CN102762844A - 包含具有可变空隙率的减音套的导气管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于沿气道(V)引导气体的管(10)的减音套。该套包含一限定所述气道(V)的壁(12)，和至少一个共鸣腔(13)，所述壁(12)由孔(18)穿透，以将所述气道(V)与所述共鸣腔(13)流体连通，以衰减噪音。所述孔(18)具有大致相等的直径，由于所述管(10)设置为向下游方向引导气体，所述壁(12)的表面区域每单位中所述孔(18)的数量向下游方向沿着所述气道(V)持续减小，以沿所述气道(V)赋与所述壁(12)大致恒定的声阻，为此噪音衰减沿所述气道(V)得到优化。

Description

包含具有可变空隙率的减音套的导气管

技术领域

本发明涉及在气流管中减少噪音的领域，特别是在气体涡轮引擎的气流管中减少噪音的领域中。

背景技术

用于例如飞机或直升机的飞行器的气体涡轮引擎沿气流方向从上游到下游通常包含，一个或多个压缩机级，燃烧室，一个或多个涡轮级和例如排气管这样的气体排放装置。

对于引擎制造商的一永恒的问题是为了乘客和飞机飞过区域的居民的舒适度而减小噪音。特别是，直升机飞临居民区，其排气管的噪音形成它们所产生总噪音的相当部分。离开排气管的噪音的衰减可通过使用形成排气管内壁，即形成气道外套的减音套而获得。这样的套可例如包括形成一个或多个共鸣腔的穿孔金属板，每个腔和一个或多个孔的组件形成一亥姆霍兹共振器。所述腔可具有例如蜂窝型或管型的结构。

这样的衰减套或声学处理通常已知可使音频衰减到平均，例如在0.8-5kHz之间。该处理的音频主要取决于共鸣腔的深度，由此设定其尺寸。

发明内容

本发明的目的是推荐一种用于导气的管，该管包含减音套，所述减音套以很小的成本使噪音可简单地有效衰减，而且不包含重的和/或大的装置。

本发明适合应用于衰减离开直升机气体涡轮引擎的喷管的噪音。然而，申请人解决了在由气流穿过的管中减噪的更多常规问题，并意图延伸其对此应用的权利的范围。

正因为此，本发明涉及用于沿气道导气的管，包含一减音套，该套包含一限定气道的壁，和至少一个共鸣腔，所述壁由孔穿透，以将气道与所述用于减音的共鸣腔流体连通，其特征在于，所述孔具有大致相等的直径，所述管设置为从上游至下游引导气体，所述壁的表面区域每单位所述孔的数量从上游到下游沿着所述气道持续减小，以沿所述气道赋与所述壁大致恒定的声阻。

“孔洞密度”表示所述壁的表面区域每单位的孔洞数量；换句话说，所述壁上的孔洞密度对应于所述壁的孔隙率：孔洞密度越大，所述壁的孔隙越多。此密度的持续演变意味着数学意义上的持续演变，这就是说，一渐进的演变，其变化(离散)的值遵循一连续的数学曲线。

根据本发明，声音衰减以极大的方式改进，并可特别沿着气道优化，孔的密度是所述壁的声阻的定义的一重要参数；由于孔的密度沿气道持续演化，因此所述壁的声阻沿所述通道可适合于其他参数的持续变化，这使得可优化此声阻，因此可优化作为沿所述管壁的位置的函数的声学衰减。这显然使得可沿所述管壁考虑声级的演变、气体的流速，或者它们的温度，它们也影响所述壁的阻值。

最后，依靠孔隙率的变化，可补偿沿气道的气体流速或声级的变化，以沿气道赋予所述壁大致恒定的阻力。本发明的目的不是增加可由同样的套减弱的频率带，而是优化一具体频率带，例如平均频率在0.8-5kHz之间的频率带的衰减。

而且，此种排气管的声学处理是这样优化的：具体地，孔洞密度的减小使得在上游与下游之间的壁的声阻增加。而且，在喷管中的气体流速和声级从上游到下游减小，这导致在上游与下游之间声阻的减小。最后，孔洞密度的减小补偿气体流速与声级的减小，以赋予该壁沿该气道稳定的阻力，此阻力，通过孔洞密度的正确匹配，可大致恒定。

