CN106687674A - 用于涡轮系统的声处理组件 - Google Patents

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Abstract

一种用于涡轮系统的声处理组件(50)包括具有构造成允许穿过其的流体流的流路的涡轮系统的区域。还包括的是布置在流路中的至少一个声音衰减结构(52)。声音衰减结构包括大致刚性的框架(54)和由框架保持的柔性隔膜(56)。

Description

用于涡轮系统的声处理组件
本发明的背景
本文公开的主题涉及涡轮系统，且更具体而言涉及用于衰减涡轮系统中的声音的声处理组件。
涡轮系统通常在操作期间产生很大噪声。噪声水平在某些环境中可调节，且依从此调节通常需要昂贵且通常低效率的解决方案。例如，消音器面板可在涡轮系统的各种位置(诸如在入口管道内)处使用。消音器面板的材料和几何形状驾驭与衰减声音相关联的吸收特性。通常，与涡轮系统的操作相关联的频率需要较厚或较长的消音器面板来充分地衰减声音。将消音器面板加长由于额外需要的材料而造成较昂贵的面板。此外，较长的面板不期望地增加涡轮系统的整体长度(即，足迹)。
本发明的简要描述
根据本发明的一个方面，一种用于涡轮系统的声处理组件包括具有构造成允许穿过其的流体流的流路的涡轮系统的区域。还包括的是布置在流路中的至少一个声音衰减结构。该至少一个声音衰减结构包括大致刚性的框架。该至少一个声音衰减结构还包括由大致刚性的框架保持的柔性隔膜。
根据本发明的另一个方面，一种燃气涡轮发动机的入口区域包括入口流路。还包括的是布置在入口区域的流路中的至少一个声音衰减结构。该至少一个声音衰减结构包括分成至少一个单元的大致刚性的框架。该至少一个声音衰减结构还包括由大致刚性的框架保持的至少一个柔性隔膜。该至少一个声音衰减结构还包括可操作地联接至该至少一个柔性隔膜的质量块，其中该至少一个声音衰减结构的吸收特性可基于质量块的重量、该至少一个柔性隔膜的柔性以及大致刚性的框架的几何形状调整。
根据本发明的还有另一个方面，一种燃气涡轮发动机的扩散器包括排气流路。还包括的是布置在排气流路中的至少一个声音衰减结构。该至少一个声音衰减结构包括分成至少一个单元的大致刚性的框架。该至少一个声音衰减结构还包括由大致刚性的框架保持的至少一个柔性隔膜。该至少一个声音衰减结构还包括可操作地联接至该至少一个柔性隔膜的质量块，其中该至少一个声音衰减结构的吸收特性可基于质量块的重量、该至少一个柔性隔膜的柔性以及大致刚性的框架的几何形状调整。
这些和其它优点和特征从结合附图的以下描述将变得更加显而易见。
附图的简要描述
被认为是本发明的主题在说明书的结论处的权利要求中具体地指出且明确地请求保护。本发明的前述和其它特征及优点从结合附图的以下详细描述将显而易见，在附图中：
图1是燃气涡轮发动机的示意图；
图2是燃气涡轮发动机的入口区域的侧立视图；
图3是燃气涡轮发动机内的声音衰减结构的侧截面视图；
图4是根据图3的线4-4的在其上具有声音衰减结构的支柱的截面视图；且
图5是声音衰减结构的视图。
详细描述参照附图通过示例连同优点和特征解释了本发明的实施例。
本发明的详细描述
此申请中所使用的用语"轴向"和"轴向地"表示大致平行于涡轮系统的中心纵向轴线延伸的方向和定向。此申请中所使用的用语"径向"和"径向地"表示大致正交于涡轮系统的中心纵向轴线延伸的方向和定向。此申请中所使用的用语"上游"和"下游"表示相对于关于涡轮系统的中心纵向轴线的轴流方向的方向和定向。
参照图1，例如，诸如燃气涡轮发动机的涡轮系统被示意性地示出且大体上以参考标号10表示。燃气涡轮发动机10包括压缩机区段12、燃烧器区域14、涡轮区段16、轴18和燃料喷嘴20。将了解的是，燃气涡轮发动机10的一个实施例可包括多个压缩机12、燃烧器14、涡轮16、轴18和燃料喷嘴20。压缩机区段12和涡轮区段16由轴18联接。轴18可为单个轴或联接在一起以形成轴18的多个轴段。
燃烧器区段14使用可燃液体和/或气体燃料(诸如天然气或富氢合成气)以运行燃气涡轮发动机10。例如，燃料喷嘴20与空气供应和燃料供应22成流体连通。燃料喷嘴20产生空气-燃料混合物，且将空气-燃料混合物排放到燃烧器区段14中，从而导致燃烧，燃烧形成热加压排气。燃烧器区段14将热加压气体引导穿过过渡件到涡轮喷嘴(或"一级喷嘴")中，且其它级的动叶和喷嘴导致涡轮区段16的外壳24内的涡轮叶片的旋转。随后，热加压气体从涡轮区段16传送至排气扩散器26，排气扩散器26可操作地联接至涡轮区段的一部分，例如，诸如外壳24。
参照图2，燃气涡轮发动机10的入口区域30包括构造成接收主要在第一方向上行进的空气流34的主入口部分32。空气流34从主入口部分32行进穿过在下游方向上变窄的过渡管道36且到入口区域30的各种其它部分中。消音器组件38布置在入口区域30内且作用为衰减与传播声波40相关联的声音，声波40由压缩机区段12和燃气涡轮发动机10自身在空气流34通过它们时产生。声波40大致在与空气流34相对的方向上行进，且因此与布置在入口区域30内的消音器组件38相互作用。
