ЗВУКОИЗОЛЯЦИОННАЯ ПАНЕЛЬ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель принадлежит к области конструкций газотурбинных двигателей, в частности к системам, которые изолируют источник звуковых колебаний от приемника, а именно к звукоизоляционным панелям газотурбинных двигателей, и может быть использована в любой области машиностроения, в частности авиадвигателестроения, прежде всего, в устройствах звукоизоляции шума турбореактивных двигателей в части улучшения параметров экологической эффективности и уменьшения негативного влияния как на окружающую среду, так и на пассажиров и экипаж воздушного судна.
Сегодня газотурбинные двигатели (ГТД) широко применяются в разных областях транспорта и энергетики. Снижение уровня шума является актуальной задачей в случае применения ГТД как в составе летательного аппарата, так и в наземном применении в качестве энергоустановки.
Уровни шума пассажирских самолетов сегодня во многом определяют их конкурентоспособность и являются важной технической характеристикой.
Шум самолетов влияет на проживающее близи аэропортов население, пассажиров и обслуживающий персонал, создает препятствия при приеме и передаче информации, вызывает аномалии в работе приборов и электронной аппаратуры. Поэтому шум пассажирских самолетов и вертолетов на местности ограничивается национальными стандартами и стандартами Международной организации гражданской авиации IKAO, а шум в салоне - национальными стандартами. Анализ этих стандартов показывает, что требования к уровню шума непрерывно усиливаются.
Существует два направления борьбы с шумом газотурбинных двигателей:
- уменьшение шума в источнике;
- снижение шума в канале его распространения.
Обычное снижение шума в источнике достигается ухудшением других характеристик ГТД (уменьшение мощности, увеличение веса и прочее), поэтому в настоящее время при борьбе с шумом часто применяется именно второй подход. Для снижения шума, который генерируют авиационные газотурбинные двигатели, широко применяются звукопоглощающие конструкции. При использовании двигателя на земле существует возможность применения метода звукоизоляции отсека (помещения), где установлен ГТД.
Системы газотурбинных двигателей, которые изолируют источник звуковых колебаний от приемника, имеют хорошие звукопоглощающие характеристики, но в связи с жесткостью требований к двигателям самолетов гражданской авиации появилась необходимость создания звукоизоляционных панелей с улучшенными характеристиками. Международная ассоциация воздушного транспорта (IATA) одобрила решение Международной организации гражданской авиации (ICAO) о принятии нового стандарта по авиационному шуму. Согласно этому стандарту допустимый эффективный уровень воспринимаемого шума, исходящего от самолетов новых типов, будет снижен на 7 дБ в сравнении с действующим стандартом. Стандарт приобретет силу 31 декабря 2017 г. и будет распространяться на самолеты, которые получили сертификат типа после этой даты. Актуальность проведения работ по снижению уровня авиационного акустического шума несомненна [1]. Поэтому необходимо создать для газотурбинных двигателей, в основном авиационных в их широком конструктивном диапазоне, техническое решение, касающееся звукоизоляционных панелей, и получить с их помощью технический результат, а именно, повысить эффективность звукопоглощения таких панелей при соответствии их характеристик действующим международным стандартам диапазона частот звуковых колебаний, допустимых в мировой, в частности, гражданской авиации.
Известна многослойная панель, которая содержит внешние обшивки, между которыми расположен заполнитель, образованный, по крайней мере, тремя слоями гофрированного листового материала с пилообразным профилем, наложенным один на другой вершинами гофр, при этом центрально расположенный слой выполнен с максимальным шагом между вершинами, а симметрично расположенные относительно него слои выполнены с шагом, который уменьшается в направлении к наружным обшивкам и кратным двум [2].
К недостаткам известного технического решения относится то, что указанная конструкция многослойной панели, имея повышенную прочность и жесткость, имеет значительную толщину и узкую полосу эффективного звукопоглощения потому, что симметрично расположенные слои выполнены с шагом, который уменьшается в направлении к наружным обшивкам. При этом на толщину слоев ограничений не накладывается, что и приводит к увеличению толщины панели.
