CN102428263B - 包括具有声音消除器的排放气体引导锥体的涡轮发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气体从上游到下游流动穿过其中的燃气涡轮发动机，其包括燃烧室、定位于燃烧室下游用于收集从所述燃烧室释放的燃烧气体的高压涡轮、自由涡轮以及安装在所述自由涡轮下游用于引导排放气体的锥体(7)，所述涡轮发动机在其运转过程中发出声波。所述涡轮发动机特征在于，所述引导锥体(7)包括声音消除器，特别地具有亥姆霍兹共振器结构，其具有共振空腔(71)以及与开口(76)相连接的共振颈部(75)，用于消除由涡轮发动机所发出的声波。

Description

包括具有声音消除器的排放气体引导锥体的涡轮发动机
本发明涉及燃气涡轮发动机的自由涡轮领域，特别地涉及衰减由直升机发动机产生的噪音。
在下文中，术语“上游”和“下游”被定义为与气体通过直升机发动机的循环方向有关，在所述发动机中，气体从上游到下游循环。
直升机发动机，特别是如图1所示的涡轮发动机，通常地从上游到下游地包括压缩机2，环形燃烧室3，高压涡轮以及轴向自由涡轮4，所述轴向自由涡轮4回收燃烧能量以驱动直升机的机翼结构，燃烧所产生的排放气体通过形成于自由涡轮4下游的排气喷嘴5从发动机中排出。
所述自由涡轮4在其下游端以轴向锥台部件6和喷嘴作为末端，这一组件结构具有引导排放气体气流的作用，以确保当所述气流排出自由涡轮4时，该气流空气动力学地流动。
当它运行时，直升机发动机产生形成发动机噪音的声波。所述发动机噪音构成直升机发出的全部声音中重要的组成部分。为了降低直升机的噪音，进行了降低固有的发动机噪音的尝试。
由发动机下游端所发出的声波主要产生于燃烧以及涡轮旋转的过程中。所述声波具有不同的频率，该频率包含在可听见的20Hz到20kHz的范围内。低频声波，也就是频率在400Hz以下的声波，在直升机噪音中占了巨大的比例。
用于衰减发动机所发出的声波的“噪音消除器”系统已经为大众所公知。现有技术中的噪音消除器系统通常为安装在发动机下游端的外部模块的形式。除了该系统非常庞大之外，这样的噪音消除器系统存在远离噪音源的缺点。
理想的情况是将该噪音消除系统直接并入到发动机中，以便增强发动机在消除噪音方面的竞争力。然而，这样的并入带来众多由承受着巨大的机械应力和热应力的发动机部件所带来的技术难题。将噪音消除系统并入到直升机发动机中代表着一种巨大的技术挑战。
为此目的，本发明涉及燃气涡轮发动机，气体从上游到下游流动穿过其中，所述燃气涡轮发动机包括燃烧室，高压涡轮，定位于高压涡轮下游用于收集从所述燃烧室释放的燃烧气体的自由涡轮，以及安装在所述自由涡轮下游用于引导排放气体的锥体，所述涡轮发动机在其运转过程中发出声波，该涡轮发动机的特征在于所述引导锥体包括用来衰减由涡轮发动机所发出的声波的声音衰减器。
所述引导锥体同时具有引导排放气体和衰减由发动机所发出的声波的作用，使得在保持小体积和可以接受的质量的同时获得性能良好且噪音更小的发动机成为可能。
根据本发明的一个优选形式，所述噪音衰减器具有亥姆霍兹共振器结构。
这样的共振器可以通过使用引导锥体的结构来实现，即不进行复杂的改动也不损害引导排放气体流的性能。
进一步地，亥姆霍兹共振器尤其适合用于衰减低频，其在本实例中是非常有帮助的，因为低频声波在噪音的形成中占了巨大的比例。另外，所述亥姆霍兹共振器被放置于靠近噪音源的位置，以使得声波“在源头”就得以衰减，从而防止了声波的传播。
优选地，所述引导锥体包括内部共振腔，在其中延伸一颈部，所述颈部用于将引导锥体的共振腔与引导锥体外部相连接。
同样优选地，所述颈部的长度、所述振动腔的体积以及所述颈部的横截面相适应，以使得所述引导锥体的共振腔在预先设定的共振频率共振，优选地低于400Hz。
所述共振器可以被调整，以使其共振频率完全地与所要衰减的声波的频率相符合。
根据本发明的一个特别的实施方式，所述引导锥体包括内部隔断分界物，该内部隔断分界物用来限制所述共振腔的体积并促进这一频率的匹配。
根据本发明的另一个实施方式，所述引导锥体包括至少一面内部隔断分界物，用来将引导锥体的内部总体积至少划分为第一共振腔以及第二共振腔，所述第一、二共振腔分别具有第一共振频率f1和第二共振频率f2。
优选地，所述第一、第二共振频率f1、f2不相同且低于400Hz。
