ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ НАПРАВЛЯЮЩИЙ КОНУС ДЛЯ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ С УСТРОЙСТВОМ ЗВУКОВОГО ОСЛАБЛЕНИЯ
GAS TURBINE ENGINE WITH EXHAUST GAS GUIDE CONE WITH NOISE KILLER

Предлагаемое изобретение относится к области газотурбинных двигателей со свободной турбиной и, говоря более конкретно, к ослаблению акустического шума, создаваемого двигателем вертолета.
В последующем изложении термины ″передний по потоку″ и ″задний по потоку″ определяются в зависимости от направления движения газов в двигателе вертолета, причем эти газы в упомянутом двигателе движутся в направлении спереди назад.
Двигатель вертолета, в частности газотурбинный двигатель типа того, который представлен на фиг.1, классическим образом содержит, если смотреть спереди назад по потоку, компрессор 2, кольцевую камеру 3 сгорания, турбину высокого давления и свободную осевую турбину 4, отбирающую энергию сгорания топлива для приведения в движение несущего винта вертолета, причем выхлопные газы, возникающие в результате сгорания, отводятся из двигателя при помощи выхлопного сопла 5, размещенного по потоку сзади свободной турбины 4.
Свободная турбина 4 завершается на своем заднем по потоку конце осевой деталью 6 в форме усеченного конуса и соплом, причем этот узел выполняет функцию направления потока выхлопных газов с тем, чтобы обеспечить аэродинамическое течение потока газов на выходе из свободной турбины 4.
В процессе своего функционирования двигатель вертолета создает звуковые волны, которые образуют шум от двигателя. Этот шум от двигателя представляет собой значительную составляющую общего звукового излучения вертолета. Для того, чтобы уменьшить уровень шума от вертолета, стремятся, в частности, уменьшить уровень шума, присущего двигателю.
Звуковые волны, излучаемые двигателем в его задней по потоку части, создаются, главным образом, в процессе сгорания топлива и в процессе вращения турбин. Звуковые волны имеют различные частоты, заключенные в диапазоне, воспринимаемом человеческим ухом и простирающемся от 20 Гц до 20 кГц. Звуковые волны низких частот, то есть менее 400 Гц, значительным образом принимают участие в формировании шума от двигателя вертолета.
В настоящее время известна акустическая обработка внутри центрального тела сопла турбореактивного двигателя, которая описана в заявке на патент FR-A-2898940 фирмы Snecma. Уже известны так называемые ″противошумные″ системы, позволяющие в той или иной степени ослабить звуковые волны, излучаемые двигателем. Такая противошумная система в соответствии с существующим уровнем техники обычно представляет собой внешний модуль, устанавливаемый по потоку сзади двигателя. При этом кроме своих значительных габаритных размеров такая противошумная система представляет недостаток, который состоит в некоторой удаленности этой системы от источника шума.
Желательно интегрировать такую противошумную систему непосредственно в двигатель для того, чтобы повысить конкурентоспособность этого двигателя в том, что касается излучаемого двигателем шума. Однако такая интеграция представляет многочисленные технические трудности, поскольку очевидно, что элементы двигателя подвергаются воздействию значительных напряжений как механических, так и термических. Таким образом, интеграция противошумной системы в двигатель вертолета представляет собой настоящий технологический вызов.
Для этого предлагаемое изобретение касается газотурбинного двигателя, в котором в направлении спереди назад по потоку движутся газы, содержащего камеру сгорания, турбину высокого давления, свободную турбину, располагающуюся по потоку позади турбины высокого давления и выполненную для принятия газообразных продуктов сгорания топлива, поступающих из упомянутой камеры сгорания, и направляющий конус для выхлопных газов, закрепленный на упомянутой свободной этой турбины, причем этот газотурбинный двигатель излучает звуковые волны в процессе своего функционирования, и предлагаемый газотурбинный двигатель отличается тем, что упомянутый направляющий конус содержит устройство звукового ослабления, выполненное для ослабления звуковых волн, излучаемых этим газотурбинным двигателем.
