Профилированная аэродинамическая конструкция и турбомашина для летательного аппарата (варианты) Российский патент 2022 года по МПК F01D5/14 F02C7/45 

[1] Данное изобретение относится к области аэроакустического управления профилированными аэродинамическими конструкциями, такими как, например, неподвижные или вращающиеся лопатки в турбомашине летательного аппарата, или в испытательном стенде для таких турбомашин, или на предкрылке у первичного воздухозаборника турбомашины.

[2] Такой тип неподвижной лопатки встречается, например, в выходных направляющих лопатках выходного направляющего аппарата (OGV), или спрямляющих устройствах, расположенных ниже по потоку от вращающегося тела для спрямления воздушного потока.

[3] В качестве примера рассмотрен двухконтурный турбовентиляторный двигатель с вентилятором (расположенным спереди) и выходной направляющей лопаткой, расположенной во вспомогательной секции.

[4] В частности, в турбовентиляторных двигателях с очень высокой степенью двухконтурности (UHBR; конфигурация турбовентиляторного двигателя с очень высоким отношением массы вторичного воздуха к массе сгоревших газов, составляющим более 15) предусмотрено увеличение диаметра вентилятора и уменьшение длины подвесной гондолы, прикрепленной к летательному аппарату, с обеспечением тем самым уменьшения расстояния между вентилятором и входными направляющими лопатками входного направляющего аппарата (IGV), выходными направляющими лопатками и предкрылком первичного воздухозаборника. В двигателе такого типа взаимодействие вихревого следа вентилятора с выходными направляющими лопатками, выходными направляющими лопатками и предкрылком является одним из основных источников широкополосного шума.

[5] Помимо данного наблюдения в турбомашине, с проблемами аэроакустического управления сталкиваются другие части турбомашин, а также конструкции с аэродинамическим профилем (крылья, лопатки открытого ротора - открытый ротор и др.).

[6] По этой причине, например, в патентном документе WO 2016/184619 было предложено применение профилированных аэродинамических конструкций:

- содержащих корпус и пористые звукопоглощающие зоны,

- имеющих верх по потоку, низ по потоку, расположенную выше по потоку переднюю кромку и/или расположенную ниже по потоку заднюю профилированную кромку и

- имеющих вдоль линии передней кромки и/или линии задней кромки зубчатый профиль, представляющий (имеющий), таким образом, последовательный ряд зубцов и впадин.

[7] Таким образом, указанный зубчатый профиль проходит вдоль передней и/или задней кромки, то есть в направлении протяженности конструкции на передней и/или задней кромке.

[8] В частности, при более низких профилях хорды, а также при замкнутых профилях - когда передняя кромка (линия передней кромки) и/или задняя кромка (линия задней кромки), проходящая вдоль линии или направления протяженности, замкнута на себя по периметру, как на предкрылке первичного воздухозаборника турбомашины, - шум возникает, главным образом, на передней и/или задней кромке, более конкретно - во впадинах зубцов, где имеют место более сильные колебания давления.

[9] Что касается термина «хорда», используемого в данном тексте, следует отметить, что если не существует собственно «хорды», как в случае предкрылка (обозначенного ниже номером 16 позиции), разделяющего первичный и вторичный потоки, то выражение «в направлении хорды профиля (обозначенной ниже номером 40 позиции)» рассматривается как относящееся к направлению, называемому ниже «общей осью (X)» или «осью X», а именно осью, вдоль которой поток текучей среды в целом проходит через рассматриваемую профилированную конструкцию, причем данная ось, как правило, является:

- продольной осью турбомашины (осью вращения) и/или соответствующего летательного аппарата,

- и/или осью, поперечной, или даже перпендикулярной, к протяженности профилированной конструкции, которая проходит в указанном «направлении протяженности».

[10] Следует понимать, что выражение «поперечный» не подразумевает строгой перпендикулярности.

[11] Целью изобретения является ослабление вышеупомянутых локально интенсивных колебаний давления путем использования пористой поверхности (или акустической облицовки) во впадинах зубцов.

[12] Таким образом, предполагается, что в вышеупомянутой профилированной конструкции указанные пористые звукопоглощающие зоны локально образуют днища впадин и тем самым совместно с корпусом образуют зубчатый профиль на передней и/или задней кромке профилированной конструкции.

[13] Для максимального снижения глума может быть целесообразным, чтобы геометрический центр акустически обработанной или пористой зоны поверхности отстоял вниз по потоку от передней и/или задней кромки рассматриваемого профиля, в зависимости (т.е. как можно ближе) от положения, в котором колебания давления имеют максимальное значение.

[14] Таким образом, предпочтительно, чтобы:

- в направлении хорды профиль зубцов имел максимальную амплитуду h, и

- указанный геометрический центр пористой звукопоглощающей зоны был расположен на расстоянии d вниз по потоку от профилированной передней и/или задней кромки на дне впадин так, что:

d=h/10, в пределах 30%.

[15] Одно из преимуществ заключается в том, что в расчет принимается толщина профильной конструкции, такой как лопатка, что приводит к перемещению зоны, в которой колебания давления на поверхности профильной конструкции являются наибольшими, вниз по потоку относительно впадины.

[16] В настоящем описании все измерения (d, h и т.д.) следует рассматривать в одной и той же системе исчисления, в метрах.

