ШУМОГЛУШИТЕЛЬ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДЛЯ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И СКЛАДЧАТЫЕ ЯЧЕЙКИ КАК ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ
NOISE SILENCER, MAINLY FOR AIRCRAFT ENGINES, AND FOLDED CELLS AS NOISE-ABSORBING ELEMENT

Настоящее изобретение относится к шумоглушителю, предназначенному, в частности, для двигателей летательных аппаратов, преимущественно самолетов, и содержащему трехмерную структуру, выполненную ячеистой формы и при применении на двигателе поглощающую шум двигателя. Кроме того, изобретение относится к особому применению складчатых ячеек.
Проблемой двигателей вообще и двигателей летательных аппаратов в частности является сильное шумообразование. В частности, у двигателей с большой степенью двухконтурности сильное шумообразование имеет место во входном устройстве (воздухозаборнике). Из-за того, что концы лопаток вращаются с окружными скоростями, соответствующими числу М, большему 1, возникают, например, ударные волны, приводящие к возбуждению собственных акустических мод во входном канале. Эти моды весьма эффективно излучаются наружу и вызывают очень громкий шум. Этот дребезжащий шум особенно сильно ощущается на этапе взлета самолета в окрестностях аэропорта. Шум проникает также в салон самого самолета и особенно ощущается пассажирами переднего отсека. К другим составляющим шума относится шум на частоте, соответствующей частоте следования лопаток или лопастей вентилятора (пропорциональное произведению количества лопаток на частоту вращения ротора) и ее гармоник, а также широкополосный шум и шумовые составляющие от других узлов двигателя, например компрессора.
Для борьбы с этим шумом во входном канале или канале второго контура двигателей в зоне воздухозаборника обычно размещают звукопоглощающие поверхности в качестве пассивных шумоглушителей звука. При этом преимущественно используют так называемые шумоглушители с одной степенью свободы, или SDOF-шумоглушители (сокр. от англ. "Single Degree of Freedom"), которые состоят в основном из сотовой конструкции, облицованной перфорированным листом или мелкоячеистой проволочной сеткой. Сотовая конструкция действует в качестве резонатора, причем конструктивная глубина сотовой конструкции подобрана соответственно длине волны и составляет ее четверть. Поэтому подобные шумоглушители с одной степенью свободы особенно эффективны при этой резонансной частоте.
Для обеспечения подавления шума в более широкой полосе частот были разработаны шумоглушители, состоящие из двух или трех расположенных друг за другом шумоглушителей с одной степенью свободы. Такие шумоглушители называются также шумоглушители с двумя (2-DOF) и тремя (3-DOF) степенями свободы. Кроме того, были предприняты попытки параллельного расположения шумоглушителей разной конструктивной глубины.
Для наглядности на фиг.2а изображен известный шумоглушитель с одной степенью свободы, содержащий множество сот 1, расположенных между нижним 2 и верхним 3 облицовочными слоями. На фиг.2б изображен известный шумоглушитель с двумя степенями свободы, содержащий два расположенных друг над другом слоя сот 1a, 1b под облицовочным слоем 3.
Проблема известных шумоглушителей заключается в том, что изогнутые конструкции большой площади очень сложны в изготовлении, что связано с высокими издержками. Современные шумоглушители с сотовой сердцевиной (заполнителем) в двигателях имеют тот недостаток, что они покрывают не всю поверхность воздухозаборника. Причиной этого является так называемый эффект седла, который приводит к тому, что соты невозможно произвольно изогнуть. Поэтому эффективная поверхность не используется и шум в воздухозаборнике двигателя не удается поглощать или уменьшать в достаточной мере.
Эффект седла наглядно показан на фиг.3а, 3б. При попытке изгиба сотовой конструкции, показанной на фиг.3а, вследствие геометрии сот возникает седловидная структура с первым или внутренним радиусом ρ1 кривизны и вторым радиусом ρ2 кривизны, который образует седловидное углубление сотовой конструкции.
Дополнительно существует та проблема, что соты, т.е. сотовые конструкции, невозможно сцепить друг с другом, что дополнительно затрудняет бесшовное изготовление. Кроме того, ввиду особенностей технологии изготовления сотовых конструкций их невозможно расположить точно в заданном положении, в результате чего, например, необходимые перфорационные отверстия во многих случаях закрываются. Это относится, в частности, к шумоглушителям с несколькими степенями свободы, или MDOF-шумоглушителям (сокр. от англ. "Multiple Degree of Freedom"), которые требуют очень точного позиционирования промежуточных слоев. Это значит, что лежащие друг над другом слои сот необходимо позиционировать особенно точно. У этого типа шумоглушителей упомянутый выше эффект седла необходимо особенно учитывать, поскольку он вызывает боковое смещение соответствующей ячеистой структуры относительно облицовочных и промежуточных слоев.
