CN104769257A - 具有内部热调节器的声学结构 - Google Patents

Abstract

绝热板位于声学蜂巢体单元格内部，以调节流到声学结构内的热流。所述内置绝热板保护蜂巢体和位于蜂巢体单元格内部的隔音板免受可能由热源导致的热损害，所述热源例如为喷气发动机的热区。内部热调节器与热毯或其它绝热结构联合使用，有助于提供绝热结构尺寸和/或重量上的降低，同时为声学蜂巢体提供相同的整体绝热程度。

Description

具有内部热调节器的声学结构

技术领域

本发明大致涉及一种用于削弱或阻尼从特定源发出的噪音的声学结构。具体地，本发明涉及到暴露于相对高温的声学结构、以及用于保护这种声学结构免受可能由这种热暴露所导致的损害的系统。

背景技术

普遍认为对付由特定源产生的噪音的最好方法是在源头处理噪音。这通常通过对噪音源的结构增加声学阻尼结构而实现。一个尤其有问题的噪音源是用在多数客机上的喷气发动机。声学结构通常结合在发动机入口、短舱和燃烧/排放结构中。这些声学结构包括声学谐振器，所述声学谐振器包括相对薄的具有数以百万的孔的声学材料或网格，其对由发动机产生的声能产生声学阻抗。

蜂巢体因其相对坚固轻质已成为用于航空器和宇航飞行器中的常用材料。对于声学应用，声学材料被添加到蜂巢体结构，使得蜂巢体单元格在远离噪音的端部被声学封闭，所述噪音被多孔覆盖物在最接近噪音的端部阻尼和覆盖。蜂巢体单元格以这种方式用声学材料封闭而形成提供噪音衰减、阻尼或抑制的声学谐振器。为了给谐振器提供额外的噪音衰减性质，通常还在蜂巢体单元格内部设置隔音板。

大型喷气发动机包括在发动机内居中设置的燃烧或热区。热区产生大量的热燃气。热区由环形通路围绕，空气以冷得多的温度通过所述环形通路流动。当今喷气发动机的热区通常以500℉到750℉量级下的温度运行。下一代的喷气发动机被设计成具有以更高温度运行的热区，该更高温度预计高达900℉。为了产生更低的排放并实现更高的燃料燃烧效率，更高的热区运行温度是必需的。

位于热区附近的声学结构必须针对相对高的温度受到保护，以避免损害到蜂巢体和/或隔音板。这对于由采用基质树脂的复合材料制成的蜂巢体尤其是问题，所述树脂取决于树脂类型而具有350℉到500℉量级的最大运行温度。用于制成这种隔音板的材料在直接暴露于热区产生的热时也会受到损害。

用于针对由热区产生的热而保护声学结构的一个当前方案是在热区与被保护的声学结构之间放置绝热结构，例如热毯。热毯减少流到声学结构内的热以提供所需的热保护。尽管热毯提供足够的绝热，但它们会占据可观的空间并增加发动机的重量。另外，通常的热毯的使用寿命是有限的，使其必须以指定的时间间隔更换。为了能够检查底下的结构还必须移除热毯。这种移除和重新安装过程耗时，且多次操作会导致热毯受损。修理和/或更换受损的热毯会花费可观的额外时间和成本。

用于热保护声学结构的另一个方案是用高温硅树脂涂覆声学结构的高温侧。这种高温硅树脂涂层提供足够的热保护。但是，为了检查底下的声学结构必须刮去和剥离绝热涂层。这是一个耗时的过程，并且也会破坏涂层。一旦完成检查，必须对声学结构施加新的涂层。施加新的硅树脂涂层是耗时的过程，包括新的高温硅树脂涂层材料的额外成本。

现在需要设计一种较之已有热保护系统更有效、更小且没有那么重的用于声学结构的热保护系统。对于会用在预计有更高热区运行温度的下一代大型喷气发动机中的声学结构，这种需要尤其重要。

发明内容

根据本发明，发现绝热板可内置于声学蜂巢体，以调节向声学结构内的热流，并提供有效的绝热系统，保护蜂巢体和隔音板免受可能由热源导致的热损害，所述热源例如喷气发动机的热区。根据声学蜂巢体被暴露的温度，内部热调节器可单独或与热毯或其它外部绝热结构组合使用。

