УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ ПАНЕЛЬ ТЕПЛООБМЕНА И УМЕНЬШЕНИЯ ШУМА ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
IMPROVED HEAT EXCHANGE AND NOISE REDUCTION PANEL FOR GAS TURBINE ENGINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к панели теплообмена и уменьшения шума для газотурбинного двигателя, в частности, авиационного газотурбинного двигателя.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Газотурбинный двигатель, такой как двухконтурный турбореактивный двигатель, классически содержит воздушный вход, содержащий вентилятор, на выходе которого воздушный поток делится на воздушный поток, который поступает в двигатель и образует горячий или первичный поток, и на воздушный поток, который проходит вокруг двигателя и образует холодный или вторичный поток.
Как правило, двигатель содержит от входа к выходу в направлении потока газов вентилятор, по меньшей мере один компрессор, камеру сгорания, по меньшей мере одну турбину и выпускное сопло, в котором газообразные продукты сгорания, выходящие из турбины и образующие первичный поток, смешиваются с вторичным потоком.
Вентилятор газотурбинного двигателя окружен картером вентилятора, который встроен в гондолу газотурбинного двигателя. Как известно, внутреннюю поверхность этого картера обшивают акустическими панелями для ограничения распространения шума, создаваемого вентилятором.
Surface Air Cooled Oil Cooler
Картер может быть также оснащен поверхностными масляными теплообменниками типа SACOC (сокращение от английского ). Теплообменник этого типа содержит наружную поверхность, которая предназначена для обдувания вторичным воздушным потоком и на которой находятся пластинки, и по меньшей мере одну масляную камеру, расположенную под наружной поверхностью. Наружная поверхность предназначена для удаления тепловой энергии, сообщаемой маслом. В зависимости от конструкции двигателя предназначенная для рассеяния тепловая энергия масла может быть очень большой, поскольку масло может достигать температуры примерно 160°С.
Некоторые газотурбинные двигатели содержат относительно короткие гондолы по продольному размеру. Следовательно, имеется меньше места для установки оборудования и, в частности, теплообменников, также акустических панелей, позволяющих заглушать шум вентилятора.
Таким образом, габарит и интегрирование оборудования становятся основными проблемами, в частности, в плане установки теплообменников и акустических панелей в проточном тракте вторичного потока.
В документе US-В1-8,544,531 было предложено интегрировать функции теплообменника воздух/масло и звукоизоляции в одно устройство, чтобы эти две потребности не конкурировали друг с другом в одной зоне установки.
Настоящим изобретением предложено усовершенствование этой технологии, которое позволяет, в частности, оптимизировать концепцию и расположение функций теплообмена воздух/масла и звукоизоляции в зоне установки.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретением предложена панель теплообмена и уменьшения шума для газотурбинного двигателя, в частности, авиационного газотурбинного двигателя, при этом панель содержит:
- наружную поверхность, предназначенную для обдувания воздушным потоком, начиная от которой выполнены пластинки в заранее определенных первом и втором главных, предпочтительно по существу перпендикулярных направлениях,
- полости, образующие резонаторы Гельмгольца, соединенные с первыми концами воздушных каналов, вторые концы которых сообщаются с упомянутым воздушным потоком таким образом, что упомянутые каналы образуют сужения упомянутых резонаторов Гельмгольца, проходящих по существу в первом направлении пластинок,
- по меньшей мере одну масляную камеру, расположенную между упомянутой наружной поверхностью и упомянутой по меньшей мере одной полостью и предназначенную для удаления тепловой энергии, сообщаемой маслом,
при этом набор из упомянутой наружной поверхности, упомянутой по меньшей мере одной полости и упомянутой по меньшей мере одной масляной камеры расположен по существу в заранее определенном первом направлении,
отличающаяся тем, что упомянутые каналы по меньшей мере частично выполнены в упомянутых пластинках.
