CN107664069A - 衬垫组件、发动机壳体及其组装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及衬垫组件、发动机壳体及其组装方法。所述衬垫组件包括芯部和联接到所述芯部的隔膜。所述衬垫组件还包括联接到所述隔膜的面板。所述面板包括贯穿限定的多个槽缝。所述多个槽缝中的每个槽缝均包括垂直于所述衬垫组件的中心线取向的主轴线。

Description

衬垫组件、发动机壳体及其组装方法
技术领域
本公开的领域总体涉及供涡扇发动机使用的减阻衬垫，更具体地涉及一种减阻衬垫组件及其组装方法。
背景技术
至少一些公知发动机(诸如一些公知的喷气发动机和涡扇喷气发动机)被大致桶形机舱和覆盖核心发动机的芯壳包围。这样的发动机以及从中移动穿过的气流生成非期望的噪声量。如此，至少一些公知发动机包括声学衬垫，该声学衬垫安装在发动机、机舱和壳体的暴露表面上，以阻尼噪声水平。更具体地，这样的声学衬垫包括联接到面板的蜂窝芯，其包括贯穿限定的多个孔。在至少一些公知声学衬垫中，孔在气流方向上或是圆形的或是细长的。在发动机内侧生成的声波向前传播并经由面板进入蜂窝芯的单元并且以不同于进入声波的相位从背板反射，以便于阻尼进入声波且衰减总体噪声水平。
然而，在限定于面板中的孔上流动的空气导致非期望量的表面阻力，这可能降低发动机的效率。另外，在面板中形成大量孔(对实现期望声学性能是需要的)所需的成本和时间是很大的。
发明内容
在一个方面中，提供了一种衬垫组件。所述衬垫组件包括芯部和联接到所述芯部的隔膜。所述衬垫组件还包括联接到所述隔膜的面板。所述面板包括贯穿限定的多个槽缝。所述多个槽缝中的每个槽缝均包括垂直于所述衬垫组件的中心线取向的主轴线。
在另一方面中，提供了一种发动机壳体，所述发动机壳体具有中心线和平行于所述中心线延伸穿过所述发动机壳体的轴线。所述发动机壳体包括：包括内表面的机舱；和包括外表面的芯壳。所述内表面和所述外表面被构造成暴露于在大致平行于所述轴线的方向上行进的气流。所述发动机壳体还包括联接到所述内表面和所述外表面中的至少一者的衬垫组件。所述衬垫组件包括芯部和联接到所述芯部的隔膜。所述衬垫组件还包括联接到所述隔膜的面板。所述面板包括贯穿限定的多个槽缝，其中多个槽缝中的每个槽缝均包括垂直于所述中心线取向的主轴线。
在另一方面中，提供了一种组装衬垫组件的方法。所述方法包括以下步骤：将隔膜联接到芯部；以及将面板联接到所述隔膜。所述面板包括贯穿限定的多个槽缝，其中所述多个槽缝中的每个槽缝均包括垂直于所述衬垫组件的中心线取向的主轴线。
附图说明
图1是包括发动机壳体的发动机组件的一个实施方式的示意性剖视图；
图2是可供图1中示出的发动机壳体使用的示例性衬垫组件的分解立体图；
图3是图2中示出的衬垫组件的剖视图；
图4是图2中示出的衬垫组件的分解侧视图，图示了示例性面板、隔膜和芯部；
图5是图4中示出的面板的俯视图，图示了贯穿限定的多个槽缝；以及
图6是组装图2中示出的衬垫组件的方法的一个实施方式的流程图。
具体实施方式
本文描述的实施例提供了用于发动机壳体中的噪声衰减和减阻的设备和方法。实施例描述了一种衬垫组件，所述衬垫组件包括芯部、联接到所述芯部的隔膜以及联接到所述隔膜的面板。所述面板包括贯穿限定的多个槽缝。每个槽缝在与构造成在所述面板之上行进的气流的方向垂直的方向上是细长的。此外，所述隔膜联接到所述芯部的顶表面，使得所述隔膜和所述面板彼此直接接触。本文描述的实施方式提供了对用于发动机壳体的至少一些公知噪声衰减***的改进。与至少一些公知噪声衰减***相比，本文描述的实施方式便于减小在操作期间由槽缝引起的阻力。更具体地，如上所述，估计和实验测试已表明，槽缝在垂直于气流方向的方向上取向可以减小阻力。此外，将槽缝的垂直取向与隔膜直接邻近面板的位置相组合可以将阻力进一步减小到与不具有槽缝或孔的平滑面板相当的意想不到的水平。