Известна звукопоглощающая панель, которая содержит верхнюю и нижнюю обшивки и размещенный между ними зигзагообразный заполнитель, при этом зигзагообразный заполнитель выполнен в виде Z-гофров с зубцами, расположенными под углом 40-50° к направлению звукового потока, обшивка и заполнитель изготовлены из композиционного материала, выполненного из фенольного связующего и тканого наполнителя, причем содержание фенольного связующего в материале для верхней обшивки и заполнителя составляет по массе 5-20%, а для нижней обшивки - 30-50% [3].
Недостатком данной звукопоглощающей панели является значительная толщина панели, зависимость звукоизолирующих свойств от размеров панели. К недостаткам известного технического решения относится и то, что, имея высокую эффективность звукопоглощения в широком диапазоне частот, указанная конструкция звукопоглощающей панели имеет высокую трудоемкость изготовления зигзагообразного заполнителя, выполненного в виде Z-гофров с зубцами, расположенными под определенным углом к направлению звукового потока (на толщину слоев заполнителя ограничений не накладывается).
Известно слоистое изделие с гофрированным заполнителем из волокнистого пластика, который содержит параллельно расположенные верхнюю и нижнюю обшивки и заполнитель, выполненные из волокнистого наполнителя, пропитанного полимерным связующим, при этом заполнитель выполнен в виде ряда сдвоенных гофров прямоугольной формы, гофры склеены внутри каждого ряда между собой по вертикальным касательным стенкам совмещенных гофр, указанные гофры жестко соединены клеевым соединением с обшивками по плоскостям их верхушек [4].
К недостаткам известного технического решения относится то, что несмотря на то, что данная конструкция имеет высокую удельную жесткость, обеспеченную высокой прочностью композиционного материала (волокнистого наполнителя, пропитанного полимерным связующим), она имеет высокую трудоемкость изготовления и материалоемкость, а также ограниченные возможности применения, обусловленные жесткостью конструкции, которая неприменима для облицовки криволинейных поверхностей сложной формы (на толщину слоев ограничений не накладывается). К недостаткам известного технического решения относится также и то, что данное слоистое изделие с гофрированным заполнителем из волокнистого пластика предусматривает применение в авиа- и судостроении при изготовлении панелей интерьеров, перегородок, но не решает задачи облегчения конструкции и звукопоглощения, что сужает эксплуатационные свойства панелей.
Известна звукопоглощающая конструкция, которая содержит гладкую и перфорированную стенки, между которыми размещено два слоя звукопоглощающих элементов, при этом первый слой, который выполнен более твердым, изготовлен из материала, у которого коэффициент отражения звука больше, чем коэффициент звукопоглощения, и состоит из последовательно соединенных поверхностей второго порядка, второй слой, который выполнен более мягким, расположенный в фокусе звукоотражающих поверхностей первого слоя, и состоит из тел вращения, скрепленных стрежнем, причем указанный стрежень размещен параллельно перфорированной стенке и жестко связан с гладкой стенкой с помощью вертикальных связей [5].
К недостаткам известного технического решения относится то, что оно имеет сравнительно невысокую эффективность шумопоглощения за счет частичного отражения звуковых волн от звукопоглотителя, а также сравнительно узкий (исключительно высокие частоты) диапазон шумопоглощения. Технический результат - повышение эффективности шумопоглощения за счет расширения частотного диапазона и вторичного поглощения звуковых волн, отраженных от звукопопоглотителя, недостаточен из-за того, что второй слой, представленный отдельными телами вращения, является прерывистым и не в состоянии обеспечить равномерного звукопоглощения по всей поверхности слоя. К недостаткам известного технического решения относится также и то, что:
- крепление вышеуказанных тел вращения с помощью стрежня приводит к плохой акустической развязке звукопоглощающей конструкции в целом потому, что звук будет иметь возможность передаваться по жестким вертикальным связям, которые соединяют стрежень с гладкой стенкой;
- выполнение первого слоя из материала, у которого коэффициент отражения звука больше, чем коэффициент звукопоглощения, приводит к уменьшению звукопоглощающей способности первого слоя в целом;
- применение перфорированных стенок в газотурбинных двигателях будет приводить к нежелательной утечке рабочего тела, которая вызовет снижение тяги двигателя;
- эксплуатационное загрязнение отверстий приводит к изменению частотных акустических параметров панели (на толщину слоев заполнителя ограничений не накладывается).
