СИСТЕМА СНИЖЕНИЯ ШУМА ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ГЛУШИТЕЛЯ ВЫХЛОПА (ВАРИАНТЫ)
NOISE REDUCTION SYSTEM FOR GAS TURBINE ENGINE (VERSIONS) AND METHOD EXHAUST SILENCER COOLING (VERSIONS)

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к выхлопному соплу с ослаблением шума для газотурбинного двигателя. В частности, изобретение относится к конструкции охлаждаемого выхлопного сопла с ослаблением шума.
Уровень техники
Воздушное судно может включать вспомогательную силовую установку (APU, Auxiliary Power Unit), предназначенную для питания различных систем воздушного судна, отдельную от основных тяговых двигателей. Вспомогательная силовая установка, как правило, представляет собой газотурбинный двигатель, установленный в воздушном судне. Для снижения уровня шума, создаваемого вспомогательной силовой установкой и возникающего выхлопном канале, может применяться глушитель выхлопа. Выпускной канал и глушитель выхлопа работают при высоких температурах, поэтому для защиты близлежащих элементов и конструкций они окружены изолирующими материалами. Изолирующие материалы, в свою очередь, занимают ценное пространство, увеличивают массу воздушного судна и производственные затраты.
В качестве ближайшего аналога предлагаемого изобретения можно рассмотреть решение из патентного документа US 3286787, в котором, как и в настоящем изобретении, имеется глушитель выхлопа, проход для охлаждающего воздуха между глушителем и наружной обшивкой, источник охлаждающего воздуха и средство для создания потока охлаждающего воздуха. Однако существует потребность в дальнейшем увеличении эффективности подавления шума, в частности, путем рассеивания составляющих шума с определенной доминирующей частотой.
Раскрытие изобретения
Предлагаемая система снижения шума вспомогательной силовой установки (APU) включает охлаждающие элементы для защиты наружной обшивки и других элементов от тепла, выделяемого газами, проходящими через выхлопной канал.
Система снижения шума вспомогательной силовой установки включает глушитель выхлопа, расположенный вокруг выхлопного канала. Звуковая энергия в выхлопном канале направляется в глушитель выхлопа, где она подавляется. Проход для охлаждающего воздуха, находящийся в тепловом контакте с глушителем выхлопа, отводит тепло от других близлежащих элементов и обшивки воздушного судна. В одном примере поток воздуха создается вентилятором, перемещающим воздух через воздушный проход. В другом примере эжектор создает разность давлений, которая обеспечивает всасывание воздуха через проход в выхлопной канал.
Более конкретно, в настоящем изобретении предлагается система снижения шума для газотурбинного двигателя, содержащая глушитель (24) выхлопа, расположенный вблизи выхлопного канала, выполненного с возможностью приема выхлопных газов из газотурбинного двигателя; проход для охлаждающего воздуха, находящийся в тепловом контакте с глушителем выхлопа и расположенный между наружной поверхностью глушителя выхлопа и наружной обшивкой; источник охлаждающего воздуха, сообщающийся с проходом; и средство для создания потока охлаждающего воздуха в проходе для отвода тепла. Глушитель выхлопа содержит множество дефлекторов, каждый из которых сообщается с выхлопным каналом, и заполняет кольцевое пространство между выхлопным каналом и наружной обшивкой за исключением прохода.
Выхлопной канал может включать пористую внутреннюю поверхность, а дефлекторы могут сообщаться с выхлопным каналом посредством указанной пористой внутренней поверхности.
Указанный проход может быть расположен вблизи наружной поверхности глушителя выхлопа. Проход может содержать кольцеобразный проход, расположенный вблизи глушителя выхлопа и может находиться в тепловом контакте с наружной поверхностью глушителя выхлопа и внутренней поверхностью наружной обшивки. Также проход может включать первое отверстие, проводящее воздух во впускное отверстие выхлопного канала, и второе отверстие, сообщающееся с внешней средой.
Средство для создания потока может быть выполнено с возможностью всасывания воздуха через второе отверстие, проход и через первое отверстие в выхлопной канал. Оно может представлять собой эжектор, расположенный во впускном отверстии выхлопного канала, причем эжектор может быть выполнен с возможностью всасывания воздуха через отверстие в плоскости торца выхлопного канала, через проход во впускное отверстие выхлопного канала. Система при этом может также включать кольцеобразный проход, сообщающийся с выхлопным каналом и проходом для подачи охлаждающего воздуха в выхлопной канал.
Средство для создания потока может подавать под давлением охлаждающий воздух в проход и из выпускного отверстия в окружающую среду. При этом выпускное отверстие может быть расположено в плоскости отверстия в выхлопном канале. Средство для создания потока охлаждающего воздуха может представлять собой вентилятор, перемещающий воздух, принятый из впускного отверстия для воздуха, в проход и из отверстия в плоскости торца выхлопного канала.
