Многослойная звукопоглощающая конструкция двухконтурного турбореактивного двигателя
Multi-layer sound-absorbing structure of a double-flow turbojet engine

Заявляемое техническое решение принадлежит к многослойным звукопоглощающим конструкциям и предназначено для использования в самолетостроении, а также в производстве авиационных турбореактивных двигателей, в частности, двухконтурных.
Известна многослойная конструкция, которая содержит два несущих слоя, между которыми расположен гофрированный заполнитель, неподвижно соединенный с несущими слоями, в частности, с помощью клея (см. Панин В.Ф., Гладков Ю.А., «Конструкции с заполнителем: справочник», М., «Машиностроение», 1991, стр. 8, 9, рис. 1.1 в). Несущие слои выполнены из листового материала, а гофрированная структура заполнителя может быть трапециевидной (см. стр. 10, рис. 1.4 в) или двойной (стр. 10, рис. 1.4 е).
Действительно, применение склеивания для скрепления элементов данной конструкции снижает трудоемкость ее изготовления, однако, в результате склеивания происходит снижение звукопроницаемой площади, что уменьшает эффективность звукопоглощения устройства в целом.
Известна звукопоглощающая панель (патент США №3542152, класс МПК B64D 33/06, опубл. 24.11.1970), содержащая перфорированный облицовочный лист и защитный лист и размещенный между ними заполнитель, представленный двумя неподвижно соединенными между собой гофрированными листовыми элементами, на боковых поверхностях которых выполнена перфорация. При этом один гофрированный листовой элемент по площадкам контакта неподвижно скреплен с перфорированным облицовочным листом, а второй гофрированный листовой элемент - с защитным листом, в результате образуется множество первичных и вторичных трубчатых резонаторных камер, которые обеспечивают поглощение звука.
Применение заполнителя в виде двух неподвижно соединенных между собой гофрированных листовых элементов увеличивает эффективность звукопоглощения в широком диапазоне частот, однако, недвижимое скрепление по площадкам контакта гофрированного листового элемента с перфорированным облицовочным листом приводит к уменьшению числа его открытых отверстий, что снижает эффективность звукопоглощения указанного устройства.
Известны конструкции многослойных панелей (патент Российской Федерации №2265552, класс МПК В64С3 /26, опубл. 10.12.2005 и авторское свидетельство СССР №1646196, класс МПК В64С 3/26, опубл. 27.12.1996), которые содержат обшивки, соединенные с помощью композиционного клеющего материала, с размещенным между ними гофрированным заполнителем зигзагообразной структуры.
Общим недостатком указанных технических решений является высокая трудоемкость изготовления гофрированного заполнителя зигзагообразной структуры, требующая наличия конструктивно сложной и дорогостоящей формообразующей оснастки.
Следует отметить, что применение в указанных многослойных панелях одного слоя гофрированного заполнителя зигзагообразной структуры недостаточно для обеспечения эффективного звукопоглощения в широком диапазоне частот.
Известна конструкция многослойной композиционной панели, раскрытая в способе изготовления звукопоглощающего устройства турбореактивного двигателя (патент Российской Федерации №2320881, класс МПК F02C 7/24, опубл. 27.03.2008), которая содержит звукопоглощающий заполнитель, расположенный между трактовой и наружной оболочками. Звукопоглощающий заполнитель выполнен в виде коаксиально расположенных, изолированных друг от друга профилей в форме четырехугольника, собранных в отдельные секции. Прошедшие полимеризацию отдельные секции укладывают на сформированную трактовую оболочку по окружности, с примыканием друг к другу и совмещением профилей. Далее наматывают наружную оболочку и полученную сборку повторно полимеризуют, после чего в трактовой оболочке и обращенных к ней стенках профилей выполняют перфорацию.
Недостатком вышеописанной многослойной композиционной панели является высокая трудоемкость изготовления, вызванная:
- многоразовыми операциями полимеризации при изготовлении каждого элемента конструкции,
- выполнением перфорации в трактовой оболочке и обращенных к ней стенках профилей из полимерных композитов,
- необходимостью удаления из полостей заполнителя продуктов обработки, образованных при выполнении перфорации.
Кроме того, на торцах отверстий со сторон внутренних полостей звукопоглощающего заполнителя при выполнении перфорации образуется ворсистость, на которую в процессе эксплуатации осаждается пыль, что приводит к уменьшению диаметра отверстий и снижает эффективность звукопоглощения многослойной композиционной панели.