[17] По аналогичным соображениям и/или для оптимизации обрабатываемой поверхности для уменьшения акустического излучения также предложено следующее:

- в направлении линии передней и/или задней кромки, между вершинами двух последовательных зубцов зубчатого профиля имеется расстояние (ниже обозначенное λ, λ1, λ2), и

- пористая звукопоглощающая зона имеет:

-- две границы, расположенные в направлении линии передней и/или задней кромки и разделенные расстоянием а, которое равно одной трети указанного расстояния между вершинами двух последовательных зубцов, в пределах 30%,

-- две границы, расположенные в направлении хорды и разделенные расстоянием b, причем b=h/3, в пределах 30%.

[18] Одно из преимуществ заключается в том, что акустическая облицовка или пористая поверхность будет расположена там, где колебания давления на поверхности лопатки имеют максимальное значение, что обеспечивает оптимизацию обрабатываемой поверхности для уменьшения акустического излучения.

[19] С точки зрения используемых материалов предложено следующее:

- рассматриваемая пористая звукопоглощающая зона содержит пористую пену, в которой поперечное сечение пор меньше указанного расстояния а/4 или b/4 и которая расположена на поверхности (т.е. по поверхности) профилированной передней и/или задней кромки профилированной конструкции, и/или

- указанная зона содержит микроперфорированный лист или резонирующие полости, расположенные на поверхности профилированной передней и/или задней кромки профилированной конструкции и покрывающие пористую пену, в которой поперечное сечение пор меньше указанного расстояния а/4 или b/4.

[20] Преимущество заключается в уменьшении колебаний давления и, следовательно, уровней шума, поскольку размер полостей влияет на диапазон частот, подлежащий ослаблению.

[21] Кроме того, может быть предпочтительным, чтобы пористая звукопоглощающая зона содержала резонатор Гельмгольца.

[22] Фактически, работа резонаторов Гельмгольца, в которых глубина полостей тесно связана с заданной частотой, подлежащей ослаблению, может быть обеспечена и на других частях турбореактивного двигателя, например на звукопоглощающих облицовках гондол.

[23] Как отмечено выше, изобретение применимо, в частности, в летательных аппаратах.

[24] Таким образом, следует отметить, что профилированная конструкция преимущественно представляет собой одно из следующего:

- конструкцию летательного аппарата и турбомашины с расположенным выше по потоку вентилятором (т.е. вентилятором, расположенным частично выше по потоку от турбомашины), или

- крыло летательного аппарата, предкрылок или закрылок крыла летательного аппарата, опорный пилон двигателя летательного аппарата, киль, стабилизатор летательного аппарата, лопасть вертолета, пропеллер, или

- одну из следующих частей турбомашин, предназначенных для обеспечения движения летательного аппарата:

-- переднюю и/или заднюю кромку кольцевой стенки для разделения воздушного потока, расположенной ниже по потоку от вентилятора турбомашины, между первичным потоком и вторичным потоком,

- первые неподвижные направляющие лопатки первичного потока (Fp),

- вторые неподвижные направляющие лопатки вторичного потока (Fs).

[25] Действительно, в вышерассмотренных случаях наличие такого предложенного зубчатого профиля позволяет решить сложную проблему согласования статических (наличие воздухозаборных конструкций, лопастей и т.д.) и динамических (вращение лопаток, учет определенных конфигураций полета и т.д.) факторов аэроакустического управления, тем более для турбомашины с вентилятором, расположенном выше по потоку, в которой очень сложно разрешить проблемы, связанные с акустической/аэродинамической интерференцией, и в которой создаваемый шум является существенным.

[26] В данной связи было установлено, что звукопоглощающая пористая зона должна охватывать место, где возникает интерференционный глум с турбулентностью следа. Таким образом, с помощью предложенных в данном документе решений можно:

- оптимизировать обрабатываемые поверхности путем ограничения их протяженности с обеспечением тем самым возможности ограничения аэродинамических потерь, вызванных наличием данных звукопоглощающих пористых зон, которые нарушают потоки текучей среды,

- уменьшить массовый показатель, например, вследствие наличия полостей в пористой поверхности или низкой плотности акустических облицовок,

- ограничить производственные затраты по сравнению с конструкциями, имеющими акустическую облицовку на очень больших поверхностях.

[27] С точки зрения формы предложено выполнение отдельных зубцов и впадин зубчатого профиля с волнообразной формой с закругленными или более острыми вершинами.

[28] Действительно, указанные формы доказали свою эффективность.

[29] Закругленные вершины обеспечивают уменьшение локально высоких концентраций механических напряжений с увеличением тем самым срока службы элемента.

[30] Острые вершины обеспечивают повышенное снижение шума.

[31] Кроме того, наличие индивидуально сформированных зубцов и впадин с частично прямолинейными боковыми стенками обеспечивает возможность внесения определенной декорреляции между источниками шума вдоль передней и/или задней кромки.

[32] Воздушный поток, который образуется в осевом направлении (ниже обозначенном как ось X, также называемая общей осью) ниже по потоку от вращающейся конструкции, например ниже по потоку от вентилятора турбомашины, по направлению к соплу первичного воздушного потока, или на который может влиять конструкция, вызывающая возмущение, такая как фюзеляж летательного аппарата по отношению к крылу, или снос относительно стабилизатора, закручивается и сильно зависит от направления вращения воздуха или направления вращения вентилятора, в частности из-за того, что многократные проходы лопастей вентилятора в воздушном потоке или определенные условия контакта с «вызывающей возмущение конструкцией» создают ударные волны. В случае лопастей вентилятора это приводит к образованию гармоник в частоте вращения вала двигателя.

