CN107796630B - 具有有源噪声控制的涡轮机测试台 - Google Patents

具有有源噪声控制的涡轮机测试台 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于涡轮机(4)的测试台(2)，包括：用于涡轮机(4)的安装区域(16)；有源系统(38)，用于衰减通过涡轮机(4)产生的噪声排放(40)。有源系统(38)包括衰减区域(42)，具有例如扬声器这样的器件(44)；第一麦克风(48)，置于涡轮机(4)的下游；和第二麦克风(50)，置于衰减区域(42)的下游。系统(38)基于从第一麦克风(48)和从第二麦克风(50)而来的测量结果来减少涡轮机波(40)。本发明还提出一种用于对在测试台(2)中进行测试的涡轮机(4)而来的噪声排放进行衰减的方法。

Description

具有有源噪声控制的涡轮机测试台
技术领域
本发明涉及涡轮机械测试台领域。更确切地说，本发明涉及用于配备有有源系统的涡轮喷气发动机的测试台，该有源系统用于对测试台以内和以外的噪声排放进行衰减。本发明的目的进一步是提供一种方法，用于对从涡轮喷气发动机测试台而来的噪声排放进行衰减。
背景技术
在飞机的设计、生产或维护期间涡轮喷气发动机的在特定的测试台中进行测试。这种测试台可以测试涡轮喷气发动机的实际性能，同时在该处获得测量结果。流率、温度和压力可在实际性能测试阶段在该处被具体测量。目前，在这些实际测试期间，涡轮喷气发动机发出超过140dB的声波。然而，常规被动排放消音器在低频率下是不足的，其中吸收剂涂层很高以至于实际上防止声学流动通过涂层。这些声波还会将测试台设备的物品激励进入振动且会对它们造成损坏。
进而，这些波传播到控制室和测试台以外，如此，声波会对环境造成破坏。噪声水平会极大地干扰周围或远距离房屋中的人。被涡轮喷气发动机的声学功率影响的区域会尤其巨大，特别是在大飞机的涡轮喷气发动机或甚至在通过再热运行的涡轮喷气发动机的情况下。
尽管已经针对不同环境开发了有源抵消技术，但是包括产生抵消波的常规的方法不能容易地解决从喷气发动机而来的排放或通道中的流动速度足够高以对正在接近的声音波浪的检测造成干扰的问题。而且，由于排气射流的温度、其紊流、和腐蚀气体的存在，排气射流的性能非常不利。
因此，对排气管道的直接检测和控制接口难以实施。进而，目前已知的有源声学衰减系统通过将抵消声音(其是所引入的不期望噪声的理想镜像)引入到渠道中来实现噪声衰减。这能对噪声源下游的噪声和沿上游方向传播的新的声波的引入进行抵消。然而，如果引入噪声源不吸收上游噪声，因为在噪声源和换能器之间没有有效的散耗部分，则在上游管道中会形成高水平的声能量。这会造成经过有源消音器部分的高声压，但是仅具有沿下游方向传播的噪声的很小降低。
在有源消音器领域，已知的是在容纳用于收集排气射流的管道的腔室中放置扬声器。扬声器围绕管道，且被促动以降低该处的声压。声音流动由此通过多孔壁增加，这又增加声能量在管道中的损耗。
文件WO95/19075A2公开了涡轮喷气发动机测试台。测试台具有排气部，该排气部具有在低频率上起作用的有源消音器。该消音器针对涡轮喷气发动机处理10到80Hz的频率。其包括被多孔层围绕的通道和在多孔层周围的几个环形腔室。几个麦克风连接到控制器，所述控制器对置于环形腔室中的扬声器进行控制。这种系统可以有效地降低排出到测试台以外的噪声水平。该装置在低频率下尤其高效。然而，其效率有限。
发明内容
技术问题
本发明的目标是解决现有技术中的至少一个问题。更确切地说，本发明的目标是改善用于衰减涡轮机测试台中噪声排放的有源系统的效率。本发明的进一步目标是增加涡轮机测试台的耐久性。本发明的进一步目标是提出简单的不太昂贵且可靠的方案。
技术方案
