CN102753807B - 用于从燃气涡轮发动机喷射气体的装置及燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于从燃气涡轮发动机喷射气体的装置，该装置包括外壁(11)和内壁(12)，该外壁和内壁之间限定有气体流(V)，所述内壁(12)形成限定内部空腔(C)的中心体(12)，所述外壁(11)被穿孔并与至少一个外部共振空腔(13)连通，以对第一声音频率范围内的噪音进行衰减。所述装置还包括使所述外部空腔(13)和所述内部空腔(C)流体连通的元件，该元件穿过气体流(V)延伸，所述内部空腔(C)由此形成对第二声音频率范围内的噪音进行衰减的共振空腔。本发明适于衰减两种声音频率范围内的噪音。

Description

用于从燃气涡轮发动机喷射气体的装置及燃气涡轮发动机

本发明涉及燃气涡轮发动机降噪领域。

用于诸如飞机或直升机这样的航空器中的燃气涡轮发动机沿着气流方向从上游到下游通常包括：一个或多个压缩机级，燃烧室，一个或多个涡轮级，以及喷射气体的装置，如喷嘴。

对发动机制造商来说，一个困扰已久的问题是如何降低噪音，特别是为了确保乘客和航空器航线下居住的群众的舒适。特别是，直升机在人口密集地区附近飞行，排气喷嘴产生的噪音构成直升机所产生的总噪音的重要组成部分。喷嘴噪音的衰减可以通过使用声学衰减壳体来获得，声学衰减壳体形成喷嘴的内壁，并形成气流的外部围层(envelope)。举例来说，这样的壳体可以包括通向一个或多个共振空腔的穿孔金属板，每组的一个空腔和一个或多个孔形成一个赫姆霍兹(Helmholtz)共振器。举例来说，这些空腔可以具有蜂巢型的结构，或简单地由横向和/或纵向隔板形成。

用于声学衰减或处理的这种壳体通常能够衰减所谓的中声频，例如，其范围为2到5kHz。处理的声音频率特别取决于共振空腔的深度，共振空腔的尺寸为此目的而设置。

更具体地，燃气涡轮发动机产生不同频率的噪音。就用于直升机的燃气涡轮发动机而言，噪音峰值通常可以在第一(低)频率范围中观测到，大约为0.5kHz，以及在第二(中)频率范围中观测到，大约为2kHz。虽然可以通过对共振空腔的尺寸进行设置这样简单的方式来衰减来自第二频率范围的声音，但是由于空间限制，很难衰减来自第一频率范围的声音，因为这种衰减需要使用深度相对于可用体积而言太大的空腔。更具体地，上述低频声音是令人不快的噪音的来源，特别是当直升机起飞时。

本发明的目的为提出用于燃气涡轮发动机的喷嘴，其能够实现对多个频率范围的有效衰减，特别是低频和中频。

本发明特别涉及对来自直升机燃气涡轮发动机喷嘴的噪音进行衰减。但是，申请人的权利范围不限于单一应用，更普遍地，本发明涉及用于从燃气涡轮发动机喷射气体的装置。

因此，本发明涉及用于从燃气涡轮发动机喷射气体的装置，该装置包括外壁和内壁，该外壁和内壁之间限定有气体流，所述内壁形成限定内部空腔的中心体，所述外壁被穿孔并与至少一个外部共振空腔连通，以对第一声音频率范围内的噪音进行衰减，所述装置还包括使所述外部空腔和内部空腔流体连通的元件，该元件穿过气体流延伸，所述内部空腔由此形成对第二声音频率范围内的噪音进行衰减的共振空腔。所述装置特征在于，所述使所述内部空腔和外部空腔流体连通的元件包括径向臂，该径向臂还实现对所述中心体进行机械保持的功能。

通过本发明，可以衰减来自两个声音频率范围的噪音，而不增加位于气流外侧的空腔的体积。因此，在体积相同的情况下，可以对噪音进行衰减，这在现有技术中是不可能的。最后，通过本发明，外部空腔和内部空腔形成单一共振空腔，该单一共振空腔能够处理多个声音频率范围。

