CN111971468B - 用于涡轮喷气发动机的声学处理面板 - Google Patents

用于涡轮喷气发动机的声学处理面板 Download PDF

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Abstract

一种待布置在涡轮喷气发动机(1)的至少一个与流体流接触的壁上的声学处理面板(10)，该面板(10)包括第一声学反射板(14)、第二板(16)和安装在第一板(14)和第二板(16)之间并包括多个单元(18)的多个腔体(18)。第二板(16)是被多个通道(20)横穿的一体式板，每个通道一方面引导到形成在第二板(160)的第一侧(161)上的第一孔口(22)中，并且另一方面引导到形成在第二板(16)的第二侧(162)上的第二孔口(24)中，每个通道(20)的长度在其第一孔口(22)和其第二孔口(24)之间延伸，所述长度大于第二板(16)的厚度(e)。

Description

用于涡轮喷气发动机的声学处理面板
技术领域
本发明涉及使用管道涡轮机的推进系统的声学传播，并且更具体地，涉及一种用于衰减由一个或若干转子与其周围环境之间的相互作用所辐射的噪声的声学处理技术。
背景技术
传统上，涡轮喷气发动机的声学处理，并且更具体地，转子和其周围环境之间的相互作用所辐射的噪声的声学处理是使用吸音板进行的，该吸音板设置在声波在其中传播的管道的湿润的表面处。通过“润湿的表面”来意指与流体流接触的表面。这些面板是夹住蜂窝状结构的夹心型复合材料，其吸收特性部分地归因于亥姆霍兹(Helmholtz)谐振器的原理。
亥姆霍兹谐振器包括谐振腔体和一个或若干颈部，这些颈部各自从壁中形成的孔口在腔体内部延伸，并允许谐振腔体与要衰减的波在其中传播的周围环境介质连通。颈部因此确保周围环境介质与内部空气腔体之间的连通。一旦设备被优化，颈部就确保了粘热消散效应，这对应于声波通过颈部端部的快速且交替的运动，从而导致摩擦消散。
在常规处理技术中，颈部的长度比腔体的高度小。更具体地，在常规技术中，颈部的长度等于构成处理的湿润的表面的由复合片材金属(碳+树脂)制成的壁的厚度，因为颈部是通过对该壁的简单穿孔而获得的。亥姆霍兹谐振器的操作通过确定空气腔体的尺寸来优化，以便在颈部处获得最大声速。这种优化需要使腔体高度约为要处理的主频率波长的四分之一。关于覆盖的显著频率带宽，它还提供了非常有趣的属性。
然而，用于推进系统优化的当前趋势集中于减少叶片的数量并降低诸如风扇的旋转组件的旋转速度。这导致声辐射的频率降低。
然后，处理面板的优化需要增加其厚度，以便能够增加腔体的高度，从而减小面板的谐振腔的调谐频率。这使得面板和与新的UHBR(超高旁路比)类型架构相关的质量和空间需求的约束不兼容。
始终能够确定亥姆霍兹共振器的尺寸，以使其在较低的频率下有效，例如通过调整颈部的高度和谐振腔体的体积来减小径向空间需求。
在给定减小的空间需求的约束下，对于这种确定尺寸对等的是，当频率降低时，以最优方式在其上处理操作的频带急剧减小，如图1所示，图1表示声学衰减曲线，其以实线示出了根据用于常规的亥姆霍兹谐振器的频率的处理效率以及以虚线示出了根据现有技术其尺寸已经减小的亥姆霍兹谐振器。
以吸收系数的形式表示在图2中的源自测量的结果示出了低频性能，对于140dB的声级，该低频性能对中在总厚度为26mm的大型颈部结构的550Hz处，其测量值由白色正方形表示，与基于厚得多的穿孔金属的传统的谐振器相比，其曲线以实线显示，并且对于156dB的声级，其测量值由黑色正方形表示，该谐振器要求在该频率范围内实现150mm的腔体以获得等效性能。
关于衰减频率带宽的这种限制是非常不利的，因为风扇的速度根据飞行阶段的变化会在其声音发射频率上产生很大的变化。结果，以这种方式确定尺寸的处理将仅对单个速度有效，并且对于在频率上不能降低非常低的频率范围有效。
已知声学处理面板包括具有长方形孔口的机加工碳片材金属，该碳片材金属仅用于保护限定垂直于片材金属的颈部的薄织物(待确认)。
还已知用于穿孔板的系统，以形成用于声学处理面板的穿孔板。