更具体地参照附图，本公开的实施例可在图1中以横截面示意性示出的发动机组件10的背景下描述。发动机组件10可以供飞行器发动机使用。在一个实施方式中，发动机组件10包括壳体12，壳体12包括机舱14和芯壳16。机舱14和芯壳16将涡扇发动机封闭以供飞行器使用。然而，应当理解的是，本公开同样适用于其它类型的发动机的机舱和芯壳，以及在其它应用(包括但不限于汽车、重型工作车辆及其它车辆)中遭受噪声生成流体流动的其它结构。
在图示的实施例中，机舱14和芯壳16围绕中心线18大致周向地延伸。机舱14包括前端20、后端22以及在两端20和22之间延伸的内表面24。机舱14还包括(沿顺序的前后布置)唇部26、入口部28、风扇壳部30和风扇管道部32。内表面24沿着唇部26、入口部28、风扇壳部30和风扇管道部32中的每一者轴向地延伸。类似地，芯壳16包括前端34、后端36以及在两端34和36之间延伸的外表面38。芯壳16还包括喷嘴部40，喷嘴部40包括外表面42。
在该实施例中，发动机壳体12包括衬垫组件100，衬垫组件100联接到机舱14的内表面24、芯壳16的外表面38和喷嘴部40的外表面42中的至少一者。在操作期间，衬垫组件100暴露于在轴向方向(即，沿着平行于中心线18的轴线19)上行进穿过壳体12的气流44。如本文描述的，衬垫组件100可以既衰减由发动机组件10生成的噪声又减小由沿着内表面24和外表面38的气流44并由穿过芯壳16且沿着外表面42的气流45创建的阻力。在一个实施例中，衬垫组件100沿着机舱14的两端20和22之间的内表面24的整个长度进行联接，还沿着芯壳16的两端34和36之间的至少一个外表面38的整个长度进行联接。在另一实施例中，衬垫组件100联接到内表面24和外表面38中的至少一者的仅一部分。通常，衬垫组件100沿着内表面24和外表面38中的至少一者延伸为了实现期望的噪声衰减和减阻所需的任何长度。
图2是可供发动机壳体12(图1中示出)使用的衬垫组件100的分解立体图。图3是衬垫组件100的剖视图。图4是衬垫组件100的分解侧视图，并且图5是衬垫组件100的俯视图。
衬垫组件100包括彼此联接的芯部102、隔膜104和面板106。芯部102联接到内表面24(图1中示出)和外表面38(图1中示出)中的至少一者，并且面板106在发动机组件10(图1中示出)处于操作状态下时暴露于气流44和45。衬垫组件100还包括背板108，背板108联接到芯部102(与面板106相反)。背板108为芯部102的各个单元提供盖，以便于噪声衰减。背板108、芯部102、隔膜104和面板106使用扩散结合联接到一起。背板108、芯部102、隔膜104和面板106可钎焊或焊接在一起；或者在另一实施例中，可使用粘合剂联接到一起。通常，背板108、芯部102、隔膜104和面板106可采用任何合适的方式联接到一起，使得衬垫组件100如本文描述地起作用。
如图2至图5所示，芯部102包括第一表面110和相反的第二表面112(具有贯穿限定的单元开口)。第一表面110联接到背板108，并且第二表面112联接到隔膜104。在一个实施例中，背板108闭合第一表面110，使得第一表面110不能透空气，因此不能透声流。
此外，芯部102包括多个单元114，所述多个单元114在表面110和112之间延伸并且布置成蜂窝模式，其中每个单元114均具有大致六边形横截面并且包括贯穿限定的通道116。通常，单元114可成形并且布置成任何合适的模式使得芯部102如本文描述地起作用。在示例性实施例中，芯部单元114是全深度单元，即，单元114穿过芯部102在表面110和112之间连续。