До сих пор шумоглушители с несколькими степенями свободы приходилось всегда изготавливать в виде многослойных конструкций (типа "сэндвич") с несколькими сердцевинами, или заполнителями. В результате возникают повышенные издержки и требуется очень точная ориентация сот по отношению к перфорированным промежуточным слоям. К тому же, соты рассчитаны на постоянный размер ячеек. Это не позволяет реализовать звукопоглощающие конструкции изменяемых объемов.
Из публикации US 3542152 известен шумоглушитель для двигателей, в частности двигателей летательных аппаратов, содержащий, по меньшей мере, одну трехмерную структуру, выполненную ячеистой формы и при применении на двигателе поглощающую шум двигателя.
В основу настоящего изобретения была положена задача создания шумоглушителя, позволяющего избежать проявлений эффекта седла при образовании изогнутых конструкций большой площади. Такой шумоглушитель должен быть применим, в частности, на двигателях летательных аппаратов и, прежде всего, в воздухозаборниках двигателей обеспечивать высокую точность изготовления и расположения звукопоглощающих элементов, а также возможность подгонки формы шумоглушителя к форме двигателя.
Эта задача решается с помощью шумоглушителя по пункту 1 формулы изобретения и применения складчатых ячеек в качестве звукопоглощающего элемента по пункту 9 формулы. Другие предпочтительные признаки, аспекты и подробности изобретения приведены в зависимых пунктах, описании и на чертежах.
Предлагаемый в изобретении шумоглушитель предназначен, в частности, для двигателей летательных аппаратов и содержит трехмерную структуру, выполненную ячеистой формы и при применении на двигателе поглощающую шум двигателя, а указанная выше задача решается за счет того, что структура включает в себя складчатые ячейки, образованные сгибанием плоской заготовки, причем отдельные сгибы, определяемые линиями сгиба в плоской заготовке, являются гибкими с возможностью коррекции углов сгиба при изгибании трехмерной структуры.
Применение складчатых ячеек, образующихся при сгибании плоской заготовки, позволяет изготавливать изогнутые конструкции большой площади, используемые в качестве шумоглушителей или звукопоглощающих элементов, причем за счет геометрии складок устраняется эффект седла. В частности, благодаря своим конструктивным свойствам складчатые ячейки можно изначально спроектировать под изогнутые конструкции с трехмерной геометрией, а гибкость отдельных сгибов позволяет корректировать углы сгиба при изгибании трехмерной структуры, подгоняя их к геометрии реальной конструкции. При сгибании заготовки образуются, например, трехмерные сердцевины конструкций, которые можно любым подходящим образом согласовывать с геометрией конструкции, используя различные рисунки, или схемы, расположения линий сгиба. Отсутствие эффекта седла обеспечивает, кроме того, точное позиционирование сердцевины шумоглушителя по отношению к его облицовочным слоям. Отдельные звукопоглощающие элементы, образованные складчатыми ячейками, можно без проблем сцепить друг с другом или ввести друг в друга, что приводит к повышению точности позиционирования.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения структура, образованная складчатыми ячейками, представляет собой трехмерную сердцевину конструкции, имеющую (в развертке) заданный рисунок линий сгиба. Используя различные рисунки линий сгиба, можно получить любую требуемую кривизну готового шумоглушителя или звукопоглощающего элемента. Это обеспечивает точность пригонки и позиционирования шумоглушителя, прежде всего в двигателях летательных аппаратов и, в частности, в воздухозаборниках двигателей, что улучшает шумопоглощение.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения несколько ячеек накладываются друг на друга. Они также могут входить друг в друга, т.е. зацепляться. В результате достигается повышенная точность позиционирования звукопоглощающих элементов.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения шумоглушитель содержит одну или несколько перфорированных поверхностей, образованных участками плоской заготовки. В результате дополнительно уменьшаются затраты при изготовлении и, тем самым, снижаются издержки. В то же время перфорированные поверхности находятся в точно заданных положениях шумоглушителя.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения шумоглушитель содержит две отделенные друг от друга в пространстве области внутреннего объема, образованные складчатыми ячейками и расположенные на разных, или противоположных, сторонах шумоглушителя. Это значит, например, что образующие сердцевину складчатые ячейки в силу своих основополагающих особенностей делят образуемый ими промежуточный объем на две области, причем, например, одна область этого объема граничит с верхним облицовочным слоем, а другая - с нижним облицовочным слоем. За счет этого шумоглушители, в частности многомерные шумоглушители, например шумоглушители с двумя степенями свободы, могут изготавливаться особенно просто и рентабельно. Перфорирование и позиционирование среднего слоя, необходимое в случае существующих шумоглушителей с несколькими степенями свободы, отпадают. Вместо этого перфорация может быть выполнена на участках неизогнутой плоской заготовки, т.е. перед сгибанием заготовки с образованием складчатых ячеек. В результате достигается очень точная и изменяемая конструкция шумоглушителей или систем с двумя степенями свободы.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения складчатые ячейки имеют одну или несколько заданных геометрических схем образования складок, согласованных или согласуемых с длиной окружности или глубиной входного устройства соответствующего двигателя. Это значит, что, используя разные геометрические схемы образования складок, можно варьировать объем или глубину складчатых ячеек по окружности и глубине воздухозаборника. Этим достигается еще большая гибкость при расчете шумоглушителя.