还已知声学处理面板，其包括谐振器，该谐振器设置有至少两个不同频率的可调节的颈部，该可调节的颈部安装在穿孔板上并在例如由蜂窝结构的单元形成的腔体内部延伸。
另外，已知声学处理面板包括多孔输入层，该多孔输入层设置有单个通道，并且通过组装至少两个相异的板而形成，这会在界面处引起声泄漏。
发明内容
本发明旨在提供了一种声学处理面板，使得它能够克服上述缺点，并且特别地包括能够在至少一个涡轮机速度上有效地衰减与低频线路的噪声相关的辐射的谐振器，从而与常规蜂窝型处理相比大大减小了空间需求，同时保留了开发蜂窝处理的常规过程并同时降低声学泄漏。
本发明的目的是提出一种声学处理(特别是衰减)面板，其意图设置在涡轮喷气发动机的至少一个与流体流接触的壁上，该面板包括：第一声学反射板；具有旨在与流体流接触的第一面和与第一板相对的第二面的第二板；以及安装在所述第一板和第二板的第二面之间的多个腔体，这些腔体一方面开通到第一板上，并且另一方面开通到第二板的第二面上，并且第二板具有在正交于所述第一面和第二面的方向上在第一面和第二面之间延伸的厚度。
根据本发明的总体特征，第二板是被多个通道穿过的一体式板，每个通道一方面开通到形成在第一面上的第一孔口上，并且另一方面开通到形成在第二面上的第二孔口上，每个通道在其第一孔口和其第二孔口之间延伸的长度大于所述第二板的厚度。
一体式板的使用允许在多件式板的情况下避免特别是与界面相关的泄漏。
根据声学处理面板的第一实施例，包括通道的第二板可以是通过三维增材制造产生的板。
通过增材制造来产生一体式第二板允许设计具有复杂几何形状的通道，使得能够延长通道。通过复杂的几何形状提供的延长第二板中的通道的能力允许在不增加第二板的厚度和/或面板的厚度的情况下衰减较低的频率。
根据声学处理面板的第二实施例，通道可以各自在通道在第二板中延伸的方向上具有长度，该长度大于通道的第一孔口的最大尺寸。
根据声学处理面板的第三实施例，通道的截面可以包括在0.2mm2和7mm2之间。
根据声学处理面板的第四实施例，至少一个腔体可以开通到第二板的多个通道上。
根据声学处理面板的第五实施例，第二板的通道的长度与第二板的厚度之间的比率较佳地大于或等于1.5。
根据声学处理面板的第六实施例，第二板可以在第二板在其中延伸的平面中具有均匀的通道分布。
通过“第二板在其中延伸的平面中的均匀的通道分布”来意指这样的分布，对于该分布，第一面上的每个第一孔口之间的距离基本上为相同大小的量级，并且第二面上的每个第二孔口之间的距离基本上为相同大小的量级。
根据声学处理面板的第七实施例，第二板可在第二板在其中延伸的平面中具有通道的分布梯度。
通过“第二板在其中延伸的平面中的通道的分布梯度”来意指孔口之间的距离能够根据第二板的不同区域而变化的分布。这样的构造允许在恒定厚度的板中改变通道之间的距离，从而改变可用于通道的体积，并因此根据不同区域改变通道的长度，从而在不同的频率上优化板的处理。
此外，对于这种更复杂的实施方式，使用具有分布梯度的增材制造不会改变生产成本。
根据声学处理面板的第八实施例，每个通道可具有分别与第一孔口和第二孔口接触的第一端部和第二端部，第一端部和第二端部中的每一个在与它开通到其上的第二板的第一面或第二面分别正交的直线形成至多15°的方向上延伸。
每个通道可具有分别与第一孔口和第二孔口接触的第一端部和第二端部，第一端部和第二端部中的每一个在与它开通到其上的第二板的第一面或第二面分别形成至少15°的角度的方向上延伸。
通道的端部与它开通到其上的第二板的面形成的至少15°的角度促进了第二板对声波的渗透性，特别是在面板的入口处，并改善了在第二板的出口处的腔体的操作。
根据声学处理面板的第九实施例，每个通道可以具有在其整个长度上施加的最小1mm的曲率半径。
通道的曲率半径促进第二板对声波的渗透性。
至少15°的角度和至少1mm的曲率半径允许波进入和离开通道。
在角度小于15°和/或曲率半径小于1mm的情况下，到达板上或在通道中移动的波将把这两个特性视为“不可穿过的壁”，并且因此被反射。与波被反射的情况相比，这些特性允许具有增加的渗透性。
