ГЛУШИТЕЛЬ ШУМА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2007 года по МПК F04D29/66 

Изобретение относится к авиадвигателестроению, а именно к разработке и конструированию средств снижения шума, распространяющегося по аэродинамическим каналам авиационных двухконтурных турбореактивных двигателей (ТРДД), в частности по каналам с потоком, имеющим дозвуковую скорость течения, например, шума вентилятора ТРДД.

Шум вентиляторов ТРДД содержит интенсивные тональные составляющие на частотах, кратных частоте вращения рабочего колеса, как правило, переносимые набором нескольких основных энергонесущих азимутальных вращающихся акустических мод.

Известны устройства для снижения шума, переносимого преимущественно азимутальными вращающимися модами.

В патенте США №4300656 от 17.11.1981 г. предложено устройство для снижения излучаемого из воздухозаборников ТРДД шума вентилятора, в особенности, при сверхзвуковых окружных скоростях его рабочего колеса. Глушитель шума содержит систему радиальных пластинчатых разделителей потока, называемую «звуковым барьером», пересекающихся на оси воздухозаборного канала ТРДД. Такая решетка разделителей потока разрушает структуру распространяющихся акустических волн и частично отражает их.

Известны аналогичные конструкции решетчатых звуковых барьеров для наружных каналов ТРДД. Так в патенте США №6439840 от 27.08.2002 г. представлено устройство для снижения шума вентилятора ТРДД, излучаемого из его наружного канала, также содержащего систему радиальных пластинчатых разделителей потока.

Основными недостатками таких устройств является их значительная масса и аэродинамическое сопротивление, вызывающее существенные гидравлические потери, снижающие эффективность ТРДД. Кроме того, недостатком такого «звукового барьера» для воздухозаборника является то, что сходящие с разделителей потока вихревые следы достигают лопаток рабочего колеса (РК) вентилятора, что вызывает увеличение генерируемого им шума. В результате этого положительный эффект глушения шума снижается и может исчезнуть совсем. Еще один недостаток предложенных конструкций звуковых барьеров связан с тем обстоятельством, что таких разделителей потока не может быть много. В результате оказывается невозможным выполнить условие акустической отсечки возбуждения шума при взаимодействии решеток разделителей с РК вентилятора на первой гармонике частоты следования лопаток, что также приводит к росту шума.

Известны регулируемые средства снижения шума, убираемые из проточной части ТРДД на режимах крейсерского полета, когда проблема авиационного шума вблизи аэропортов неактуальна, например, патент США №3533486 от 13.10.1970 г.

Основным недостатком известных регулируемых средств снижения шума ТРДД является сложность их конструкции.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение акустической эффективности глушителя, снижение массы и упрощение конструкции решетчатых «звуковых барьеров», а также снижение аэродинамических потерь в каналах ТРДД, связанных с их применением.

Шум вентиляторов ТРДД является весьма высокочастотным и широкополосным шумом, как правило, переносимым набором нескольких основных энергонесущих азимутальных вращающихся мод. Это справедливо и для основной роторной частоты вентилятора и ее гармоник, акустическая энергия на которых связывается преимущественно с шумом ударных волн.

Технический результат в заявляемом глушителе шума (вариант), преимущественно вентилятора ТРДД, имеющего канал круглого и/или кольцевого сечения, достигают путем установки в канале одной или нескольких замкнутых кольцевых решеток осерадиальных пластин или профилей, причем осерадиальные пластины или профили одной или нескольких замкнутых кольцевых решеток выполнены консольными, при этом последние устанавливают на стенке канала круглого и/или кольцевого сечения и занимают часть площади его поперечного сечения.

При этом осерадиальные пластины или профили замкнутых кольцевых решеток, выполненные консольными, также выполнены стреловидными с передней и/или задней стреловидностью.

При этом замкнутые кольцевые решетки осерадиальных пластин или профилей, выполненные консольными, стреловидными с передней и/или задней стреловидностью, также выполнены регулируемыми и имеют возможность размещаться за пределами проточной части круглого и/или кольцевого канала, например, путем их втягивания за его пределы.

При этом осерадиальные пластины или профили замкнутых кольцевых решеток, выполненные консольными, стреловидными с передней и/или задней стреловидностью, также выполнены с возможностью их поворота относительно осей, расположенных по линиям крепления к корпусу проточной части, и имеют возможность устанавливаться за пределами проточной части круглого и/или кольцевого канала.

