Звукопоглощающая панель для тракта турбовентиляторного двигателя
Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к устройствам подавления шума турбовентиляторных авиационных двигателей. Звукопоглощающая панель для тракта турбовентиляторного двигателя содержит стенку силового корпуса, перфорированную трактовую стенку, перфорированную стенку в полости вне тракта, фронтовой слой сотового заполнителя, а также тыловой слой сотового заполнителя. Фронтовой слой сотового заполнителя размещен между перфорированными трактовой стенкой и стенкой в полости вне тракта. Тыловой слой сотового заполнителя размещен между перфорированной стенкой в полости вне тракта и стенкой силового корпуса. Трактовая стенка и фронтовой слой сотового заполнителя выполнены каждый из слоев полимерных композитных материалов на основе тканевого или ленточного материалов. Площадь перфорации трактовой стенки составляет 8,5%-11,5% ее площади. Стенка силового корпуса, перфорированная стенка в полости вне тракта и тыловой слой сотового заполнителя выполнены металлическими. Площадь перфорации стенки в полости вне тракта составляет 1,5%-2,5% ее площади. Периметры ячеек фронтового и тылового слоев сотового заполнителя, а также толщина трактовой стенки связаны соотношением, в котором периметр ячеек фронтового слоя равен произведению акустического параметра канала наружного контура двигателя, умноженного на периметр ячеек тылового слоя сотового заполнителя, умноженный на толщину трактовой стенки. Акустический параметр наружного контура двигателя составляет 0,707-3,16. Изобретение позволяет повысить эффективность звукопоглощения конструкции для тракта турбовентиляторного двигателя без существенных потерь его тяги. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно - к устройствам подавления шума турбовентиляторных авиационных двигателей.
Известна звукопоглощающая облицовка тракта турбореактивного двигателя, содержащая сотовый наполнитель, размещенный между наружной и внутренней стенками, первая из которых расположена с зазором относительно силового корпуса, а вторая выполнена перфорированной, при этом наружная стенка также выполнена перфорированной со степенью перфорации, составляющей 3-20%, а отношение зазора к расстоянию от внутренней стенки до корпуса равно 0,3-0,7 (RU, патент №1324376, F 02 C 7/24, 18.04.2003 г).
Недостатком известной конструкции является неполное использование возможности повышения эффективности поглощения звука в диапазоне частот 1250-5000 Гц дискретных гармоник тонального шума вентилятора, а также компрессора и турбины, что объясняется зависимостью акустической эффективности от режима работы двигателей. Также недостатком известной конструкции является невысокая конструктивная прочность стенки 4 силового корпуса, выполненной с зазором, без опор относительно перфорированной наружной стенки 2, а также низкая виброакустическая прочность звукопоглощающей облицовки преимущественно на переменных режимах при возникновении резонансных колебаний (флаттера).
Известна однослойная звукопоглощающая конструкция, содержащая металлические: стенку силового корпуса, перфорированную трактовую стенку и слой сотового заполнителя, скрепленные между собой сваркой или пайкой (Журнал "Аэрокосмический курьер" №2, 2003 г., стр.16, рис.2).
Известные сотовые звукопоглощающие панели имеют следующие недостатки. Применяемый в них метод резонансного звукопоглощения позволяет добиться высоких акустических характеристик в узком диапазоне частот - не более 500...1250 Гц, а частотный диапазон шума современных авиационных силовых установок с высокой степенью двухконтурности находится в пределах от 500 до 8000 Гц. Поэтому для достижения высоких показателей в широком диапазоне частот требуется увеличение строительной высоты панели или применение многослойных сотовых звукопоглощающих конструкций (ЗПК).
В настоящее время для снижения шума отечественных самолетов с газотурбинными двигателями используются трех- и пятислойные сотовые панели, содержащие стенку силового корпуса, перфорированную трактовую стенку, перфорированную стенку в полости вне тракта, фронтовой слой сотового заполнителя, размещенный между перфорированной трактовой стенкой и стенкой в полости вне тракта, а также тыловой слой сотового заполнителя, размещенный между перфорированной стенкой в полости вне тракта и стенкой силового корпуса (Журнал "Аэрокосмический курьер", №2, 2003 г., стр.28, рис.1).
