Глушитель шума

Изобретение относится к двигателестроению, 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). Изобретение позволяет повысить эффективность широкополосности глушения шума, в особенности шума турбомашин и, в частности, вентиляторов ТРДД, а также упростить конструкцию глушителя шума и снижение аэродинамических потерь. Технический результат в заявляемом глушителе шума достигается установкой на стенке канала ТРДД кожуха, охватывающего канал, причем в полости кожуха расположена решетка профилей, а воздушные объемы между соседними профилями решетки сообщены с полостями кожуха и канала. При этом решетка профилей может быть установлена в полости кожуха заподлицо со стенкой канала, а ширина решетки профилей может быть выполнена равной высоте кожуха, или решетка профилей может выступать внутрь канала за пределы полости кожуха, а также решетка профилей в радиальном направлении может быть выполнена радиальной или расположенной под углом к радиусу канала, а также профили решетки в осевом направлении могут быть расположены параллельно оси канала или под углом к оси канала. Кроме того, решетка профилей может быть выполнена с переменными по высоте хордой, максимальной толщиной и углом изгиба профиля. 9 з.п. ф-лы, 23 ил.

 

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).

Известен широкополосный глушитель шума, например, патент США №3819008 от 25.06.1974 г., Е 04 b 1/99, G 10 L 11/08, для воздухозаборных каналов ТРДД. Глушитель содержит установленную на стенке воздухозаборного канала решетку радиально-осевых разделителей потока, облицованную звукопоглощающей облицовкой с переменными поперек разделителя параметрами.

Известны также аналогичные конструкции глушителя шума, в том числе регулируемые, для наружных каналов ТРДД, например, патент США №3618700 от 15.06.1970, В 64 d 33/06, патент США №3533486 от 13.10.1970, F 01 N 1/10. Недостатками данных технических устройств являются их конструктивная сложность, значительное аэродинамическое сопротивление, а также относительно малая ширина полосы (малая широкополосность) поглощения шума.

Разработка различных принципов проектирования акустически более эффективных глушителей шума составляет одно из актуальных направлений совершенствования турбоагрегатов различного назначения и, в частности, авиационных ТРДД.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности - широкополосности - глушения шума, в особенности шума турбомашин и, в частности, вентиляторов ТРДД, а также упрощение конструкции глушителя шума и снижение аэродинамических потерь.

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.

Технический результат в заявляемом глушителе шума достигается установкой на стенке канала ТРДД кожуха, охватывающего канал, причем в полости кожуха расположена решетка профилей, а воздушные объемы между соседними профилями решетки сообщены с полостями кожуха и канала. При этом решетка профилей может быть установлена в полости кожуха заподлицо со стенкой канала, а ширина решетки профилей может быть выполнена равной высоте кожуха, или решетка профилей может выступать внутрь канала за пределы полости кожуха, а также решетка профилей в радиальном направлении может быть выполнена радиальной или расположенной под углом к радиусу канала, а также профили решетки в осевом направлении могут быть расположены параллельно оси канала или под углом к оси канала. Кроме того, решетка профилей может быть выполнена с переменными по высоте хордой, максимальной толщиной и углом изгиба профиля.

По своей форме каналы проточной части авиационного турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) близки к круглым или кольцевым.

Заявляемое устройство препятствует распространению вращающихся (азимутальных) акустических мод, переносящих основную часть шума, возбужденного турбомашинами.

На фиг.1 показан общий изометрический вид заявляемого глушителя шума.

На фиг.2-15 представлены схемы различных вариантов заявляемого глушителя шума.

На фиг.2 и 3 показаны проекции заявляемого глушителя шума, содержащего, например, канал 1 круглого сечения с дозвуковым потоком газа в направлении 5 и источником звука 4, например вентилятором ТРДД, причем решетка 2 в кольцевом кожухе 3 занимает часть высоты кожуха, не достигая его периферийной стенки 6, то есть над решеткой имеется свободный объем кольцевой полости.

На фиг.4 и 5 вариант предлагаемого глушителя показан также на примере канала 1 круглого сечения с потоком газа в направлении 5 и источником звука 4, причем решетка 2 в кольцевом кожухе 3 также занимает часть высоты кожуха, не достигая его периферийной стенки 6, однако она расположена заподлицо со стенкой канала 4.

На фиг.6 и 7 показан вариант глушителя шума, у которого решетка 2 в кольцевом кожухе 3 также расположена заподлицо со стенкой канала 4, однако она занимает всю высоту кожуха, достигая его периферийной стенки 6.

На фиг.8 и 9 показан вариант глушителя шума, у которого решетка 2 в кольцевом кожухе 3 выступает в полость канала 1.

На фиг.1-9, показано, что профили решеток в радиальном направлении направлены по радиусам канала 1.

На фиг.10 и 11 показан пример глушителя шума, у которого в радиальном направлении профили решетки 2 расположены под углом к радиусу канала 1, фиг.11. Однако при этом в осевом направлении профили решетки расположены вдоль оси канала 1, фиг.10.