Этот направляющий конус одновременно выполняет функцию направления потока выхлопных газов и функцию ослабления звуковых волн, излучаемых двигателем, позволяя получить двигатель, обладающий хорошими характеристиками, менее шумный, при сохранении относительно небольших его габаритных размеров и приемлемой массы.
В соответствии с предпочтительной формой реализации предлагаемого изобретения упомянутое устройство звукового ослабления представляет структуру резонатора Гельмгольца.
Такой резонатор может быть реализован с использованием части конструкции направляющего конуса без сложных ее модификаций и без ухудшения характеристик направления потока выхлопных газов.
Кроме того, резонатор Гельмгольца специфическим образом адаптирован для ослабления низких частот, что является весьма предпочтительным в рассматриваемом здесь случае вследствие того, что звуковые волны низких частот существенным образом принимают участие в образовании шума. В то же время, резонатор Гельмгольца размещается в непосредственной близости от источников шума, что позволяет ослабить звуковые волны ″у источника″, исключая их последующее распространение.
Предпочтительным образом упомянутый направляющий конус содержит внутреннюю резонансную полость, в которой проходит горловина, выполненная для того, чтобы обеспечить сообщение резонансной полости направляющего конуса с внешней стороной направляющего конуса.
Также предпочтительным образом длина этой горловины, а также объем резонансной полости и сечение упомянутой горловины адаптированы таким образом, чтобы резонансная полость направляющего конуса резонировала на некоторой предварительно определенной резонансной частоте f, предпочтительно менее 400 Гц.
Параметры резонатора могут быть определены таким образом, чтобы частота его резонанса точно соответствовала частоте звуковых волн, подлежащих ослаблению.
В соответствии с одной из частных форм реализации предлагаемого изобретения направляющий конус содержит внутреннюю разделительную перегородку, выполненную для того, чтобы ограничить объем резонансной полости и способствовать этому согласованию по частоте.
В соответствии с другой формой реализации предлагаемого изобретения направляющий конус содержит по меньшей мере одну внутреннюю разделительную перегородку, выполненную для того, чтобы разграничить общий внутренний объем направляющего конуса на по меньшей мере первую резонансную полость и вторую резонансную полость, имеющие соответственно первую резонансную частоту f1 и вторую резонансную частоту f2.
Предпочтительным образом первая и вторая резонансные частоты f1 и f2 являются различными и менее 400 Гц.
Эта обработка отличается от акустической обработки внутри центрального тела сопла турбореактивного двигателя, которая описана в заявке на патент FR-A-2898940 фирмы Snecma. В соответствии с обработкой, описанной в этой заявке на патент, упомянутое центральное тело содержит единственную резонансную полость, сообщающуюся при помощи множества отверстий, выполненных вдоль стенки, с кольцевым потоком газов, направляемым в сопле.
Предлагаемое изобретение будет лучше понято при помощи приведенных чертежей, на которых:
- фиг.1 представляет собой вид в осевом разрезе газотурбинного двигателя вертолета в соответствии с существующим уровнем техники;
- фиг.2A представляет собой вид в осевом разрезе первой формы реализации направляющего конуса в соответствии с предлагаемым изобретением;
- фиг.2B представляет собой вид в осевом разрезе второй формы реализации направляющего конуса в соответствии с предлагаемым изобретением;
- фиг.2C представляет собой вид в осевом разрезе третьей формы реализации направляющего конуса в соответствии с предлагаемым изобретением;
- фиг.2D представляет собой вид в поперечном разрезе другого примера реализации направляющего конуса в соответствии с предлагаемым изобретением.
Газотурбинный двигатель 1 вертолета содержит, если смотреть спереди назад по потоку, компрессор 2, кольцевую камеру 3 сгорания и свободную осевую турбину 4, отбирающую энергию сгорания для того, чтобы приводить в движение несущий винт вертолета, в частности лопасти винтов. Выхлопные газы, возникающие в результате сгорания топлива, отводятся из двигателя при помощи окружного выхлопного сопла 5, располагающегося по потоку позади свободной турбины 4.
