CN105103217A

CN105103217A - 燃气涡轮进气口消声器

Info

Publication number: CN105103217A
Application number: CN201480006186.XA
Authority: CN
Inventors: R·A·帕特南
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-01-30
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2015-11-25
Also published as: EP2951812A1; WO2014118058A1; US20140212265A1; JP2016505772A; RU2015136879A

Abstract

一种用于对从去往空气进气机器的流动路径的进气口发射的声音进行衰减的系统，包括具有进气和出气通路的进气导管结构。平面涡流生成器相邻于该出气通路进行定位并且形成与从该机器的进气口所发射的具体音调声频进行交互的涡流以便在该涡流生成器实现驻波的形成。该驻波具有从声音反射壁进行反射以形成反射分量的上游传播分量，该反射分量与该上游传播分量形成干涉以使得来自该机器的进气口的具体音调声频衰减。

Description

燃气涡轮进气口消声器

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及用于对从到该燃气涡轮发动机的进气口的发射的声音进行衰减的进气口消声器。

背景技术

用于发电的燃气涡轮发动机包括压缩机，其用于为该发动机提供压缩空气，后者与燃料混合并且点燃从而产生热的工作气体，并且该热的工作气体通过涡轮部分进行引导以从该发动机产生工作输出。该压缩机包括由多排旋转扇叶和静止叶片的配对所形成的多个分级。该旋转扇叶由于与扇叶和被吸入压缩机的空气的交互相关的各种不同现象的交互而产生进气噪声，并且产生宽带噪声和扇叶通过的不连续声调。

已经实施了各种机制对从压缩机进气口所发出的噪声进行抑制。例如，可以在进气过滤部件和压缩机之间在压缩机进气导管处安装声音吸收的平行进气口挡板，以吸收压缩机的进气口噪声。然而，这样的挡板结构可能限制空气流动并且使得在压缩机进气口提供噪声衰减的代价有实质性的增加。

发明内容

依据本发明的一个方面，提供了一种用于对从去往空气进气机器的流动路径的进气口发射的声音进行衰减的系统。该系统包括具有进气通路以及该进气通路下游的出气通路的进气导管结构，该出气通路定义了总体上垂直于通过该出气通路的流动而沿翼展方向进行延伸的出气平面。涡流生成器相邻于该出气通路进行定位或处于其上游，该涡流生成器跨该出气通路进行延伸并且定义了一个平面。该涡流生成器形成与从该机器的进气口所发射的具体音调声频进行交互的涡流从而实现驻波的形成。声音反射壁在该进气和出气通路之间而位于该进气导管上，位于该涡流生成器的上游并且总体上平行于该涡流生成器的平面进行定向。该驻波具有从该声音反射壁进行反射以形成反射分量的上游传播分量，该反射分量与该上游传播分量干涉以衰减来自该机器的进气口的具体音调声频。

该涡流生成器可以包括跨该出气通路在翼展方向以相互平行且成间隔关系的行进行延伸的多个涡流产生杆体，并且该杆体在总体上平行于出气平面的平面中在其下游侧形成尾流涡流(wakeshedvortices)。

该杆体可以具有定义直径的圆形横截面，并且至少一个杆体可以具有不同于至少另一个杆体的直径。

特定杆体的直径可以参照每个特定杆体的位置处的气流的平均速率进行选择。

从杆体到声音反射壁的距离可以根据杆体的直径而有所变化。

两行或更多行的杆体可以在通过出气通路的流动方向彼此间隔开来，其中第一行杆体中的杆体可以在垂直于出气口平面延伸的方向与第二行杆体中的杆体对齐，并且可以形成共线或错列的阵列。

该声音反射壁可以平行于该涡流生成器的平面而位于进气和出气通路之间流动方向发生变化的接合点处。

该空气进气机器可以是燃气涡轮发动机，其具有包括旋转扇叶行的压缩机，并且该具体音调声频可以是至少一个旋转扇叶行所形成的扇叶通过频率。

该驻波可以具有对应于该扇叶通过频率的频率，并且该涡流生成器可以相对于该声音反射壁进行定位而使得该驻波与声音反射壁之间的距离d等于n(λ/4)，其中n是奇数整数并且λ是该扇叶通过频率的波长。