本发明大致关于一种声学结构，尤其是涉及一种位于喷气发动机热区附近的声学蜂巢体。根据本发明的声学结构包括具有容纳第一边缘和第二边缘的蜂巢体，所述第一边缘位于最接近高温区域的位置处，所述第二边缘远离所述高温区域。所述蜂巢体包括由在所述蜂巢体的第一和第二边缘之间延伸的多个壁限定出的单元格。

作为本发明的特征，绝热板位于单元格内。所述绝热板与蜂巢体的第一边缘相邻，以起到内部热调节器的作用，以控制或防止热流入蜂巢体体内。

作为本发明的特征，声学阻尼材料位于所述绝热板和所述第二边缘之间的所述单元格内，以提供噪音衰减。声学阻尼材料是声学隔板和/或双功能填充材料的形式。双功能填充材料在蜂巢体单元格内部同时提供声音阻尼和绝热。

根据本发明使用内置的绝热板在蜂巢体内提供热调节器，使得能够根据热区的运行温度、蜂巢体材料的温度限制和蜂巢体单元格内的双功能材料的量而减少甚至消除独立的热毯或其它外部热屏障的需要。

通过采用内部绝热板而使一部分热保护系统内部化提供具有多种设计变化的热调节系统，这可用于实现只用外部热毯时不可能实现的热调节效果。因此，热保护系统的整体尺寸和重量可被降低，同时仍对声学蜂巢体保持必要程度的热保护。这一特征对于下一代喷气发动机中的热保护声学结构尤其有用，其中需要针对更高的运行温度保护声学结构，同时要尽可能地最小化热保护系统的重量和尺寸。

本发明以上所述以及许多其它特征及伴随的优点将在联系附图时参照以下详细说明而得到更好的理解。

附图说明

图1示出喷气发动机的简化的部分剖视图，其中声学结构包括根据本发明的内部热调节器。

图2是声学结构的一部分的简化示意，包括根据本发明的内部热调节器(绝热板)。

图3是示出组装形成示例声学结构之前的声学蜂巢体、实心保护片和穿孔声学面板的分解图。

图4是图1的简化的端视图，示出与发动机热区相邻设置的声学结构。

图5是示例的优选声学结构的一部分的简化示意，包括根据本发明的内部热调节器，并额外包括外部热毯。该示例优选声学结构旨在用于具有以高达900℉及更高的温度运行的热区的下一代大型喷气发动机中。

具体实施方式

本发明的声学结构可用于阻尼来自许多种噪音源的噪音，其中该声学结构在一侧上暴露于升高的温度。该声学结构非常适用于阻尼由商用航空器的航空器发动机(尤其是大型喷气发动机)所产生的噪音。该声学结构包括内部热调节器，使其可在没有热毯或其它外部绝热结构的情况下应用于以600℉到750℉量级的最大温度运行的当前发动机设计内的位置。根据本发明的优选的声学结构包括热毯或其它外部绝热结构，以满足下一代大型喷气发动机所产生的热负荷增加。下一代大型喷气发动机会运行在某些热区处于高达900℉或更高的温度的情况下。

以下详细说明受限于喷气发动机内声学结构的示范实施例。该实施例包括有和没有外部绝热结构，例如热毯的两种声学结构。应理解本发明的声学结构还可应用于需要阻尼来自噪音源的噪音且其中声学结构在一侧暴露于高温的任何情况。

示例喷气发动机在图1中以10示出。喷气发动机10包括产生如箭头14所示的初级热空气流的燃烧核或热区12。根据喷气发动机的类型和设计，热区或高温区域12内的热空气流可处于从600℉到900℉和更高的温度范围。短舱结构16位于热区12周围以提供环形导管18，冷的次级空气如箭头20所示通过所述环形导管18流动。冷的空气流以等于外部空气温度的温度进入喷气发动机，并在其经过所述环形导管18时被加热到等于或略低于热区12的温度的温度。

根据本发明的示例声学结构位于热区12的外部部分，如22所示。声学结构22包括位于最接近或与喷气发动机的热区或高温区域12相邻的第一侧24。声学结构22还包括位于最接近或与喷气发动机的冷空气导管或低温区域18相邻的第二侧26。在图1和2中示出没有热毯的声学结构22。如有必要可增加热毯以提供额外的热保护。在下面说明并在图5中示出包括热毯的根据本发明的示例的绝热系统。

