CN102597477B - 降噪面板和包括降噪面板的燃气涡轮机部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种降噪面板(20、21、22)，该降噪面板(20、21、22)包括第一壁(31)、第二壁(32)和分隔壁(33、34)，这些分隔壁(33、34)连接到第一壁(31)和第二壁(32)并在第一壁(31)和第二壁(32)之间限定多个单元(35、36、37)，其中，该第一壁(31)设有多个通孔(40)。所述多个单元(35、36、37)中的至少两个单元经由连通孔(38、39)互连。所述多个通孔(40)中的一个通孔通向所述至少两个互连单元中的第一单元(35)，并且，所述互连单元中的第二单元(37)被构造成防止任何气体流过该第二单元。

Description

降噪面板和包括降噪面板的燃气涡轮机部件
技术领域
本发明涉及一种降噪面板，其包括第一壁、第二壁和分隔壁，这些分隔壁连接到第一壁和第二壁并在第一壁和第二壁之间限定多个单元，其中，该第一壁设有多个通孔。本发明还涉及一种包括降噪面板的燃气涡轮机部件。
背景技术
该燃气涡轮机部件被构造成用于燃气涡轮发动机，尤其用在航空发动机内。因此，本发明尤其涉及喷气发动机。喷气发动机意味着包括以较低速度引入空气、通过燃烧来加热它并以较高速度喷出该空气的各种类型的发动机。例如，该术语“喷气发动机”包括涡轮喷气发动机和涡扇发动机。下面将针对涡扇发动机来描述本发明，但本发明当然也可用于其他类型的发动机。
所述降噪面板用于降低发动机和风扇在运行过程中的噪声。此外，上述分隔壁通常被设计为蜂窝的形式。蜂窝单元式结构的优点是：它在结构上很稳定。在某些情况中，该蜂窝材料的各个单元在与外部连通时起到了亥姆霍兹(Helmholtz)谐振器的作用。这提供了能够对一定频率范围内的噪声进行吸收的声学面板。
由于其良好的声音抑制特性，这种亥姆霍兹式的衬层(面板)已为人熟知。其阻抗可视为一种质量-弹簧-阻尼器***，其中，颈部内的空气用作该质量，本体内的一定体积的空气用作弹簧，并且，颈部内的(通孔)粘性力与非线性效应一起用作阻尼。这种类型的衬层的缺点在于：其谐振频率由颈部的横截面/深度比与本体的体积之间的比值来决定。这意味着：为了实现低频衬层，该颈部必须具有小的直径和大的深度，并且该本体的体积要大。
噪声主要在风扇和位于该风扇下游的出口导流叶片的布置结构之间产生。例如，已知的是，在形成风扇上游的空气入口的周向内壁中使用所述降噪面板。
该降噪面板的设计取决于航空发动机的类型和设计以及希望在某些运行中衰减噪声。例如，通常希望在起飞期间降低噪声。此外，一些现代航空发动机的一种效果是：在所述限定的运行期间产生了比先前更低频率的噪声。此外，希望在航空发动机中的更多位置处使用降噪面板。
发明内容
本发明的一个目的是实现一种具有最小深度要求的降噪面板，该降噪面板被构造成用于衰减低频离散噪声(tonalnoise)。
此目的通过权利要求1所述的降噪面板来实现。因此，实现了使所述多个单元中的至少两个单元通过连通孔互连，所述多个通孔中的一个通孔通向所述至少两个互连单元中的第一单元，并且，所述互连单元中的第二单元被构造成防止任何气体流过该第二单元。该连通孔优选设置在所述多个单元之间的分隔壁中。
因此，该面板被构造成允许气体经由所述通孔和所述连通孔流过第一单元。此外，所述第二单元是封闭的并且仅经由所述连通孔而与外界环境连通。换言之，所述第一壁的、限定了该第二单元的部分不具有通孔。
更具体地，所述第一壁的限定了该第二单元的部分和所述第二壁的限定了该第二单元的部分是连续的，由此形成了该第二单元的两个封闭的相反侧。此外，该第二单元仅通过所述互连单元中的与之相邻的单个单元、经由所述连通孔而与外部环境连通。所述连通孔优选布置在与所述相邻单元共有的分隔壁内。