本发明的目的是用于涡轮机的测试台，测试台包括：用于涡轮机的安装区域；有源系统，用于衰减通过涡轮机排放的声波，有源系统包括置于涡轮机下游的第一麦克风，和用于通过能发出衰减声波的器件来衰减涡轮机波的区域；其特点是，有源系统还包括置于衰减区域下游的第二麦克风，有源系统配置为根据从第一麦克风和从第二麦克风而来的测量结果来衰减涡轮机波。
根据本发明的有利实施例，测试台包括在用于涡轮机的安装区域下游的管，衰减区域沿管布置。
根据本发明的有利实施例，第一麦克风置于管的上游和/或衰减区域的上游。
根据本发明的有利实施例，第二麦克风置于管的下游。
根据本发明的有利实施例，测试台包括在管下游的结构壁，与靠近结构壁相比，第二麦克风更靠近管，所述结构壁潜在地垂直于测试台的主窄长部。
根据本发明的有利实施例，测试台包括用于来自涡轮机的流动的通道，第一麦克风和/或第二麦克风置于所述通道中。
根据本发明的有利实施例，衰减区域位于第一麦克风和第二麦克风之间。
根据本发明的有利实施例，第一麦克风置于用于涡轮机的安装区域的下游。
根据本发明的有利实施例，第一麦克风和第二麦克风轴向间隔开一距离D，该距离大于或等于1m或5m或10m或20m。
根据本发明的有利实施例，用于涡轮机的安装区域包括潜在地与涡轮机的旋转轴线同轴的中心轴线，至少一个或每一个麦克风置于中心轴线上；或相对于所述中心轴线偏开小于1m或2m。
根据本发明的有利实施例，第一麦克风比第二麦克风距中心轴线更远。
根据本发明的有利实施例，测试台包括直走廊，在该直走廊中布置用于涡轮机的安装区域和第二麦克风。
根据本发明的有利实施例，测试台包括具有用于衰减测试台传播出来的噪声的无源系统的气道。
根据本发明的有利实施例，至少一个或每一个麦克风置于气道外侧。
根据本发明的有利实施例，第二麦克风直接位于气道中之一的下方。
根据本发明的有利实施例，测试台被定制为用于飞机涡轮喷气发动机，所述飞机涡轮喷气发动机施加大于或等于80kN或200kN的推力
根据本发明的有利实施例，涡轮机安装区域在衰减区域的上游。
根据本发明的有利实施例，第一麦克风远离气道的垂直延伸部。
根据本发明的有利实施例，第一麦克风和/或第二麦克风置于管外侧。
根据本发明的有利实施例，管能收集通过涡轮机造成的气体流动。
根据本发明的有利实施例，测试台和/或走廊长度大于10m，优选地长度大于30m，更优选地长度大于80m。长度沿直线测量。
根据本发明的有利实施例，涡轮机的安装区域具有的通道横截面大于或等于4m2，或25m2，或50m2，或100m2。
根据本发明的有利实施例，涡轮机安装区域包括用于紧固涡轮机的臂，特别是紧固到涡轮机接口，紧固臂和/或涡轮机的接口在第一麦克风的上游。
根据本发明的有利实施例，涡轮机能施加轴向推力，其大于或等于20kN，优选大于或等于80kN，更优选大于或等于200kN，潜在地大于或等于500kN。紧固臂被设计为吸收相应载荷。
第一麦克风不是本发明必不可少的方面。本发明的进一步目的是提供一种涡轮机测试台，测试台包括：涡轮机安装区域；有源系统，用于衰减通过涡轮机产生的噪声排放，有源系统包括衰减区域，其具有能发出用于衰减涡轮机波的声波的器件；其特点是，用于衰减噪声的有源系统还包括置于声音衰减区域下游的麦克风。
本发明的进一步目的是提供一种用于对从测试台中经受测试的涡轮机而来的噪声排放进行衰减的方法，测试台包括设备的具有特定频率的部件和用于衰减从涡轮机而来的噪声的有源系统，方法包括以下步骤：(a)涡轮机的测试(b)衰减声波的排放，所述衰减声波能抵抗步骤(a)的测试期间通过涡轮机排出的声波；其特点是，在步骤(b)的排放期间，有源系统(38)以设备的部件(54)的特定频率发出衰减波(46)；测试台潜在地是根据本发明的测试台。
根据本发明的有利实施例，在步骤(a)的测试期间，设备的部件以其特定频率振动和潜在地处于其特定频率的谐波。在步骤(b)的排放期间，衰减波到达设备的所述部件，与步骤(a)的测试期间的振动相比处于反相。
根据本发明的有利实施例，测试台包括一器件，其能发出声波，所述器件被置于设备的部件的下游.
