ШУМОПОГЛОЩАЮЩАЯ СТРУКТУРА И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ, РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕГО ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ И ОСЛАБЛЕНИЯ ШУМА (ВАРИАНТЫ)
NOISE-ABSORBING STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD, JET ENGINE (VERSIONS) AND METHOD FOR ENSURING ITS THERMAL INSULATION AND NOISE REDUCTION (VERSIONS)

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится, в общем, к шумопоглощающим структурам, используемым для снижения или ослабления уровня шума, испускаемого конкретным источником. Более конкретно настоящее изобретение направлено на создание шумопоглощающих структур, которые подвержены воздействию относительно высоких температур, и систем, используемых для защиты таких шумопоглощающих структур от повреждения, которое может быть вызвано таким тепловым воздействием.
Уровень техники
Является широко признанным, что наилучший способ борьбы с шумом, создаваемым конкретным источником, заключается в борьбе с шумом, создаваемым этим источником. Это обычно осуществляют посредством добавления структур для ослабления шума к структурам источника шума. Одним особенно проблематичным источником шума является реактивный двигатель, используемый на большинстве пассажирских самолетов. Шумопоглощающие структуры обычно вводят во вход двигателя, гондолу и структуры сгорания/выхлопа. Эти шумопоглощающие структуры содержат акустические резонаторы, содержащие относительно тонкие шумопоглощающие материалы или решетки, содержащие миллионы отверстий, с помощью которых вызывают акустическое сопротивление энергии звука, создаваемого двигателем.
Сотовая структура была популярным материалом для использования в самолетах и воздушно-космических летательных аппаратах, так как она является относительно прочной и легкой. Для акустических применений шумопоглощающие материалы добавляют к сотовой структуре таким образом, чтобы ячейки сотовой структуры были акустически закрытыми на конце, расположенном на отдалении от места, где шум ослабляется, и закрыт пористым покрытием на конце, расположенном наиболее близко к месту возникновения шума. Закрыванием ячеек сотовой структуры шумопоглощающим материалом, таким образом, создают акустический резонатор, с помощью которого обеспечивают снижение, ослабление или подавление шума. Шумопоглощающие перегородки также обычно располагают внутри ячеек сотовой структуры для обеспечения резонатора дополнительной способностью снижения уровня шума.
Большие реактивные двигатели содержат отсек сгорания, или горячий отсек, расположенный в центре внутри двигателя. В горячем отсеке создается большое количество горячих газообразных продуктов сгорания. Горячий отсек окружен кольцевым каналом, через который проходит воздушный поток, имеющий значительно более низкую температуру. Горячие отсеки современных реактивных двигателей обычно работают при температурах порядка от 500°F до 750°F (260,0-398,9°С). Следующее поколение реактивных двигателей проектируют в расчете на то, что они будут содержать горячие отсеки, которые будут работать при более высоких температурах, и ожидается, что они будут достигать 900°F (482,2°С). Более высокая рабочая температура в горячем отсеке необходима для создания меньших выбросов (вредных газообразных отходов) и для достижения большей экономии топлива.
Шумопоглощающие структуры, расположенные вблизи горячих отсеков, должны быть защищены от относительно высоких температур для исключения повреждения ячеек сотовой структуры и/или шумопоглощающих перегородок. Это является особенной проблемой шумопоглощающей сотовой структуры, изготовленной из композитных материалов, в которой используют матричные полимеры, выдерживающие максимальные рабочие температуры порядка от 350°F до 500°F (176,7-260,0°С) в зависимости от типа полимера. Материал, используемый для изготовления шумопоглощающей перегородки, может быть также поврежден при подвергании его непосредственному воздействию тепла, выделяющегося от горячего отсека.
Как указано в патенте US 4849276 А, одно современное решение, используемое для защиты шумопоглощающей структуры от тепла, выделяющегося от горячего отсека, заключается в размещении теплоизоляционной структуры, например, теплоизоляционного мата, между горячим отсеком и шумопоглощающей структурой, подлежащей защите. С помощью теплоизоляционного мата уменьшают поток тепла, поступающего в шумопоглощающую структуру, для обеспечения требуемой тепловой защиты. Хотя с помощью теплоизоляционных матов обеспечивают адекватную теплоизоляцию, они также занимают полезное пространство, и при использовании их вес добавляется к весу двигателя. Кроме того, срок службы обычного теплоизоляционного мата ограничен, и поэтому его требуется заменять через определенные интервалы времени. Теплоизоляционный мат также необходимо удалять для обеспечения возможности ревизии расположенных под ним устройств. Эти процессы удаления и повторной укладки теплоизоляционных матов требуют затрат времени и во многих случаях приводят к их повреждению. Ремонт и/или повторная укладка поврежденного теплоизоляционного мата могут приводить к значительной дополнительной затрате времени и средств.
