CN102758667A - 一体的尾锥消音器组件和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一体的尾锥消音器（ITM）组件和方法。一种用于最小化产生的噪音同时从一个或多个飞行器燃气轮机发动机排放加压空气的方法。该ITM包括限定圆锥形后腔的尾锥，该后腔具有大前端和窄后端；以及多孔废气内衬，其具有第一端和第二端，第一端联接到上述燃气轮机发动机中第一发动机的机油冷却器喷射混合器排放腔，而第二端通过该圆锥形后腔的窄后端排放到大气。该ITM还包括抽气排放导管，其构造成将加压抽气从所述燃气轮机发动机排放入该圆锥形后腔；和防火墙隔板，其限定该圆锥形后腔的大前端，限定使该多孔废气内衬通过的第一孔并限定使抽气排放导管通过的第二孔，该防火墙隔板从圆柱形多孔废气内衬和该抽气排放导管两者径向延伸。

Description

一体的尾锥消音器组件和方法

技术领域

本发明总体涉及辅助动力单元（APU）冷却系统并涉及APU废气以及可能与之相干涉的发动机喘振抽气的减弱，更具体地，涉及一体的尾锥消音器（ITM）组件和使用该组件减少喘振抽气噪音并降低对相关的APU机油冷却系统的影响的方法。

背景技术

现在的涡轮螺旋桨和涡轮风扇驱动的飞行器在它们的主推进燃气轮机发动机之外还携带称为APU的小燃气轮机发动机。一些飞行器携带两个APU。通常，这些APU被定位在位于飞行器后部内的隔室中，例如定位在机尾中，并在尾锥前面。APU历来就被用在飞行器内以在主发动机不运行时来提供动力给飞行器系统并实现在不需要外部动力的情况下来起动主发动机。飞行器还在航行时需要额外的动力源。关于示例性的机尾安装的APU的部件和运行的更多细节可参见与本文同属一个申请人的再公告专利39972，该专利的全文通过参考并入本文。

在APU的运行期间，在APU隔室内产生热量的源头有数个，包括来自APU的辐射、来自APU机油冷却器的对流，以及来自发电机和其它辅助装置。为了防止APU隔室内的温度达到不可接受的高度，必须提供穿过隔室的通风或冷却气流。为了提供这种冷却气流，必须使用废气喷射混合器。该喷射混合器使用APU废气气体的动能来在尾锥内产生适度的真空从而拉动外界的冷却气流通过APU隔室并在APU机油冷却器上通过。关于示例性的废气喷射混合器冷却系统的更多背景细节可参见与本文同属一个申请人的美国专利5265408，该专利的全文通过参考并入本文。

图1是示例性的现有技术图，其示出了用于Comac C919或类似飞行器的传统的ITM100。Comac C919是将要由中国商用飞机公司建造的168-190座窄机身客机。ITM100被设置在具有辅助动力单元12的飞行器尾锥2内，辅助动力单元12安装在尾锥2前面的隔室内。尾锥2大体是圆锥形的，包括逐渐变细的中空壳体，该壳体带有后端（即，顶端），该后端是截头的并通向外界大气（此后称为“敞开后端”）。

辅助动力单元12和机油冷却器腔17被设置在尾锥2的前面。APU机油冷却器10及其相应的机油冷却器腔17都流体地联接到ITM100的入口开口。喘振抽气腔99还流体地联接到ITM100的入口开口。在正常的APU运行期间，废气裹挟通过APU隔室、在APU机油冷却器10上通过并进入冷却腔的冷却空气。有时，当飞行器关闭高压抽气的使用时，抽气被通过喘振腔99转移到废气系统中以避免压缩机喘振。喘振抽气的这种在紧邻APU喷嘴并在其下游的混合平面内的准径向倾泻往往减少在机油冷却器处的冷却空气流。