在一个实施例中，芯部102包括介于约0.1英寸(in.)(2.54毫米(mm.))到约4.0in.(101.6mm.)范围内的厚度T1。通常，芯部102可具有便于如本文描述地操作衬垫组件100的任何厚度。更具体地，可调节芯部102的厚度T1，为各种喷气发动机和机舱构造提供最佳的噪声衰减。更具体地，芯部102的厚度T1可基于衬垫组件100在发动机组件10内的位置。另外，芯部102由玻璃纤维增强酚醛树脂形成。在替代实施方式中，芯部102由另一纤维增强树脂形成。在其它替代实施方式中，芯部102由塑料材料、金属、涂覆纸材料或使芯部102能如本文描述地起作用的任何其它合适的材料中的至少一者形成。
在示例性实施例中，隔膜104包括第一表面118和相反的第二表面120。隔膜的第一表面118联接到芯部102的第二表面112，并且隔膜的第二表面120联接到面板106。如此，隔膜104联接到芯部102与面板106之间，使得芯部102不接触面板106，并且隔膜104直接联接到面板106。在另一实施例中，隔膜104仅覆盖面板106的开口面积，使得面板106直接联接到芯部102。在图示的实施例中，隔膜104使用粘合剂联接到芯部102。在某些实施例中，粘合剂是网状膜粘合剂，以便于避免干扰单元114和隔膜104的声耦合。在其它实施例中，隔膜104以使衬垫组件100能如本文描述地起作用的任何合适的方式联接到芯部102。
隔膜104至少部分地由提供基本上线性的声衰减的材料形成。在某些实施例中，隔膜104由机织织物(诸如由聚芳醚酮(PAEK)族中的热塑性纤维编织的织物)形成。在一个实施例中，隔膜104由聚醚酮酮(PEKK)和聚醚醚酮(PEEK)机织织物中的至少一者形成。如本文所使用的，术语“线性材料”意在描述与声波基本相同地响应而不管波的声压(即，幅度)如何的任何材料，以便于噪声衰减。利用线性材料，限定在其中的孔或通道可被构造成使得压力波的耐受性不随着噪声水平而变化，并且横跨材料的压降相对于压力波速度是相对恒定的。这是主要由于通过材料的粘性或摩擦损失导致的压力损失的结果。
另外，在某些实施例中，隔膜104具有介于约0.003英寸(0.0762mm)到约0.100英寸(2.54mm)范围内的厚度T2。在一个实施方式中，隔膜104具有约0.005英寸(0.127mm)的厚度T2。在替代实施例中，隔膜104由使隔膜104能如本文描述地起作用的任何合适的材料形成并且具有任何合适的厚度。
衬垫组件100包括面板106，面板106包括第一表面122和相反的第二表面124。面板的第一表面122联接到隔膜104的第二表面120，并且面板的第二表面124暴露于轴向取向的气流44。如图5中最佳示出的，面板106包括从第一表面122延伸到第二表面124贯穿的多个槽缝126。每个槽缝126均包括垂直于气流44的方向取向的主轴线128。即，每个槽缝126均是细长的，使得每个槽缝126均在面板106之上在与气流44的方向垂直的方向上限定长度L。在一个实施例中，槽缝126包括介于约0.250英寸(6.35mm)到约1.500英寸(38.1mm)范围内的长度。如此，因为衬垫组件100沿着机舱14(图1中示出)的内表面24(图1中示出)和/或芯壳16(图1中示出)的外表面38(图1中示出)周向地延伸，所以槽缝126相对于中心线18(图1中示出)周向地取向。在示例性实施例中，每个槽缝126还限定在气流44的方向上延伸的宽度W。更具体地，每个槽缝126均限定约0.005英寸(0.127mm)到约0.06英寸(1.524mm)的宽度。在另一实施例中，每个槽缝126的宽度W最大为0.06英寸(1.524mm)。