根据声学处理面板的第十实施例，将第一板与第二板分开的距离较佳地大于或等于第二板的最长通道的长度的四分之一。
根据声学处理面板的第十一实施例，第二板的通道较佳地被大于或等于第二板的最大孔口尺寸的距离分开。
根据声学处理面板的第十二实施例，通道可以具有三维几何形状。
平面中包含的形状被视为简单形状，第三维是通道的厚度。然后将其称为二维形状。在所有方向上移动的三维形状是复杂的形状。三维形状的优点是通过最大化通道在第二板的体积中所占据的空间来优化通道的尺寸。
本发明的另一个目的是提出一种涡轮喷气发动机，该涡轮喷气发动机包括至少一个如上所限定的声学处理面板。
本发明的又一个目的是提出一种飞行器，该飞行器包括至少一个如上所限定的涡轮喷气发动机。
附图说明
在通过参考附图阅读作为说明而非限制的以下内容时，将更好地理解本发明，附图中：
-已经描述的图1示出了根据现有技术的声衰减曲线，该声衰减曲线示出了对于两个不同单元根据声波频率的处理效率；
-已经描述的图2示出了根据现有技术的表示对于三个不同单元的根据声波频率的吸收系数变化的曲线图；
-图3表示在涡轮喷气发动机的纵向平面中的根据本发明的一个实施例的涡轮喷气发动机的剖视图；
-图4示出了根据本发明的一个实施例的声学处理面板的局部立体图；
-图5A至5F示意性地示出了声学处理面板的通道的示例性实施例；
-图6示意性地示出了图4的声学处理面板的剖视图；
-图7示意性地示出了图4的声学处理面板的通道的一部分的放大图。
具体实施方式
图3表示在涡轮喷气发动机1的纵向平面中的根据本发明的一个实施例的涡轮喷气发动机1的剖视图。
涡轮喷气发动机1包括发动机舱2、中间壳体3和内部壳体4。发动机舱2以及两个壳体3和4是同轴的。发动机舱2在第一端处限定用于流体流动的入口通道5，并且在与第一端相对的第二端处限定用于流体流动的排气通道6。发动机舱2和中间壳体3在它们之间界限了主流体流动路径7。中间壳体3和内部壳体4在它们之间限定了次级流体流动路径8。主流动路径7和次级流动路径8沿着涡轮喷气发动机的轴向方向设置在入口通道5和排气通道6之间。
涡轮喷气发动机1还包括风扇9，该风扇9构造成将空气流F作为流体流递送，该空气流F在风扇的出口处被分成在主流动路径7中循环的主流FP和在次级流动路径8中循环的次级流FS。
涡轮喷气发动机1还包括至少一个声学处理面板10，该至少一个声学处理面板10构造成在由涡轮喷气发动机发射的声波径向地逸出涡轮喷气发动机1的发动机舱2外部之前使它们衰减。
每个声学处理面板10构造成衰减其频率属于预定频率范围的声波。在图3所示的实施例中，声学处理面板10被集成到发动机舱2、中间壳体3和内部壳体4。在内部壳体4上，声学处理面板10一方面沿着轴向方向被集成到中间壳体3的上游部分上，并且特别是在承载风扇9的部分上，另一方面，被集成到在中间壳体3的下游部分上。
图4表示根据本发明的一个实施例的声学处理面板10的局部立体图。
参照图4，声学处理面板10包括芯12、反射层14和输入层16。
芯12具有蜂窝结构。更具体地，芯12包括以已知的蜂窝结构布置的多个单元18。
每个单元18开通到芯12的第一面121上，并且开通到芯18的与第一面121相对定位的第二面122上。
取决于声学处理面板10的位置，芯12的第一面121旨在朝向主空气流动路径7或次空气流动路径8取向。芯12的第二面122旨在背离空气流动路径。
较佳地，芯部12使得第一面121和第二面122之间的距离约为对应于预定工作频率的波长的四分之一。
工作频率是期望最大声学衰减的频率。工作频率属于预定频率范围。
根据该实施例，芯12可以由金属或复合材料制成，比如由嵌入硬化树脂基体中的碳纤维形成的复合材料。
反射层14适于反射具有属于预定频率范围的频率的声波。
反射层14与芯12的第二面122相对地延伸，与第二面122接触。更具体地，反射层14固定到芯12的第二面122，例如结合到芯12的第二面122。
根据该实施例，反射层14可以由金属或复合材料制成，比如由嵌入硬化树脂基体中的碳纤维形成的复合材料。
输入层16与芯12的第一面121相对地延伸，与第一面121接触。更具体地，输入层16固定到芯12的第一面121，例如结合到芯12的第一面121。