位于ITM100前面的坚硬的防火墙隔板6将APU隔室与ITM100隔离，并且限定了圆锥形后腔5的大前端且还限定了ITM100的入口开口。后腔5进一步还由尾锥2的蒙皮限定且还由尾锥的窄敞开后端7限定。尾锥2用作ITM100的外壳，由此限定了一体的双用途消音器的后腔5。消音器后腔5既用作消音器也用作用于减少产生的排放噪音同时通风加压喘振抽气的喘振抽气腔。

圆柱形多孔废气内衬4穿过在防火墙6中的入口开口地将机油冷却器腔17和APU12的废气喷嘴13联接到后腔5，并最终到达外界大气。多孔废气内衬4通常由穿孔的金属薄板、多孔金属丝网（例如，Poroplate牌）、金属纤维毡（Feltmetal）、任何其它合适的“线性”内衬，或它们的合适的组合构造。

多孔废气内衬4具有第一端3并延伸通过防火墙隔板6中的入口开口从而机械地联接到APU12的废气喷嘴13用以接收其废气流。多孔废气内衬4具有第二端，其延伸到尾锥2的敞开后端7从而将来自APU的混合废气气体输送到尾锥的敞开后端。如在本文中所用，术语“混合废气气体”包括APU冷却空气流、废气气体、和喘振抽气，如本文下面所描述的。多孔废气内衬4流体地连接到废气喷嘴13，其连接部与APU废气喷嘴13、机油冷却器腔17和多孔废气内衬4联合组成喷射混合器。APU废气是喷射混合器（13，17，4）的原动力流体，其在APU喷嘴13下游的机油冷却器腔17中建立了降低的压力，也称为混合平面，由此抽吸冷却空气通过APU隔室并在APU机油冷却器10上通过。混合的废气被通过ITM100排放出敞开后端7。

理想地，流动通过机油冷却喷射混合器（13，17，4）的APU废气可拉动足够的气流通过APU隔室从而通过将空气冷却器腔17处的压力降低外界大气压力的一小部分（例如，1％）来提供足够的冷却水平。不幸的是，由未使用的APU压缩机排放空气产生的喘振抽气通过安装的喘振排放腔99被周期地从抽气系统排放到喷射混合器（13，17，4）附近（例如，废气混合平面的下游）。抽气的周期性喘振提高了机油冷却器腔17附近的局部压力，由此降低了机油冷却器10的性能。而且，在机油冷却器腔17处排放加压喘振抽气过程中产生的噪音还是在APU12未由诸如加热或冷却系统的机载辅助系统加载时来自该APU12的主要噪音源。

图1A是ITM100中的压力曲线的曲线表示。Y轴是范围为从零到14.7PSI的外界压力的绝对压力。X轴是从APU喷嘴13到敞开后端7的轴向距离。

参见曲线150，当APU废气离开喷嘴以建立机油冷却器空气喷射混合器（13，17，4）的原动力流体时，在APU喷嘴13处的压力明显高于14.7PSI。在机油冷却器腔17处，由APU废气流的喷射混合器效应建立了压力降。这个压力降通常是在1－2％的范围内，其引起约0.147-0.294PSI的绝对压力降。该压力降引起APU冷却空气从APU隔室流动穿过APU机油冷却器。当混合的空气流沿着多孔内衬4行进时，其在敞开后端7附近升高到外界压力，敞开后端7与外界大气1连通。

参见曲线200，离开位于机油冷却器腔17附近的喘振抽气腔99的喘振抽气周期性地增加空气量，从而增加机油冷却器腔17内的背压。因此，在抽气喘振期间，很少或没有冷却空气穿过机油冷却器10，由此降低了其效力。

另外，已经进行过尝试通过将喘振抽气由导管输送到位于飞行器尾锥内的传统APU涡轮发动机消音器内以减弱来自APU发动机装置的喘振抽气排放噪音。但是，这些结果并不令人满意，因为这些传统消音器相对于尾锥的容积来说太小了，不能提供足够的噪音减弱并且相对较重，使得它们不适合小型、轻型的飞行器。

