ВЕРТОЛЕТНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С УРОВНЕМ ШУМА, ПОНИЖАЕМЫМ С ПОМОЩЬЮ ШУМОГЛУШИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЭЖЕКТОРА
HELICOPTER GAS TURBINE ENGINE WITH NOISE REDUCED BY EJECTOR NOISE KILLER

Область и уровень техники
Изобретение относится к газотурбинным вертолетным двигателям.
В результате мер, предпринятых для снижения шума, создаваемого вращением лопастей несущего винта вертолета, заявитель обнаружил, что шум газотурбинных двигателей составляет значительную часть общего уровня шума вертолета.
Следовательно, ощутимое дополнительное снижение шума может быть достигнуто подавлением шума самих газотурбинных двигателей.
С этой целью, согласно ЕР 1010884 предложено снабдить стенки многоканального выхлопного патрубка, забирающего выходящий из турбины газ, звукопоглощающим покрытием. Ввиду параметров звуковых частот, подлежащих ослаблению, покрытие является относительно толстым и имеет значительную массу, к тому же материал покрытия должен выдерживать температуру первичного потока, выходящего из турбины. Кроме того, толщина покрытия не позволяет обеспечить для газового потока из турбины достаточную аспирацию возможного вторичного потока, используемого для охлаждения отсека двигателя, через канал, окружающий выхлопной патрубок, вследствие чего звукопоглощающая обработка выхлопного патрубка не совместима с нормальным функционированием эжектора.
Цель и сущность изобретения
Технической задачей изобретения является устранение упомянутых недостатков и для этого предложен вертолетный газотурбинный двигатель с камерой сгорания, по меньшей мере, одной турбиной, расположенной сзади по потоку от камеры сгорания и забирающей газообразные продукты сгорания, выделяемые последней, выхлопной патрубок, часть которого образует диффузор, присоединенный сзади по потоку относительно турбины, и эжектор, передняя по потоку часть которого окружает задний по потоку конец диффузора и образует совместно с ним выпускной канал для вторичного потока охлаждающего воздуха отсека двигателя, причем эжектор продолжается назад по потоку дальше заднего по потоку конца диффузора и содержит стенку, по меньшей мере, частично образованную шумоглушителем, рассчитанным на глушение звуковых частот, исходящих от турбин(ы) и/или камеры сгорания.
В газотурбинном вертолетном двигателе скорость выброса газов, выходящих из турбины, максимально снижена с целью оптимизации преобразования энергии газов в механическую энергию. Уровень шума в области выпускного отверстия выхлопного патрубка, следовательно, обусловлен в основном вращением деталей двигателя, в особенности турбин(ы), то есть ближайшей вращающейся части, а также работой камеры сгорания. Поэтому сделав из стенки эжектора шумоглушитель, работающий в определенном диапазоне звуковых частот, вырабатываемых при вращении турбин(ы) и/или при работе камеры сгорания, можно достичь эффективного снижения уровня шума, при этом вторичный поток предохраняет стенку эжектора от воздействия выходящих из турбины горячих газов.
Шумоглушитель, следовательно, может быть изготовлен из легкого металлического материала, например, на основе титана, т.е. из титана или титанового сплава, так что присутствие шумоглушителя не ухудшает конструкцию с точки зрения массы. Кроме того, в области эжектора достаточно места для шумоглушителя в виде, например, резонатора Гельмгольца толщиной в несколько сантиметров, рассчитанного на подавление частот от нескольких сотен герц до нескольких килогерц, порождаемых при работе турбин(ы) и камеры сгорания, без влияния на работу эжектора.
