ES2623388T3 - Turboeje que incluye un cono de guía de los gases de escape con un atenuador sonoro - Google Patents

Turboeje que incluye un cono de guía de los gases de escape con un atenuador sonoro Download PDF

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Abstract

Turboeje de gas (1), por el que circulan gases de aguas arriba a aguas abajo, que comprende una cámara de combustión (3), una turbina de alta presión (4) dispuesta aguas abajo de la cámara de combustión (3), establecida para recibir gases de combustión procedentes de dicha cámara de combustión (3), una turbina libre y un cono de guía (7, 8, 9, 10) de los gases de escape fijado a dicha turbina libre (4), aguas abajo de esta última, emitiendo el turboeje ondas sonoras a lo largo de su funcionamiento, turboeje caracterizado por el hecho de que el cono de guía (7, 8, 9, 10) comprende una cavidad interior de resonancia (71; 81, 81'; 91, 91'; 101, 101', 101'') por donde se extiende un cuello (75; 85, 85'; 95, 95'; 105, 105', 105'') establecido para poner la cavidad de resonancia (71; 81, 81'; 91, 91'; 101, 101', 101'') del cono de guía (7, 8, 9, 10) en comunicación con el exterior del cono de guía (7, 8, 9, 10) para determinar un atenuador sonoro (7, 8, 9, 10) que presenta una estructura de resonador de Helmholtz, establecido para atenuar las ondas sonoras emitidas por el turboeje.