Эта свободная турбина 4 завершается на своем заднем по потоку конце полой осевой деталью в форме усеченного конуса. Эта деталь, вместе с упомянутым соплом, выполняет функцию направления потока выхлопных газов с тем, чтобы обеспечить нормальное аэродинамическое течение потока без создания турбулентности на выходе из упомянутой свободной турбины.
В соответствии с первой формой реализации предлагаемого изобретения, и как это можно видеть на фиг.2A, упомянутая полая осевая деталь в форме усеченного конуса, или направляющий конус 7 представляется в форме оболочки, выполненной в виде тела вращения и содержащей переднюю по потоку поперечную стенку 72, выполненную в форме диска, и заднюю по потоку поперечную стенку 74, имеющую в рассматриваемом здесь случае форму вогнутого участка, который, однако, может быть выпуклым или плоским, и связанную при помощи боковой поверхности 73 в форме усеченного конуса с передней по потоку поперечной стенкой 72.
Эта полая осевая деталь 7 в форме усеченного конуса в этой первой форме реализации ограничивает одну единственную внутреннюю полость 71, называемую резонансной полостью 71, в которой проходит резонансная горловина 75, один конец которой открывается в резонансную полость 71, а другой конец открывается на боковой поверхности 73 конуса 7 через отверстие 76. В этой форме реализации резонансная горловина 75 представляется в форме прямого цилиндра, имеющего круглое сечение, однако, само собой разумеется, что прямоугольное или овальное сечение также может оказаться подходящим, причем площадь упомянутого сечения адаптирована так, чтобы осевая деталь 7 в форме усеченного конуса формировала резонатор Гельмгольца, выполненный для ослабления звуковых волн, исходящих от двигателя.
Действительно, осевая деталь 7 в форме усеченного конуса образует так называемую ″массово-пружинную″ противошумную систему, обеспечивающую возможность существенного ослабления звуковых волн, имеющих заданную резонансную частоту. В зависимости от объема полости, длины горловины в этой полости и сечения этой горловины имеется возможность определять резонансную частоту резонатора, образованного осевой деталью 7 в форме усеченного конуса. Итак, предпочтительным образом звуковые волны, излучаемые двигателем, и частота которых близка к частоте резонатора, ослабляются при помощи осевой детали 7 в форме усеченного конуса, что позволяет уменьшить шум двигателя.
Предпочтительным образом осевая деталь 7 в форме усеченного конуса в частности адаптирована для ослабления волн низких частот, то есть менее 400 Гц. Это обстоятельство оказывается весьма предпочтительным, поскольку именно волны низких частот главным образом содействуют образованию шума двигателя.
Поскольку в данном случае упомянутый резонатор интегрирован в двигатель, звуковые волны ослабляются непосредственно в источнике их излучения, исключая таким образом распространение этих звуковых волн.
В соответствии со второй формой реализации предлагаемого изобретения, и как это можно видеть на фиг.2B, осевая деталь в форме усеченного конуса, или направляющий конус 8, разделена на отсеки, причем одна внутренняя разделительная перегородка 87 ограничивает первую резонансную полость 81 и вторую резонансную полость 81′, причем эта перегородка 87 в рассматриваемом здесь примере реализации является, по существу, перпендикулярной по отношению к поперечной плоскости.
Эта перегородка может быть реализована таким образом, чтобы получить две продольные полости, но также, как это проиллюстрировано на фиг.2B, благодаря перегородке, установленной параллельно оси. Действительно, только объем каждой сформированной таким образом полости содействует управлению частотой акустического согласования: именно механические напряжения диктуют форму разделения перегородкой и акустические задачи определяют объемы каждой полости.