Также предлагается способ охлаждения глушителя выхлопа, включающий следующие этапы: установку вокруг выхлопного канала глушителя выхлопа, содержащего множество дефлекторов, каждый из которых сообщается с выхлопным каналом; обеспечение прохода для охлаждающего воздуха в тепловом контакте с глушителем выхлопа, причем проход располагают между наружной поверхностью глушителя выхлопа и наружной обшивкой, при этом глушитель выхлопа заполняет кольцевое пространство между выхлопным каналом и наружной обшивкой за исключением прохода; передачу шумовой энергии через отверстия в выхлопном канале в глушитель выхлопа; и пропускание охлаждающего воздуха через проход для охлаждающего воздуха для отвода тепла от глушителя выхлопа.
Такой способ может включать всасывание охлаждающего воздуха в проход из отверстия, смежного с открытым кормовым концом выхлопного канала, и выпускание охлаждающего воздуха в передний конец выхлопного канала, или пропускание воздуха из переднего конца прохода в выпускное отверстие в открытом кормовом конце выхлопного канала.
Эти и другие описанные здесь признаки раскрыты в последующем описании и на чертежах, краткое описание которых приведено ниже.
Настоящее изобретения позволяет обеспечить более эффективное подавление шума без какого-либо заметного увеличения массы изолирующего материала. В частности, можно обеспечить подавление звуковых частот, лежащих в определенном диапазоне, т.е. создать конструкцию типа полосно-заграждающего фильтра для звуковых колебаний.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой схему примера глушителя выхлопа.
Фиг.2 представляет собой еще одну схему примера глушителя.
Фиг.3 представляет собой схему другого примера глушителя.
Фиг.4 представляет собой вид в аксонометрии примера глушителя, показанного на фиг.3.
Осуществление изобретения
Как показано на фиг.1, система снижения шума вспомогательной силовой установки (APU), предназначенная для снижения уровня шума, создаваемого вспомогательной силовой установкой, обозначена ссылочным номером 15 и расположена в хвостовом коническом обтекателе 12 воздушного судна. Иллюстративный хвостовой конический обтекатель воздушного судна 12 ограничен наружной обшивкой 14. Иллюстративная наружная обшивка 14 представляет собой лист материала, который ограничивает часть наружной поверхности указанного воздушного судна. Иллюстративная наружная обшивка 10 может представлять собой лист композитного материала или легкого метала, например алюминия, не предназначенного для работы под воздействием высоких температур, связанных с выхлопными газами, образующимися при работе вспомогательной силовой установки 10. Соответственно, иллюстративная вспомогательная силовая установка 10 включает элементы конвекционного охлаждения для защиты наружной обшивки 14 и других близлежащих элементов воздушного судна от тепла, выделяемого газами, проходящими через выхлопной канал 20.
Иллюстративная вспомогательная силовая установка включает газотурбинный двигатель 16 и может иметь любую известную конструкцию, причем выхлопной канал 20 выполнен с возможностью приема газов из газотурбинного двигателя 16. Кроме того, несмотря на то что в настоящем описании иллюстративная вспомогательная установка расположена в хвостовом коническом обтекателе 12 воздушного судна, описанные элементы охлаждения могут применяться в других местах в воздушном судне.
Иллюстративный хвостовой конический обтекатель 12 расположен в задней части воздушного судна и ограничивает отсек для вспомогательной силовой установки 10. Иллюстративный отсек с одной стороны ограничен противопожарной стенкой 18, а с кормовой стороны ограничен торцевой плоскостью 30. Торцевая плоскость содержит отверстие 31 в открытом кормовом конце выхлопного канала 20. При работе вспомогательной силовой установки 10 образуются горячие выхлопные газы 48, направляемые по выхлопному каналу 20, и создается шум. Глушитель 24 выхлопа, также в целом называемый устройством 24 для ослабления шума, выполнен вокруг выхлопного канала 20 для снижения уровня шума за пределами выхлопного отверстия 31. Иллюстративный глушитель 24 является кольцевым и окружает выхлопной канал 20. Глушитель 24 заполняет кольцевое пространство между выхлопным каналом 20 и наружной обшивкой 14 за исключением прохода 28. Кроме того, глушитель 24 также может иметь цилиндрическую форму и окружать выпускной канал 20. Основным источником шума от вспомогательной силовой установки 10 является газотурбинный двигатель 16. Поэтому система 15 снижения шума вспомогательной силовой установки также в целом называется системой 15 охлаждения глушителя выхлопа для газотурбинного двигателя 16.