[33] Для учета этих явлений и обеспечения максимально возможной эффективности поверхностей зубцов при ожидаемом акустическом воздействии, предложено выполнение отдельных зубцов проходящими под углом к параллели относительно указанной общей оси (X).

[34] В случае вращения вентилятора зубцы наклонены таким образом, что они ориентированы в направлении вращения (в целом под наклоном относительно оси X) потока, создаваемого при этом вентилятором.

[35] Другими словами:

- вентилятор (расположенный выше по потоку) выполнен с обеспечением вращения в заданном направлении вокруг общей оси (X) таким образом, что воздушный поток после вентилятора ориентирован в целом наклонно относительно указанной оси (X),

- зубцы в этом случае могут быть расположены под наклоном (в боковом направлении) по окружности вокруг общей оси (X), навстречу по существу наклонной ориентации воздушного потока после данного вентилятора, в целом навстречу указанному потоку.

[36] В частности, был отмечен ограничивающий эффект акустического воздействия на входные направляющие лопатки.

[37] В данном случае отдельные зубцы фактически являются несимметричными относительно перпендикуляра к линии профилированной передней и/или задней кромки, проходящего через рассматриваемый зубец.

[38] Другой подход основан на том, что от первого местоположения (например от первого конца или от определенной зоны периметра) до второго местоположения (например второго конца, противоположного первому концу, или другой зоны периметра) отдельные зубцы зубчатого профиля наклонены (в боковом направлении) ко второму местоположению.

[39] В принципе, наклон является одинаковым для всех зубцов. Однако зубцы могут иметь разные наклоны, отличающиеся в разных местах.

[40] Что касается протяженности передней и/или задней кромки указанной конструкции типа лопатки (ротора или статора), лопасти (например, пропеллера) или крыла (например, летательного аппарата), то профилированная конструкция:

- проходит вдоль линии передней и/или задней кромки между первым концом и вторым концом,

- имеет в этом случае зубцы, наклон каждого из которых ориентирован к одной из концевых точек.

[41] При необходимости изобретение станет более понятным, а другие детали, особенности и преимущества изобретения станут более очевидными при прочтении нижеследующего описания, приведенного в качестве неограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 изображает продольный разрез (по оси X) типичной турбомашины для летательного аппарата.

Фиг. 2 изображает верхнюю по потоку зону (предкрылок) перегородки между первичным и вторичным потоками, выполненную в соответствии с изобретением.

Фиг. 3 может изображать либо фрагмент III фиг. 2, либо линейную диаграмму локального зубчатого профиля для конструкции, которая может представлять собой лопасть вертолета, лопасть вентилятора, ротора или нижнюю по потоку направляющую лопатку, предкрылок на передней кромке или закрылок крыла летательного аппарата.

Фиг. 4 соответствует фрагменту IV фиг. 1.

Фиг. 5-8 изображают различные формы зубчатых профилей согласно изобретению.

Фиг. 9 схематически изображает несущие конструкции летательного аппарата согласно изобретению.

Фиг. 10 изображает увеличенный фрагмент решения, показанного на фиг. 6.

Фиг. 11 изображает разрез по линии XI-XI.

Фиг. 12-13 иллюстрируют (в том же разрезе, что и на фиг. 11) способы создания пористой зоны в замкнутом профиле согласно изобретению и линии воздушного потока.

Фиг. 14-17 схематически изображают зубчатые профили согласно изобретению и линии воздушного потока (Фиг. 15-16).

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[42] На фиг. 1 схематически изображен турбореактивный двигатель 10 летательного аппарата 100, описанный ниже.

[43] Гондола 12 используется в качестве наружного кожуха для различных компонентов, в том числе для расположенного спереди (слева на фиг. 1) и выше по потоку (отметка AM) вентилятора 14.

[44] Ниже по потоку (отметка AV) от вентилятора 14 воздушный поток (часть которого схематически показана под номером 38 позиции на фиг. 4) разделяется с помощью разделительного предкрылка 16 кольцевой стенки 160 на первичный воздушный поток и вторичный воздушный поток. Первичный воздушный поток проходит через внутренний кольцевой воздушный канал или первичный патрубок 18 при поступлении в компрессор 22 низкого давления у впускных направляющих лопаток 24, также называемых первыми лопатками. Вторичный воздушный поток отклоняется разделительным предкрылком 16 в наружный кольцевой воздушный канал 20 (вторичный патрубок) по направлению к выходным направляющим лопаткам 26, также называемым вторыми лопатками, а затем к выпуску двигателя.

[45] На фиг. 2 более подробно показана передняя часть 161 разделительного предкрылка 16, которая имеет переднюю кромку 164, расположенную дальше всего вверх по потоку, и у которой наружная стенка 162 предкрылка 16 сходится с его внутренней стенкой 163, при этом верхняя стенка 162 образует внутреннюю границу вторичного патрубка 20.

[46] В данном описании понятие «осевой» относится ко всему, что проходит вдоль продольной оси (X) вращения рассматриваемой части турбомашины или параллельно ей, при этом данная ось в целом является главной осью вращения турбомашины. Радиальным (ось Z) и окружным называется все, что проходит соответственно в радиальном направлении относительно оси X и вокруг нее. Все, что расположено радиально относительно оси X, является внутренним и наружным, или внешним. Таким образом, внутренняя стенка 163 является радиально внутренней стенкой разделительного предкрылка 16. Кроме того, выражения «выше по потоку» и «ниже по потоку» должны рассматриваться применительно к потоку газов в рассматриваемом турбинном двигателе (его части): данные газы входят выше по потоку и выходят ниже по потоку, в целом циркулируя параллельно вышеуказанной продольной оси вращения.

