигателе по п.1 или 2, отличающееся тем, что демпферная рамка по периметру панели охвачена слоями материала из полимерной двумерной композиции и соединена крепежными элементами с фланцами, при этом, по меньшей мере, один слой материала трактовой стенки расположен в задней части панели над слоями материала демпферной рамки.4. Устройство шумоглушения в турбореактивном двухконтурном двигателе по п.1, отличающееся тем, что наружные слои материала трактовой стенки включают абразивный порошок с размером частиц до 0,05 мм.5. Устройство шумоглушения в турбореактивном двухконтурном двигателе по п.1, отличающееся тем, что перфорация на трактовой стенке выполнена в виде групп отверстий, размещенных вокруг демпферных упоров, а три любых смежных отверстия перфорации на удалении свыше одного кольцевого ряда отверстий от демпферных упоров представляют собой равносторонний треугольник, при этом площадь отверстий перфорации составляет 8-12% от площади трактовой стенки.6. Устройство шумоглушения в турбореактивном двухконтурном двигателе по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одна из панелей снабжена люком, выполненным из материала демпферной рамки, а края ячеек сотового заполнителя по периметру панели заполнены материалом демпферной рамки.