МНОГОСЛОЙНАЯ ПАНЕЛЬ АКУСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ, ГОНДОЛА ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ И ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
ACOUSTIC PROCESSING SANDWICHED PANEL, TURBOJET ENGINE NACELLE AND TURBOJET ENGINE

Уровень техники
Настоящее изобретение относится в общем к области так называемой "пассивной" акустической обработки.
Область применения изобретения представляет собой, в частности, но не исключительно, авиационные турбинные двигатели.
Использование панелей пассивной акустической обработки часто встречается в области авиации для того, чтобы уменьшать излучение звука от турбинных двигателей. Например, в двухконтурном турбореактивном двигателе, такие панели могут быть размещены на внутренней стороне гондолы, которая окружает турбореактивный двигатель, а также на внешней стороне ее первичной оболочки.
Панель пассивной акустической обработки в общем состоит из ячеистой сотовой структуры, покрытой тонким пористым слоем, действующим в качестве стенки для прохода протока газа, и закрытой с другой ее стороны слоем, который является отражающим с акустической точки зрения (также называемым непрерывным покрытием). Более сложные панели с промежуточными пористыми слоями, вставленными между слоями сотовой структуры, могут обеспечиваться для того, чтобы расширить ослабление на более широкий диапазон частот. Более конкретно, настоящее изобретение применимо к такой панели акустической обработки, известной как "многослойная" панель.
Известно, что ослабление звука значительно более эффективно, когда акустические спиральные моды, в которых распространятся энергия звука, имеют высокий порядок. Эти акустические моды остаются в трактах в течение длительного времени, при этом они представляют энергию, расположенную ближе к стенке, тем самым облегчая рассеивание их энергии панелями, размещенными на стенках гондолы или турбореактивного двигателя. В дополнение, ослабление звука панели акустической обработки изменяется относительно линейным образом вплоть до некоторой длины обработки, а за этой длиной ослабление звука увеличивается значительно более медленно. Такие свойства могут быть объяснены изменением характеристик исходного звука, который, пока он распространяется через панель, становится все менее и менее наполненным акустическими модами высокого порядка. Так как ослабление звука зависит от того, какие акустические моды присутствуют в нем, наличие большего количества акустических мод низкого порядка для переноса оставшейся акустической энергии подразумевает, что эффективность поглощения панели будет меньше. К сожалению, используемые в настоящее время панели акустической обработки не обеспечивают удовлетворение этих двух требований.
Задача и сущность изобретения
Таким образом, главной задачей настоящего изобретения является уменьшение таких недостатков путем предложения увеличения эффективности акустической обработки для данной площади поверхности обработки посредством воздействия на характеристики источника звука.
Эта задача решается с помощью многослойной панели акустической обработки, содержащей первую сердцевину с ячеистой структурой, размещенную между перфорированным покрытием и промежуточным покрытием, и вторую сердцевину с ячеистой структурой, размещенной между промежуточным покрытием и непрерывным покрытием, причем в панели в соответствии с изобретением перфорированное покрытие включает в себя по меньшей мере одну пару высокопористых зон, имеющих больший коэффициент перфорации, чем коэффициент перфорации остальной части перфорированного покрытия, и образованных впускной зоной и выпускной зоной, которые продольно разнесены друг от друга, при этом высокопористые зоны данной пары сообщаются через первую сердцевину с ячеистой структурой и промежуточное покрытие с двумя концами канала протока звуковой волны, размещенного во второй сердцевине с ячеистой структурой.
Наличие высокопористых зон в перфорированном покрытии панели служит для создания большой неоднородности импеданса в небольшой области, тем самым побуждая часть энергии акустических мод низкого порядка передаваться акустическим модам высокого порядка, которые проще ослабить акустически. В дополнение к этому эффекту преобразования акустических мод, в частности, для широкополосного шума, так как панель по изобретению имеет каналы протока звуковой волны, она также преобразует траекторию части звуковой волны, захваченной через впускные зоны для того, чтобы повторно вводить ее в противофазе через выпускные зоны дальше по ходу распространения. Это служит для увеличения ослабления проблемных частот, соответствующих рабочим диапазонам турбореактивного двигателя. Таким образом, можно значительно увеличить эффективность панели акустической обработки для данной площади поверхности.
Высокопористые зоны данной пары могут сообщаться с каналом протока звуковой волны с помощью углублений, проходящих и через первую сердцевину с ячеистой структурой, и через промежуточное покрытие.
