CN104234786A - 具有花型褶皱导流管的水下多相射流消声降噪装置 - Google Patents

Abstract

具有花型褶皱导流管的水下多相射流消声降噪装置，包括管状壳体，其外壁环向开设4个通孔；壳体内固定有渐缩喷管，渐缩喷管前端为环形孔板、中部为圆筒段、后端为渐缩喷嘴，圆筒段外壁面环向开设4个通孔；环形孔板连接有前置喷管，壳体轴线上有内导管固定在渐缩喷管的内壁，内导管的前部设有叶片，内导管出口端的内壁上固定有一个多孔喷头，还有一个安装于壳体出口端的花型褶皱导流管，该花型褶皱导流管位于渐缩喷管的后方。本发明用于水下航行器排气，该装置结构紧凑，可直接安装于排气管系统内，不占用外的空间，消除气流脉动、湍射流噪声以及气泡噪声，降噪频段从脉动低频200Hz至湍射流产生的高频5000Hz，降噪效果在18dB以上。

Description

具有花型褶皱导流管的水下多相射流消声降噪装置

技术领域

本发明涉及一种具有花型褶皱导流管的水下多相射流消声降噪装置，用于水下航行器热动力系统废气排放降噪。 

背景技术

水下航行器的热动力系统排放出的高压高温废气经过喷管排入水中，形成严重的射流噪声。由于声音的传播依赖于介质的压缩性，通常水中声速约为空气中声速的4.4倍，水下噪声的传播速度比水中航行体的航速大得多。当水下航行器的热动力装置工作产生的大量废气通过出口管高速排入水中时，形成复杂的气体流动、气液两相流场结构并伴有排气辐射噪声，其声压级高、频带较宽，不仅对水下环境造成噪声污染，同时也降低了自身的隐蔽性，又对本身所载的水声设备构成自噪声干扰，限制了水下航行器的整体性能。 

水下排气过程涉及复杂的多相流动，伴有层流转捩、旋涡运动和流态变化等复杂现象，其噪声形成机理不同于空气排气噪声的产生机理。针对这类特殊的水中高速排气问题，常规的空气排气消声方法无法直接使用。现有的水下排气降噪装置大多由空气中排气消声器结构改造，这虽然节省了设计时间，但其消声效果往往难以到达相关指标，甚至增大了某些频段的声压，成为了新的噪声源。现有消声降噪装置其设计原理主要是基于空气消声原理，专利201010238161.6设计了一种扁平的消声器，该消声器主要是利用膨胀室结构的组合进行消声，气流在经过膨胀室后，声阻抗发生变化，使沿管路传播的某些特定频率的声波反射回去，达到消声目的。该专利设计的消声器主要用于汽车废气排放，涉及的流体介质主要是空气，因此该结构不适用于气液两相射流噪声消除。 

专利200620084872.1设计了一种船用马达消声器，该消声器采用了一种U型管结构，马达排放出的废气经过消声器内胆，且内胆中设置了多个消音板，该消声器依然采用了传统的空气消声器设计原理，主要是通过改变管路截面和长度来控制声抗大小进行消声。该消声器外壳浸没于水中，但消声器内主要还是以气体为主，且排气口置于空气中，因此该结构只是传统空气消声器结构的简单移植。 

