УСТРОЙСТВО ВЫБРОСА ГАЗА ИЗ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2015 года по МПК F02C7/24 

Настоящее изобретение относится к области снижения шума газотурбинного двигателя.

Газотурбинный двигатель для летательного аппарата, такого как самолет или вертолет, содержит с передней по потоку части в направлении течения газа в заднюю по потоку часть одну или несколько ступеней компрессоров, камеру сгорания, одну или несколько ступеней турбин и устройство выброса газов, такое как сопло.

Постоянной проблемой у производителей двигателей является сокращение шума, в частности, для комфорта пассажиров и жителей областей, над которыми летают летательные аппараты. В частности, вертолеты перемещаются вблизи жилых областей, и шум, издаваемый выхлопным соплом, представляет собой важную составляющую общего шума, который они производят. Снижение шума, издаваемого соплом, может быть достигнуто путем использования звукопоглощающего покрытия, образующего внутреннюю стенку сопла и, таким образом, наружный кожух для газового тракта. Такое покрытие может содержать, например, перфорированный металлический лист, открывающийся в одну или несколько резонансных полостей, при этом каждая совокупность полости и одного или нескольких отверстий образуют резонатор Гельмгольца. Полости могут, например, иметь сотовую структуру или просто быть образованы поперечными и/или продольными перегородками. Такое поглощающее покрытие или акустическая обработка в основном позволяют уменьшить так называемые средние звуковые частоты,например, заключенные между 2 и 5 кГц. Обрабатываемые звуковые частоты зависят, в частности, от глубины резонансных полостей, размер которых выполняется с учетом этого.

Кроме этого газотурбинные двигатели производят шум различной частоты. В случае газотурбинного двигателя для вертолета пик шумов был отмечен в первой гамме частот (низкие частоты) примерно 0,5 кГц и во второй гамме частот (средние частоты) примерно 2 кГц. И если достаточно легко выполнить размер резонансных полостей для поглощения звуков второй гаммы частот, то поглощение звуков первой гаммы частот является достаточно сложным по причине ограниченности в размерах, так как их поглощение вынуждает использовать слишком глубокие полости с учетом имеющегося в распоряжении объема. Между тем, эти области с низкими частотами являются источниками неприятного шума, в частности, при взлете вертолета. В документах US 2988302 и US 4244441 раскрыто устройство, обеспечивающее снижение шума в широком спектре шумовых частот, однако данное снижение производится снаружи центрального корпуса, ограниченного стенками с перфорациями, что ведет к существенному увеличению размеров устройства выброса газа. Задачей настоящего изобретения является создание сопла газотурбинного двигателя, обеспечивающего эффективное поглощение различных гамм частот, в частности, низких и средних частот. В частности, настоящее изобретение может быть использовано для поглощения шума сопла газотурбинного двигателя вертолета. Однако заявитель не считает целесообразным ограничивать объем прав этимприменением, и настоящее изобретение, в общем, применимо к устройству выброса газа из газотурбинного двигателя.

Настоящее изобретение, таким образом, относится к устройству выброса газа из газотурбинного двигателя, содержащему наружную стенку и внутреннюю стенку, образующие между собой тракт прохождения газа, причем внутренняя стенка образует центральный корпус, определяющий внутреннюю полость, а наружная стенка выполнена перфорированной и сообщается, по меньшей мере, с одной наружной резонансной полостью с целью поглощения шума первой гаммы звуковых частот, содержащему также средство установления сообщения по текучей среде между наружной и внутренней полостями, проходящее через тракт прохождения газа, при этом внутренняя полость также образует резонансную полость для поглощения шума второй гаммы звуковых частот. Устройство отличается тем, что средство установления сообщения по текучей среде содержит радиальные рукава, выполняющие также функцию механического удержания центрального корпуса.

Благодаря настоящему изобретению представляется возможным поглощение шумов двух гамм звуковых частот без увеличения объема одной или нескольких полостей, расположенных с наружной стороны газового тракта. Таким образом, при равных размерах можно поглотить шумы, что не может быть осуществлено в предыдущем уровне техники. И, наконец, благодаря настоящему изобретению наружная и внутренняя полости образуют единую резонансную полость, в которой обрабатываются несколько гамм звуковых частот.