根据一优选实施例，所述管是用于引导气体涡轮引擎的气体的管。

根据此例中的一优选实施例，该管是气体排放喷管。

根据一优选实施例，在所述管的上游端与下游端之间所述壁的表面区域的每单位中孔洞的数量减少至少5％，优选在5％-10％之间。

根据一优选实施例，由于所述管大致沿一轴延伸，从上游到下游连续孔之间的纵向距离沿所述气道连续减小。

根据一优选实施例，由于所述管大致沿一轴延伸，从上游到下游连续孔之间的横向距离沿所述气道连续减小。

本方面还涉及气体涡轮引擎的排气管，所述排气管包含一符合上述管的用于引导气体的管。

本发明还涉及一气体涡轮引擎，该气体涡轮引擎包含如上所述的气体排放喷管。

附图说明

在以下结合附图的本发明优选实施例的帮助下，本发明将被更好地理解，其中：

图1表示根据本发明一优选实施例的包含具有声学套的喷管的用于直升机的气体涡轮引擎的截面示意图；

图2表示图1中引擎喷管的分解图；

图3是平面表示的所述喷管的壁上图1中的声学套的孔洞的分布示意图。

具体实施方式

参见图1，以已知的方式，气体涡轮直升机引擎1包含一压缩机2(在此例中为离心式的并仅具有一个级)，该压缩机2通过一环形空气-入口通道3而被供应以外部空气；一环形燃烧室4(其在此例中为一逆流腔)，该环形燃烧室配备有喷射器(未示出)，所述喷射器使得可向该环形燃烧室供应燃料，用于产生自压缩机2的压缩气体燃烧。所燃烧的气体驱动一第一涡轮5(在此例中仅有一个级)，该第一涡轮5通过轴6与所述压缩机2相连，所述轴6连接它们旋转；并驱动一第二涡轮7，该第二涡轮7称作动力涡轮(在此例中仅有一个级)，并通过轴8与一齿轮组相连，该齿轮组可将机械能从动力涡轮7传递到一输出轴9，例如连接到驱动直升机的叶片的转子。

在该动力涡轮7的输出，引擎1包括排气装置10，在此例中为气体排放喷管10，其作用是沿一路径V，承载气道V，从上游到下游引导排放气体。从上游到下游的气流方向在图中由箭头F表示。

排气管10包含一限定其外壳体的外壁或壳11，在该外壁或壳11的内部安装一减音套，该减音套包含一壁或皮或内金属板12，以及一设置在所述外壳11与内壁12之间的共鸣腔13。所述内壁12限定气道V的外壳体。为了简化其制造，此壁12在此例中由多个板形成；根据另一实施例，壁12可单件形成，特别是对于轴对称的喷管。

喷管10大致沿一轴线A延伸。更准确说，在此例中其具有一曲线，以沿优选方向引导气体离开喷管，这对于其在直升机上的应用是有用的。此曲线在图2中可见。换句话说，喷管10的轴A是曲线形的，遵循代表气流平均轨道或气体排放轴的曲线。具体地，该轴线A对应于沿着气道V连续截面中心的曲线。概念纵向的、径向的、横向的、内部的或外部的参照喷管10的轴A而使用于说明书下文中，应当理解，在各纵向位置，该轴线实际上局部平行于喷管10的内壁12，所述概念因此与一圆柱形管通过类推而调换到一曲线形管而具有相同的意义。而且，应当理解，下文(更通常说是本发明)还清楚地应用到一具有气流的直线轴的管，例如大致为圆柱形的管。

除了喷管10外壁11和内壁12的曲率，在此例中喷管10沿纵向在一侧(图2中的下侧)长于另一侧(图2中的上侧)，这就是说，其下游孔10b是倾斜的。非常清楚，本发明还应用于垂直于在此孔的气体排放轴的下游孔面。倾斜下游孔的存在对于包含两个引擎的飞机来说是常见的，而下游孔面垂直于气体排放轴对于包含一个引擎的飞机来说是常见的。

喷管10还包含一上游横向壁14和一下游横向壁15，它们的作用是关闭设置在外壳11与内壁12之间的腔13。这些壁14、15限定喷管10的上游孔10a和下游孔10b。在内壁12与横向壁14、15之间的连接优选为滑动的，以便可吸收不同的热膨胀。

