專利名稱：用于從燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)噴射氣體的裝置及燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
用于從燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)噴射氣體的裝置及燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)本發(fā)明涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)降噪領(lǐng)域。用于諸如飛機(jī)或直升機(jī)這樣的航空器中的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)沿著氣流方向從上游到下游通常包括ー個(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)級(jí)，燃燒室，ー個(gè)或多個(gè)渦輪級(jí)，以及噴射氣體的裝置，如噴嘴。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)制造商來說，一個(gè)困擾已久的問題是如何降低噪音，特別是為了確保乘客和航空器航線下居住的群眾的舒適。特別是，直升機(jī)在人口密集地區(qū)附近飛行，排氣噴嘴產(chǎn)生的噪音構(gòu)成直升機(jī)所產(chǎn)生的總噪音的重要組成部分。噴嘴噪音的衰減可以通過使用聲學(xué)衰減殼體來獲得，聲學(xué)衰減殼體形成噴嘴的內(nèi)壁，并形成氣流的外部圍層(envelope)。舉例來說，這樣的殼體可以包括通向ー個(gè)或多個(gè)共振空腔的穿孔金屬板，每組的一個(gè)空腔和ー個(gè)或多個(gè)孔形成ー個(gè)赫姆霍茲(Helmholtz)共振器。舉例來說，這些空腔可以具有蜂巣型的結(jié)構(gòu)，或簡(jiǎn)單地由橫向和/或縱向隔板形成。 用于聲學(xué)衰減或處理的這種殼體通常能夠衰減所謂的中聲頻，例如，其范圍為2到5kHz。處理的聲音頻率特別取決于共振空腔的深度，共振空腔的尺寸為此目的而設(shè)置。更具體地，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不同頻率的噪音。就用于直升機(jī)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)而言，噪音峰值通?？梢栽诘谝?低)頻率范圍中觀測(cè)到，大約為0. 5kHz，以及在第二(中)頻率范圍中觀測(cè)到，大約為2kHz。雖然可以通過對(duì)共振空腔的尺寸進(jìn)行設(shè)置這樣簡(jiǎn)單的方式來衰減來自第二頻率范圍的聲音，但是由于空間限制，很難衰減來自第一頻率范圍的聲音，因?yàn)檫@種衰減需要使用深度相對(duì)于可用體積而言大大的空腔。更具體地，上述低頻聲音是令人不快的噪音的來源，特別是當(dāng)直升機(jī)起飛時(shí)。本發(fā)明的目的為提出用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴，其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多個(gè)頻率范圍的有效衰減，特別是低頻和中頻。本發(fā)明特別涉及對(duì)來自直升機(jī)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴的噪音進(jìn)行衰減。但是，申請(qǐng)人的權(quán)利范圍不限于單ー應(yīng)用，更普遍地，本發(fā)明涉及用于從燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)噴射氣體的裝置。因此，本發(fā)明涉及用于從燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)噴射氣體的裝置，該裝置包括外壁和內(nèi)壁，該外壁和內(nèi)壁之間限定有氣體流，所述內(nèi)壁形成限定內(nèi)部空腔的中心體，所述外壁被穿孔并與至少ー個(gè)外部共振空腔連通，以對(duì)第一聲音頻率范圍內(nèi)的噪音進(jìn)行衰減，所述裝置還包括使所述外部空腔和內(nèi)部空腔流體連通的元件，該元件穿過氣體流延伸，所述內(nèi)部空腔由此形成對(duì)第二聲音頻率范圍內(nèi)的噪音進(jìn)行衰減的共振空腔。所述裝置特征在于，所述使所述內(nèi)部空腔和外部空腔流體連通的元件包括徑向臂，該徑向臂還實(shí)現(xiàn)對(duì)所述中心體進(jìn)行機(jī)械保持的功能。