Предпочтительно, чтобы рукава были полыми и открывались в наружную резонансную полость на уровне наружной стенки и во внутреннюю резонансную полость на уровне внутренней стенки.

Предпочтительно также, чтобы внутренняя стенка содержала со своей внутренней стороны звукопоглощающее покрытие. Предпочтительно также, чтобы первая гамма звуковых частот соответствовала средним частотам, сосредоточенным около 2 кГц, а вторая гамма звуковых частот соответствовала низким частотам, сосредоточенным около 0,5 кГц.

Отметим, что наружные и внутренние полости могут поочередно поглощать одну и ту же гамму звуковых частот (поглощаемые гаммы частот полностью или частично накладываются друг на друга), при этом целью является увеличение эффективности поглощения в этой гамме. Предпочтительно также, чтобы внутренняя полость и/или наружная полость была/были разделена/разделены перегородками для регулировки частот, которые они поглощают. Иначе говоря, полость или полости содержат одну или несколько перегородок; объемы, выполненные между перегородками, могут быть идентичными или разными. Размеры этих объемов выбраны в зависимости от частот, к которым должна привести звуковая обработка, известным специалисту в данной области техники способом.

Предпочтительно также, чтобы в этом случае перегородки несли также конструктивную функцию.

Предпочтительно, чтобы устройство выброса газа представляло собой сопло выброса газа из двигателя газовой турбины.

Настоящее изобретение также относится к газотурбинному двигателю, содержащему устройство выброса газа, так как оно было описано ранее. Настоящее изобретение будет более понятно из нижеследующего описания предпочтительного варианта осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 представляет схематичный вид в разрезе газотурбинного двигателя для вертолета с соплом, имеющим форму предпочтительного варианта воплощения настоящего изобретения;

фиг.2 представляет схематичный вид в осевом разрезе сопла двигателя согласно фиг.1; и

фиг.3 представляет вид спереди с задней по потоку стороны сопла согласно фиг.2.

Со ссылкой на фиг.1 известным образом газотурбинный двигатель вертолета содержит компрессор 2 (центробежного типа и с одной ступенью), на который подается внешний воздух по кольцевому воздушному входному каналу 3, кольцевую камеру 4 сгорания (которая здесь показана с инверсным потоком), снабженную инжекторами (не представлены), позволяющими подавать в нее топливо для сгорания сжатого газа, поступающего из компрессора 2. Сгоревший газ приводит в действие турбину 5 (одноступенчатого типа), связанную с компрессором 2 валом 6, который жестко соединяет их при вращении, и вторую турбину 7, называемую силовой (одноступенчатого типа), связанную с валом с зубчатой передачей, позволяющей передавать механическую энергию от силовой турбины 7 к выходному валу 9, связанному, например, с ротором, приводящим в действие лопасти вертолета.

На выходе из силовой турбины 7 двигатель содержит устройство выброса газа 10, типа сопла 10 выброса газа, задача которого направлять выхлопной газ по тракту V прохождения газов или по газовому тракту V от передней части по потоку к задней части по потоку. Сопло 10 (и, таким образом, его стенки 11 и 12) в целом проходит по оси А. Если не указано противоположное, понятия продольный, радиальный, поперечный, внутренний или наружный используются далее в описании относительно этой оси А.

Сопло 10 содержит наружную стенку или картер 11 (в целом цилиндрической формы) и внутреннюю стенку или картер 12. Внутренняя стенка 12 менее длинная в продольном направлении, чем наружная стенка 11, и, таким образом, проходит напротив передней по потоку части этой последней. Наружная стенка 11 образует наружный кожух газового тракта V, тогда как внутренняя стенка 12 образует внутренний кожух газового тракта V (на соответствующем переднем по потоку участке); иначе говоря, газ проходит между внутренней стенкой 12 и наружной стенкой 11. Иногда, говоря о наружной стенке 11, подразумевают диффузор.