Description

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DESCRIPCION
Turboeje que incluye un cono de gula de los gases de escape con un atenuador sonoro
La invention se refiere al campo de los turboejes de gas de turbina libre y, mas en particular, a la atenuacion del ruido generado por un motor de helicoptero.
En adelante, se definen los terminos “aguas arriba” y “aguas abajo” en funcion del sentido de circulation de los gases en el motor de helicoptero, circulando los gases en dicho motor de aguas arriba hacia aguas abajo.
Un motor de helicoptero, en particular un turboeje tal como se representa en la figura 1, comprende, segun es convencional, de aguas arriba a aguas abajo, un compresor 2, una camara de combustion anular 3, una turbina de alta presion y una turbina libre axial 4, que recupera la energla de la combustion para impulsar las superficies estabilizadoras del helicoptero, siendo descargados del motor los gases de escape procedentes de la combustion por una tobera de escape 5 arbitrada aguas abajo de la turbina libre 4.
La turbina libre 4 se remata por su extremo aguas abajo en una pieza troncoconica axial 6 y una tobera, cumpliendo el conjunto una funcion de gula de la corriente de gases de escape con el fin de brindar un flujo aerodinamico de la corriente a la salida de la turbina libre 4.
A lo largo de su funcionamiento, un motor de helicoptero genera ondas sonoras que determinan el ruido del motor. El ruido del motor es una componente significativa de la emision sonora total de un helicoptero. Con objeto de disminuir el ruido de un helicoptero, se pretende disminuir el ruido propio del motor.
Las ondas sonoras, emitidas por el motor en la parte aguas abajo, son generadas principalmente en la combustion y en el giro de las turbinas. Las ondas sonoras tienen frecuencias diferentes, comprendidas dentro del margen audible que va de 20 Hz a 20 kHz. Las ondas sonoras de bajas frecuencias, es decir, inferiores a 400 Hz, participan de manera significativa en el ruido del motor de helicoptero.
Son ya conocidos sistemas “antirruido” que permiten atenuar las ondas sonoras emitidas por el motor. Un sistema antirruido segun la tecnica anterior generalmente se materializa en forma de un modulo externo montado aguas abajo del motor. Aparte del considerable espacio que ocupa, tal sistema antirruido presenta el inconveniente de hallarse distante de la fuente de ruido.
Se desea integrar el sistema antirruido directamente en el motor con el fin de aumentar la competitividad como tal en cuanto a ruido. Sin embargo, tal integration presenta abundantes dificultades tecnicas, dado que los elementos del motor estan sometidos a acusadas tensiones, tanto mecanicas como termicas. La integracion de un sistema antirruido en un motor de helicoptero representa un autentico desaflo tecnologico.
A tal efecto, la invencion se refiere a un turboeje de gas, por el que circulan gases de aguas arriba a aguas abajo, que comprende una camara de combustion, una turbina de alta presion, una turbina libre dispuesta aguas abajo de la turbina de alta presion, establecida para recibir gases de combustion procedentes de dicha camara de combustion, y un cono de gula de los gases de escape fijado a dicha turbina libre, aguas abajo de esta ultima, emitiendo el turboeje ondas sonoras a lo largo de su funcionamiento, turboeje caracterizado por el hecho de que el cono de gula comprende un atenuador sonoro establecido para atenuar las ondas sonoras emitidas por el turboeje.
El cono de gula cumple simultaneamente una funcion de gula de los gases de escape y una funcion de atenuacion de las ondas sonoras emitidas por el motor, permitiendo conseguir un motor eficiente, menos ruidoso, al propio tiempo que conserva una reducida ocupacion de espacio y una masa aceptable.
De acuerdo con una realization preferida de la invencion, el atenuador sonoro presenta una estructura de resonador de Helmholtz.
Tal resonador se puede realizar sacando provecho de la estructura del cono de gula, sin modificaciones complejas ni alteraciones de las prestaciones de guiado de la corriente de gases de escape.
Adicionalmente, un resonador de Helmholtz resulta particularmente adecuado para atenuar las bajas frecuencias, lo cual es muy ventajoso en el presente caso, debido a que las ondas sonoras de bajas frecuencias participan de manera significativa en la formation del ruido. Por otro lado, el resonador de Helmholtz se ubica proximo a las fuentes de ruido, lo cual permite atenuar las ondas sonoras “en origen”, evitando su propagation.
Preferentemente, el cono de gula comprende una cavidad interior de resonancia por la que se extiende un cuello establecido para poner la cavidad de resonancia del cono de gula en comunicacion con el exterior del cono de gula.
Tambien preferentemente, la longitud del cuello, el volumen de la cavidad de resonancia y la section del cuello estan adaptados de manera que la cavidad de resonancia del cono de gula resuene a una frecuencia de resonancia f predeterminada, preferentemente inferior a 400 Hz.
El resonador es parametrizable con el fin de que su frecuencia de resonancia se corresponda perfectamente con la
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frecuencia de las ondas sonoras que han de atenuarse.
De acuerdo con un modo de realizacion particular de la invencion, el cono de gula comprende un tabique divisorio interior establecido para limitar el volumen de la cavidad de resonancia y favorecer esta sintonizacion en frecuencia.
De acuerdo con otro modo de realizacion de la invencion, el cono de gula comprende al menos un tabique divisorio interior establecido para compartimentar el volumen interior total del cono de gula en al menos una primera cavidad de resonancia y una segunda cavidad de resonancia que, respectivamente, tienen una primera frecuencia de resonancia f1 y una segunda frecuencia de resonancia f2.
Preferentemente, las frecuencias de resonancia primera y segunda f1, f2 son diferentes e inferiores a 400 Hz.
Este tratamiento difiere de un tratamiento acustico en el interior del cuerpo central de una tobera de turborreactor tal y como se describe en la solicitud de patente FR-A-2.898.940 a favor de Snecma. Segun el tratamiento descrito en esta solicitud de patente, el cuerpo central incluye una cavidad unica de resonancia que, mediante una pluralidad de orificios a lo largo de la pared, comunica con la vena de gas anular guiado dentro de la tobera.
La invencion se comprendera mas facilmente con la ayuda del adjunto dibujo, en el que:
la figura 1 representa una vista en seccion axial de un turboeje de helicoptero segun la tecnica anterior;
la figura 2A representa una vista en seccion axial de un primer modo de realizacion de un cono de gula segun la invencion,
la figura 2B representa una vista en seccion axial de un segundo modo de realizacion de un cono de gula segun la invencion,
la figura 2C representa una vista en seccion axial de un tercer modo de realizacion de un cono de gula segun la invencion, y
la figura 2D representa una vista en seccion transversal de otro ejemplo de realizacion de un cono de gula segun la invencion.
Un turboeje de helicoptero 1 comprende, de aguas arriba a aguas abajo, un compresor 2, una camara de combustion anular 3 y una turbina libre axial 4, que recupera la energla de la combustion para impulsar las superficies estabilizadoras del helicoptero, en particular, las palas de rotores. Los gases de escape procedentes de la combustion se descargan del motor por una tobera de escape circunferencial 5, arbitrada aguas abajo de la turbina libre 4.