根据优选实施方式，臂是中空的，在外壁区域通向外部共振空腔，并在内壁区域通向内部共振空腔。

根据优选实施方式，内壁包括位于其内侧的声学衰减壳体。

根据优选实施方式，第一声音频率范围对应于中频，例如，中心为大约2kMz，第二声音频率范围对应于低频，例如，中心为大约0.5kMz。

值得注意的是，外部空腔和内部空腔能够交替衰减相同的声音频率范围(衰减的频率范围全部或部分重叠)，因此，本发明目的为增加在该范围的衰减效率。

根据优选实施方式，内部空腔和/或外部空腔分开，以调节它们所衰减的频率。换句话说，空腔包括一个或多个隔板，隔板之间的体积可以相同或不同。所述体积尺寸根据欲进行声学处理的频率，通过本领域人员公知的方式确定。

根据实施方式，在本案中，隔板还实现结构功能。

根据优选实施方式，喷射气体的装置为燃气涡轮发动机的气体喷嘴。

本发明还涉及包括如上所述气体喷射装置的燃气涡轮发动机。

通过以下参考附图对本发明优选实施方式进行的描述，可以更清楚的理解本发明，其中：

图1为用于直升机的燃气涡轮发动机的图解截面图，该燃气涡轮发动机具有根据本发明优选实施方式的喷嘴；

图2为图1所示发动机喷嘴的轴向图解截面图；

图3为图2所示喷嘴的从下游侧观察的前视图。

参考图1，以公知的方式，直升机的燃气涡轮发动机包括压缩机2(在本案中其为离心的，并具有单级)，环形空气进气道3将外部空气提供给压缩机2，环形燃烧室4(在本案中其具有逆流)，环形燃烧室4具有喷射器(未示出)，以对其提供燃料，用于燃烧来自压缩机2的压缩气体。燃烧气体驱动第一涡轮5(在本案中其具有单级)和所谓的第二动力涡轮7(在本案中其具有单级)，第一涡轮5和压缩机2通过在旋转时将二者固定在一起的轴6连接，第二动力涡轮7通过一轴连接至齿轮单元，使得机械能量从动力涡轮7传递至输出轴9，例如，第二动力涡轮7连接至驱动直升机叶片的转子。

在动力涡轮7的出口，发动机包括气体喷射装置10，在本案中为气体喷嘴10，其功能为从上游到下游沿着气体流V或气流V对排出气体进行引导。

喷嘴10(及其壁11，12)基本上沿轴A延伸。除非有相反指示，说明书以下部分中所提到的纵向，径向，横向，内部或外部这些概念都是参照轴A而言。

喷嘴10包括外壁或外壳11(基本上为圆柱形)以及内壁或内壳体12。在纵向上，内壁12的长度小于外壁11的长度，仅从外壁11的上游部分垂直延伸。外壁11限定气流V的外部围层，而内壁12(在相应的上游部分)限定气流V的内部围层。

换句话说，气体在内壁12和外壁11之间流动。外壁11有时称作“扩散器”。

喷嘴10的内壁12形成喷嘴10的中心体12。在本案中它的形式为壁，该壁具有围绕涡轮喷气发动机的轴A的旋转对称性，中心体12的形状为截圆锥，在其上游端12a和下游端12b(通过图2中可见的相应壁)封闭。本领域技术人员有时将喷嘴中心体称作“塞子”(plug)，有时也称作“圆锥体”(cone)，因为中心体通常基本上为截圆锥形。在此，内壁12和中心体12指代相同，这两个概念可以互换。中心体12限定对应于其内部体积的内部空腔C。

喷嘴10还包括外部空腔13，在本案中，外部空腔13为环形且围绕喷嘴10的外壁11的上游部分延伸，该上游部分的位置与中心体12至少部分地垂直。所述外部空腔13由上游壁13a，外壁13b及下游壁13c限定，并且在内侧由外壁11的所述上游部分限定。外壁11穿刺有多个孔14(在图1中概略示出)，孔14实现使气流V与共振空腔13流体连通以衰减噪音的功能，为此，所述孔在内壁12的两侧展开，举例来说，这些孔以方网眼形式分布，但是任何类型的分布都是可能的。在本案中，外壁11在其对应于外部空腔13的整个上游表面上穿孔。外部空腔13及穿孔的外壁11形成四分之一波长共振器类型的声学衰减壳体R。在本案中，该壳体R直接形成喷嘴的外部围护结构。