现在参照图2-图4，噪声在至燃气涡轮发动机10的压缩机区段12的入口附近产生。压缩机钟形口42位于至压缩机区段12的入口附近。为了衰减在此区域中产生的噪声，声处理组件50布置在压缩机钟形口42内。更特别地，声处理组件50布置在压缩机钟形口42的空气流路中。虽然描述为位于压缩机钟形口42内，但将了解的是，声处理组件50可位于燃气涡轮发动机10的多个其它位置中，诸如入口区域30的任何部分，或位于涡轮区段16下游的排气扩散器26附近。如图所示，声处理组件50可布置在压缩机钟形口42的多个位置上，诸如压缩机钟形口42的支柱44和内壁区域46上。
参照图5，声处理组件50形成为构造成衰减经过的声波的声音衰减结构52，其具有可调整的谐振频率。可调整的谐振频率可由操作者基于燃气涡轮发动机10的叶片通过频率调节。声音衰减结构52包括由多种合适的材料形成的大致刚性的框架54。通常，使用适合于维持燃气涡轮发动机10的操作条件的金属。大致刚性的框架54可以多种网格状几何形状形成。在示出的实施例中，大致刚性的框架54包括网格，网格包括具有在某些几何形状(诸如半圆形、卵形或其它形状)中成对称或非对称配置的质量块58的若干区域。
大致刚性的框架54包括将柔性隔膜56夹在中间且保持在其之间的两个或更多面板。柔性隔膜56可由任何柔性且耐久的材料(例如，诸如钢)形成。在一个实施例中，包括多个柔性隔膜。还包括的是可操作地联接至柔性隔膜56的质量块58。
描述的结构可认为由两个构件组成：振荡器的质量块m和振荡器的弹簧K。为了将振荡调节至用于处理的某些目标频率，可选择质量块m和弹簧K中的两者或任一者。然而，当匹配质量块m和弹簧K时，应当考虑面板的结构完整性。考虑通常的质量块-弹簧几何形状，其中质量块位移x等于弹簧位移，使得恢复力由K*x给出。考虑其中质量块位移横向于弹簧的情况。在此情况下，质量块位移x将导致弹簧伸长量(1/2)*l*(x/l)2=x2/2l，其中l是弹簧的长度。因此，恢复力由Kx*(x/2l)给出。因为x大体上非常小，有效弹簧常数K'=K*(x/2l)因此显著降低。由于局部振荡器的谐振频率如下给出：
调整K'和m可有效地改变谐振频率。弱有效K'将产生非常低的谐振频率，且反之亦然。因此，本文描述的实施例中的相对较轻的质量块m同时仍达到相同的效果。
上述论述用于极端情况，其中弹簧的直径(或者说是弹性棒的直径)远小于其长度l。当直径可与l相比时，恢复力与侧向位移x成比例，且力常数K'将因此独立于x。对于中等范围直径，K'从独立于x逐渐变成与x线性相关，即位移的x独立区域逐渐缩小至零。在两维度的构造中，这对应于弹性隔膜上带有范围从远小于侧向尺寸至可与之相比的厚度的质量块。有效力常数K'与隔膜的实际尺寸以及弹性隔膜上的张力相关。所有这些参数可调整以获得期望的K'来匹配给出的质量块，以便达到需要的谐振频率。例如，为了达到较高的谐振频率，可使用较低重量，或通过将两个或更多隔膜叠置在一起(其效果与使用单个但较厚隔膜相同)来增加隔膜的K'。谐振频率也可在其固定至刚性网格时通过改变隔膜中的张力来调整。例如，如果隔膜的张力增加，则谐振频率也将增加。
声音衰减结构52的三个主构件(即，大致刚性的框架54，柔性隔膜56和质量块58)可特征在于依照上文描述的振荡器。柔性隔膜56提供了质量块58可固定在其上的结构。质量块58和柔性隔膜作用为局部谐振器。大致刚性的框架54本身对声波几乎完全透通。固定至大致刚性的框架54的柔性隔膜56作用为弹簧-质量块局部谐振器系统中的弹簧。
柔性隔膜56可为覆盖大致刚性的框架54的多个单元的单个片，或每个单元可利用附接至框架的独立柔性隔膜形成。多个柔性隔膜还可提供成叠加在彼此上，例如两个较薄的片可用于取代一个较厚的片。还可改变柔性隔膜56中的张力以影响系统的谐振频率。
系统的谐振频率(固有频率)由柔性隔膜56的有效力常数K和质量块m决定，有效力常数K以简单关系等于隔膜弹性乘以由隔膜片的厚度和单元的大小指出的几何形状因子。以此方式，声音衰减结构52的吸收特性可基于柔性隔膜56的柔性、质量块58的重量以及大致刚性的框架54的几何形状而调整。
有利地，声处理组件50选择性地吸收各种频率范围的声能，从而允许简化消音器组件38的消音器面板。简化可包括基于面板的声能吸收需要的降低而缩短面板。此配置减小涡轮系统的总体长度且增加声音衰减的效率。
虽然已经结合仅有限数目的实施例详细描述了本发明，应当容易理解的是，本发明不限于此公开的实施例。相反，可修改本发明以结合此前未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数目的变化、改变、替代或等同配置。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但应理解的是，本发明的方面可包括描述的实施例中的仅一些。因此，本发明不视为由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (20)