[47] Кроме того, прилагаемые чертежи и относящиеся к ним описания выполнены применительно к обычной ортогональной системе отсчета X-Y-Z с осью X, определенной выше.

[48] Разделительный предкрылок 16 является полым: наружная поверхность стенки 162 служит радиально внутренней границей наружного кольцевого воздушного канала 20, в который поступает вторичный поток, а внутренняя поверхность стенки 163 служит радиально внешней границей внутреннего кольцевого воздушного канала 18, в который поступает первичный поток.

[49] Нижняя стенка 163 предкрылка 16 образует наружную оболочку компрессора 22 низкого давления.

[50] Хотя осевое смещение (X) впускных направляющих лопаток 24 вниз по потоку от передней кромки 164 предкрылка 16 меньше, чем осевое смещение выпускных направляющих лопаток 26 от указанной кромки 164, участок передней части 161, непосредственно прилегающий к кромке 164 предкрылка 16, является свободным.

[51] Таким образом, для обеспечения эффекта аэроакустического управления путем ограничения шума, создаваемого данной областью, предполагается, что указанная передняя кромка 164 может иметь зубчатый профиль 28 с последовательностью зубцов 30 и впадин 32, как показано, например, в образцах, изображенных на фиг. 5-11.

[52] Однако решение согласно изобретению может быть применено к конструкциям, отличным от турбомашины, такой как турбореактивный двигатель 10, и, соответственно, указанные конструкции могут иметь переднюю кромку 164 с профилем 28, имеющим зубчатую структуру с последовательностью зубцов 30 и впадин 32.

[53] На фиг. 9 изображен летательный аппарат 100, содержащий профилированные конструкции с таким зубчатым профилем 28, расположенные на передней кромке, на крыльях 38, пилоне 41, поддерживающем двигатель 42 летательного аппарата, на киле 44, стабилизаторе 46, пропеллере или лопатке 48 открытого ротора.

[54] Кроме того, на фиг. 3 показан ограниченный зубчатый профиль 28 на элементе, который обозначен номером 50 позиции и может представлять собой лопасть вертолета, лопасть вентилятора, ротор или спрямляющее устройство, предкрылок передней кромки или закрылок крыла летательного аппарата.

[55] Общим для всех указанных аэродинамических профилей является то, что они создают пограничный слой на нижней по потоку поверхности и, следовательно, турбулентный поток.

[56] Вне зависимости от применения будем считать, что зубчатый профиль 28 представляет собой волнообразные элементы, которые:

- вдоль направления (L) протяженности передней кромки 164 имеют элементарную геометрическую конфигурацию, которая повторяет саму себя, при этом две одинаковые (или почти одинаковые, когда два последовательных зубца имеют небольшие отклонения в геометрии, составляющие до +/-25%) волнистости двух последовательных элементарных геометрических конфигураций, таких как конфигурации 34, 36 на фиг. 5-6, вдоль указанного направления L расположены друг от друга на расстоянии λ (в метрах) в данном направлении, и

-- имеют максимальную амплитуду h (в метрах), перпендикулярную данному направлению L.

[57] Максимальная амплитуда h определяется как максимальное расстояние вдоль перпендикуляра, проведенного к данному направлению L, между вершиной наиболее выступающего, если таковой имеется, зубца 30 и дном наиболее глубоких, если таковые имеются, впадин 32, как показано на фиг. 5, исходя из предположения элементарной геометрической конфигурации с несколькими, предпочтительно двумя волнистостями - двумя различными зубцами 30 и двумя различными впадинами 32.

[58] Также следует отметить, что:

- направление L представляет собой направление, вдоль которого проходит линия 164а передней кромки, которую можно ошибочно принять за переднюю кромку 164, если смотреть по всей ее длине. Данное направление L может быть прямолинейным (например, в случае крыла, выдвижного киля, стабилизатора) или криволинейным, или даже замкнутым на себя (что возможно в случае пропеллера, лопасти вентилятора, лопатки ротора или спрямляющего устройства или разделительного предкрылка 16),

- направление максимальной амплитуды h, как правило, может быть параллельным общей оси X (фиг. 2, частично фиг. 9), однако оно также может быть ориентировано в другом направлении, например, в случае лопасти вертолета (в этом случае направление априори перпендикулярно оси Z).

[59] Согласно изобретению для ослабления локально интенсивных колебаний давления на рассматриваемой профильной конструкции выполнена по меньшей мере одна пористая, звукопоглощающая зона 52, которая расположена в направлении дна впадин 32.

[60] Таким образом, данные пористые звукопоглощающие зоны 52 частично образуют дно впадин 32 и, следовательно, совместно с частями корпуса 62 занимаемой ими профильной конструкции образуют зубчатый профиль на передней и/или задней кромке указанной конструкции. Как обычно в данной области техники, корпус 62 по-прежнему обеспечивает когерентность, базовую форму и жесткость профилированной конструкции и, таким образом, по существу образует профилированную конструкцию, которая показана в качестве примера на чертежах.

[61] Было обнаружено, что для содействия указанному ослаблению предпочтительно, чтобы (геометрический) центр (каждой) зоны 52, выполненной с акустической облицовкой или пористой поверхностью (прямоугольной, эллиптической или другой формы) располагался на таком расстоянии d (в метрах) ниже по потоку (AV) от передней кромки аэродинамического профиля 164/линии 164а, на дне впадин 124, что:

d=h/10, в пределах 30%.