Известна звукопоглощающая панель, которая представляет собой две обшивки - перфорированную и сплошную и размещенный между ними зигзагообразный заполнитель, который в сечении представляет трапецию, во впадинах которого размещены вкладыши, профиль которых представляет профиль заполнителя в поперечном сечении, при этом вкладыши и заполнитель перфорированы по основаниям и боковым граням, причем заполнитель с обшивками соединен контактной сваркой [6].
Недостатком известной конструкции является то, что акустические характеристики перфорированных конструкций сильно зависят от уровней звукового давления. Кроме того, они имеют узкую полосу эффективного звукопоглощения. Изготовление подобной звукопоглощающей панели довольно трудоемко, необходимо осуществлять дополнительные операции:
- перфорацию материала верхней обшивки и заполнителя;
- нарезку, размещение и соединение вкладышей с зигзагообразным заполнителем.
К недостаткам известного технического решения относится и то, что оно имеет сравнительно невысокую эффективность шумопоглощения за счет частичного отражения звуковых волн от звукопоглотителя, а также сравнительно узкий (исключительно высокие частоты) диапазон шумопоглощения.
Известна многослойная панель, которая содержит верхнюю и нижнюю обшивки и размещенный между ними зигзагообразный гофрированный заполнитель, разворачивающийся на плоскость, с боковыми гранями, расположенными под углом одна к другой с образованием чередующихся выступов и впадин, которые имеют площадки контакта с верхней и нижней обшивками с легким заполнителем из гофрированного листового материала, ребра гофров выполнены в виде чечевицеобразных элементов, размещенных при впадинах боковых граней, площадки контакта выполнены криволинейными в виде композиционного материала, расположенного между боковыми гранями заполнителя при его вершинах [7].
Недостатком данной панели является низкая прочность на сжатие и вероятность распространения трещин по всей поверхности при локальных нагрузках. К недостаткам известного технического решения относится и то, что оно имеет сравнительно невысокую эффективность шумопоглощения за счет частичного отражения звуковых волн от звукопоглотителя, а также сравнительно узкий (исключительно высокие частоты) диапазон шумопоглощения.
Известна многослойная панель, которая содержит внешние обшивки, соединенные с помощью композиционного материала с размещенным между ними гофрированным заполнителем зигзагообразной структуры с чередующимися выступами и впадинами, при этом на криволинейных участках сгиба материала заполнителя выполнена строчная перфорация [8].
Недостатком данной панели является низкая прочность на сжатие при применении панелей в конструкциях, подвергнутых силовой нагрузкам, недостаточная стойкость плоских боковых граней. К недостаткам данной панели относится также сложность конфигурации гофра в его поперечном разрезе, который требует при изготовлении заполнителя наличия конструктивно сложного и дорогого формообразующего оборудования. Кроме того, технологические трудности делают практически невозможным получение канавок на выступах и впадинах гофра при относительно малой его высоте. Наличие в конфигурации гофра дополнительной складки без опоры впадины канавки на обшивке уменьшают жесткость заполнителя в плоскости панели и снижают его точность по высоте, что отрицательно сказывается на заполнителе.
Известна многослойная панель, которая содержит обшивки, листовой гофрированный зигзагообразный заполнитель и подпирающий элемент, при этом обшивки соединены с помощью клеющего композиционного материала, листовой гофрированный зигзагообразный заполнитель размещен между обшивками, указанный листовой гофрированный зигзагообразный заполнитель выполнен с чередующимися выступами и впадинами, плоские боковые грани которых соединены между собой зигзагообразными линиями, подпирающий элемент выполнен в виде дополнительного усиливающего заполнителя из затвердевшей пены, указанный дополнительный усиливающий заполнитель из затвердевшей пены введен в пространство между обшивками и листовым гофрированным зигзагообразным заполнителем и расположен по обеим сторонам срединной плоскости панели, проходящей через половину ее высоты [9].
К недостаткам известного технического решения относится то, что оно имеет сравнительно невысокую эффективность шумопоглощения за счет частичного отражения звуковых волн от звукопоглотителя, а также сравнительно узкий (исключительно высокие частоты) диапазон шумопоглощения.
