ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩАЯ ВЫХЛОПНАЯ ТРУБА ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
GAS TURBINE ENGINE SOUND-ABSORBING EXHAUST PIPE

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к звукопоглощающей выхлопной трубе для газотурбинного двигателя. Конкретной областью применения изобретения является обработка звука от выхлопа газотурбинного двигателя, в частности для вертолета.
Успехи, достигнутые в уменьшении шума, который создается в результате вращения лопастей несущего винта вертолета, означает, что шум от турбины, приводящей в движение лопасти, становится существенным компонентом общего количества излучаемого звука.
Поэтому желательно уменьшить шум от турбины.
Для этого в документе ЕР 1010884 предлагается обеспечить стенки многоканального выхлопного сопла турбины вертолета покрытием, поглощающим звуковую энергию. Покрытие является относительно толстым с учетом соответствующих звуковых частот, вследствие чего возникают проблемы веса и объема.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание звукопоглощающей выхлопной трубы для газотурбинного двигателя, которая обеспечивает эффективное звукопоглощение и при этом имеет конструкцию, которая является относительно легкой.
Данная задача достигается посредством выхлопной трубы, содержащей:
перфорированную внутреннюю оболочку, образующую проточный канал выхлопной трубы;
сплошную внешнюю оболочку, причем внутренняя и внешняя оболочки образуют между собой пространство, которое является закрытым на переднем и заднем концах пространства;
сердечник, расположенный между внутренней и внешней оболочками, на расстоянии от них, и содержащий по меньшей мере один слой, рассеивающий звуковую энергию, состоящий из полых шариков, которые удерживаются рядом друг с другом; и
каркас, содержащий передний и задний участки, которые соединены вместе продольными элементами, причем каркас поддерживает сердечник и разделяет его на множество ячеек, которые заполнены полыми шариками, удерживаемыми между двумя перфорированными структурами;
причем каркас прикреплен к по меньшей мере одной из внешней оболочки и внутренней оболочки посредством по меньшей мере одного из переднего и заднего участков каркаса.
Термины «передний» и «задний» используются в данном документе относительно направления перемещения газового потока в выхлопной трубе.
Каркас служит для удерживания сердечника между внутренней и внешней оболочками, при этом сердечник содержит по меньшей мере один слой полых шариков, которые, как известно, обеспечивают значительную степень рассеивания звуковой энергии. Таким образом, эффективное звукопоглощение достигается при легкой конструкции. Предпочтительно, используемые полые шарики представляют собой керамические шарики с микроперфорированной пористой стенкой.
В одном варианте осуществления, внешняя оболочка представляет собой конструктивный элемент, который содержит его передний концевой участок, прикрепленный к переднему участку каркаса, при этом последний содержит его задний участок, способный перемещаться продольно относительно внешней оболочки. В этом случае структурная функция выхлопной трубы выполняется внешней оболочкой. Относительные размерные отклонения термического характера между внешней оболочкой и каркасом обеспечиваются тем, что каркас способен перемещаться продольно на его заднем конце.
Предпочтительно, в его заднем участке, каркас также содержит продольно выступающий палец, выполненный с возможностью скольжения в направляющей, которая прикреплена к внешней оболочке. Кроме того, в зазоре между задними участками каркаса и внешней оболочки расположен гибкий уплотнительный выступ, тем самым не допуская распространения шума.
В другом варианте осуществления, каркас представляет собой конструктивный элемент, несущий внутреннюю оболочку и внешнюю оболочку. В этом случае структурная функция выхлопной трубы обеспечивается каркасом.
При таких условиях, внешняя оболочка, предпочтительно, содержит сегменты, которые продолжают друг друга, причем передний первый сегмент соединен с передним участком каркаса, а задний сегмент соединен с задним участком каркаса. Это позволяет осуществлять размерные отклонения термического характера между внешней оболочкой и каркасом.
Предпочтительно, в любом варианте осуществления, внутренняя оболочка прикреплена на ее переднем или заднем конце к переднему или заднему концу каркаса и является свободной относительно каркаса в ее другом конце, таким образом обеспечивая размерные отклонения между внутренней оболочкой и каркасом.