[62] Кроме того, для охвата большей части области с высокими колебаниями давления предполагается, что рассматриваемая пористая звукопоглощающая зона 52 должна иметь:

-- две границы, расположенные в направлении линии 164а передней и/или задней кромки (т.е. в направлении размаха или протяженности крыла) и разделенные расстоянием а (в метрах), которое равно одной трети расстояния между вершинами двух последовательных зубцов, в пределах 30%,

-- две границы, расположенные в направлении хорды 40 и разделенные расстоянием b (в метрах), причем b=h/3, в пределах 30%.

[63] Данные расстояния показаны на фиг. 10 и Фиг. 11. Видно, что расстояние d должно быть параллельно «h» и перпендикулярно направлению L (обычно в самой глубокой части впадины 32) и что d=b/2.

[64] Длины а и b используются для измерения краев прямоугольников или других фигур, в пределах которых поверхность акустически обработана. В зоне, где значение а составляет примерно одну треть указанного расстояния между вершинами двух последовательных зубцов и где имеют место максимальные колебания давления на стенку, должен вступать в силу эффект влияния пористости, обеспечиваемой звукопоглощающей конструкцией.

[65] Указанные пределы, составляющие (+/-) 30%, взяты для устранения технических погрешностей/расхождений.

[66] Цель заявленных вариантов применения заключается в том, чтобы обеспечить значительное уменьшение площади поверхности рассматриваемой конструкции/детали и, следовательно, аэродинамических потерь по сравнению с ситуацией без использования решения согласно изобретению с оказанием тем самым положительного влияния на подавление широкополосного шума. Пористая поверхность или акустическая облицовка охватывает место, где возникает интерференционный шум с турбулентностью следа. Таким образом, считается, что основную роль играет оптимизация обрабатываемой поверхности для снижения уровней шума.

[67] Применительно к примеру, изображенному на фиг. 5, где элементарная геометрическая конфигурация имеет несколько волн (в данном примере две волны), расстояние λ, проходящее в направлении L, включает другие расстояния, проходящие в том же направлении L (в данном случае два расстояния λ1, λ2), относящиеся к расстояниям между двумя следующими друг за другом вершинами разных, но последовательных зубцов 30.

[68] По указанным выше причинам и в соответствии с вышеуказанными предпочтительными условиями в данном случае предпочтительно а=λ1/3 или а=λ2/3 (в пределах 30%), в зависимости от того, какое расстояние больше, поэтому в данном случае предпочтительно а=λ1/3 (в пределах 30%).

[69] С практической точки зрения можно предусмотреть несколько технических решений, предполагающих воздействие на поверхность конструкции в акустически обрабатываемой зоне 52.

[70] Два из них были выбраны для согласования эффективности снижения акустической реакции на уровне впадин 32 и технических возможностей, в том числе с точки зрения технического обслуживания.

[71] В решении, показанном на фиг. 12, пористая звукопоглощающая зона 52 содержит пористую пену 54, которая может быть металлической и в которой поперечное сечение пор (в метрах) меньше указанного расстояния а/4 или b/4. Как вариант, сечение пор составляет меньше 1/10 мм.

[72] Пористая пена 54 расположена на (наружной) поверхности 56 по направлению к профилированной передней кромке 164, где она, таким образом, может определять форму профиля, и может занимать значительную часть толщины или даже всю толщину профилированной конструкции, как показано на чертеже.

[73] Предполагается, что для удерживания данной массы пены она должна иметь форму 58 в виде зубца, выступающего в направлении вниз по потоку (AV) и закрепленного, например приклеенного, во фронтальном углублении 60 корпуса 62 конструкции, которая может представлять собой, например, пилон 41.

[74] Кроме того, зубец 58 пенной массы может быть закреплен в корпусе 62 с помощью одного или более стержней 64.

[75] В решении, показанном на фиг. 13, пористая звукопоглощающая зона 52 содержит материал 66, расположенный на поверхности 56 профилированной конструкции и содержащий микроперфорированный листовой металл или резонирующие полости, покрывающие пористую пену 54, в которой поперечное сечение пор (в метрах) меньше а/4 или b/4. Как вариант, сечение пор также составляет меньше 1/10 мм.

[76] Таким образом, в месте расположения данной пористой звукопоглощающей зоны 52 может быть образован резонатор Гельмгольца.

[77] При наличии на поверхности как материала 66, так и пены 54 может быть получена отделка 56 поверхности, соответствующая низким аэродинамическим потерям.

[78] Фиксация материала 66 в корпусе 62 конструкции может быть обеспечена с помощью винтов 68.

[79] Со ссылкой на фиг. 14-16 ниже снова рассмотрен частный случай применения входной направляющей лопатки 24 в решении согласно изобретению, имеющей пористые звукопоглощающие зоны 52.

[80] Чтоб извлечь преимущество из подходящих аэродинамических характеристик, в частности, на впуске для воздуха в компрессор 22 низкого давления, предложено выполнение по меньшей мере некоторых из впадин 32 зубчатого профиля 28 вокруг оси X смещенными под углом (в окружном направлении) относительно углового положения входных направляющих лопаток 24 так, что данные впадины 32 расположены между двумя первыми лопатками 24, следующими друг за другом в окружном направлении, как показано на чертежах.

[81] Как изображено на указанных чертежах, лопатки 24 равномерно расположены в осевом направлении (X) в последовательной группе зубцов 30, более конкретно, каждая лопатка 24 расположена по существу на одной линии вдоль оси X с вершиной зубца 30, который находится перед ней выше по потоку (AM).