这样，该面板起到了一系列亥姆霍兹谐振器的作用，其具有四分之一波长的理论谐振频率。这并非是完全的物理情况，因为存在着由于这些单元的弹簧-质量-阻尼器***而引起的谐振频率的小变动。这减缓了该***的反应，另外降低了谐振频率。
对于具有指定深度的单元结构来说，该面板的谐振频率将降低。更具体地，该面板的谐振频率取决于从所述通孔(入口孔)到这些互连单元的端部的有效距离。通过将多个单元串联地互连并将最后一个单元(所述第二单元)设计成防止任何气体流过该单元，对于具有指定深度的结构来说，谐振频率降低了。这种设计为以下情形创造了条件：即，设计出相对薄的面板，并因此将该面板用在诸如导流叶片中的、具有空间限制的位置。
换言之，该降噪面板一般由两个金属壁或合成壁或蒙皮以及由金属或合成蜂窝状材料制成的中央部分组成。
根据一优选实施例，所述分隔壁形成蜂窝结构。这样，实现了一种结构稳定的设计，这种设计为以下情形创造了条件：即，承受燃气涡轮发动机中的其限定位置处的压力状况。
根据另一优选实施，至少三个单元经由所述连通孔互连。这为以下情形创造了条件：即，实现在通向所述第一单元的入口孔(第一壁中的通孔)与该一系列互连单元中的最后一个单元(第二单元)内的端壁之间的更长距离。
根据上一实施例的一种扩展，该第一单元形成所述至少三个互连单元中的末端单元。这样，实现了通向该第一单元的入口孔(第一壁中的通孔)与该一系列互连单元中的最后一个单元(第二单元)内的端壁之间的更长距离。
根据前一实施例的另一种扩展，所述至少三个互连单元中的至少三个单元沿着一条直线布置。这种设计进一步为实现最小的谐振频率创造了条件。
根据前一实施例的另一种扩展，在所述至少三个互连单元中，仅所述第一单元在所述第一壁的与该第一单元相关的部分中设有通孔。这种设计进一步为以下情形创造了条件：即，实现在通向该第一单元的入口孔(第一壁中的通孔)与该一系列互连单元中的最后一个单元(第二单元)内的端壁之间的更长距离。
根据另一优选实施例，所述多个连通孔中的通向该第一单元的一个连通孔设置在该分隔壁的与第一壁相反的一端。这种设计进一步为以下情形创造了条件：即，实现在通向该第一单元的入口孔(第一壁中的通孔)与该一系列互连单元中的最后一个单元(第二单元)内的端壁之间的更长距离。
根据前一实施例的另一种扩展，所述多个连通孔中的一个连通孔在这些互连单元中的第二单元和中间单元之间设置在第一壁附近，该中间单元位于第一单元和第二单元之间。这种设计进一步为以下情形创造了条件：即，实现在通向该第一单元的入口孔(第一壁中的通孔)与该一系列互连单元中的最后一个单元内的端壁之间的更长距离。更具体地，该一系列单元中的第二连通孔与该系列中的第一连通孔沿对角线相对地布置。通过将这些连通孔定位得尽可能远地分开，压力信息传播的时间被最大化，因此谐振频率被最小化。此外，由于每个通道增加了损失，所以阻尼增加了。因此，这种连通孔的数量越多，则噪声被衰减得越大。因此，在至少两个相邻的分隔壁处存在所述连通孔，这意味着阻尼更强。
本发明的另一个目的是实现一种燃气涡轮发动机部件，该燃气涡轮发动机部件被构造成用于衰减低频噪声。
此目的通过权利要求13所述的燃气涡轮机部件来实现。因此，这通过包括如下的至少一个降噪面板的燃气涡轮机部件来实现，其中，该面板包括第一壁和分隔壁，这些分隔壁连接到第一壁并限定多个单元，其中，该第一壁设有多个通孔，其特征在于，所述多个单元中的至少两个单元经由连通孔互连，所述多个通孔中的一个通孔通向所述至少两个互连单元中的第一单元，并且，所述互连单元中的第二单元被构造成防止任何气体流过该第二单元。
在以下描述和所附权利要求中阐明了本发明的各个实施例的其他有利特征和功能。
附图说明
下面将参考附图所示的实施例来说明本发明，其中：
图1是沿着与发动机的旋转轴线平行的平面截取的、发动机的示意性侧视图，
图2是图1所示的发动机中的壳体部件的局部剖切透视图，