在图2中示出声学结构22的详细的简化剖视图。声学结构22包括蜂巢体28，所述蜂巢体28包括从蜂巢体的第一边缘34延伸到蜂巢体的第二边缘36的限定出蜂巢体单元格32a-32d的壁30a-30e。作为本发明的特征，绝热板38a-38d位于与蜂巢体的第一边缘34相邻的蜂巢体单元格内，以在每个单元格内提供内部热调节器。隔音板40a到40c也位于蜂巢体单元格内，以提供所需的声学阻尼。如需要，在各个蜂巢体壳内可设置一个以上的隔音板，如单元格32a内所示，在其中放置了两个隔音板40a。实心保护片42附接于蜂巢体的第一边缘，穿孔吸音板44附接于蜂巢体的第二边缘。如需要，可在蜂巢体内放置既绝热又隔音的双功能材料，如48a、48b和48c所示。

在图3中，示出实心保护片42和穿孔吸音板44附接到蜂巢体边缘28之前的声学结构22。绝热板标识为组38，隔音板标识为组40。声学结构在图3中被示为平面结构。通常实际的最终结构会是弯曲的，如图4所示，以提供围绕喷气发动机热区的环形结构。

在图4中，示出图1的简化端视剖面，其中箭头示出来自热区12的受到绝热板38调节的热辐射。图4中的标识数字相应于图1-3中所用的标识数字。如将在以下所述的，热毯或其它外部绝热结构可选地位于声学结构22与热区12之间，以在绝热板不能独自地针对热区所产生的热充分保护给定的蜂巢体材料的情况下，提供额外的绝热。

用于制造这种蜂巢体28的材料可为任何常用于声学结构中的材料，包括金属、陶瓷和复合材料。示例的金属包括不锈钢、钛和铝合金。本发明对于由复合材料制成的蜂巢体尤其有用，所述复合材料倾向于具有比金属和陶瓷低得多的最大运行温度。示例的复合材料包括玻璃纤维，诺梅克斯(Nomex)和石墨或陶瓷纤维与适当的基质树脂的各种组合。优选能够承受相对高温(450℉到650℉)的基质树脂。例如，当基质树脂是聚酰亚胺时，蜂巢体的最大运行温度在500℉到650℉的量级。基质树脂是高性能环氧树脂的复合蜂巢体通常具有低得多的运行温度，在350℉到400℉的量级。传送到蜂巢体的热优选为可调节的，使得蜂巢体的温度保持在等于或小于基质树脂的最大运行温度的水平。

高温区域与蜂巢体的第二边缘之间所需的温度降低会根据热区的最高运行温度和蜂巢体树脂的最大运行温度而变化。两个温度之间的差距越大，则热调节量越大，所述热调节量必须被设计到绝热板和热毯(必要时)中。通常用于制造绝热板的材料的类型以及隔板的厚度和位置应提供至少225℉的稳态温度降低。对于在750℉到900℉的较高温度范围下运行的热区，通常需要至少375℉的稳态温度降低。

作为例子，如果高温区域的运行温度是700℉且蜂巢体基质树脂的最大运行温度是450℉，则选择绝热板，以获得低于热区或高温区域的运行温度至少250℉的蜂巢体稳态温度。在某些例子中，可要求只用绝热板实现250℉温度下降。可选地，可采用热毯或其它外部绝热件，以提供一部分所需热调节。

根据本发明的热调节声学结构的优选实施例在图5中以60示出。声学结构60包括声学蜂巢体62，所述声学蜂巢体62包括设置在声学蜂巢体62内的绝热板63。声学蜂巢体62与外部绝热件(例如热毯64)组合使用。热毯与蜂巢体62的边缘用间隔件66隔开，以形成绝热腔68。绝热腔68可用间隔件形成，以保持热毯64与声学蜂巢体62隔开，或者可采用任意其它类型的连接结构，只要热毯以在热毯64与声学蜂巢体62之间形成空间或腔的方式牢固地附接于声学蜂巢体62。