通過本發(fā)明，可以衰減來自兩個(gè)聲音頻率范圍的噪音，而不增加位于氣流外側(cè)的空腔的體積。因此，在體積相同的情況下，可以對(duì)噪音進(jìn)行衰減，這在現(xiàn)有技術(shù)中是不可能的。最后，通過本發(fā)明，外部空腔和內(nèi)部空腔形成単一共振空腔，該單一共振空腔能夠處理多個(gè)聲音頻率范圍。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施方式，臂是中空的，在外壁區(qū)域通向外部共振空腔，并在內(nèi)壁區(qū)域通向內(nèi)部共振空腔。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施方式，內(nèi)壁包括位于其內(nèi)側(cè)的聲學(xué)衰減殼體。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施方式，第一聲音頻率范圍對(duì)應(yīng)于中頻，例如，中心為大約2kMz，第二聲音頻率范圍對(duì)應(yīng)于低頻，例如，中心為大約0. 5kMz。值得注意的是，外部空腔和內(nèi)部空腔能夠交替衰減相同的聲音頻率范圍(衰減的頻率范圍全部或部分重疊)，因此，本發(fā)明目的為增加在該范圍的衰減效率。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施方式，內(nèi)部空腔和/或外部空腔分開，以調(diào)節(jié)它們所衰減的頻率。換句話說，空腔包括一個(gè)或多個(gè)隔板，隔板之間的體積可以相同或不同。所述體積尺寸根據(jù)欲進(jìn)行聲學(xué)處理的頻率，通過本領(lǐng)域人員公知的方式確定。根據(jù)實(shí)施方式，在本案中，隔板還實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能。 根據(jù)優(yōu)選實(shí)施方式，噴射氣體的裝置為燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體噴嘴。本發(fā)明還涉及包括如上所述氣體噴射裝置的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。通過以下參考附圖對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行的描述，可以更清楚的理解本發(fā)明，其中圖I為用于直升機(jī)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的圖解截面圖，該燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)具有根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的噴嘴；圖2為圖I所示發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴的軸向圖解截面圖；圖3為圖2所示噴嘴的從下游側(cè)觀察的前視圖。參考

圖1，以公知的方式，直升機(jī)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)包括壓縮機(jī)2 (在本案中其為離心的，并具有單級(jí))，環(huán)形空氣進(jìn)氣道3將外部空氣提供給壓縮機(jī)2，環(huán)形燃燒室4 (在本案中其具有逆流)，環(huán)形燃燒室4具有噴射器(未示出)，以對(duì)其提供燃料，用于燃燒來自壓縮機(jī)2的壓縮氣體。燃燒氣體驅(qū)動(dòng)第一渦輪5 (在本案中其具有單級(jí))和所謂的第二動(dòng)力渦輪7 (在本案中其具有單級(jí))，第一渦輪5和壓縮機(jī)2通過在旋轉(zhuǎn)時(shí)將二者固定在一起的軸6連接，第二動(dòng)力渦輪7通過一軸連接至齒輪單元，使得機(jī)械能量從動(dòng)力渦輪7傳遞至輸出軸9，例如，第二動(dòng)力渦輪7連接至驅(qū)動(dòng)直升機(jī)葉片的轉(zhuǎn)子。在動(dòng)力渦輪7的出口，發(fā)動(dòng)機(jī)包括氣體噴射裝置10，在本案中為氣體噴嘴10，其功能為從上游到下游沿著氣體流V或氣流V對(duì)排出氣體進(jìn)行引導(dǎo)。噴嘴10(及其壁11，12)基本上沿軸A延伸。除非有相反指示，說明書以下部分中所提到的縱向，徑向，橫向，內(nèi)部或外部這些概念都是參照軸A而言。噴嘴10包括外壁或外殼11 (基本上為圓柱形)以及內(nèi)壁或內(nèi)殼體12。在縱向上，內(nèi)壁12的長(zhǎng)度小于外壁11的長(zhǎng)度，僅從外壁11的上游部分垂直延伸。