ГЛУШИТЕЛЬ ШУМА
SILENCER

Изобретение относится к машино- и авиастроению, а именно к разработке и конструированию средств снижения шума, распространяющегося по аэродинамическим каналам, в частности по каналам с потоком, имеющим дозвуковую скорость течения, например шума вентилятора авиационного турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД).
Известны широкополосные глушители шума турбомашин, например шума вентиляторов авиационных двухконтурных турбореактивных двигателей (ТРДД), устанавливаемые в их воздухозаборных и выхлопных каналах и использующие решетчатые структуры (см. патенты RU 22282042, RU 2291324, RU 2007102264). Глушители такого рода содержат установленный на стенке канала кольцевой кожух, охватывающий канал, и кольцевую решетку профилей, установленную в полости кожуха, причем воздушные объемы между соседними профилями решетки сообщены с полостями кожуха и канала, патент RU 2291324 от 22.12.2004 г. В частных случаях осерадиальные пластины или профили одной или нескольких замкнутых кольцевых решеток могут быть выполнены консольными, патент RU №2291324 от 23.06.2005 г., при этом решетки, установленные на стенке канала круглого и/или кольцевого сечения, занимают часть площади его поперечного сечения. Наконец, известна комбинированная система шумоглушения, включающая одновременно решетчатый глушитель шума и участок канала, облицованный звукопоглощающими конструкциями, патент RU №2007102264 от 23.01.2007 г. Такая система представляет из себя устройство для снижения шума, расположенное на стенке канала круглого и/или кольцевого сечения турбомашин, состоящее из замкнутых кольцевых решеток и звукопоглощающей облицовки, при этом замкнутые кольцевые решетки, например осерадиальных пластин или профилей, образуют участок канала, обеспечивающий отражение распространяющего по каналам турбомашин шума, а звукопоглощающая облицовка, полностью или частично покрывающая стенку канала, образует участок канала, обеспечивающий поглощение распространяющегося шума, причем участок канала со звукопоглощающей облицовкой расположен между источником шума и участком канала, содержащим замкнутые кольцевые решетки.
Шум вентиляторов ТРДД является весьма высокочастотным и широкополосным шумом, как правило, переносимым набором нескольких основных энергонесущих азимутальных вращающихся мод. Это справедливо даже для основной роторной частоты вентилятора, акустическая энергия на которой связывается преимущественно с шумом ударных волн. Снижение шума, например, решетчатыми глушителями достигается установкой в каналах кольцевого или круглого сечения решетчатых конструкций, препятствующих распространению вращающихся (азимутальных) акустических мод, переносящих основную часть шума, возбужденного турбомашинами.
Хотя эффективность таких глушителей в указанных патентах была проиллюстрирована результатами экспериментов, однако эти эксперименты дали ответы не на все вопросы, возникающие в процессе практического применения глушителей подобного рода. В частности, очевидными недостатками таких устройств являются значительные аэродинамические возмущения потока, вызывающие вторичную генерацию шума турбомашины, а также возможная нежелательная собственная генерация шума глушителем. Кроме того, в указанных патентах не были определены осевые габариты применяемых решетчатых структур и принципы их оптимального расположения в канале относительно выходных сечений канала и участков звукопоглощающей облицовки.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение акустической и аэродинамической эффективности глушения шума, в частности шума турбомашин и, в особенности, вентиляторов ТРДД, с помощью глушителей шума, использующих решетчатые структуры.
Технический результат в глушителе шума достигается отделением полости кольцевого кожуха от полости канала перфорированным экраном со степенью перфорации не менее 25%, обеспечением расстояния от выходного сечения канала до ближайшей решетки не менее 0.1 диаметра канала, обеспечением расстояния от решетки до ближайшего участка звукопоглощающей облицовки канала не менее 0.1 диаметра канала и использованием решеток с собственной осевой длиной не более 0.1 диаметра канала.
На фиг.1 показан общий изометрический вид решетчатого элемента с перфорированным экраном заявляемого глушителя шума.
На фиг.2 и 3 в качестве примера представлен продольный разрез схемы решетчатого элемента заявляемого глушителя шума с решеткой, установленной в полости кожуха на стенке канала заподлицо с ней, и с перфорированным экраном.
На фиг.4 и 5 показано расположение решетчатого элемента, содержащего в кольцевой полости решетку с перфорированным экраном, в глушителе шума вентилятора применительно к воздухозаборному каналу ТРДД.
Работа заявляемого глушителя шума осуществляется следующим образом. При попадании в канал 1 на фиг.1 акустические моды, переносящие звуковую энергию, достигают кожуха 3 с расположенной в нем кольцевой решеткой 2. Известно, что в сечениях канала 1, в которых акустические свойства стенок канала 1 претерпевают какие-либо изменения, происходит частичное отражение акустических волн и частичная трансформация одних акустических мод в другие. Кроме того, кольцевая решетка 2, сообщающаяся с полостью канала 1, играет роль акустического замедлителя звуковых волн, поскольку вдоль нее, то есть поперек направления движения звуковых волн от источника шума, начинается движение поверхностной волны (волны Релея), не распространяющейся в осевом направлении, то есть к выходу из канала 1. Одновременно решетка 2 затрудняет распространение в ней азимутальных акустических мод. Возмущая акустическое поле в канале 1 решетка 2, независимо от частоты звука, отражает часть звуковой энергии обратно к источнику звука. При этом перфорированный экран 7 препятствует возникновению пульсаций потока в кожухе, снижая вихреобразование и гидравлические потери энергии протекающего по каналу потока.