В настоящей заявке под резонатором Гельмгольца следует понимать акустическую систему, содержащую сужение, как правило, небольшого размера, сопряженное с полостью большего размера, которая может входить в резонанс. Сужение обеспечивает сообщение между ослабляемыми звуковыми волнами и полостью. После оптимизации системы сужение обеспечивает вязко-термическое рассеяние (быстрые и чередующиеся движения звуковых волн через сужения, которые рассеивают звуковую энергию за счет трения). Согласование по частоте, то есть оптимизация, которая позволяет генерировать эти максимальные скорости на ослабляемых частотах, происходит в основном через объем резонирующих полостей, то есть через их размеры и, в частности, их высоту. Следует уточнить, что, принимая во внимание термическую окружающую среду, можно учитывать локальные температуры для правильной оптимизации системы.
Таким образом, изобретением предложено комбинировать вышеупомянутые функции теплообменника воздух/масло и звукоизоляции в одном и том же устройстве в виде панели. Кроме того, для данной частоты настройки изобретение позволяет уменьшить габарит воздушных полостей резонаторов, благодаря каналам намного большей длины. С точки зрения акустики, чтобы оптимизировать систему на данной частоте, удлинение сужений (каналов) резонаторов позволяет увеличить находящуюся в движении воздушную массу и компенсировать таким образом небольшой объем резонирующих полостей. Кроме того, уменьшение объема резонирующих полостей оказывает положительное влияние на оборудование. Действительно, можно либо уменьшить общий объем оборудования, либо увеличить объем масляной камеры, чтобы уменьшить таким образом потерю давления, создаваемую каналами в масляной камере.
Заявленная панель может иметь один или несколько из следующих отличительных признаков, рассматриваемых отдельно друг от друга или в комбинации:
- пластинки являются по существу нормальными или наклоненными относительно наружной поверхности,
- упомянутые каналы выходят на стенки пластинок, образуя отверстия отбора воздуха из упомянутого воздушного потока,
- через каждую пластинку проходят несколько каналов,
- каналы имеют сечение по существу прямоугольной, круглой или эллиптической формы,
- панель имеет общую изогнутую форму и выполнена с возможностью образования сектора кольцевого кожуха теплообмена и уменьшения шума, например, для гондолы газотурбинного двигателя,
- каналы имеют постоянное сечение или общую форму, расширяющуюся в сторону упомянутых полостей,
- по меньшей мере некоторые из упомянутых полостей сообщаются между собой, и
- упомянутое первое направление является по существу перпендикулярным к упомянутой наружной поверхности или наклонено относительно упомянутой наружной поверхности.
Объектом настоящего изобретения является также газотурбинный двигатель, в частности, авиационный газотурбинный двигатель, отличающийся тем, что содержит по меньшей мере одну описанную выше панель.
ОПИСАНИЕ ФИГУР
Изобретение и его другие детали, отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - схематичный вид в перспективе заявленной панели теплообмена и уменьшения шума.
Фиг. 2 - вид в перспективе и в разрезе по линии II-II фиг.1.
Фиг. 3 - вид в разрезе по линии III-III фиг. 1.
Фиг. 4 - вид в разрезе по линии IV-IV фиг. 1.
Фиг. 5 - вид сверху панели, показанный на фиг. 1.
Фиг. 6-9 - виды, аналогичные фиг. 5, других вариантов выполнения изобретения.
Фиг. 10 и 11 - виды, аналогичные фиг. 5, других вариантов выполнения изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
На фиг. 1-5 представлен вариант выполнения заявленной панели теплообмена и уменьшения шума для авиационного газотурбинного двигателя.
В дальнейшем тексте описания термины, такие как «под», «снизу», «на», «сверху», «верхний», «нижний» и т.д., следует рассматривать относительно ориентации фигур. Точно так же, размеры выражены в зависимости от этой ориентации фигур. Так, «высота» обозначает размер, который проходит вертикально или снизу вверх (или наоборот), «толщина», «длина» и ширина» и даже «расстояние» обозначают размеры, измеренные по существу в горизонтальной плоскости.
Панель 10 в основном содержит три расположенные друг над другом части или слоя, а именно:
- наружную часть 12, предназначенную для обдувания охлаждающим воздушным потоком, таким как вторичный поток газотурбинного двигателя,
- промежуточную часть 14, включающую в себя охлаждаемую масляную камеру 16, и
- внутреннюю часть 18, содержащую воздушные полости 20.
Части 12 и 14 образуют поверхностный теплообменник типа SACOC, и части 12, 14 и 18 образуют акустическую панель с резонаторами Гельмгольца.