Благодаря возможности задания или выбора определенных рисунков линий сгиба, образующих складчатые ячейки, можно также получить, например, вентилируемые сердцевины конструкций или обеспечить сообщение соседних камер.
Кроме того, использование складчатых ячеек обеспечивает возможность наложения отдельно изготовленных ячеек и их простое сцепление за счет вхождения друг за друга, в результате чего получается приблизительно непрерывная конструкция.
В изобретении предлагается также применение складчатых ячеек, образованных сгибанием плоской заготовки с получением трехмерной структуры, в которой отдельные сгибы, определяемые линиями сгиба в плоской заготовке, являются гибкими, в качестве звукопоглощающего элемента, в частности для двигателей летательных аппаратов. При этом предпочтительно, чтобы складчатые ячейки были по своей геометрии рассчитаны на поглощение шума двигателей летательных аппаратов. Складчатые ячейки применяются, в частности, для образования или изготовления шумоглушителя, предлагаемого в изобретении.
Преимущества предлагаемого в изобретении шумоглушителя и характеризующие его признаки также к заявленному применению складчатых ячеек.
Изобретение поясняется ниже с помощью чертежей, на которых показано:
на фиг.1 - шумоглушитель, выполненный в предпочтительном варианте осуществления изобретения в виде изогнутой сердцевины,
на фиг.2а, 2б - известные шумоглушители с одной и двумя степенями свободы,
на фиг.3а, 3б - сотовая конструкция известного шумоглушителя в плоском состоянии (фиг.3а) и в изогнутом состоянии (фиг.3б) для пояснения эффекта седла,
на фиг.4 - плоский рисунок линий сгиба для формирования сердцевины шумоглушителя, показанной на фиг.1,
на фиг.5 - рисунок линий сгиба на плоской заготовке с перфорированными участками, из которой формируют шумоглушитель,
на фиг.6 - вид в разрезе шумоглушителя со слоем складчатых ячеек.
На фиг.1 изображен шумоглушитель 10 в качестве предпочтительного варианта осуществления изобретения. Шумоглушитель 10 содержит трехмерную структуру 11, выполненную ячеистой формы. Ячеистая структура 11 образует изогнутую сердцевину или заполнитель, форма которой рассчитана на использование в воздухозаборнике двигателей. Для этого трехмерная ячеистая структура 11 изогнута таким образом, чтобы образовать кольцо. Это значит, что стенка кольца состоит из трехмерной ячеистой структуры 11.
Структура, или ячеистая структура, 11 содержит множество складчатых ячеек 8, образованных сгибанием плоской заготовки.
На фиг.4 изображена плоская заготовка 9, сгибанием которой образованы складчатые ячейки 8 шумоглушителя 10 (фиг.1). Заготовка 9 имеет для этой цели определенный подходящий рисунок линий сгиба, состоящий из множества линий 3а, 3b сгиба, которые проходят зигзагообразно в двух, по существу, перпендикулярных друг другу главных направлениях А, В. При этом линии 3а сгиба в главном направлении А и линии 3b сгиба в главном направлении В проходят, по существу, параллельно друг другу. Линии 3а, 3b сгиба образуют в плоской или двумерной заготовке 9 геометрические фигуры в форме трапеции, которые периодически повторяются. При этом рисунки 4а выполнены таким образом, что при подходящем сгибании плоской заготовки 9 они образуют по линиям 3а, 3b сгиба складчатые ячейки 8 (фиг.1). Это значит, что при использовании определенной геометрической схемы образования складок при сгибании плоской или двумерной заготовки 9 образуется трехмерная ячеистая структура со складчатыми ячейками, которая вначале является плоскостной и имеет толщину, определяемую размером отдельных ячеек 8.