而且，硬壁17或硬衬17或加强筋17沿横向设置在外壳11和内壁12之间，以加强该组件的刚性；喷管10在此例中包含两个加强筋17，所述两个加强筋17大致为环形，但不是轴对称的，因为它们在它们的对应于内壁12的凹形区域12a的周边的部分被截去，此凹形区域12a由其大致曲形的形状而产生。由于加强筋17的存在，因此腔13被分隔为几个腔；这些腔可互连或不互连。

加强筋17可满足声学衰减的第二功能，应用一称作局部反应处理的处理。这样，它们使得可分隔声学处理腔13，并因此适应其削弱的声频；最后，这包括给予腔13较大或较小体积的蜂窝结构。

内壁12被穿以多个孔18，用于使气道V与共鸣腔13流体连通。这些孔18出现在内壁12的任一侧上。

图3示意性地表示孔18在喷管10的内壁12上的分布；更准确说，图3表示孔18的局部分布，这就是说，以足够小的尺寸覆盖内壁12的部分，以便可考虑其为平的。孔18具有相等的直径，在此例中以方网格分布。它们的密度沿气道V连续演变，这就是说，在此例中沿喷管10的大致曲线的轴A从上游到下游(上游在此图中位于右边)连续演变。“孔的密度”表示壁12的表面区域的每单位中孔的数量。在此例中，沿气流方向，就是说沿喷管10的曲轴线A的方向在两个连续孔18之间的间隔为d，换句话说，在两连续孔之间的纵向间隔d沿内壁12持续演变。

在此例中，孔18的密度d沿气道V从喷管10的上游到下游连续减小，这就是说，该在连续孔之间的距离d从上游到下游增加。而且，在同一个横向行的连续孔18之间的横向或周向距离在此例中是恒定的(其为在横向于内壁10平面中的两个孔18之间的曲线距离D)。

沿内壁12的孔18的密度的值和演变根据经验来确定。孔18的最佳分布取决于喷管10的上游孔10a与下游孔10b之间的多个参数的演变，具体为：

-气体流速的演变；

-气体温度的演变；

-声级的演变，声级由于其被减音套而造成的衰减而显著变化，所述减音套由内壁12和共鸣腔13形成。

孔18分布的演变可使声学套R的内壁12的声阻抗(更精确说是声阻)匹配于上述参数的演变，如果可能的话，使其沿壁12大致恒定，如上文已说明的那样。所述声阻于是可匹配，以在各纵向位置相对于上述参数而局部优化。

例如，为了沿内壁12根据经验限定孔18的密度，可应用下面的方法：

-在第一步骤中，确定在喷管10中可能的最小声级(在出口10b)和最大声级(在入口10a)，以及所述气体的最小速度(在出口10b)和最大速度(在入口10a)；

-在第二步骤中，计算对应的最佳声阻以在喷管10的入口10a和出口10b获得最佳声音衰减；

-在第三步骤中，在喷管10的上游端10a与下游端10b出计算的声阻之间进行插值(线性或非线性的)，以确定在这些两个最佳声阻之间的优选声阻；

-在第四步骤中，从中推断获得此声阻所必需的所述孔18的密度值。

这样，可调整该减音套至一给定的频带(通过调节腔13的深度，如下文所述)，并匹配此套R的内壁12的声阻，从而匹配该套优化所得到的声阻的效果。与一具有规则穿孔的喷管对比，声音衰减可改善50％(3dB的衰减对具有常规穿孔的2dB的衰减)。此方案更有优势在于，其不包含附加零件，仅根据一演变密度在内壁12处穿孔就可实现所期望的结果。

优选地，在喷管10的入口10a与其出口10b之间的孔18的密度的演变大于或等于5％，优选在5％-10％之间。换句话说，在此例中，在喷管10的出口10b处的连续孔18之间的纵向距离d比喷管10的在入口10a处的连续孔18之间的纵向距离d大至少5％。