Недостатком известной конструкции является неполное использование возможности повышения эффективности поглощения звука в диапазоне частот 1250...5000 Гц дискретных гармоник тонального шума вентилятора, а также шума компрессора и турбины. Это объясняется отсутствием определенной зависимости отношения площадей перфорации в трактовой стенке, расположенной в полости вне тракта, при определенном, по существу одинаковом между собой, отношении периметра ячеек фронтового и тылового слоев сотового заполнителя, без учета толщины трактовой стенки и панели. Применение звукопоглощающих панелей с несколькими сотовыми слоями с различной высотой ячеек может значительно расширить спектр поглощаемых частот шума. Однако изготовить такие конструкции с помощью сварки в настоящее время невозможно из-за недостаточного уровня производства.
Наиболее близкой к заявляемой конструкции является звукопоглощяющая акустическая панель гондолы турбовентиляторного двигателя с клиновидным обтекателем и передним цельным кольцом, содержащая стенку силового корпуса, перфорированную трактовую стенку, перфорированную стенку в полости вне тракта, фронтовой слой сотового заполнителя, размещенный между перфорированными трактовой стенкой и стенкой в полости вне тракта, а также тыловой слой сотового заполнителя, размещенный между перфорированной стенкой в полости вне тракта и стенкой силового корпуса (US, патент №6173807, F 02 K 1/00, 13.04.1989 г. - прототип).
Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является неполное использование возможности оптимизации элементов звукопоглощающих конструкций: фронтового и тылового слоев сотового заполнителя по типу резонаторов Гельмгольца, адаптированных одновременно к акустической настройке резонаторов Гельмгольца фронтового и тылового слоев для комбинационного и широкополосного шумов вентилятора и компрессора для повышения виброакустической прочности и запасов по шуму двигателя согласно Главы 4 норм ИКАО (Международная организация гражданской авиации), вводимых с 2006 года.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности звукопоглощения конструкции для тракта турбовентиляторного двигателя без существенных потерь его тяги, преимущественно за счет демпфирования и уменьшения толщины пограничного слоя, а также снижения внутренних потерь при протекании воздуха в вентиляторном канале с импедансными границами.
Сущность технического решения заключается в том, что в звукопоглощающей панели для тракта турбовентиляторного двигателя, содержащей стенку силового корпуса, перфорированную трактовую стенку, перфорированную стенку в полости вне тракта, фронтовой слой сотового заполнителя, размещенный между перфорированными трактовой стенкой и стенкой в полости вне тракта, а также тыловой слой сотового заполнителя, размещенный между перфорированной стенкой в полости вне тракта и стенкой силового корпуса, согласно изобретению трактовая стенка и фронтовой слой сотового заполнителя выполнены каждый из слоев полимерных композитных материалов на основе тканевого или ленточного материалов, причем площадь перфорации трактовой стенки составляет 8,5%-11,5% ее площади, а стенка силового корпуса, перфорированная стенка в полости вне тракта и тыловой слой сотового заполнителя выполнены металлическими, причем площадь перфорации стенки в полости вне тракта составляет 1,5%-2,5% ее площади, при этом периметры ячеек фронтового и тылового слоев сотового заполнителя, а также толщина трактовой стенки связаны соотношением: Рф=К Рт Т, где: Рф - периметр ячеек фронтового слоя сотового заполнителя, Рт - периметр ячеек тылового слоя сотового заполнителя, Т - толщина трактовой стенки, К=0,707-3,16. Толщина трактовой стенки составляет 0,055-0,025 толщины панели, диаметр перфорации составляет 1,1-2,2 толщины трактовой стенки, а глубина отверстий перфорации не превышает половины высоты фронтового слоя сотового заполнителя. Между стенками силового корпуса и перфорированной трактовой стенкой размещены ряды втулок с отверстиями, сквозь которые эти стенки соединены крепежными элементами, причем максимальная высота каждой из втулок меньше минимальной высоты панели на величину толщины стенки силового корпуса. Вокруг каждой из втулок ячейки фронтового слоя сотового заполнителя заполнены материалом, плотность которого не превышает плотность материала трактовой стенки, при этом заполненные материалом ячейки образуют замкнутое вокруг втулки кольцо одного ряда. Плотность материала трактовой стенки составляет не более 2 г/см3, при этом содержание связующего составляет 35±5%, а степень полимеризации составляет не менее 93%.