因此，期望提供一种ITM及其使用方法。还期望维持APU废气喷射混合器（13，17，4）的效力，最小化其重量和复杂程度，改进机油冷却器性能，并降低喘振抽气噪音。而且，本发明的其它可取的特征和特点将通过下面的结合本发明的附图和本背景技术理解的对本发明的具体描述和所附权利要求而变得易于理解。

发明内容

提供了一种一体的尾锥消音器（ITM）。该ITM包括限定了圆锥形后腔的尾锥，该圆锥形后腔具有大前端和窄后端以及带有第一端和第二端的多孔废气内衬，第一端连接到燃气轮机发动机的机油冷却器喷射混合器排放腔而第二端通过圆锥形后腔的窄后端排放到大气。ITM进一步包括构造成从一个或多个燃气轮机发动机将加压抽气排放入圆锥形后腔的抽气排放导管以及限定圆锥形后腔的大前端、限定使圆柱形多孔废气内衬通过的第一孔并限定使抽气排放导管通过的第二孔的防火墙隔板，该防火墙隔板从圆柱形多孔废气内衬和抽气排放导管两者径向地延伸。

提供一种用于最小化在从一个或多个飞行器燃气轮机发动机排放加压空气时产生的噪音的方法，该方法包括建立由飞行器的具有大前端和通到外界大气的窄后端的尾锥限定的圆锥形后腔，其中该大前端由防火墙隔板限定，并且插入包括第一端和第二端的多孔废气内衬使其通过圆锥形后腔，多孔废气内衬从尾锥的窄后端延伸通过防火墙隔板内的孔，第一端延伸通过防火墙隔板中的该孔而第二端终止在圆锥形后腔的窄后端。该方法还包括插入加压空气排放导管使其通过防火墙隔板中的第二孔从而进入圆锥形后腔并将加压空气排放入圆锥形后腔的大前端。来自被排放入圆锥形后腔的加压空气的任何压力增加都会立即且部分地被圆锥形后腔的相对大尺寸所消散并且加压空气的压力在该加压空气流动通过多孔废气内衬并被通过其第二端排放到外界大气时被进一步降低。

附图说明

下面将结合下列附图来描述本发明，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且

图1是现有的一体尾锥消音器（ITM）的简化的截面图；

图1A是在APU废气喷嘴和多孔废气内衬的敞开后端之间存在的压力水平的曲线图；

图2－9是如本文下面所描述的ITM的各种示例性实施例的简化的截面图。

具体实施方式

下面的具体描述本质上仅是示例性的，并且不是意在限制本发明或本发明的应用或使用。如本我们中所使用，词语“示例性”意思是“用作示例、例子或说明”。因此，本文中描述为“示例性”的任何实施例都并非一定被理解为相比其它实施例是优选的或有优势的。本文中所描述的全部实施例都是示例性实施例，其用于使本领域技术人员能够制造或使用本发明，而不是限制本发明的范围，本发明的范围由权利要求限定。而且，并不企图受在前面的技术领域、背景技术、发明内容，或者在后面的详细描述中出现的明示或暗示的理论所约束。本文中公开的各种实施例都涉及ITM组件。该ITM组件被用在其内还装有APU的飞行器尾部中。

图2是改进的ITM100’的示例性实施例的简化的截面图。在图2中，在图1中示出的喘振抽气腔99被移除，而喘振抽气排放管8被引导成在从机油冷却器腔17径向移开的位置处穿入防火墙隔板6。因此，不是将喘振抽气排放入机油冷却器腔17中并干扰机油冷却器腔17，相反，抽气被排放入尾锥2的后腔5中。

在一些实施例中，其中有多个APU安装在飞行器的尾部中，可以有多根排放管8被引导成在不同位置穿入防火墙隔板6或者这些排放管可被适当地连接并被引导通过相同的防火墙隔板穿入部。该多个APU可共用同一机油冷却器腔或者可通过单独的机油冷却器腔和单独的多孔废气内衬4排气到外界大气。