Как показано на фиг.2, а также фиг.1, иллюстративный выхлопной канал 20 включает внутреннюю поверхность 22. Внутренняя поверхность 22 включает пористую внутреннюю поверхность, на которой выполнены множество отверстий 23, образующих перфорированную внутреннюю поверхность, которая передает шум и другую звуковую энергию в глушитель 24. Внутренняя поверхность 22 также может включать другие пористые конструкции, обеспечивающие передачу звуковой энергии в глушитель 24 выхлопа. Иллюстративный глушитель 24 включает множество дефлекторов 26, каждый из которых сообщается с выхлопным каналом 20 посредством по меньшей мере нескольких из множества отверстий 23. Дефлекторы 26 служат для поглощения и рассеивания звуковой энергии в виде тепла. Дефлекторы 26 также могут быть выполнены в виде резонансной камеры для подавления шума на определенных частотах. Тепло, выделяющееся в глушителе 24 вследствие поглощения звука и теплового контакта с выхлопным каналом 20, отводится для предотвращения отрицательного воздействия на обшивку 14.
В традиционных хвостовых конических обтекателях 12 наружная поверхность 25 выхлопного глушителя 24 может быть окружена теплоизоляционным материалом, который может уменьшать объем полезного пространства для глушителя 24 и увеличивать вес.Описанная наружная поверхность 25 иллюстративного глушителя 24 выхлопа окружена проходом 28, который представляет собой канал для охлаждающего воздуха. Иллюстративный проход 28 является кольцевым и по существу окружает наружную поверхность 25 глушителя 24 выхлопа. Проход 28 расположен между наружной поверхностью 25 глушителя выхлопа 24 и обшивкой 14. Охлаждающий воздушный поток в проходе 28 поглощает тепло, выделяющееся в глушителе 24 выхлопа и выхлопном канале 20, для ограничения количества тепловой энергии, передаваемой обшивке 14. Тепло, поглощенное охлаждающим воздушным потоком в проходе 28, отводится от обшивки 14 и других элементов воздушного судна.
Иллюстративный проход 28 находится в тепловом контакте с глушителем 24 выхлопа. Более конкретно, охлаждающий проход 28 находится в тепловом контакте с наружной поверхностью дефлекторов 26 глушителя 24 выхлопа.
Иллюстративный проход 28 сообщается с окружающей средой посредством отверстия 34. Отверстие 34 расположено в торцевой плоскости 30 и является по существу кольцеобразным. Воздух из-за пределов воздушного судна всасывается в проход через отверстие 34 и проходит через проход 28 по направлению к кольцеобразному проходу 32. Кольцеобразный проход 32 расположен с передней стороны выхлопного канала 20 и сообщается с выхлопным каналом 20 посредством выпускного отверстия 35. Иллюстративное выпускное отверстие 35 является кольцеобразным и расположено смежно с эжектором 44 охлаждающего воздуха. Эжектор 44 охлаждающего воздуха обеспечивает разность давления, которая создает воздушный поток в проходе 28 и выпускном отверстии 35.
Иллюстративная вспомогательная силовая установка 10, показанная на фиг.1, включает впускное отверстие для воздуха, через которое всасывается воздух 38, а также впускное отверстие 40 для воздуха, через которое всасывается воздух для работы газотурбинного двигателя 16. Воздух 38 также используется эжектором 42 охлаждения масла. Эжектор 42 охлаждения масла создает воздушный поток, используемый системой охлаждения масла газотурбинного двигателя 16. Воздух, обозначенный стрелкой под ссылочным номером 46, всасывается в эжектор 42 охлаждения масла для охлаждения масла и затем выпускается с выхлопными газами 48, образующимися при работе газотурбинного двигателя 16. В пределах настоящего описания также могут использоваться другие устройства и системы для охлаждения масла.
Формирователь воздушного потока создает требуемый воздушный поток в проходе 28. В данном примере формирователь воздушного потока представляет собой эжектор 44 охлаждения воздуха, который создает разность давлений путем увеличения воздушного потока после выпускного отверстия 35. Увеличенный воздушный поток после выпускного отверстия 35 создает область низкого давления, которая всасывает воздух через проход 28. Сформированный воздушный поток далее обеспечивает всасывание воздуха через отверстие 34 в торцевой плоскости 30. Воздух, всасываемый из внешней среды, значительно холоднее, чем горячие выхлопные газы 48, направляемые через выхлопной канал 20. Охлаждающий воздушный поток, обозначенный ссылочным номером 36, всасывается через проход 28, находящийся в тепловом контакте с глушителем 24, и поглощает тепло из глушителя 24 выхлопа. Охлаждающий воздушный поток 36 отводит тепло от глушителя 24 выхлопа и проходит по направлению к выпускному отверстию 35 и эжектору 44 охлаждающего воздуха. Затем нагретый таким образом охлаждающий воздух 36 проходит в выхлопной канал 20 через выпускное отверстие 35 и выпускается через выхлопное отверстие 31.