该涡流生成器和声音反射壁中的至少一个能够相对于该涡流生成器和声音反射壁中的另外一个进行移动以对距离d进行调节。

该进气导管结构除了该声音反射壁以外的内表面以声音吸收结构作为内衬。

依据本发明的另一个方面，提供了一种对从去往空气进气机器的流动路径的进气口发射的声音进行衰减的方法。该方法包括通过具有进气通路和出气通路的进气导管结构提供空气流动，该出气通路定义了总体上垂直于通过该出气通路的流动而沿翼展方向进行延伸的出气平面；引导空气流动通过相邻于该出气通路或在其上游进行定位的涡流生成器以形成涡流，该涡流与从该机器的进气口所发射的具体音调声频进行交互从而实现驻波的形成；提供声音反射壁，其在该涡流生成器的上游位于该进气和出气通路之间的该进气导管上并且总体上平行于该涡流生成器的平面进行定向；并且其中该驻波具有从该声音反射壁进行反射以形成反射分量的上游传播分量，该反射分量与该上游传播分量干涉以衰减来自该机器的进气口的具体音调声频。

引导空气流动通过涡流生成器的步骤可以包括提供以相互平行且成间隔关系的行进行延伸的多个杆体，并且引导空气流动通过该杆体之间的空间。该驻波可以在与该行杆体在下游间隔开来的平面中形成，并且多个杆体可以位于距该驻波平面的不同距离处。

该方法可以进一步包括形成驻波而使得其在该上游传播分量从该声音反射壁进行反射之后具有与该具体音调声频形成破坏性干涉的频率。

该方法可以进一步包括使得该涡流生成器和声音反射壁中的至少一个相对于该涡流生成器和声音反射壁中的另一个进行移动而调节该涡流生成器和声音反射壁之间的距离以调谐该反射分量，从而与该具体音调声频形成破坏性干涉。

附图说明

虽然说明书以特别指出本发明并且对其明确要求保护的权利要求作为结束，但是相信本发明将通过以下结合附图所进行的描述而获得更好的理解，其中同样的附图标记指代同样的要素，并且其中：

图1是被配置为整合本发明的多个方面的燃气涡轮发动机图形视图；

图2是依据本发明多个方面的包括声音衰减系统的进气导管的截面图；

图3是沿图2中的线3-3所取得的进气导管的截面图；

图4是图2中的区域A的放大图，其以图形方式图示了驻波；

图5是沿图3中的线5-5所取得的截面图；

图6是图示出具有不同大小的杆体的涡流生成器的截面图；和

图7A和7B是示出具有两行杆体的涡流生成器的可替换实施例的截面图。

具体实施方式

在以下对优选实施例的详细描述中，对形成这里的一部分并且其中通过说明而非限制性示出可以在其中对本发明进行实践的具体优选实施例的附图加以参考。所要理解的是，可以采用其它实施例并且可以作出变化而并不背离本发明的精神和范围。

参考图1，依据本发明的一个方面，在去往空气进气机器的流动路径的进气口处提供了进气口消音器。在所图示的实施例中，该空气进气机器是燃气涡轮发动机10，诸如在发电厂中使用的燃气涡轮发动机10。发动机10包括压缩机12，其通过压缩机进气导管结构或进气导管14接收空气。所图示的进气导管可以位于进气过滤部件(未示出)的下游。该压缩机将经压缩的空气送至燃烧室16，空气在那里与燃料进行燃烧以产生用于发动机10的涡轮部分18的热的工作气体，而产生工作输出以便诸如对发电机(未示出)进行供能。

参考图2和3，所图示的实施例的进气导管14具有总体上为矩形的横截面，然而可以理解的是，这里所描述的本发明的多个方面可以在具有诸如圆形配置的其它配置的进气导管14中实施。进气导管14包括由第一和第二侧壁20、22以及连接侧壁20、22的外壁和内壁24、26所形成的进气通路28。如图2中所看到的，该进气通路定义了第一中心轴线A₁。