根据本发明的有利实施例，在步骤(b)的排放期间，有源系统配置为将衰减波与测试台中的混响匹配，特别是在第二麦克风处。
根据本发明的有利实施例，在步骤(a)的测试期间，涡轮机产生的噪声大于100dB，或110dB，或120dB，或130dB，或140dB，或150dB。
根据本发明的有利实施例，在步骤(a)的测试期间，涡轮机使得气流以至少50m/s、或100m/s、或200m/s、或300m/s、或400m/s的速度运动，该速度在涡轮机中和/或在涡轮机安装区域中、和/或在管中、和/或在衰减区域中、和/或在麦克风中的一个或每一个处测量。
本发明的每一个目的的有利实施例还通常适用于本发明的其他目的。如果可能，本发明的每一个目的可与其他目的组合。
所具有的优点
本发明能实现传播到测试台以外的声波的衰减。其在声源附近处理声波。使用下游的麦克风可以控制所作的修正的效果，特别是实时地。因此，修正不再是理论上的，其被针对其就地产生的效果而定制。
由于通过下游麦克风提供的额外测量，有源系统可优化通过扬声器发出的修正。以此方式，在下游麦克风未被充分衰减的频率可被具有更大幅值的反相波处理。
本发明可以简化无源衰减系统。声障板的排数可减少。因此，出口气道可被缩短。测试台的成本因此以两种方式减少。
附图说明
图1显示了根据本发明的涡轮机测试台。
图2是图1的测试台的一部分的图。
图3示出了根据本发明的用于衰减噪声排放的方法的流程图。
具体实施方式
在以下的描述中，术语内和外是指相对于涡轮机械的旋转轴线的定位。轴向方向对应于沿涡轮机械的旋转轴线的方向。径向方向垂直于旋转轴线。上游和下游是指涡轮机械中的主流动方向。
图1以简化的方式显示了用于发动机4的测试台2，更具体地显示了用于涡轮机4的测试台2，特别是用于飞机涡轮喷气发动机4。测试台2可容纳完整的飞机，或容纳至少飞机的一部分。
测试台2形成基础设施，形成一种结构。其包括具有入口8和出口10的通道6。通道6可包括走廊12，其基本上是窄长的。其长度可大于或等于60m。走廊12的长度使得气流14沿直线流动，同时限制对测试质量有害的漩涡的形成。
为了限制对通过走廊12的流动的阻力，特别是对进入涡轮机4的气流14的阻力，走廊12可具有大于或等于50m2的通道横截面。应注意，经过测试台2的气流14可在其测试阶段通过涡轮机4本身形成。可在涡轮机4的安装区域16上游测量通道横截面或自由横截面。该通道横截面占走廊12长度的至少四分之一，优选占大部分。
安装区域16可以是用于涡轮机4的紧固区域。其可配备有紧固臂18，涡轮机4在其测试期间被紧固到该紧固臂18。臂18可以以柱子的方式从走廊12的顶棚垂直地延伸。臂18允许涡轮机4以一定偏移量安装，且将后者相对于走廊12的中央中心定位，具体是相对走廊12的中心轴线19。沿垂直和水平方向中心定位。
走廊12可通过垂直气道(20；22)界定，作为入口8和出口10。它们允许空气进入和相对于走廊12垂直且升高地排放。为了降低令人讨厌的噪声，它们可包括声障板24或声板24，允许声波被动吸收。
补充装置26可存在于入口8和出口10，以便避免会对测试条件造成干扰的流动逆转。这里所述的“U”的构造不是不可缺少的；可想到其他构造，例如没有气道。仅一个腔室就可形成通道。测试可打开到空气。
在上游气道和走廊12之间的交汇部处，测试台2配备有一排导流板28。它们允许从入口气道20下降的空气被沿水平方向反弹。它们水平地延伸，且横过整个走廊12。它们具有弯曲轮廓。在到走廊12的入口处，测试台2可选地具有格栅30，使得可以拦截可能干扰测试和损坏涡轮机4的碎屑。
在涡轮机4的下游，测试台2包括用于收集通过涡轮机4推进的气流14的管32；包括其排气。管的嘴部可形成漏斗，沿下游方向的上游圆锥形覆盖物。收集管32有助于吸收测试期间产生的噪声。收集管32被水平地放置且可选地包括在其出口处的扩散器34。其可形成具有穿孔壁的管。该扩散器34还被称为“鼓风篮(blast basket)”。扩散器34可位于出口气道22中。
收集管32可被至少一个隔板36(优选被两个隔板36)保持在测试台2中。这些隔板36在走廊12中垂直地且横向地延伸。它们中的一个可形成走廊12和出口气道22之间的分离。它们形成密封分离，使得可以包含从涡轮机4而来的流动14。
为了让从收集管32和从可选的扩散器34而来的流动转向，圆锥形部37可被置于收集管32的延伸部。其可在走廊12的端部处紧固到垂直壁。其尖部可与中心轴线19重合。