Иллюстративный эжектор 44 охлаждающего воздуха имеет кольцеобразную форму, согласующуюся с выпускным отверстием 35 в выхлопном канале 20. Выхлопные газы 48 вспомогательной силовой установки, имеющие высокую скорость, создают область низкого давления в выпускном отверстии 35, которая всасывает подвижный охлаждающий воздушный поток 36 через отверстие 34. Увеличенный поток охлаждающего воздуха обеспечивает зону требуемого низкого давления, которая всасывает воздух через отверстие 34 и проход 28. По мере прохождения охлаждающего воздуха 36 из отверстия 34 далее по направлению к кольцеобразному проходу 32 и выпускному отверстию 35, охлаждающий воздух 36 в проходе 28 поглощает тепло от глушителя 24 выхлопа.
Следует понимать, что эжектор 44 охлаждающего воздуха показан лишь в качестве примера и могут использоваться другие конструкции эжекторов для обеспечения требуемой силы тяги для всасывания воздуха в проход 28. Кроме того, для формирования требуемого охлаждающего воздушного потока 36 могут использоваться другие формирователи воздушного потока, например вентилятор или другие известные устройства. В данном примере эжектор 44 охлаждающего воздуха создает силу тяги, которая всасывает охлаждающий воздух в проход 28, пассивным образом. Такое пассивное формирование воздушного потока не увеличивает нагрузку на вспомогательную силовую установку и не требует внешних источников энергии, в отличие, например, от вентилятора, и поэтому не только обеспечивает охлаждающий воздушный поток, необходимый для поддержания требуемой температуры наружной поверхности 25 глушителя 24 выхлопа и обшивки 14, но также существенно уменьшает необходимость использования изолирующих материалов.
Как показано на фиг.3 и 4, другая иллюстративная система 55 снижения шума вспомогательной силовой установки или система 55 охлаждения глушителя выхлопа в хвостовом коническом обтекателе 50 включает выхлопной канал 50, через который выхлопные газы 48 из газотурбинного двигателя 16 отводятся через торцевое отверстие 31. В этом примере формирователь воздушного потока выполнен в виде охлаждающего вентилятора 56 для охладителя 52 масла. Охлаждающий вентилятор 56 всасывает воздух 38 из впускного отверстия и направляет его в проход 28 через впускное отверстие 54. Впускное отверстие 54 расположено в кольцеобразном проходе 32, который окружает передний конец выхлопного канала 20.
Охладитель 52 масла охлаждает масло, используемое вспомогательной силовой установкой 10, с использованием воздуха, всасываемого через впускное отверстие 38. Воздух может дополнительно всасываться вентилятором 56 через охладитель 52 масла из других мест. Охлаждающий воздух проходит через охладитель 52 масла и затем выпускается через выпускное отверстие 54 в кольцеобразный проход 32. Воздух из прохода 32 подается под давлением в проход 28, окружающий глушитель 24. Несмотря на то, что охлаждающий воздух, выпущенный из охладителя 52 масла, поглотил некоторую часть тепла от масла, данный воздух остается значительно более холодным, чем горячие выхлопные газы 48.
Охлаждающий воздушный поток постепенно поглощает тепло по мере прохождения в тепловом контакте с наружной поверхностью глушителя 24 выхлопа по направлению к выпускному отверстию в торцевой плоскости 30. Соответственно, в этом примере для направления охлаждающего воздуха через проход 28 используется вентилятор 56 охладителя масла. Охлаждающий воздушный поток 36, в свою очередь, поглощает и отводит тепло от наружной поверхности 25 глушителя 24 и выхлопного канала 20.
Соответственно, наружная поверхность 25 иллюстративного глушителя 24 выхлопа и выхлопного канала 20 охлаждается потоком охлаждающего воздуха. Поток охлаждающего воздуха отводит тепло, выделяющееся в глушителе 24 выхлопа и выхлопном канале 20, для защиты материалов и элементов, не предназначенных для работы под воздействием высоких температур выхлопных газов 48. Описанный способ и система охлаждения значительно уменьшают необходимость использования дополнительных изолирующих материалов и/или вовсе устраняют такую необходимость. Кроме того, охлаждающий проход 28 занимает значительно меньше места и при этом обеспечивает лучший эффект охлаждения, что позволяет увеличить размер дефлекторов 26 глушителя 24 выхлопа для обеспечения более эффективного ослабления шума.
Несмотря на то что выше описан иллюстративный вариант осуществления, специалисту в данной области техники очевидны определенные изменения в пределах объема настоящего описания. По этой причине сущность и объем изобретения должны определяться приведенной ниже формулой изобретения.