如图5所示，槽缝126在垂直于中心线18(且由此是气流44的方向)的方向上是细长的。这样的垂直取向便于最小化由槽缝126针对某一开口面积创建的阻力。更具体地，实验测试已表明，使槽缝126在与气流44的方向垂直的方向上取向可以减小阻力。此外，将槽缝126的垂直取向与隔膜104直接邻近面板106的位置相组合可以将阻力进一步减小到低于根据估计预期的水平。这样的实验阻力水平与不具有槽缝的面板相当。测试已表明，垂直于中心线18(以及气流44的方向)的方向取向的槽缝126的宽度W越小，测得的阻力水平越低。
在一个实施例中，槽缝126在面板106上间隔开，使得面板106具有介于约5百分比开口面积(POA)到约40POA之间、更具体地约15POA到约30POA之间的范围内的孔隙率。在一个实施方式中，槽缝126被间隔开，使得面板106具有约20POA的孔隙率。面板106的相对较高的孔隙率减少了通过槽缝126的压力损失。因此，芯部102内的压力大致等于沿着面板106的第二表面124的压力，并且当声波经过面板106的表面之上时，槽缝126不会显著影响进出芯部102的空气流动。在一些实施例中，面板106的百分比开口面积基于是隔膜104的百分比开口面积，使得面板106和隔膜104生成预先确定的组合流动阻力。例如，在隔膜104具有较低百分比开口面积的实施例中，面板106将具有较高百分比开口面积，使得面板106和隔膜104的组合流动阻力在预先确定的范围内。而且，在图示的实施方式中，槽缝126以交错模式配置，使得槽缝126沿着面板106的圆周在轴向位置中交替。在替代实施方式中，槽缝126可按照使面板106能如本文描述地起作用的任何合适的模式配置。
面板106由金属材料(诸如，但不限于，钛、铝或任何其它金属材料)制成。另外，在另一实施例中，面板106由复合材料、树脂、木材或保持应力且便于如本文描述地操作衬垫组件100的任何材料制成。此外，面板106包括介于约0.05英寸(1.27mm.)到约0.1英寸(2.54mm.)之间的范围内的厚度T3。通常，面板106可具有便于如本文描述地操作衬垫组件100的任何厚度T3。
在至少一些实施方式中，与至少一些公知的穿孔面板相比，槽缝126在面板106上的形状和间隔便于增加衬垫组件100的线性度和声衰减。另外，槽缝126垂直于中心线18(以及气流44的方向)的对准便于最小化由槽缝126创建的阻力。槽缝126的形状和间隔还便于降低制造面板106所需的成本和时间。例如，在特定实施方式中，面板106用作涡扇发动机的机舱14(图1中示出)的一部分，并且面板106包括约96,000个槽缝126，其中常规面板在类似的应用中需要数百万个穿孔。
图6是组装衬垫组件(诸如衬垫组件100)的方法200的一个实施方式的流程图。方法200包括：将隔膜(诸如隔膜104)联接到芯部(诸如芯部102)(步骤202)，然后将面板(诸如面板106)联接到隔膜(步骤204)。面板包括贯穿限定的多个槽缝，诸如槽缝126，每个槽缝均包括垂直于中心线(诸如中心线18)、由此垂直于构造成被引导跨过面板的气流(诸如气流44)取向的主轴线。方法200进一步包括：将芯部联接到发动机机舱的内表面(诸如机舱14的内表面24)和芯壳的外表面(诸如芯壳16的外表面38)中的至少一者(步骤206)。
方法200的每种工艺均可由***整合商、第三方和/或运营商中的至少一者执行或进行。出于对此描述的目的，***整合商可包括(但不限于)任何数量的飞行器制造商和主***分包商；第三方可包括(但不限于)任何数量的供货商、分包商和供应商；并且运营商可以是航空公司、租赁公司、军事单位、服务组织等。而且，虽然示出了航空航天的示例，但是本发明的原理可应用于其它行业，诸如汽车工业。