这种处理方式不同于如在斯奈克玛(Snecma)专利申请FR-A-2 898 940中所描述的涡轮发动机喷嘴中心体内部的声学处理方式。根据该专利申请中所描述的处理方式，所述中心体包括通过多个沿壁分布的锐孔与被喷嘴引导的气体环形气流相连接的单一的共振腔。
本发明借助于附图更好地被理解，其中：
图1示出了现有技术中直升机涡轮发动机的轴向剖面图；
图2A示出了本发明所述的引导锥体的第一实施方式轴向剖面图；
图2B示出了本发明所述的引导锥体的第二实施方式轴向剖面图；
图2C示出了本发明所述的引导锥体的第三实施方式轴向剖面图；
图2D示出了本发明所述的引导锥体的另一实施方式横切面图。
直升机涡轮发动机1从上游到下游包括压缩机2、环形燃烧室3以及轴向自由涡轮4，所述轴向自由涡轮4回收燃烧能量以驱动直升机的机翼结构，特别地驱动转子叶片。燃烧所产生的排放气体通过成形于所述自由涡轮4下游的环向排气喷嘴5从发动机中排出。
所述自由涡轮4在其下游端以中空轴向锥台部件作为末端。这一部件与喷嘴一起具有引导排放气体气流的作用，以确保在所述气流排出自由涡轮4时，该气流以良好的空气动力方式流动，且不产生湍流。
在第一实施方式中，参考图2A，所述中空轴向锥台部件或引导锥体7为旋转壳体的形状，其包括呈圆盘形态的上游横向壁72以及下游横向壁74，在本实施例中该下游横向壁74呈现为凹面形状，其也可以为凸面或平面形状，所述下游横向壁74通过锥台侧表面73与上游横向壁72连接。
在第一实施方式中，所述中空轴向锥台部件7限定了单一的内部腔体71，被称为共振腔71，共振颈部75延伸到共振腔71中，所述共振颈部75的一端通向所述共振腔71，而其另外一端则通过锐孔76通向所述锥体7的侧表面73。在本实施方式中，所述共振颈部75为具有圆形横断面的正圆柱，不言而喻地，具有矩形或椭圆形横断面的柱体也适合，调整横断面面积以使得所述轴向锥台部件7形成亥姆霍兹共振器，用来衰减由发动机发出的声波。
事实上，所述轴向锥台部件7组成“弹性体(spring-mass)”型的噪音消除系统，能够大大地衰减具有给定共振频率的声波。由所述轴向锥台部件7所形成的共振器的共振频率可以根据空腔的体积，空腔中颈部的长度以及颈部的横断面加以调整。因此，有利地，发动机发出的且具有与共振器的频率相接近的频率的声波通过所述轴向锥台部件7而得以衰减，从而减少发动机噪音。
优先地，所述轴向锥台部件7特别地适于衰减低频声波，也就是频率低于400Hz的声波。这一点是非常有益的，因为低频声波在发动机噪音中占主要比例。
鉴于所述共振器是并入到发动机中的，所述声波在发射的源头被衰减，从而防止了声波的传播。
在第二实施方式中，参考图2B，所述轴向锥台部件或引导锥体8被分隔开，内部隔断分界物87划分出第一共振腔81以及第二共振腔81′，本实施方式中的所述隔断分界物87大体上垂直于横向平面。
所述划分可以用这样的方式进行以获得两个纵向空腔，而也可以如图2B所示出的使用与轴线平行设置的隔断分界物的方式进行。事实上，只有每一个腔体的体积对于控制已调整的声学频率起作用：机械约束将规定分隔所采取的形式，确定每一个腔体积容的声学目标。
依旧参考图2B，第一共振颈部85延伸到所述第一共振腔81中，其一端通向所述第一共振腔81的内部，其另外一端则通过孔86通向所述锥体8的侧表面83。类似地，第二共振颈部85′延伸到所述第二共振腔81′中，其一端通向所述第二共振腔81′的内部，其另外一端则通过孔86′通向所述锥体8的侧表面83。
如图2B所示，在此实施方式中，所述共振腔81、81′的体积以及所述颈部85、85′的长度和横断面各不相同，以至于所述锥体8的每一个分隔室都构成一个亥姆霍兹共振器，而每一个亥姆霍兹共振器都具有它自己的共振频率。
在本实施例中，所述轴向锥台部件8具有两个数值相近的共振频率f1以及f2，以便衰减处于由f1与f2之间的频率所组成的带宽通带上的声波。例如，所述引导锥体能够衰减250Hz与350Hz之间的频率。
不言而喻地，所述共振频率f1和f2以选为与发动机噪音频率范围中最关键的频率相对应的频率。从而，所述在发动机噪音中起巨大作用的声波通过所述轴向锥台部件8被直接地衰减。
有利地，所述中空轴向锥台部件8的共振频率f1和f2可以通过改变所述隔断分界物87的位置和/或改变每一个共振腔81、81’中的所述颈部85、85’的长度和横断面而得以调整。