Наружная часть 2 содержит наружную поверхность 22, которая предназначена для обдувания воздушным потоком 24 и на которой находятся пластинки 26. Пластинки 26 выполнены в первом главном, в данном случае вертикальном направлении, а также во втором, в данном случае горизонтальном направлении, начиная от поверхности 24. Первое и второе направления являются по существу перпендикулярными. Горизонтальное направление, перпендикулярное к первому и второму направлениям, определяют как третье направление. Воздух проходит между пластинками 26, которые предназначены, в частности, для увеличения поверхностей теплообмена с воздухом. В представленном примере пластинки 26 предпочтительно являются прямолинейными, параллельными и независимыми, то есть не соединены между собой. Вместе с тем, можно предусмотреть другое выполнение, что будет описано ниже. Наружная поверхность 22 в данном случае показана в виде по существу квадратной или прямоугольной площадки или поверхности, обозначенной А. Хотя поверхность 22 в данном случае показана плоской, она может иметь изогнутую форму, в частности, когда панель 10 является изогнутой для облегчения ее монтажа, например, в кольцевом картере газотурбинного двигателя. Панель 10 общей изогнутой формы выполнена с возможностью образования сектора кольцевого кожуха теплообмена и уменьшения шума, например, для гондолы газотурбинного двигателя.
Пластинки 26 расположены по существу по всей длине или продольному размеру поверхности 22 во втором горизонтальном направлении. Их количество определяют, как известно, в зависимости, в частности, от заданных условий теплообмена.
Масляная камеры 16 расположена под наружной поверхностью по существу на всей ее протяженности. Она соединена с входом и с выходом масла, которые на чертежах не показаны. Направление циркуляции масла в камере может быть таким же, как и направление воздуха на поверхности 22 (стрелка 28), или может быть другим.
Воздушные полости 20 третьей части 18 находятся под масляной камерой 16. Предпочтительно они равномерно распределены и являются по существу идентичными. Они расположены рядом друг с другом в одной плоскости, по существу параллельно поверхности 22. Эти полости 20 соединены с нижними продольными концами воздушных каналов 30, верхние продольные концы которых образуют отверстия 32 сообщения с предназначенным для ослабления звуковым источником. Система, образованная каналами 30 и полостями 20, образует резонаторы Гельмгольца, при этом каналы образуют сужения, а полости образуют резонирующие полости резонаторов. По меньшей мере некоторые из полостей 20 могут сообщаться между собой, как показано на фиг. 7 и 8.
Изобретением предложена панель меньшего габарита, благодаря выполнению по меньшей мере части каналов 30 в пластинках 26. Как видно из представленного примера, каналы 30 имеют по существу прямолинейную и вертикальную ориентацию и содержат нижние части, проходящие в масляной камере 16, и верхние части, проходящие в пластинках 26. Кроме того, в представленном частном случае каналы 30 имеют верхние концы, которые выходят на стенки пластинок, в частности, на вершины или верхние свободные концы пластинок 26 и образуют вышеупомянутые отверстия 32 сообщения. Как показано на фиг. 2, через каждую пластинку 26 проходят несколько каналов 30.
Предпочтительно каналы 30 распределены в виде матрицы. Так, каналы 30 распределены по строкам и столбцам в масляной камере 26. В представленном примере каждая пластинка 26 содержит ряд отверстий 32.
Заявленная панель 10 может иметь следующие размеры, оптимизированные для максимального подавления акустических частот газотурбинного двигателя, то есть частот, составляющих от 400 до 2000 Гц:
е
а
- пластинки 26 имеют толщину  (то есть размер в третьем направлении), составляющую от 0,5 до 2 мм, и отстоят друг от друга на расстояние  (в третьем направлении) от 1 до 5 мм,
с
- масляная камера 16 имеет высоту  (в первом вертикальном направлении) от 1 до 10 мм,
d
- каналы 30 имеют средний диаметр  от 1 до 2 мм,
f
- полости 20 имеют высоту  (в первом вертикальном направлении, составляющую от 5 до 150 мм, и
2
- степень перфорирования σ упомянутой наружной поверхности составляет от 5 до 10%. Эта степень перфорирования равна соотношению совокупности сечений отверстий 32 (n.π.(d/2), где n является числом отверстий 32 или каналов 30) и площади А поверхности резонаторов, которая считается по существу равной площади наружной поверхности 22. Разностью между площадью наружной поверхности и поверхности резонаторов можно пренебречь. Резонаторы разделены стенками, уменьшающими их поверхность по сравнению с наружной поверхностью. Однако в первом приближении эти две поверхности являются эквивалентными.