В частном случае решетка 2 может выступать в полость канала 1. В этом случае перфорированный экран 7 также препятствует возникновению пульсаций потока в кожухе 3, снижая вихреобразование и гидравлические потери энергии протекающего по каналу 1 потока 5.
Работу заявляемого глушителя шума иллюстрирует также фиг.2 и 3, где представлен продольный разрез схемы заявляемого глушителя шума в частном случае решетки 2, установленной в полости кожуха 3 заподлицо со стенкой канала 1. Глушитель шума на фиг.2 состоит из канала 1, имеющего дозвуковой поток газа, например, в направлении потока 5. На выходе из канала 1 находится источник 4 шума, распространяющегося навстречу потоку, например, вентилятор ТРДД. Глушитель шума состоит из кольцевой полости кожуха 3, содержащей решетку 2 радиальных пластин или профилей, возможно, выступающих в полость канала, а также, возможно, свободный объем кольцевой полости.
На фиг.4 и 5 показано расположение решетчатого элемента глушителя в системе шумоглушения применительно к установке ее в воздухозаборном канале ТРДД перед вентилятором 10. Видно, что решетчатый элемент системы шумоглушения располагается на некотором расстоянии - не менее 0.1 диаметра канала - от края 9 воздухозаборного канала и на некотором расстоянии - не менее 0.1 диаметра канала - от границы участка канала 1, облицованного звукопоглощающими конструкциями 8. Кроме того, осевой размер самого решетчатого элемента также не превышает 0.1 диаметра канала. Сами решетчатые элементы могут быть достаточно разнообразными по своей конструкции, см. патент RU №2291324.
Предложенное техническое решение обосновывается прямыми экспериментами, поставленными на модельном вентиляторе ТРДД с системами шумоглушения в воздухозаборном канале, включающими как решетчатые, так и звукопоглощающие элементы.
Эксперименты показали следующее.
Известно, что любые глушители шума всегда характеризуются также некоторой способностью к нежелательной собственной генерации шума. При этом хороший глушитель отличается высокой способностью снижения шума, существенно превышающей его собственную генерацию шума. В решетчатых глушителях нежелательная генерация шума может быть вызвана, во-первых, возмущениями потока в канале, прошедшего зону расположения решетчатых элементов, имеющих открытые кольцевые полости, и достигшего рабочего колеса турбомашины.
Снижения этой нежелательной дополнительной генерации шума можно добиться путем экранирования кольцевой полости акустически прозрачным перфорированным листом со степенью перфорации, превышающей 25%, что может быть выполнено и в случае, если решетка профилей выступает внутрь канала, за пределы полости кожуха. Эксперименты показали, что такой перфорированный лист практически не снижает собственную акустическую эффективность глушителя.
Во-вторых, собственная генерация шума решетчатым глушителем может быть связана с его собственным акустическим полем, содержащим движущиеся по окружности вдоль входной и выходной плоскостей решетки акустические волны, амплитуда которых экспоненциально уменьшается вдоль оси канала при удалении от решетки. Эти не распространяющиеся или акустически отсеченные звуковые волны, тем не менее, если решетка расположена очень близко к выходному сечению, могут достигать выходного сечения канала и излучаться из него в окружающее пространство.
Эксперименты показали, что это нежелательное излучение становится практически незаметным, если расстояние d, фиг.4, от выходного и/или входного сечения канала до решетки превышает 0.1 диаметра канала.
Выполненные эксперименты также позволили сформулировать приемы оптимизации как самого решетчатого элемента глушителя шума, так и его размещения относительно участка звукопоглощающей облицовки канала 8 канала 1. А именно было установлено, что дифракционные процессы в решетке 2, то есть процессы трансформации в ней падающего волнового поля, практически полностью завершаются при ее осевой длине, составляющей 0.1 диаметра канала.
Кроме того, расстояние h, см. фиг.4, от решетчатого элемента до участка звукопоглощающей облицовки 8 должно быть не менее 0.1 диаметра канала, поскольку в противном случае звукопоглощение начинает сказываться на волновых процессах в решетке 2, ослабляя их и снижая собственную акустическую эффективность решетчатого элемента глушителя шума.
Таким образом, физический механизм снижения шума, используемый в решетчатом элементе заявляемого глушителя, обеспечивает повышение акустической эффективности глушителя шума, при распространении шума как по потоку, так и против него, например, при установке глушителя шума в воздухозаборнике и/или в наружном канале ТРДД. Поэтому различные варианты глушителей шума, использующих решетчатые элементы и звукопоглощающие конструкции, могут устанавливаться как во входных, так и в выхлопных каналах турбомашин.