图3是图2中的部件的叶片的透视图，
图4是根据第一实施例的降噪面板的蜂窝结构的局部剖切透视图，
图5是图4的蜂窝结构的顶视图，示出了内部单元的连接，并且
图6是图4的蜂窝结构的一组三个互连单元的侧视截面图。
具体实施方式
下面将针对涡扇燃气涡轮航空发动机1来描述本发明，在图1中，关于发动机纵向中心线轴2绘出了该航空发动机。发动机1包括外壳或发动机舱3、内壳4和中间壳5，该中间壳5与所述外壳及内壳同心并将外壳及内壳之间的间隙分为内部主气体通道6和次级通道7，该内部主气体通道6用于空气的压缩，发动机旁通空气在该次级通道7中流动。上述这些壳又由发动机轴向方向上的多个部件制成。因此，每个气体通道6、7的与发动机纵向中心轴线2垂直的横截面为环形形状。
发动机1包括：接收环境空气9的风扇8；布置在主气体通道6内的增压器或低压压缩机(LPC)10以及高压压缩机(HPC)11；燃烧器12，该燃烧器12将燃料与被高压压缩机11加压的空气混合以生成燃气，该燃气向下游流过高压涡轮机(HPT)13和低压涡轮机(LPT)14，从所述低压涡轮机14排出到发动机之外。
高压轴将高压涡轮机13连结到高压压缩机11，以大致形成高压转子。低压轴将低压涡轮机14连结到低压压缩机10，以大致形成低压转子。低压轴17至少部分可旋转地与高压转子同轴布置且布置在高压转子的径向内侧。
燃气涡轮机部件15位于风扇8的下游。该部件15包括：内环23，该内环23形成了中间壳5的一部分；外环24，该外环24形成了外壳3的一部分；以及多个沿周向隔开的径向臂16，这些径向臂16分别刚性连接到上述内环和外环，参见图2。这些臂一般被称为支杆或出口导流叶片。这些支杆16是设计用于传递轴向和径向载荷的结构性零件，且它们可以是中空的以容纳维护部件。
第一降噪面板布置结构20位于限定了风扇8上游的空气入口的周向内壁内，参见图1。换言之，该降噪面板布置在限定了气体通道的环状部分的圆柱形表面处。根据第一实施例，第一降噪面板布置结构20包括多个沿周向隔开的单独面板(类似于图2中的面板布置结构21)。根据一替代方案，第一降噪面板布置结构20包括单个环形面板，该环形面板可以是连续或不连续的。
第二降噪面板布置结构21位于所述部件15的周向内壁内。根据第一实施例，第二降噪面板布置结构21包括位于相邻的支杆16之间的多个沿周向隔开的单独面板，参见图2。
第三降噪面板布置结构22位于所述径向臂16内。换言之，每个降噪面板22均布置在导流叶片处。根据第一实施例，第三降噪面板布置结构22包括用于每个支杆16的两个面板，参见图3。这两个面板布置在该支杆的两个相反侧。因此，根据图3所示的支杆的翼型设计，一个面板布置在该支杆的压力侧，另一个面板布置在该支杆的吸力侧。特别地，在导流叶片的应用中，这些面板22必须较浅，以对叶片的强度具有最小影响。
上述降噪面板20、21、22中的每一个均布置在所述部件的本体中的相应地成形的凹部内，使得该面板的顶表面布置成与相邻的燃气涡轮机部件表面齐平。面板20、21、22被构造成不承受任何载荷。此外，这些面板20、21、22可通过例如粘胶的任何紧固装置、通过例如螺栓连接的机械附接紧固件或以任何其他方式而附接到所述部件的本体。这些面板20、21内的点代表了通向各个面板内部的入口孔(通孔)，见下文所述。
下面将参考图4至图6来进一步描述所述面板的设计。图6示出了该面板的横截面，而图4和图5分别以透视图和顶视图示出了其蜂窝状结构。
现在参考图6，降噪面板22包括第一壁31、第二壁32和分隔壁33、34，该分隔壁33、34连接到所述第一壁和第二壁并在该第一壁和第二壁之间限定多个单元35、36、37。第一壁31构成了顶板，而第二壁32构成了底板。
第一壁31设有多个通孔40。第二壁32是连续的，由此形成所述多个单元的封闭侧。换言之，第二壁32没有通孔。第一壁31和第二壁32彼此平行。