喷嘴10还包括径向臂15，在本案中，径向臂15实现对中心体12进行机械保持的功能。所述臂15在外壁11和内壁12之间延伸，并通过例如焊接或者甚至铆接的方式而固定至所述壁11，12中的每一个。在本案中，径向臂15的数量为4个，以相同角度分布，即，在直径上成对向对设置，连续的臂15以90°隔开。更普遍地，臂15的数量优选地为3至5个，并且臂优选以一定角度均匀分布。

除了实现对中心体12进行机械保持的功能，臂15还设置为使外部空腔13和内部空腔C彼此流体连通，使得声音能穿过一者到达另一者，由此使得内部空腔C形成共振空腔，以衰减在共振空腔中传播的声音。

更具体地，臂15为中空的，在其外侧通向外部空腔13，在其内侧通向内部空腔C。在本案中，臂在内部空腔C的外侧15a和内侧15b完全开放，也就是说，外部径向端15a和内部径向端15b沿着与壁径向尺寸垂直(transverse)的整个部分都开放。

根据另一未示出的实施方式，臂15在其外部端15a和/或内部端15b上仅部分开放，例如，在其外部端15a和内部端15b中的一个和/或另一个区域，臂15可以包括穿孔金属板，该穿孔金属板将臂15的内部体积从外部空腔13和/或内部空腔C物理隔离开，虽然如此，还是要允许体积之间的流体连通。如果需要的话，这样就能够通过由此形成的抵抗层来改善声学处理。

不管何种实施方式，如箭头16所示，声音从气流V通过外壁11的穿孔14传播至外部共振空腔13。外部空腔13的深度(如下所解释)设置为能够对第一声音频带进行衰减，在本案中，该第一声音频带为中频范围，其中心为大约2至2.5kHz。

归因于使外部空腔13和内部空腔C流体连通的臂15，如箭头17所示，声音也从外部空腔13传播至内部空腔C。这样能够对由内部空腔C所形成的共振空腔中的第二声音频带进行衰减，其中声音通过径向臂15从外部空腔13传播至所述共振空腔。

优选地，由于中心体能够为内部空腔C限定较大的体积，所述空腔可以对低频范围进行衰减，例如，所述低频范围为0.3至1kHz。

相对于现有技术中包括中心体和外部空腔的喷嘴而言，喷嘴10不需要额外体积就能够实现对两个频率范围的衰减，现有技术喷嘴的中心体和外部空腔与喷嘴10的中心体和外部空腔相似。更具体地，用于声学衰减的额外体积是中心体12的额外体积，该额外体积通过外部空腔13借助径向臂15实现。

喷嘴10的不同构成元素优选为金属，例如，喷嘴可由镍基钢或钛基钢制成。

喷嘴10所处理的频率范围的调整特别是基于外部空腔13和内部空腔C的体积。

因此，外部声学衰减壳体的频率的调整(即，对外部声学衰减壳体所衰减的主要频率的确定)特别是通过调整外部空腔13的体积实现，更具体地，通过调整外部空腔13的径向深度实现。更具体地，声学衰减壳体R根据所谓的“四分之一波长”共振器的原理运行，所述“四分之一波长”共振器为这样的一个共振器：其深度等于其所衰减的频带的中心频率的波长的四分之一。因此，想要衰减的频率越高，空腔13的径向深度就要越小。相反，想要衰减的频率越低，空腔13的径向深度就要越大。取决于将要衰减的频率，空腔13还可以分割为多个空腔(间隔壁可以为纵向的或横向的)，在本案中还可以使用蜂巢型结构，间隔壁还可以实现机械保持的功能。空腔13的长度L或径向尺寸L由此影响声学衰减的速率或效率。

例如，为衰减中心为2kHz的频带，可以使用径向深度为4cm的单一空腔13，外壁11的孔隙率(孔14的累加面积与总面积之比)优选为5％至10％之间，例如，8％。

相似地，中心体12的频率的调整通过调整其体积实现。它的形状适应于将要衰减的最高频率，典型地，中心为大约0.3或0.5kHz的频率范围。径向臂15的体积也对声学衰减做出贡献，可以被考虑进去。根据公开的实施方式，圆锥的径向尺寸在11到23cm之间，半径为6至12cm之间。