出气通路30位于进气通路28和压缩机进气壳32之间，并且可以在出气通路30和压缩机进气壳32之间的连接处提供膨胀接头34。出气通路30包括第一和第二侧壁36、38，它们可以与进气通路28的第一和第二侧壁20、22是连续的。第一和第二壁36、38由延伸至进气通路28的内壁26的前壁40以及延伸至进气通路28的外壁24的后壁42所连接。出气通路30定义了第二中心轴线A₂，其可以总体上与进气通路28的第一中心轴线A₁垂直。进入压缩机12的气流F₁可以通过总体上平行于第一中心轴线A₁的进气通路28而进入到进气导管14中，并且在进气和出气通路28、30之间的接合点处—即总体上由44所指示的区域—改变方向，并且进一步可以作为总体上平行于第二中心轴线A₂的气流F₂进行至压缩机进气壳32。

应当注意的是，虽然所描述的进气导管14作为优选实施例而被描述为具有定向不同的进气和出气通路28、30，但是只要声音反射壁的平面平行于涡流生成器Po的平面，进气和出气通路28、30可以成与相对于彼此垂直不同的角度。

参考图3，压缩机12包括排列为一行圆周分布的扇叶46的多个可旋转扇叶46，图3中描绘了其中的第一行。在涡轮发动机10特别是压缩机12的操作产生被发射至进气导管14的宽范围的声音频率的同时，扇叶46的旋转产生具体音调声频。特别地，第一行扇叶46的旋转产生一种具体音调声频并且处于足够大的振幅，其形成了本发明的多个方面被配置为对其进行衰减的主导频率。该主导或具体音调声频被认为是“纯音调”，它是具有对应于第一行扇叶46的扇叶通过频率的单一频率所组成的线状谱的信号，并且在这里被称作“主导压缩机音调”。

依据本发明的多个方面，提供相邻于出气通路30、在其上游或者在其之中进行定位的涡流生成器48。在图2和3所图示的实施例中，涡流生成器48位于去往出气通路30的入口之内并且包括多个圆柱形管道或杆体50。杆体50以彼此成间隔关系的方式在定义跨出气通路30的宽度w进行延伸的平面P_V的阵列或行中进行排列。杆体50的阵列的平面P_V总体上垂直于出口通路30的第二中心轴线A₂进行定向。

参考图4，如以下更为详细描述的，杆体50具有直径D，其被选择而以特定频率或者在限定频率范围内在每个杆体50的下游产生尾流涡流52，上述特定频率或限定频率范围与主导压缩机音调重叠。所图示的处于每个杆体50下游的尾流涡流52一般被称作VonKármán涡街。除了被提供以特定直径D之外，杆体50被中心至中心的间隔X(参见图5)所隔开，以允许充分的流通过杆体50的侧面而形成VonKármán涡街，以及充分接近地进行定位而使得每个杆体50的尾流涡流52与相邻杆体50的尾流涡流52形成交互。

由于发动机10在发电厂中使用，其针对任意负载以设计速率进行操作，扇叶46的旋转速率将基本上保持恒定，而使得主导压缩机音调在发动机10的操作始终都基本上将不会发生变化。另外，由于燃气涡轮发动机是“体积恒定的机器”，所以被吸入进气导管44并经过杆体50的空气流的速率将基本上保持恒定。因此，在杆体50的下游所形成的尾流涡流52将关于主导压缩机音调处于基本上恒定的频率关系。

可以注意到的是，尾流涡流52的频率在正常情况下将会在频率范围内出现漂移或变化，而使得频率沿杆体50的跨度通常并不恒定。然而，通过将诸如由主导压缩机音调E1所提供的强烈声场叠加在杆体50的标称散发频率上，该散发频率将在二维片或平面中变为同相且统一的，即形成耦合。

特别地，尾流涡流52与从压缩机12所发射的主导压缩机音调积极地进行交互而形成“锁定”现象，后者以与主导压缩机音调相同的频率形成相干波的平面，并且如图4所示，被描绘为杆体50下游总体上平面的区域56中的驻波54。驻波54的区域56通常位于杆体50下游的一至五个杆体直径处。驻波54垂直于杆体阵列的平面P_V。宽度w可以被选择为使得在出气通路30中所定义的矩形体积的横向声音模式为驻波54的波长的整数倍，即使该横向模式仅与强烈主导压缩机音调声场E1形成弱交互，并且如以下进一步描述的，该横向模式的潜在强度由于内衬在壁40和42上的吸音壁而被最小化。