分隔壁33、34垂直于第一壁31和第二壁32。更具体地，分隔壁33、34附接到所述第一壁和第二壁。所述多个单元35、36、37从第一壁31延伸到第二壁32。所述分隔壁33、34形成了蜂窝结构。因此，这些单元是具有六边形截面的棱柱。
面板22具有大致平的形状且优选是弯曲的，以匹配与其附接的所述部件的外表面的曲率。
所述多个单元35、36、37中的至少两个单元经由这些单元之间的分隔壁33、34中的连通孔38、39互连。第一连通孔38位于内部分隔壁33中，该分隔壁33被所述至少两个互连单元中的第一单元35和与之相邻的单元(中间单元)36所共用。第二连通孔39位于内部分隔壁34中，该分隔壁34被所述至少两个互连单元中的第二单元37和中间单元36所共用。
所述至少两个互连单元中的第一单元35在第一壁31的、与该第一单元35相关的部分中设有一个所述通孔40，从而允许气体经由所述通孔40和所述连通孔38流过第一单元35。从制造的角度来看，通孔40优选具有直径为D的圆形形状，且可以是冲出或切出的通孔。因此，第一单元35经由所述通孔40而与该面板外部的环境直接连通。
所述互连单元中的第二单元37构造成防止任何气体流过第二单元。因此，所述第二单元37是封闭的，并且仅经由贯穿该分隔壁34的所述连通孔39而与外界环境连通。因此，存在着从第二单元经过该连通孔的、沿相反方向的返回气流。换言之，所述互连单元中的第二单元37是封闭的，以避免与所述外部环境的任何直接连通，从而，该第二单元37仅经由所述互连单元中的与之相邻的单元36而与所述外部环境连通。
在上述燃气涡轮机部件中，每个降噪面板20、21、22均布置成：使得第一壁31的、位于与所述多个单元35、36、37相反的一侧的表面面向气体通道。因此，在运行期间，这些互连单元仅经由通向第一单元35的通孔40而与所述气体通道内的气体连通。此外，面板22布置成：使得第二壁32的、位于与所述多个单元35、36、37相反的一侧的表面面向所述部件的本体的外表面。
根据所示的实施例，三个相邻的单元35、36、37经由这些单元之间的分隔壁中的连通孔互连。使用串联的三个单元为第一壁31中的所述通孔的各向同性构造创造了条件。更具体地，该蜂窝结构被构造成使得它包括多个相互分开的单元组41、42、43(见图5)，每个单元组均包括一组所述的至少两个互连单元。这些单元组由连续的分隔壁分开。换言之，两个相邻的单元组中的两个单元具有共用的分隔壁。
第一单元35形成所述至少三个互连单元中的一个末端单元。第二单元37形成所述至少三个互连元中的另一个末端单元。中间单元36布置在第一单元35和第二单元37之间，其中，该中间单元36具有与第一单元35共用的一个分隔壁33以及与第二单元37共用的另一个分隔壁34。所述三个互连单元35、36、37沿着一条直线布置。优选地，每个单独的单元组内的所有单元均沿着一条直线布置。
根据所示的实施例，在所述至少三个互连单元中，仅第一单元35在第一壁31的、与该第一单元35相关的部分中设有通孔40。另外，所述多个连通孔中的一个连通孔38在分隔壁33的与第一壁31相反的一端设置在限定了第一单元35的分隔壁33内。优选地，连通孔38紧挨在第二壁32附近。这样，通孔40和连通孔38之间的距离被最大化。
另外，所述多个连通孔中的一个连通孔39在第二单元37和中间单元36之间的分隔壁34中设置在第一壁31附近。优选地，连通孔39紧挨在第一壁31附近。这样，第一连通孔38和第二连通孔39之间的距离被最大化。
连通孔38、39的尺寸使得各个单元不仅仅起到了亥姆霍兹谐振器的作用。替代地，连通孔38、39更类似于四分之一长度谐振器中的损失通道(losspassages)。优选地，连通孔38、39被设计用于降低谐振频率，同时维持四分之一波长谐振器的特性。