当喘振抽气时，由排放入后腔5的抽气建立的压力升高并迫使该抽气进入多孔废气内衬4并以混合空气流（即，APU废气、抽气和机油冷却空气）的形式从尾锥的敞开后端7排出。通过将喘振抽气排入后腔5，任何背压都被移除，否则这些背压会被建立在机油冷却器腔17中；并且同时抑制了由通过多孔废气内衬4自由地离开尾锥2所产生的且可听得见的任何噪音。

图2的实施例的噪音和流动性能可通过将扩散器（例如，A、B或C）附接到抽气排放管8的排放端上而改进（见图5）。扩散器A是圆锥形的、扩口配件，其呈现为漏斗形。扩散器B可以是敞开端部被球形多孔的帽/盖或穿孔的帽/盖覆盖的扩散器A。扩散器C也可以是带有板或分流装置的扩散器A，板或分流装置垂直于抽气排放管8布置并与扩散器间隔开使得空气撞击到板的底面上并从扩散器径向地逃离。在其它的等同实施例中，扩散器可以采用其它的数种可替换的形式，例如延伸进入或穿过后腔5的穿孔管。

图3是ITM100’的另一示例性实施例的简化的截面图。图3基本上与图2的ITM100’相同，除了坚硬的挡板16已经被添加到防火墙隔板6后面的特定轴向距离处，从而建立喘振抽气腔18。喘振抽气腔18相对于图2的实施例可减小喘振抽气噪音特性。

在防火墙隔板6和坚硬的挡板16之间的轴向距离可以是与待排放的抽气的体积和压力以及扩散器（如果有的话）的大小相称的任何合适的距离，使得显著的背压不会在机油冷却器腔17中形成。坚硬的挡板16可以被密封地附接到多孔废气内衬4或可仅周向地允许多孔废气内衬从其穿过，这在特定应用中被发现是最有优势的。类似地，坚硬的挡板16的外周长可被密封地附接到尾锥2，或者其可以不这样从而允许喘振抽气围绕着其外围逃离入后腔5。

在一些实施例中，延伸在防火墙隔板6和坚硬的挡板16之间的多孔废气内衬4的长度可以由穿孔的薄板金属20（即，穿孔）构成，该金属带有多个合适大小的各种形状的穿过该金属的孔，从而在周期性地排放喘振抽气时适应该喘振抽气的体积和压力。在其它的实施例中，在防火墙隔板6和坚硬的挡板16之间的多孔废气内衬4的长度可由“线性”内衬例如压缩金属丝薄片（例如，poroplate牌）或压缩的金属形状（例如，金属纤维毡（Feltmetal））构成，或由穿孔物20和“线性”内衬两者构成。

图4是ITM100’的示例性实施例的简化的截面图。图4与图3的ITM100’基本上相同，除了坚硬的挡板16已经被径向地截短从而建立更小的喘振抽气腔18。更小的喘振抽气腔18相对于图3的实施例可减小重量和任何喘振抽气噪音特性。

在一些实施例中，坚硬的挡板16的外圆周边缘可被密封地附接到防火墙隔板6。在其它的实施例中，坚硬的挡板16可以松弛地或挠性地安装到防火墙隔板6从而允许喘振抽气围绕着坚硬的挡板16的圆周边缘逃离入后腔5。坚硬的挡板16的圆周边缘还可以包含穿孔或通道以允许一些喘振抽气逃离入后腔5。

图5是ITM100’的另一示例性实施例的简化的截面图。图5基本上图3的ITM相同，示出了多孔废气内衬4的特征，该特征可选择性地被包含在前述实施例的任一个中。在图5中，环形开口30已经被添加到多孔废气内衬4，接近防火墙隔板6并在防火墙隔板6的下游。环形开口的设置亦可以同时在坚硬的挡板16（如果有的话，例如见图3）的上游。环形开口30的目的是便于喘振抽气从抽气排放管8流入多孔废气内衬4，用于改善声音减轻。

类似地，图6是ITM100’的另一个示例性实施例的简化的截面图。图6基本上与图5相同，并且用于说明多孔废气内衬4的特征，该特征可选择性地包含在前述实施例的任一个中。在图6中，环形开口30已经由截面包含的倾斜的渗出孔35代替，该渗出孔35已被添加到多孔废气内衬4，接近防火墙隔板6并在防火墙隔板6的下游。环形渗出孔35的设置还可以同时在坚硬的挡板16（如果有的话）的上游。

