聲襯技術在大涵道比發動機短艙上的應用

張英杰

(中國航發商用航空發動機有限責任公司,上海 200241)

聲襯技術在大涵道比發動機短艙上的應用

張英杰

(中國航發商用航空發動機有限責任公司,上海 200241)

航空發動機噪聲不但污染環境,也會損害人們的健康,航空發動機的噪聲污染正逐步受到重視,從聲源上降低噪聲較難,從傳播途徑上降低風扇噪聲是目前簡便的方法,現有的商用發動機通過在涵道內壁安裝聲襯,從而降低風扇噪聲.短艙大部分結構處于涵道內,因此,在短艙內安裝聲襯是發動機降噪最有效的手段.短艙聲襯應用部位較多,包括進氣道內壁板、反推阻流門、外涵外壁、核心機艙罩以及噴管,因此,聲襯技術的研究對短艙設計意義重大.本文重點分析了國外成熟機型短艙聲襯的應用及設計現狀,包括聲襯結構形式、選材、應用部位及聲襯設計要點等.

短艙;聲襯;蜂窩夾芯、降噪

航空發動機噪聲不但污染環境,也會損害人們的健康,航空發動機的噪聲污染正逐步受到重視,國外的發動機研發機構開發了大量的降噪技術,廣泛應用于民用發動機領域.對于安裝渦扇發動機的飛機上,風扇的噪聲成為最主要的噪聲系統,其次才是核心機排氣(起飛)或飛機機體(著陸)的噪聲.從聲源上降低風扇噪聲意味著改變風扇葉片數量或葉片造型,難度很大.因此,從傳播途徑上降低風扇噪聲是目前最簡便的方法,現有的商用發動機通過在涵道內壁安裝聲襯,從而降低風扇噪聲.短艙大部分結構處于涵道內,因此在短艙內安裝聲襯是發動機降噪最有效的手段.

1 聲襯結構在短艙上的應用現狀

1.1 結構形式

短艙上應用的聲襯結構分為兩種:單自由度聲襯(SDOF)和雙自由度聲襯(DDOF).單自由度聲襯由穿孔板、蜂窩芯和背板組成,此結構形式由于工藝相對簡單,結構厚度小,便于結構布置等優勢,廣泛應用于短艙結構中;雙自由度聲襯由穿孔板、蜂窩芯、中間層、蜂窩芯和背板組成,中間層可采用穿孔板、金屬絲網、吸聲薄膜等結構,雙自由度較單自由度聲襯制造難度大,但其獨特優勢在于可拓寬聲襯的吸聲頻帶,可顯著降低短艙噪聲,因此,隨著短艙降噪指標的不斷提高,雙自由度聲襯的應用范圍也在不斷擴大.雙自由度聲襯中間層有穿孔板、金屬絲網、帶微型孔的吸聲薄膜、嵌入式消聲結構等(圖1),嵌入式消聲結構可根據聲學需要實現非等高設計,是未來聲襯設計的又一全新的發展方向.

1.2 材料

圖1 雙自由度聲襯不同結構形式

短艙聲襯結構所用材料各機型略有差別. 對于工作溫度較低的部位(進氣道內壁板、反推外涵外壁、阻流門),聲襯通常使用碳纖維面板和芳綸紙蜂窩;對于溫度較高的部位(反推核心機艙罩),聲襯通常使用鋁面板和鋁蜂窩、碳纖維面板和鋁蜂窩;對于溫度很高的噴管,如需使用聲襯結構,應使用鈦合金或高溫合金材料.

1.3 短艙各部件應用情況

短艙作為飛機和發動機的主要部件,由進氣道、風扇罩、反推、噴管組件等結構組成.其中進氣道、反推及噴管部分零件處于涵道內,基于降噪考慮,進氣道、反推和噴管部分零件可設計成聲襯結構.

(1)進氣道內壁板.進氣道內壁板采用聲襯結構,早期由于加工和結構的限制,進氣道內壁板采用分塊拼縫設計,A320和A340進氣道內壁板分為3片或者2片.2片或3片之間的連接帶(拼縫)通常堅硬且沒有消聲效果,這在一定程度上降低了聲襯的吸聲效果.隨著復合材料制造技術的發展,進氣道無縫聲襯技術得以實現,并成功應用到飛機上,目前,最新研制的波音787、A380、C919進氣道內壁板均使用無縫聲襯技術,且CFM56-7B、V2500及LEAP-X短艙進氣道均采用雙自由度聲襯.