Внутренняя стенка 12 сопла 10 образует центральный корпус 12 сопла 10. Он представлен в виде стенки с симметрией вращения вокруг оси А газотурбинного двигателя; центральный корпус 12 имеет форму усеченного конуса и закрыт на его переднем по потоку концевом участке 12а и на его заднем по потоку концевом участке 12b (соответствующими стенками, показанными на фиг.2). Специалисты в данной области техники иногда называют центральный корпус сопла английским названием «plug», иногда его называют словом «конус», таккак центральный корпус часто имеет в целом форму усеченного конуса. Далее, независимо от внутренней стенки 12 или центрального корпуса 12 эти два понятия будут смешаны. Центральный корпус 12 определяет внутреннюю полость С, соответствующую внутреннему объему. Сопло 10 содержит, кроме этого, наружную полость 13 кольцевой формы, проходящую вокруг переднего по потоку участка наружной стенки 11 сопла 10 и расположенную, по меньшей мере, частично напротив центрального корпуса 12. Эта наружная полость 13 ограничена передней по потоку стенкой 13а, наружной 13b и задней по потоку стенкой 13с. Наружная стенка 11 перфорирована несколькими отверстиями 14 (схематично представленными на фиг.1); эти отверстия 14 выполняют функцию установления сообщения по текучей среде газового тракта V с резонансной полостью 13 для поглощения шума и, для этих целей, открытия с обеих сторон внутренней стенки 12; они распределены, например, по квадратной петле, но можно применить любой тип распределения. Наружная стенка 11 в данном случае перфорирована по всей своей передней по потоку поверхности, соответствующей наружной полости 13. Наружная полость 13 и перфорированная наружная стенка 11 образуют звукопоглощающее покрытие R типа четвертьволновика резонатора. Это покрытие R образует непосредственно наружный кожух сопла.

Сопло 10 имеет также радиальные рукава 15, выполняющие функцию механического удержания центрального корпуса 12; эти рукава 15 проходят между наружной стенкой 11 и внутренней стенкой 12 и закреплены на каждой из этих стенок 11, 12, например, пайкой или заклепочным соединением. В данном случае эти радиальные рукава 15представлены в количестве 4 штук, равномерным образом распределенных под углом, то есть диаметрально противоположно друг другу, причем последующие рукава 15 отодвинуты под углом 90°. В целом, предпочтительно количество рукавов 15 равно от 3 до 5, при этом рукава предпочтительно распределены равномерно под углом. Кроме функции механического удержания центрального корпуса 12 рукава 15 выполнены так, чтобы устанавливать сообщение по текучей среде между наружной полостью 13 и внутренней полостью С, чтобы звук мог проходить от одной полости к другой, позволяя, таким образом, образовать из внутренней полости С резонансную полость для поглощения звуков, которые проникают в нее.

Более точно, рукава 15 выполнены полыми и открываются со своей внутренней стороны во внутреннюю полость С. Они являются полностью открытыми как с наружной стороны 15а, так и с внутренней стороны 15b, то есть они открыты на своем радиально наружном концевом участке 15а и радиально внутреннем концевом участке 15b по всему своему поперечному сечению радиального размера.

В соответствии с другой формой воплощения, не представленной здесь, рукава 15 открыты только частично на наружном концевом участке 15а и/или на внутреннем концевом участке 15b; например, рукав 15 может содержать на уровне одного и/или другого своего концевого участка, наружного 15а или внутреннего 15b, перфорированный лист металла, разделяющий физически внутренний объем рукава 15 от наружной полости 13 и/или внутренней полости С, но, тем не менее, позволяющий осуществлять сообщение по текучей среде между рассматриваемымиобъемами. Это позволяет, в случае необходимости, совершенствовать акустическую обработку резистивным слоем, созданным таким образом. Независимо от формы воплощения звук распространяется сквозь перфорацию 14 наружной стенки 11 от газового тракта V в наружную резонансную полость 13, как схематично показано стрелками 16. Размер глубины наружной полости 13 (как это объясняется ниже) выбран так, чтобы было возможным поглощение первого диапазона звуковых частот, а именно среднего диапазона приблизительно от 2 до 2,5 кГц. Благодаря рукавам 15 установления сообщения по текучей среде между наружной полостью 13 и внутренней полостью С звук распространяется от наружной полости 13 во внутреннюю полость С, как схематично показано стрелками 17. Это позволяет поглотить второй диапазон звуковых частот в резонансной полости, образованной внутренней полостью С, в которой распространяется звук, приходящий из наружной полости 13 через радиальный рукав 15. Предпочтительно благодаря относительно большому объему, который может образовать центральный корпус для внутренней полости С, эта последняя может позволить поглощение гаммы низких частот, например, заключенных между 0,3 и 1 кГц.

