CN112789676A - 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

一种声学吸收单元(18)，包括在正交于轴向方向(DA)的平面中延伸的底壁(180)、包括刚性连接到底壁(180)的第一轴向端(1850)的封壳(185)、以及声学喇叭件(30)，该声学喇叭件在喇叭件(30)的第一孔口(31)和小于所述第一孔口(31)的喇叭件(30)的第二孔口(32)之间在封壳(185)内延伸，将喇叭件(30)刚性地连接到封壳(185)的与第一轴向端(1850)相对的第二轴向端(1855)，并且喇叭件(30)的第一孔口和第二孔口(31、32)各自在正交于轴向方向(DA)的平面中延伸。喇叭件(30)包括至少一个保持突片(35、350)，该至少一个保持突片(35、350)在封壳(185)内部从喇叭件(30)突出，并附连到底壁(180)或封壳(185)。

Description

用于涡轮喷气发动机的声学处理面板
技术领域
本发明涉及一种用于吸收声波的声学处理面板，并且更具体地，涉及一种用于在低频和中频处吸收声波的声学处理面板的声学吸收单元。
背景技术
声学吸收单元旨在减少不需要的噪音。进行这种减少的原因有多种，例如为了保护人的耳朵不受损害或减少噪音的影响。在技术部件和设备中，可能需要声学防护以防止它们损坏(听觉疲劳)。由于起飞期间产生的高噪音，听觉疲劳可能会发生在例如发动机附近的飞行器着陆襟翼上或空间发射系统的有效载荷部件上。
通常，使用设置在声波在其中传播的管道的湿润表面处的吸收性面板来减小涡轮喷气发动机的噪音，并且更确切地是由于转子与其周围环境之间的相互作用所辐射的噪音。通过润湿的表面意指与流体流接触的表面。这些面板是封围蜂窝件的夹心类型的复合材料，其吸收性能部分归因于由形成声学吸收单元的蜂窝形隔室形成的亥姆霍兹(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开口在腔体内部延伸，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。因此，颈部确保周围环境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表面的复合金属片材壁(碳+树脂)的厚度，因为通过对该壁的简单穿孔而获得颈部。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。这表示环境空气中频率为100Hz的声波，因此具有3.4m的波长，必要的腔体高度为：
Figure BDA0002999931050000021
关于覆盖的大频率带宽，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旨在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。
实际上，由于所谓的薄机舱尺寸和从特别低的频率开始的声学特征，具有超高旁路比的涡轮喷气发动机需要使用特定的声学涂层。更具体地，除了处理中频和高频的常规吸收性结构外，还需要能够利用空间需求减小的声学处理面板有效地衰减大约500至800Hz量级的低频的声学处理。
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。
在给定空间需求减小的约束下，对于这种尺寸确定负面地是：当频率降低时，处理以最佳方式起作用的频带急剧减小。
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和飞行器的重量而变化会使其声音发射频率发生显著变化。因此，以这种方式确定尺寸的处理仅在极窄的速度范围内有效。
用相对较薄的谐振器衰减非常低的频率的一种已知解决方案是将锥形或双曲线形的大喇叭件插入调整到该喇叭件尺寸的腔体中，此处的目的是增加声波在谐振腔中行进的距离。
声音吸收单元的航空应用需要制造这种喇叭件，该喇叭件具有大约0.1至0.2mm的量级的非常薄的喇叭件壁厚。然而，大约140至150dB的量级的显著声学激励水平以及由发动机产生的潜在机械振动，不允许具有这种厚度的壁的喇叭件保持足够的刚性以保持其几何形状并以最佳方式操作。
发明内容
本发明的目的是提供一种声学吸收单元，用于以减小的腔体高度的低频吸收声波，并且尽管机械振动和声学激发，具有足够刚性的喇叭件以保持其几何形状。
本发明的目的是提供一种声学吸收单元，其包括在正交于轴向方向的平面中延伸的底壁；包括固定到底壁的第一轴向端的封壳；以及声学喇叭件，该声学喇叭件在喇叭件的第一开口和喇叭件的小于所述第一开口的第二开口之间在封壳内部延伸，喇叭件固定到封壳的与第一轴向端相对的第二轴向端，并且喇叭件的第一开口和第二开口各自在正交于轴向方向的平面中延伸。
根据本发明的总体特征，该喇叭件包括至少一个保持臂，该至少一个保持臂在封壳内部从喇叭件突出并固定到底壁或封壳。
在声学吸收单元的第一方面中，该单元还可以包括多孔表面，该多孔表面固定到所述封壳的第二轴向端并覆盖喇叭件的第一开口以构成管道，从而允许空气流沿声学吸收单元外部的表面不受干扰地流动。
在声学吸收单元的第二方面中，取决于期望的声学吸收频率范围，喇叭件的第一开口和第二开口可以具有圆形或多边形形状。
在声学吸收单元的第三方面中，封壳和喇叭件可以由浸渍有树脂的合成织物或铝箔制成，并且具有大约十分之一毫米的级别的厚度以最小化单元的质量。
具有这种厚度的这种材料的使用允许大大减小声学吸收单元的重量。
在声学吸收单元的第四方面中，喇叭件可包括：管状颈部，该管状颈部具有对应于喇叭件的第二开口的截面；以及在第一开口和颈部之间延伸的双曲线部分，该颈部包括至少两个保持臂，该至少两个保持臂固定到颈部的自由端和声学单元的底壁，保持臂彼此间隔开以限定自由间隙。
由于管状颈部的存在，这种特别狭窄和细长的喇叭形构造允许提供一种吸收单元，该吸收单元在相对宽的频率范围内处理低频，同时具有对应于通常用于飞行器声学处理面板的吸收单元的单元高度。
本发明的另一个目的是提出一种声学处理面板，该声学处理面板旨在设置在飞行器的与流体流接触的至少一个壁上，该面板包括多个如上限定的声学吸收单元。
