声衬技术在大涵道比发动机短舱上的应用

2017-11-30张英杰

中国设备工程 2017年22期

关键词：短舱反推进气道

张英杰

(中国航发商用航空发动机有限责任公司,上海 200241)

声衬技术在大涵道比发动机短舱上的应用

张英杰

(中国航发商用航空发动机有限责任公司,上海 200241)

航空发动机噪声不但污染环境,也会损害人们的健康,航空发动机的噪声污染正逐步受到重视,从声源上降低噪声较难,从传播途径上降低风扇噪声是目前简便的方法,现有的商用发动机通过在涵道内壁安装声衬,从而降低风扇噪声.短舱大部分结构处于涵道内,因此,在短舱内安装声衬是发动机降噪最有效的手段.短舱声衬应用部位较多,包括进气道内壁板、反推阻流门、外涵外壁、核心机舱罩以及喷管,因此,声衬技术的研究对短舱设计意义重大.本文重点分析了国外成熟机型短舱声衬的应用及设计现状,包括声衬结构形式、选材、应用部位及声衬设计要点等.

短舱;声衬;蜂窝夹芯、降噪

航空发动机噪声不但污染环境,也会损害人们的健康,航空发动机的噪声污染正逐步受到重视,国外的发动机研发机构开发了大量的降噪技术,广泛应用于民用发动机领域.对于安装涡扇发动机的飞机上,风扇的噪声成为最主要的噪声系统,其次才是核心机排气(起飞)或飞机机体(着陆)的噪声.从声源上降低风扇噪声意味着改变风扇叶片数量或叶片造型,难度很大.因此,从传播途径上降低风扇噪声是目前最简便的方法,现有的商用发动机通过在涵道内壁安装声衬,从而降低风扇噪声.短舱大部分结构处于涵道内,因此在短舱内安装声衬是发动机降噪最有效的手段.

1 声衬结构在短舱上的应用现状

1.1 结构形式

短舱上应用的声衬结构分为两种:单自由度声衬(SDOF)和双自由度声衬(DDOF).单自由度声衬由穿孔板、蜂窝芯和背板组成,此结构形式由于工艺相对简单,结构厚度小,便于结构布置等优势,广泛应用于短舱结构中;双自由度声衬由穿孔板、蜂窝芯、中间层、蜂窝芯和背板组成,中间层可采用穿孔板、金属丝网、吸声薄膜等结构,双自由度较单自由度声衬制造难度大,但其独特优势在于可拓宽声衬的吸声频带,可显著降低短舱噪声,因此,随着短舱降噪指标的不断提高,双自由度声衬的应用范围也在不断扩大.双自由度声衬中间层有穿孔板、金属丝网、带微型孔的吸声薄膜、嵌入式消声结构等(图1),嵌入式消声结构可根据声学需要实现非等高设计,是未来声衬设计的又一全新的发展方向.

1.2 材料

图1 双自由度声衬不同结构形式

短舱声衬结构所用材料各机型略有差别. 对于工作温度较低的部位(进气道内壁板、反推外涵外壁、阻流门),声衬通常使用碳纤维面板和芳纶纸蜂窝;对于温度较高的部位(反推核心机舱罩),声衬通常使用铝面板和铝蜂窝、碳纤维面板和铝蜂窝;对于温度很高的喷管,如需使用声衬结构,应使用钛合金或高温合金材料.

1.3 短舱各部件应用情况

短舱作为飞机和发动机的主要部件,由进气道、风扇罩、反推、喷管组件等结构组成.其中进气道、反推及喷管部分零件处于涵道内,基于降噪考虑,进气道、反推和喷管部分零件可设计成声衬结构.

(1)进气道内壁板.进气道内壁板采用声衬结构,早期由于加工和结构的限制,进气道内壁板采用分块拼缝设计,A320和A340进气道内壁板分为3片或者2片.2片或3片之间的连接带(拼缝)通常坚硬且没有消声效果,这在一定程度上降低了声衬的吸声效果.随着复合材料制造技术的发展,进气道无缝声衬技术得以实现,并成功应用到飞机上,目前,最新研制的波音787、A380、C919进气道内壁板均使用无缝声衬技术,且CFM56-7B、V2500及LEAP-X短舱进气道均采用双自由度声衬.

(2)反推阻流门.反推装置利用阻流门机构运动实现反推功能,阻流门受力复杂,传统阻流门采用金属结构,如V2500采用铝合金,成型工艺采用机加;随着复合材料技术在短舱壁板类零件上的成功应用,为了减轻重量,阻流门开始使用蜂窝夹芯结构(非声衬结构),如CFM56-7B,材料采用碳纤维环氧树脂织物和芳纶纸蜂窝,成型工艺采用热压罐共固化成型;随着复合材料制造技术的不断提高,阻流门开始使用声衬结构,如LEAP-X、GEnx,材料采用碳纤维环氧树脂织物和芳纶纸蜂窝,成型工艺采用热压罐胶接固化成型.

(3)反推外涵外壁.反推外涵外壁位于涵道外侧,与阻流门一同形成反推外涵道外壁面.外涵外壁通常使用单自由度声衬结构,材料采用碳纤维环氧树脂织物和芳纶纸蜂窝.因前端与阻流门连接处存在多个三角区,导致外涵外壁结构复杂,不同机型其结构形式不同,有些机型将三角区与外涵外壁做成整体结构,如CFM56-7B,有些机型将三角度做成单独的结构,如V2500.

(4)反推核心机舱罩.核心机舱罩为与上下分墙一体化成型的单自由度声衬结构,外涵一侧为穿孔板,核心机舱罩因内部包裹核心机,工作温度相对较高,通常需在内测安装隔热毯,如CFM56-7B.核心机舱罩在选材方面略有差异,CFM56-7B采用碳纤维环氧树脂面板和碳纤维蜂窝,V2500采用铝面板和铝蜂窝,某些机型还采用碳纤维环氧树脂面板和铝蜂窝,为避免碳纤维面板与铝蜂窝发生电位腐蚀,碳纤维面板与铝蜂窝之间使用玻璃布进行隔离.

(5)喷管.喷管处于高温环境,CFM56-7B、LEAP-X及V2500等机型均使用金属钣金或机加结构,随着降噪指标的不断提高,国内外研究机构开始致力于喷管声衬结构设计、制造等技术研究工作,GKN等国外短舱研发公司已成功研制了钛合金声衬结构,并应用到机型上.

2 短舱声衬结构设计要点

2.1 排水设计

雨水、水蒸气等液体可通过穿孔板进入短舱声衬结构,因此,短舱所有处于涵道内的声衬均需进行排水设计,以进气道内壁板为例,其排水通道设计分为环向和航向排水路径设计.总体的设计思路为,水先沿环向路径流到底部,然后再沿航向路径流向排水孔,最后水从排水孔排出.

(1)环向路径设计:位于水线以上(顺时针270°～90°)的声衬结构,由于进气道内壁板具有一定的倾斜角度,水无法进入声衬结构,如果进入声衬结构,水可直接从穿孔板上的孔排出.位于水线以下(顺时针90°～270°)的声衬结构,为使水能沿环向留到底部,蜂窝芯格内壁需开排水槽,排水槽开在背板一侧(见图2).