Кроме того, в любом варианте осуществления, может быть предусмотрена по меньшей мере одна сплошная перегородка, которая продолжается поперечно в каждом из пространств между сердечником и внутренней и внешней оболочками, тем самым не допуская распространения шума продольно в данных пространствах. Предпочтительно, каждая перегородка продолжается от внутренней или внешней оболочки, к которой она прикреплена, приближаясь к сердечнику, без образования контакта с сердечником.
Краткое описание чертежей
Изобретение может быть лучше понято после прочтения приведенного ниже описания, представленного в качестве неограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 представляет собой схематичный вид в продольном разрезе звукопоглощающей выхлопной трубы в варианте осуществления изобретения;
Фиг.2 представляет собой схематичный вид в перспективе каркаса звукопоглощающей трубы, показанной на фиг.1;
Фиг.3 представляет собой вид в увеличенном масштабе детали, показанной на фиг.1;
Фиг.4 представляет собой вид, показывающий, в частности, участок сердечника, рассеивающего звуковую энергию, поддерживаемого и разделяемого каркасом, показанным на фиг.2;
Фиг.5 представляет собой вид с местным разрезом в плоскости V-V, показанной на фиг.4;
Фиг.6 представляет собой схематичный вид в перспективе альтернативного варианта осуществления каркаса звукопоглощающей трубы, показанной на фиг.1;
Фиг.7 представляет собой схематичный вид в продольном разрезе звукопоглощающей выхлопной трубы в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения; и
Фиг.8 представляет собой схематичный вид в перспективе каркаса звукопоглощающей трубы, показанной на фиг.7.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Первый вариант осуществления звукопоглощающей выхлопной трубы 10 настоящего изобретения описан со ссылкой на фиг.1-5. Показанная выхлопная труба 10 представляет собой сопло газотурбинного двигателя для вертолета, и, как известно, она имеет изогнутую форму, для того чтобы гарантировать, что газ, исходящий из турбины, отклоняется в направлении от хвоста вертолета.
Труба 10 содержит сплошную внешнюю оболочку 20, перфорированную внутреннюю оболочку 30, образующую выхлопной канал 12 и расположенную на расстоянии от внешней оболочки 20, каркас 40 и сердечник 60, рассеивающий звуковую энергию, который поддерживается и разделяется каркасом 40.
В данном варианте осуществления, внешняя оболочка 20 выполняет структурную функцию выхлопной трубы. Она может быть выполнена с использованием металлического листа, например, с использованием никелевого сплава, или она может быть получена посредством сверхпластичного формования жаропрочного титанового сплава. Для обеспечения возможности сборки выхлопной трубы оболочка 20 состоит из двух участков - переднего участка 20а и заднего участка 20b, которые скреплены вместе, например, посредством узлов 22 болтового соединения или соединения с винтом и гайкой.
Внутренняя оболочка 30 выполнена с возможностью пропускания звуковых волн. Она может быть выполнена в виде перфорированного металлического листа, например, с использованием жаропрочного никелевого сплава. Отверстия, например, имеющие диаметр в пределах от одного до нескольких миллиметров, выполнены в оболочке 30 по всей ее длине и периферии с возможностью пропускания звуковых волн, которые отражаются внешней оболочкой 20 после прохождения через сердечник 60. Доля перфорации оболочки 30, например, может находиться в пределах от 10% до 30%.
На своем переднем конце внешняя оболочка 20 согнута, для того чтобы образовать радиальный участок 20с, на котором установлен задний участок каркаса, как описано ниже, причем радиальный участок 20с расположен около переднего концевого участка 20d, который прижат к переднему концевому участку внутренней оболочки 30.
Передние концевые участки оболочек 20 и 30 соединены друг с другом и со смежным участком (не показан) корпуса двигателя, причем данное соединение осуществляется, например, посредством винтов или посредством болтов.
На своем заднем конце внешняя оболочка 20 также согнута, чтобы образовать поперечный участок 20е, который расположен около заднего концевого участка 20f, прижатого к заднему концевому участку внутренней оболочки 30.
