Глушитель шума

Изобретение относится к авиадвигателестроению, а именно к разработке и конструированию средств снижения шума, распространяющегося по аэродинамическим каналам турбомашин, в частности по каналам с потоком, имеющим дозвуковую скорость течения, например шума вентилятора или турбины двухконтурных турбореактивных двигателей (ТРДД). Глушитель шума, преимущественно турбомашин, имеющих канал круглого и/или кольцевого сечения, установленный перед или за источником шума, содержит устройство для снижения шума, последнее состоит из замкнутых кольцевых решеток и звукопоглощающей облицовки, при этом кольцевые решетки образуют участок канала, обеспечивающий отражение шума, а звукопоглощающая облицовка, полностью или частично покрывающая стенку канала, образует участок канала, обеспечивающий поглощение шума. Участок канала со звукопоглощающей облицовкой расположен между источником шума и участком канала, содержащим замкнутые кольцевые решетки. Технический результат: повышение акустической эффективности глушителя шума. 4 ил.

 

Изобретение относится к авиадвигателестроению, а именно к разработке и конструированию средств снижения шума, распространяющегося по аэродинамическим каналам турбомашин, в частности по каналам с потоком, имеющим дозвуковую скорость течения, например шума вентилятора или турбины двухконтурных турбореактивных двигателей (ТРДД).

Шум вентиляторов и турбин ТРДД характеризуется присутствием широкополосной составляющей, возникающей из-за взаимодействия их лопаток с мелкомасштабной завихренностью потока, а также наличием интенсивных тональных составляющих на частотах, кратных частоте вращения рабочего колеса.

Среди известных устройств, предложенных для снижения шума, подавляющее большинство, например, патент РФ №2230208 от 05.06.2002 г., основаны на принципе поглощения распространяющегося по каналам звука, для чего на стенках каналов устанавливаются звукопоглощающие покрытия или облицовки. В акустике такого рода глушители принято называть активными.

Одной из особенностей звукового поля, генерируемого турбомашинами вообще и вентиляторами и турбинами ТРДД, в частности, является то обстоятельство, что тональные составляющие шума на частотах, кратных частоте вращения рабочего колеса, переносятся по каналу в виде набора нескольких основных энергонесущих азимутальных вращающихся акустических мод.

Известны устройства для снижения шума, переносимого преимущественно азимутальными вращающимися модами, например, патент США №6439840 от 27.08.2002 г. или патент РФ №2282042 от 22.12.2004 г., основанные на ином принципе - принципе отражения звуковых волн. Глушители, основанные на принципе отражения звуковых волн, в акустике принято называть реактивными. При этом реактивные глушители, основанные на использовании решетчатых структур, применительно к азимутальным вращающимся модам имеют повышенную акустическую эффективность и могут устанавливаться как непосредственно в канале, так и в кольцевых полостях, сообщающихся с каналом. Решетчатые структуры, препятствующие вращению азимутальных вращающихся мод, представляют для них значительное акустическое сопротивление, приводящее к их отражению. Такие устройства можно характеризовать как «акустические барьеры».

Задачей предлагаемого технического решения является повышение акустической эффективности глушителя шума вращающихся акустических мод.

Технический результат достигается в заявляемом глушителе шума, преимущественно турбомашин, имеющих канал круглого и/или кольцевого сечения, установленный перед или за источником шума, содержащем устройство для снижения шума, расположенное на стенке канала круглого и/или кольцевого сечения турбомашин, причем устройство для снижения шума состоит 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, при этом участок канала со звукопоглощающей облицовкой расположен между источником шума и участком канала, содержащим замкнутые кольцевые решетки. В результате, при установке в канале турбомашины одновременно как звукопоглощающей облицовки, то есть активного шумоглушащего устройства, так и решетчатого устройства - замкнутой кольцевой решетки (акустического барьера), то есть реактивного глушителя, при этом участок канала, покрытый звукопоглощающей облицовкой, располагается между источником шума (турбомашиной) и замкнутым кольцевым решетчатым устройством, заявляемый глушитель шума по принципу действия оказывается активно-реактивным или комбинированным, поскольку в нем используются оба механизма снижения шума - поглощение и отражение. При этом излучаемый шум от источника звука при его распространении по каналу сначала частично поглощается звукопоглощающей облицовкой, а затем его оставшаяся доля частично отражается замкнутой кольцевой решеткой, изменяет направление и вновь поглощается звукопоглощающей облицовкой. Далее этот поток звуковой энергии частично проходит внутрь источника звука, а частично отражается от него, изменяет направление и процесс шумоглушения начинает новый цикл.