1. 一种用于涡轮系统的声处理组件，包括：
所述涡轮系统的具有流路的区域，所述流路构造成允许穿过其的流体流；和
布置在所述流路中的至少一个声音衰减结构，所述至少一个声音衰减结构包括：
大致刚性的框架；和
由所述大致刚性的框架保持的柔性隔膜。
2.根据权利要求1所述的声处理组件，其特征在于，所述声处理组件还包括由所述大致刚性的框架保持的多个柔性隔膜。
3.根据权利要求1所述的声处理组件，其特征在于，所述柔性隔膜包括钢片。
4.根据权利要求1所述的声处理组件，其特征在于，所述至少一个声音衰减结构还包括可操作地联接至所述柔性隔膜的质量块。
5.根据权利要求4所述的声处理组件，其特征在于，所述至少一个声音衰减结构的吸收特性是可调整的。
6.根据权利要求5所述的声处理组件，其特征在于，所述吸收特性包括谐振频率。
7.根据权利要求5所述的声处理组件，其特征在于，所述吸收特性可基于所述质量块的重量调整。
8.根据权利要求5所述的声处理组件，其特征在于，所述吸收特性可基于所述柔性隔膜的柔性调整。
9.根据权利要求5所述的声处理组件，其特征在于，所述吸收特性可基于所述大致刚性的框架的几何形状调整。
10.根据权利要求1所述的声处理组件，其特征在于，所述涡轮系统的区域包括燃气涡轮发动机的入口区域。
11.根据权利要求10所述的声处理组件，其特征在于，所述区域包括布置在所述燃气涡轮发动机的压缩机区段的入口附近的钟形口结构。
12.根据权利要求1所述的声处理组件，其特征在于，所述涡轮系统的区域包括燃气涡轮发动机的排气区域。
13.根据权利要求12所述的声处理组件，其特征在于，所述区域包括排气扩散器。
14.一种燃气涡轮发动机的入口区域，包括：
入口流路；
布置在所述入口区域的流路中的至少一个声音衰减结构，所述至少一个声音衰减结构包括：
大致刚性的框架，其分成至少一个单元；
由所述大致刚性的框架保持的至少一个柔性隔膜；和
质量块，其可操作地联接至所述至少一个柔性隔膜，其中所述至少一个声音衰减结构的吸收特性可基于所述质量块的重量、所述至少一个柔性隔膜的柔性以及所述大致刚性的框架的几何形状调整。
15.根据权利要求14所述的入口区域，其特征在于，所述至少一个柔性隔膜包括钢片。
16.根据权利要求14所述的入口区域，其特征在于，所述吸收特性包括所述至少一个声音衰减结构的谐振频率。
17.根据权利要求14所述的入口区域，其特征在于，所述吸收特性还可基于所述至少一个柔性隔膜的柔性和所述大致刚性的框架的几何形状调整。
18. 一种燃气涡轮发动机的扩散器，包括：
排气流路；和
布置在所述排气流路中的至少一个声音衰减结构，所述至少一个声音衰减结构包括：
大致刚性的框架，其分成多个独立单元；
由所述大致刚性的框架保持的至少一个柔性隔膜；和
质量块，其可操作地联接至所述至少一个柔性隔膜，其中所述至少一个声音衰减结构的吸收特性可基于所述质量块的重量、所述至少一个柔性隔膜的柔性以及所述大致刚性的框架的几何形状调整。
19.根据权利要求18所述的扩散器，其特征在于，所述至少一个柔性隔膜包括钢片。
20.根据权利要求18所述的扩散器，其特征在于，所述吸收特性包括所述至少一个声音衰减结构的谐振频率。
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