Таким образом, пространство 25 между внешней и внутренней оболочками 20 и 30 закрыто сплошными стенками, которые выполнены с возможностью пропускания звуковых волн на переднем и заднем концах данного пространства.
Следует отметить, что внутренняя оболочка 30 прикреплена к внешней оболочке 20 только посредством ее переднего участка, тем самым позволяя задним концевым участкам оболочек 20 и 30 перемещаться друг относительно друга в результате относительного расширения термического характера, причем внутренняя оболочка 30 подвергается воздействию газа, исходящего из турбины. Как вариант, оболочка 30 может быть прикреплена к внешней оболочке только на ее заднем участке, оставляя возможность перемещения в переднем конце.
Каркас 40 (фиг.1 и 2) содержит передний участок, выполненный, например, в форме радиального кольца 42, задний участок, выполненный, например, в форме кольца 44, и продольные элементы 46, соединяющие вместе кольца 42 и 44, возможно также с радиальными промежуточными кольцами 48, расположенными между продольными элементами, для того чтобы сделать каркас жестким. На своих передних и задних концах продольные элементы 46 прикреплены к переднему и заднему кольцам 42 и 44 посредством лапок 45, причем данное закрепление осуществляется, например, посредством болтового соединения, винтового соединения или сварки. На своих концах промежуточные кольца 48 прикреплены аналогичным способом к продольным элементам, между которыми они расположены. Каркас может быть выполнен из жаропрочного металлического материала, например, никелевого сплава или титана.
Каркас 40 прикреплен к переднему концу внешней оболочки 20 посредством переднего кольца 42, опирающегося на внутреннюю поверхность радиального участка 20с оболочки 20, и посредством соединений винтом и гайкой, причем головки винтов 42а припаяны к внутренней поверхности кольца 42 или удерживаются около внутренней поверхности посредством кожухов, которые припаяны или приварены к ней.
На своем заднем конце каркас 40 выполнен с возможностью перемещения вследствие относительного расширения между каркасом 40 и внешней оболочкой 20. Предпочтительно, на своем заднем конце, каркас 40 содержит палец 50, который выступает вниз из заднего кольца 44, например, на одной линии с продольным элементом 46. Как более подробно показано на фиг.3, палец 50 проходит через внешнюю оболочку в ее поперечном участке 20е и проходит в направляющую 52, которая закреплена на внешней стороне поперечного участка 20е. В направляющей 52 может быть установлена металлическая опора 54 для облегчения скольжения пальца 50 во время перемещений вследствие относительного расширения. Введение пальца 50 в направляющую 52 также служит для блокировки каркаса 40 от вращения относительно внешней оболочки 20.
Для того чтобы обеспечить возможность относительного расширения, оставлено пространство 56 между задним кольцом 44 каркаса 42 и поперечным участком 20е в заднем конце внешней оболочки 20. Гибкий кольцевой выступ 58 вставлен в данное пространство, закреплен, например приварен, к внешней поверхности заднего кольца 44 (или внутренней поверхности участка 20е оболочки 20) и надавливает на внутреннюю поверхность участка 20е оболочки 20 (или на внешнюю поверхность заднего кольца 44). В качестве примера, выступ 58 выполнен из тонкого металлического листа и обеспечивает звукопоглощение, не допуская прохождения звуковых волн между оболочками 30 и 20 и от сердечника 60.
Сердечник 60 рассеивает звуковую энергию посредством слоя полых шариков 62, которые удерживаются между двумя противоположными перфорированными стенками 60а и 60b сердечника 60, причем стенки 60а и 60b выполнены, например, в виде сеток, решеток или металлических сеток. На фиг.1 показаны только некоторые из шариков 62. Шарики 62, предпочтительно, представляют собой полые керамические шарики с микроперфорированной пористой стенкой, имеющей средний диаметр, находящийся, например, в пределах от одного до нескольких миллиметров. Использование слоя или ряда таких шариков в сердечнике звукопоглощающей панели в пространстве между перфорированной стенкой и сплошной стенкой само по себе известно. В частности, может быть сделана ссылка на документы FR 98/02346 и FR 03/13640.