外壁11限定氣流V的外部圍層，而內(nèi)壁12 (在相應(yīng)的上游部分)限定氣流V的內(nèi)部圍層。換句話說，氣體在內(nèi)壁12和外壁11之間流動(dòng)。外壁11有時(shí)稱作“擴(kuò)散器”。噴嘴10的內(nèi)壁12形成噴嘴10的中心體12。在本案中它的形式為壁，該壁具有圍繞渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的軸A的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，中心體12的形狀為截圓錐，在其上游端12a和下游端12b (通過圖2中可見的相應(yīng)壁)封閉。本領(lǐng)域技術(shù)人員有時(shí)將噴嘴中心體稱作“塞子”(plug)，有時(shí)也稱作“圓錐體”(cone)，因?yàn)橹行捏w通常基本上為截圓錐形。在此，內(nèi)壁12和中心體12指代相同，這兩個(gè)概念可以互換。中心體12限定對(duì)應(yīng)于其內(nèi)部體積的內(nèi)部空腔C。
噴嘴10還包括外部空腔13，在本案中，外部空腔13為環(huán)形且圍繞噴嘴10的外壁11的上游部分延伸，該上游部分的位置與中心體12至少部分地垂直。所述外部空腔13由上游壁13a，外壁13b及下游壁13c限定，并且在內(nèi)側(cè)由外壁11的所述上游部分限定。外壁11穿刺有多個(gè)孔14 (在圖I中概略示出)，孔14實(shí)現(xiàn)使氣流V與共振空腔13流體連通以衰減噪音的功能，為此，所述孔在內(nèi)壁12的兩側(cè)展開，舉例來說，這些孔以方網(wǎng)眼形式分布，但是任何類型的分布都是可能的。在本案中，外壁11在其對(duì)應(yīng)于外部空腔13的整個(gè)上游表面上穿孔。外部空腔13及穿孔的外壁11形成四分之一波長(zhǎng)共振器類型的聲學(xué)衰減殼體R。在本案中，該殼體R直接形成噴嘴的外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)。噴嘴10還包括徑向臂15，在本案中，徑向臂15實(shí)現(xiàn)對(duì)中心體12進(jìn)行機(jī)械保持的功能。所述臂15在外壁11和內(nèi)壁12之間延伸，并通過例如焊接或者甚至鉚接的方式而固定至所述壁11，12中的每ー個(gè)。在本案中，徑向臂15的數(shù)量為4個(gè)，以相同角度分布，即，在直徑上成對(duì)向?qū)υO(shè)置，連續(xù)的臂15以90°隔開。更普遍地，臂15的數(shù)量?jī)?yōu)選地為3至5個(gè)，并且臂優(yōu)選以一定角度均勻分布。
除了實(shí)現(xiàn)對(duì)中心體12進(jìn)行機(jī)械保持的功能，臂15還設(shè)置為使外部空腔13和內(nèi)部空腔C彼此流體連通，使得聲音能穿過ー者到達(dá)另ー者，由此使得內(nèi)部空腔C形成共振空腔，以衰減在共振空腔中傳播的聲音。更具體地，臂15為中空的，在其外側(cè)通向外部空腔13，在其內(nèi)側(cè)通向內(nèi)部空腔C。在本案中，臂在內(nèi)部空腔C的外側(cè)15a和內(nèi)側(cè)15b完全開放，也就是說，外部徑向端15a和內(nèi)部徑向端15b沿著與壁徑向尺寸垂直(transverse)的整個(gè)部分都開放。根據(jù)另一未不出的實(shí)施方式，臂15在其外部端15a和/或內(nèi)部端15b上僅部分開放，例如，在其外部端15a和內(nèi)部端15b中的ー個(gè)和/或另ー個(gè)區(qū)域，臂15可以包括穿孔金屬板，該穿孔金屬板將臂15的內(nèi)部體積從外部空腔13和/或內(nèi)部空腔C物理隔離開，雖然如此，還是要允許體積之間的流體連通。如果需要的話，這樣就能夠通過由此形成的抵抗層來改善聲學(xué)處理。不管何種實(shí)施方式，如箭頭16所示，聲音從氣流V通過外壁11的穿孔14傳播至外部共振空腔13。外部空腔13的深度(如下所解釋)設(shè)置為能夠?qū)Φ谝宦曇纛l帶進(jìn)行衰減，在本案中，該第一聲音頻帶為中頻范圍，其中心為大約2至2. 5kHz。歸因于使外部空腔13和內(nèi)部空腔C流體連通的臂15，如箭頭17所示，聲音也從外部空腔13傳播至內(nèi)部空腔C。這樣能夠?qū)τ蓛?nèi)部空腔C所形成的共振空腔中的第二聲音頻帶進(jìn)行衰減，其中聲音通過徑向臂15從外部空腔13傳播至所述共振空腔。優(yōu)選地，由于中心體能夠?yàn)閮?nèi)部空腔C限定較大的體積，所述空腔可以對(duì)低頻范圍進(jìn)行衰減，例如，所述低頻范圍為0. 3至1kHz。