Другое решение, используемое для тепловой защиты шумопоглощающих структур, заключается в покрывании стороны шумопоглощающей структуры, подвергающейся воздействию высокой температуры, кремнийорганическим соединением, стойким к высоким температурам. С помощью таких покрытий из кремнийорганических соединений, стойких к высоким температурам, обеспечивают адекватную тепловую защиту. Однако теплоизоляционные покрытия необходимо соскребать и счищать для ревизии расположенных под ними шумопоглощающих структур. Этот процесс требует затрат времени и ведет также к разрушению покрытия. После завершения ревизии на шумопоглощающую структуру должно быть нанесено новое покрытие. Процесс нанесения нового покрытия из кремнийорганического соединения требует затрат времени, а также дополнительных затрат на новый материал покрытия из кремнийорганических соединений, стойких к высоким температурам.
В настоящее время имеется потребность в создании теплозащитных систем для шумопоглощающих структур, которые были бы более эффективными, меньшими по размерам и не такими тяжелыми, как существующие теплозащитные системы. Эта потребность особенно велика в области защиты шумопоглощающих структур, которые будут использовать в следующем поколении больших реактивных двигателей, где ожидается создание горячих отсеков, рабочие температуры которых будут даже еще более высокими.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение направлено на создание шумопоглощающих структур в целом и на создание шумопоглощающих сотовых структур, располагаемых вблизи горячего отсека реактивного двигателя, в частности.
В одном аспекте настоящее изобретение относится к шумопоглощающей структуре, которая содержит:
сотовую структуру, имеющую первый край, подлежащий расположению наиболее близко к высокотемпературной области, и второй край, причем упомянутая сотовая структура содержит ячейку, ограниченную множеством стенок, проходящих между упомянутыми первым и вторым краями;
теплоизоляционную перегородку, расположенную внутри упомянутой ячейки, рядом с первым краем упомянутой сотовой структуры; и
шумогасящий материал, расположенный внутри упомянутой ячейки между упомянутой теплоизоляционной перегородкой и упомянутым вторым краем.
Упомянутая шумопоглощающая структура может дополнительно содержать сплошной защитный лист, прикрепленный к первому краю упомянутой сотовой структуры, или перфорированную шумогасящую панель, прикрепленную ко второму краю упомянутой сотовой структуры.
Упомянутый шумогасящий материал предпочтительно выполнен в виде шумопоглощающей перегородки или является двухфункциональным наполнителем, выполняющим как функцию теплоизоляции, так и функцию снижения уровня шума внутри упомянутой ячейки.
Упомянутая шумопоглощающая структура может дополнительно содержать теплоизоляционную структуру, расположенную между первым краем упомянутой сотовой структуры и упомянутой высокотемпературной областью, при этом между упомянутой теплоизоляционной структурой и первым краем упомянутой сотовой структуры может быть расположен воздушный зазор.
Упомянутые стенки сотовой структуры предпочтительно содержат волокна и вулканизированный полимер.
В другом аспекте настоящее изобретение предусматривает способ изготовления шумопоглощающей структуры, включающий следующие этапы:
обеспечение сотовой структуры, имеющей первый край, подлежащий расположению наиболее близко к высокотемпературной области, и второй край, причем упомянутая сотовая структура содержит ячейку, ограниченную множеством стенок, проходящих между упомянутыми первым и вторым краями;
расположение теплоизоляционной перегородки внутри упомянутой ячейки рядом с первым краем упомянутой сотовой структуры; и
расположение шумогасящего материала внутри упомянутой ячейки между упомянутой теплоизоляционной перегородкой и упомянутым вторым краем.
Способ может включать дополнительный этап прикрепления сплошного защитного листа к первому краю упомянутой сотовой структуры или ко второму краю упомянутой сотовой структуры.
Согласно способу, упомянутый шумогасящий материал может быть выполнен в виде шумопоглощающей перегородки или может являться двухфункциональным наполнителем, выполняющим как функцию теплоизоляции, так и функцию снижения уровня шума внутри упомянутой ячейки.
Способ также может дополнительно включать дополнительный этап расположения теплоизоляционной структуры рядом с первым краем упомянутой сотовой структуры, при этом упомянутую теплоизоляционную структуру предпочтительно располагают рядом с первым краем упомянутой сотовой структуры таким образом, чтобы между упомянутой теплоизоляционной структурой и первым краем упомянутой сотовой структуры был образован воздушный зазор.
Согласно способу, упомянутые стенки сотовой структуры могут содержать волокна и вулканизированный полимер.
В еще одном аспекте настоящее изобретение предусматривает варианты реактивного двигателя, который в одном варианте содержит вышеуказанную шумопоглощающую структуру согласно первому аспекту изобретения, а в другом варианте он содержит вышеуказанную шумопоглощающую структуру, которая дополнительно содержит теплоизоляционную структуру, расположенную между первым краем упомянутой сотовой структуры и упомянутой высокотемпературной областью, причем упомянутый реактивный двигатель содержит высокотемпературную область, имеющую температуру в диапазоне от 750°F до 900°F (398,9-482,2°С).