Согласно варианту осуществления высокопористые зоны данной пары могут сообщаться с каналом протока звуковой волны через углубления, проходящие через первую сердцевину с ячеистой структурой, и через множество отверстий, образованных сквозь промежуточное покрытие.
В другом варианте осуществления высокопористые зоны данной пары могут сообщаться с каналом протока звуковой волны через проходы, образованные между полостями первой сердцевины с ячеистой структурой, и множество отверстий, образованных сквозь промежуточное покрытие.
Предпочтительно, зоны промежуточного покрытия, покрывающие канал протока звуковой волны, являются непрерывными.
Канал протока звуковой волны может быть образован коридором, который ограничен по бокам стенками второй сердцевины с ячеистой структурой. Альтернативно, канал протока звуковой волны может быть образован массивом смежных полостей второй сердцевины с ячеистой структурой, которые сообщаются друг с другом через пористые стенки.
Предпочтительно, перфорированное покрытие имеет множество пар высокопористых зон, которые поперечно разнесены друг от друга. При таких обстоятельствах впускные зоны и выпускные зоны могут быть выровнены в направлениях, которые по существу поперечны относительно панели.
Изобретение также обеспечивает гондолу турбореактивного двигателя, включающую в себя по меньшей мере одну панель акустической обработки, которая описана выше, на ее внутренней стороне. В этом случае перфорированное покрытие панели акустической обработки предпочтительно находится в контакте с проходом протока холодной струи, ограниченным снаружи внутренней стороной гондолы.
Изобретение также обеспечивает турбореактивный двигатель, включающий в себя по меньшей мере одну панель акустической обработки, которая описана выше, на его внешней стороне. В этом случае перфорированное покрытие панели акустической обработки предпочтительно находится в контакте с проходом протока холодной струи, ограниченным изнутри внешней стороной турбореактивного двигателя.
Краткое описание чертежей
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения раскрываются в следующем описании со ссылкой на сопровождающие чертежи, которые показывают варианты осуществления, не имеющие ограничивающий характер. На чертежах:
Фиг. 1 представляет собой вид в продольном сечении турбореактивного двигателя и его гондолы, снабженных панелями акустической обработки изобретения;
Фиг. 2 представляет собой вид в разрезе с большим масштабом многослойной панели акустической обработки изобретения;
Фиг. 3А-3C представляют собой вид в разрезе в направлении толщины панелей акустической обработки, составляющих несколько различных вариантов осуществления изобретения;
Фиг. 4А и 4B представляют собой виды панелей акустической обработки, составляющих различные варианты осуществления изобретения, если смотреть со стороны прохода протока, и
Фиг. 5 представляет собой график увеличения ослабления звука, полученного панелью акустической обработки изобретения.
Осуществление изобретения
Изобретение относится к панели пассивной акустической обработки, в частности, того типа, что устанавливается в авиационном турбореактивном двигателе, и его гондоле, которые показаны на Фиг. 1.
На фиг. 1 показан турбореактивный двигатель 10 двухконтурного типа. Он окружен кольцеобразной гондолой 12 с центром на продольной оси X-X турбореактивного двигателя. Как известно, турбореактивный двигатель содержит, перечисляя сверху вниз по ходу движения: вентилятор 14, компрессор 16 низкого давления, компрессор 18 высокого давления, камеру 20 сгорания, турбину 22 высокого давления и турбину 24 низкого давления.
Гондола 12 окружает первичную оболочку 26 турбореактивного двигателя и располагается приблизительно коаксиально с ней, чтобы ограничивать проход 28 протока для прохода холодной струи газа. Аналогично, первичная оболочка 26 окружает центральный корпус 30 турбореактивного двигателя коаксиально так, чтобы ограничивать проход 32 протока для прохода горячей струи. Таким образом, проход 28 радиально ограничен снаружи внутренней стороной гондолы и изнутри внешней стороной первичной оболочки.
Ниже в описании выражения "выше по ходу" и "ниже по ходу" должны пониматься, как относящиеся к направлению протока струи газа, проходящей через турбореактивный двигатель.
Ниже по ходу от вентилятора 14 турбореактивного двигателя, внутренняя сторона гондолы 12 включает в себя панели 100 акустической обработки. То же самое применено к первичной оболочке 26, на ее внешней стороне вокруг компрессора 18 высокого давления и камеры 20 сгорания. Эти панели 100 акустической обработки служат для ослабления неприятного звукового воздействия турбореактивного двигателя.
