ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩАЯ ОБЛИЦОВКА ТРАКТА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области авиадвигателестроения, а именно к звукопоглощающим облицовкам тракта газотурбинного двигателя.
Шум компрессора и турбины газотурбинного двигателя имеет широкополосную составляющую, возникающую в результате взаимодействия лопаток с мелкомасштабной завихренностью потока. Известные звукопоглощающие облицовки основаны на принципе поглощения звуковых волн за счет возбуждения вынужденных колебаний воздуха в замкнутых объемах резонаторов. С этой целью на стенках трактов газотурбинных двигателей устанавливают звукопоглощающие покрытия или облицовки.
Известна звукопоглощающая облицовка тракта газотурбинного двигателя, содержащая сотовый наполнитель, размещенный между наружной и внутренней перфорированными стенками и установленный с заданным зазором относительно силового корпуса (патент РФ №1324376, кл. F02C 7/24, 1985 г.). Недостатком известного технического решения является неполное использование возможности повышения эффективности поглощения звука в диапазоне частот 500-1250 Гц дискретных гармоник тонального шума компрессора и турбины, что определяется известным методом резонансного звукопоглощения, основанного на принципе поглощения звуковой энергии за счет вынужденных колебаний воздуха в замкнутых объемах под воздействием падающей на него акустической волны, а также зависимостью акустической эффективности от режима работы двигателя.
Кроме того, недостатком известного технического решения является невысокая конструктивная и виброакустическая прочность звукопоглощающей облицовки преимущественно на переменных режимах при возникновении резонансных колебаний, что объясняется наличием зазора между перфорированной наружной стенкой и силовым корпусом. Для достижения высоких показателей в широком диапазоне частот требуется увеличение строительной высоты панели или применение многослойных сотовых звукопоглощающих конструкций.
Известна звукопоглощающая облицовка тракта газотурбинного двигателя, содержащая перфорированную стенку, установленную с определенным зазором относительно силового корпуса и размещенные между последними звукопоглощающие панели, выполненные в виде многослойных сотовых заполнителей, изготовленных из высокопрочных нержавеющих сталей (журнал «Аэрокосмический курьер», №2, 2003 г., стр. 28-29, рис. 1, рис. 3.). Использование сотовых заполнителей в звукопоглощающих панелях позволяет существенно повысить эффективность звукопоглощения и довести коэффициент последнего до 0,7 в диапазоне частот 1500-6000 Гц для звукопоглощающих панелей, работающих в низко - и среднетемпературных зонах силовой установки при температурах до 450°C. Недостатком известного технического решения является его конструктивная сложность. Кроме того, для повышения поглощающих характеристик необходимо использовать в облицовке звукопоглощающего материала с изменяющимися по глубине параметрами, т.е. градиентной структуры.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является известная звукопоглощающая облицовка тракта газотурбинного двигателя, содержащая перфорированную внутреннюю стенку, установленную с определенным зазором относительно силового корпуса и размещенные в зазоре между последними звукопоглощающие панели, выполненные из материала градиентной структуры (журнал «Аэрокосмический курьер», №2, 2003 г., стр. - 29, рис. 4.). В качестве последнего использованы материалы на основе металлических сеток и стеклосот, имеющие полосу поглощения от 300 до 6000 Гц. Недостатком известного технического решения является их применение в низкотемпературных зонах силовой установки при рабочей температуре до 200°C.
В основу предлагаемого технического решения положена задача повышения эффективности звукопоглощения при переменных режимах работы двигателя в условиях повышенных температур.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого технического решения, заключается в расширении спектра частот поглощения звука в диапазоне от 300 до 6000 Гц дискретных гармоник тонального шума компрессора и турбины с коэффициентом поглощения до 0,95 при температуре до 800°C.
Заявленный технический результат достигается тем, что звукопоглощающая облицовка тракта газотурбинного двигателя содержит перфорированную внутреннюю стенку, установленную с определенным зазором относительно силового корпуса и размещенные в зазоре между последними звукопоглощающие панели, выполненные из материала градиентной структуры. Согласно предложенной полезной модели степень перфорации внутренней стенки составляет 20-30%, а каждая из панелей выполнена в виде трехслойного пакета из проницаемого пористого высокотемпературного металлокерамоматричного материала, обладающего следующими характеристиками:
- внутренний слой с пористостью 60-65% и средним диаметром пор 0,3 мм;
- средний слой с пористостью 65-70% и средним диаметром пор 0,4 мм;
3
- внешний слой с пористостью 70-80% и средним диаметром пор 0,5 мм, причем слои пакета имеют равную толщину и плотность материала, а последняя выбирается в пределах 0,75-1,37 г/см.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной задачи, поскольку выполнение каждой из панелей в виде трехслойного пакета из проницаемого пористого высокотемпературного металлокерамоматричного материала, обладающего следующими характеристиками:
- внутренний слой с пористостью 60-65% и средним диаметром пор 0,3 мм;
- средний слой с пористостью 65-70% и средним диаметром пор 0,4 мм;
- внешний слой с пористостью 70-80% и средним диаметром пор 0,5 мм,
3
причем слои пакета имеют равную толщину и плотность материала, а последняя выбирается в пределах 0,75-1,37 г/см при степени перфорации внутренней стенки 20-30% позволяет повысить коэффициент звукопоглощения до 0,95 в диапазоне частот от 300 Гц до 6000 Гц при рабочих температурах до 800°C.