Поглощение двух гамм частот осуществляется без использования дополнительного объема для сопла 10 относительно сопла предшествующего уровня техники, которое содержало бы центральный корпус и наружную полость, похожую на полость сопла 10; в действительности, дополнительный объем, используемый для звукопоглощения, является объемом центрального корпуса 12, который образуется благодаря радиальным рукавам 15, при помощи наружной полости 13.

Различные конструктивные элементы сопла 10 выполнены предпочтительно металлическими, например, из сплава на основе никеля или титана. Регулировка гамм частот, обрабатываемых в сопле 10, осуществляется, в частности, на базе объема наружной полости 13 и внутренней полости С.

Таким образом, согласование по частоте звукопоглощающего наружного покрытия R (иначе говоря, определение основных частот, которые оно заглушает) осуществляется, в частности, регулировкой объема наружной полости 13 и, более конкретно, регулировкой ее радиальной глубины. В действительности, звукопоглощающее покрытие R функционирует согласно принципу работы резонатора, называемого «четвертьволновик», то есть резонатора, глубина которого равна четверти длины волны центральной частоты диапазона частот, которые он заглушает. Таким образом, когда больше хотят заглушить повышенные частоты, то радиальная глубина полости 13 должна быть незначительной. И наоборот, если хотят заглушить низкие частоты, то глубина полости 13 должна быть более значительной. В зависимости от заглушаемой частоты полость 13 может также быть разделена на несколько полостей (разделительные перегородки могут быть поперечными или продольными); в этом случае можно использовать структуру сот; разделительные перегородки могут также выполнять функцию механического удержания. Что касается длины L или продольного размера L полости 13, то она влияет на степень или эффективность результирующего звукопоглощения.

Например, чтобы заглушить диапазон частот около 2 кГц, можно предусмотреть одну полость 13 с радиальной глубиной, равной 4 см, при этом наружная стенка 11 имеет пористость (соотношение объединенной поверхности отверстий 14 к общей поверхности), предпочтительно заключенную между 5% и 10%, например, равную 8%. Также согласование по частоте центрального корпуса 12 осуществляется путем регулирования его объема. Его форма, таким образом, адаптируется к более значительным частотам, чем те, которые хотят приглушить, обычно к гамме частот около 0,3 или 0,5 кГц. Объем радиального рукава 15 также принимает участие в звукопоглощении и может быть учтен. Согласно описанной форме воплощения конус имеет продольный размер, заключенный между 11 и 23 см, и радиус, заключенный между 6 и 12 см.

В соответствии с непредставленной здесь формой воплощения внутренняя полость С и/или наружная полость 11 разделена/разделены, по меньшей мере, одной перегородкой для регулирования частот шумов, которые они поглощают. Эта перегородка или эти перегородки могут также выполнять конструктивную функцию элемента/элементов жесткости. Согласно непредставленной здесь форме воплощения для еще большего улучшения поглощения звука, осуществляемого посредством центрального корпуса 12, последний содержит с внутренней стороны внутренней стенки 12 звукопоглощающее покрытие. Это, в частности, предпочтительно тогда, когда поток газа не воздействует напрямую на внутреннюю полость С, и можно использовать для этого покрытия материалы, которые обычно не используются для обработки наружной стенки сопла, так как не выдерживают условий, при которых они подвержены воздействию газа.

Центральный корпус 12 был описан в отношении формы усеченного конуса. Отметим, что в зависимости от двигателя и его аэродинамических нагрузок можно рассмотреть и другие формы с симметрией вращения (например, цилиндрическую форму). Она, может, и не является формой с симметрией вращения по причине уменьшения шума струи газа или сокращения инфракрасной сигнатуры; центральный корпус может иметь в этом случае поперечное сечение волнообразной, прямоугольной или эллиптической формы, например. Настоящее изобретение применимо к любой форме центрального корпуса в том случае, если оно может образовать резонансную полость, соединенную с наружной полостью сопла при помощи средств, проходящих через газовый тракт V.