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中包括中心體和外部空腔的噴嘴而言，噴嘴10不需要額外體積就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)兩個(gè)頻率范圍的衰減，現(xiàn)有技術(shù)噴嘴的中心體和外部空腔與噴嘴10的中心體和外部空腔相似。更具體地，用于聲學(xué)衰減的額外體積是中心體12的額外體積，該額外體積通過外部空腔13借助徑向臂15實(shí)現(xiàn)。噴嘴10的不同構(gòu)成元素優(yōu)選為金屬，例如，噴嘴可由鎳基鋼或鈦基鋼制成。噴嘴10所處理的頻率范圍的調(diào)整特別是基于外部空腔13和內(nèi)部空腔C的體積。因此，外部聲學(xué)衰減殼體的頻率的調(diào)整(即，對(duì)外部聲學(xué)衰減殼體所衰減的主要頻率的確定)特別是通過調(diào)整外部空腔13的體積實(shí)現(xiàn)，更具體地，通過調(diào)整外部空腔13的徑向深度實(shí)現(xiàn)。更具體地，聲學(xué)衰減殼體R根據(jù)所謂的“四分之一波長(zhǎng)”共振器的原理運(yùn)行，所述“四分之一波長(zhǎng)”共振器為這樣的一個(gè)共振器其深度等于其所衰減的頻帶的中心頻率的波長(zhǎng)的四分之一。因此，想要衰減的頻率越高，空腔13的徑向深度就要越小。相反，想要衰減的頻率越低，空腔13的徑向深度就要越大。取決于將要衰減的頻率，空腔13還可以分割為多個(gè)空腔(間隔壁可以為縱向的或橫向的)，在本案中還可以使用蜂巢型結(jié)構(gòu)，間隔壁還可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械保持的功能?？涨?3的長(zhǎng)度L或徑向尺寸L由此影響聲學(xué)衰減的速率或效率。例如，為衰減中心為2kHz的頻帶，可以使用徑向深度為4cm的單一空腔13，外壁11的孔隙率(孔14的累加面積與總面積之比)優(yōu)選為5%至10%之間，例如，8%。相似地，中心體12的頻率的調(diào)整通過調(diào)整其體積實(shí)現(xiàn)。它的形狀適應(yīng)于將要衰減 的最高頻率，典型地，中心為大約0. 3或0. 5kHz的頻率范圍。徑向臂15的體積也對(duì)聲學(xué)衰減做出貢獻(xiàn)，可以被考慮進(jìn)去。根據(jù)公開的實(shí)施方式，圓錐的徑向尺寸在11到23cm之間，半徑為6至12cm之間。根據(jù)一未示出的實(shí)施方式，內(nèi)部空腔C和/或外部空腔11由至少一個(gè)隔板隔開，以調(diào)節(jié)它們所衰減的噪音頻率。所述隔板還可以實(shí)現(xiàn)作為加固物的結(jié)構(gòu)功能。根據(jù)一未示出的實(shí)施方式，為進(jìn)一步改善中心體12的聲學(xué)衰減，中心體包括在內(nèi)壁12的內(nèi)側(cè)上的聲學(xué)衰減殼體。這是特別有利的，由于內(nèi)部空腔C不直接遭遇排出氣體流，該殼體可以使用傳統(tǒng)上不能用于外部噴嘴壁的處理的材料，因?yàn)檫@些材料與排出氣體對(duì)其施加的條件不相容。中心體12描述為截圓錐。值得注意的是，取決于發(fā)動(dòng)機(jī)和其空氣動(dòng)力學(xué)限制，中心體可以具有其它形狀，這些其它形狀具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性(例如，圓柱形)。中心體還可以不具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，以減少氣體噴射的噪音或降低紅外特征；在本案中，舉例來說，中心體可以具有波狀的，矩形的，或橢圓形的橫截面。本發(fā)明適用于所有形狀的中心體，因?yàn)檫@些形狀能夠限定共振空腔，該共振空腔通過延伸穿過氣流V的元件連接至噴嘴的外部空腔。此外，值得注意的是，在某些燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是飛機(jī)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，中心體12還可以實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)的脫氣流的功能。更具體地，在某些發(fā)動(dòng)機(jī)中，在其中心軸的下游端設(shè)置有脫氣口，各種流體，例如油蒸氣，某些冷卻氣體等通過該脫氣口排出。這通常稱為“油分離器”。在本案中，不管是否提供在中心體內(nèi)部延伸直至其端部的用于引導(dǎo)脫氣流的管道，實(shí)現(xiàn)對(duì)脫氣流的槽式引導(dǎo)，中心體都通過其內(nèi)表面確保對(duì)脫氣流的引導(dǎo)。