输入层16是通过增材制造形成的一体式板。它包括多个通道20，多个通道20从在输入层16的第一面161上制成的第一开口22穿过输入层16，直到在该输入层16的第二面162上制成的第二开口24。每个通道20的第二开口24开通到芯12的单元18上，若干通道20能够开通到同一单元18上。
为了增加通道20的长度并因此降低可以由声学处理面板10处理的声波的频率，通道20延伸到输入层16中，以使其长度大于输入层16的厚度e，该输入层的厚度e对应于在正交于输入层16的两个面161和162在其中延伸的平面的方向上测量的将第一面161与输入层的第二面162分开的距离。
通道20可以具有简单或较佳地复杂的形状。复杂的三维形状允许通过最大化颈部在输入层16的体积中占据的空间来优化颈部的尺寸。
简单或复杂的通道的长度较佳地大于输入层16的厚度e的1.5倍。
图5A至5F示意性地示出了声学处理面板10的通道的示例性实施例。
图5A示出了输入层16，该输入层16具有沿着输入层16的厚度e取向的螺旋形状的通道20。通道20的路径对应于围绕沿输入层16的厚度e取向的轴线卷绕的螺旋线。
图5B示出了输入层16，该输入层16具有垂直于输入层16的厚度e取向的螺旋形状的通道20。通道20的路径对应于围绕垂直于输入层16的厚度e取向的轴线卷绕的螺旋线。
图5C示出了输入层16，该输入层16具有沿着输入层16的厚度e取向的蜿蜒的通道20。该蜿蜒部具有多层并且通常在同一平面内延伸。通道20的路径对应于蜿蜒部，其最大长度沿着输入层16的厚度e取向。
图5D示出了输入层16，该输入层16具有垂直于输入层16的厚度e取向的蜿蜒的形状的通道20。通道20的路径对应于蜿蜒部，其最大长度垂直于输入层16的厚度e取向。
图5E示出了具有通道20的输入层16，该通道20具有双螺旋构造。两个相邻的通道以双螺旋卷绕，其轴线沿着输入层16的厚度e取向。每个通道20的路径对应于围绕沿输入层16的厚度e取向的轴线卷绕的螺旋线。这种构造，结合若干通道，能够具有使通道的曲率最小化的优点，并因此使通道的声阻最小化。
图5F示出了具有以双螺旋卷绕的两个相邻通道的输入层16，该双螺旋的轴线垂直于输入层16的厚度e取向。每个通道20的路径对应于围绕垂直于输入层16的厚度e取向的轴线卷绕的螺旋线。
还可以设想多螺旋构造，其中若干相邻通道沿着公共轴线的螺旋卷绕，该螺旋沿着输入层的厚度e或垂直于输入层的厚度e取向。
也可以设想规则图案的任何其它叠加。
可以设想诸如在粉末床上或通过沉积材料的三维打印的技术来设计输入层。能够达到约为0.1mm量级的特定精度就足够了。
这种优化在不显著增加处理总高度的情况下并且通过保留开发蜂窝处理的常规过程，允许将处理调谐到较低的处理。
较佳地，声学处理面板10的频率调谐作为第一近似满足以下方程式：
其中，F是以赫兹为单位的调谐频率，C是以米/秒为单位的声音速度，S是以平方米为单位的通道截面，V是以米为单位的谐振器体积，l'是校正的通道长度，其中
l′＝l+δ
其中，l是通道的几何长度，而δ是通道的校正量，其中
对于并置的谐振器，r为孔口的半径，σ为穿孔率。
较佳地，通道的长度大于其直径，至少大1.5倍，以保证其所容纳的气柱的期望特性。通道20的第二开口24，换言之，输入层的第二面162，与反射层14之间的距离大于通道的高度的四分之一。通道的截面包括在0.2mm2和7mm2之间。单个腔体能够容纳若干颈部。每个颈部之间的间距应大于颈部直径。
如图6所示，其示意性地示出了图4的声学处理面板的剖视图，芯12的每个腔体18开通到输入层16的多个通道20上。换言之，输入层16的若干通道20开通到芯12的相同腔体18上。
此外，如图7所示，其示意性地示出了图4的声学处理面板的通道的一部分的放大图，每个通道20较佳地具有从第一开口22延伸的第一端部202和从第二开口24延伸的第二端部204。第一端部202和第二端部204中的每个在输入层16的厚度内分别在方向X1和X2上分别从第一开口22和第二开口24延伸，分别与正交于输入层16在其中延伸的平面的直线Z1和Z2形成至多15°的角θ。