Наиболее близким техническим решением как по сути, так по задаче, которая решается, выбранным за ближайший аналог (прототип), является звукоизоляционная панель газотурбинного двигателя, которая содержит обшивки - внутреннюю и внешнюю, между которыми последовательно размещены взаимозависимые между собой слои заполнителя, при этом каждый слой заполнителя выполнен гофрированным, каждый слой заполнителя выполнен толщиной, не меньше толщины внутренней или внешней обшивок [10].
К недостаткам звукоизоляционной панели газотурбинного двигателя, которая выбрана за ближайший аналог (прототип), относится то, что конструкция панели не обеспечивает эффективность звукопоглощения шума двигателя и тем самым соответствия его характеристик действующим стандартам диапазона частот звуковых колебаний.
В основу полезной модели положена задача путем рационального подбора соответствующих геометрических форм и размеров звукопоглощающих слоев, их взаимного расположения, а также выбора определенного соотношения размеров звукопоглощающих слоев в панели обеспечить повышение эффективности звукопоглощения звукоизоляционных панелей при соответствии их характеристик действующим стандартам диапазона частот звуковых колебаний.
Суть технического решения в звукоизоляционной панели газотурбинного двигателя, которая содержит обшивки - внутреннюю и внешнюю, между которыми последовательно размещены взаимозависимые между собой слои заполнителя, при этом каждый слой заполнителя выполнен гофрированным, каждый слой заполнителя выполнен толщиной, не меньше толщины внутренней или внешней обшивок, заключается в том, что внутренняя обшивка выполнена звукопроницаемой и направленной к источнику звука, внешняя обшивка выполнена звуконепроницаемой, каждый из упомянутых слоев заполнителя отдельно представляет собой параллельные однонаправленные смежные ряды звукоотражающих элементов - рефлекторов, которые выполнены в виде поверхностей второго порядка, указанные гофрированные слои заполнителя закреплены неподвижно, в соседних рядах звукоотражающих элементов со стороны соединенных криволинейных поверхностей и перпендикулярно им выполнены технологические пазы. Сущность полезной модели состоит и в том, что гофрированные слои заполнителя отделены друг от друга звукопоглощающими промежуточными слоями, расположенными в фокусе звукоотражающих поверхностей каждого из гофрированных слоев, а соотношение толщин упомянутых гофрированных слоев заполнителя выбрано согласно числовому ряду Фибоначчи близким к 1,618. Сущность полезной модели состоит также и в том, что внутренняя обшивка звукоизоляционной панели газотурбинного двигателя выполнена из композиционного материала, в частности из стеклопластика, который обеспечивает звукопроницаемость, внешняя обшивка изготовлена из металла, который обеспечивает необходимую механическую жесткость всей конструкции панели и ее звуконепроницаемость, а многослойный заполнитель звукоизоляционной панели газотурбинного двигателя, а именно, гофрированные слои и разделяющие их промежуточные слои выполнены из материала с высоким коэффициентом поглощения акустической энергии, в частности, из углепластика.
Сравнительный анализ технического решения с прототипом позволяет сделать вывод, что звукоизоляционная панель газотурбинного двигателя, которая заявляется, отличается тем, что внутренняя обшивка выполнена звукопроницаемой и направлена к источнику звука, внешняя обшивка выполнена звуконепроницаемой, каждый из упомянутых слоев заполнителя отдельно представляет собой параллельные однонаправленные смежные ряды звукоотражающих элементов - рефлекторов, которые выполнены в виде поверхностей второго порядка, указанные гофрированные слои заполнителя закреплены неподвижно, гофрированные слои заполнителя отделены друг от друга звукопоглощающими промежуточными слоями, расположенными в фокусе звукоотражающих поверхностей каждого из гофрированных слоев, соотношение толщин упомянутых гофрированных слоев заполнителя выбрано согласно числовому ряду Фибоначчи близким к 1,618, внутренняя обшивка звукоизоляционной панели газотурбинного двигателя выполнена из композиционного материала, в частности из стеклопластика, который обеспечивает звукопроницаемость, внешняя обшивка изготовлена из металла, который обеспечивает необходимую механическую жесткость всей конструкции панели и ее звуконепроницаемость, а многослойный заполнитель звукоизоляционной панели газотурбинного двигателя, а именно, гофрированные слои и разделяющие их промежуточные слои выполнены из материала с высоким коэффициентом поглощения акустической энергии, в частности из углепластика.