На фиг.12 и 13 показан пример глушителя шума с нерадиальным расположением профилей решетки 2. При этом в осевом направлении профили решетки 2 расположены под углом к оси канала 1, фиг.12.

На фиг.14 и 15 схема глушителя шума показана на примере канала 1 кольцевого сечения с потоком газа в направлении 5 и источником звука 4, причем решетки 2 и 7 в кольцевых кожухах 3 и 8 занимают часть высоты кожуха.

Фиг.16 иллюстрирует характерные параметры решетки: хорду b, угол изгиба профиля θ, максимальную стрелку профиля f и максимальную толщину профиля.

Фиг.17-21 схематично иллюстрируют принцип действия заявляемого глушителя шума.

На фиг.22 показаны графики изменений спектра шума в результате постановки решетчатого глушителя шума.

На фиг.23 показано изменение эффективности глушителя шума в зависимости от окружной скорости турбомашины.

Принцип работы 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 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, решетка, сообщающаяся с полостью канала, играет роль акустического замедлителя звуковых волн, поскольку вдоль нее, то есть поперек направления движения звуковых волн, фазовая скорость распространения акустических волн уменьшается. В результате в этой решетке начинается движение поверхностной волны (волны Релея), не распространяющейся в осевом направлении, то есть к выходу из канала 1. Одновременно решетка 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 частичном погружении решетки 1 в полость канала на фиг.8 и на фиг.9 решетка 2 более существенно возмущает акустическое поле и более интенсивно отражает звуковые волны. При этом решетка 2 работает как чисто акустический фильтр (или акустический барьер), влияющий на акустическое поле в канале 1, то есть на модальный состав распространяющихся по каналу акустических мод. Поскольку энергия шума турбомашин в основном переносится вращающимися азимутальными модами, решетка 2 глушителя шума, профили которой располагаются поперек направления движения акустических мод, особенно сильно воздействует именно на эти моды. Поэтому предлагаемый глушитель шума снижает шум во всей области частот существования распространяющихся азимутальных мод. Это объясняет широкополосность его действия.

В качестве иллюстрации физического принципа функционирования предлагаемого решетчатого глушителя шума приведены фиг.18-21. На фиг.17 справа налево по бесконечному каналу 1, например, круглого сечения с дозвуковым (М<1) осевым потоком воздуха распространяется поток акустической энергии, переносимый некоторым набором распространяющихся акустических мод. На фиг.18 в левой полуплоскости внутренний объем канала 1 заполнен бесконечно густой решеткой 2 бесконечно тонких и недеформируемых радиальных перегородок. В этом случае азимутальные моды, дойдя до плоскости разрыва сред (при х=0), должны от нее полностью отразиться и пойти в обратном направлении, поскольку для таких мод среда при х<0 равносильна акустически непроницаемой среде. Иначе говоря, в этом случае для азимутальных мод канал в сечении х=0 закрыт.

Таким образом, абсолютно прозрачная для стационарного потока среда в левой полуплоскости канала ("осевая" среда) является серьезным барьером, препятствующим распространению азимутальных акустически волн вверх по потоку. Если учесть, что шум турбомашин в основном переносится именно азимутальными модами, то становится очевидным, что передний шум турбомашины в значительной степени будет отражен от линии раздела сред (х=0).

Если предположить, что "осевая" среда будет заполнять не весь полубесконечный канал, а лишь его периферийную часть и притом на небольшом участке канала (фиг.19), то азимутальные моды, дойдя до плоскости х=0 разрыва сред, хотя и не полностью, однако, также отразятся от нее. При этом частично они пройдут по центральной части канала в левую полуплоскость, однако суммарный поток акустической энергии (справа налево) в сечении х=0 снизится. Физически это станет следствием того, что некоторые азимутальные моды окажутся вообще нераспространяющимися, а амплитуда других снизится.

Частичное подавление и отражение азимутальных волн будет также иметь место, если "осевая" среда будет заполнять участок канала 1 так, как это показано на фиг.20, - частично заполняя полость вокруг канала 1, а частично выступая в канал 1. Наконец, отражение азимутальных волн будет наблюдаться и в случае, если "осевая" среда будет на некотором участке канала 1 заполнять только примыкающую к каналу 1, например, кольцевую полость так, как это показано на фиг.21.

Когда "осевая" среда заполняет все поперечное сечение канала 1, но также лишь на небольшом его участке, имеем ситуацию, близкую к расположению в канале 1 густой радиальной решетки 2 или лопаточного венца. Отражение акустических мод от лопаточных венцов - известный экспериментальный факт. Классический лопаточный венец статора или ротора осевой турбомашины, например венец рабочего колеса или направляющего аппарата компрессора, является естественным решетчатым глушителем или акустическим барьером. При этом одновременно вращающиеся венцы являются мощными генераторами звука.

Идеальный решетчатый глушитель шума или акустический барьер, то есть осевая решетка бесконечной густоты, является частотно независимым, а значит, весьма широкополосным акустическим устройством, поскольку препятствует прохождению любых вращающихся акустических мод.