驻波54具有利用进气通路28朝向接合点44行进的平面波振面的形式的上游传播分量58。声音反射壁60被定位为在相邻于接合点44的外壁24处得到支撑并且与杆体50的阵列轴向对齐。如在图2中所看到的，第二中心轴线A₂通过杆体50的平面P_V以及反射壁60。反射壁60由诸如硬壁材料之类的材料所形成以有效地对驻波54的上游传播分量58进行声音反射。反射壁60平行于平面区域56所定义的平面P₀(参见图4)进行定向，而使得所反射的波振面62平行于上游传播分量58且与其成相反方向从反射壁60进行反射。该平面P₀定义了上游传播的波58的有效原点。

从驻波54的平面P₀到反射壁60的距离d优选地等于n的值(λ/4)，其中n是奇数整数并且λ是驻波54的波长。因此，反射波振面62具有相同波长但是相位与在平面区域56所产生的上游传播分量58的波振面相差半个波长，这使得在反射波振面62和上游传播分量58之间出现破坏性干涉，这导致扇叶通过频率有所衰减。

可以注意到的是，这里所描述的声音衰减系统所提供的破坏性干涉的重要之处在于，进气导管14内的主导压缩机音调通常并不是统一波振面的形式，并且因此在正常情况下不容易受到破坏性干涉的影响。尾流涡流的频率以及主导压缩机音调进行协调而形成“锁定”波振面，其有利于作为相位与上游传播的波振面58有所相差的反射波振面62从反射壁60进行反射以便形成破坏性干涉。

诸如振幅或能量低于主导压缩机音调的频率的宽带进气口噪声之类的其它噪声频率可以通过常规的进气口消音器结构进行弱化或衰减。例如，侧壁20、22、36、38，外壁24中并不包括反射壁60的部分，内壁26以及前壁和后壁40、42可以被提供以吸音内衬系统，其诸如可以由位于吸音玻璃纤维垫结构63前方的穿孔板61所形成(图2)。

反射壁60可以得到支撑以便朝向和远离驻波54的平面P₀进行移动，从而通过将距离d调节为等于n(λ/4)而对声音衰减系统进行“调谐”，其中n是奇数整数。例如，反射壁60可能进行移动从而在沿第二中心轴线A₂的方向将距离d调节大约7至8厘米。这样的系统调谐例如对于针对由于送入进气口结构14的空气的环境温度改变所导致的变化所进行调节，并且对于在安装期间对系统进行精细调谐而言可能是必要的。如在图2中以图形描绘的，反射壁60可以被致动器64所致动以便相对于外壁24进行移动。致动器64可以是任意的常规致动器，例如可手动调节的机构，或者由伺服电机、气动或液压所致动的线性致动器。除此之外或作为替代，移动反射壁60以对该声音衰减系统进行调谐，杆体50的阵列诸如可以由在图3中以图形描绘的致动器66所致动以便相对于反射壁60进行移动。

可以注意到的是，在杆体50下游所形成的尾流涡流52的频率并非必然为了“锁定”现象的发生而与主导压缩机音调完全相同。只要与主导压缩机音调相关联的声场处于将会在没有主导压缩机音调影响的情况下形成的尾流涡流频率的约±10％至±20以内，两个声场就将会“锁定”而形成驻波54。

将在没有主导压缩机音调的声场的情况下在杆体50之后所形成的频率f由如下将VonKármán涡街中的涡流频率与Strouhal数相关联的等式所描述：

f＝(S·u)/D

其中：

S是Strouhal数，这是通常对于隔离杆体大约等于0.2的无量

纲数；

u是通过杆体的流的平均速率(米/秒)；和

D是杆体直径(米)

从以上等式能够看出，为了将VonKármán涡街所产生的频率与主导压缩机音调的频率相匹配，杆体直径D可以参照流过杆体50的空气的速率进行选择，该速率将基本上由发动机10的设计体积流所确定。