Таким образом, звукоизоляционная панель газотурбинного двигателя, которая заявляется, отвечает критерию полезной модели «новизна».
Суть технического решения в звукоизоляционной панели газотурбинного двигателя объясняется с помощью иллюстраций, где:
- на фиг. 1 показано схематическое изображение газотурбинного двигателя с обозначением местоположений звукоизоляционной панели, которая заявляется,
- на фиг. 2 показана конструктивно-компоновочная схема части звукоизоляционной панели газотурбинного двигателя (как вариант конструктивного выполнения),
- на фиг. 3 показана звукоизоляционная панель газотурбинного двигателя, которая заявляется, в сечении А-А,
- на фиг. 4 показана функция параметра поглощения энергии шума звукоизоляционной панелью газотурбинного двигателя, которая заявляется, в частотной области.
a
Заявляема звукоизоляционная панель газотурбинного двигателя предназначена для газотурбинного (турбореактивного) двигателя 1, в частности турбовентиляторного с передним расположением вентилятора 2 (см. схему на фиг. 1). Вентилятор 2 турбовентиляторного двигателя 1 установлен с возможностью вращения в обводном канале 3 (канал внешнего контура), который определяется корпусом 4 компрессора низкого давления и корпусом 5 вентилятора 2. Звукоизоляционная панель (позиция «a») установлена в канале 3 с внутренней стороны корпуса 5 вентилятора 2, а дальше указанная панель (позиция «») окружает внешнюю поверхность корпуса 4 компрессора (позиция «b») (см. схему на фиг. 1).
Конструктивно-компоновочная схема звукоизоляционной панели газотурбинного двигателя представлена в поперечном разрезе ее возможного выполнения (см. схему на фиг. 2). Заявляемая звукоизоляционная панель газотурбинного двигателя выполнена многослойной с расчетным количеством взаимозависимых между собой слоев, число которых может быть любым непарным больше трех (например, как вариант конструктивного выполнения, который описан - пять слоев). Под «слоем» имеется ввиду отдельная конструктивная часть звукоизоляционной панели газотурбинного двигателя, которая осуществляет процессы отражения, рассеивания и поглощения энергии источника звука. Этими процессами осуществляют реализацию положительного эффекта - изоляцию источника звука от приемника.
Заявляемая звукоизоляционная панель газотурбинного двигателя представляет собой конструкцию, которая содержит внутреннюю обшивку 6, внешнюю обшивку 7 и размещенный между ними многослойный заполнитель (позиция «H»), который в частности содержит пять слоев. Упомянутый заполнитель (позиция «H») представляет собой совокупность гофрированных слоев (позиции 8, 9, 10), которые чередуются, и разделяющие их промежуточных слоев - позиции 11 и 12.
Внутренняя (обращенная к звуку) обшивка 6 - звукопроницаемая, кольцевая и выполняется из композиционного материала (в частности, из стеклопластика).
Внешняя обшивка 7 - звуконепроницаемая, кольцевая, выполняется из металла.
Промежуточные слои 11 и 12 - звукоизоляционные, кольцевые и выполняются из композиционного звукопоглощающего материала (в частности, из углепластика).
Отдельно каждый из гофрированных слоев 8, 9, 10 представляет собой деталь, штампованную из листового материала, и удерживает следующие элементы (см. схему на фиг. 3):
- однонаправленные ряды звукоотражающих элементов 13 - рефлекторов;
- соединяющие соседние ряды звукоотражающих элементов 13 (рефлекторов) криволинейные поверхности 14;
- технологические пазы 15.
Отдельный ряд звукоотражающих элементов 13 (рефлекторов) представляет собой поверхность, образованную беспрерывным параллельным перемещением прямолинейной образующей, которая пересекает ту самую направляющую кривую второго порядка, которая определяется уравнением параболы. Таким образом, форма поперечного разреза описываемого ряда звукоотражающих элементов 13 (рефлекторов) - парабола. Ряды звукоотражающих элементов 13 (рефлекторов) в каждом отдельном гофрированном слое 8, 9, 10 параллельны друг другу.