目前尚未发现有针对于水下航行器高速气体射流的多相射流降噪装置。 

发明内容

本发明的目的是提供一种具有花型褶皱导流管的水下多相射流消声降噪装置，以克服现有技术的不足。 

具有花型褶皱导流管的水下多相射流消声降噪装置，其特征在于该装置包括一个管状的圆柱形壳体，该壳体在外壁环向均匀开设4个通孔； 

在壳体的位于通孔前后两侧的内壁开设两个卡环槽； 

在卡环槽后端设置挡肩，在的前端设置有挡肩； 

所述壳体内固定有渐缩喷管，该渐缩喷管前端为环形孔板、中部为圆筒段、后端为渐缩喷嘴，所述环形孔板安装在上述卡环槽与挡肩之间； 

所述圆筒段外壁面环向均匀开设4个通孔，且分别位于上述椭圆型通孔内壁面的下方； 

环形孔板的环形区间内均匀开有4个孔口，孔口之间的扇环板上开设多组小孔； 

所述的4个通孔的中轴线以及4个通孔的中轴线位于本装置的同一个径向的截面上； 

环形孔板与挡肩接触的端面上开设两圈环形槽， 

所述孔口朝向后端的一侧分别连接有前置喷管，该前置喷管的直管段直径与孔口直径相同，直管段后端连接有渐缩喷嘴； 

在卡环槽与挡肩之间安装有环形孔板，该环形孔板的内环套置在所述渐缩喷管的后端；环形孔板的环形区间内均匀开有4个孔口，所述孔口之间的扇环板上开设多组小孔，环形孔板与挡肩接触的端面上开设两圈环形槽； 

所述孔口朝向前端的一侧分别连接有后置喷管，该后置喷管的直管段直径与孔口直径相同，直管段前端连接有渐缩喷嘴；且后置喷管与其中一个前置喷管具有同一个轴线，前置喷管的喷嘴直径小于后置喷管的直径； 

所述壳体的轴线上有内导管经由前置翅片而固定在渐缩喷管的内壁，该内导管的前部设有叶片，内导管出口端的内壁上经由后置翅片固定有一个多孔喷头； 

并有前置卡环和后置卡环分别安装于上述两个卡环槽内； 

上述壳体内壁出口端开设有两个卡环槽，还有一个安装于壳体出口端的花型褶皱导流管，该花型褶皱导流管位于渐缩喷管的后方，且通过安装于卡环槽的出口内卡环和安装于卡环槽的定位内卡环进行定位。 

上述花型褶皱导流管由16个花瓣褶皱片组成；每个花瓣褶皱片端面为弧形棱，弧形棱的端部连接有两块片状体，相邻两个花瓣褶皱片的片状体由内侧弧 形棱连接；弧形棱的圆弧半径大于内侧弧形棱的圆弧半径；且花瓣褶皱片沿射流轴向方向为渐扩型结构，斜度为1-2°。 

上述通孔为椭圆锥形通孔，即外壁孔径的尺寸大于内壁孔径的尺寸；且椭圆形通孔内外孔口端面形状为椭圆形，长短轴比例介于1.5:1至2.5:1之间。 

上述渐缩喷管的圆筒段外壁面的通孔为椭圆锥形孔，椭圆形截面长短轴比例介于1.5:1至2.5:1之间，通孔的通流面积(开在外表面的大孔孔口截面面积)小于通孔的通流面积；且通孔的通道中轴线与渐缩喷管的中轴线垂直。 

上述通孔的孔道为圆柱形，且圆柱形孔道的内壁有一条边缘与渐缩V型喷管圆筒段横截面相切。 

上述渐缩喷管后端的渐缩喷嘴的端口外边缘设有6个“V”型翅片；且在两个V型翅片之间分别设置两个气流喷管。 

上述环形孔板的环形槽，是迷宫式环形槽；上述环形孔板的环形槽，也是迷宫式环形槽。 

上述喷头由外端面设有开孔的半圆封头、沿射流轴向渐扩的椎管和直管段组成；且半圆封头开孔面积不小于椎管大端的开孔面积；椎管的锥管斜度为5-7°。 

本发明针对水下高速气体射流的流场特性，针对射流气体动量大、温度高等特点，研制了适用于水下航行器排气系统的多相射流降噪装置，该装置结构紧凑，可直接安装于排气管系统内，不占用外的空间。该降噪装置基于流动控制原理，对气流进入降噪装置开始直至气流排出形成气泡的整个过程进行控制，采用多种结构组合，消除气流脉动、湍射流噪声以及气泡噪声，降噪频段从脉动低频200Hz至湍射流产生的高频5000Hz，降噪效果在18dB以上。 