При этом замкнутые кольцевые решетки осерадиальных пластин или профилей, выполненные консольными, стреловидными с передней и/или задней стреловидностью, установлены на одной или обеих стенках канала кольцевого сечения, причем каждая решетка занимает часть площади поперечного сечения.

При этом все замкнутые кольцевые решетки осерадиальных пластин или профилей или некоторые из них, выполненные консольными, стреловидными с передней и/или задней стреловидностью, установленные на одной или обеих стенках канала кольцевого сечения, причем каждая решетка занимает часть площади поперечного сечения, выполнены регулируемыми и имеют возможность размещаться за пределами проточной части кольцевого канала, например, путем их втягивания за его пределы.

При этом все замкнутые кольцевые решетки осерадиальных пластин или профилей или некоторые из них, выполненные консольными, стреловидными с передней и/или задней стреловидностью, установленные на одной или обеих стенках канала кольцевого сечения, причем каждая решетка занимает часть площади поперечного сечения, выполнены регулируемыми и имеют возможность размещаться за пределами проточной части кольцевого канала, например, путем их поворота относительно осей, расположенных по линиям их крепления к корпусу проточной части.

Также в заявляемом глушителе шума (вариант), преимущественно вентилятора ТРДД, имеющего канал круглого и/или кольцевого сечения, содержащем одну или несколько замкнутых кольцевых решеток осерадиальных пластин или профилей, осерадиальные пластины или профили одной или нескольких замкнутых кольцевых решеток выполнены бандажированными, при этом решетки установлены на стенке канала круглого и/или кольцевого сечения и занимают часть площади его поперечного сечения, причем одна или несколько замкнутых кольцевых решеток осерадиальных пластин или профилей содержат бандаж, соединяющий концевые сечения осерадиальных пластин или профилей.

Также одна или несколько замкнутых кольцевых решеток осерадиальных пластин или профилей, выполненных бандажированными, а бандаж соединяет концевые сечения осерадиальных пластин или профилей, выполнены стреловидными с передней и/или задней стреловидностью.

Поэтому, установив заявляемый глушитель шума (варианты) на стенках канала круглого и/или кольцевого сечения, содержащий одну или несколько замкнутых кольцевых решеток осерадиальных пластин или профилей, достигается эффективное препятствие распространению вращающихся (азимутальных) акустических мод, переносящих основную часть шума, возбужденного турбомашинами. При этом для снижения гидравлических потерь замкнутые кольцевые решетки составлены из осерадиальных пластин или профилей и занимают, согласно изобретению, лишь часть площади его поперечного сечения. Возможность применения замкнутых кольцевых решеток осерадиальных пластин или профилей, занимающих лишь часть площади поперечного сечения канала круглого и/или кольцевого сечения, объясняется тем обстоятельством, что обычно в радиальном направлении поток акустической энергии распределен по сечению канала неравномерно, причем чаще всего максимум потока энергии наблюдается у периферийной стенки канала. В результате размещение в канале замкнутой кольцевой решетки, занимающей лишь периферийную часть площади его поперечного сечения, оказывает достаточно сильное акустическое сопротивление вращающимся азимутальным акустическим модам.

На фиг.1 представлена схема ТРДД с заявляемым глушителем шума (звуковым барьером), имеющим замкнутые кольцевые решетки 5 осерадиальных пластин или профилей, который установлен, например, как в воздухозаборном канале 3, так и в канале 4 наружного контура.

На фиг.2 показано поперечное сечение заявляемого глушителя шума (вариант), имеющего замкнутую кольцевую решетку 5 осерадиальных пластин или профилей в воздухозаборном канале 3, которые выполнены консольными.

На фиг.3 представлен глушитель шума, имеющий замкнутую кольцевую решетку 5 с выполненными стреловидными осерадиальными пластинами или профилями.

На фиг.4 представлен глушитель шума (вариант), имеющий бандажированную замкнутую кольцевую решетку 5 осерадиальных пластин или профилей с бандажом 10.

На фиг.5 показано поперечное сечение с выполненной бандажированной кольцевой решетки 5 осерадиальных пластин или профилей в воздухозаборном канале 3.