Таким образом, предложенная полезная модель позволяет решить поставленную задачу повышения эффективности звукопоглощения при переменных режимах работы двигателя с достижением заявленного технического результата.
Предложенное техническое решение поясняется следующим описанием со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг. 1…фиг. 3, где:
- на фиг. 1 изображена предложенная звукопоглощающая облицовка тракта газотурбинного двигателя;
- на фиг. 2 изображена зависимость коэффициента звукопоглощения от степени перфорации внутренней стенки;
- на фиг. 3 изображена зависимость интегрального коэффициента звукопоглощения от частоты.
Звукопоглощающая облицовка тракта газотурбинного двигателя выполнена следующим образом. В силовом корпусе 1 с определенным зазором относительно последнего установлена перфорированная внутренняя стенка 2 со степенью перфорации 20-30%. В зазоре между корпусом 1 и стенкой 2 размещены звукопоглощающие панели, каждая из которых выполнена в виде трехслойного пакета из проницаемого пористого высокотемпературного металлокерамоматричного материала (ПВМКМ), например на основе карбида кремния (SiC), обеспечивающего возможность использования облицовки при температуре до 800°C. Дискретные гармоники тонального шума компрессора или турбины проявляются на переходных режимах, т.е. каждому режиму работы двигателя соответствует определенная гармоника - соразмерный тональный шум компрессора или турбины. Это явление зависит от отношения степени перфорации внутренней стенки 2 и диаметра пор, пористости и плотности материала пакета (ПВМКМ). В диссипативных звукопоглощающих конструкциях потери акустической энергии происходят за счет трения частиц в пористых структурах из гомогенного материала. Потеря звуковой энергии происходит в порах за счет колебания стенок под действием звуковых волн. Пористость (доля пор в объеме материала), величина диаметра пор и плотность материала связаны с потерями звуковой энергии и определяются экспериментальным путем.
Для экспериментальных исследований применялся ПВМКМ «Диарсик», имеющий следующий состав (мас. %):
SiC - 93%, С - 0,4%, Si - 66%.
3
В результате проведенных экспериментов получено практическое соотношение между указанными величинами. Данные показывают, что при условии одинаковой толщины и плотности материала в пределах 0,75-1,37 г/см эффективное звукопоглощение с коэффициентом 0,9-0,95 происходит:
- при диаметре пор 0,3 мм и пористости 60-65% в диапазоне частот 300-1500 Гц;
- при диаметре пор 0,4 мм и пористости 65-70% в диапазоне частот 1500-3900 Гц;
- при диаметре пор 0,5 мм и пористости 70-80% в диапазоне частот 3900-6000 Гц.
При этом требуемый коэффициент звукопоглощения имеет место при условии, что степень перфорации наружной стенки составляет 20-30%, что обеспечивает наиболее благоприятные условия для прохождения звуковых волн к панелям. При степени перфорации менее 20% коэффициент звукопоглощения находится в пределах 0,65, а при степени перфорации более 30% коэффициент звукопоглощения постепенно понижается до 0,9 и ниже.
Таким образом, слои 3, 4, и 5 пакета каждой из панелей, имеющие равную толщину и плотность материала могут быть закреплены на внешней поверхности внутренней перфорированной стенки 2, например при помощи клея. При этом кривизна поверхности панелей соответствует кривизне поверхности тракта, а суммарная толщина слоев соответствует величине зазора между корпусом 1 и стенкой 2. Указанное расположение панелей в предложенной полезной модели дополнительно обеспечивает более высокую конструктивную прочность силового корпуса, т.к. конструкция имеет в качестве опоры диссипативные слои ПВМКМ и более высокую виброакустическую прочность звукопоглощающей облицовки.
Работа звукопоглощающей облицовки тракта газотурбинного двигателя происходит следующим образом. Звуковые волны проходят через отверстия в стенке 2, и далее последовательно проходят через слои 3, 4 и 5 ПВМКМ. При этом реализуется диссипативный тип звукопоглощения с переходом звуковой энергии в тепловую. Улучшение акустических характеристик звукопоглощающей конструкции обеспечивается введением в структуру последней слоев с выраженными диссипативными поглощающими характеристиками по отношению к акустическим колебаниям.
Таким образом, использование слоев с изменяющимися по глубине диссипативными характеристиками в качестве внутренних проницаемых слоев в конструкции звукопоглощающей облицовки позволяет повысить эффективность звукопоглощения в диапазоне частот от 300 до 6000 Гц дискретных гармоник тонального шума компрессора и турбины и довести коэффициент поглощения до 0,95 при рабочих температурах до 800°C.