KR20060110744A - 음향 댐퍼 - Google Patents

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KR20060110744A
KR20060110744A KR1020060013913A KR20060013913A KR20060110744A KR 20060110744 A KR20060110744 A KR 20060110744A KR 1020060013913 A KR1020060013913 A KR 1020060013913A KR 20060013913 A KR20060013913 A KR 20060013913A KR 20060110744 A KR20060110744 A KR 20060110744A
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마크 에드워드 보르자
개빈 줄리안 헨드릭스
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유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

엔진 내에서의 사용을 위한 음향 공명기가 제공된다. 음향 공명기는 체적을 갖는 공동, 개구, 그리고 개구와 공동을 연결하는 통로를 포함한다. 개구는 통로로 유입되는 유체의 분리를 지연시키기 위한 그리고 유체 분리에 의해 야기되는 손실을 감소시키기 위한 프로파일된 면을 갖는다.
헬름홀쯔 공명기, 항공기, 엔진, 유체 분리 지연, 프로파일된 면, 만곡된 면

Description

음향 댐퍼{ACOUSTIC DAMPERS}
도1은 종래의 헬름홀쯔 공명기를 도시한다.
도2는 종래의 헬름홀쯔 공명기에서의 스치는 유동의 효과를 도시한다.
도3은 본 발명에 따른 개구를 갖는 공명기를 도시한다.
도4는 기준선 공명기 성능을 도시한다.
도5는 본 발명에 따른 프로파일된(profiled) 개구를 갖는 공명기의 성능을 도시한다.
도6은 본 발명의 공명기가 사용될 수 있는 엔진의 증강장치 부분의 일부를 도시한다.
도7은 엔진의 증강장치 부분 내의 공명기의 확대도이다.
도8은 엔진 팬 입구와 나셀 입구 내에 구비된 본 발명에 따른 공명기의 개략 도이다.
도9는 로켓 엔진과 함께 사용되는 본 발명에 따른 공명기의 개략도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
공명기 : 10 , 20 개구: 12, 24
공동 : 14, 22 통로 : 16, 26
입구부 : 34
본 발명은 항공기 엔진 용도에서 사용되는 개선된 음향 댐퍼에 관련된다.
도1에 도시된 바와 같은 헬름홀쯔 공명기(10)는 음향 에너지를 분산시키기 위하여 통상 사용되는 장치이다. 공명기(10)는 통상 개구(12)와, 둘러싸인 체적 또는 공동(14), 그리고 개구(12)를 체적(14)에 연결하는 통로 또는 튜브(16)를 포함한다.
공명기는 가스 터빈 엔진의 증강장치 부분에 사용되어 스크리치(screech)라고 알려진 열-음향적 불안정성을 억제한다. 억제되지 않는다면, 스크리치는 증강장치 부분에 구조적인 손상을 야기할 수 있는 가능성이 있다. 헬름홀쯔 공명기는 열-음향적 불안정성 억제를 위하여 로켓 엔진 내에서와 소음 억제를 위하여 항공기 나셀(nacelle) 입구와 팬 덕트에서 또한 사용된다. 최대 음향 분산은 헬름홀쯔 공명기의 공진 주파수에서 일어나며, 이것은 공명기의 기하학적 인자 즉, 개구 면적, 통로 길이, 공동 체적에 의해 결정된다. 공명기의 공진 주파수는 기하학적 인자들을 변화시킴으로써 조정될 수 있다. 공명기의 성능, 즉 공명기가 제공하는 음향 억제의 정도는 공명기의 기하학적 인자와 작업 유체가 개구를 통해 체적으로 유입되는 경우에 직면하는 유동 저항(또는 전체 압력 손실)에 의해 결정된다.
공명기 외부의 유체가 개구를 스치는 평균 유동을 갖지 않는 적용예에서, 주요 손실 성분은 개구에서의 마찰 손실과, 유체가 체적으로 유입함에 따라 유체에 의해 직면되는 배출 손실(dump loss)이다. 도2에 도시되는 바와 같이, 외부 유체가 개구(12)를 스치는 평균 유동을 갖는 적용예에서 개구(12)를 통한 유동 저항은 현저히 증가하여 공명기의 성능을 손상시킨다. 공명기의 성능은 스치는 유동(grazing flow)의 마하수가 증가함에 따라 저하된다. 스치는 유동의 마하수를 갖는 공진 성능의 저하의 원인은 도2에 도시된 바와 같이 개구의 선단 에지(19)로부터 유동(18)이 분리되어 유동 저항을 증가시키는 점이다. 공명기(10)로 유입되는 공기의 양은 재순환 구역(17)의 크기에 의해 제한된다. 재순환 구역(17)은 유체가 공명기(10)로 관통하여 유입될 수 있는 가능한 개구 단면의 크기를 감소시킨다.
따라서, 개선된 성능을 갖는 공명기를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
전술한 목적은 본 발명의 공명기에 의해 달성된다.
본 발명에 따라, 엔진 내에서 사용하기 위한 공명기가 제공된다. 공명기는 대체로 체적을 갖는 공동, 개구, 그리고 개구와 공동을 연결하는 통로를 포함한다. 개구는 상기 통로로 유입하는 유체의 분리를 지연시키기 위한 그리고 유체 분리에 의해 야기되는 손실을 감소시키기 위한 수단을 갖는다. 양호한 실시예에서 유체 분리 지연 및 손실 감소 수단은 상기 개구 상에 둥글게 된 입구를 포함한다.
본 발명에 따른 음향 댐퍼의 다른 세부사항뿐만 아니라 또다른 목적과 거기에 부수하는 장점들은 후술하는 상세한 설명과 유사한 도면 부호는 유사한 구성요소를 설명하는 첨부되는 도면에 기재되어 있다.
도면을 참조하면, 도3은 본 발명에 따른 공명기(20)를 도시한다. 공명기(20)는 체적을 형성하는 공동(22), 개구(24), 그리고 개구(24)와 공동(22)을 연결하는 통로(26)를 갖는다. 통로(26)는 후면(30)과 양호하게는 직각을 형성하는 후벽(28)을 갖는다. 통로 벽(28 및 29)은 선형일 수 있거나 곡률을 가질 수 있다.
통로(26)로 유입하는 유체의 분리를 지연시키기 위하여, 개구(24)의 선단 에지(32)는 프로파일되거나 또는 만곡된 입구부(34)를 갖는다. 프로파일되거나 만곡된 입구부(34)를 제공함으로써, 형성되는 재순환 구역의 크기는 감소되며 제한된다. 결과적으로, 더 많은 유체가 개구(24)와 통로(26)를 통해 공명기(20)에 유입될 수 있으며, 따라서 음향 에너지를 감쇠시키기 위한 공명기(20)의 능력을 개선한다.
도3에 도시되는 바와 같이, 만곡된 입구부(34)는 표면(40) 상의 지점(38)으로부터 통로(26) 내의 대략 중간쯤의 지점(42)까지 연장된다. 지점(38)은 유동이 상류 벽(32)으로부터 분리되지 않도록 표면(40) 상에 충분히 뒤에 있어야만 한다.
프로파일된 또는 만곡된 입구부(34)에 의해 공명기의 성능이 두 배가 될 수 있다는 것을 발견했다. 이것은 도4에 도시된 기본선 공명기(baseline resonator) 성능에 비교되는 도5에 도시된 공명기 성능에 의해 나타내진다.
도6 및 도7을 참조하면, 엔진(52)의 증강장치 부분(50)이 도시된다. 엔진(52)은 이 기술분야에서 공지된 임의의 적합한 가스 터빈 엔진을 포함할 수 있다. 공명기(20)는 내부 지름 패널(57)이 연결되는 터빈 배기 케이스 박스(56) 아래에 테일 콘(tail cone) 구조(54) 내에 위치될 수 있다.
본 발명의 공명기 설계는 상당히 유리하다. 성능 개선은 상세 설계에 비용 증가가 거의 없으면서 감소된 갯수의 공명기를 필요로 하므로, 실제적으로 중량과 비용 절감을 가져온다.
본 발명의 공명기(20)의 설계는 임의의 이동하는 유동 분야에 사용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 도8에 도시된 것과 같이, 하나 이상의 공명기(20)가 엔진의 팬 입구(58) 내로 합체될 수 있을 것이다. 하나 이상의 공명기(20)가, 도8에 도시된 것과 같이, 팬 입구 내의 공명기에 부가적으로 또는 대신해서 나셀 입구(60)에 합체될 수 있을 것이다. 또한, 도9에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 공명기(20)가 로켓 배기 노즐(62) 내에 합체될 수 있다.
프로파일되거나 만곡된 입구부를 제공함으로써, 형성되는 재순환 구역의 크기는 감소되며 제한된다. 결과적으로, 더 많은 유체가 개구와 통로를 통해 공명기에 유입될 수 있으며, 따라서 음향 에너지를 감쇠시키기 위한 공명기의 능력을 개선한다.