Наиболее близкой к заявляемой многослойной звукопоглощающей конструкции является устройство для звукопоглощения в двухконтурном турбореактивном двигателе (патент Российской Федерации №2230208, класс МПК F02C 7/24, опубл. 10.06.2004), содержащее скрепленные перфорированную трактовую стенку и слои заполнителей, поперечный разрез каждого из которых представлен фигурой с замкнутым профилем, преимущественно в форме четырехугольника. Каждый из заполнителей скреплен одной стороной с перфорированной трактовой стенкой и с соответствующей стороной смежного заполнителя. Большая сторона каждого слоя заполнителя выполнена перфорированной. На перфорированной трактовой стенке выполнены сквозные отверстия.
В процессе сборки устройства для звукопоглощения, а именно, скрепления перфорированной трактовой стенки и сторон заполнителей, которые представлены слоями, имеет место несовпадение отверстий на трактовой стенке с отверстиями на сторонах заполнителей, что уменьшает число открытых отверстий на перфорированной трактовой стенке и снижает эффективность звукопоглощения указанного устройства, которое имеет площадь перфорации 10…12% от площади трактовой стенки.
Выполнение перфорации на стенке, которая разделяет первый и второй слои заполнителя, увеличивает трудоемкость изготовления устройства.
При выполнении отверстий в слоях заполнителя продукты обработки перекрывают отверстия перфорации, что снижает акустическую характеристику устройства.
Перед авторами стояла задача создать многослойную звукопоглощающую конструкцию двухконтурного турбореактивного двигателя, в которой обеспечивалось бы необходимое (расчетное) число открытых отверстий на перфорированной трактовой стенке, и при этом получить совокупный технический результат, содержащий несколько, логически взаимозависимых, технических результатов.
Основным техническим результатом является повышение эффективности звукопоглощения в широком диапазоне частот многослойной звукопоглощающей конструкции за счет повышения числа открытых отверстий на перфорированной трактовой стенке и применение заполнителя, который состоит из двух и более слоев.
При этом должен быть получен технический результат уменьшения трудоемкости изготовления многослойной звукопоглощающей конструкции, вызванный технологией сборки заявляемого технического решения, которая исключает операции по восстановлению открытых отверстий на перфорированной трактовой стенке и выполнению сквозных отверстий на площадках контакта заполнителя.
Указанный технический результат достигается тем, что в предложенной многослойной звукопоглощающей конструкции двухконтурного турбореактивного двигателя, содержащей перфорированную трактовую стенку и звуконепроницаемую стенку, соединенные по площадкам контакта с помощью композиционного клеющего материала с размещенным между ними трубчатым и/или гофрированным заполнителем, который состоит из двух и более слоев, сделано усовершенствование.
Усовершенствование заключается в том, что на площадках контакта заполнителя, которые расположены в месте соединения с перфорированной трактовой стенкой и образуют ряды параллельных полос, выполнены ряды продольных сквозных пазов, которые расположены симметрично по ширине площадок контакта, которая равняется 1,4-1,7 ширины сквозных пазов, сквозные пазы в соседних рядах параллельных полос расположены в шахматном порядке.
Длина сквозного паза составляет 10-12 его ширины, а расстояние между двумя соседними сквозными пазами одного ряда равняется ширине сквозного паза.
Перфорация трактовой стенки образована параллельными рядами сквозных отверстий, сквозные отверстия в соседних рядах расположены в шахматном порядке. Диаметр сквозного отверстия равняется 0,40-0,45 ширины сквозного паза, расстояние между двумя соседними отверстиями одного ряда равняется расстоянию между двумя соседними рядами сквозных отверстий и составляет 0,90-0,95 ширины сквозного паза.
Ряды продольных сквозных пазов параллельны рядам сквозных отверстий.
Гофрированный заполнитель представлен двумя неподвижно соединенными гофрированными листами с гофрами П-образной формы с размещенным между ними звукопроницаемым листом.
Трубчатый и/или гофрированный заполнитель выполнен из тонколистового полимерного композиционного материала.
Трактовая стенка выполнена из тонколистового эрозионно-коррозионностойкого титанового сплава с предварительно выполненной перфорацией.
Таким образом, выполнение на площадках контакта заполнителя, расположенных в местах соединения с перфорированной трактовой стенкой, рядов продольных сквозных пазов в совокупности с рациональным подбором их взаимного расположения, геометрической формы и размеров с взаимным расположением, геометрической формой и размерами сквозных отверстий на перфорированной трактовой стенке приводит к повышению эффективности звукопоглощения в широком диапазоне и уменьшению трудоемкости изготовления заявляемой многослойной звукопоглощающей конструкции.
Предлагаемая многослойная звукопоглощающая конструкция двухконтурного турбореактивного двигателя иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3.
На фиг. 1 показана аксонометрическая проекция многослойной звукопоглощающей конструкции двухконтурного турбореактивного двигателя.
На фиг. 2 приведен вид на перфорированную трактовую стенку, соединенную по площадкам контакта с заполнителем.
На фиг. 3 приведенный фрагмент перфорированной трактовой стенки.
