Устройство для снижения уровня шума газотурбинного двигателя

Полезная модель относится к области авиадвигателестроения и может быть использована для снижения уровня шума ГТД. Технический результат заключается в повышении эффективности глушения шума на различных режимах работы двигателя. Сущность полезной модели состоит в том, что устройство содержит обечайку, выполненную из конструкционного пористого высокотемпературного композиционного материала, установленную внутри сопла коаксиально последнему. Диаметр d обечайки равен 0,7-0,8 диаметра D сопла, а обечайка установлена таким образом, что ее срез выступает за срез сопла на величину L=2,5(D-d). На внутренней поверхности сопла установлена звукопоглощающая облицовка, выполненная из материала, аналогичного материалу обечайки. При этом толщина стенки обечайки составляет 20 мм, а пористость 20-30% и средний диаметр пор 0,5 мм, а толщина облицовки 10 мм, пористость материала 30-40% и средний диаметр пор 1,0 мм. Такое размещение обечайки и облицовки сопла и выполнение их из материала с указанными характеристиками позволяет расширить спектр частот глушения в диапазоне от 2 до 6 кГЦ с коэффициентом поглощения от 0,8 до 0,85. 3 з.п. 3 ил.

Полезная модель относится к области авиадвигателестроения, а именно к устройствам для снижения уровня шума газотурбинного двигателя.

Известно устройство для снижения шума двухконтурного газотурбинного двигателя, содержащее установленный в сопле смеситель и дополнительную камеру сгорания с выпускной щелью, расположенной на срезе сопла(патент РФ 951906 кл. F02K 1/28, 2006 г.).

Известно устройство для снижения шума двухконтурного газотурбинного двигателя, выполненное в виде смесителя, содержащего расположенную в сопле двигателя обечайку, выходные кромки которой выполнены в виде шевронов и плоские, изогнутые перегородки, образующие каналы для выхода газа (патент РФ 2265130, кл. F02K 1/34, 2005 г.).

Известен глушитель шума, преимущественно газотурбинной установки, содержащий корпус, расположенные в нем вдоль проточного тракта звукопоглощающие элементы, имеющие цилиндрические гофрированные оболочки, заполненные звукопоглощающим материалом (патент РФ 2187682 кл. F02K 1/34, 2002 г.)

Общим недостатком известных технических решений является недостаточное снижение уровня шума и сложность конструкции устройств.

Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемой полезной модели является устройство для снижения уровня шума газотурбинного двигателя, содержащее установленную коаксиально соплу двигателя обечайку, выступающую за срез сопла на определенное расстояние и звукопоглощающую облицовку (патент РФ 1353036 кл. F02K 1/34, 2006 г.). Наличие в устройстве размещенных вокруг сопла двигателя периферийных сопел и установка обечайки вокруг последних приводит к снижению уровня шума преимущественно в высокочастотной части акустического спектра (от 8 до 10 кГц) на различных режимах работы двигателя (от режима взлета до режима посадки).

Недостатком данного устройства является недостаточная эффективность.

В основу предлагаемого технического решения поставлена задача повышения эффективности глушения шума при различных режимах работы двигателя.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемой полезной модели, заключается в расширении спектра частот глушения в диапазоне от 2 до 6 кГц с коэффициентом поглощения от 0,8 до 0,85.

Заявленный технический результат достигается тем, что в устройство для снижения уровня шума газотурбинного двигателя содержит обечайку, установленную коаксиально соплу двигателя и выступающую за срез сопла на определенное расстояние, и звукопоглощающую облицовку. Согласно полезной модели обечайка выполнена из конструкционного пористого высокотемпературного композиционного материала, расположена внутри сопла двигателя, диаметр обечайки равен 0,7-0,8 диаметра сопла двигателя, а звукопоглощающая облицовка выполнена из материала, аналогичного материалу обечайки и расположена на внутренней поверхности сопла двигателя.

Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной задачи с достижением заданного технического результата. Выполнение обечайки из конструкционного пористого высокотемпературного композиционного материала, размещение обечайки внутри сопла двигателя, диаметр обечайки равный 0,7-0,8 диаметра сопла двигателя, выполнение звукопоглощающей облицовки из материала, аналогичного материалу обечайки и размещение облицовки на внутренней поверхности сопла двигателя позволяет расширить спектр частот глушения в диапазоне от 2 до 6 кГц с коэффициентом поглощения 0,8-0,85.

Существенные признаки могут иметь развитие и продолжение, а именно: расстояние от среза сопла двигателя до среза обечайки принимается равным 2,5 (D-d), где D и d - диаметры соответственно сопла двигателя и обечайки, обечайка изготавливается из материала толщиной 20 мм с пористостью 20-30% и средним диаметром пор 0,5 мм, а звукопоглощающая облицовка из материала толщиной 10 мм с пористостью 30-40% и средним диаметром пор 1,0 мм.