Сердечник 60 поддерживается и разделяется каркасом 40, причем сердечник разделяется на ячейки 64 посредством колец 42 и 44, продольных элементов 46 и промежуточных колец 48, как можно видеть на фиг.4 (для упрощения чертежа на фиг.4 показаны только некоторые из ячеек). Перфорированная стенка 60а, расположенная на внутренней стороне сердечника, может представлять собой сетку, решетку или сеть, выполненную за одно целое и прикрепленную к внутренним краям продольных элементов 46 и промежуточных колец 48, например, посредством шва точечной микросварки. Перфорированная стенка 60b, расположенная с внешней стороны, разделена на отдельные решетчатые, сетчатые элементы 64b для каждой ячейки 64.
2
2
Для заполнения каждой ячейки 64, после размещения и закрепления перфорированной стенки 60а, элемент 64b перфорированной стенки прикрепляют частично к внутренним краям продольных элементов и промежуточных колец, образующих ячейку 64, например, посредством точечной микросварки. Затем ячейку заполняют шариками 62, чтобы занять максимальный объем пространства в ячейке. Шарики удерживаются с уплотнением друг к другу, завершая закрепление элемента 64b перфорированной стенки. Ячейки, предпочтительно, заполняют несмотря на упругую деформацию перфорированных стенок, окружающих их, таким образом поддерживая давление на шарики 62 и сохраняя плотный контакт между шариками в случае теплового расширения ячеек. Для наиболее эффективного рассеивания звуковой энергии, конечно, желательно поддерживать такой контакт между шариками, чтобы предотвратить распространение звуковых волн за них. Поскольку абсолютная величина расширения, которому подвергается ячейка, зависит от ее размеров, находят компромисс между ограничением размеров ячеек и ограничением веса каркаса (и соответственно количеством продольных элементов и промежуточных колец). В качестве примера, ячейки могут иметь площадь, находящуюся в пределах от 100 см до 400 см.
Как показано на фиг.6, радиальные или по существу радиальные перегородки могут быть расположены в пространстве 25 между внешней и внутренней оболочками 20 и 30 таким образом, чтобы препятствовать распространению звуковых волн продольно в данном пространстве.
Перегородки могут продолжаться со всех сторон продольной оси выхлопной трубы или, как показано, только в пределах сектора вокруг упомянутой оси, в зависимости от доступного пространства.
Каждая перегородка содержит два участка, внешний участок 24а, продолжающийся между сердечником 60 и внешней оболочкой 20, и внутренний участок 24b, продолжающийся между сердечником 60 и внутренней оболочкой 30, таким образом оставляя промежуток для прохождения каркаса 40 с малой величиной зазора. Участки 24а и 24b являются сплошными, т.е. неперфорированными, и они выполнены из металла, предпочтительно из того же металла, что и металл, образующий каркас 40.
Каждый внешний участок 24а перегородки представляет собой внешнее кольцо 26а для прикрепления к внешней оболочке 20, а каждый внутренний участок 24b перегородки представляет собой внутреннее кольцо 26b для прикрепления к внутренней оболочке 30, причем прикрепление может быть осуществлено, например, посредством болтового соединения, винтового соединения, сварки, пайки или адгезива.
Фиг.7 представляет собой схему, показывающую второй вариант осуществления выхлопной трубы 110 настоящего изобретения.
Труба 110 содержит сплошную внешнюю оболочку 120, перфорированную внутреннюю оболочку 130, образующую выхлопной канал 112 и расположенную на расстоянии от внешней оболочки 120, каркас 140 и сердечник 160, рассеивающий звуковую энергию, который поддерживается и разделяется каркасом 140.
Данный второй вариант осуществления отличается от вышеописанного варианта осуществления тем, что структурная функция выхлопной трубы 110 выполняется каркасом 140. Каркас 140, предпочтительно, выполнен из жаропрочного металлического материала, например сплава никеля или титана. Так же как и каркас 40, показанный на фиг.1 и 2, каркас 140 (фиг.7 и 8) содержит переднее и заднее кольца 142 и 144, которые соединены вместе продольными элементами 146, которые сами соединены вместе промежуточными кольцами 148, и отдельные участки каркаса выполнены с возможностью выполнения требуемой структурной функции по отношению к нему.