[82] На фиг. 14 данное выравнивание выполнено параллельно общей оси X. При этом отдельные зубцы 30, каждый из которых имеет вершину 31, симметричны относительно параллели к оси X, причем данная параллель проходит через вершину 31 рассматриваемого зубца 30 (см., например, параллель X1).

[83] На фиг. 15-16 лопатки 24 наклонены в плоскости X-Y относительно оси X под углом β. Зубцы 30 расположены по окружности вокруг данной оси X, причем каждый из них наклонен под тем же углом β (но указанный угол может изменяться) и в том же направлении, что и общая с зубцом лопатка 24. При этом учтено влияние вращения вентилятора 14, который предположительно вращается в положительном направлении оси Y (см. фиг. 1 и стрелку, указывающую в направлении L на фиг. 2).

[84] На фиг. 9 угол наклона профиля 28, образованного зубцами, обозначен а для указания на то, что угол β не обязательно соблюден, особенно если он не образован ниже по потоку от вентилятора, и что в данном случае угол α наклона учитывает направление воздушного потока, находящего на профиль 28.

[85] С учетом первоначальных результатов проведенных испытаний предпочтительным значением угла α, β или даже β' (см. фиг. 17 ниже) является значение от 30° до 60°, предпочтительно от 35° до 45°. Следовательно, значение угла не является ограничением.

[86] Таким образом, как лопатки 24 (их передние кромки), так и зубцы 30 (их передние кромки) фактически в целом обращены к воздушному потоку 38, общая наклонная ориентация U которого является результатом его составляющей Ux в направлении X и составляющей Uy в направлении Y, учитывая в данном случае заданное направление вращения вентилятора 14.

[87] Отдельные зубцы 30 являются несимметричными в осевом направлении относительно параллели (см. Х'1 и Х'2 на фиг. 10-11), проведенной к общей оси X также через вершину 31 рассматриваемого зубца.

[88] Можно считать, что такое расположение имеет двойную цель. Во-первых, оно исключает взаимодействие между ускоренным и турбулентным потоком, возникающим во впадинах 32 и у передней кромки 25 входных направляющих лопаток (фиг. 14-16), которое действительно может вносить значительный вклад в широкополосной шум компрессора 22 низкого давления. Во-вторых, данное техническое решение может использоваться для оптимизации воздухозаборника компрессора 22 и снижения любых аэродинамических потерь.

[89] Как изображено на фиг. 15-16, отдельные первые лопасти/входные направляющие лопатки 24 могут иметь среднюю линию 240 кривизны, проходящую вдоль их хорды, для учета влияния вращения вентилятора 14.

[90] Угол наклона потока, создаваемого вентилятором 14, зависит от скорости вращения двигателя, то есть от скорости вращения вентилятора. Поэтому рассматривается возможность ориентации зубцов 30 в направлении средней линии кривизны входных направляющих лопаток или линии кривизны на передней кромке 164. Выбранные значения углов могут быть усреднены по размаху крыла или протяженности входных направляющих лопаток либо соответствовать значениям кривизны входных направляющих лопаток на конце лопатки.

[91] Как показано, в данном примере верхняя поверхность 241 обращена в положительном направлении Y, а нижняя поверхность находится с противоположной стороны.

[92] Для дополнительного ограничения акустического воздействия на входные направляющие лопатки 24 закрученного воздушного потока, создаваемого, таким образом, вентилятором 14 ниже по потоку, также предложено (как показано на фиг. 15-16) ориентировать зубцы 30, расположенные по окружности вокруг общей оси X, в целом в направлении касательной 42 к указанной линии 240 средней кривизны лопаток 24, на уровне их передних кромок 25. Указанная касательная образует ненулевой угол (β) с направлением общей оси (X) турбомашины.

[93] В этом случае преимущество заключается в расположении зубцов 30 на одной линии в направлении кривизны входной направляющий лопатки и возможности вновь адаптировать геометрию воздухозаборника компрессора 22 к окружающей его среде. Направление воздушного потока ниже по потоку от вентилятора 12 зависит от скорости его вращения, поэтому выравнивание зубцов в направлении входных направляющих лопаток (которые представляют собой неподвижную часть) может быть хорошим компромиссом между переменными скоростями и геометрическими конфигурациями, которые должны оставаться неизменными.

[94] Однако следует отметить, что направление потока перед входными направляющими лопатками (или фактически зубцами разделительного сопла 16) не обязательно совпадает с линией кривизны указанных лопаток.

[95] Как видно из чертежей, в показанных предпочтительных вариантах выполнения зубцы 30 систематизированы вдоль общей оси X с их расположением выше по потоку от передних кромок 2 лопаток 24.

[96] Однако для ограничения размеров, которое может иметь место между передней кромкой предкрылка и входными направляющими лопатками (и обычно составляет около 1-5 см), а также для обеспечения возможности увеличения размера/амплитуды зубцов 30 предложено расположение (все в том же направлении оси X) по меньшей мере некоторых из днищ 320 впадин 32 зубчатого профиля 28 на первой поверхности, которая поперечна указанной оси X, обозначена Y1 на фиг. 15 и Y2 на фиг. 16 и расположена на том же уровне (фиг. 15) или дальше вниз по потоку (AV на фиг. 16) относительно второй поверхности, которая также поперечна оси X и обозначена V'1 на фиг. 15 и V'2 на фиг. 16 и в которой лежат по меньшей мере некоторые передние кромки 25 лопаток 24. Несмотря на приведенные изображения, все вышесказанное априори не зависит от формы вершин зубцов 30 и днищ 320 впадин 32.

