CN102758704A - 具有挡板的排气消音器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有挡板的排气消音器。具体地，一种排气消音器组件包括排气导管和排气消音器。排气消音器围绕排气导管设置并且具有多个实心挡板和至少一个穿孔挡板。排气消音器组件设置在辅助动力单元的下游并且至少部分地衰减由辅助动力单元的操作引起的燃烧气体的下游噪音。在一个实施例中，多个实心挡板中的至少一个设置成在大致径向延伸的实心挡板、（一个或多个）穿孔挡板或局部穿孔挡板之间轴向地延伸。轴向延伸的实心挡板允许消音器中的腔体深度变化以优化来自辅助动力单元的特定频率的调节。

Description

具有挡板的排气消音器

技术领域

本发明涉及噪音抑制系统。具体地，本发明涉及用于诸如飞机辅助动力单元（APU）之类的气体涡轮机的噪音抑制系统。

背景技术

大型商用飞机通常包括位于飞机尾部内的机载APU，用于为飞机中的多个系统提供电力和压缩空气。当飞机在地面上时，飞机的主推进发动机停机，APU为多种系统提供主要动力源并且充当主发动机启动器。APU也可在飞行操作期间为各种系统提供动力。

尤其对于商用客机而言，航空业广泛地要求将涡轮机产生的噪音水平保持在所限定的界限之下。这对于飞机的地勤站尤为重要，在那里，地勤人员装载和携载行李并为飞机提供燃料。因此，当飞机在地面上时，希望将APU的噪音最小化。

一种用于衰减APU的排气噪音的技术涉及将排气消音器直接放置在APU排气扩散器的下游。这允许排气消音器在燃烧气体离开排气扩散器时衰减燃烧气体的噪音。排气消音器通常直接放置在APU排气扩散器的下游以最小化APU的总轴向长度。然而，燃烧气体以高速离开APU，并且在排气扩散器下游产生湍流混合物。湍流混合物在排气扩散器下游产生显著量的附加噪音。

为了解决该问题，通常增加排气消音器的尺寸，并由此增加APU壳体结构的尺寸，从而抑制在排气扩散器下游产生的噪音。然而，这种解决方案令人失望地增加了飞机尾部的总体尺寸和重量。

发明内容

一种排气消音器组件包括排气导管和排气消音器。排气消音器围绕排气导管设置并且具有多个实心挡板和至少一个穿孔挡板。排气消音器组件设置在辅助动力单元的下游并且至少部分地衰减由辅助动力单元的操作引起的燃烧气体的下游噪音。

附图说明

图1是飞机尾部的示意图，其包括用于机载APU的排气消音器组件。

图1A是图1的排气消音器组件的穿孔挡板的示意图。

图2是飞机尾部的示意图，其包括用于机载APU的替代的排气消音器组件。

图2A是图2的排气消音器组件的局部穿孔挡板和轴向挡板的示意图。

图2B是局部穿孔挡板和轴向挡板的另一实施例的示意图。

具体实施方式

图1是飞机尾部10A的示意图，其包括外部结构12A和APU舱室14A。APU舱室14A是外部结构12A内的隔室，其容纳了APU 16A、喷射器18A、排气消音器20A和排气导管22A。排气消音器20A包括实心挡板24a、24b、24c、24d、24e和24f以及至少一个穿孔挡板26。实心挡板24a、24b、24c、24d、24e和24f一起形成了多个调节腔室28a、28b、28c、28d和28e。

APU舱室14A在其内容纳了APU 16A。喷射器18A布置在APU 16A的下游并且与APU 16A流体连通。喷射器18A是一种气流系统，其围绕APU 16A的排气扩散器部分的至少一部分环状地延伸。喷射器18A轴向地延伸以连接到排气导管22A并与排气导管22A连通。排气消音器20A围绕排气导管22A环状地设置且在一些情况中围绕喷射器18A环状地设置，并且构造成衰减APU 16A的噪音。更具体地，排气消音器20A具有一批实心挡板24a、24b、24c、24d、24e和24f，所述实心挡板24a、24b、24c、24d、24e和24f彼此轴向地间隔开并且围绕喷射器18A和排气导管22A环状地延伸以形成调节腔室28a、28b、28c、28d和28e来衰减APU 16A的燃烧气体所造成的噪音。如图1所示，实心挡板24a、24b、24c、24d、24e和24f以及第一穿孔挡板26围绕排气导管22A大致径向地延伸到外部结构12A。