В других аспектах изобретение относиться к вариантам способа обеспечения теплоизоляции и ослабления шума вышеуказанного реактивного двигателя, содержащего высокотемпературную область. В одном упомянутый способ включает этап расположения шумопоглощающей структуры согласно вышеупомянутому первому аспекту изобретения рядом с упомянутой высокотемпературной областью.
В другом варианте способ включает этап расположения вышеупомянутой шумопоглощающей структуры, которая дополнительно содержит теплоизоляционную структуру, расположенную между первым краем упомянутой сотовой структуры и упомянутой высокотемпературной областью, рядом с упомянутой высокотемпературной областью.
Согласно настоящему изобретению было установлено, что внутри шумопоглощающей сотовой структуры могут быть расположены теплоизоляционные перегородки для регулирования теплового потока, поступающего в шумопоглощающую структуру, и была создана эффективная теплоизоляционная система, с помощью которой может быть защищена сотовая структура и шумопоглощающие перегородки от теплового повреждения, которое в противном случае может быть вызвано воздействием источником тепла, например, горячим отсеком реактивного двигателя. Внутренние тепловые регуляторы можно использовать отдельно или в сочетании с теплоизоляционными матами или другими внешними теплоизоляционными структурами в зависимости от температур, воздействию которых могут быть подвержены шумопоглощающие сотовые структуры.
Отличительной особенностью настоящего изобретения является то, что внутри ячеек расположены теплоизоляционные перегородки. Теплоизоляционные перегородки расположены рядом с первым краем сотовой структуры для функционирования в качестве внутреннего теплового регулятора для регулирования или предотвращения прохода потока тепла в тело сотовой структуры.
Дополнительной отличительной особенностью настоящего изобретения является то, что шумогасящий материал располагают внутри ячеек, между теплоизоляционными перегородками и вторым краем сотовой структуры для снижения уровня шума. Шумогасящий материал находится в виде шумопоглощающих перегородок и/или двухфункционального наполнителя. С помощью двухфункционального наполнителя обеспечивают как ослабление шума, так и теплоизоляцию внутри ячеек сотовой структуры.
Посредством использования расположенных внутри теплоизоляционных перегородок согласно настоящему изобретению в сотовой структуре создают тепловой регулятор, чем обеспечивают возможность уменьшения или даже исключения потребности в использовании отдельного теплоизоляционного мата или другого внешнего теплоизоляционного барьера, в зависимости от рабочей температуры горячего отсека, предельных значений температуры, выдерживаемых материалом сотовой структуры, и количества двухфункционального материала, расположенного в ячейках сотовой структуры.
Посредством одновременного использования части теплозащитной системы в виде внутренних теплоизоляционных перегородок создают теплорегулируемую систему, содержащую ряд конструкционных переменных, которые могут быть использованы для повышения эффективности теплорегулирования, что невозможно при использовании только внешнего теплоизоляционного мата. В результате общие размеры и вес теплозащитной системы могут быть уменьшены, но при этом все еще можно поддерживать необходимую степень теплозащиты шумопоглощающей сотовой структуры. Эта отличительная особенность особенно пригодна для теплозащиты шумопоглощающих структур для следующего поколения реактивных двигателей, в которых шумопоглощающие структуры должны быть защищены от более высоких рабочих температур, но в то же время должны быть уменьшены вес и размеры теплозащитной системы в возможно большей степени.
Описанные выше и многие другие отличительные особенности и сопутствующие преимущества настоящего изобретения станут более понятными после ознакомления с последующим подробным описанием в сочетании с прилагаемыми чертежами.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан упрощенный частичный разрез реактивного двигателя, в котором шумопоглощающая структура содержит внутренние теплорегуляторы согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2 - часть шумопоглощающей структуры в упрощенном виде (в разрезе), содержащая внутренние тепловые регуляторы (теплоизоляционные перегородки) согласно настоящему изобретению;
на фиг. 3 - вид в разобранном состоянии приведенной в качестве примера шумопоглощающей сотовой структуры, сплошного защитного листа и перфорированной шумогасящей панели до их сборки для образования приведенной в качестве примера шумопоглощающей структуры;
на фиг. 4 - упрощенный вид с торца шумопоглощающей структуры, представленной на фиг. 1, расположенной рядом с горячим отсеком реактивного двигателя;
на фиг. 5 - упрощенный вид части приведенной в качестве примера предпочтительной шумопоглощающей структуры, содержащей внутренние тепловые регуляторы согласно настоящему изобретению, дополнительно содержащей внешний теплоизоляционный мат.Эта приведенная в качестве примера предпочтительная шумопоглощающая структура предназначена для использования в следующем поколении больших реактивных двигателей, которые будут содержать горячие отсеки, которые будут работать при температурах до 900°F (482,2°С) и выше.