根据一个示例，与通孔40最靠近的连通孔38的尺寸明显大于另一连通孔39的尺寸，以使气体在所述通道处执行类似的有效工作。优选地，与通孔40最靠近的连通孔38的尺寸大约是另一连通孔39的尺寸的二倍。更具体地，在这些连通孔形成缝隙的的情况下，第一缝隙38的高度h1明显大于第二缝隙39的高度。优选地，第一缝隙38的高度h1大约是第二缝隙39的高度h2的二倍。更具体地，第一缝隙38的高度为h1，这大约是该面板的内部总高度H(第一壁31的内表面和第二壁32的内表面之间的距离)的20％。
从制造的角度来看，连通孔38、39优选由在各自的分隔壁中沿着其延伸方向延伸一大段距离的缝隙形成。优选地，这些缝隙沿着其相关的分隔壁的整个长度延伸，其中，这些分隔壁分别在与第一壁或第二壁相隔一定距离处结束。缝隙38、39可通过在将该蜂窝状结构分别附接到第一壁31和第二壁32之前、对各自分隔壁的一部分进行铣削来实现。
每个单元组41、42、43中的互连单元沿着一条直线布置，并且这些单元组布置成：使得不同单元组中的互连单元彼此平行地布置(参见图5)。此外，第一单元组41中的互连单元布置成相对于相邻的第二单元组42中的互连单元在与所述直线平行的方向上移位或偏移。这种构造进一步为所述第一壁中的通孔的各向同性构造创造了条件。
第一壁31优选被穿孔而具有所述通孔40。第一壁31的孔隙度大约为1％至10％，优选为3％至5％。该术语“孔隙度”定义了这些通孔的横截面积占所述第一壁的总横截面积的百分比。此外，通孔40各向同性地分布在第一壁31内。这样，面板22可沿任何方向布置在相关的燃气涡轮机部件上。换言之，这种降噪功能对噪声方向几乎不敏感。
互连单元35、36、37优选具有相同尺寸。特别地，对于互连单元35、36、37来说，该蜂窝状结构的在延伸方向上的宽度(w)是相同的，即图6中的W1＝W2＝W3。
本发明绝不局限于上述实施例，而是，在不偏离所附权利要求范围的情况下，可以做出多种变型和替代。例如，本发明不限于使这些单元形成蜂窝结构。而是，该蜂窝结构可由其他的蜂窝状结构代替，例如这些单元具有不同的多边形横截面形状的结构，例如四边形的横截面形状。
另外，这些单元组中的每个所述第一单元均可在所述第一壁的与其相关的部分中设有多个通孔。此外，这些通孔的形状可不同于所示的圆形形状。同样，单个分隔壁也可设有多个连通孔。另外，这些连通孔的形状也可不同于所示的缝隙状形状。
此外，根据一替代实施例，在第二单元的与第一壁相反的一侧封闭了该第二单元的表面由所述部件的本体的外表面形成。因此，根据此替代实施例，该面板不包括任何第二壁。而是，所述部件的本体的所述外表面具有封闭该第二单元(且优选封闭该蜂窝状结构中的所有单元)的功能。
此外，本发明当然不限于布置包括三个互连单元的单元组。而是在每个组中，可串联联接任意数量的单元。例如，每个单元组可包括两个或四个串联的单元。这些串联的单元的数量和单元的尺寸决定了谐振频率。另外，各个面板内的蜂窝状结构可包括具有不同数量的单元的单元组的组合。
此外，根据一替代方案或补充方案，所述多个连通孔中的至少一个连通孔可在第一壁和第二壁之一中设置在分隔壁的位置处。

Claims (19)

1.一种降噪面板(20、21、22)，其包括第一壁(31)、第二壁(32)和分隔壁(33、34)，所述分隔壁(33、34)连接到所述第一壁(31)和所述第二壁(32)并在所述第一壁(31)和所述第二壁(32)之间限定多个单元(35、36、37)，
其中，每个单元均具有与所述第一壁和所述第二壁都相连的至少一个分隔壁，
其中，所述第一壁(31)设有多个通孔(40)，
其中，所述多个单元(35、36、37)中的至少两个单元经由连通孔(38、39)互连，
其中，所述多个通孔(40)中的一个通孔(40)通向所述至少两个互连单元中的第一单元(35)，并且
其中，所述互连单元中的第二单元(37)被构造成防止任何气体流过所述第二单元。