На фиг.1, где представлена схема ТРДД, показана установка заявляемого глушителя шума (варианты) на корпусе 1 в канале 3 круглого поперечного сечения (воздухозаборный канал ТРДД), имеющего дозвуковой поток газа в направлении 2, и установка заявляемого глушителя шума в канале 4 поперечного кольцевого сечения (наружного канала ТРДД), имеющего также дозвуковой поток газа в направлении 2, содержащего замкнутые кольцевые решетки 5 осерадиальных пластин или профилей, установленные на стенках этих каналов. Рабочее колесо (РК) 6 (вентилятора ТРДД), спрямляющий аппарат (СА) 7 (вентилятора ТРДД), переднее выходное сечение 8 ТРДД, заднее выходное сечение 9 ТРДД.

Шум от рабочего колеса (РК) 6 и спрямляющего аппарата (СА) 7 распространяется к выходным сечениям ТРДД, соответственно переднему 8 и заднему 9. При этом, распространяясь по воздухозаборному каналу 3 и наружному каналу 4 к выходным сечениям 8 и 9, соответственно переднему и заднему ТРДД, звуковые волны наталкиваются на замкнутые кольцевые решетки 5 (звуковые барьеры) осерадиальных пластин или профилей и отражаются от них обратно к рабочему колесу (РК) 6 и спрямляющему аппарату 7 (СА). В результате шум ТРДД на местности снижается.

На фиг.3 показан глушитель шума (варианты) (звукового барьера), где осерадиальные пластины или профили замкнутой кольцевой решетки 5 выполнены стреловидными. Такая форма лопаток способствует увеличению их запаса по флаттеру.

При этом замкнутые кольцевые решетки осерадиальных пластин или профилей выполнены либо консольными, либо бандажированными.

На фиг.4 показан глушитель шума (вариант) (звукового барьера), где осерадиальные пластины или профили замкнутой кольцевой решетки 5 имеют бандаж 10, способствующий увеличению надежности и ресурса этого узла. В частном случае бандаж 10 может соединять концевые сечения составляющих замкнутую кольцевую решетку 5 осерадиальных пластин или профилей.

Работа заявляемого глушителя шума осуществляется следующим образом.

При попадании в каналы 1 или 3 (фиг.1) акустические моды, переносящие звуковую энергию, достигают замкнутых кольцевых решеток 5 (звуковых барьеров) осерадиальных пластин или профилей. Известно, что в сечениях каналов 3 и 4, где их акустические свойства претерпевают какие-либо изменения, происходит отражение акустических волн и трансформация одних акустических мод в другие. Кроме того, замкнутая кольцевая решетка 5 осерадиальных пластин или профилей играет роль акустического замедлителя звуковых волн, поскольку вдоль нее, то есть поперек направления движения звуковых волн от источника шума, начинается движение поверхностной волны (волны Релея). Независимо от частоты звука часть модальной энергии отражается от места установки замкнутой кольцевой решетки 5 осерадиальных пластин или профилей.

Исследования показали, что решетки профилей в вентиляторах и компрессорах отражают не менее половины падающей на них акустической энергии.

Физический механизм снижения шума, используемый в заявляемом глушителе шума, не делает различий между случаями распространения звука по потоку и против потока (например, воздухозаборник и наружный канал ТРДД). Поэтому различные варианты заявляемого глушителя шума могут устанавливаться как во всасывающих, так и в выхлопных каналах турбомашин.

Таким образом, почти прозрачная для стационарного потока замкнутая кольцевая решетка осерадиальных пластин или профилей оказывается серьезным барьером, препятствующим распространению азимутальных акустических волн вверх или вниз по потоку. Если учесть, что шум турбомашин в основном переносится именно азимутальными модами, то становится очевидным, что передний или задний шум турбомашины в значительной степени будет отражен от заявляемого глушителя шума.

Свойства заявляемого глушителя шума (звукового (акустического) барьера) относительно слабо зависят от частоты излучаемого шума, поскольку он препятствует прохождению любых вращающихся акустических мод, а значит, является весьма широкополосным акустическим устройством.

В силу того что в заявляемом глушителе решетки осерадиальных пластин или профилей устанавливаются на стенке канала круглого и/или кольцевого сечения и занимают только часть площади его поперечного сечения, их осевой долевой размер (ширину) можно выполнить достаточно малым, а число лопаток в решетке - достаточно большим. В результате эти решетки (звуковые барьеры) можно расположить достаточно далеко (относительно ширины звукового барьера) от рабочего колеса (РК) вентилятора и практически предотвратить генерацию шума, связанную с их взаимодействием, обеспечив при этом выполнение условия акустической отсечки возбуждения шума при взаимодействии решеток глушителя с РК вентилятора на первой гармонике частоты следования лопаток. В итоге предлагаемая конструкция глушителя шума, сохраняя достаточно высокую эффективность шумоглушения, позволяет избежать дополнительной генерации шума. Малые размеры активных элементов глушителя - решеток осерадиальных пластин или профилей - позволяют сделать вполне реальными регулируемые конструкции таких глушителей.