Соседние ряды звукоотражающих элементов 13 (рефлекторов), отдельно каждый, концами областей своих парабол последовательно и волнообразно взаимозависимы друг с другом с помощью соединительных криволинейных поверхностей 14, радиус которых определяется расстоянием между слоями. Указанные криволинейные поверхности 14 - цилиндрические, выгнуты относительно парабол звукоотражающих элементов 13 (рефлекторов). Таким образом, каждый отдельно гофрированный слой 8, 9 и 10 представляет собой совокупность параллельных рядов звукоотражающих элементов 13 (рефлекторов) и соединяющих их криволинейных поверхностей 14, что образует циклический ряд.
В соседних рядах звукоотражающих элементов 13 (рефлекторов) со стороны соединительных криволинейных поверхностей 14 и перпендикулярно им выполнены технологические пазы 15. Указанные технологические пазы 15 позволяют изготовлять гофрированные слои 8, 9 и 10 заявляемой звукоизоляционной панели газотурбинного двигателя двойной измененной кривизны. Таким образом, существует возможность изготовления как вогнутых (позиция «a», см. схему на фиг. 1) звукоизоляционных панелей, так и выпуклых (позиция «b», см. схему на фиг. 1). При этом геометрические параметры (длина, ширина и шаг выполнения) описываемых технологических пазов 15 определяются конструктивными и технологическими параметрами, которые обеспечивают необходимую прочность, жесткость и радиус кривизны всей заявляемой звукоизоляционной панели газотурбинного двигателя.
Заявляемая звукоизоляционная панель газотурбинного двигателя в сборе (относительно турбовентиляторного двигателя - см. схему на фиг. 1) конструктивно выполнена следующим образом.
Внутренняя обшивка 6 (см. схему на фиг. 2) окружает газодинамический тракт, например воздушный канал 3 (см. схему на фиг. 1) контура вентилятора 2 турбовентиляторного двигателя 1 (позиция «a»). В то же время внешняя обшивка 7 (см. схему на фиг. 2) неподвижно закреплена в окружном направлении на внутренней поверхности корпуса 5 вентилятора (позиция «b», см. схему на фиг. 1).
Изнутри, под внутренней обшивкой 6 (см. схему на фиг. 3) и непосредственно с ней, неподвижно закреплен гофрированный слой 8, который является первым слоем заполнителя (позиция «H») заявляемой звукоизоляционной панели газотурбинного двигателя. Соединение упомянутого гофрированного слоя 8 с внутренней обшивкой 6 происходит по вершинам парабол рядов звукоотражающих элементов 13 (рефлекторов). С противоположной стороны гофрированный слой 8 неподвижно соединен с промежуточным слоем 11 по соединительным криволинейным поверхностям 14 (см. схему на фиг. 2).
Промежуточный слой 11 является вторым слоем заполнителя (позиция «H») заявляемой звукоизоляционной панели газотурбинного двигателя и отделяет гофрированный слой 8 от гофрированного слоя 9 в окружном направлении. При этом гофрированный слой 9 (третий слой заполнителя) неподвижно соединен с промежуточным слоем 11 по вершинам парабол своих рядов звукоотражающих элементов 13 (рефлекторов), а с противоположной стороны неподвижно связан с промежуточным слоем 12 (четвертым слоем заполнителя) по соединительным криволинейным поверхностям 14.
Гофрированный слой 9 расположен так, что ряды его звукоотражающих элементов 13 (рефлекторов) не параллельны рядам звукоотражающих элементов 13 (рефлекторов) гофрированного слоя 8. В частности, ряды звукоотражающих элементов 13 (рефлекторов) упомянутых гофрированных слоев 8 и 9 перпендикулярны друг другу (на схеме на фиг. 3 гофрированный слой 9 условно повернут на 90° для наглядности).
Гофрированный слой 9 в окружном направлении отделен от гофрированного слоя 10 (пятого слоя заполнителя) промежуточным слоем 12. При этом гофрированный слой 10 развернут относительно гофрированного слоя 8 на 180°. Таким образом, гофрированный слой 10 с одной стороны по соединительным криволинейным поверхностям 14 неподвижно соединен с промежуточным слоем 12, а с противоположной стороны - вершинами парабол своих рядов звукоотражающих элементов 13 (рефлекторов) с внешней обшивкой 7. Таким образом, соседние слои заявляемой звукоизоляционной панели газотурбинного двигателя неподвижно соединены между собой по соответствующим поверхностям контакта с помощью клеевого соединения (как вариант технологического процесса).