成角度的渗出孔35的目的是定向地将喘振空气流从抽气排放管8引入多孔废气内衬4，这可能是期望的，但要以更受控制的方式。成角度的渗出孔35是向内倾斜的并且朝向多孔废气内衬4的尾部，以允许喘振空气沿向尾部的方向更自由地离开后腔5，但是使混合空气流更加难于沿相反的方向进入后腔5。

图7是ITM100’的另一示例性实施例的简化的截面图。图7基本上与图5的ITM相同，示出了包括图5的环形开口30的示例性实施例，开口30位于防火墙隔板6和坚硬的挡板16之间。环形开口30允许喘振抽气排放自由地从喘振抽气腔18进入多孔废气内衬4并且可能通过多孔废气内衬4进入后腔5。

图8是ITM100’的示例性实施例的简化的截面图。图8基本上与图5的ITM相同，示出了包括图5的环形开口30的另一示例性实施例，开口30位于防火墙隔板6和坚硬的挡板16之间。图5和图8之间的主要差别在于，在图5中抽气排放管8直接排放入后腔5，而在图8中扩散器“A”通过环形开口30排放入多孔废气内衬4。

图9是ITM100’的示例性实施例的简化的截面图。图9基本上与图8相同，示出了没有环形开口30的另一示例性实施例。图8和图9的主要差别在于，在图9中抽气排放管8在防火墙隔板6后面更远的位置处直接排放入多孔废气内衬4，而在图8中扩散器“A”（见图2）仅在防火墙隔板6后面排放。在沿着多孔废气内衬4的轴向位置中的差别依赖于噪音水平方面的顾虑与机油冷却器腔中背压方面的顾虑之间的权衡，在噪音水平方面的顾虑中，向多孔废气内衬4内的排放优选为仅在防火墙隔板6后面；而背压方面的顾虑将会通过使喘振空气排放被定位成更靠后而被有利地缓和。

在这个文件中，关系方面的术语，例如第一和第二等，可单独地使用以使一个实体或动作区别于另一实体或动作，而不一定要求或暗示在这些实体或动作之间的任何实际存在的这种关系或顺序。数字序数，例如第一、第二、第三等，仅仅指示多个中的不同的单体，并不暗示任何顺序或序列，除非在权利要求的语言中明确限定。在任一权利要求中的文字的序列并不暗示过程步骤必须以根据这个序列的临时的或逻辑的顺序来被执行，除非由该权利要求的语言明确限定。过程步骤可以以任何顺序互换，而不脱离本发明的范围，只要这种互换不与权利要求向矛盾并且不是逻辑上无意义的。

而且，依赖于上下文，词语例如在描述不同元件之间的关系时使用的“连接”或者“联接到”并不暗示在这些元件之间必须进行直接物理连接。例如，两个元件可物理地、电子地、逻辑地、或以任何其它方式通过一个或多个附加元件彼此连接。

虽然在前面对本发明的具体描述中给出了至少一个示例性实施例，但是应当理解的是还存在大量的变型。还应当理解的是，一个或多个示例性实施例仅仅是示例，并绝非是用来限制本发明的范围、应用性或构造。更确切地说，前面的详细描述将给本领域技术人员提供用于实施本发明示例性实施例的方便的路线图。还应理解的是，在示例性实施例中描述的元件的功能和布置方面还可以进行各种改变，而不脱离如所附权利要求所公开的本发明的范围。

Claims (13)