在同时形成具有几个可调频率的亥姆霍兹共振器时，所述中空轴向锥台部件8能够同时地引导所述排放气体气流排出所述自由涡轮。诸如这样的共振器具有可以完全合并入到发动机中的优点，而且不会增加所述发动机的尺寸。
参考图2C，该图示出了本发明的第三实施方式。所述中空轴向锥台部件或引导锥体9被修改以增加所述引导锥体9的总体积。这使得在保持合适的衰减质量的同时并可能降低共振器的共振频率。这是有效的，因为所述引导锥体9的共振频率同与由所述内部隔断分界物97所限定的共振腔的体积有关的共振频率成反比例关系。
具有较大体积的锥台部件9使得所述共振器的一个或多个共振频率的可调范围变宽。
由于所述锥体仅仅引导所述排放气体的流动，所以改变所述锥体的体积并不存在缺点。
包括有1-2个分隔空间的轴向锥台部件已经得到了说明；不言而喻地，本发明所述轴向锥台部件或锥体可以包括多于两个的分隔空间，以至于所述共振器具有多于两个的共振频率。
如图2C所示，所述轴向锥台部件9的下游横向壁可能为凸出的，所述锥体的形状是在其质量、引导性能以及噪音衰减性能之间折衷的结果。
如图2D所示的另外一个实施方式，其示出了该实施方式的一种变化形式的轴向视图。所述引导锥体19的内部体积通过纵向隔断分界物107、107’以及107”被分为三个分隔空间，所述三个纵向隔断分界物107、107’以及107”径向地呈Y字型排列。共振颈部105、105’以及105”用于形成与所述分隔空间相关的共振腔101、101’以及101”。

Claims (7)

1.一种气体从上游到下游流动穿过其中的燃气涡轮发动机(1)，其包括燃烧室(3)、定位于燃烧室(3)下游用于收集从所述燃烧室(3)释放的燃烧气体的高压涡轮(4)、自由涡轮以及锥台部件(7，8，9，10)；该锥台部件安装在所述自由涡轮下游并具有下游横向壁(74)，该锥台部件引导排气喷嘴5中的排放气体，所述涡轮发动机在其运转过程中发出声波；其特征在于，所述锥台部件(7，8，9，10)包括内部共振腔(71；81，81′；91，91′；101，101′，101″)，延伸到其中颈部(75；85，85′；95，95′；105，105′，105″)用于将锥台部件(7，8，9，10)的共振腔(71；81，81′；91，91′；101，101′，101″)与锥台部件(7，8，9，10)外部相连接，以形成具有亥姆霍兹共振器结构的噪音衰减器，所述噪音衰减器用于衰减由涡轮发动机所发出的声波。
2.如权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，对所述颈部(75；85，85′；95，95′；105，105′，105″)的长度，所述共振腔(71；81，81′；91，91′；101，101′，101″)的体积以及所述颈部(75；85，85′；95，95′；105，105′，105″)的横断面加以调整，以使得所述锥台部件(7，8，9，10)的共振腔(71；81，81′；91，91′；101，101′，101″)在预先设定的共振频率f上共振。
3.如权利要求2所述的涡轮发动机，其特征在于，所述共振频率低于400Hz。
4.如权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述锥台部件(7，8，9，10)包括用于限制所述共振腔(71；81，81′；91，91′；101，101′，101″)的体积的内部隔断分界物(87；97；107，107′，107″)。
5.如权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述锥台部件(7，8，9，10)包括内部隔断分界物(87，97)，用来将锥台部件的全部内部体积划分为至少一个第一共振腔以及一个第二共振腔，所述第一、二共振腔分别具有第一共振频率f1和第二共振频率f2。
6.如权利要求5所述的涡轮发动机，其特征在于，所述第一共振频率f1和第二共振频率f2不相同且均低于400Hz。
7.如权利要求5所述的涡轮发动机，其特征在于，所述锥台部件包括多于两个的隔断分界物。
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