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。 

图2是壳体的结构示意图(图2A立体图、图2B侧视图、图2C剖视图)。 

图3是花型褶皱导流管的结构图(图3A立体图，图3B正视图)。 

图4是多孔喷头的结构图(图4A立体图，图4B剖视图)。 

图5是渐缩喷管的立体图。 

图6是渐缩喷管的侧视图。 

图7是渐缩喷管的前视图。 

图8是图6的A-A剖视图(其中通孔15-c为圆柱形孔道)。 

图9是图6的A-A剖视图(其中通孔15-c为椭圆锥形孔道)。 

图10是环形孔板的正视图。 

图11是本发明的剖视图。 

其中，1、壳体，1-a、通孔，1-b、卡环槽，1-c、卡环槽，1-d、卡环槽，1-e、挡肩，1-f、挡肩，1-h、卡环槽；2、出口内卡环，3、花型褶皱导流管，3-a、花瓣褶皱片，3-b、弧形棱，4、定位内卡环，5、后置卡环，6、环形孔板，6-a、孔口，6-b、小孔，6-c、环形槽，7、后置喷管，8、前置喷管，9、前置卡环，10、叶片，11、内导管，12、前置翅片，13、后置翅片，14、多孔喷头，14-a、半圆封头，14-b、椎管，15、渐缩V型喷管，15-a、V型翅片，15-b、气流喷管，15-c、通孔，15-d、环形孔板，15-e、环形槽。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明： 

图1所示的总体图中具有：壳体1、出口内卡环2、花型褶皱导流管3、定位内卡环4、后置卡环5、环形孔板6、后置喷管7、前置喷管8、前置卡环9、叶片10、内导管11、前置翅片板12、后置翅片管13、多孔喷头14、渐缩V型喷管15。 

壳体1为水下多相射流消声降噪装置的外壳，所有部件均被包裹在内； 

花型褶皱导流管3安装于壳体1的出口端，通过出口内卡环2和定位内卡环4进行定位； 

环形孔板6的环板前侧面的四个对应圆孔焊接后置喷管7，并且环形孔板6与后置卡环5面接触，接触面上开设有环形密封槽； 

渐缩V型喷管15前端的圆环孔板后侧面上四个对应圆孔焊接前置喷管8，后置喷管7、前置喷管8喷嘴中轴线一致，前置喷管8的喷嘴直径小于后置喷管7的直径； 

渐缩V型喷管15通过前置卡环9固定于壳体1内，且位于叶片10的后方(以出口端为后端)，叶片10与渐缩V型喷管15间隔距离(叶片10至环形孔板15-d的距离)不低于1/2的壳体1的直径长度； 

叶片10焊接在内导管11的环向，共有12个叶片； 

渐缩V型喷管15与内导管11通过四个前置翅片12连接，多孔喷头14与内导管11通过四个后置翅片13连接，最终通过前置翅片12和后置翅片13将渐缩V型喷管15、内导管11和多孔喷头14连接起来。 

图2是壳体1的结构图，圆柱壳体1，在外壁环向开设4个通孔1-a；通孔1-a为椭圆锥孔结构，壳体1外壁对应的孔径尺寸大于内壁对应的尺寸；通孔1-a孔口端面形状为椭圆形，长短轴比例介于1.5:1至2.5:1之间(类似于图9所示的喷管的椭圆锥形通孔15-c)；壳体1内壁开设四个卡环槽1-b，1-c，1-d，1-h；在卡环槽1-d的前端设置有挡肩1-e，在卡环槽1-h后端设置挡肩1-f。 