1.一种低噪音的一体尾锥消音器（ITM）组件，其用于具有燃气轮机发动机的飞行器尾锥中，该发动机通过该尾锥排放气体，包括：

尾锥，其限定圆锥形后腔，该圆锥形后腔具有大前端和窄后端；

多孔废气内衬，其具有第一端和第二端，该第一端联接到该燃气轮机发动机的机油冷却器喷射混合器排放腔，而第二端通过该圆锥形后腔的窄后端排放到大气；

抽气排放导管，其构造成将加压抽气从该燃气轮机发动机在多孔废气内衬外部地排放入该圆锥形后腔；和

防火墙隔板，其限定该圆锥形后腔的大前端，限定使该多孔废气内衬通过的第一孔并限定使抽气排放导管通过的第二孔，该防火墙隔板从该多孔废气内衬和该抽气排放导管两者径向延伸。

2.如权利要求1的ITM，其中该圆锥形后腔被构造成接收从该抽气排放导管排放的加压抽气，直到该加压抽气通过该多孔废气内衬并从该多孔废气内衬的第二端出来以消散到大气。

3. 如权利要求1的ITM，其中该多孔废气内衬由下面材料组中的一种或多种组成，该材料组包括：穿孔板、金属网、或穿孔板和金属网两者的组合，其中进一步，该穿孔板和金属网可包括金属材料和碳复合材料中的其中一种。

4. 如权利要求1的ITM，还包括坚硬的挡板，其由外圆周限定并限定使多孔废气内衬从其通过的孔，该坚硬的挡板位于防火墙隔板的后面并基本上与防火墙隔板平行，该坚硬的挡板被设置成形成喘振腔，该喘振腔构造成接收加压抽气排放。

5. 如权利要求1的ITM，还包括在多孔废气内衬中的环形开口，其紧邻该防火墙隔板并在防火墙隔板的下游。

6. 如权利要求1的ITM，其中该多孔废气内衬包括在该多孔废气内衬中的多个倾斜的渗出孔，该渗出孔紧邻该防火墙隔板并在防火墙隔板下游。

7. 如权利要求1的ITM，其中抽气排放导管在防火墙隔板后面紧挨着防火墙隔板地将加压抽气直接排放入多孔废气内衬。

8. 如权利要求1的ITM，其中抽气排放导管在防火墙隔板后面一定距离处将加压抽气直接排放入多孔废气内衬。

9. 如权利要求1的ITM，其中抽气排放导管包括扩散器，该扩散器在防火墙隔板后面且紧邻防火墙隔板地附接到该抽气排放导管。

10. 如权利要求1的ITM，包括第二燃气轮机发动机，其向第二机油冷却器喷射混合器排放腔内排气。

11. 一种用于最小化产生的噪音同时从一个或多个飞行器燃气轮机发动机排放加压空气的方法，该方法包括如下步骤：

建立由飞行器的尾锥限定的圆锥形后腔，该圆锥形后腔具有大前端和通到外界大气的窄后端，其中该大前端由防火墙隔板限定；

插入多孔废气内衬通过该圆锥形后腔，内衬包括第一端和第二端，该多孔废气内衬从尾锥的窄后端延伸通过该防火墙隔板中的孔，该第一端延伸通过该防火墙隔板中的该孔，而第二端终止在该圆锥形后腔的窄后端；

插入加压空气排放导管通过该防火墙隔板中的第二孔并进入该圆锥形后腔且在该多孔废气内衬的外面；和

排放加压空气通过该加压空气排放导管进入该圆锥形后腔的大前端；

其中来自被排放入该圆锥形后腔的加压空气的压力增加立即且局部地被该圆锥形后腔的相对大尺寸所消散，并且当加压空气流动通过多孔废气内衬且被经由其第二端排放到外界大气时加压空气的压力被进一步减小。

12. 如权利要求11的方法，还包括，安装坚硬的挡板，该坚硬的挡板由外圆周限定并限定使多孔废气内衬从其穿过的孔，该坚硬的挡板安装在防火墙隔板后面且基本与防火墙隔板平行，该坚硬的挡板被设置成形成喘振腔，该喘振腔被构造成接收加压空气，其中该加压空气被排放入该喘振腔并流入该多孔废气内衬。

13. 如权利要求11的方法，其中该加压空气或通过该多孔废气内衬流入该圆锥形后腔，或经由内衬的第二端流到外界大气。

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