[97] В связи с этим отдельные зубцы 30 и впадины 32 зубчатого профиля 28 имеют волнистую форму с закругленными (фиг. 15) или острыми вершинами (фиг. 16) для содействия эффективному снижению шума путем минимизации механических напряжений, обусловленных данной геометрической конфигурацией.

[98] Что касается формы боковых стенок данных зубцов 30 и впадин 32, обозначенных номером 300 позиции на фиг. 16, указанные стенки могут в отдельности и частично являться прямолинейными (фиг. 16) для способствования декорреляции источников шума вдоль передней кромки и облегчения изготовления данной геометрической конфигурации.

[99] Ниже вновь рассмотрен угол наклона конструкции аэродинамического профиля для конструкции, которая в направлении линии 164а своей передней кромки имеет противоположные концы 70а, 70b и, таким образом, своего рода размах (например длину крыла или пилона 41), даже если (по меньшей мере) один из указанных концов является корневым, например расположенным на крыле, см. пример, показанный на фиг. 9, где рассматриваемая конструкция является по существу линейной вдоль оси Y.

[100] Следует отметить, что в таких случаях (крылья, лопасти, пропеллеры, пилон, выдвижные кили и т.д.) все без исключения наклоны зубцов 30 предпочтительно ориентированы в направлении одного из указанных концов (называемого вторым концом), будь то, например, для крыла, корневой конец 70а или свободный конец 70b.

[101] В случае профилированных конструкций с «размахом крыла» угол α расположен в основной плоскости конструкции, такой как плоскость Р на фиг. 9, в которой лежат оси X-Y для крыльев 38.

[102] Также возможна ситуация, при которой наклоны зубцов 30 могут изменяться вдоль направления размаха/протяженности (направление L).

[103] Следует также отметить, что комментарии, приведенные выше со ссылкой на чертежи, относятся только к передней кромке. Однако, как вариант или в дополнение, указанное может относиться и к задним кромкам, например задним кромкам 164b (линиями задних кромок) крыла, имеющим профиль 28 с зубцами, как изображено на фиг. 9, при этом изобретение также может охватывать другие конструкции турбомашин или летательных аппаратов, имеющие задние кромки. Примером задней кромки, расположенной на кольцевой стенке, является сопло на выходе первичного и вторичного патрубков.

[104] Источник шума на задней кромке обычно может быть связан с взаимодействием между турбулентностью в пограничном слое профиля и данной кромкой.

[105] На фиг. 17 также схематически показана ситуация, в которой отдельные зубцы 30, расположенные по окружности вокруг общей оси (X), наклонены (под углом β') в направлении средней линии кривизны профиля первых входных направляющих лопаток 24, поскольку турбомашина всегда содержит вентилятор, расположенный выше по потоку (обозначенный выше номером 14 позиции), и общую ось (X), вокруг которой может вращаться указанный вентилятор.

[106] Кроме того, можно отметить, что на фиг. 15 отдельные зубцы 30, расположенные по окружности вокруг оси X, также наклонены в направлении кривизны входных направляющих лопаток на передних кромках 25 указанных лопаток. Данный угол наклона зубцов 30, обозначенный β, равен или не равен углу α вектора U1 скорости, который указывает общее направление потока после вентилятора.

[107] Понятно, что те их прилагаемых чертежей, на которых вектор (U, U1, …) скорости показан выше по потоку от передней кромки, иллюстрируют случаи, когда зубцы ориентированы в направлении потока.

Изобретение относится к профилированной аэродинамической конструкции, имеющей профилированную переднюю кромку (164) и зубчатый профиль, расположенный вдоль линии (164а) передней кромки и содержащий последовательность зубцов (30) и впадин (32), отличающейся тем, что она имеет пористые звукопоглощающие зоны (52), расположенные в направлении дна впадин (32). Изобретение обеспечивает ослабление локально интенсивных колебаний давления путем использования пористой поверхности во впадинах зубцов. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Профилированная аэродинамическая конструкция,

содержащая корпус (62) и пористые звукопоглощающие зоны (52),

имеющая верх по потоку, низ по потоку, расположенную выше по потоку профилированную переднюю кромку (164) и/или расположенную ниже по потоку профилированную заднюю кромку и

имеющая зубчатый профиль (28), расположенный вдоль линии (164а) передней кромки и/или линии (164b) задней кромки и содержащий последовательность зубцов (30) и впадин (32),

отличающаяся тем, что пористые звукопоглощающие зоны (52) частично образуют дно для впадин (32) и тем самым совместно с корпусом (62) образуют зубчатый профиль (28) на передней кромке и/или задней кромке.

2. Профилированная конструкция по п. 1,

имеющая хорду (40), расположенную между верхом по потоку и низом по потоку,

при этом зубчатый профиль (28) имеет максимальную амплитуду h в направлении хорды, и

геометрический центр пористой звукопоглощающей зоны (52) расположен на расстоянии d вниз по потоку от профилированной передней кромки или вверх по потоку от профилированной задней кромки (164) на дне впадин (32) так, что

d=h/10, в пределах 30%.

3. Профилированная конструкция по п. 1,

имеющая хорду (40), расположенную между верхом по потоку и низом по потоку,

при этом в направлении линии (164а) передней кромки или линии (164b) задней кромки между вершинами двух последовательных зубцов зубчатого профиля (28) имеется расстояние (λ, λ1, λ2),

зубчатый профиль имеет максимальную амплитуду h в направлении хорды (40), и

пористая звукопоглощающая зона (52) имеет:

две границы, расположенные в направлении линии передней и/или задней кромки и разделенные расстоянием а, которое равно одной трети указанного расстояния между вершинами двух последовательных зубцов, в пределах 30%,

две границы, расположенные в направлении хорды и разделенные расстоянием b, причем b=h/3, в пределах 30%.