Подробное описание изобретения
Шумопоглощающую структуру согласно настоящему изобретению можно использовать для ослабления шума от разнообразных источников шума, где шумопоглощающая структура подвержена одностороннему воздействию повышенных температур. Шумопоглощающающая структура пригодна для ослабления шума, создаваемого самолетными двигателями, а более конкретно - большими реактивными двигателями, используемыми в коммерческих самолетах. Шумопоглощающая структура содержит внутренние теплорегуляторы, благодаря чему ее можно использовать без теплоизоляционного мата или другой внешней теплоизоляционной структуры, в местах внутри конструкций современных двигателей, которые работают при максимальных температурах порядка от 600°F до 750°F (315,6-398,9°С). Предпочтительная шумопоглощающая структура согласно настоящему изобретению содержит теплоизоляционный мат или другую внешнюю теплоизоляционную структуру для того, чтобы она соответствовала повышенным тепловым нагрузкам, которые будут создаваться в следующем поколении больших реактивных двигателей. Некоторые горячие отсеки больших реактивных двигателей следующего поколения будут работать при температурах до 900°F (482,2°С) и выше.
Последующее подробное описание ограничено приведенными в качестве примеров вариантами выполнения шумопоглощающих структур, расположенных внутри реактивного двигателя. Варианты выполнения включают шумопоглощающие структуры как с внешними теплоизоляционными структурами, например, теплоизоляционными матами, так и без них. Следует понимать, что шумопоглощающие структуры согласно настоящему изобретению можно также использовать в любой ситуации, где ослабление шума от источника шума является желательным и где шумопоглощающая структура подвержена одностороннему воздействию высоких температур.
Приведенный в качестве примера реактивный двигатель на фиг. 1 обозначен позицией 10. Реактивный двигатель 10 содержит камеру сгорания, или горячий отсек 12, в котором создается основной поток горячего воздуха, показанный стрелкой 14. Поток горячего воздуха внутри горячего отсека 12, или высокотемпературной области, может иметь температуру в диапазоне от 600°F до 900°F (315,6-482,2°С) и выше, в зависимости от типа и конструкции реактивного двигателя. Гондола 16 расположена вокруг горячего отсека 12 для обеспечения кольцевого канала 18, через который проходят вторичные потоки холодного воздуха, показанные стрелкой 20. Поток холодного воздуха заходит в реактивный двигатель при температуре, равной температуре наружного воздуха, и нагревается при проходе через кольцевой канал 18 до температур, равных температуре горячего отсека 12 или немного более низких, чем температура горячего отсека 12.
Приведенная в качестве примера шумопоглощающая структура согласно настоящему изобретению расположена в наружной части горячего отсека 12, обозначенной позицией 22. Шумопоглощающая структура 22 содержит первую сторону 24, расположенную наиболее близко (или рядом) к горячему отсеку 12, или высокотемпературной области, реактивного двигателя. Шумопоглощающая структура 22 также содержит вторую сторону 26, расположенную наиболее близко (или рядом) к каналу 18 для прохода холодного воздуха, или области низкой температуры, реактивного двигателя. Шумопоглощающая структура 22 показана на фиг. 1 и 2 без теплоизоляционного мата. Теплоизоляционный мат может быть добавлен, если это необходимо, для обеспечения дополнительной теплозащиты. Приведенная в качестве примера теплоизоляционная система согласно настоящему изобретению, содержащая теплоизоляционный мат, описана ниже и показана на фиг. 5.
Подробный упрощенный вид в разрезе шумопоглощающей структуры 22 показан на фиг. 2. Шумопоглощающая структура 22 содержит сотовую структуру 28, содержащую стенки 30а-30е, которыми ограничены ячейки 32a-32d сотовой структуры, проходящие от первого края 34 сотовой структуры до второго края 36 сотовой структуры. Отличительной особенностью настоящего изобретения является то, что теплоизоляционные перегородки 38a-38d расположены внутри ячеек сотовой структуры рядом с первым краем 34 сотовой структуры для образования внутреннего теплового регулятора внутри каждой ячейки. Шумопоглощающие перегородки 40а-40с также расположены внутри ячеек сотовой структуры для обеспечения желательного шумогашения. В отдельной ячейке сотовой структуры может быть расположено больше одной шумопоглощающей перегородки, если это желательно, как это показано в ячейке 32а, в которой расположено две перегородки 40а. К первому краю сотовой структуры прикреплен сплошной защитный лист 42, а ко второму краю сотовой структуры прикреплена перфорированная шумогасящая панель 44. Двухфункциональный материал, являющийся одновременно и теплоизоляционным, и шумогасящим, может быть, если это желательно, помещен внутри сотовой структуры, как это показано позициями 48а, 48b и 48с.
На фиг. 3 показана шумопоглощающая структура 22 в состоянии до прикрепления сплошного защитного листа 42 и перфорированной шумогасящей панели 44 к краям сотовой структуры 28. Теплоизоляционные перегородки представлены в виде групп 38, а шумопоглощающие перегородки представлены в виде группы 40. На фиг. 3 шумопоглощающая структура показана в виде плоской структуры. Реальная готовая структура обычно бывает изогнутой, как это показано на фиг. 4, для образования кольцевой структуры, окружающей горячий отсек реактивного двигателя.