Следует отметить, что задача шумоподавления на выходе газовой турбины вертолетного двигателя совершенно отлична от аналогичной задачи, связанной с газовой турбиной самолетного двигателя. В случае с самолетным газотурбинным двигателем стоит задача обеспечения реактивной силы, для чего необходимо выталкивание большой массы газа с большой скоростью. Возникающий при этом шум состоит в основном из шума газовой струи, против которого бесполезен шумоглушитель в стенке канала.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания изобретения следует прочесть следующее далее подробное описание, приведенное лишь в качестве руководства, но не подразумевающее ограничений, со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
фиг.1 - схематичный вид вертолетного газотурбинного двигателя, и
фиг.2 - местный вид диффузора и эжектора вертолетного двигателя согласно варианту осуществления изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
На фиг.1 схематично показан вертолетный газотурбинный двигатель, содержащий компрессорную ступень 10 (например, центробежный компрессор), забирающую наружный воздух из кольцевого канала 12 подачи воздуха, кольцевую камеру 14 сгорания (например, противоточную), снабженную инжекторами (не показанными на чертеже), в которую подается топливо и первичный воздух из компрессора, турбину 16 для приведения в действие компрессора 10, соединенную с последним посредством вала 18, и силовую турбину 20 (например, одноступенчатую), соединенную посредством вала 22 с зубчатым механизмом, подающим механическую энергию на выходной вал 24, причем валы 18 и 22 соосны.
В направлении назад по потоку, т.е. в направлении (по стрелке F) потока газов, выходящих из камеры сгорания, силовую турбину 20 продолжает выхлопной патрубок, содержащий диффузор 26 и эжектор 30 (фиг.2).
Диффузор 26 забирает горячий первичный газовый поток, выходящий из силовой турбины 20, и вместе с эжектором 30 замедляет его таким образом, чтобы энергия газов, проходящих сквозь турбину 16, в наибольшей степени преобразовывалась в механическую энергию, передаваемую выходному валу. Эжектор изогнут, по меньшей мере, у заднего по потоку конца (известным способом), чтобы препятствовать направлению потока выходящих газов вдоль линии центров двигателя в заднюю часть вертолета.
С переднего по потоку конца эжектор 30 прикреплен к корпусу двигателя (не показанному на чертеже) и окружает задний по потоку конец диффузора 26, обеспечивая кольцевой зазор 32. «Холодный» вторичный воздушный поток, используемый для охлаждения оборудования, расположенного в отсеке двигателя, проходит вокруг камеры сгорания, турбин 16, 20 и диффузора 26 в сборе. Диффузор имеет «прямую» форму, в отличие от «лепестковой» формы, используемой для смешения первичного и вторичного газовых потоков. Таким образом, вторичный газовый поток выходит через зазор 32 и протекает вдоль наружной поверхности эжектора 30. Выходу вторичного газового потока способствует эффект аспирации, вызываемый первичным газовым потоком на выходе диффузора.
С внутренней стороны эжектор содержит стенку, образованную шумоглушителем 34 и простирающуюся, по меньшей мере, на часть длины эжектора. Из соображений удобства изготовления шумоглушитель 34 может быть выполнен из нескольких последовательно примыкающих друг к другу частей.
Как подробно показано на фиг.2, шумоглушитель может быть образован набором примыкающих друг к другу полостей или ячеек 34а, разделенных стенками 34b, образуя, например, сотовую структуру. Стенки 34b идут перпендикулярно поверхности эжектора, от задней стороны 34 с, образованной герметичной жесткой пластиной или листом (не пропускающими звуковые волны), до передней стороны 34b, образованной пластиной или листом, пропускающими звуковые волны. Передняя пластина или лист 34d может содержать, например, перфорацию. Также можно использовать звукопроницаемую пористую пластину или лист, пропускающие звуковые волны, подлежащие глушению.
Глубина полостей 34а (расстояние между передней и задней сторонами) выбирается в зависимости от длины звуковых волн, подлежащих глушению. Последние, генерируемые в основном турбинами 16, 20 или камерой сгорания 14, имеют частоту от нескольких сотен герц до нескольких килогерц, что требует глубины полости (составляющей четверть длины волны) в несколько сантиметров.
Благодаря тому что эжектор омывается с внутренней стороны «холодным» вторичным потоком, материал шумоглушителя можно выбирать из достаточно большого ряда, в основном из легких материалов. Например, можно использовать титан. Также можно выбрать другие металлы или неметаллические материалы.
Для осуществления наилучшего возможного глушения шума желательно, чтобы шумоглушитель продолжался по всей длине эжектора и чтобы его длина превышала длину диффузора. Может быть выбрано соотношение длин эжектора и диффузора не менее 1:1.
Описанная конструкция шумоглушителя принадлежит к типу, известному как глушитель Гельмгольца, но можно использовать другие типы глушителей, выполненные, например, из вспененных или керамических, а также пористых металлических материалов.