本发明的又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。
本发明的另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：
-图1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2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3和图4示意性地示出了根据本发明的第一实施例的声学吸收单元的立体图和剖视图；
-图5示意性地示出了根据本发明的第二实施例的声学吸收单元的剖视图。
具体实施方式
图1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在第一端处限定流体流入口通道5，并且在与第一端相对的第二端处限定流体流排气通道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在它们之间界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外部之前使这些声波衰减。
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1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2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2，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包括根据已知的蜂窝结构布置的多个声学隔室18或隔室。
每个隔室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或次级空气流动路径8取向。芯12的第二面122旨在离开空气流动路径取向。
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。
通过与第二面122接触。反射层14面向芯12的第二面122延伸。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。在一个变型中，形成隔室18的底部的层可以是非反射性的。
通过与第一面121接触，输入层16面向芯12的第一面121延伸。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是穿孔的一体式板，其包括从输入层16的第一面161到第二面162穿过输入层16的多个开口20。每个开口20开通到芯12的隔室18上，若干开口20能够开通到相同的隔室18上。
图3和图4示意性地示出了根据本发明的一个实施例的声学吸收单元的立体图和剖视图。
声学处理面板10的芯12的每个隔室18包括底壁180，该底壁180由反射层14和六个矩形的侧壁182形成，其由最大厚度为十分之1至2毫米的材料组成。六个侧壁182在正交于底壁在其中延伸的平面的方向上从底壁180突出。六个侧壁182布置在一起以形成具有六角形基部的管状封壳185，该六角形基部限定与封壳185的旋转轴线重合的轴向方向DA和底壁在其中延伸的径向方向DR。封壳185在轴向方向DA上包括固定到底壁180的第一轴向端1850和固定到形成输入层16的多孔板的第二轴向端1855。
每个隔室18在其封壳185内部包括喇叭件30，喇叭件30包括第一入口开口31、第二出口开口32、具有六边形基部的中空锥体部分33和颈部34。第一开口31具有的截面大于第二开口32的截面，开口31和32在包括径向方向DR的径向平面中延伸，并因此平行于底壁在其中延伸的平面。第一开口31更具体地在包括封壳185的第二轴向端1855的平面中延伸。
颈部34具有带有六角形基部的管状形状，该颈部沿整个颈部具有对应于第二开口32的开口。喇叭件的锥体部分33包括在第一开口31和颈部34之间，并且锥体部分33的内部空间与颈部34的内部空间流体连通。锥体部分33在轴向方向DA上包括第一端331和第二端332，第一端331的截面对应于第一开口31，第二端332的截面对应于第二开口32的截面。喇叭件34在轴向方向DA上包括第一端341和第二端342，第一端341固定到锥体部分的第二端332，第二端342面向底壁180设置。
喇叭件30在轴向DA上以两个不同的高度固定到隔室18的其余部分。锥体部分33的第一端331固定到封壳185的第二轴向端1855，并且在图3和图4所示的实施例中，颈部34的第二端342经由在轴向方向DA上延伸的保持突片35固定到底壁180。
图5示意性地示出了根据本发明的第二实施例的声学吸收单元的剖视图。在该变型中，喇叭件30通过以下方式固定到隔室18：将锥体部分33的第一端331固定到封壳185的第二轴向端1855，并且经由在径向方向DR上延伸的多个突片35'将颈部固定到封壳185。在图5所示的示例中，径向突片35'从颈部34的第二端342在径向方向DR上延伸。
在图3和图4所示的实施例中，插入隔室18中的每个喇叭件30通过连结到其两个轴向端而被保持，即连结到锥体部分33的第一端331并且连结到颈部34的第二端342。
突片35或臂的数目的选择以及它们的宽度取决于期望的结构的机械强度、喇叭件的几何形状和/或所用材料的机械性能。
喇叭件30的第二出口开口32的环境改变影响声学隔室18的操作。在声学优化过程中必须将其考虑在内。实际上，突片35的增加减小了波在有关区域中的通过截面。应当注意，为了补偿该修改，有必要：
-与在颈部34的第二端342处没有保持突片35的喇叭件相比，通过减小颈部34在轴向方向DA上的长度来增加声学隔室18的底壁180与颈部的第二端342之间的距离，芯12在轴向方向DA上的高度基于最大可用空间需求而固定，并且
-通过略微减小锥体部分33的第二端332处的其截面来适应喇叭件的几何形状，以在颈部34较短的情况下保持隔室18的调谐频率。
在变型中，喇叭件30和颈部34的形状可以适合于所保持的声学隔室18的形状。因此可以设想喇叭件的各种形状，比如圆筒形、矩形、正方形或卵形形状。
本发明尤其允许通过增加保持臂来确保机械强度和声学性能，从而使用于航空应用的锥形谐振器的概念产业化。