Выполнение трактовой стенки и фронтового слоя сотового заполнителя каждого из слоев полимерных композитных материалов на основе тканевого или ленточного материалов, причем площадь перфорации трактовой стенки составляет 8,5%-11,5% ее площади, обеспечивает совместно с другими выбранными параметрами настройку панели на вторую гармонику частоты следования лопаток вентилятора. Выход за пределы этой области снижает звукопоглощение на данной частоте ниже необходимого значения.
Выполнение стенки силового корпуса, перфорированной стенки в полости вне тракта и тылового слоя сотового заполнителя металлическими, причем площадь перфорации стенки в полости вне тракта составляет 1,5%-2,5% ее площади, что является одним из основных параметров, управляющих настройкой звукопоглощающей панели с двумя степенями свободы на первую гармонику частоты следования. Выход за пределы области перфорации 1,5...2,5% не дает необходимого звукопоглощения на этой частоте.
Периметры ячеек фронтового и тылового слоев сотового заполнителя, а также толщина трактовой стенки связаны соотношением: Рф=К Рт Т, где: К=0,707-3,16, что обеспечивает возможность оптимизации элементов звукопоглощающих конструкций: фронтового и тылового слоев сотового заполнителя по типу резонаторов Гельмгольца для звукопоглощения тонального шума вентилятора, адаптированных одновременно к акустической настройке резонаторов Гельмгольца фронтового и тылового слоев заполнителя для комбинационного и широкополосного шумов вентилятора и компрессора. Это повышает эффективность максимального поглощения звука в диапазонах частот 1250...5000 Гц дискретных гармоник тонального шума вентилятора в условиях высоких уровней звукового давления (до 160 дБ), высокоскоростного потока (до 200 м/с), без снижения тяги двигателя, преимущественно за счет демпфирования пограничного слоя и снижения внутренних потерь при протекании воздуха в канале (вентиляторном) с импедансными границами. Кроме того, такое выполнение звукопоглощающей панели с максимальной эффективностью ослабляет или предотвращает ударные волны, распространяющиеся вверх или вниз по потоку, образующие характерный шум. Выход за пределы значений 0,707...3,16 для коэффициента К не обеспечивает необходимой ширины частотной полосы звукопоглощения.
Толщина трактовой стенки также является одним из основных параметров, определяющих настройку панели на вторую гармонику частоты следования. При толщине трактовой стенки 0,055-0,025 толщины панели, диаметре перфорации, составляющем 1,1-2,2 толщины трактовой стенки, и глубине отверстий перфорации, не превышающей половины высоты фронтового слоя сотового заполнителя обеспечивается максимальная эффективность поглощения звука ударной волны, распространяющейся вверх или вниз по потоку от вентилятора или компрессора, и образующей характерные шумы (визг дисковой пилы, визг дисков и др.), которые находятся в пределах норм Главы 3 ИКАО, но воспринимаются неадекватно пассажирами самолетов. При толщине трактовой стенки менее 0,025 толщины панели настройка сместится в сторону высоких частот на величину больше допустимой и наоборот, при толщине большей 0,055 частота второго резонанса сместится в сторону низких частот. Диаметр отверстий наряду с частотой перфорации определяет площадь перфорации и, соответственно, превышение допустимых пределов диаметра (1,1...2,2) приводит к снижению звукопоглощения на данной частоте.
При размещении между стенкой силового корпуса и перфорированной трактовой стенкой рядов втулок с отверстиями, сквозь которые эти стенки соединены крепежными элементами, причем максимальная высота каждой из втулок меньше минимальной высоты панели на величину толщины стенки силового корпуса, повышается виброакустическая прочность звукопоглощающей панели, надежность и ресурс по техническому состоянию двигателя.
При заполнении вокруг каждой из втулок ячейки фронтового слоя сотового заполнителя материалом, плотность которого не превышает плотность материала трактовой стенки, при этом заполненные материалом ячейки образуют замкнутое вокруг втулки кольцо одного ряда, повышается виброакустическая прочность мест крепления перфорированной трактовой стенки, перфорированной стенки в полости вне тракта и стенки силового корпуса, предотвращается, например, появление гальванопары (при использовании углестеклопластика) в местах крепления.