该减音套R的频率调整(就是说其削弱的主要频率的确定)是通过调节腔13的体积，更具体说是通过调节其径向深度而进行的。特别地，该减音套R根据称作“四分之一波共鸣器”的共鸣器原理，就是说深度等于其衰减的频率带的中央频率的波长的四分之一的共鸣器原理而进行操作。这样，越希望衰减高频，腔13的径向深度必须越浅。相反，越希望衰减低频，腔13的径向深度必须越深。作为将被削弱的频率的函数，腔13还可分隔成多个腔(该分隔物可以是纵向的或横向的)，以调整该声学处理；在此例中，还可使用蜂窝型结构；所述分隔物还可满足机械保持的功能，这就是为什么前述加强筋17可满足此分隔功能，以调节该声学处理。腔13对于其部分的长度或轴向尺寸作用于作为结果的声学衰减的比率或效果。

通过调节腔13的深度，因此可选择将削弱的频率范围。优选地，在0-12kHz之间，优选在0.8-5kHz之间，更具体在2-2.5kHz之间的频率被衰减。例如，为衰减以近似2kHz为中心的频带，可提供一单一腔13(或在此例中仅由两个机械保持加强筋17分隔)，径向深度等于4cm，孔的直径等于1.2mm，穿孔率(从上游到下游)在8％-10％之间变化，该其上穿孔的金属板具有等于1mm的厚度。

形成喷管10的各元件优选由金属制成，例如由镍基钢或由钛形成。

本发明已参照孔18的方网格布置而呈现，但也可设计成其他布置。这些布置中，如上所述，孔18密度的演变可通过孔间纵向距离的演变而实现；因此，孔的分布由连续孔之间的纵向和横向关系来限定，该分布的纵向部件设置为沿气道V演变。例如，如果该分布为菱形的，具有一大纵轴和一小横轴，则可限定由连续孔形成的该菱形的大轴距离的演变。

本发明已参照通过改变连续孔间的纵向距离而获得的孔的密度的连续演变而呈现。根据未示出的另一实施例，沿气道V演变的是连续孔之间的横向(就是说周向)距离。因此，在方网格的情况下，例如从孔的一个横向行到另一个，分隔同一横向行的连续孔的距离沿气道V增加或减少。

根据一具体实施例，纵向和横向距离沿气道V持续演变。

本说明书已参照包含喷管的气体涡轮引擎而进行描述。本发明应用于其他类型的喷管，例如应用于包含例如本发明人的文献F2,905,984中所显示的扩散道和喷射器的喷管，在此例中本发明的套设置在该喷射器的内侧。

本发明更通常地应用于用于引导气流的管，特别是气体涡轮引擎的管。特别是，本发明应用于气体涡轮引擎的进气口通道，例如应用于如图1中所示的环形管3或应用于欲用于飞机的涡轮喷气发动机的风扇的进气管。在此例中，优选地，孔的密度随着它们从压缩机或从风扇移开，就是说从下游到上游而逐渐减小。

本发明已参照从入口10a到其出口10b的孔的密度的演变而得到展现。不言而喻，如果仅处理喷管的一部分，则孔18密度的演变仅发生在此部分上。

Claims (6)

1.一种用于沿气道(V)引导气体的管(10)，包含一减音套，该套包含一限定所述气道(V)的壁(12)，和至少一个共鸣腔(13)，所述壁(12)由孔(18)穿透，以将所述气道(V)与所述用于噪音衰减的共鸣腔(13)流体连通，其特征在于，所述孔(18)具有大致相等的直径，所述管(10)设置为从上游至下游引导气体，所述壁(12)的表面区域每单位中所述孔(18)的数量从上游到下游沿着所述气道(V)持续减小，以沿所述气道(V)赋与所述壁(12)大致恒定的声阻。

2.根据权利要求1所述的管，其中在所述管(10)的上游端(10a)与下游端(10b)之间所述壁(12)的表面区域每单位中所述孔(18)的数量减少至少5％，优选在5％-10％之间。

3.根据权利要求1或2所述的管，其中，由于所述管(10)大致沿一轴线(A)延伸，从上游到下游连续孔(18)之间的纵向距离(d)沿所述气道(V)连续减小。

4.根据权利要求1-3中任何一项所述的管，其中，由于所述管(10)大致沿一轴线(A)延伸，从上游到下游连续孔(18)之间的横向距离沿所述气道(V)连续减小。

5.一种气体涡轮引擎(1)的气体排放喷管，其包含如权利要求1-4中任何一项所述的用于引导气体的管(10)。

6.一种气体涡轮引擎，该气体涡轮引擎包含如权利要求5所述的气体排放喷管。

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