声学结构60具有示例性的最大运行温度为450℉的蜂巢体基质树脂。声学结构设计成在高达900℉的温度下运行的典型热区附近使用。如图5所示，热毯64具有设计用于调节热流、使热毯的低温侧(内侧)的温度比热毯的热区侧(外侧)低200℉的厚度和重量。气隙或绝热腔68与绝热板63的组合提供进一步的热调节，使得在绝热板低温侧上的温度比在热毯内侧上的温度低250℉。

在常规的热保护声学系统中，声学结构会只由热毯保护，热毯如70所示。热毯70本身需要足够厚重，以提供从900℉到450℉所需的热调节。这种结构(声学蜂巢体+热毯)会具有由“t”表示的厚度。如图5所示，本发明采用绝热板，以提供设计变化，其中热毯的厚度和重量被显著减少，同时保持总体结构的厚度(t)不变。这种设计变化允许人们采用比热毯轻得多的绝热腔代替一部分热毯。尽管气隙和绝热腔不像它所替换的那部分热毯那么绝热，但气隙和在设置在气隙内的绝热板的组合却以小得多的重量提供相同程度的热调节。

图5所示声学结构60只是示例性的，其中热毯64与声学蜂巢体62由气隙68隔开。如需要，声学结构可放置成直接与热毯64接触。这在热保护声学结构60的厚度(t)要保持在最小以满足设计需要的情况下，是需要的。

如上所述，绝热板38a-38d的厚度以及用于形成绝热板的材料可变化，以提供所需水平的绝热和热调节，使得蜂巢体温度保持在蜂巢体最大运行温度以下。绝热板不必起到将蜂巢体与热完全隔离的热毯或者其它热阻隔结构的作用。相反，绝热板旨在调节传送到蜂巢体单元格内的热量，使得蜂巢体内的温度保持低于可能会破坏蜂巢体的水平。

绝热板38a-38d可由任何合适的绝热材料制成，其在声学结构的热侧24与声学结构的冷侧26之间提供必要的热调节或隔离。作为本发明的特征，绝热板位于蜂巢体单元格内部，以提供与外部系统(例如绝热毯或片)相反的“芯内”热调节系统。绝热板优选地由被高温树脂基质保持在一起的空心陶瓷或玻璃高温绝热微球制成。它们也可由在高温树脂基质内的高温绝热纤维或发泡树脂基质内的低导率陶瓷材料的组成制成。

空心陶瓷微球通常由玻璃、铝土、二氧化钛、氧化铁和飞灰(fly ash)制成。空心微球可具有50微米到250微米尺寸范围的直径。示例的空心微球在已公布美国专利申请号US2010/0107611A1中得以描述，其内容通过引用在此合并。微球优选地与未固化高温树脂组合，以形成粘性材料，所述粘性材料形成层，蜂巢体的第一边缘浸入所述层内。粘性层的厚度决定接下来固化基质树脂时形成的绝热板的厚度。备选地，可形成绝热材料层，然后用芯部的边缘切穿绝热材料而“饼切割(cookie-cut)”成蜂巢体单元格。另外，绝热板可是预成形的，然后插入到蜂巢体单元格内，在蜂巢体单元格内，它们摩擦配合和/或粘接就位。

选择高温基质树脂量，使得仅存在最小量的基质树脂，以提供微球的适当粘聚以及对蜂巢体壁的粘附性。对于空心陶瓷微球来说，示例的高温基质树脂包括聚酰亚胺树脂，例如可从Industrial Summit Technology Corporation(Parkin,NJ)获得的Skybond 700和705，或者可从Unitech Corporation(Arlington,VA)获得的Unitech RP46和RP50。通常，空心陶瓷微球会占到用于形成绝热板的粘性材料的85到95的重量百分比，其余材料是基质树脂。在蜂巢体已插入到绝热材料的粘性层内之后，按照具体树脂的标准过程固化树脂基质，以形成绝热板。通过在基质树脂和蜂巢体壁之间的粘附，绝热板保持就位。绝热板基本上是紧紧塞满了空心陶瓷微球的盘，所述微球在蜂巢体内由高温树脂基质保持在一起并保持就位。