根据一未示出的实施方式，内部空腔C和/或外部空腔11由至少一个隔板隔开，以调节它们所衰减的噪音频率。所述隔板还可以实现作为加固物的结构功能。

根据一未示出的实施方式，为进一步改善中心体12的声学衰减，中心体包括在内壁12的内侧上的声学衰减壳体。这是特别有利的，由于内部空腔C不直接遭遇排出气体流，该壳体可以使用传统上不能用于外部喷嘴壁的处理的材料，因为这些材料与排出气体对其施加的条件不相容。

中心体12描述为截圆锥。值得注意的是，取决于发动机和其空气动力学限制，中心体可以具有其它形状，这些其它形状具有旋转对称性(例如，圆柱形)。中心体还可以不具有旋转对称性，以减少气体喷射的噪音或降低红外特征；在本案中，举例来说，中心体可以具有波状的，矩形的，或椭圆形的横截面。本发明适用于所有形状的中心体，因为这些形状能够限定共振空腔，该共振空腔通过延伸穿过气流V的元件连接至喷嘴的外部空腔。

此外，值得注意的是，在某些燃气涡轮发动机，特别是飞机涡轮喷气发动机中，中心体12还可以实现引导发动机的脱气流的功能。更具体地，在某些发动机中，在其中心轴的下游端设置有脱气口，各种流体，例如油蒸气，某些冷却气体等通过该脱气口排出。这通常称为“油分离器”。在本案中，不管是否提供在中心体内部延伸直至其端部的用于引导脱气流的管道，实现对脱气流的槽式引导，中心体都通过其内表面确保对脱气流的引导。脱气通常通过吸入来实现，管道或中心体内部的压力低于涡轮喷气发动机的壳体中的压力。该脱气流的引导功能可以同本发明的共振空腔功能结合起来。

还值得注意的是，还可以在外部空腔13的下游提供共振空腔，以进一步改善声学衰减。

还值得注意的是，喷嘴中还可以设置喷射器(用于向喷嘴提供第二气流)，这样的喷射器同本发明并不是不相容的。

在发动机中，如果需要的话，径向臂15还可以允许辅助设备通过，如线缆或电线束，输送流体的管道等等。

本发明公开了沿轴A的矩形喷嘴。根据一未示出的实施方式，喷嘴为弯曲的形状，这在应用至直升机时可能是有用的，这种实施方式同本发明并不是不相容的。

Claims (8)

1.用于从燃气涡轮发动机喷射气体的装置，该装置包括外壁(11)和内壁(12)，该外壁和内壁之间限定有气体流(V)，所述内壁(12)形成限定内部共振空腔(C)的中心体，所述外壁(11)被穿孔并与至少一个外部共振空腔(13)连通，以对第一声音频率范围内的噪音进行衰减，所述装置还包括使所述外部共振空腔(13)和所述内部共振空腔(C)流体连通的元件，该元件穿过气体流(V)延伸，所述内部共振空腔(C)由此形成对第二声音频率范围内的噪音进行衰减的共振空腔，特征在于，所述使所述外部共振空腔(13)和所述内部共振空腔(C)流体连通的元件(15)包括径向臂(15)，该径向臂还实现对所述中心体进行机械保持的功能。

2.如权利要求1所述的喷射气体装置，其中所述臂(15)为中空的，在所述外壁(11)的区域通向所述外部共振空腔(13)，并在所述内壁(12)的区域通向所述内部共振空腔(C)。

3.如权利要求1或2所述的喷射气体装置，其中所述内壁(12)包括位于其内侧的声学衰减壳体。

4.如权利要求1或2所述的喷射气体装置，其中所述第一声音频率范围对应于中频，中心为大约2kMz，第二声音频率范围对应于低频，中心为大约0.5kMz。

5.如权利要求1或2所述的喷射气体装置，其中所述内部共振空腔(C)和/或所述外部共振空腔(13)包括至少一个隔板，以调节它们所衰减的噪音频率。

6.如权利要求5所述的喷射气体装置，其中所述隔板(7)还实现结构功能。

7.如权利要求1或2所述的喷射气体装置，所述装置为燃气涡轮发动机的气体喷嘴。

8.燃气涡轮发动机，其具有权利要求1至7中任意一项所述的喷射气体装置。