Таким образом, предложенная полезная модель позволяет решить поставленную задачу снижения уровня шума двигателя в широком диапазоне спектра акустических частот с достижением заявленного технического результата.

Предложенное техническое решение поясняется следующим описанием его работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фигурах, где:

на фиг. 1 - изображено предложенное устройство;

на фиг. 2 - зависимость максимального коэффициента звукопоглощения от расстояния между срезом сопла и срезом обечайки.

на фиг.3 - зависимость изменения интегрального коэффициента звукопоглощения от характеристик используемого конструкционного пористого высокотемпературного композиционного материала;

Устройство содержит обечайку 1, выполненную из конструкционного пористого высокотемпературного композиционного материала (КПВКМ), например из пористого карбонитрида титана, установленную внутри сопла 2 коаксиально последнему. Обечайка 1 имеет диаметр, равный 0,7-0,8 диаметра сопла 2 двигателя и установлена таким образом, что ее срез выступает за срез сопла 2 на расстояние, равное 2,5 (D-d), где D и d - диаметры соответственно сопла 2 и обечайки 1. На внутренней поверхности сопла 2 расположена звукопоглощающая облицовка 3, выполненная из материала, аналогичного материалу обечайки 1. При этом толщина стенки последней составляет 20 мм, а пористость материала 20-30% и средний диаметр пор 0,5 мм. Толщина звукопоглощающей облицовки 3 составляет 10 мм при пористости материала 30-40% и среднем диаметре пор 1,0 мм.

При указанном соотношении диаметров обечайки 1 и сопла 2 между собой, а также при размещении среза обечайки 1 на определенном расстоянии от среза сопла 2 обеспечивается значительное увеличение площади звукопоглощающего материала. Касание струи, истекающей из сопла 2 с материалом обечайки 1 происходит по внутренней и внешней поверхности последней. Это исключает дополнительную высокочастотную наводку шума от касания выхлопной струи с облицовкой сопла 2 и позволяет повысить эффективность шумоглушения в расширенном диапазоне частот.

Устройство работает следующим образом. Звуковая энергия акустических колебаний на входе в сопло 2 двигателя попадает одновременно на внутреннюю поверхность сопла 2 и наружную поверхность обечайки 1. Частично отраженные от поверхностей обечайки 1 и сопла 2 звуковые волны снова попадают на указанные пористые поверхности. За счет процессов интерференции, дифракции, и диссипации происходит переход акустической энергии в тепловую. Поры звукопоглощающего высокотемпературного композиционного материала в частном виде представляют собой модель элементарных резонаторов Гельмгольца, где потеря энергии происходит за счет трения и отраженного излучения колеблющейся с частотой возбуждения массы выхлопных газов двигателя.

В соответствии с формулой Гемгольца-Рэлея собственная частота резонанса вычисляется по формуле:

где - скорость звука в воздухе, м/с; S - сечение отверстия, м², V₀ - объем резонатора, м³ ; L - длина отверстия, м.

Таким образом, изменяя геометрические параметры резонаторов (пор), экспериментально подобрано сочетание открытой и закрытой пористости и размеров пор для максимального поглощения энергии акустических волн.

Определение акустических параметров проводилось на акустическом интерферометре методом импеданса.

Размещение среза обечайки 1 от среза сопла 2 двигателя на расстояние, связанное с указанным соотношением диаметров последних обеспечивает оптимальный контакт и взаимодействие реактивной струи, вытекающей из сопла 2 с обечайкой 1

Предлагаемое устройство для снижения уровня шума газотурбинного двигателя позволяет повысить эффективность глушения шума при различных режимах работы двигателя. Расширяется диапазон частот глушения от 2 до 6 кГц, коэффициент поглощения от 0,8 до 0,85, что и обеспечивает снижение уровня шума на 4-5 EPN дБ в соответствии с требованиями главы 4 ИКАО.

1. Устройство для снижения уровня шума газотурбинного двигателя, содержащее обечайку, установленную коаксиально соплу двигателя и выступающую за срез сопла на определенное расстояние, и звукопоглощающую облицовку, отличающееся тем, что обечайка выполнена из конструкционного пористого высокотемпературного композиционного материала, расположена внутри сопла двигателя, диаметр обечайки равен 0,7 - 0,8 диаметра сопла двигателя, а звукопоглощающая облицовка выполнена из материала, аналогичного материалу обечайки, и расположена на внутренней поверхности сопла двигателя.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что расстояние от среза сопла двигателя до среза обечайки определяется по формуле L=2,5(D-d), где D и d - диаметр соответственно сопла двигателя и обечайки

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что обечайка изготовлена из материала толщиной 20 мм, пористостью 20 - 30% и средним диаметром пор 0,5 мм.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что звукопоглощающая облицовка сопла выполнена из материала толщиной 10 мм, пористостью 30 -40% и средним размеров пор 1,0 мм.