图3是花型褶皱导流管的结构图，花型褶皱导流管3的结构由16个花瓣褶皱片3-a组成；花瓣褶皱片3-a外端面为圆弧棱3-b，圆弧棱3-b截面形状为圆弧，靠近外径处的圆弧棱3-b圆弧半径较大，靠近内径处的内圆弧棱圆弧半径较小；花瓣褶皱片3-a沿射流轴向方向为渐扩型结构，斜度为1-2°。 

图4是多孔喷头的结构图，多孔喷头14包括半圆封头14-a和椎管14-b；半圆封头14-a开孔面积不小于椎管14-b大端的开孔面积；椎管14-b的锥管斜度为5-7°。 

图5-9是渐缩喷管的示意图。 

图5是立体图，图6是侧视图，图7是前视图，图8、9是两种不同孔道的A-A剖视图。渐缩喷管15前端为环形孔板15-d；环形孔板15-d的环形区间内有4个孔口，孔口直径与前置喷管8直管段直径相同，孔口相邻之间的环形板上开设多组小孔； 

如图9，渐缩喷管15圆筒段外壁面环形开设4个椭圆锥形通孔15-c，椭圆形截面长短轴比例介于1.5:1至2.5:1之间，通孔15-c孔道与15圆筒段内壁面相切，通孔15-c在外壁面中心与通孔1-a的中心线重合，通孔15-c的通流面积小于通孔1-a的通流面积； 

或者如图8，上述通孔15-c的孔道为圆柱形，且圆柱形孔道的内壁有一条边缘与渐缩V型喷管15圆筒段横截面相切，也即最外侧距喷管轴线最远的一条边缘处于圆筒段的径向方向，且该条边缘与圆筒段横截面相切。 

渐缩喷管15前端有V型渐缩喷嘴，喷嘴边缘有6个V型翅片15-a，在两个V型翅片15-a之间设置两个小气流喷管15-b； 

环形孔板15-d上开设两条迷宫式环形槽15-e。 

迷宫式结构浸没在水下时，液体在迷宫式环形槽内形成液环，起到低泄露密封作用。迷宫式环形槽15-e与挡肩1-f端面接触，由于迷宫式环形槽内有液环，在旋转过程中，接触的两个面之间有一层液膜，起到旋转润滑的作用。 

图10是环形孔板6的正视图，其结构与渐缩喷管15的环形孔板15-d结构相仿。环形孔板6的环形区间内均匀开有4个孔口6-a，所述孔口6-a之间的扇环板上开设多组小孔6-b，环形孔板6前端面靠近边缘的位置开设两圈环形槽6-c；上述环形孔板6的环形槽6-c，也是迷宫式环形槽。 

图11是本发明的剖视图，以演示本发明的工作原理。 

高温高压废气经过降噪装置时，在区域Ⅰ，气流分成两股，一股气流经过叶片10，一股气流进入内导管11； 

经过叶片10的气流作用于叶片10上的流体力驱动叶片10旋转，由于叶片10、内导管11、多孔喷头14、渐缩V型喷管15、前置喷管8均通过不同的连接方式连接在一起，因此以上结构一起旋转； 

流经叶片10气流部分能量作用于叶片旋转，速度和压力有所降低，随后经过环形孔板15-d的孔口和前置喷管8进入区域Ⅱ中，进入前置喷管8中的气流经过渐缩的喷嘴射入后置喷管7对应的渐缩喷嘴中，由于在前置喷管8、后置喷管7喷嘴之间的气流速度较大，压力低于壳体1的外界压力，外界海水经壳体1上开设有4个通孔1-a流入区域Ⅱ中的腔体，由于内外压差作用，进入腔体的海水具有一定的初速度，该腔体海水部分经通孔15-c的孔道进入渐缩V型喷管15内壁，本发明的通孔15-c可采用图8或图9所示的两种结构； 