2.根据权利要求1所述的降噪面板，其中，所述分隔壁(33、34)形成蜂窝结构。
3.根据权利要求1或2所述的降噪面板，其中，至少三个单元(35、36、37)经由多个连通孔(38、39)互连。
4.根据权利要求3所述的降噪面板，其中，所述第一单元(35)形成所述至少三个互连单元中的末端单元。
5.根据权利要求3所述的降噪面板，其中，所述至少三个互连单元中的至少三个单元(35、36、37)沿着一条直线布置。
6.根据权利要求3所述的降噪面板，其中，在所述至少三个互连单元中，仅所述第一单元(35)在所述第一壁的、与所述第一单元(35)相关的部分中设有所述通孔(40)。
7.根据权利要求3所述的降噪面板，其中，所述多个连通孔中的通向所述第一单元的一个连通孔(38)设置在所述分隔壁的与所述第一壁(31)相反的一端。
8.根据权利要求3所述的降噪面板，其中，所述多个连通孔中的一个连通孔(39)在所述互连单元中的第二单元(37)和中间单元(36)之间设置在所述第一壁(31)附近，所述中间单元(36)位于所述第一单元和所述第二单元之间。
9.根据权利要求1或2所述的降噪面板，其中，所述多个通孔(40)各向同性地分布在所述第一壁(31)中。
10.根据权利要求1或2所述的降噪面板，其中，所述第二壁(32)是连续的，由此形成所述多个单元的封闭侧。
11.一种燃气涡轮发动机部件，其特征在于，所述燃气涡轮发动机部件包括至少一个根据前述权利要求中的任一项所述的降噪面板(20、21、22)，并且，所述降噪面板布置成：使得所述第一壁(31)的、位于与所述多个单元相反的一侧的表面面向气体通道。
12.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机部件，其中，所述面板(20、21、22)布置成：使得所述第二壁(32)的、位于与所述多个单元相反的一侧的表面面向所述部件的本体的外表面。
13.根据权利要求11至12中的任一项所述的燃气涡轮发动机部件，其中，所述降噪面板(21、22)布置在所述部件的本体中的相应地成形的凹部内，使得所述第一壁(31)的、位于与所述多个单元相反的一侧的表面布置成与相邻的燃气涡轮机部件表面齐平。
14.根据权利要求11至12中的任一项所述的燃气涡轮发动机部件，其中，所述降噪面板(21)布置在导流叶片(16)处。
15.根据权利要求11至12中的任一项所述的燃气涡轮发动机部件，其中，所述降噪面板(21)布置在限定了所述气体通道的环形部分(24)的圆柱形表面处。
16.一种燃气涡轮发动机部件(15)，其包括至少一个降噪面板(21、22)，其中，所述面板包括第一壁(31)和分隔壁(33、34)，所述分隔壁(33、34)连接到所述第一壁并限定多个单元(35、36、37)，其中，所述第一壁(31)设有多个通孔(40)，其特征在于，所述多个单元中的至少两个单元经由连通孔(38、39)互连，所述多个通孔(40)中的一个通孔(40)通向所述至少两个互连单元中的第一单元(35)，并且，所述互连单元中的第二单元(37)被构造成防止任何气体流过所述第二单元。
17.根据权利要求16所述的燃气涡轮发动机部件，其中，所述降噪面板(21、22)布置在所述部件的本体中的相应地成形的凹部内，使得所述第一壁(31)的、位于与所述多个单元相反的一侧的表面布置成与相邻的燃气涡轮机部件表面齐平。
18.根据权利要求16至17中的任一项所述的燃气涡轮发动机部件，其中，所述降噪面板(21)布置在导流叶片(16)处。
19.根据权利要求16至17中的任一项所述的燃气涡轮发动机部件，其中，所述降噪面板(21)布置在限定了气体通道的环形部分(24)的圆柱形表面处。
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