Фиг. 2 представляет собой более подробный вид варианта осуществления панели 100 акустической обработки согласно изобретению, которая является "многослойной", т.е. составлена из наложенных друг на друга по меньшей мере двух уровней с сотовой структурой.
Более точно, панель 100 содержит первую сердцевину 102 с ячеистой структурой, размещенную между перфорированным покрытием 104 и частично перфорированным промежуточным покрытием 106, и вторую сердцевину 108 с ячеистой структурой, размещенную между промежуточным покрытием 106 и непрерывным покрытием 110.
Первая ячеистая структура 102 крепится (например, клеем или пайкой) к промежуточному покрытию 106, которое служит в качестве опоры для нее. Подобным образом, вторая ячеистая структура 108 крепится к непрерывному покрытию 110, которое служит в качестве опоры для нее. Каждая из этих ячеистых структур 102 и 108 составлена из массива полостей в форме сот.
Независимо от того, установлена она изнутри гондолы или на внешней стороне первичной оболочки турбореактивного двигателя, панель акустической обработки изобретения размещается таким образом, что ее перфорированное покрытие 104 находится в контакте с проходом 28 протока для холодной струи.
Перфорированное покрытие 104 панели акустической обработки имеет множество сквозных отверстий 112, в пределах которых акустическая энергия звуковых волн, испускаемых турбореактивным двигателем, рассеивается за счет вязко термального эффекта. Коэффициент перфорации перфорированного покрытия (т.е. отношение суммарной площади его перфораций к его полной площади) лежит в диапазоне 7%-20% (в зависимости от используемого вида структуры поглощения и от желаемого оптимального акустического импеданса).
Перфорированное покрытие 104 панели акустической обработки изобретения также включает в себя множество пар высокопористых зон, т.е. зон покрытия, которые имеют больший коэффициент перфорации, чем коэффициент перфорации остальной части покрытия. Коэффициент перфорации этих высокопористых зон предпочтительно лежит в диапазоне 20%-30% (по сравнению с коэффициентом перфорации остальной части перфорированной панели, который лежит в диапазоне 7%-20%). Такую большую пористость получают, например, локальным увеличением плотности и/или диаметра отверстий 112, проходящих через перфорированное покрытие.
Высокопористые зоны имеют коэффициенты перфорации, которые делают их прозрачными с акустической точки зрения. Такая конструкция служит для минимизации аэродинамических потерь по сравнению с простыми отверстиями с большим диаметром.
Эти высокопористые зоны 114а, 114b имеют форму, которая может быть круглой (как показано на Фиг. 4А и 4B), или которая может быть, например, квадратной. Для примера, когда они имеют круглую форму, эти круглые зоны высокой пористости имеют диаметр d1, лежащий в диапазоне 5 сантиметров (см) - 15 см. Для сравнения, диаметр d2 отверстий 112 лежит в диапазоне 0,75 миллиметров (мм) - 2 мм, что приводит к отношению d1/d2, лежащему в диапазоне 25-200.
Каждая пара высокопористых зон составлена из впускной зоны 114а и выпускной зоны 114b, причем выпускная зона продольно отнесена вниз по ходу от впускной зоны. Более того, в каждой из пар высокопористых зон впускная и выпускная зоны 114а и 114b сообщаются через первую сердцевину 102 с ячеистой структурой и промежуточное покрытие 106 с двумя концами канала 118 протока звуковой волны, который размещен во второй сердцевине 108 с ячеистой структурой.
Могут быть предусмотрены и другие варианты. В первом варианте осуществления, показанном на Фиг. 3А, высокопористые зоны 114а и 114b данной пары сообщаются с каналом 118 протока звуковой волны через углубления 116а и 116b, оба проходящие через первую сердцевину 102 с ячеистой структурой и промежуточное покрытие 106.
Во втором варианте осуществления, показанном на Фиг. 3B, высокопористые зоны 114а и 114b данной пары сообщаются с каналом 118 протока звуковой волны через углубления 116а и 116b, проходящие через сердцевину 102 с ячеистой структурой, и через множество отверстий 120, образованных сквозь промежуточное покрытие 106, совпадающих с углублениями.