当通孔15-c采用图8所示的圆柱型切向通道时，其结构优势在于液体进入结构15后，由于通孔15-c与内壁相切，以及渐缩V型喷管15的旋转，进入渐缩V型喷管15内的海水随管壁一起做旋转运动，能够在渐缩喷管15的内壁面形成液膜，进入渐缩V型喷管15的气体在壁面附近的海水发生热交换；因此不仅可降低气体温度，还可在15-a的边缘形成液膜边界层，降低该处喷注气流射流强度。 

当通孔15-c采用垂直于渐缩喷管15轴线的椭圆锥形通道时，其结构优势在于液体进入结构渐缩喷管15后，液体进入流经15气流的中心区域，由于椭圆 形通道有利于液膜破碎，因此在渐缩喷管15通道内的靠近中心轴线附件形成大量小液滴，这些小液滴在高速气流作用下动量增加，不仅降低了渐缩喷管15管内的气流温度，同时也降低了渐缩喷管15管内的气流湍动能强度。 

进入内导管11的气流部分经过多孔喷头14的孔洞射出，形成小孔喷注，由于多孔喷头14腔体结构，可消除气流脉动；部分气流经内导管11与多孔喷头14之前的渐扩通道进入渐缩V型喷管15中，与渐缩V型喷管15中的冷却气流汇聚到一起经V型翅片15-a喷出，流经区域Ⅱ的流体部分进入气流喷管15-b中，并射入汇聚气流中，结合V型翅片15-a的V型结构，内外气流与外界海水掺混剧烈，射流核心区域减小，并在喷嘴口附近与海水掺混形成了大量小气泡，降低了水下气体射流的两相流噪声； 

区域Ⅱ和Ⅲ的流体汇聚至一起进入区域Ⅳ，并经过花型褶皱导流管3射入海水中，由于花瓣褶皱片3-a形状扁平，海水与气泡在狭长的通道内相互作用，耗散了大量的流体能量。 

原本直接排放的高压高温废气经过降噪装置后不仅降低了温度，同时也可消除脉动，降低射流强度，在流经装置每段区域时，分段耗散能量，同时减小了气体射入水中的气泡体积，有效的控制水下射流噪声。 

Claims (8)

1.具有花型褶皱导流管的水下多相射流消声降噪装置，其特征在于该装置包括一个管状的圆柱形壳体(1)，该壳体(1)在外壁环向均匀开设4个通孔(1-a)；

在壳体(1)的位于通孔(1-a)前后两侧的内壁开设两个卡环槽(1-h、1-d)；

在卡环槽(1-h)后端设置挡肩(1-f)，在(1-d)的前端设置有挡肩(1-e)；

所述壳体(1)内固定有渐缩喷管(15)，该渐缩喷管(15)前端为环形孔板(15-d)、中部为圆筒段、后端为渐缩喷嘴，所述环形孔板(15-d)安装在上述卡环槽(1-h)与挡肩(1-f)之间；

所述圆筒段外壁面环向均匀开设4个通孔(15-c)，且分别位于上述椭圆型通孔(1-a)内壁面的下方；

环形孔板(15-d)的环形区间内均匀开有4个孔口(15-g)，孔口(15-g)之间的扇环板上开设多组小孔(15-f)；

所述的(4)个通孔(1-a)的中轴线以及4个通孔(15-c)的中轴线位于本装置的同一个径向的截面上；

环形孔板(15-d)与挡肩(1-f)接触的端面上开设两圈环形槽(15-e)，

所述孔口(15-g)朝向后端的一侧分别连接有前置喷管(8)，该前置喷管(8)的直管段直径与孔口(15-g)直径相同，直管段后端连接有渐缩喷嘴；

在卡环槽(1-d)与挡肩(1-e)之间安装有环形孔板(6)，该环形孔板(6)的内环套置在所述渐缩喷管(15)的后端；环形孔板(6)的环形区间内均匀开有(4)个孔口(6-a)，所述孔口(6-a)之间的扇环板上开设多组小孔(6-b)，环形孔板(6)与挡肩(1-e)接触的端面上开设两圈环形槽(6-c)；