换言之，第一端部202和第二端部204中的每个在与输入层16的其开通到其上的面、即分别是第一面161和第二面162形成包括在75°至90°之间的角度的方向上延伸。该角度促进了输入层16对声波的渗透性，特别是在进入面板10的入口处，并且改善了在输入层16的出口处的腔体18的操作。
因此，本发明提供了一种声学处理面板，使得它能够克服上述缺点，并且特别地包括能够在涡轮机速度上有效地衰减与低频线路的噪声相关的辐射的谐振器，从而与常规蜂窝型处理相比大大减小了空间需求，同时保留了开发蜂窝处理的常规过程。

Claims (14)

1.一种声学处理面板(10)，所述声学处理面板旨在设置在涡轮喷气发动机(1)的至少一个与流体流接触的壁上，所述面板(10)包括：第一板(14)；第二板(16)，所述第二板具有旨在与流体流(F、FP、FS)接触的第一面(161)和与所述第一板(14)相对的第二面(162)；以及安装在所述第一板(14)和所述第二板(16)的所述第二面(162)之间的多个腔体(18)，所述腔体(18)一方面开通到所述第一板(14)上，并且另一方面开通到所述第二板(16)的所述第二面(162)上，并且所述第二板(16)具有在正交于所述第一面(161)和所述第二面(162)的方向上在所述第一面(161)和所述第二面(162)之间延伸的厚度(e)，
其特征在于，所述第二板(16)是被多个通道(20)穿过的一体式板，每个通道一方面基本上垂直地开通到形成在所述第一面(161)上的第一孔口(22)中，并且另一方面开通到形成在所述第二面(162)上的第二孔口(24)中，每个通道在其第一孔口(22)和其第二孔口(24)之间延伸的长度大于或等于所述第二板(16)的厚度(e)的1.5倍。
2.根据权利要求1所述的面板(10)，其特征在于，所述通道(20)沿着所述第二板(16)的所述厚度(e)取向或垂直于所述第二板(16)的所述厚度(e)取向。
3.根据权利要求1所述的面板(10)，其特征在于，所述通道(20)的截面包括在0.2mm2至7mm2之间。
4.根据权利要求1所述的面板(10)，其特征在于，至少一个腔体(18)开通到所述第二板(16)的多个通道(20)上。
5.根据权利要求1所述的面板(10)，其特征在于，所述第二板(16)在所述第二板(16)在其中延伸的平面中具有所述通道(20)的均匀分布。
6.根据权利要求1所述的面板(10)，其特征在于，所述第二板(16)在所述第二板(16)在其中延伸的平面中具有所述通道(20)的分布梯度。
7.根据权利要求1所述的面板(10)，其特征在于，每个通道(20)具有分别与所述第一孔口(22)和所述第二孔口(24)接触的第一端部(202)和第二端部(204)，所述第一端部(202)和所述第二端部(204)中的每一个在与它开通到其上的所述第二板(16)的所述第一面(161)或所述第二面(162)分别形成至少15°的角度(θ)的方向(X1、X2)上延伸。
8.根据权利要求1所述的面板(10)，其特征在于，所述第一板(14)与所述第二板(16)分开的距离大于或等于所述第二板(16)的最长通道(20)的长度的四分之一。
9.根据权利要求1所述的面板(10)，其特征在于，所述第二板(16)的所述通道(20)被大于或等于所述第二板(16)的最大孔口尺寸的距离分开。
10.根据权利要求1所述的面板(10)，其特征在于，所述通道(20)具有蜿蜒、螺旋、双螺旋或多螺旋形的三维几何形状。
11.根据权利要求1所述的面板(10)，其特征在于，所述第一板(14)是声学反射层。
12.一种制造根据权利要求1所述的声学处理面板(10)的方法，其中，包括所述通道(20)的所述第二板(16)是通过三维增材制造产生的板。
13.一种涡轮喷气发动机(1)，所述涡轮喷气发动机包括至少一个根据权利要求1所述的声学处理面板(10)。
14.一种包括至少一个根据权利要求13所述的涡轮喷气发动机(1)的飞行器。
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