На фиг. 4 показана в упрощенном виде с торца часть устройства, представленного на фиг. 1, где стрелками 50 показаны потоки тепла, излучаемого горячим отсеком 12, которые регулируют с помощью теплоизоляционных перегородок 38. Номера позиций на фиг. 4 соответствуют номерам позиций, использованных на фиг. 1-3. Как указано ниже, теплоизоляционный мат или другая внешняя теплоизоляционная структура может быть (опционально) расположена между шумопоглощающей структурой 22 и горячим отсеком 12 для обеспечения дополнительной теплоизоляции в таких ситуациях, когда с помощью одних теплоизоляционных перегородок невозможно адекватно защитить данный материал сотовой структуры от тепла, выделяемого горячим отсеком.
Материалы, используемые для изготовления сотовой структуры 28, могут быть любыми из материалов, обычно используемых в шумопоглощающих структурах, включающих: металлы, керамику и композитные материалы. Приведенные в качестве примеров металлы включают: нержавеющую сталь, титан и алюминиевые сплавы. Настоящее изобретение особенно пригодно в случае использования сотовой структуры, изготовленной из композитных материалов, обладающих тенденцией принимать максимальные рабочие температуры, которые намного ниже температур, которые могут принимать металлы и керамика. Приведенные в качестве примеров композитные материалы включают стекловолокно, Nomex и различные сочетания графитовых или керамических волокон с пригодными матричными полимерами. Матричные полимеры, которые могут выдерживать относительно высокие температуры (от 450°F до 650°F) (232,2-343,3°С), являются предпочтительными. Например, если матричный полимер является полиимидом, то максимальная рабочая температура для сотовой структуры составляет порядка от 500°F до 650°F (260,0-343,3°С). Композитная сотовая структура, в которой матричный полимер является высокостойкой эпоксидной смолой, обычно имеет намного меньшую максимальную рабочую температуру порядка от 350°F до 400°F (176,7-204,4°С). Предпочтительно, чтобы теплопередачу в сотовой структуре можно было регулировать таким образом, чтобы температура сотовой структуры оставалась на уровне, равном или более низком, чем максимальная рабочая температура матричного полимера.
Желательно, чтобы снижение температуры от высокотемпературной области в направлении ко второму краю сотовой структуры происходило в зависимости от наиболее высокой рабочей температуры горячего отсека и максимальной рабочей температуры полимера сотовой структуры. Чем больше разница между этими двумя температурами, тем в большей степени должно осуществляться тепловое регулирование с помощью теплоизоляционных перегородок и теплоизоляционного мата, если это требуется. В целом, тип материала, используемого для изготовления теплоизоляционных перегородок, а также толщина и расположение перегородок должны обеспечивать установившийся режим снижения температуры по меньшей мере на 225°F (107,2°С). Установившиеся режимы снижения температуры, составляющие по меньшей мере на 375°F (190,6°С), обычно требуются для горячих отсеков, работающих в более высоких диапазонах температур, составляющих от 750°F до 900°F (398,9-482,2°С).
Например, если рабочая температура в высокотемпературной области составляет 700°F (371,1°С), а максимальная рабочая температура матричного полимера сотовой структуры составляет 450°F (232,2°С), то теплоизоляционные перегородки выбирают таким образом, чтобы установившаяся температура сотовой структуры была бы по меньшей мере на 250°F (121,1°С) ниже рабочей температуры горячего отсека, или высокотемпературной области. В некоторых примерах может быть желательным достижение требуемого снижения температуры на 250°F (121,1°С) посредством использования только теплоизоляционных перегородок. Теплоизоляционный мат или другое внешнее теплоизоляционное средство может быть опционально использовано для обеспечения части требуемого теплового регулирования.
Предпочтительный, приведенный в качестве примера вариант выполнения шумопоглощающей структуры с тепловым регулированием согласно настоящему изобретению показан на фиг. 5 и обозначен позицией 60. Шумопоглощающая структура 60 содержит шумопоглощающую сотовую структуру 62, содержащую расположенные внутри теплоизоляционные перегородки 63. Шумопоглощающую сотовую структуру 62 используют в сочетании с внешним тепловым изолятором, например, теплоизоляционным матом 64. Теплоизоляционный мат расположен на расстоянии от края сотовой структуры 62 с использованием проставок 66 для образования теплоизоляционной камеры 68. Теплоизоляционная камера 68 может быть сформирована посредством использования проставок 66 для удерживания теплоизоляционного мата 64 на отдалении от шумопоглощающей сотовой структуры 62; или любой другой тип соединительной структуры может быть использован для обеспечения надежного прикрепления теплоизоляционного мата 64 к шумопоглощающей сотовой структуре 62 таким образом, чтобы пространство, или камера, были сформированы между теплоизоляционным матом 64 и шумопоглощающей сотовой структурой 62.