Следует отметить, что центральный корпус 12 может выполнять в некоторых двигателях и, в частности, в газотурбинных двигателях самолетов другую функцию, которая заключается в направлении дегазированного потока из двигателя. В действительности, в некоторых двигателях предусмотрено, на заднем по потоку концевом участке, отверстие для удаления газов, через которое выводятся различные текучие среды, например, масляный пар, некоторые охлаждающие газы и т.д. В целом речь идет о маслосборнике. В этом случае либо сопло для направления дегазированного потока проходит изнутри центрального корпуса до его концевого участка для отвода дегазированного потока, либо сопло не предусмотрено вообще; центральный корпус обеспечивает, благодаря своей внутренней поверхности, направление дегазированного потока. Дегазация в основном осуществляется путем разрежения, давление внутри сопла или центрального корпуса является ниже давления внутри турбореактивного двигателя. Эта функция направления дегазированного потока может сочетаться с функцией резонансной полости согласно настоящему изобретению. Также отметим, что резонансные полости могут также быть предусмотрены на выходе наружной полости 13 для еще большего улучшения звукопоглощения.

Следует сказать, что можно предусмотреть в сопле эжектор (подающий в сопло поток вторичного газа), причем наличие такого эжектора не противоречит настоящему изобретению.

В двигателях, где это необходимо, радиальные рукава 15 могут также позволять прохождение вспомогательного оборудования, такого как кабели или электрическая арматура, трубопроводная система подачи текучей среды и т.д.

Настоящее изобретение представлено относительно прямолинейного сопла, проходящего по оси А. В соответствии с непредставленной формой воплощения сопло может быть изогнутой формы, что может быть полезным при его применении для вертолета; такая форма воплощения не противоречит настоящему изобретению.

Устройство выброса газа из газотурбинного двигателя содержит наружную и внутреннюю стенки, образующие между собой тракт прохождения газа. Внутренняя стенка образует центральный корпус, определяющий внутреннюю полость, а наружная стенка выполнена перфорированной и сообщается с наружной резонансной полостью с возможностью поглощения шума первой гаммы звуковых частот. Между наружной и внутренней полостями расположено средство установления сообщения по текучей среде, проходящее через тракт протекания газа. Внутренняя полость также образует резонансную полость для поглощения шума второй гаммы звуковых частот. Средство установления сообщения по текучей среде содержит радиальные рукава, выполняющие также функцию механического удержания центрального корпуса. Другое изобретение группы относится к газотурбинному двигателю, содержащему указанное выше устройство выброса газа. Группа изобретений позволяет обеспечить поглощение шума двух гамм звуковых частот без увеличения объема полостей расположенных с наружной стороны газового тракта. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство выброса газа из газотурбинного двигателя, содержащее наружную стенку (11) и внутреннюю стенку (12), образующие между собой тракт (V) прохождения газа, причем внутренняя стенка (12) образует центральный корпус (12), определяющий внутреннюю полость (С), а наружная стенка (11) выполнена перфорированной и сообщается, по меньшей мере, с одной наружной резонансной полостью (13) с возможностью поглощения шума первой гаммы звуковых частот, содержащее также средство (15) установления сообщения по текучей среде между наружной (13) и внутренней (С) полостями, проходящее через тракт (V) протекания газа, при этом внутренняя полость (С) также образует резонансную полость для поглощения шума второй гаммы звуковых частот, отличающееся тем, что средство (15) установления сообщения по текучей среде содержит радиальные рукава (15), выполняющие также функцию механического удержания центрального корпуса (12).

2. Устройство выброса газа по п.1, в котором рукава (15) являются полыми и открываются в наружную резонансную полость (13) на уровне наружной стенки (11) и во внутреннюю резонансную полость (С) на уровне внутренней стенки (12).

3. Устройство выброса газа по п.1 или 2, в котором внутренняя стенка (12) содержит со своей внутренней стороны звукопоглощающее покрытие.

4. Устройство выброса газа по п.1, в котором первая гамма звуковых частот соответствует средним частотам, сосредоточенным около 2 кГц, а вторая гамма звуковых частот соответствует низким частотам, сосредоточенным около 0,5 кГц.

5. Устройство выброса газа по п.1, в котором внутренняя полость (С) и/или наружная полость (13) содержат, по меньшей мере, одну перегородку для регулировки частот шума, которые они поглощают.

6. Устройство выброса газа по п.5, в котором перегородка (7) несет также конструктивную функцию.

7. Устройство выброса газа по п.1, которое является соплом выброса газа из газотурбинного двигателя.

8. Газотурбинный двигатель, содержащий устройство выброса газа по одному из пп.1-7.