本文描述的实施方式提供了用于发动机壳体中的噪声衰减和减阻的设备和方法。实施方式描述了一种衬垫组件，所述衬垫组件包括芯部、联接到所述芯部的隔膜以及联接到所述隔膜的面板。所述面板包括贯穿限定的多个槽缝。每个槽缝在与构造成在所述面板之上行进的气流的方向垂直的方向上是细长的。此外，所述隔膜联接到所述芯部的顶表面，使得所述面板和所述芯部彼此不接触。本文描述的实施方式提供了对用于发动机壳体的至少一些公知噪声衰减***的改进。与至少一些公知噪声衰减***相比，本文描述的实施方式便于减小在操作期间由槽缝引起的阻力。更具体地，如上所述，实验测试已表明，槽缝在垂直于气流方向的方向上取向会减小阻力。此外，将槽缝的垂直取向与隔膜直接邻近面板的位置相组合将阻力进一步减小到与不具有槽缝的面板相当的意想不到的水平。
进一步，本公开包括根据以下条款的实施方式：
条款1、一种衬垫组件，所述衬垫组件包括：芯部；联接到所述芯部的隔膜；以及联接到所述隔膜的面板，所述面板包括贯穿限定的多个槽缝，其中所述多个槽缝中的每个槽缝均包括垂直于所述衬垫组件的中心线取向的主轴线。
条款2、根据条款1所述的衬垫组件，其中，所述隔膜被联接到所述芯部与所述面板之间。
条款3、根据条款2所述的衬垫组件，其中，所述芯部包括第一表面，并且所述隔膜包括联接到所述芯部的第一表面的第二表面。
条款4、根据条款2或3所述的衬垫组件，其中，所述隔膜被联接到所述芯部与所述面板之间，使得所述芯部不接触所述面板。
条款5、根据条款1至4中的任一项所述的衬垫组件，其中，所述多个槽缝限定约0.127毫米到约1.524毫米的宽度。
条款6、根据条款1至5中的任一项所述的衬垫组件，其中，所述多个槽缝包括1.524毫米的最大宽度。
条款7、根据条款1至6中的任一项所述的衬垫组件，其中，所述面板具有介于约5到约40百分比开口面积之间的范围内的孔隙率。
条款8、一种发动机壳体，所述发动机壳体具有中心线和平行于所述中心线延伸穿过所述发动机壳体的轴线，所述发动机壳体包括：包括内表面的机舱；包括外表面的芯壳，其中所述内表面和所述外表面被构造成暴露于在大致平行于所述轴线的方向上行进的气流；以及联接到所述内表面和所述外表面中的至少一者的根据条款1至7中的任一项的衬垫组件。
条款9、一种发动机壳体，所述发动机壳体具有中心线和平行于所述中心线延伸穿过所述发动机壳体的轴线，所述发动机壳体包括：包括内表面的机舱；包括外表面的芯壳，其中所述内表面和所述外表面被构造成暴露于在大致平行于所述轴线的方向上行进的气流；以及联接到所述内表面和所述外表面中的至少一者的衬垫组件，所述衬垫组件包括：芯部；联接到所述芯部的隔膜；以及联接到所述隔膜的面板，所述面板包括贯穿限定的多个槽缝，其中所述多个槽缝中的每个槽缝均包括垂直于所述中心线取向的主轴线。
条款10、根据条款9所述的发动机壳体，其中，所述多个槽缝相对于所述中心线周向地取向。
条款11、根据条款9或10所述的发动机壳体，其中，所述面板联接到所述内表面和所述外表面中的至少一者的整体。
条款12、根据条款9或10所述的飞行器发动机壳体，其中，所述面板联接到所述内表面和所述外表面中的至少一者的仅一部分。
条款13、根据条款9至12中的任一项所述的发动机壳体，其中，所述多个槽缝包括1.524毫米的最大宽度。
条款14、根据条款9至13中的任一项所述的发动机壳体，其中，所述隔膜被联接到所述芯部与所述面板之间。
条款15、根据条款9至14中的任一项所述的发动机壳体，其中，所述面板具有介于约5到约40百分比开口面积之间的范围内的孔隙率。
条款16、一种包括根据条款9至15中的任一项所述的发动机壳体的飞行器发动机组件。
条款17、一种组装衬垫组件的方法，所述方法包括以下步骤：将隔膜联接到芯部；以及将面板联接到所述隔膜，其中，所述面板包括贯穿限定的多个槽缝，并且其中所述多个槽缝中的每个槽缝均包括垂直于所述衬垫组件的中心线取向的主轴线。