在图1所示的实施例中，穿孔挡板26在第一实心挡板24a的下游连接到排气导管22A且围绕排气导管22A环状地延伸，并且设置在第二实心挡板24b的上游。穿孔挡板26具有从中延伸穿过的多个孔，以允许某个频率的声音从中穿过。第一实心挡板24a和第二实心挡板24b一起连接到排气导管22A并形成第一调节腔室28a，第一穿孔挡板26设置在第一调节腔室28a内。类似地，第二实心挡板24b和第三实心挡板24c在第一调节腔室28a的轴向下游形成第二调节腔室28b。第三实心挡板24c和第四实心挡板24d在第二调节腔室28b的下游形成第三调节腔室28c。第四调节腔室28d和第五调节腔室28e分别由实心挡板24d、24e和24f以类似方式形成。

在图1所示的实施例中，第一实心挡板24a设置成与喷射器18A的前缘基本平齐。在其他实施例中，第一实心挡板24a可沿着排气导管22A设置在喷射器18A的下游（如来自APU 16A的燃烧气流的方向所限定的）。在图1所示的实施例中，穿孔挡板26设置在APU 16A的排气部分的下游一距离处，该距离在排气导管22A的内直径的约100％到排气导管22A的内直径的约150％之间。在其他实施例中，穿孔挡板26可设置在相对于APU 16A更上游或下游的不同位置，并且穿孔挡板26可包括多个挡板。另外，实心挡板和腔室的数量可变化，以便在特定频率范围内实现期望的噪音衰减，从而满足航空噪音标准。

APU 16A是机载APU涡轮发动机，其包括涡轮部分和排气扩散器（未示出）并且向飞机提供电力。APU 16A还包括有助于APU 16A操作期间的电力传输的其他部件（未示出），例如发电机和齿轮箱。喷射器18A从APU舱室14A抽取冷却空气并将冷却空气与来自APU 16A的燃烧气体混合。排气导管22A与喷射器18A连通并提供用于将燃烧和冷却气体从飞机尾部10排出的通道。排气导管22A是连接到喷射器18A的环状金属管。在图1所示的实施例中，排气导管22A在穿孔挡板26的下游以与穿孔挡板26类似地方式被穿孔，并且在穿孔挡板26的上游没有穿孔（即，是实心板金属管）。

燃烧气体和冷却气体的湍流混合物产生了显著量的下游噪音。排气导管22A为燃烧气体提供了适当的驻留时间以在到达排气消音器20A的期望部分之前产生下游噪音。如现有技术已知的以及Sheoran等人所公开的美国专利公开2002/0139120和Napier等人所公开的美国专利公开2008/0236939（这两个文献均通过引用并入本文中），排气消音器20A的腔室28a、28b、28c、28d和28e被调节到燃烧和冷却气体的共振态（resonances），以衰减噪音并满足航空噪音标准。将第一实心挡板24a设置在喷射器18A处或附近并且采用设置在第一腔室28a内位于穿孔的排气导管22A上游的穿孔挡板26使得排气消音器20A具有外部结构12A中的额外空间，从而更有效地衰减噪音并由此满足航空噪音标准。

图1A示出了来自图1的排气消音器20A的穿孔挡板26。穿孔挡板26包括排气导管孔30和多个噪音衰减孔32。

与实心挡板24a、24b、24c、24d、24e和24f（图1）类似，穿孔挡板26包括金属板，最常见地由不锈钢、钛或镍基合金构成。排气导管孔30的尺寸设置成接收在排气导管22A被安装时接收排气导管22A（图1）。在所示实施例中，噪音衰减孔32延伸穿过穿孔挡板26并且设置在穿孔挡板26的基本整个表面上。如图1A所示，噪音衰减孔32的直径约为0.125英寸（0.32 cm）并且形成图案，使得噪音衰减孔32占据穿孔挡板26的表面积的20％和30％之间。然而，噪音衰减孔32的尺寸、形状和图案可在实施例之间变化，这取决于如何调节排气消音器20A（图1）以实现期望的噪音衰减。