Claims (8)

1.一种声学吸收单元(18)，所述声学吸收单元包括在正交于轴向方向(DA)的平面中延伸的底壁(180)；包括固定到所述底壁(180)的第一轴向端(1850)的封壳(185)；以及声学喇叭件(30)，所述声学喇叭件在喇叭件(30)的第一开口(31)和喇叭件(30)的小于所述第一开口(31)的第二开口(32)之间在所述封壳(185)内部延伸，所述喇叭件(30)固定到所述封壳(185)的与所述第一轴向端(1850)相对的第二轴向端(1855)，并且所述喇叭件(30)的所述第一开口(31)和所述第二开口(32)各自在正交于所述轴向方向(DA)的平面中延伸，其特征在于，所述喇叭件(30)包括至少一个保持突片(35、35')，所述至少一个保持突片(35、35')在所述封壳(185)内部从所述喇叭件(30)突出，并固定到所述底壁(180)或所述封壳(185)。
2.根据权利要求1所述的声学吸收单元(18)，其特征在于，还包括多孔表面(16)，所述多孔表面固定到所述封壳(185)的所述第二轴向端(1855)并覆盖所述喇叭件(30)的所述第一开口(31)。
3.根据权利要求1或2所述的声学吸收单元(18)，其中，所述喇叭件(30)的所述第一开口(31)和所述第二开口(32)具有圆形或多边形形状。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的声学吸收单元(18)，其特征在于，所述封壳(185)和所述喇叭件(30)由浸渍有树脂的合成织物或铝箔制成，并且具有大约十分之一毫米的级别的厚度。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的声学吸收单元(18)，其特征在于，所述喇叭件包括管状颈部(34)和双曲线部分(33)，所述管状颈部具有对应于所述喇叭件(30)的所述第二开口(32)的截面，所述双曲线部分在所述第一开口(31)和所述颈部(34)之间延伸，所述颈部(34)包括至少两个保持臂(35)，所述至少两个保持臂(35)固定到所述颈部(34)的自由端(342)和所述声学单元(18)的所述底壁(180)，所述保持臂彼此间隔开以限定自由间隙。
6.一种声学处理面板(10)，所述声学处理面板旨在设置在飞行器的与流体流(F、FP、FS)接触的至少一个壁上，所述面板(10)包括多个根据权利要求1至5中一项所述的声学吸收单元(18)。
7.一种旨在安装在飞行器上的涡轮喷气发动机(1)，所述涡轮喷气发动机(1)包括至少一个根据权利要求6所述的声学处理面板(10)。
8.一种包括至少一个根据权利要求7所述的涡轮喷气发动机(1)的飞行器。
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