При этом, например, в патенте №2291324 от 23.06.2005 г. «Глушитель шума (варианты)» замкнутая кольцевая решетка осерадиальных пластин или профилей выполнена регулируемой и имеет возможность размещаться за пределами проточной части кольцевого канала, например, путем ее втягивания за его пределы. При этом замкнутая кольцевая решетка может быть выполнена регулируемой и имеет возможность размещаться за пределами проточной части кольцевого канала, например, путем их поворота относительно осей, расположенных по линиям их крепления к корпусу проточной части. А также замкнутая кольцевая решетка может быть выполнена стреловидной с передней и/или задней стреловидностью и/или бандажированной.

Установкой заявляемого глушителя шума на стенках канала круглого и/или кольцевого сечения турбомашин, размещенного перед или за источником шума, содержащего замкнутую кольцевую решетку, например, осерадиальных пластин или профилей и участок канала, покрытый звукопоглощающей облицовкой, причем участки канала, покрытые звукопоглощающей облицовкой, располагаются между источником шума и замкнутыми кольцевыми решетками, достигается эффективное снижение шума, генерируемого турбомашиной. При этом для снижения гидравлических потерь замкнутые кольцевые решетки располагаются либо в кольцевых полостях вне канала, либо занимают лишь часть площади его поперечного сечения.

Предпочтительность применения замкнутых кольцевых решеток, например, осерадиальных пластин или профилей, занимающих лишь часть площади поперечного сечения канала круглого и/или кольцевого сечения, объясняется тем обстоятельством, что обычно в радиальном направлении поток акустической энергии по сечению канала распределен неравномерно, причем чаще всего максимум потока энергии наблюдается у периферийной стенки канала. В результате размещенная в канале замкнутая кольцевая решетка, занимающая лишь периферийную часть площади его поперечного сечения, тем не менее, обладает достаточно большим акустическим сопротивлением для вращающихся азимутальных акустических мод (вызывающим отражение шума) при умеренном уровне гидравлических потерь.

В качестве примера на фиг.1 представлена схема воздухозаборного канала ТРДД с установленным в нем заявляемым глушителем шума, содержащим устройство для снижения шума, имеющее на стенке канала 4 замкнутую кольцевую решетку 7, например, осерадиальных пластин или профилей, и участок канала 4, стенка которого полностью или частично покрыта звукопоглощающей облицовкой 6, причем участок канала 4, стенка которого полностью или частично покрыта звукопоглощающей облицовкой 6, располагается между турбомашиной 2, являющейся источником шума 1, например вентилятором, и участком канала 4 с замкнутой кольцевой решеткой 7.

На фиг.2 показан вид заявляемого глушителя шума спереди с сечением замкнутой кольцевой решетки 7 по стрелкам А-А.

На фиг.1 и 2 замкнутая кольцевая решетка 7 в качестве примера показана полностью расположенной в кольцевой полости канала 4.

На фиг.3 представлена схема кольцевого выхлопного канала 4 за турбомашиной 2, например турбиной ТРДД, с установленным в нем заявляемым глушителем шума, содержащим устройство для снижения шума, имеющее на внешней и внутренней стенках 10 и 11 канала 4 по замкнутой кольцевой решетке соответственно 7 и 8, например, осерадиальных пластин или профилей, и участки внешней и внутренней стенок 10 и 11 канала 4, полностью или частично покрытые звукопоглощающей облицовкой 6, причем участки стенок канала 4, полностью или частично покрытые звукопоглощающей облицовкой 6, располагаются между турбомашиной 2, например турбиной ТРДД, и участками канала 4 с замкнутыми кольцевыми решетками 7 и 8.

На фиг.4 показано сечение Б-Б заявляемого глушителя шума.

На фиг.3 и 4 замкнутые кольцевые решетки 7 и 8, в качестве примера, показаны: одна 7 (периферийная) - частично расположенной в кольцевой полости на внешней стенке 10, а частично выступающей внутрь выхлопного канала 4, другая 8 на внутренней стенке 11 (втулочная) - стреловидной и целиком выступающей внутрь выхлопного канала 4.