La turbina libre 4 se remata por su extremo aguas abajo en una pieza troncoconica axial hueca. Esta pieza cumple, con la tobera, una funcion de gula de la corriente de gases de escape, con el fin de brindar un flujo aerodinamico sano de la corriente, sin crear turbulencias a la salida de la turbina libre.
En un primer modo de realizacion de la invencion, con referencia a la figura 2A, la pieza troncoconica axial hueca o cono de gula 7 se materializa en forma de una concha de revolution, que comprende una pared transversal aguas arriba 72 con forma de disco y una pared transversal aguas abajo 74, que se materializa en forma de una portion, concava en este caso, pero que puede ser convexa o plana, relacionada, mediante una superficie lateral 73 troncoconica, con la pared transversal aguas arriba 72.
La pieza troncoconica axial hueca 7 delimita, en este primer modo de realizacion, una unica cavidad interior 71, llamada cavidad de resonancia 71, por donde se extiende un cuello de resonancia 75, uno de cuyos extremos aboca en la cavidad de resonancia 71 y cuyo otro extremo aboca, por un orificio 76, en la superficie lateral 73 del cono 7. En este modo de realizacion, el cuello de resonancia 75 se materializa en forma de un cilindro recto de seccion circular, aunque es obvio que tambien podrla ser adecuada una seccion rectangular u oval, estando adaptada la superficie de la seccion con el fin de que la pieza troncoconica axial 7 determine un resonador de Helmholtz establecido para atenuar las ondas sonoras procedentes del motor.
En efecto, la pieza troncoconica axial 7 constituye un sistema antirruido, llamado de “masa-resorte”, que permite atenuar acusadamente las ondas sonoras que tienen una frecuencia de resonancia dada. Dependiendo del volumen de la cavidad, de la longitud del cuello dentro de la cavidad y de la seccion del cuello, es posible parametrizar la frecuencia de resonancia del resonador determinado por la pieza troncoconica axial 7. De este modo, de manera ventajosa, las ondas sonoras, emitidas por el motor y cuya frecuencia es cercana a la del resonador, son atenuadas por la pieza troncoconica axial 7, lo cual disminuye el ruido del motor.
Preferentemente, la pieza troncoconica axial 7 resulta particularmente adecuada para atenuar las ondas de bajas frecuencias, es decir, inferiores a 400 Hz. Esto es muy ventajoso, ya que las ondas de frecuencias bajas son las que contribuyen principalmente en el ruido del motor.
Toda vez que el resonador esta integrado en el motor, las ondas sonoras son atenuadas en el origen de su emision,
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evitando as! una propagacion de las ondas sonoras.
En un segundo modo de realizacion de la invencion, con referencia a la figura 2B, la pieza troncoconica axial o cono de gula 8 esta compartimentada, delimitando un tabique divisorio interior 87 una primera cavidad de resonancia 81 y una segunda cavidad de resonancia 81', siendo el tabique 87, en este ejemplo de realizacion, sensiblemente perpendicular a un plano transversal.
Esta division se puede realizar en orden a obtener dos cavidades longitudinales, pero tambien, tal como se ilustra en la figura 2B, merced a un tabique ubicado paralelamente al eje. En efecto, solo el volumen de cada cavidad as! determinada contribuye a pilotar la frecuencia de sintonizacion acustica: la forma del tabicado viene dictada por tensiones mecanicas, ateniendose los volumenes de cada cavidad a los objetivos acusticos.
Siempre refiriendonos a la figura 2B, un primer cuello de resonancia 85, uno de cuyos extremos aboca en el interior de la primera la cavidad de resonancia 81 y cuyo otro extremo aboca, por un orificio 86, en la superficie lateral 83 del cono 8, se extiende en la primera cavidad de resonancia 81. De manera similar, un segundo cuello de resonancia 85', uno de cuyos extremos aboca en el interior de la segunda cavidad de resonancia 81 y cuyo otro extremo aboca, por un orificio 86', en la superficie lateral 83 del cono 8, se extiende en la segunda cavidad de resonancia 81'.
Tal como se representa en la figura 2B, los volumenes de las cavidades de resonancia 81, 81', las longitudes y las secciones de los cuellos 85, 85' son, en este caso, diferentes, de manera que cada compartimento del cono 8 determine un resonador de Helmholtz, cada uno de los cuales tiene una frecuencia de resonancia propia.
En este ejemplo, la pieza troncoconica axial 8 posee dos frecuencias de resonancia f1 y f2 de valores cercanos, con el fin de atenuar las ondas sonoras en una banda de paso de anchura comprendida entre f y f2. A tltulo de ejemplo, el cono de gula permite atenuar frecuencias comprendidas entre 250 Hz y 350 Hz.
Es obvio que las frecuencias de resonancia f y f2 se pueden elegir igualmente para corresponderse con las frecuencias mas crlticas del espectro frecuencial del ruido del motor. De este modo, son atenuadas directamente por la pieza troncoconica axial 8 las ondas que contribuyen significativamente al ruido del motor.
Ventajosamente, las frecuencias de resonancia f1 y f2 de la pieza troncoconica axial hueca 8 son parametrizables modificando la posicion del tabique 87 y/o modificando la longitud y la seccion del cuello 85, 85' en cada una de las cavidades de resonancia 81, 81'.
La pieza troncoconica axial hueca 8, de manera simultanea, permite guiar la corriente de gases de escape a la salida de la turbina libre, al propio tiempo que determina un resonador de Helmholtz que tiene varias frecuencias parametrizables. Tal resonador presenta la ventaja de estar integrado por completo en el motor, sin aumento de la ocupacion de espacio.
Con referencia a la figura 2C, que representa un tercer modo de realizacion de la invencion, se modifica la pieza troncoconica axial hueca o cono de gula 9 con el fin de aumentar el volumen de conjunto del cono de gula 9. Esto permite disminuir la frecuencia de resonancia del resonador, conservando al propio tiempo una correcta calidad de atenuacion. En efecto, las frecuencias de resonancia del cono de gula 9 son inversamente proporcionales a aquellas ligadas al volumen de las cavidades de resonancia segun quedan limitadas por el tabique divisorio interior 97.
Una pieza troncoconica 9 de mayor volumen permite aumentar el margen de parametrizacion de la frecuencia, o de las frecuencias, de resonancia del resonador.
La modificacion del volumen del cono no presenta inconvenientes, por el hecho de que el cono tan solo cumple una funcion de gula de la corriente de gases de escape.
Aunque se han descrito piezas troncoconicas axiales que incluyen de uno a dos compartimentos, es obvio que una pieza troncoconica axial o cono segun la invencion podrla comprender mas de dos compartimentos, con el fin de que el resonador comprenda mas de dos frecuencias de resonancia.
Tal como se representa en la figura 2C, la pared transversal aguas abajo de la pieza troncoconica axial 9 puede ser convexa, resultando la forma del cono de un compromiso entre su masa, sus prestaciones de guiado y sus prestaciones de atenuacion sonora.
Otro ejemplo de realizacion esta mostrado en la figura 2D, que representa la vista en direccion axial de una variante de realizacion. El volumen interior del cono de gula 10 esta subdividido en tres compartimentos por unos tabiques divisorios longitudinales 107, 107' y 107'' dispuestos radialmente en Y. Unos cuellos de resonancia 105, 105' y 105'' estan adaptados para determinar las cavidades de resonancia 101, 101' y 101'' asociadas a los compartimentos.