Толщины внутренней обшивки 6, внешней обшивки 7, а также промежуточных слоев 11 и 12 определяются конструктивными требованиями с учетом эффективности работы, технологией изготовления и материалом.
8
9
10
9
8
10
9
Толщины h, h, h (соответственно гофрированных слоев 8, 9 и 10) находятся в соотношении h/h=h/h≈1,618…, где 1,618… - отвечает иррациональному числу Фибоначчи.
Внутренняя обшивка 6 заявляемой звукоизоляционной панели газотурбинного двигателя выполнена из композиционного материала, в частности из стеклопластика, который обеспечивает звукопроницаемость. Внешняя обшивка 7 изготовлена из металла, который обеспечивает необходимую механическую жесткость всей конструкции заявляемой панели и ее звуконепроницаемость. Пятислойный заполнитель звукоизоляционной панели, а именно гофрированные слои 8, 9 и 10 и разделяющие их промежуточные слои 11 и 12, выполнены из материала с высоким коэффициентом поглощения акустической энергии, в частности из углепластика.
Использование в составе заявляемой звукоизоляционной панели газотурбинного двигателя функциональных композиционных материалов, которые имеют меньшую плотность в сравнении с металлом, позволяет снизить массу конструкции указанной заявляемой звукоизоляционной панели газотурбинного двигателя при сохранении ее прочности и эксплуатационной надежности, а также повысить ее звукозащитные характеристики.
Принцип работы заявляемой звукоизоляционной панели газотурбинного двигателя состоит в следующем.
Энергия, создаваемая источником звука (в частности, лопатками вентилятора 2 (см. схему на фиг. 1) турбовентиляторного двигателя 1), попадает на внутреннюю звукопроницаемую обшивку 6 (см. схему на фиг. 2) звукоизоляционной панели газотурбинного двигателя, частично отражается от нее и рассеивается. При этом основная часть звуковой энергии проникает сквозь внутреннюю звукопроницаемую обшивку 6 в слои заполнителя звукоизоляционной панели газотурбинного двигателя. Попадая в гофрированный слой 8, звук многократно отражается и поглощается параболическими поверхностями рядов звукоотражающих элементов 13 (рефлекторов), фокусируясь в отдельные пятна. Упомянутые пятна фокусирования расположены на промежуточном слое 11. Их местоположение определяется продольной осью отдельного ряда звукоотражающих элементов 13 (рефлекторов), которая перпендикулярна вертикальной оси (оси симметрии) рассмотренных параболических поверхностей. При этом часть акустической энергии, которая попала на соединительные криволинейные поверхности 14, веерообразно рассеивается в пространство между внутренней обшивкой 6 и промежуточным слоем 11.
Сфокусированная в пятно отдельными рядами звукоотражающих элементов 13 (рефлекторов) энергия звука вызывает вибрацию промежуточного слоя 11 и поглощается им. Эффективное звукопоглощение происходит благодаря композиционному материалу, в частности углепластику, который имеет высокий коэффициент поглощения акустической энергии, из которого выполнен упомянутый промежуточный слой 11.
Потом звук попадает в гофрированный слой 9, который состоит из идентичных, по аналогии с гофрированным слоем 8, рядов звукоотражающих элементов 13 (рефлекторов). При этом гофрированный слой 9 расположен под углом к гофрированному слою 8, в частности, они перпендикулярны друг другу. Такое расположение гофрированных слоев 8 и 9 приводит к дроблению звукового потока для более эффективного звукопоглощения. В гофрированном слое 9 происходят те же звуковые процессы, что и в гофрированном слое 8. Промежуточный слой 12 по выполняемым функциям и конструктивным особенностям аналогичен промежуточному слою 11.
В связи с тем, что внешняя обшивка 7 не является звукопоглощающим слоем, а обеспечивает жесткость конструкции всей звукоизоляционной панели газотурбинного двигателя, гофрированный слой 10 является последним, замыкающим, звукопоглощающим слоем. Для того чтобы локализовать остаточную энергию звука в звукоизоляционной панели газотурбинного двигателя и максимально эффективно в ней поглотить, гофрированный слой 10 развернут относительно гофрированного слоя 8 на 180°.