При плотности материала трактовой стенки, составляющей не более 2 г/см3, содержании связующего, составляющего 35±5%, а степени полимеризации, составляющей не менее 93% обеспечивается требуемая надежность и ресурс по техническому состоянию двигателя. Это позволяет формировать материал трактовой стенки в двигателе, целенаправленно изменять размеры и форму ячеек фронтового слоя сотового заполнителя на основе препрегов - предварительно пропитанных связующим и частично высушенных тканевых или ленточных материалов, их весовые и прочностные характеристики. Так, например, за счет обеспечения натяга слоев материалов при полимеризации обеспечивается эффективное демпфирование виброакустических напряжений композитной части панели металлической. При плотности материала трактовой стенки более 2 г/см3, степени полимеризации менее 93%, а также при выходе содержания связующего за пределы 35±5% не обеспечивается несущая способность и весовые характеристики двигателя.
На фиг.1 - изображен турбовентиляторный авиационный двигатель в мотогондоле самолета.
На фиг.2 - элемент I на фиг.1 (меридианное сечение панели в двигателе).
На фиг.3 - вид А на фиг.2 на фронтовой слой сотового заполнителя (без трактовой стенки).
На фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.2 поперек одного из мест крепления стенок панели.
Турбовентиляторный двигатель включает в себя вентилятор 1 с подпорными ступенями 2, спрямляющий аппарат 3 вентилятора, компрессор 4 высокого давления, камеру сгорания 5, турбины 6, 7 высокого и низкого давлений, смеситель 8 на выходе турбинного тракта 9 и реактивное сопло 10. Поз.11 - воздухозаборник мотогондолы самолета, а поз.12 - реверсивное устройство двигателя. Звукопоглощающая панель для тракта турбовентиляторного двигателя содержит стенку силового корпуса 13, перфорированную трактовую стенку 14, перфорированную стенку в полости вне тракта 15, фронтовой слой сотового заполнителя 16, размещенный между перфорированными трактовой стенкой 14 и стенкой в полости вне тракта 15, а также тыловой слой сотового заполнителя 17, размещенный между перфорированной стенкой в полости вне тракта 15 и стенкой силового корпуса 13. Трактовая стенка 14 и фронтовой слой сотового заполнителя 16 выполнены каждый из слоев полимерных композитных материалов на основе тканевого или ленточного материалов, причем площадь перфорации трактовой стенки 14 составляет 8,5%-11,5% ее площади, а стенка силового корпуса 13, перфорированная стенка в полости вне тракта 15 и тыловой слой сотового заполнителя 17 выполнены металлическими, причем площадь перфорации стенки в полости вне тракта 15 составляет 1,5%-2,5% ее площади. По меньшей мере, один край панели 18 в меридианном сечении воздухозаборника 11 или двигателя выполнен аэродинамически обтекаемым против потока 19. Периметры ячеек фронтового 16 и тылового слоев 17 сотового заполнителя, а также толщина Т трактовой стенки 14 связаны соотношением: Рф=К Рф Т, где: Рф - периметр ячеек фронтового слоя 16 сотового заполнителя, Рт - периметр ячеек тылового слоя 17 сотового заполнителя, Т - толщина трактовой стенки 14, К=0,707-3,16. Толщина Т трактовой стенки 14 составляет 0,055-0,025 толщины 20 панели, диаметр отверстий перфорации 21 составляет 1,1-2,2 толщины Т трактовой стенки 14, а глубина отверстий перфорации 21 (не показана) не превышает половины высоты 22 фронтового слоя сотового заполнителя 16. Высота 23 тылового слоя сотового заполнителя 17 выполнена, по существу, равной высоте 22 фронтового слоя сотового заполнителя 16. Между стенкой силового корпуса 13 и перфорированной трактовой стенкой 14 размещены ряды втулок 24 с отверстиями 25, сквозь которые эти стенки соединены крепежными элементами 26, причем максимальная высота каждой из втулок 24 меньше минимальной высоты 20 панели на величину толщины 27 стенки силового корпуса 13. Вокруг каждой из втулок 24 ячейки 28 фронтового слоя сотового заполнителя 16 заполнены материалом 29, плотность которого не превышает плотность материала трактовой стенки 14, выполненной из полимерного композитного материала, при этом заполненные материалом ячейки образуют замкнутое вокруг втулки кольцо одного ряда. Плотность материала трактовой стенки 14, выполненной из полимерных композитных материалов, составляет не более 2 г/см3, при этом содержание связующего составляет 35±5%, а степень полимеризации составляет не менее 93%.