与流动方向正交的跨进气导管的速率分布可能实质性地发生变化并且因此会产生尾流频率跨杆体阵列52的相关联变化。例如，与相邻于壁部相比，空气流动可以朝向出气口通路30的中心具有更高的速率。为了跨杆体50的阵列保持基本上恒定的频率，与流速较高的位置中较小直径的杆体50相比，可以在流速较低的位置提供更大直径的杆体50。此外，由于从任何给定杆体50到相关联涡流的声音声场的有效位置的距离是杆体50的直径的函数，所以每个杆体50到反射器60的距离应当进行调节以将杆体50的声音声场置于平面P₀的位置。

图6中图示了具有不同直径的杆体50的示例性阵列，其中假设在相邻于壁部40、42处可能出现比朝向通路30中心更低的流速。在该所图示的实施例中，更小直径的杆体50相邻于壁部40、42进行定位，并且这些较小直径的杆体50的位置更接近于反射壁60，而使得杆体50的阵列朝向通路30的中心向外成角度定向(即，在上游成角度)，如角度α、β所描绘。应当注意的是，图6所示的杆体50的直径变化有所放大，并且杆体50的带角度阵列被描绘为具有放大的角度，然而杆体50相对于彼此的实际移位则处于数毫米的量级，诸如约1至10毫米的沿第二中心轴线A₂的移位。

应当注意的是，由于进气口导管14内的速率场也可能沿杆体50的长度而变化，所以一个或多个杆体50的直径可以沿杆体长度有所变化。因此，任何具有变化直径的杆体50也可以有效地沿杆体50的长度形成角度从而将杆体50的声音声场置于平面P₀的位置。

主导压缩机音调的频率通常处于1000Hz的量级，并且进气口导管14内的局部速率可以如大约20m/s那么低。因此，利用大约0.2的Strouhal数，所要求的杆体直径将大约为4mm。依据另外的方面并且参考图7A和7B，图示了声音衰减系统的可替换配置，其包括沿第二中心轴线A₂间隔定位的两行杆体50a和50b。如本领域已知的，附加的杆体集合增大了Strouhal数而使得可以在涡流生成器中实施更大直径、结构上更强的杆体。图7A图示出杆体的行50a、50b可以互相轴向对齐。图7B示出杆体的行50a、50b可以在轴向相对于彼此存在位移。另外，应当注意的是，在本发明的范围之内可以提供多于两行的杆体50。

此外，应当理解的是，可以提供相对于进气口导管14的声音衰减系统的可替换配置。例如，反射壁60并非必须要位于进气口导管14中出现流动方向的每个变化的地方，并且反射壁60可以位于其能够平行于驻波54的平面P₀进行定位的任意上游位置。

虽然已经图示并描述了本发明的特定实施例，但是本领域技术人员将会显而易见的是，能够作出各种其它变化和修改而并不背离本发明的精神和范围。因此，所附权利要求意在覆盖处于本发明范围之内的所有这些变化和修改。

Claims

1.一种用于对从去往空气进气机器的流动路径的进气口发射的声音进行衰减的系统，所述系统包括：

具有进气通路以及所述进气通路下游的出气通路的进气导管结构，所述出气通路定义了总体上垂直于通过所述出气通路的流而沿翼展方向进行延伸的出气平面；

涡流生成器，其相邻于所述出气通路或在所述出气通路的上游进行定位，所述涡流生成器跨所述出气通路进行延伸并且定义了平面，所述涡流生成器产生与从所述机器的进气口所发射的具体音调声频进行相互作用的涡流从而实现驻波的形成；

声音反射壁，其在所述进气通路和出气通路之间而位于所述进气导管上，位于所述涡流生成器的上游并且总体上平行于所述涡流生成器的平面进行定向，

其中所述驻波具有从所述声音反射壁进行反射以形成反射分量的上游传播分量，所述反射分量与所述上游传播分量干涉以衰减来自所述机器的所述进气口的具体音调声频。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述涡流生成器包括跨所述出气通路在所述翼展方向相互平行且成间隔关系而按照行延伸的多个涡流产生杆体，并且所述杆体在总体上平行于所述出气平面的平面中在其下游侧形成尾流涡流。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述杆体具有定义直径的圆形横截面，并且所述杆体中的至少一个具有不同于所述杆体中的至少另一个的直径。