Под средним диаметром следует понимать диаметр канала, если он является цилиндрическим, среднее значение диаметров канала, если он имеет непостоянное круглое сечение и, например, расширяется или имеет форму усеченного конуса, и диаметр круглого сечения, эквивалентного сечению канала, когда последнее не является круглым, а, например, прямоугольным.
Частоту настройки резонатора Гельмгольца можно аппроксимировать при помощи следующей формулы:
Частота настройки=
где С: скорость звука (м/с)
2
S: сечение сужения (м)
3
V: объем резонатора (м)
lʹ: скорректированная длина сужения (м), при этом lʹ=l+δ
где l: геометрическая длина сужения (м)
δ: коррекция сужения
при этом δ=1.7r(1-0.7 для расположенных рядом резонаторов,
где r: радиус отверстия (м)
σ: степень перфорирования
с
b
В этой формуле сечение сужения S соответствует вышеупомянутому сечению отверстия 32, объем V соответствует объему полости 20, и длина сечения l или lʹ по существу соответствует сумме толщины  масляной камеры 16 и высоты  пластинок 26.
Предпочтительно:
b
- пластинки 26 имеют высоту  (в первом вертикальном направлении), составляющую от 10 до 25 мм, и
а
- отверстия 32 внутри одного ряда отстоят друг от друга на расстояние g (во втором направлении) от 1,57 до 31,42 мм. Промежуток между отверстиями двух смежных рядов соответствует промежутку  (в третьем направлении) между двумя смежными пластинками 26.
Каналы 30 имеют продольные оси, по существу перпендикулярные к упомянутой наружной поверхности 22 или наклонены относительно упомянутой наружной поверхности 22. Они имеют общую продольную цилиндрическую форму с постоянным сечением или форму параллелепипеда в примере, представленном на фиг. 1-5. Они могут иметь другую форму, например, усеченного конуса или расширяться в сторону полостей 20, как показано на фиг. 6. Каналы на фиг. 6 имеют входное сечение, то есть сечение, взятое в отверстии 32, через которое канал 30 выходит на поверхность 22, меньшее их противоположного так называемого выходного сечения. Каналы 30 имеют сечение по существу прямоугольной, круглой или эллиптической формы. Это позволяет, в частности, ограничить уменьшение ширины частотного диапазона подавления, задаваемого длиной каналов 30ʹ, то есть высотой масляной камеры 16.
Кроме того, как показано на фиг. 7 и 8, между резонирующими полостями 20 можно предусмотреть воздушные проходы 40 для оптимизации теплообменов между ними в ущерб акустической эффективности. Этот вариант позволяет также преодолеть проблемы, связанные с расширениями перегородок, которые образуют полости 20. Эти воздушные проходы могут находиться на уровне верхних концов полостей (фиг. 7) или на уровне их нижних концов (фиг. 8).
На фиг. 8-10 представлены другие варианты выполнения, характеристики которых немного ниже, чем у вариантов с прямолинейными, параллельными и независимыми пластинками. В варианте на фиг. 8 пластинки не являются независимыми и, наоборот, попарно связаны между собой. Верхний конец каждой пластинки 26ʹ соединен перемычкой материала 42 с верхним концом смежной пластинки 26'. В варианте выполнения, показанном на фиг. 9 пластинки 26" являются прямолинейными, но не строго параллельными. В варианте на фиг. 10 пластинки 26ʺʹ имеют общую волнистую (не прямолинейную) форму и в основном являются параллельными во втором направлении протяженности.
Изобретение представляет собой решение, позволяющее удовлетворить реальную потребность в средстве интегрирования функций теплообменника воздух/масло и звукоизоляции в одно устройство, чтобы избежать конкуренции между двумя потребностями в зоне установки.
Хотя настоящее изобретение описано в случае применения, в частности, для авиационного газотурбинного двигателя, его можно применять для любого типа газотурбинного двигателя.