脫氣通常通過吸入來實(shí)現(xiàn)，管道或中心體內(nèi)部的壓力低于渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體中的壓力。該脫氣流的引導(dǎo)功能可以同本發(fā)明的共振空腔功能結(jié)合起來。還值得注意的是，還可以在外部空腔13的下游提供共振空腔，以進(jìn)一步改善聲學(xué)衰減。還值得注意的是，噴嘴中還可以設(shè)置噴射器(用于向噴嘴提供第二氣流)，這樣的噴射器同本發(fā)明并不是不相容的。在發(fā)動(dòng)機(jī)中，如果需要的話，徑向臂15還可以允許輔助設(shè)備通過，如線纜或電線束，輸送流體的管道等等。本發(fā)明公開了沿軸A的矩形噴嘴。根據(jù)一未示出的實(shí)施方式，噴嘴為彎曲的形狀，這在應(yīng)用至直升機(jī)時(shí)可能是有用的，這種實(shí)施方式同本 發(fā)明并不是不相容的。
權(quán)利要求
1.用于從燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)噴射氣體的裝置，該裝置包括外壁(11)和內(nèi)壁(12)，該外壁和內(nèi)壁之間限定有氣體流(V)，所述內(nèi)壁(12)形成限定內(nèi)部空腔(C)的中心體(12)，所述外壁(11)被穿孔并與至少一個(gè)外部共振空腔(13)連通，以對(duì)第一聲音頻率范圍內(nèi)的噪音進(jìn)行衰減，所述裝置還包括使所述外部空腔(13)和所述內(nèi)部空腔(C)流體連通的元件，該元件穿過氣體流(V)延伸，所述內(nèi)部空腔(C)由此形成對(duì)第二聲音頻率范圍內(nèi)的噪音進(jìn)行衰減的共振空腔，特征在于，所述使所述實(shí)現(xiàn)流體連通的元件(15)包括徑向臂(15)，該徑向臂還實(shí)現(xiàn)對(duì)所述中心體(12)進(jìn)行機(jī)械保持的功能。
2.如權(quán)利要求I所述的噴射氣體裝置，其中所述臂(15)為中空的，在所述外壁(11)的區(qū)域通向所述外部共振空腔(13)，并在所述內(nèi)壁(12)的區(qū)域通向所述內(nèi)部共振空腔(C)。
3.如權(quán)利要求I或2所述的噴射氣體裝置，其中所述內(nèi)壁(12)包括位于其內(nèi)側(cè)的聲學(xué)衰減殼體。
4.如權(quán)利要求I至3中任意一項(xiàng)所述的噴射氣體裝置，其中所述第一聲音頻率范圍對(duì)應(yīng)于中頻,例如，中心為大約2kMz，第二聲音頻率范圍對(duì)應(yīng)于低頻，例如，中心為大約0.5kMz0
5.如權(quán)利要求I至4中任意一項(xiàng)所述的噴射氣體裝置，其中所述內(nèi)部空腔(C)和/或所述外部空腔(11)包括至少一個(gè)隔板，以調(diào)節(jié)它們所衰減的噪音頻率。
6.如權(quán)利要求5所述的噴射氣體裝置，其中所述隔板(7)還實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能。
7.如權(quán)利要求I至6中任意一項(xiàng)所述的噴射氣體裝置，所述裝置為燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體噴嘴。
8.燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其具有權(quán)利要求I至7中任意一項(xiàng)所述的噴射氣體裝置。全文摘要
本發(fā)明涉及用于從燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)噴射氣體的裝置，該裝置包括外壁(11)和內(nèi)壁(12)，該外壁和內(nèi)壁之間限定有氣體流(V)，所述內(nèi)壁(12)形成限定內(nèi)部空腔(C)的中心體(12)，所述外壁(11)被穿孔并與至少一個(gè)外部共振空腔(13)連通，以對(duì)第一聲音頻率范圍內(nèi)的噪音進(jìn)行衰減。所述裝置還包括使所述外部空腔(13)和所述內(nèi)部空腔(C)流體連通的元件，該元件穿過氣體流(V)延伸，所述內(nèi)部空腔(C)由此形成對(duì)第二聲音頻率范圍內(nèi)的噪音進(jìn)行衰減的共振空腔。本發(fā)明適于衰減兩種聲音頻率范圍內(nèi)的噪音。
文檔編號(hào)F01N1/02GK102753807SQ201180008785
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2011年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月12日
發(fā)明者安東尼·伊萬·亞歷山大·萬隆, 皮埃爾-盧克·雷加德, 艾瑞克·吉恩-路易斯·鮑蒂 申請(qǐng)人:渦輪梅坎公司