可形成绝热板，使得所有蜂巢体单元格容纳由同一层微球绝热材料构成的绝热板。备选地，一个或多个单元格可选择性地用泡沫蜡或其它可移除材料塞紧。形成第一组绝热板之后，第一组隔板被覆盖，并且在之前塞紧的单元格内，可形成额外的绝热板。蜂巢体单元格的这种类型的选择性塞紧和/或保护允许我们制造容纳由不同绝热材料制成并具有不同厚度的绝热板的声学结构。

隔音板40a-40c可由用它提供噪音衰减的任何标准声学材料制成，包括纺织物和穿孔板。优选采用由纺织纤维制成的隔音板。这些声学材料通常以开放网格织物的相对薄的片的形式提供，所述相对薄的片专门设计成提供噪音衰减。优选地，声学材料可为由单丝纤维织成的开放网格织物。该纤维可由玻璃、碳、陶瓷或聚合物组成。由聚酰胺、聚酯、乙烯三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)、乙烯四氟乙烯(ETFE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯硫醚(PPS)、聚全氟乙丙烯(FEP)、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰胺6(尼龙6，PA6)和聚酰胺12(尼龙12，PA12)制成的单丝聚合物纤维只是几个例子。由PEEK制成的开放网格织物对于高温应用，例如喷气发动机用发动机机舱来说是优选的。示例的隔音板在美国专利7434659、7510052和7854298中说明，其内容通过引用合并于此。也可采用由激光钻孔塑料片或膜形成的隔板。

实心保护片42优选为高温非金属外壳，所述外壳能抵抗在600℉到900℉量级的相对高温。此材料优选，但不必须是绝热的。保护片旨在保护蜂巢体结构免于与热区12内形成的热气体直接接触。如图5所示，当使用外部绝热件，例如热毯或绝热件时，可以去除保护片。通常的用于保护底下的结构避开热气的任何材料都可用于形成实心保护片。

优选地，热毯与热调节声学蜂巢体组合使用。热发动机温度可首先被绝热物或热毯所阻隔，所述绝热物或热毯还为声学蜂巢体提供针对潜在的研磨性气体的物理保护。除了降低温度并保护底下的结构以外，也可移除绝热毯，以检查声学旁路导管。检视声学旁路导管结构，以确认未看到会影响结构完整性的过高温度。在该周期性检视期间，绝热毯也得到检视和/或更换。

用于制造穿孔吸音板44的材料可为常用于这种有孔声学结构的任何材料，只要结构中的小孔或穿孔足以允许来自喷气发动机或其它源的声波进入到声学单元格或谐振器内。

一般来说，蜂巢体单元格通常会具有从0.05平方英寸到1平方英寸或更大的剖面面积。单元格深度(图2中的蜂巢体厚度或芯厚“T”)一般会在0.25到3英寸或更大的范围。对于与喷气发动机的热区12相邻的声学结构22中所使用的蜂巢体，蜂巢体单元格通常会具有在大约0.1到0.5平方英寸之间的剖面面积和大约1.0和2.0英寸之间的厚度(T)。

如上所述，无论对如图2中48c所示单独的蜂巢体单元格，还是对如图48a和48b中所示在隔音板和绝热板之间的蜂巢体单元格，都可增加额外的双功能材料48。此额外的绝热材料优选地是双功能材料。这意味着该材料不仅提供额外的绝热，还提供某种程度的声音衰减。典型的双功能材料包括纺织纤维，例如玻璃纤维或高温泡沫。额外的双功能材料的类型、数量和位置可在蜂巢体单元格内广泛变化，以实现同样广泛多样的热调节和噪音衰减目的。

本发明的声学结构提供多个优点，包括从声学结构的高温侧到低温侧的热流量的明显减少。这可减少或消除对于单独的外部热屏蔽的需要。另外，人们可在蜂巢体单元格内侧形成不同尺寸和类型的绝热板，以精细地调谐和仔细地调节流动通过蜂巢体各个部分的热量。

由内部绝热板提供的热流控制或调节特性与也位于蜂巢体单元格内的隔音板组合工作，效果良好。绝热板为隔音板提供热保护，所述隔音板类似于蜂巢体，易于在远低于热区运行温度以下的温度下失效。如上所述，本发明提供只能由这里所述隔板的独特组合而实现的多个优点，其中内置的隔板同时提供热保护和声音衰减。