4. Профилированная конструкция по п. 2, в которой

в направлении линии (164а) передней кромки или линии (164b) задней кромки между вершинами двух последовательных зубцов зубчатого профиля (28) имеется расстояние (λ, λ1, λ2)

при этом звукопоглощающая пористая зона (52) имеет:

две границы, расположенные в направлении линии передней кромки и/или линии задней кромки и разделенные расстоянием а, которое равно одной трети указанного расстояния между вершинами двух последовательных зубцов, в пределах 30%,

две границы, расположенные в направлении хорды и разделенные расстоянием b, причем b=h/3, в пределах 30%.

5. Профилированная конструкция по п. 3 или 4, в которой пористая звукопоглощающая зона (52) содержит пористую пену (54), в которой поперечное сечение пор меньше указанного расстояния а/4 или b/4 и которая расположена на поверхности профилированной передней кромки (164) профилированной конструкции, или пористая звукопоглощающая зона (52) содержит микроперфорированный лист или материал (66) с резонирующими полостями, расположенный на поверхности профилированной конструкции и покрывающий пористую пену (54), в которой поперечное сечение пор меньше указанного расстояния а/4 или b/4.

6. Профилированная конструкция по любому из предыдущих пунктов, в которой пористая звукопоглощающая зона (52) содержит резонатор Гельмгольца.

7. Профилированная конструкция по одному из предыдущих пунктов, в которой отдельные зубцы (30) и впадины (32) зубчатого профиля имеют волнообразную форму с закругленными или острыми вершинами (31) и/или зубцы (30) и впадины (32) зубчатого профиля имеют форму с частично прямолинейными боковыми стенками (300).

8. Профилированная конструкция по любому из предыдущих пунктов, в которой отдельные зубцы (30) зубчатого профиля, которые расположены вдоль линии (164а) передней кромки и/или линии (164b) задней кромки и каждый из которых имеет вершину (31), являются несимметричными относительно перпендикуляра к линии (164а) передней кромки, проходящей через рассматриваемый зубец (30), и/или отдельные зубцы (30) зубчатого профиля, каждый из которых имеет вершину (31) и которые расположенные вдоль линии (164а) передней кромки и/или линии (164b) задней кромки от первого местоположения до второго местоположения, наклонены по направлению ко второму местоположению.

9. Профилированная конструкция по п. 8,

имеющая протяженность вдоль линии передней кромки и/или линии задней кромки между первым концом (70а) и вторым концом (70b),

причем наклон каждого из зубцов (30) ориентирован по направлению к одному из указанных концов.

10. Профилированная конструкция по любому из предыдущих пунктов, которая представляет собой конструкцию (100, 101, 38, 41, 44, 46) летательного аппарата или конструкцию (14) турбомашины с расположенным выше по потоку вентилятором.

11. Профилированная конструкция по любому из пп. 1-9, которая представляет собой одно из следующего:

крыло летательного аппарата, предкрылок или закрылок крыла летательного аппарата, опорный пилон двигателя летательного аппарата, киль, стабилизатор летательного аппарата, лопасть вертолета, пропеллер,

одну из следующих частей турбомашины, предназначенной для обеспечения движения летательного аппарата:

переднюю кромку (164) и/или заднюю кромку (160) кольцевой стенки для разделения воздушного потока, расположенной ниже по потоку от вентилятора турбомашины, между первичным потоком и вторичным потоком,

первые неподвижные направляющие лопатки (IGV 24) первичного потока (Fp),

вторые неподвижные направляющие лопатки (OGV 26) вторичного потока (Fs).

12. Турбомашина (10) для летательного аппарата, содержащая профилированную конструкцию по одному из пп. 1-9.

13. Турбомашина для летательного аппарата, пересекаемая воздушным потоком, проходящим сверху вниз по потоку, и содержащая профилированную конструкцию по п. 8, причем:

указанная турбомашина содержит расположенный выше по потоку вентилятор (14) и имеет общую ось (X), причем указанный вентилятор (14) выполнен с возможностью вращения вокруг указанной общей оси (X),

расположенный спереди вентилятор (14) выполнен с обеспечением вращения в заданном направлении (Y) вокруг общей оси (X) таким образом, что воздушный поток после вентилятора ориентирован в целом наклонно относительно указанной оси (X), и

зубцы (30) выполнены с возможностью наклона по окружности вокруг общей оси (X) в направлении по существу наклонной ориентации воздушного потока после вентилятора, заданной углом (α), так, что они в целом обращены к указанному потоку.

14. Турбомашина для летательного аппарата, содержащая профилированную конструкцию по п. 11, причем:

профилированная конструкция является одной из указанных частей турбомашины, предназначенной для обеспечения движения летательного аппарата;

указанная турбомашина содержит расположенный выше по потоку вентилятор (14) и имеет общую ось (X), причем указанный вентилятор (14) выполнен с возможностью вращения вокруг указанной общей оси (X),

при этом отдельные зубцы (30), расположенные по окружности вокруг общей оси (X), наклонены под углом (β, β')

в направлении средней линии кривизны указанных первых лопаток (IGV 24) или

в направлении кривизны на передней кромке (25) указанных первых лопаток (IGV 24).