所述孔口朝向前端的一侧分别连接有后置喷管(7)，该后置喷管(7)的直管段直径与孔口直径相同，直管段前端连接有渐缩喷嘴；且后置喷管(7)与其中一个前置喷管(8)具有同一个轴线，前置喷管(8)的喷嘴直径小于后置喷管(7)的直径；

所述壳体(1)的轴线上有内导管(11)经由前置翅片(12)而固定在渐缩喷管(15)的内壁，该内导管(11)的前部设有叶片(10)，内导管(11)出口端的内壁上经由后置翅片(13)固定有一个多孔喷头(14)；

并有前置卡环(9)和后置卡环(5)分别安装于上述两个卡环槽(1-h)和卡环槽(1-d)内；

上述壳体(1)内壁出口端开设有两卡环槽(1-b)，和卡环槽(1-c)，还有一个安装于壳体(1)出口端的花型褶皱导流管(3)，该花型褶皱导流管(3)位于渐缩喷管(15)的后方，且通过安装于卡环槽(1-b)的出口内卡环(2)和安装于卡环槽(1-c的定位内卡环(4)进行定位。

2.如权利要求1所述的具有花型褶皱导流管的水下多相射流消声降噪装置，其特征在于上述花型褶皱导流管(3)由16个花瓣褶皱片(3-a)组成；每个花瓣褶皱片(3-a)端面为弧形棱(3-b)，弧形棱(3-b)的端部连接有两块片状体，相邻两个花瓣褶皱片(3-a)的片状体由内侧弧形棱连接；弧形棱(3-b)的圆弧半径大于内侧弧形棱的圆弧半径；且花瓣褶皱片(3-a)沿射流轴向方向为渐扩型结构，斜度为1-2°。

3.如权利要求1所述的具有花型褶皱导流管的水下多相射流消声降噪装置，其特征在于上述通孔(1-a)为椭圆锥形通孔，即外壁孔径的尺寸大于内壁孔径的尺寸；且椭圆形通孔(1-a)内外孔口端面形状为椭圆形，长短轴比例介于1.5:1至2.5:1之间。

4.如权利要求3所述的具有花型褶皱导流管的水下多相射流消声降噪装置，其特征在于上述渐缩喷管(15)的圆筒段外壁面的通孔(15-c)为椭圆锥形孔，椭圆形截面长短轴比例介于1.5:1至2.5:1之间，通孔(15-c)的通流面积小于通孔(1-a)的通流面积；且通孔(15-c)的通道中轴线与渐缩喷管(15)的中轴线垂直。

5.如权利要求1所述的具有花型褶皱导流管的水下多相射流消声降噪装置，其特征在于上述通孔(15-c)的孔道为圆柱形，且圆柱形孔道的内壁有一条边缘与渐缩V型喷管(15)圆筒段横截面相切。

6.如权利要求1所述的具有花型褶皱导流管的水下多相射流消声降噪装置，其特征在于上述渐缩喷管后端的渐缩喷嘴的端口外边缘设有6个“V”型翅片(15-a)；且在两个V型翅片(15-a)之间分别设置两个气流喷管(15-b)。

7.如权利要求1所述的具有花型褶皱导流管的水下多相射流消声降噪装置，其特征在于上述环形孔板(15-d)的环形槽(15-e)，是迷宫式环形槽；上述环形孔板(6)的环形槽(6-c)，也是迷宫式环形槽。

8.如权利要求1所述的具有花型褶皱导流管的水下多相射流消声降噪装置，其特征在于上述喷头(14)由外端面设有开孔的半圆封头(14-a)、沿射流轴向渐扩的椎管(14-b)和直管段组成；且半圆封头(14-a)开孔面积不小于椎管(14-b)大端的开孔面积；椎管(14-b)的锥管斜度为5-7°。