Изобретение относится к авиадвигателестроению, а именно к разработке и конструированию средств снижения шума, распространяющегося по аэродинамическим каналам авиационных двухконтурных турбореактивных двигателей (ТРДД), в частности по каналам с потоком. Технический результат достигается тем, что в заявленном глушителе шума, преимущественно вентилятора ТРДД, имеющего канал круглого и/или кольцевого сечения, содержащем одну или несколько замкнутых кольцевых решеток осерадиальных пластин или профилей, согласно изобретению эти элементы выполнены консольными, устанавливаются на стенке канала круглого и/или кольцевого сечения и занимают часть площади его поперечного сечения. В варианте исполнения осерадиальные пластины или профили выполнены бандажированными, устанавливаются на стенке канала круглого и/или кольцевого сечения и занимают часть площади его поперечного сечения. Результатом применения заявляемого глушителя шума является повышение его акустической эффективности, снижение массы, упрощение конструкции решетчатых «звуковых барьеров», а также снижение аэродинамических потерь в каналах ТРДД, связанных с их применением. 2 н. и 8 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Глушитель шума (вариант), преимущественно вентилятора ТРДД, имеющего канал круглого и/или кольцевого сечения, содержащий одну или несколько замкнутых кольцевых решеток осерадиальных пластин или профилей, отличающийся тем, что осерадиальные пластины или профили одной или нескольких замкнутых кольцевых решеток выполнены консольными, при этом решетки установлены на стенке канала круглого и/или кольцевого сечения и занимают часть площади его поперечного сечения.2. Глушитель шума по п.1, отличающийся тем, что одна или несколько замкнутых кольцевых решеток осерадиальных пластин или профилей выполнены стреловидными, с передней и/или задней стреловидностью.3. Глушитель шума по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что одна или несколько замкнутых кольцевых решеток осерадиальных пластин или профилей выполнены регулируемыми, при этом пластины или профили имеют возможность размещаться за пределами проточной части круглого и/или кольцевого канала, например, путем их втягивания за его пределы.4. Глушитель шума по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что осерадиальные пластины или профили замкнутых кольцевых решеток выполнены с возможностью их поворота относительно осей, расположенных по линиям их крепления к корпусу проточной части с установкой их за пределами проточной части круглого и/или кольцевого канала.5. Глушитель шума по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что одна или несколько замкнутых кольцевых решеток осерадиальных пластин или профилей установлены на одной или обеих стенках канала кольцевого сечения, причем каждая решетка занимает часть площади поперечного сечения.6. Глушитель шума по п.5, отличающийся тем, что все замкнутые кольцевые решетки осерадиальных пластин или профилей или некоторые из них выполнены регулируемыми и имеют возможность размещаться за пределами проточной части кольцевого канала, например, путем их втягивания за его пределы.7. Глушитель шума по п.5, отличающийся тем, что все замкнутые кольцевые решетки осерадиальных пластин или профилей или некоторые из них выполнены регулируемыми и имеют возможность размещаться за пределами проточной части кольцевого канала, например, путем их поворота относительно осей, расположенных по линиям их крепления к корпусу проточной части.8. Глушитель шума (вариант), преимущественно вентиляторов ТРДД, имеющего канал круглого и/или кольцевого сечения, содержащий одну или несколько замкнутых кольцевых решеток осерадиальных пластин или профилей, отличающийся тем, что осерадиальные пластины или профили одной или нескольких замкнутых кольцевых решеток выполнены бандажированными, при этом решетки установлены на стенке канала круглого и/или кольцевого сечения и занимают часть площади его поперечного сечения.9. Глушитель шума по п.8, отличающийся тем, что одна или несколько замкнутых кольцевых решеток осерадиальных пластин или профилей содержат бандаж, соединяющий концевые сечения осерадиальных пластин или профилей.10. Глушитель шума по любому из пп.8 и 9, отличающийся тем, что одна или несколько замкнутых кольцевых решеток осерадиальных пластин или профилей выполнены стреловидными с передней и/или задней стреловидностью.