图2是设置在飞机尾部10B中的替代的排气消音器20B的示意图。飞机尾部10B包括外部结构12B和APU舱室14B。APU舱室14B是容纳了APU 16B、喷射器18B、排气消音器20B和排气导管22B。排气消音器20B包括实心挡板34a、34b、34c、34d和34e、局部穿孔挡板36a和36b以及穿孔挡板38。实心挡板34a、34b、34c、34d和34e以及局部穿孔挡板36a和36b的实心部分36s、36ss一起形成了多个调节腔室40a、40b、40c、40d和40e。如图2所示，实心挡板34a、34b、34c和34d、局部穿孔挡板36a和36b以及穿孔挡板38围绕排气导管22B大致径向地延伸到外部结构22B。

排气消音器20B以与排气消音器20A类似地方式构造并且可用作排气消音器20A的替代或补充，以便在特定频率范围内实现噪音衰减，从而满足航空噪音标准。

如图2所示，APU舱室14B在其内容纳了APU 16B并且外部结构12B容纳了包括排气消音器20B在内的所有部件。喷射器18B布置在APU 16B的下游并且与APU 16B流体连通。喷射器18B轴向地延伸以连接到排气导管22B并与排气导管22B连通。排气消音器20B在喷射器18B附近围绕排气导管22B环状地设置，并且构造成衰减APU 16B产生的燃烧气体的噪音。

更具体地，排气消音器20B具有一批实心挡板34a、34b、34c和34d，所述实心挡板34a、34b、34c和34d彼此轴向地间隔开并且围绕排气导管22B环状地延伸。另外，实心挡板34e在局部穿孔挡板36a和36b之间以及在局部穿孔挡板36b和第四实心挡板34d之间大致轴向地延伸。在图2所示的实施例中，局部穿孔挡板36a和36b具有实心构造的部分36s和36ss，其在与实心挡板34e的连接部的径向上方（如排气导管22B的中心线所限定的）。实心挡板34a、34b、34c、34d和34e以及局部穿孔挡板36a和36b的实心部分36s和36ss一起形成了调节腔室40a、40b、40c、40d和40e。

在图2所示的实施例中，穿孔挡板38在第一实心挡板34a的下游以及第二实心挡板34b的上游围绕排气导管22B环状地延伸。穿孔挡板38具有从中延伸穿过的多个孔，以允许某个频率的声音从中穿过。第一实心挡板34a和第二实心挡板34b一起形成第一调节腔室40a，第一穿孔挡板38设置在第一调节腔室40a内。类似地，第二实心挡板34b和第三实心挡板34c在第一调节腔室40a的轴向下游形成第二调节腔室40b。第三实心挡板34c、穿孔挡板36a的实心部分36s、第四实心挡板34d和第五穿孔挡板34e在第二调节腔室40b的下游形成L形第三调节腔室40c。局部穿孔挡板36a和36b的穿孔部分36p和36pp设置在第三调节腔室40c内。第四调节腔室40d设置在第三调节腔室40c的径向上方，围绕排气导管22B延伸，并且由局部穿孔挡板36a和36b的实心部分36s和36ss以及第五实心挡板34e形成。类似地，第五调节腔室40e由局部穿孔挡板36b的实心部分36ss、第四实心挡板34d以及第五实心挡板34e形成，并且设置在第四调节腔室40d的下游。挡板和腔室的数量以及腔室相对于排气导管22B的位置可变化，以便在特定频率范围内实现噪音衰减，从而满足航空噪音标准。实心挡板34e的轴向距离也可以从排气导管22B的外直径变化，这允许排气消音器22B被调节到特定频率以降低来自APU 16B的噪音。