Звукопоглощающая панель для тракта турбовентиляторного двигателя работает следующим образом. Определяющим параметром спектра шума со стороны перфорированной трактовой стенки 14 являются пики тонального шума вентилятора 1 и шум струи. Звуковое давление ˜150...160 дБ, генерируемое дискретными гармониками тонального шума вентилятора 1 в условиях высокоскоростного (˜200 м/с) потока воздуха вентилятора воспринимается перфорированной трактовой стенкой 14, пакетом 16 фронтового слоя сотового заполнителя в виде многочисленных сотовых ячеек 16 резонансных камер Гельмгольца и демпфируется перфорированной стенкой 15 в полости вне тракта. Далее пониженный уровень звукового давления воспринимается пакетом 17 тылового слоя заполнителя в виде многочисленных резонансных камер Гельмгольца и демпфируются стенкой силового корпуса 13. При толщине Т трактовой стенки 14, равной 1±0,2 мм, Рф=К Рт, где: Рф - периметр ячеек фронтового слоя заполнителя, Рт - периметр ячеек тылового слоя заполнителя, К=3,16 - акустический параметр канала наружного контура двигателя, соответствующий логарифмическому масштабу 5 дБ. При работе двигателя потоки воздуха 19, отбрасываемые лопатками вентилятора 1, деформируются таким образом, что происходит резонансная отсечка частоты следования лопаток вентилятора в сотовых ячейках - резонансных камерах Гельмгольца 16 и 17, отраженных стенкой 13 силового корпуса, звукопоглощающих панелей, размещенных в воздухозаборнике и двигателе. При этом происходит оптимальное, в диапазоне частот 1200...5000 Гц, поглощение звука при минимизации потерь давления и тяги двигателя. Заявляемое изобретение повышает эффективность звукопоглощения в турбовентиляторном авиационном двигателе и обеспечивает надежную виброакустическую прочность и запасы по шуму согласно Главы 4 норм ИКАО, вводимых с 2006 года.
1. Звукопоглощающая панель для тракта турбовентиляторного двигателя, содержащая стенку силового корпуса, перфорированную трактовую стенку, перфорированную стенку в полости вне тракта, фронтовой слой сотового заполнителя, размещенный между перфорированными трактовой стенкой и стенкой в полости вне тракта, а также тыловой слой сотового заполнителя, размещенный между перфорированной стенкой в полости вне тракта и стенкой силового корпуса, отличающаяся тем, что трактовая стенка и фронтовой слой сотового заполнителя выполнены каждый из слоев полимерных композитных материалов на основе тканевого или ленточного материалов, причем площадь перфорации трактовой стенки составляет 8,5%-11,5% ее площади, а стенка силового корпуса, перфорированная стенка в полости вне тракта и тыловой слой сотового заполнителя выполнены металлическими, причем площадь перфорации стенки в полости вне тракта составляет 1,5%-2,5% ее площади, при этом периметры ячеек фронтового и тылового слоев сотового заполнителя, а также толщина трактовой стенки связаны соотношением: Рф=К·Рт·Т, где Рф - периметр ячеек фронтового слоя сотового заполнителя, Рт - периметр ячеек тылового слоя сотового заполнителя, Т - толщина трактовой стенки, К=0,707-3,16.
2. Звукопоглощающая панель для тракта турбовентиляторного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что толщина трактовой стенки составляет 0,055-0,025 толщины панели, диаметр перфорации составляет 1,1-2,2 толщины трактовой стенки, а глубина отверстий перфорации не превышает половины высоты фронтового слоя сотового заполнителя.
3. Звукопоглощающая панель для тракта турбовентиляторного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что между стенками силового корпуса и перфорированной трактовой стенкой размещены ряды втулок с отверстиями, сквозь которые эти стенки соединены крепежными элементами, причем максимальная высота каждой из втулок меньше минимальной высоты панели на величину толщины стенки силового корпуса.
4. Звукопоглощающая панель для тракта турбовентиляторного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что вокруг каждой из втулок ячейки фронтового слоя сотового заполнителя заполнены материалом, плотность которого не превышает плотность материала трактовой стенки, при этом заполненные материалом ячейки образуют замкнутое вокруг втулки кольцо одного ряда.
5. Звукопоглощающая панель для тракта турбовентиляторного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что плотность материала трактовой стенки составляет не более 2 г/см3, при этом содержание связующего составляет 35±5%, а степень полимеризации составляет не менее 93%.