В третьем варианте осуществления, показанном на Фиг. 3C, высокопористые зоны 114а и 114b данной пары сообщаются с каналом 118 протока звуковой волны через проходы 122а и 122b, образованные между полостями в первой сердцевине 102 с ячеистой структурой, и множество отверстий 120, образованных сквозь промежуточное покрытие 106, совпадающих с проходами 122а и 122b.
Можно видеть, что промежуточное покрытие 116 панели акустической обработки изобретения перфорируется множеством отверстий 124 за исключением зон, покрывающих канал 118 протока звуковой волны, который размещен во второй ячеистой структуре 108 (другими словами, зоны промежуточного покрытия, лежащие над каналом протока звуковой волны, являются непрерывными). Таким образом, в этих неперфорированных зонах акустическая панель действует в качестве простого резонатора с пористым слоем рядом с проходом протока (т.е. перфорированной стенкой 104) и неперфорированным слоем на конце полости (т.е. промежуточной стенкой 106). В перфорированных зонах промежуточное покрытие делает возможной акустическую обработку в режиме работы в качестве двойного резонатора, при этом оно имеет коэффициент перфорации, лежащий в диапазоне 1%-4% с отверстиями 124, имеющими диаметр около 0,15 мм-0,4 мм.
Канал 118 протока звуковой волны может быть выполнен несколькими различными путями. В варианте осуществления на Фиг. 3А он образован коридором, ограниченным по бокам стенками полостей второй ячеистой структуры 108. С этой целью, коридор может быть получен, например, посредством множества панелей (или "плит") из массивов сотообразных полостей, причем эти панели разнесены в боковом направлении так, чтобы образовывать такой коридор между ними.
Согласно варианту осуществления, показанному на Фиг. 3B и 3C, каждый канал 118 протока звуковой волны образован массивом смежных полостей второй ячеистой структуры 108, причем полости сообщаются друг с другом через стенки 122, имеющие высокое отношение пористости (отношение пористости должно быть достаточно высоким для исключения акустической связи между соответствующими полостями).
Как отмечено выше, промежуточное покрытие 116 не является перфорированным в зонах, покрывающих канал 118 протока звуковой волны, таким образом, канал ограничен по бокам стенками полостей во второй ячеистой структуре 108, а в направлении высоты - неперфорированными перегородками.
Более того, как показано в варианте осуществления на Фиг. 3А и 4А, траектория, образованная каналом 118 протока звуковой волны может быть прямолинейной, и таким образом может продолжаться по существу параллельно продольной оси X-X турбореактивного двигателя. При таких обстоятельствах впускная и выпускная зоны 114а и 114b выравниваются вдоль оси X-X.
Подобным образом, опять в варианте осуществления на Фиг. 4А, впускные зоны 114а могут быть разнесены с регулярными промежутками по окружности друг от друга и могут быть выровнены друг с другом в общем, по существу поперечном, направлении (т.е. перпендикулярно оси X-X). То же самое применимо к выпускным зонам 114b.
Естественно, могут быть предусмотрены и другие конфигурации. Таким образом, в варианте осуществления на Фиг. 4B выпускная зона 114b смещена по окружности относительно впускной зоны 114а, и канал 118 протока звуковой волны является не совсем прямолинейным.
Также возможно разрабатывать другие более сложные формы для канала протока звуковой волны. В частности, массив каналов, образованных во второй ячеистой структуре, может иметь форму оригинального лабиринта, по которому следуют звуковые волны (с впускными зонам выше по ходу и выпускными зонами ниже по ходу). Траектория, по которой следуют звуковые волны во второй ячеистой структуре, задается как функция от задержки по фазе, которую необходимо применять к волнам.
Можно видеть, что различные каналы протока звуковой волны, образованные в панели акустической обработки согласно изобретению, по возможности могут сообщаться друг с другом через перфорации.
A
А
A
Преимущество акустического ослабления, которое получают с помощью панели акустической обработки согласно изобретению, показано кривой 200 на Фиг. 5. Эта кривая представляет собой ослабление звука (в децибелах) относительно длины панели, деленной на высоту прохода протока холодной струи турбореактивного двигателя. Штриховая кривая 202 показывает ослабление, полученное с помощью панели акустической обработки предшествующего уровня техники. После некоторой относительной длины L панели, как можно видеть, акустическая обработка предшествующего уровня техники имеет тенденцию к постоянству в показателях ослабления звука. В отличие от этого, панель акустической обработки согласно изобретению делает возможным получение значительного улучшения в акустическом ослаблении С после этой относительной длины L панели.