Многослойная звукопоглощающая конструкция двухконтурного турбореактивного двигателя содержит перфорированную трактовую стенку 1 (фиг. 1), трубчатый и/или гофрированный заполнитель 2, звуконепроницаемую стенку 3, скрепленные по площадкам контакта с помощью композиционного клеющего материала.
Трубчатый и/или гофрированный заполнитель 2 представлен двумя неподвижно соединенными гофрированными листами 5 и 6 с гофрами П-образной формы двух типоразмеров, между которыми располагается звукопроницаемый лист 7. Перфорированная трактовая стенка 1 содержит параллельные ряды сквозных отверстий 4, сквозные отверстия 4 в соседних рядах расположены в шахматном порядке. При этом гофрированный лист 5 неподвижно скреплен по площадкам контакта 9, образующие ряды параллельных полос, с перфорированной трактовой стенкой 1, а гофрированный лист 6 - с звуконепроницаемой стенкой 3.
Трубчатый и/или гофрированный заполнитель 2 выполнен из тонколистового полимерного композиционного материала, а перфорированная трактовая стенка 1 - из тонколистового эрозионно-коррозионностойкого титанового сплава с предварительно выполненной перфорацией.
На площадках контакта 9 заполнителя 2, представленные рядами параллельных полос шириной Н (фиг. 1, фиг. 2 вид Б) гофрированного листа 5 выполнены ряды продольных сквозных пазов 8, которые расположены симметрично по ширине Н площадок контакта 9, которая равна 1,4-1,7 ширины h сквозных пазов 8, сквозные пазы 8 в соседних рядах параллельных полос расположены в шахматном порядке. Длина L сквозного паза 8 составляет 10-12 его ширины h, а расстояние l между двумя соседними сквозными пазами 8 одного ряда равно ширине h сквозного паза 8.
В результате соединения перфорированной трактовой стенки 1, трубчатого и/или гофрированного заполнителя 2 и звуконепроницаемой стенки 3 образуется множество первичных и вторичных трубчатых резонаторных камер, расположенных перпендикулярно звуковому потоку с направлением А (фиг. 1), которые обеспечивают поглощение звука.
Диаметр d каждого сквозного отверстия 4 (фиг. 3 вид Д) равен 0,40-0,45 ширины h сквозного паза 8. Расстояние В между двумя соседними сквозными отверстиями 4 одного ряда равно расстоянию Г между двумя соседними рядами сквозных отверстий 4 и составляет 0,90-0,95 ширины h сквозного паза 8.
При сборке многослойной звукопоглощающей конструкции двухконтурного турбореактивного двигателя ряды продольных сквозных пазов 8 (фиг. 1, фиг. 2 вид Б) выставляют параллельно рядам сквозных отверстий 4, что обеспечивает на перфорированной трактовой стенке 1 не менее 80% открытых отверстий с коэффициентом перфорации равным 15,5…17%.
Наличие продольных сквозных пазов 8 исключает технологические операции по удалению композиционного клеющего материала из сквозных отверстий 4 на перфорированной трактовой стенке 1 и выполнение открытых отверстий на площадках контакта 9 гофрированного листа 5 заполнителя 2 (фиг. 1), что уменьшает трудоемкость изготовление многослойной звукопоглощающей конструкции турбореактивного двухконтурного двигателя.
При работе двухконтурного турбореактивного двигателя в условиях высокоскоростного потока воздуха дискретными гармониками шума вентилятора генерируется высокое звуковое давление струи. Шум струи воспринимается перфорированной трактовой стенкой 1, первичными и вторичными резонаторными камерами. В результате энергия колебаний проходит диссипацию в полости первичных и вторичных резонаторных камер, а часть энергии сниженной частоты возвращается через сквозные отверстия 4 перфорированной трактовой стенки 1, что также приводит к снижению уровня звукового давления, обеспечивая повышение эффективности звукопоглощения в широком диапазоне частот многослойной звукопоглощающей конструкции.
Взаимосвязь расположения и размеров параллельных рядов сквозных отверстий 4 перфорированной трактовой стенки 1 с параллельными рядами сквозных пазов 8 заполнителя 2 обеспечивает не менее 80% открытых сквозных отверстий 4 с коэффициентом перфорации 15,5…17,0%.
В соответствии представленному в описании техническому решению изготовлены исследовательские образцы многослойных звукопоглощающих конструкций, которые прошли испытание в профиле реальных турбореактивных двухконтурных двигателей Д-18Т серии 3М и Д-436-148ФМ, которые подтвердили работоспособность и заявленный технический результат.
Благодаря предложенному техническому решению, повышена эффективность звукопоглощения в широком диапазоне частот и уменьшена трудоемкость изготовления многослойной звукопоглощающей конструкции турбореактивного двухконтурного двигателя.