Claims (7)

  1. 5
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    25
    REIVINDICACIONES
    1. Turboeje de gas (1), por el que circulan gases de aguas arriba a aguas abajo, que comprende una camara de combustion (3), una turbina de alta presion (4) dispuesta aguas abajo de la camara de combustion (3), establecida para recibir gases de combustion procedentes de dicha camara de combustion (3), una turbina libre y un cono de gula (7, 8, 9, 10) de los gases de escape fijado a dicha turbina libre (4), aguas abajo de esta ultima, emitiendo el turboeje ondas sonoras a lo largo de su funcionamiento, turboeje caracterizado por el hecho de que el cono de gula (7, 8, 9, 10) comprende una cavidad interior de resonancia (71; 81, 81'; 91, 91'; 101, 101', 101'') por donde se extiende un cuello (75; 85, 85'; 95, 95'; 105, 105', 105'') establecido para poner la cavidad de resonancia (71; 81, 81'; 91, 91'; 101, 101', 101'') del cono de gula (7, 8, 9, 10) en comunicacion con el exterior del cono de gula (7, 8, 9, 10) para determinar un atenuador sonoro (7, 8, 9, 10) que presenta una estructura de resonador de Helmholtz, establecido para atenuar las ondas sonoras emitidas por el turboeje.
  2. 2. Turboeje segun la reivindicacion 1, en el que la longitud del cuello (75, 85, 85', 95, 95'; 105, 105', 105''), el volumen de la cavidad de resonancia (71, 81, 81', 91, 91'; 101, 101', 101'') y la seccion del cuello (75, 85, 85', 95, 95'; 105, 105', 105'') estan adaptados de manera que la cavidad de resonancia (71, 81, 81', 91, 91'; 101, 101', 101'') del cono de gula (7, 8, 9, 10) resuene a una frecuencia de resonancia f predeterminada.
  3. 3. Turboeje segun la reivindicacion 2, en el que la frecuencia de resonancia f es inferior a 400 Hz.
  4. 4. Turboeje segun una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el cono de gula (7, 8, 9, 10) comprende un tabique divisorio interior (87, 97; 107, 107', 107'') establecido para limitar el volumen de la cavidad de resonancia (71, 81, 81', 91, 91'; 101, 101', 101'').
  5. 5. Turboeje segun la reivindicacion 1 a 4, en el que el cono de gula (7, 8, 9) comprende un tabique divisorio
    interior (87, 97) establecido para compartimentar el volumen total interior del cono de gula (7, 8, 9) en al menos una
    primera cavidad de resonancia (81, 91) y una segunda cavidad de resonancia (81', 91') que, respectivamente, tienen una primera frecuencia de resonancia f1 y una segunda frecuencia de resonancia f2.
  6. 6. Turboeje segun la reivindicacion 5, en el que las frecuencias de resonancia primera y segunda f1, f2 son diferentes e inferiores a 400 Hz.
  7. 7. Turboeje segun la reivindicacion 5, cuyo cono de gula comprende mas de dos tabiques divisorios.
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