应注意热区的运行温度和蜂巢体基质树脂的最大运行温度只是示例性的。本发明可应用于广泛的有必要用最小的重量和空间实现有效的热保护的噪音阻尼情况。本发明通过提供内部绝热板，将至少一部分热保护系统移动到蜂巢体内。内部绝热板单独或与外部热保护结构组合的使用，提供使整个受到热保护的声学结构的重量和尺寸最小化的有效方式，尤其是对于在相对高温下运行的下一代喷气发动机。

尽管已描述了本发明的示例实施例，本领域技术人员应理解披露的只是示例性的，可在本发明的范围内做出各种其它的替代、改变和修改。因此，本发明不限于上述实施例，而只是受以下权利要求的限制。

Claims (20)

1.一种带有内部热调节器的声学结构，所述声学结构包括：

包括第一边缘和第二边缘的蜂巢体，所述第一边缘位于最接近高温区域的位置处，所述蜂巢体包括由在所述第一边缘和第二边缘之间延伸的多个壁所限定出的单元格；

位于与所述蜂巢体的第一边缘相邻的所述单元格内以提供所述内部热调节器的绝热板；以及

位于所述绝热板和所述第二边缘之间的所述单元格内的声学阻尼材料。

2.如权利要求1中所述的声学结构，还包括附接到所述蜂巢体的第一边缘的实心保护片。

3.如权利要求1中所述的声学结构，还包括附接到所述蜂巢体的第二边缘的穿孔声学板。

4.如权利要求1中所述的声学结构，其中，所述声学阻尼材料是隔音板。

5.如权利要求1中所述的声学结构，其中，所述声学阻尼材料是双功能填充材料，所述材料在所述单元格内同时提供绝热和声音衰减。

6.如权利要求1中所述的声学结构，还包括位于在所述蜂巢体的第一边缘和所述高温区域之间的绝热结构。

7.如权利要求6中所述的声学结构，其中，在所述绝热结构和所述蜂巢体的第一边缘之间存在气隙。

8.如权利要求1中所述的声学结构，其中所述蜂巢体壁包括纤维和固化树脂。

9.一种喷气发动机，所述发动机包括如权利要求1中所述的声学结构。

10.一种喷气发动机，所述发动机包括如权利要求6中所述声学结构并且所述喷气发动机包括具有在750℉和900℉之间的温度的高温区域。

11.一种用于制造具有内部热调节器的声学结构的方法，所述方法包括步骤：

提供包括第一边缘和第二边缘的蜂巢体，所述第一边缘位于最接近高温区域的位置处，所述蜂巢体包括由在所述第一和第二边缘之间延伸的多个壁所限定出的单元格；

在与所述蜂巢体的第一边缘相邻的所述单元格内设置绝热板以提供所述内部热调节器；以及

在所述热绝缘隔膜和所述第二边缘之间的所述单元格内设置声学阻尼材料。

12.如权利要求11所述的用于制造声学结构的方法，包括将实心保护片附接到所述蜂巢体的第一边缘的额外步骤。

13.如权利要求11所述的用于制造声学结构的方法，包括将穿孔声学板附接到所述蜂巢体的第二边缘的额外步骤。

14.如权利要求11所述的用于制造声学结构的方法，其中所述声学阻尼材料是隔音板。

15.如权利要求11所述的用于制造声学结构的方法，其中所述声学阻尼材料是在所述单元格内同时提供绝热和声音衰减的双功能填充材料。

16.如权利要求11所述的用于制造声学结构的方法，还包括将绝热结构放置成所述蜂巢体的第一边缘相邻的额外步骤。

17.如权利要求16所述的制造声学结构的方法，其中所述绝热结构放置成与所述蜂巢体的第一边缘相邻使得所述绝热结构和所述蜂巢体的第一边缘之间存在气隙。

18.如权利要求1中所述的声学结构，其中所述蜂巢体壁包括纤维和固化树脂。

19.一种用于给具有高温区域的喷气发动机提供绝热和声音阻尼的方法，所述方法包括将带有如权利要求1中所述的内部热调节器设置成与所述高温区域相邻的步骤。

20.一种用于给具有高温区域的喷气发动机提供绝热和声音阻尼的方法，所述方法包括将带有如权利要求6中所述的内部热调节器设置成与所述高温区域相邻的步骤。