Внешняя оболочка 120 содержит два участка, передний участок 120а и задний участок 120b. На своем переднем конце участок 120а согнут, чтобы образовать радиальный участок 120с, который расположен около переднего концевого участка 120d, который прижат к переднему концевому участку внутренней оболочки 130. На своем заднем конце участок 120b согнут, чтобы образовать поперечный участок 120е, который расположен около заднего концевого участка 120f, который прижат к заднему концевому участку внутренней оболочки 130. Таким образом, пространство 125 между внешней и внутренней оболочками 120 и 130 закрыто на его переднем и заднем концах сплошными стенками, которые выполнены с возможностью пропускания звуковых волн.
Передний участок 120а внешней оболочки 120 прикреплен к каркасу 140 посредством соединения между передним кольцом 142 каркаса и радиальным участком 120с. Задний участок 120b внешней оболочки 120 прикреплен к каркасу 140 посредством соединения между задним кольцом 144 каркаса и поперечным участком 120е. В качестве примера, соединения могут быть выполнены посредством винтов и гаек, причем головки винтов припаяны к внутренним поверхностям колец 142 и 144, или удерживаются около данных поверхностей посредством кожухов, которые припаяны или приварены к ним. Как вариант, переднее и/или заднее кольца 142 и/или 144 могут быть образованы посредством радиального участка 120с и/или поперечного участка 120е оболочки 120, в этом случае продольные элементы 146 прикреплены к радиальному участку 120с и/или к поперечному участку 120е.
Задний конец переднего участка 120а и передний конец заднего участка 120b соединены вместе с взаимным перекрытием, для того чтобы обеспечить относительное перемещение под действием относительного расширения между каркасом 140 и внешней оболочкой 120.
Передние концевые участки оболочек 120 и 130 соединены друг с другом и со смежным участком (не показан) корпуса двигателя, причем соединение выполнено, например, посредством винтового соединения или посредством болтового соединения. Оболочка 130 прикреплена к внешней оболочке 120 только посредством ее переднего участка, для того чтобы обеспечить относительное перемещение между задними концевыми участками оболочек 120 и 130 в результате относительного расширения термического характера. Как вариант, внутренняя оболочка 130 может быть прикреплена к внешней оболочке только посредством ее заднего участка, оставляя возможность для перемещения в ее переднем участке.
Звуковая энергия рассеивается сердечником 160 посредством слоя полых шариков 162, удерживаемого между двумя перфорированными стенками 160а и 160b, например, сетками, решетками или металлическими сетками. Сердечник 160 разделен каркасом 140 на ячейки, которые заполнены шариками 162, точно так же, как вышеописанный сердечник 60.
Следует отметить, что в пространстве 125 могут быть размещены радиальные или по существу радиальные перегородки, чтобы препятствовать передаче звуковых волн продольно в пространстве 125, точно так же, как показано на фиг.6.
Когда двигатель работает, звуковые волны проникают в пространство 25 или 125 через внутреннюю оболочку 30 или 130 и несколько раз проходят через сердечник 60 или 160, отражаемые внешней оболочкой 20 или 120. При каждом проходе через слой шариков в сердечнике значительная часть звуковой энергии рассеивается.
В качестве примера, при использовании шариков 62 или 162 со средним диаметром от одного до нескольких миллиметров, например, находящимся в пределах от 1 мм до 3,5 мм, эффективное ослабление звука на основных звуковых длинах волн, создаваемых турбиной, достигается при толщине сердечника, находящейся в пределах приблизительно от 5 мм до 20 мм. При этом общая толщина стенки выхлопной трубы (расстояние между внешней и внутренней оболочками) может находиться в пределах приблизительно от 50 мм до 200 мм.
В вышеописанных вариантах осуществления предусмотрен только один сердечник 60 или 160. Как вариант, может быть предусмотрено множество сердечников, которые расположены на расстоянии друг от друга и от внешней и внутренней оболочек 20 или 120 и 30 или 130, в этом случае каркас 40 или 140 выполнен с множеством соответствующих узлов продольных элементов и промежуточных колец, чтобы поддерживать и разделять сердечники.