第一实心挡板34a设置成基本邻近于喷射器18B的后缘并围绕排气导管22B。在其他实施例中，第一实心挡板34a可设置成与喷射器18B的前缘平齐或设置在沿着排气导管22B离APU 16B各种期望长度处。在图2所示的实施例中，穿孔挡板38设置在APU 16B的排气部分的下游一距离处，该距离在排气导管22B的内直径的约100％到排气导管22B的内直径的约150％之间。排气导管22B在穿孔挡板38的下游以与穿孔挡板38类似地方式被穿孔，并且在穿孔挡板38的上游没有穿孔（即，是实心的）。在其他实施例中，穿孔挡板38以及局部穿孔挡板36a和36b可设置在相对于APU 16B更上游或下游的不同位置，并且穿孔挡板38可包括位于各种尺寸的腔室中的多个挡板，以便在特定频率范围内实现噪音衰减，从而满足航空噪音标准。

排气消音器20B的腔室40a、40b、40c、40d和40e被调节以衰减APU 16B的噪音频谱来满足航空噪音标准。将第一实心挡板34a设置在喷射器18B附近并且采用设置在第一腔室40a内位于穿孔的排气导管22B上游的穿孔挡板38使得排气消音器20B具有外部结构12B中的额外空间，从而更有效地衰减噪音并由此满足航空噪音标准。另外，采用局部穿孔挡板36a和36b允许排气消音器20B在特定频率范围内实现噪音衰减，从而满足航空噪音标准。

图2A示出了来自图2的排气消音器20B的局部穿孔挡板36b。局部穿孔挡板36b包括排气导管孔30和噪音衰减孔32。

噪音衰减孔32延伸穿过局部穿孔挡板36b的穿孔部分36pp。轴向延伸的实心挡板34e连接到局部穿孔挡板36b并将穿孔部分36pp从实心部分36ss分开。如图2A所示，实心挡板34e在离排气导管孔30一距离处以弧形延伸，并且将腔室40e从40c分开（图2）。

图2B示出了局部穿孔挡板42的另一个实施例。局部穿孔挡板42可替代图2和2A的局部穿孔挡板36b和36a并且包括排气导管孔30和噪音衰减孔32。

噪音衰减孔32延伸穿过局部穿孔挡板42的穿孔部分44。轴向延伸的实心挡板46连接到局部穿孔挡板42并将穿孔部分44从实心部分48分开。如图2B所示，实心挡板46设置成完全地围绕排气导管孔30，从而形成衰减腔室50。实心挡板46从局部穿孔挡板42延伸到相邻的实心挡板（未示出）。

虽然已经参照（一个或多个）示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员将会理解，在不偏离本发明范围的情况下可作出各种变化并且可用等同物来替代其元件。另外，在不偏离本发明实质范围的情况下，可在本发明的教导下进行许多修改以适应具体情形或者材料。因此所意图的是，本发明不限于所公开的（一个或多个）具体实施例，而是本发明将会包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种排气消音器组件，包括：

排气导管；和

围绕所述排气导管设置的排气消音器，所述排气消音器包括多个实心挡板和至少一个穿孔挡板。

2.如权利要求1所述的排气消音器组件，其中，所述实心挡板被定位成形成多个腔室，并且其中，所述至少一个穿孔挡板设置在所述多个腔室的至少一个中。

3.如权利要求1所述的排气消音器组件，其中，所述至少一个穿孔挡板具有在其基本整个表面区域上间隔开的多个穿孔。

4.如权利要求2所述的排气消音器组件，其中，所述多个穿孔包括所述穿孔挡板的整个表面区域的20％和30％之间。

5.如权利要求1所述的排气消音器组件，其中，所述至少一个穿孔挡板具有不带穿孔的第一实心部分和带有穿孔的第二部分。

6.如权利要求5所述的排气消音器组件，其中，所述多个实心挡板中的一个在所述第一实心部分和所述带有穿孔的第二部分之间连接到所述至少一个穿孔挡板，并且大致轴向地延伸以连接到所述多个实心挡板中的相邻一个或第二类似穿孔的挡板，所述多个实心挡板中的相邻一个和所述第二类似穿孔的挡板二者均围绕所述排气导管大致径向地延伸。