Эксперименты, подтверждающие эффективность снижения шума, были проведены на решетчатом глушителе шума, установленном на стенке канала заподлицо с ней в сообщающейся с каналом кольцевой полости, причем воздушные объемы между соседними пластинами сообщались с внутренней полостью канала и свободным объемом кольцевой полости. Установленная в полости решетка пластин представляла собой густую (густота около 4) решетку криволинейных пластин. Исследование влияния такой решетки на передний шум вентилятора проводилось на типичной модельной вентиляторной ступени ТРДД с расчетной окружной скоростью около 450 м/с.

Было установлено, что такой решетчатый глушитель шума является сверхширокополосным средством снижения переднего шума вентилятора, поскольку снижает его во всем исследованном диапазоне частот 0.2-20 кГц. По данным узкополосного анализа шум ступени в результате установки глушителя снизился в среднем на 2 дБ, причем снижение шума реализовалось преимущественно в диапазоне частот 1-8 кГц.

На фиг.22 показано осредненное по окружным скоростям снижение переднего шума вентилятора в результате постановки решетчатого глушителя при трех положениях выходного дросселя. На фиг.22 приняты следующие обозначения: ◆ - снижение шума на оптимальном режиме работы ступени; - снижение шума на режиме максимального расхода воздуха; • - снижение шума на режиме, близком к возникновению срывных явлений. Видно, что в отдельных третьоктавных полосах частот снижение шума достигло 5-6 дБ, причем оно наблюдалось практически при всех окружных скоростях и режимах работы ступени по расходу воздуха. Наличие устойчивого диапазона 2-5 кГц на фиг.22 повышенного снижения шума может быть объяснено более интенсивным в этом диапазоне частот взаимодействием или обменом энергией собственных мод канала с акустическими колебаниями в решетке в резонансном диапазоне частот воздушной полости.

На фиг.23 для различных диапазонов осреднения по частотам показана зависимость от окружной скорости вентилятора снижения его шума в результате постановки решетчатого глушителя. На фиг.23 приняты следующие обозначения: ◆ - снижение шума на диапазоне частот 6 октав; - снижение шума на диапазоне частот 3 октавы; • - снижение шума на диапазоне частот 2 октавы; × - снижение шума на частоте 4 кГц. Характерная двумодальная зависимость акустической эффективности глушителя от окружной скорости, фактически свидетельствующая о ее периодичности, может быть объяснена зависимостью от окружной скорости направления фронта наиболее энергонесущей вращающейся собственной моды.

Физический механизм снижения шума, используемый в решетчатом глушителе шума, не делает различий между случаями распространения звука по потоку и против потока (например, воздухозаборник и наружный канал ТРДД). Поэтому различные варианты решетчатых глушителей шума могут устанавливаться как во всасывающих, так и в выхлопных каналах турбомашин. При этом в отличие от воздухозаборных выхлопные каналы ТРДД являются кольцевыми. Поэтому в них предлагаемые глушители шума могут устанавливаться на обеих стенках канала, причем в общем случае - в разных сечениях. При этом глушители шума, установленные на разных стенках канала, могут иметь различную конструкцию, различаясь как по расположению решеток, так и по их параметрам.

1. Глушитель шума, преимущественно вентилятора турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД), содержащий канал и решетку профилей, отличающийся тем, что на стенке канала установлен кожух, охватывающий канал, причем в полости кожуха расположена решетка профилей, при этом воздушные объемы между соседними профилями решетки сообщены с полостями кожуха и канала.

2. Глушитель шума по п.1, отличающийся тем, что решетка профилей установлена в полости кожуха заподлицо со стенкой канала.

3. Глушитель шума по п.1, отличающийся тем, что ширина решетки профилей выполнена равной высоте кожуха.

4. Глушитель шума по п.1, отличающийся тем, что решетка профилей выступает внутрь канала, за пределы полости кожуха.

5. Глушитель шума по п.1, отличающийся тем, что в радиальном направлении профили в решетке установлены вдоль радиуса канала.

6. Глушитель шума по п.1, отличающийся тем, что в радиальном направлении профили в решетке установлены под углом к радиусу канала.

7. Глушитель шума по п.1, отличающийся тем, что профили решетки в осевом направлении расположены параллельно оси канала.

8. Глушитель шума по п.1, отличающийся тем, что профили решетки в осевом направлении расположены под углом к оси канала.

9. Глушитель шума по п.1, преимущественно вентилятора турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД), содержащий кольцевой канал и кольцевые решетки профилей, отличающийся тем, что на противоположных стенках кольцевого канала установлены кольцевые кожухи, охватывающие кольцевой канал снаружи и изнутри, причем в полостях кожухов расположены решетки профилей, при этом воздушные объемы между соседними профилями каждой решетки сообщены с полостями своего кожуха и канала.

10. Глушитель шума по п.1 или 9, отличающийся тем, что решетка (решетки) профилей выполнена (выполнены) с переменными по высоте хордой, углом установки, максимальной толщиной и углом изгиба профиля.