Claims (14)

  1. 체적을 갖는 공동, 개구 그리고 개구와 공동을 연결하는 통로를 포함하는 공명기이며,
    상기 개구는 상기 통로로 유입되는 유체의 분리를 지연시키기 위한 그리고 유체 분리에 의해 야기되는 손실을 감소시키기 위한 수단을 갖는 공명기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 개구는 선단 에지를 가지며 상기 분리 지연 수단은 평면이 아닌 면에 의해 형성된 상기 선단 에지를 포함하는 공명기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 평면이 아닌 면은 둥글게 된 에지에 의해 형성되는 공명기.
  4. 제2항에 있어서, 상기 개구는 후단 에지를 갖는 공명기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 후단 에지는 제2 평면과 교차하는 제1 평면에 의해 형성되는 공명기.
  6. 제3항에 있어서, 상기 둥글게 된 에지는 유동이 상기 면으로부터 분리되지 않을만큼 충분히 뒤에 있는 지점에서 시작하는 공명기.
  7. 일 부분에 합체되는 공명기를 포함하는 엔진이며,
    상기 공명기는 체적을 갖는 공동, 개구 그리고 개구와 공동을 연결하는 통로를 포함하며, 상기 개구는 상기 통로로 유입하는 유체의 분리를 지연시키기 위한 그리고 유체 분리에 의해 야기되는 손실을 감소시키기 위한 수단을 갖는 엔진.
  8. 제7항에 있어서, 상기 개구는 선단 에지를 가지며 상기 분리 지연 수단은 평면이 아닌 면에 의해 형성된 상기 선단 에지를 포함하는 엔진.
  9. 제8항에 있어서, 상기 평면이 아닌 면은 둥글게 된 에지에 의해 형성되는 엔진.
  10. 제8항에 있어서, 상기 개구는 후단 에지를 갖는 엔진.
  11. 제10항에 있어서, 상기 후단 에지는 제2 평면과 교차하는 제1 평면에 의해 형성되는 엔진.
  12. 제7항에 있어서, 상기 부분은 팬 입구를 포함하는 엔진.
  13. 제7항에 있어서, 상기 부분은 나셀(nacelle) 입구를 포함하는 엔진.
  14. 제7항에 있어서, 상기 부분은 로켓 엔진 노즐의 일 부분을 포함하는 엔진.
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