На фиг.1 и фиг.3 шум 1 от турбомашины 2 распространяется к выходным сечениям 3 воздухозаборного и выхлопного каналов 4 по потоку 5 или против направления потока 5. При этом, распространяясь от турбомашины 2 (источника шума) по воздухозаборному или выхлопному каналам 4 к выходным сечениям 3, шум 1 (звуковые волны) первоначально достигает участков канала, покрытых звукопоглощающей облицовкой 6, и частично ими поглощается. Затем звуковые волны (шум 1) достигают замкнутых кольцевых решеток 7 и 8 (звуковых барьеров) осерадиальных пластин или профилей 9 и частично от них отражаются. Далее, двигаясь в обратных направлениях, звуковые волны (шум 1) вновь достигают участков канала, покрытых звукопоглощающей облицовкой 6, и вновь частично ими поглощаются и т.д. В результате этого шум снижается более эффективно.

Работа заявляемого глушителя шума осуществляется следующим образом.

При попадании в каналы 4 с потоком 5 (фиг.1 и фиг.3) шум 1 в виде акустических мод, возбужденных турбомашиной 2, достигает участков канала, покрытых звукопоглощающей облицовкой 6, и частично ими поглощается. Затем эти акустические моды (шум 1) достигают «звуковых барьеров» - замкнутых кольцевых решеток 7 и 8 осерадиальных пластин или профилей 9, где происходит частичное отражение акустических волн и частичная трансформация одних акустических мод в другие. Кроме того, замкнутые кольцевые решетки 7 и 8, например, осерадиальных пластин или профилей играют роль акустического замедлителя звуковых волн, поскольку вдоль них, то есть поперек направления движения звуковых волн от источника шума, начинается движение поверхностных волн (волны Релея). Независимо от частоты звука часть модальной энергии отражается от места установки замкнутой кольцевой решетки 7 осерадиальных пластин или профилей. По опыту исследований шума, например, вентиляторов и компрессоров замкнутая кольцевая решетка 7 профилей отражает не менее половины падающей на нее акустической энергии.

Далее отраженные волны вновь проходят участки канала 4, покрытые звукопоглощающей облицовкой 6, и частично ими поглощаются. Затем вновь происходит частичное отражение акустических волн от замкнутых кольцевых решеток 6 (звуковых барьеров) и частичная трансформация одних акустических мод в другие. Далее все процессы многократно повторяются.

Физический механизм снижения шума, используемый в заявляемом глушителе шума, не делает различий между случаями распространения шума (звука) по потоку и против потока, например в воздухозаборнике и наружном канале ТРДД. Поэтому различные варианты заявляемого глушителя шума могут устанавливаться как во всасывающих, так и в выхлопных каналах турбомашин.

Таким образом, физически повышение эффективности процесса снижения шума в заявляемом глушителе шума достигается путем одновременного применения активного поглотителя (покрытия стенок канала звукопоглощающим материалом или звукопоглощающими конструкциями, то есть звукопоглощающей облицовкой) и реактивного отражателя (акустического барьера), в качестве которого используются замкнутые кольцевые решетки, например, осерадиальных пластин или профилей.

В силу того, что в заявляемом глушителе шума замкнутые кольцевые решетки, например, осерадиальных пластин или профилей устанавливаются на стенке канала круглого и/или кольцевого сечения и занимают только часть площади его поперечного сечения, их осевой долевой размер (ширину) можно выполнить достаточно малым (малой), а число лопаток в решетке - достаточно большим. В результате эти решетки (звуковые барьеры) можно расположить достаточно далеко (относительно ширины звукового барьера) от рабочего колеса (РК) вентилятора и практически предотвратить генерацию шума, связанную с их взаимодействием, обеспечив при этом выполнение условия акустической отсечки возбуждения шума при взаимодействии решеток глушителя с РК вентилятора на первой гармонике частоты следования лопаток. В итоге предлагаемая конструкция глушителя шума, обеспечивая достаточно высокую эффективность шумоглушения, позволяет избежать дополнительной генерации шума. Малые размеры активных элементов глушителя шума - кольцевых замкнутых решеток, например, осерадиальных пластин или профилей - позволяют сделать вполне реальными регулируемые конструкции таких глушителей шума.

Глушитель шума преимущественно турбомашин, имеющих канал круглого и/или кольцевого сечения, установленный перед или за источником шума, содержащий устройство для снижения шума, расположенное на стенке канала круглого и/или кольцевого сечения турбомашин, отличающийся тем, что устройство для снижения шума состоит 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.