Складчатые ячейки 8 изображенной на фиг.1 сердцевины конструкции шумопоглотителя действуют в отношении поглощаемых звуковых волн в качестве резонаторов и по своим размерам и геометрии выполнены согласно соответствующим требованиям.
Само по себе изготовление складчатых ячеек сгибанием известно и подробно описано, например, в US 2950656 и US 5947885. Согласно изобретению этот способ применяется для формирования шумоглушителя 10 без эффекта седла.
Для образования складчатых ячеек 8 на плоском тонком материале выполняют сгибы, проходящие в разных направлениях и образованные множеством зигзагообразных линий сгиба. Отдельными элементами поверхности складчатых ячеек могут быть, например, параллелограммы, трапеции, треугольники и т.д. или комбинации различных геометрических форм.
На фиг.5 изображена плоская заготовка 19 с перфорированными участками 7а. В отношении других признаков эта плоская заготовка 19 соответствует плоской заготовке 9 (фиг.4), описанной выше. Перфорирование участков 7а еще больше упрощает изготовление звукопоглощающих элементов, что позволяет избежать известных проблем при позиционировании.
После сгибания плоских заготовок 9 и 19, показанных на фиг.4 и 5, образуются трехмерные ячейки плоской формы, имеющие толщину, определяемую размером отдельных складчатых ячеек. Затем ячейки изгибают, согласовывая их с заданной поверхностью трехмерной формы. При изгибании ячеек, например, для получения изображенной на фиг.1 кольцевой сердцевины, из-за особой геометрии ячеек не возникает нежелательных напряжений, так что известный эффект седла исключен. Отдельные сгибы, определяемые линиями 3а, 3b сгиба в плоской заготовке 9, 19, являются гибкими и позволяют корректировать углы сгиба при изгибании трехмерной ячеистой структуры 11. Это значит, что отдельные складчатые ячейки 8 (фиг.1) благодаря своему изготовлению посредством сгибания плоской заготовки 9, 19 не жесткие, а гибкие и позволяют корректировать углы между отдельными элементами стенок складчатых ячеек 8.
В зависимости от предъявляемых в каждом конкретном случае требований изогнутые ячеистые структуры 11, например, могут быть снабжены одним или несколькими облицовочными слоями, которые могут быть, например, перфорированы и могут располагаться по обе стороны ячеистой структуры 11. При изготовлении шумоглушителя со складчатыми ячейками можно изготавливать различные ячейки 11, которые накладывают друг на друга или сцепляют, вводя их друг в друга, получая таким образом шумоглушители любого размера и геометрии, в частности шумоглушители для авиационных двигателей.
Несколько ячеек, полученных, например, из заготовки 19 с перфорированными участками 7а, могут быть расположены друг над другом, при этом не требуется никакого дополнительного среднего слоя с перфорацией, поскольку перфорация уже выполнена на участках 7а еще не согнутой заготовки 9. В результате получают шумоглушитель с двумя степенями свободы, работающий в широкой полосе звуковых частот, который может быть изготовлен относительно рентабельно и точно. Объем ячеек отдельных складчатых ячеек 8, а также их протяженность или глубина определяются соответствующими геометрическими схемами образования складок и могут изменяться по глубине воздухозаборника двигателя и его окружности или периметру. Этим достигается особенно эффективное звукопоглощение в двигателе с увеличенной шириной полосы звуковых частот.
На фиг.6 изображен разрез шумоглушителя 12 с ячеистой структурой из складчатых ячеек 28, расположенных между слоем 27 основания и перфорированным облицовочным слоем 30. Складчатые ячейки 28 образованы, как уже сказано, из заготовки путем ее сгибания. В ячеистой структуре за счет выполнения складчатых ячеек образуются две отделенных друг от друга области внутреннего объема, что позволяет получить шумоглушитель с двумя степенями свободы, имеющий только один слой ячеек.
Несколько шумоглушителей 12 можно набрать в пакет для образования многомерных шумоглушителей, например с четырьмя, шестью, восемью степенями свободы и т.д., причем соседние слои ячеек отделены друг от друга соответствующим перфорированным слоем 30.
За счет заданных перфораций, уже выполненных в плоской заготовке 19, можно целенаправленно и простым образом сообщить соседние камеры или складчатые ячейки 8, 27, 28. Кроме того, за счет сгибания перфорированных заготовок можно также получить, например, вентилируемые сердцевины конструкций, т.е. трехмерные ячеистые структуры 11, отдельные участки или ячейки которых целенаправленно сообщены между собой или вентилируются посредством перфораций.