(2)反推阻流門.反推裝置利用阻流門機構運動實現反推功能,阻流門受力復雜,傳統阻流門采用金屬結構,如V2500采用鋁合金,成型工藝采用機加;隨著復合材料技術在短艙壁板類零件上的成功應用,為了減輕重量,阻流門開始使用蜂窩夾芯結構(非聲襯結構),如CFM56-7B,材料采用碳纖維環氧樹脂織物和芳綸紙蜂窩,成型工藝采用熱壓罐共固化成型;隨著復合材料制造技術的不斷提高,阻流門開始使用聲襯結構,如LEAP-X、GEnx,材料采用碳纖維環氧樹脂織物和芳綸紙蜂窩,成型工藝采用熱壓罐膠接固化成型.

(3)反推外涵外壁.反推外涵外壁位于涵道外側,與阻流門一同形成反推外涵道外壁面.外涵外壁通常使用單自由度聲襯結構,材料采用碳纖維環氧樹脂織物和芳綸紙蜂窩.因前端與阻流門連接處存在多個三角區,導致外涵外壁結構復雜,不同機型其結構形式不同,有些機型將三角區與外涵外壁做成整體結構,如CFM56-7B,有些機型將三角度做成單獨的結構,如V2500.

(4)反推核心機艙罩.核心機艙罩為與上下分墻一體化成型的單自由度聲襯結構,外涵一側為穿孔板,核心機艙罩因內部包裹核心機,工作溫度相對較高,通常需在內測安裝隔熱毯,如CFM56-7B.核心機艙罩在選材方面略有差異,CFM56-7B采用碳纖維環氧樹脂面板和碳纖維蜂窩,V2500采用鋁面板和鋁蜂窩,某些機型還采用碳纖維環氧樹脂面板和鋁蜂窩,為避免碳纖維面板與鋁蜂窩發生電位腐蝕,碳纖維面板與鋁蜂窩之間使用玻璃布進行隔離.

(5)噴管.噴管處于高溫環境,CFM56-7B、LEAP-X及V2500等機型均使用金屬鈑金或機加結構,隨著降噪指標的不斷提高,國內外研究機構開始致力于噴管聲襯結構設計、制造等技術研究工作,GKN等國外短艙研發公司已成功研制了鈦合金聲襯結構,并應用到機型上.

2 短艙聲襯結構設計要點

2.1 排水設計

雨水、水蒸氣等液體可通過穿孔板進入短艙聲襯結構,因此,短艙所有處于涵道內的聲襯均需進行排水設計,以進氣道內壁板為例,其排水通道設計分為環向和航向排水路徑設計.總體的設計思路為,水先沿環向路徑流到底部,然后再沿航向路徑流向排水孔,最后水從排水孔排出.

(1)環向路徑設計:位于水線以上(順時針270°～90°)的聲襯結構,由于進氣道內壁板具有一定的傾斜角度,水無法進入聲襯結構,如果進入聲襯結構,水可直接從穿孔板上的孔排出.位于水線以下(順時針90°～270°)的聲襯結構,為使水能沿環向留到底部,蜂窩芯格內壁需開排水槽,排水槽開在背板一側(見圖2).

圖2 進氣道內壁板排水設計

(2)航向路徑設計:水到達底部后,為使水能留至排水孔,同樣,底部的蜂窩芯格需開排水槽,方法見圖2.

(3)排水孔:排水孔的數量需根據進氣道尺寸而定,通常需要2～3個,排水孔均布在底部.

2.2 聲襯結構參數的定義

聲襯結構穿孔板上的孔排布有兩種:均布排布和交錯排布,通常交錯排布應用較多.除此之外,面板厚度、面板材料、蜂窩芯格尺寸、蜂窩芯厚度、孔徑大小、孔間距等均對聲襯降噪有所影響,在進行短艙聲襯結構設計時,應與降噪、強度、制造專業充分溝通,設計之初應進行大量聲學分析,且應基于試驗結果或機型經驗進行參數定義.

3 結語

隨著我國民航業的發展,飛機噪聲的研究正在不斷進行.本文重點分析了國外成熟機型短艙聲襯的應用及設計現狀,包括聲襯結構形式、選材、應用部位及聲襯設計要點等.吸納國外成功的短艙聲襯設計經驗,并在多學科的支撐下,不斷進行分析和試驗研究,來支撐短艙聲襯的設計工作.

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