Шумопоглощающая структура 60 содержит в сотовой структуре матричный полимер, выдерживающий приведенную в качестве примера максимальную рабочую температуру 450°F (232,2°С). Шумопоглощающую структуру выполняют таким образом, чтобы ее можно было устанавливать вблизи приведенного в качестве примера горячего отсека, работающего при температурах, достигающих 900°F (482,2°С). Теплоизоляционный мат 64 (см. фиг. 5) имеет такие толщину и вес, при которых можно регулировать тепловой поток таким образом, чтобы температура на низкотемпературной стороне (внутри) теплоизоляционного мата была на 200°F (93,3°С) ниже температуры стороны (снаружи) теплоизоляционного мата, обращенной к горячему отсеку. Благодаря сочетанию воздушного зазора, или теплоизоляционной камеры 68, и теплоизоляционных перегородок 63 обеспечивают дополнительное тепловое регулирование таким образом, чтобы температура на низкотемпературной стороне теплоизоляционных перегородок была на 250°F (121,1°С) ниже температуры на внутренней стороне теплоизоляционного мата.
В обычной теплозащищенной шумопоглощающей системе шумопоглощающую структуру защищают только посредством теплоизоляционного мата, как это показано позицией 70. Теплоизоляционный мат 70 сам по себе должен быть достаточно толстым и тяжелым для обеспечения желательного теплового регулирования с 900°F до 450°F (482,2-232,2°С). Такая структура (шумопоглощающая сотовая структура + теплоизоляционный мат) должна иметь толщину, обозначенную как «t». Согласно настоящему изобретению используют теплоизоляционные перегородки (как это показано на фиг. 5) для образования изменяемой конструкции, в которой толщина и вес теплоизоляционного мата существенно уменьшены, но при этом сохранена та же самая толщина (t) всей структуры. При использовании такой изменяемой конструкции обеспечивается возможность замены части теплоизоляционного мата теплоизоляционной камерой 68, которая намного легче теплоизоляционного мата. Хотя воздушный зазор, или теплоизоляционная камера, не обеспечивает такую же теплоизоляцию, как часть теплоизоляционного мата, которую он заменяет, сочетание воздушного зазора и расположенных внутри теплоизоляционных перегородок обеспечивает ту же самую степень теплового регулирования при значительно меньшем весе.
Шумопоглощающая структура 60, показанная на фиг. 5, в которой теплоизоляционный мат 64 отделен от шумопоглощающей сотовой структуры 62 воздушным зазором 68, приведена только в качестве примера. Шумопоглощающая структура 62 может быть размещена непосредственно в контакте с теплоизоляционным матом 64, если это желательно. Это может быть желательно в таких ситуациях, когда толщина (t) теплозащищенной шумопоглощающей структуры 60 должна быть сохранена на минимальном значении, при котором шумопоглощающая структура 60 отвечала бы требованиям, предъявляемым к данной конструкции.
Толщину теплоизоляционных перегородок 38a-38d и материал, используемый для формирования теплоизоляционных перегородок, можно менять для обеспечения желаемых уровней теплоизоляции и теплового регулирования таким образом, чтобы температура сотовой структуры оставалась ниже максимальной температуры, при которой может работать сотовая структура, как это описано выше. Не обязательно, чтобы теплоизоляционные перегородки действовали как теплоизоляционный мат или другая теплозащитная структура, с помощью которой можно полностью изолировать сотовую структуру от теплового воздействия. Вместо этого теплоизоляционные перегородки предназначены для регулирования количества тепла, передающегося в ячейки сотовой структуры, чтобы температура внутри сотовой структуры оставалась ниже уровней, которые могли бы потенциально привести к разрушению сотовой структуры.
Теплоизоляционные перегородки 38a-38d могут быть изготовлены из любого пригодного теплоизоляционного материала, при использовании которого обеспечивается необходимое тепловое регулирование или теплоизоляция между горячей стороной 24 шумопоглощающей структуры и холодной стороной 26 шумопоглощающей структуры. Отличительной особенностью изобретения является то, что теплоизоляционные перегородки расположены внутри ячеек сотовой структуры для создания «внутренней» системы теплового регулирования в противоположность внешней системе, например, в виде теплоизоляционного мата или листа. Теплоизоляционные перегородки предпочтительно изготавливают из полых теплоизоляционных микросфер из стойких к высоким температурам керамики или стекла, которые удерживают вместе с помощью матрицы из полимера, стойкого к высоким температурам. Их можно также изготавливать из сочетаний стойких к высоким температурам теплоизоляционных волокон в матрице из стойкого к высоким температурам полимера или из керамического материала, обладающего низкой теплопроводностью, в матрице из вспененного полимера.
Полые керамические микросферы обычно изготавливают из стекла, окиси алюминия, диоксида титана, оксида железа и зольной пыли. Полые микросферы могут иметь диаметры в диапазоне от 50 мкм до 250 мкм. Приведенные в качестве примера полые микросферы описаны в опубликованной патентной заявке US №2012/0107611 А1, содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки. Микросферы предпочтительно соединяют с помощью невулканизированного, стойкого к высоким температурам полимера для образования вязкого материала, формируемого в виде слоя, в который окунают первый край сотовой структуры. Толщиной вязкого слоя определяют толщину теплоизоляционных перегородок, образующихся в результате последующей вулканизации матричного полимера. Альтернативно слой теплоизоляционного материала может быть сформирован, а затем «запрессован» в ячейки сотовой структуры путем использования края каркаса для вырезания теплоизоляционного материала. Кроме того, теплоизоляционные перегородки могут быть предварительно сформированы, а затем введены в ячейки сотовой структуры, где их устанавливают по фрикционной посадке и/или приклеивают по месту.