条款18、根据条款17所述的方法，所述方法进一步包括：将所述芯部联接到发动机机舱的内表面。
条款19、根据条款17或18所述的方法，所述方法进一步包括：将所述芯部联接到芯壳的外表面。
条款20、根据条款17至19中的任一项所述的方法，其中，将所述隔膜联接到所述芯部的步骤包括：将所述隔膜的第一表面联接到所述芯部的第二表面。
条款21、根据条款17至20中的任一项所述的方法，其中，将所述面板联接到所述隔膜的步骤包括：将所述面板联接到所述隔膜，使得所述面板不接触所述芯部。
条款22、根据条款17至21中的任一项所述的方法，其中，将所述面板联接到所述隔膜的步骤包括：联接包括多个槽缝的所述面板，每个槽缝均包括0.127毫米到1.524毫米之间的宽度。
该书面描述使用示例来公开包括最佳模式的各种实施例，以使本领域技术人员能实践这些实施例，包括制造和使用任何装置或***以及执行任何并入的方法。专利范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有与权利要求书的文字语言没有不同的结构要素，或者如果包括与权利要求书的文字语言无实质差异的等同结构要素，则这样的其它示例旨在位于权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种衬垫组件(100)，所述衬垫组件包括：
芯部(102)；
联接到所述芯部的隔膜(104)；以及
联接到所述隔膜的面板(106)，所述面板包括贯穿限定的多个槽缝(126)，其中所述多个槽缝中的每个槽缝均包括垂直于所述衬垫组件的中心线(18)取向的主轴线(128)。
2.根据权利要求1所述的衬垫组件(100)，其中，所述隔膜(104)被联接到所述芯部(102)与所述面板(106)之间。
3.根据权利要求2所述的衬垫组件(100)，其中，所述芯部(102)包括第一表面(110)和第二表面(112)，并且所述隔膜(104)包括第一表面(118)和第二表面(120)；其中，所述隔膜的第一表面(118)联接到所述芯部的第二表面(112)。
4.根据权利要求2所述的衬垫组件(100)，其中，所述隔膜(104)被联接到所述芯部(102)与所述面板(106)之间，使得所述芯部不接触所述面板。
5.根据权利要求1所述的衬垫组件(100)，其中，所述多个槽缝(126)限定约0.127毫米到约1.524毫米的宽度。
6.根据权利要求1所述的衬垫组件(100)，其中，所述多个槽缝(126)包括1.524毫米的最大宽度。
7.根据权利要求1所述的衬垫组件(100)，其中，所述面板(106)具有介于约5到约40百分比开口面积之间的范围内的孔隙率。
8.一种发动机壳体(12)，所述发动机壳体具有中心线(18)和平行于所述中心线延伸穿过所述发动机壳体的轴线(19)，所述发动机壳体包括：
包括内表面(24)的机舱(14)；
包括外表面(38)的芯壳(16)，其中所述内表面和所述外表面被构造成暴露于在大致平行于所述轴线的方向上行进的气流(44)；以及
联接到所述内表面和所述外表面中的至少一者的根据权利要求1至7中的任一项的衬垫组件(100)。
9.根据权利要求8所述的发动机壳体(12)，其中，所述多个槽缝(126)相对于所述中心线(18)周向地取向。
10.根据权利要求8所述的发动机壳体(12)，其中，所述面板(106)联接到所述内表面(24)和所述外表面(38)中的至少一者的整体，或者联接到所述内表面和所述外表面中的至少一者的仅一部分。
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