Собственные частоты вибрирующих гофрированный слоев 8, 9 и 10 формируются конструкцией панели, некогерентные и находятся в отношении, близкому к иррациональному, обусловленному числом Фибоначчи. Суперпозиция вибраций слоев будет иметь модулированную огибающую частоту, которая находится в низкочастотной (слабослышимой) области спектра. Процесс вибрации слоев с этой частотой поглощает энергию источника звука и обеспечивает реализацию положительного эффекта -изоляцию источника звука от приемника. Одновременно с этим звуковые волны высокой частоты рассеиваются ребристыми поверхностями упомянутых слоев 6, 11 и 12. Коэффициент поглощения акустической энергии определяется отношением толщин близлежащих гофрированных слоев 8, 9 и 10. Это отношение должно быть близким к иррациональному, в частности, к числу Фибоначчи. Таким образом, эффект звукоизоляции обеспечивается за счет отражения и поглощения путем суперпозиции процессов внутреннего отражения и поглощения энергии звуковой волны, которая повышает эффективность звукопоглощения звукоизоляционной панели, которая заявляется, в децибелах мощности (dbm).
Эффективность заявляемого технического решения экспериментально определялась функцией коэффициента прозрачности (обратная величина коэффициента затухания) в частотной области. Таким образом, проведенные испытания показали, что заявляемая звукоизоляционная панель газотурбинного двигателя эффективнее прототипа, прозрачность которого принята за 0 децибел мощности (dbm), как минимум, на 1 dbm (см. график на фиг. 4) в эффективном слуховом диапазоне частот, который определяется нормативными документами.
Заявляемая звукоизоляционная панель газотурбинного двигателя проходит доводочный этап с последующей установкой ее на авиационном турбореактивном двухконтурном двигателе Д-18 серии 3М. Созданные звукопоглощающие конструкции, за счет высокой эффективности в широком диапазоне частот, позволят самолету с этими двигателями отвечать существующим нормам Главы 4 IKAO.
Повышение эффективности применения заявляемой звукоизоляционной панели газотурбинного двигателя в сравнении с прототипом достигается тем, что путем рационального подбора соответствующих геометрических форм и размеров звукопоглощающих слоев, их взаимного расположения, а также выбора определенного соотношения размеров звукопоглощающих слоев в панели обеспечивается повышение эффективности звукопоглощения звукоизоляционной панели при соответствии ее характеристик действующим стандартам диапазона частот звуковых колебаний. Таким образом обеспечивается повышение эффективности работы существующей звукоизоляционной панели газотурбинного двигателя, которая заявляется.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. «Конвенции в международной гражданской авиации». Приложение 16 «Охрана окружающей среды», том 1 «Авиационный шум», раздел «Авиационная акустика».
6
2. Авторское свидетельство СССР №1038260, «Многослойная панель». Заявлено 28.08.1983 г., кл. МПК B32B 3/28, E04 2/24 - аналог.
7
3. Патент Российской Федерации №2307216, «Звукопоглощающая панель» от 27.09.2007, кл. МПК E04B 1/86, G10K 11/16 - аналог.
7
4. Патент Российской Федерации №2144469, «Слоистое изделие с гофрированным заполнителем из волокнистого пластика и способ его изготовления» от 20.01.2000, кл. МПК B32B 3/12, 3/30 - аналог.
7
5. Патент Российской Федерации №2344490, «Звукопоглощающая конструкция» от 20.01.2009, кл. МПК G10K 11/16, E04B 1/82 - аналог.
7
6. Патент Российской Федерации №2249258, «Звукопоглощающая панель» от 27.03.2005, кл. МПК G10K 11/16, E04B 1/8 - аналог.
6
7. Патент Российской Федерации №2038265, «Многослойная панель» от 27.06.1995, кл. МПК B64C 3/26 - аналог.
7
8. Патент Российской Федерации №2265552, «Многослойная панель» от 10.12.2005, бюл. №34, кл. МПК B64C 3/26 - аналог.
7
9. Патент Российской Федерации №2560473, «Многослойная панель» от 10.12.2005, бюл. №34, кл. МПК B64C 3/26 - аналог.
6
10. Авторское свидетельство СССР SU №1646196 A1, «Многослойная панель» от 27.12.1996. - Бюллетень №36, кл. МПК B64C 3/26 - прототип.