聲襯技術(shù)在大涵道比發(fā)動機短艙上的應用

張英杰

(中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司,上海 200241)

聲襯技術(shù)在大涵道比發(fā)動機短艙上的應用

張英杰

(中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司,上海 200241)

航空發(fā)動機噪聲不但污染環(huán)境,也會損害人們的健康,航空發(fā)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(xiàn)有的商用發(fā)動機通過在涵道內(nèi)壁安裝聲襯,從而降低風扇噪聲.短艙大部分結(jié)構(gòu)處于涵道內(nèi),因此,在短艙內(nèi)安裝聲襯是發(fā)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(nèi)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(shù)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(xiàn)狀,包括聲襯結(jié)構(gòu)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(fā)動機噪聲不但污染環(huán)境,也會損害人們的健康,航空發(fā)動機的噪聲污染正逐步受到重視,國外的發(fā)動機研發(fā)機構(gòu)開發(fā)了大量的降噪技術(shù),廣泛應用于民用發(fā)動機領(lǐng)域.對于安裝渦扇發(fā)動機的飛機上,風扇的噪聲成為最主要的噪聲系統(tǒng),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(shù)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(xiàn)有的商用發(fā)動機通過在涵道內(nèi)壁安裝聲襯,從而降低風扇噪聲.短艙大部分結(jié)構(gòu)處于涵道內(nèi),因此在短艙內(nèi)安裝聲襯是發(fā)動機降噪最有效的手段.

1 聲襯結(jié)構(gòu)在短艙上的應用現(xiàn)狀

1.1 結(jié)構(gòu)形式

短艙上應用的聲襯結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式由于工藝相對簡單,結(jié)構(gòu)厚度小,便于結(jié)構(gòu)布置等優(yōu)勢,廣泛應用于短艙結(jié)構(gòu)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(wǎng)、吸聲薄膜等結(jié)構(gòu),雙自由度較單自由度聲襯制造難度大,但其獨特優(yōu)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(wǎng)、帶微型孔的吸聲薄膜、嵌入式消聲結(jié)構(gòu)等(圖1),嵌入式消聲結(jié)構(gòu)可根據(jù)聲學需要實現(xiàn)非等高設計,是未來聲襯設計的又一全新的發(fā)展方向.

1.2 材料

圖1 雙自由度聲襯不同結(jié)構(gòu)形式

短艙聲襯結(jié)構(gòu)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(nèi)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(jié)構(gòu),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(fā)動機的主要部件,由進氣道、風扇罩、反推、噴管組件等結(jié)構(gòu)組成.其中進氣道、反推及噴管部分零件處于涵道內(nèi),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(jié)構(gòu).

(1)進氣道內(nèi)壁板.進氣道內(nèi)壁板采用聲襯結(jié)構(gòu),早期由于加工和結(jié)構(gòu)的限制,進氣道內(nèi)壁板采用分塊拼縫設計,A320和A340進氣道內(nèi)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(shù)的發(fā)展,進氣道無縫聲襯技術(shù)得以實現(xiàn),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(nèi)壁板均使用無縫聲襯技術(shù),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(gòu)運動實現(xiàn)反推功能,阻流門受力復雜,傳統(tǒng)阻流門采用金屬結(jié)構(gòu),如V2500采用鋁合金,成型工藝采用機加;隨著復合材料技術(shù)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(jié)構(gòu)(非聲襯結(jié)構(gòu)),如CFM56-7B,材料采用碳纖維環(huán)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(shù)的不斷提高,阻流門開始使用聲襯結(jié)構(gòu),如LEAP-X、GEnx,材料采用碳纖維環(huán)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(cè),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(jié)構(gòu),材料采用碳纖維環(huán)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(qū),導致外涵外壁結(jié)構(gòu)復雜,不同機型其結(jié)構(gòu)形式不同,有些機型將三角區(qū)與外涵外壁做成整體結(jié)構(gòu),如CFM56-7B,有些機型將三角度做成單獨的結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu),外涵一側(cè)為穿孔板,核心機艙罩因內(nèi)部包裹核心機,工作溫度相對較高,通常需在內(nèi)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(huán)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(huán)氧樹脂面板和鋁蜂窩,為避免碳纖維面板與鋁蜂窩發(fā)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(huán)境,CFM56-7B、LEAP-X及V2500等機型均使用金屬鈑金或機加結(jié)構(gòu),隨著降噪指標的不斷提高,國內(nèi)外研究機構(gòu)開始致力于噴管聲襯結(jié)構(gòu)設計、制造等技術(shù)研究工作,GKN等國外短艙研發(fā)公司已成功研制了鈦合金聲襯結(jié)構(gòu),并應用到機型上.

2 短艙聲襯結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),因此,短艙所有處于涵道內(nèi)的聲襯均需進行排水設計,以進氣道內(nèi)壁板為例,其排水通道設計分為環(huán)向和航向排水路徑設計.總體的設計思路為,水先沿環(huán)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(huán)向路徑設計:位于水線以上(順時針270°～90°)的聲襯結(jié)構(gòu),由于進氣道內(nèi)壁板具有一定的傾斜角度,水無法進入聲襯結(jié)構(gòu),如果進入聲襯結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu),為使水能沿環(huán)向留到底部,蜂窩芯格內(nèi)壁需開排水槽,排水槽開在背板一側(cè)(見圖2).

圖2 進氣道內(nèi)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(shù)量需根據(jù)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(jié)構(gòu)參數(shù)的定義

聲襯結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設計時,應與降噪、強度、制造專業(yè)充分溝通,設計之初應進行大量聲學分析,且應基于試驗結(jié)果或機型經(jīng)驗進行參數(shù)定義.

3 結(jié)語

隨著我國民航業(yè)的發(fā)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(xiàn)狀,包括聲襯結(jié)構(gòu)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(jīng)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.

[1]肖宇. 航空發(fā)動機高溫材料發(fā)展趨勢[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè),2008 ,(14):105.

[2]彭森. 大型民用客機短艙降噪技術(shù)進展[J]. 科技信息,2011 (24) :751-752.

V23

A

1671-0711(2017)11(下)-0119-02