Матричный полимер, стойкий к высоким температурам, выбирают таким образом, чтобы только минимальное его количество присутствовало для обеспечения адекватной агломерации микросфер и сцепления его со стенками сотовой структуры. Приведенные в качестве примера матричные полимеры, стойкие к высоким температурам, для использования с полыми керамическими микросферами включают полиимидые вещества, например: Skybond 700 и 705, доступные для приобретения у компании Industrial Summit Technology Corporation (г. Паркин, шт. Нью-Джерси, США); или Unitech RP46 и RP5G, доступные для приобретения у компании Unitech Corporation (г. Арлингтон, шт. Вирджиния, США). Обычно полые керамические микросферы изготавливают из 85-95% масс. вязкого материала, используемого для формирования теплоизоляционных перегородок, где остальным материалом является матричный полимер. После введения сотовой структуры в вязкий слой теплоизоляционного материала полимерную матрицу вулканизируют согласно стандартным процедурам для конкретного матричного полимера, для формирования теплоизоляционной перегородки. Теплоизоляционную перегородку удерживают на месте за счет адгезии между матричным полимером и стенками сотовой структуры. Теплоизоляционная перегородка представляет собой по существу диск из плотно упакованных полых керамических микросфер, которые удерживают вместе и удерживают на месте внутри сотовой структуры с помощью полимерной матрицы, стойкой к высоким температурам.
Теплоизоляционные перегородки могут быть сформированы таким образом, чтобы все ячейки сотовой структуры содержали теплоизоляционные перегородки, изготовленные из одного и того же слоя теплоизоляционного материала из микросфер. Альтернативно одна или большее число ячеек может быть выборочно закупорена вспененным воском или другим удаляемым материалом. После формирования первой группы теплоизоляционных перегородок первую группу перегородок накрывают, и затем могут быть сформированы дополнительные теплоизоляционные перегородки в ранее закупоренных ячейках. Этот тип выборочного закупоривания и/или защиты ячеек сотовой структуры обеспечивает возможность изготовления шумопоглощающей структуры, содержащей теплоизоляционные перегородки, изготавливаемые из различных теплоизоляционных материалов и имеющие различную толщину.
Шумопоглощающие перегородки 40а-40с могут быть изготовлены из любого из стандартных шумопоглощающих материалов, используемых для снижения уровня шума, содержащих переплетенные волокна и перфорированные листы. Использование шумопоглощающих перегородок из переплетенных волокон является предпочтительным. Эти шумопоглощающие материалы обычно поставляют в виде относительно тонких тканых полотен сетчатого переплетения, специально разработанных для снижения уровня шума. Предпочтительно, чтобы шумопоглощающий материал был сетчатой тканью, выработанной из мононитей. Мононити могут состоять из стекла, углерода, керамики или полимеров. Полимерные мононити, изготовленные из полиамида, полиэфира, полиэтиленхлоротрифторэтилена (ПЭХТФЭ), этилентетрафторэтилена (ЭТФЭ), политетрафторэтилена (ПТФЭ), полифениленсульфида (ПФС), полифторэтиленпропилена (ПФЭП), полиэфирэфиркетона (ПЭЭК), полиамида 6 (Нейлон 6, ПА6) и полиамида 12 (Нейлон 12, ПА12), являются только некоторыми примерами таких материалов. Сетчатая ткань, изготовленная из ПЭЭК, является предпочтительной для применений, где требуется стойкость к высоким температурам, например, в гондолах для реактивных двигателей. Приведенные в качестве примеров перегородки описаны в патентах US №7434659, №7510052 и №7854298, содержание которых включено в настоящую заявку посредством ссылки. Можно также использовать перегородки, изготовленные посредством сверления лазером пластиковых листов или пленок.
Сплошной защитный лист 42 предпочтительно является неметаллической обшивкой, стойкой к высоким температурам, способной выдерживать относительно высокие температуры порядка от 600°F до 900°F (315,6-482,2°С). Материал предпочтительно, но не обязательно, является теплоизоляционным. Защитный лист предназначен для защиты сотовой структуры от непосредственного контакта с горячими газами, образующимися в горячем отсеке 12. Защитный лист может быть исключен, как это показано на фиг. 5, если используют внешний изолятор, например, теплоизоляционный мат или изолятор. Любой из материалов, обычно используемых для защиты расположенных под ним структур от горячих газов, можно использовать для изготовления сплошного защитного листа.