7.如权利要求1所述的排气消音器组件，其中，所述至少一个穿孔挡板的多个穿孔是直径约为0.125英寸（0.32 cm）的孔。

8.如权利要求1所述的排气消音器组件，还包括布置成与所述排气导管连通的辅助动力单元，并且其中，所述至少一个穿孔挡板设置在沿着所述排气导管离所述辅助动力单元一距离处，该距离在所述排气导管的内直径的约100％到约150％之间。

9.如权利要求8所述的排气消音器组件，其中，所述排气导管在所述至少一个穿孔挡板的上游是实心结构并且在所述至少一个穿孔挡板的下游是穿孔结构。

10.如权利要求8所述的排气消音器组件，还包括设置在所述辅助动力单元和所述排气导管之间的喷射器，其中，所述多个实心挡板中的第一实心挡板设置在所述喷射器处或附近。

11.一种辅助动力单元组件，包括：

辅助动力单元；

排气导管，所述排气导管位于所述辅助动力单元下游，用于接收从所述辅助动力单元发出的燃烧气体；和

围绕所述排气导管环状地延伸的排气消音器，所述排气消音器具有多个轴向间隔的实心挡板和至少一个穿孔挡板。

12.如权利要求11所述的组件，其中，所述实心挡板被定位成形成多个腔室，并且其中，所述至少一个穿孔挡板设置在所述多个腔室的至少一个中沿着所述排气导管离所述辅助动力单元一距离处，该距离在所述排气导管的内直径的约100％到约150％之间。

13.如权利要求11所述的组件，其中，所述至少一个穿孔挡板具有在其基本整个表面区域上间隔开的多个穿孔。

14.如权利要求11所述的组件，其中，所述至少一个穿孔挡板具有不带穿孔的第一实心部分和带有穿孔的第二部分。

15.如权利要求14所述的组件，其中，所述多个实心挡板中的一个在所述第一实心部分和所述带有穿孔的第二部分之间连接到所述至少一个穿孔挡板，并且大致轴向地延伸以连接到所述多个实心挡板中的相邻一个或第二类似穿孔的挡板，所述多个实心挡板中的相邻一个和所述第二类似穿孔的挡板二者均围绕所述排气导管大致径向地延伸。

16.如权利要求11所述的组件，其中，所述排气导管在所述至少一个穿孔挡板的上游是实心结构并且在所述至少一个穿孔挡板的下游是穿孔结构。

17.一种飞机尾部，包括：

辅助动力单元；

喷射器，所述喷射器设置在所述辅助动力单元下游，用于接收从所述辅助动力单元发出的燃烧气体；

排气导管，所述排气导管连接到所述喷射器并且在其下游延伸以将所述燃烧气体引导到所述飞机尾部之外；和

排气消音器，所述排气消音器连接到所述排气导管并围绕所述排气导管的一部分环状地延伸，所述排气消音器具有多个轴向间隔的实心挡板和至少一个穿孔挡板。

18.如权利要求17所述的飞机尾部，其中，所述实心挡板被定位成形成多个腔室，并且其中，所述至少一个穿孔挡板设置在所述多个腔室的至少一个中沿着所述排气导管离所述辅助动力单元一距离处，该距离在所述排气导管的内直径的约100％到约150％之间。

19.如权利要求18所述的飞机尾部，其中，所述排气导管在所述至少一个穿孔挡板的上游是实心结构并且在所述至少一个穿孔挡板的下游是穿孔结构。

20.如权利要求17所述的飞机尾部，其中，所述多个实心挡板中的一个连接到所述至少一个穿孔挡板，并且大致轴向地延伸以连接到所述多个实心挡板中的相邻一个或第二类似穿孔的挡板，所述多个实心挡板中的相邻一个和所述第二类似穿孔的挡板二者均围绕所述排气导管大致径向地延伸。

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