Также на фиг.2B можно видеть, что первая резонансная горловина 85, один конец которой открывается внутри первой резонансной полости 81 и другой конец которой открывается на боковой поверхности 83 конуса 8 при помощи отверстия 86, проходит в первой резонансной полости 81. Аналогичным образом вторая резонансная горловина 85′ один конец которой открывается внутри второй резонансной полости 81′ и другой конец которой, открывается на боковой поверхности 83 конуса 8 при помощи отверстия 86′, проходит во второй резонансной полости 81′.
Как это представлено на фиг.2B, объемы резонансных полостей 81, 81′, а также длины и сечения горловин 85, 85′, в рассматриваемом здесь случае являются различными таким образом, чтобы каждый отсек конуса 8 формировал резонатор Гельмгольца, каждый из которых имеет собственную резонансную частоту.
В этом примере осевая деталь 8 в форме усеченного конуса обладает двумя имеющими близкие значения резонансными частотами f1 и f2 для того, чтобы ослаблять звуковые волны в полосе пропускания, имеющей ширину, заключенную в диапазоне между двумя этими частотами f1 и f2. В качестве примера можно сказать, что такой направляющий конус позволяет обеспечить ослабление частот, заключенных в диапазоне между 250 Гц и 350 Гц.
Само собой разумеется, что резонансные частоты f1 и f2 также могут быть выбраны таким образом, чтобы соответствовать наиболее критическим частотам из частотного спектра шума двигателя. Таким образом, звуковые волны, которые вносят существенный вклад в акустический шум двигателя, ослабляются непосредственно при помощи осевой детали 8 в форме усеченного конуса.
Определение резонансных частот f1 и f2 полой осевой детали 8 в форме усеченного конуса предпочтительным образом может быть осуществлено путем изменения положения перегородки 87 и/или путем изменения длины и сечения горловин 85, 85′ в каждой из резонансных полостей 81, 81′.
Полая осевая деталь 8 в форме усеченного конуса одновременно позволяет направлять поток выхлопных газов на выходе из свободной турбины, образуя при этом резонатор Гельмгольца, имеющий несколько определяемых частот. Такой резонатор обладает преимуществом, которое заключается в том, что он является полностью интегрированным в двигатель и не приводит к увеличению его габаритных размеров.
Как это можно видеть на фиг.2C, представляющей третью форму реализации предлагаемого изобретения, здесь изменяют полую осевую деталь в форме усеченного конуса или направляющий конус 9, чтобы увеличить общий объем направляющего конуса 9. Это позволяет уменьшить резонансную частоту резонатора, сохраняя при этом надлежащее качество ослабления. Действительно, резонансные частоты направляющего конуса 9 являются обратно пропорциональными резонансным частотам, связанным с объемом резонансных полостей, ограниченных внутренней разделительной перегородкой 97.
Деталь 9 в форме усеченного конуса более крупного объема позволяет увеличить диапазон определения резонансной частоты, или резонансных частот, резонатора.
Изменение объема конуса не представляет недостатков вследствие того, что этот конус выполняет только функцию направления потока выхлопных газов.
В предшествующем изложении были описаны осевые детали в форме усеченного конуса, содержащие от одного до двух отсеков, однако, само собой разумеется, эта осевая деталь в форме конуса или конус в соответствии с предлагаемым изобретением может содержать больше двух отсеков для того, чтобы резонатор содержал более двух резонансных частот.
Как это представлено на фиг.2C, задняя по потоку поперечная стенка осевой детали 9 в форме усеченного конуса может быть выпуклой, причем форма этого конуса представляет собой результат компромисса между его массой, его характеристиками направления и его свойствами звукового ослабления.
Другой пример реализации предлагаемого изобретения представлен на фиг.2D и демонстрирует вид в осевом направлении варианта его реализации. Внутренний объем направляющего конуса 10 подразделяется на три отсека при помощи продольных разделительных перегородок 107, 107′ и 107″, располагающихся радиально в форме буквы Y. Резонансные горловины 105, 105′ и 105″ адаптированы таким образом, чтобы формировать резонансные полости 101, 101′ и 101″, связанные с упомянутыми отсеками.