Предпочтительно, чтобы теплоизоляционный мат использовали в сочетании с шумопоглощающей сотовой структурой с тепловым регулированием. Высокие температуры, возникающие при работе двигателя, сначала блокируют посредством теплоизоляции или посредством использования теплоизоляционного мата, с помощью которых также обеспечивают физическую защиту шумопоглощающей сотовой структуры от потенциально абразивных газов. В дополнение к снижению температуры и защите расположенных под теплоизоляционным матом структур, его можно также удалять для ревизии акустического байпасного канала. Акустический байпасный канал проверяют для того, чтобы убедиться в том, что он не подвергается воздействию чрезмерно высоких температур, которые могли бы пагубно воздействовать на целостность его структуры. Теплоизоляционные маты также проверяют и/или заменяют во время такой периодической ревизии.
Материал, используемый для изготовления перфорированной шумогасящей панели 44, может быть любым из материалов, обычно используемых для изготовления таких пористых шумопоглощающих структур, при применении которых обеспечивается условие, заключающееся в том, что поры или перфорации в структуре являются достаточными для обеспечения возможности захода звуковых волн от реактивного двигателя или другого источника в акустические ячейки или резонаторы.
В общем, площадь поперечного сечения ячеек сотовой структуры обычно составляет от 0,05 кв. дюйма до 1,0 кв. дюйма или более. Глубина ячеек (толщина сотовой структуры или толщина «Т» каркаса на фиг. 2) составляет, в общем, от 0,25 дюйма до 3,0 дюймов или более. В сотовой структуре, используемой в шумопоглощающих структурах 22, располагаемых рядом с горячим отсеком 12 реактивного двигателя, площадь поперечного сечения ячеек сотовой структуры обычно составляет от около 0,1 кв. дюйма до 0,5 кв. дюйма, а толщина (Т) - от около 1,0 дюйма до 2,0 дюймов.
Как упомянуто выше, дополнительный двухфункциональный материал 48 может быть добавлен в ячейки сотовой структуры либо отдельно, как это показано позицией 48с на фиг. 2, либо между шумопоглощающей перегородкой и теплоизоляционной перегородкой, как это показано позициями 48а и 48b. Дополнительный изоляционный материал предпочтительно является двухфункциональным материалом. Это означает, что материал не только обеспечивает дополнительную теплоизоляцию, но обеспечивает также в некоторой степени снижение уровня шума. Приведенные в качестве примеров двухфункциональные материалы включают скрученные волокна, например, стеклянные волокна или вспененные материалы, стойкие к высоким температурам. Тип, количество и расположение дополнительного двухфункционального материала можно варьировать в широких пределах внутри ячеек сотовой структуры для достижения в равных пределах широких диапазонов теплового регулирования и снижения уровня шума.
Использование шумопоглощающей структуры согласно настоящему изобретению обеспечивает ряд преимуществ, включающих: существенное уменьшение теплового потока с высокотемпературной стороны шумопоглощающей структуры к низкотемпературной стороне. Благодаря этому может быть уменьшена или исключена потребность в отдельном внешнем теплозащитном средстве. Кроме того, можно формировать теплоизоляционные перегородки различных размеров и типов внутри ячеек сотовой структуры для тонкой настройки и тщательного регулирования количества тепла, проходящего через различные части сотовой структуры.
Отличительная особенность, заключающаяся в контролировании или регулировании теплового потока, обеспечиваемых посредством использования внутренних теплоизоляционных перегородок, хорошо действует в сочетании с шумопоглощающими перегородками, также расположенными в ячейках сотовой структуры. С помощью теплоизоляционных перегородок обеспечивают тепловую защиту шумопоглощающих перегородок, которые подобно сотовой структуре обладают тенденцией к выходу из строя при температурах, значительно более низких, чем рабочие температуры горячего отсека. Настоящее изобретение обладает рядом преимуществ, описанных выше, которые могут быть достигнуты только благодаря необычному сочетанию перегородок, описанных в данном документе, где с помощью расположенных внутри перегородок обеспечивают как тепловую защиту, так и снижение уровня шума.
Следует отметить, что рабочие температуры горячих отсеков и максимальные рабочие температуры, которые может выдерживать матричный полимер сотовой структуры, приведены только в качестве примеров. Настоящее изобретение можно использовать в широком диапазоне ситуаций, в которых требуется снижение уровня шума, где необходимо достижение эффективной теплозащиты при использовании средств, имеющих минимальный вес и занимающих минимальное пространство. Настоящим изобретением передается по меньшей мере часть функции тепловой защиты сотовой структуре посредством обеспечения внутренних теплоизоляционных перегородок. Благодаря использованию внутренних теплоизоляционных перегородок отдельно или в сочетании с внешней теплозащитной структурой обеспечивают эффективный способ минимизации веса и размеров всей теплозащитной шумопоглощающей структуры, и особенно это касается следующего поколения реактивных двигателей, которые будут работать при относительно высоких температурах.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что в данном описании раскрыты только приведенные в качестве примеров варианты осуществления настоящего изобретения и что могут быть созданы различные другие альтернативные, адаптивные и модифицированные варианты осуществления в пределах объема настоящего изобретения. Соответственно настоящее изобретение не ограничено описанными выше вариантами осуществления, а ограничено только следующей формулой изобретения.