4.根据权利要求3所述的系统，其中特定杆体的直径参照所述特定杆体中的每一个杆体的位置处的气流的平均速率进行选择。

5.根据权利要求4所述的系统，其中从所述杆体到所述声音反射壁的距离根据所述杆体的直径而变化。

6.根据权利要求2所述的系统，包括在通过所述出气通路的流动方向彼此间隔开来的两行或更多行的杆体，其中第一行杆体中的杆体在垂直于所述出气平面延伸的方向上与第二行杆体中的杆体对齐，并且形成共线或错列的阵列。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述声音反射壁平行于所述涡流生成器的平面而位于所述进气通路和出气通路之间的流动方向发生变化的接合点处。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述空气进气机器是燃气涡轮发动机，其具有包括旋转扇叶行的压缩机，并且所述具体音调声频是所述旋转扇叶行中的至少一行所形成的扇叶通过频率。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述驻波具有对应于所述扇叶通过频率的频率，并且所述涡流生成器相对于所述声音反射壁进行定位而使得所述驻波与所述声音反射壁之间的距离d等于n(λ/4)，其中n是奇数整数并且λ是所述扇叶通过频率的波长。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述涡流生成器和所述声音反射壁中的至少一个能够相对于所述涡流生成器和所述声音反射壁中的另外一个进行移动以对距离d进行调节。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述进气导管结构除了所述声音反射壁以外的内表面以声音吸收结构作为内衬。

12.一种对从去往空气进气机器的流动路径的进气口发射的声音进行衰减的方法，所述方法包括：

通过具有进气通路和出气通路的进气导管结构提供气流，所述出气通路定义了总体上垂直于通过所述出气通路的流动而沿翼展方向进行延伸的出气平面；

引导所述气流通过相邻于所述出气通路或在所述出气通路上游进行定位的涡流生成器以形成涡流，所述涡流与从所述机器的所述进气口所发射的具体音调声频进行交互从而实现驻波的形成；

提供声音反射壁，其在所述涡流生成器的上游位于所述进气通路和出气通路之间的所述进气导管上并且总体上平行于所述涡流生成器的平面进行定向；并且

其中所述驻波具有从所述声音反射壁进行反射以形成反射分量的上游传播分量，所述反射分量与所述上游传播分量形成干涉以使得来自所述机器的所述进气口的具体音调声频衰减。

13.根据权利要求12所述的方法，其中引导气流通过涡流生成器包括提供相互平行且成间隔关系而按照行延伸的多个杆体，并且引导气流通过所述杆体之间的空间。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述驻波在与所述行杆体在下游间隔开来的平面中形成。

15.根据权利要求14所述的方法，其中多个所述杆体位于距所述驻波的平面的不同距离处。

16.根据权利要求12所述的方法，其中所述驻波在所述上游传播分量从所述声音反射壁进行反射之后具有与所述具体音调声频形成破坏性干涉的频率。

17.根据权利要求16所述的方法，包括使得所述涡流生成器和所述声音反射壁中的至少一个相对于所述涡流生成器和所述声音反射壁中的另一个进行移动而调节所述涡流生成器和所述声音反射壁之间的距离以调谐所述反射分量，从而与所述具体音调声频形成破坏性干涉。

18.根据权利要求12所述的方法，其中所述空气进气机器是燃气涡轮发动机，其具有包括旋转扇叶行的压缩机，并且所述具体音调声频是所述旋转扇叶行中的至少一行所形成的扇叶通过频率。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述驻波具有对应于所述扇叶通过频率的频率，并且所述涡流生成器相对于所述声音反射壁进行定位而使得所述驻波与所述声音反射壁之间的距离d等于n(λ/4)，其中n是奇数整数并且λ是所述扇叶通过频率的波长。

20.根据权利要求19所述的方法，包括使得所述涡流生成器和所述声音反射壁中的至少一个相对于所述涡流生成器和所述声音反射壁中的另外一个进行移动以对所述距离d进行调节。