为了最佳地处理噪声排放，测试台2配备有有源系统38，用于衰减噪声排放。有源系统38处理通过涡轮机4产生的排放，且还可考虑测试台2的壁反弹波的现象。实际上，走廊12的壁提供了大的反射表面。
虽然针对管32显示了有源系统38，其还可被认为实施了用于在没有管或远离收集管32的情况下衰减噪声排放的有源系统。
图2显示了图1的测试台2的一部分。显示了涡轮机4、走廊12的一部分、收集管32、扩散器34和有源系统38。
在运行时，涡轮机4产生声波40或发动机波。它们是压力波，被认为在多于一个的方面是有害的。涡轮机波40可以是宽频带波。这种宽频带波可包括具有10Hz到4000Hz或80Hz到800Hz的频率的分量。这些涡轮机波40的噪声水平在涡轮机4处可超过140dB，其是一种对测试台2的环境造成干扰的风险。
作为响应，有源系统38包括衰减区域42，在该处声波46被排出，以对抗涡轮机波40。该衰减区域42与能发出声波46的器件44组合在一起，其对着通道，对抗涡轮机波40的传播。例如，衰减声波46可以具有抵抗涡轮机波40的反相位，以降低其幅值。经混合，它们的波动压力场之和趋于进行抵消。
排放器件44可包括噪声源，例如扬声器。即使单个源就足够，但是可使用几个噪声源。噪声源可围绕管32间隔开，形成圆形的一排或几排。排放器件44可通过管32起作用，或经由管32中制造的开口起作用。排放器件44可直接暴露到涡轮机波40，且因此暴露到从涡轮机4而来的排气。排放器件44可被置于走廊12。它们可位于隔板36之间。后者可形成用于保护排放器件44的腔室，与管32组合。
有源系统38还包括第一麦克风48，例如上游麦克风；和第二麦克风50，例如下游麦克风，两者连接到控制单元52。用于衰减噪声的有源系统38配置为基于从第一麦克风48和从第一麦克风下游放置的第二麦克风50而来的测量结果来降低排放。
根据从麦克风(48；50)而来的测量结果，控制单元52限定用于对排放器件44提供功率的电信号，使得它们生产波46，用于降低从管32发出的噪声的幅值。控制单元52限定电修正信号，同时考虑了麦克风的位置，排放器件44的位置。通过涡轮机4造成的流动的速度也被考虑。可根据物理环境进行修正。因此，从作为出口的气道排出的噪声被减小。此外，位于该处的声障板的作用被简化。
第一麦克风48被置于面对涡轮机4，其可以测量从其发出的声音。其同时浸入到通过涡轮机4排出的流动中，但是也处于其声场中。第一麦克风48被布置在衰减区域42的上游。其被置于管32的上游，但是其还可置于内侧，作为一种替换结构。
第二麦克风50置于衰减区域42的下游，例如管32的外侧。然而，作为变化例，其可布置在内侧。第二麦克风50可以检查修正的效果。如果必要，控制单元52调制该修正，以根据通过第二麦克风50做出的测量结果来进行该修正。控制单元52可增加或降低其限定的宽频带信号的某些分量。
测试台2包括设备54的不同部件。例如，传感器，支撑结构。在操作期间，设备54的这些部件因为测试台2中存在的声压的震荡特点而振动。这些振动可降低设备部件的耐久性，且对其造成潜在破坏。该现象可在涡轮机波40处于设备54的所述部件的特定频率和处于谐波时被观察到。为了应对该现象，衰减波46可被定制，以修正该现象。收集管32可被实施为设备的所述部件。
图3显示了用于衰减从测试台沿环境方向排出的噪声的方法，或控制方法，其中涡轮机在该测试台中被测试。测试台可对应于参考图1和2所述的测试台。
方法可包括以下步骤：
(a)涡轮机的测试100；和
(b)衰减声波的排放102，其被定制为抵抗步骤(a)的测试100期间通过涡轮机排出的声波。
在步骤(a)的测试100期间，因为通过涡轮机产生的噪声排放，设备部件被激励以进行振动。设备部件可以其特定的频率振动。其还可以以其特定频率的一个或几个谐波振动。设备部件的振动性能可包括几个累加频率，包括其特定频率和一个或几个谐波。
在步骤(b)的排放期间，有源衰减系统响应地以设备部件的特定频率发出声波。在步骤(b)的排放期间，衰减波到达设备的所述部件，具有与步骤(a)的测试100期间的振动相比处于反相。有利地，衰减声波包括具有几个累加频率的复信号(complex signal)。不同频率可具有不同幅值。衰减声波的清晰度可基于从第一麦克风和从第二麦克风而来的测量结果确定。复信号可被定制为混响。学习阶段或校准阶段可以细化有源系统提供的噪声衰减。

Claims (18)

1.一种用于涡轮机（4）的测试台（2），测试台（2）包括：
安装区域（16），用于涡轮机（4）；
有源系统（38），用于衰减通过涡轮机（4）排放的声波（40），有源系统（38）包括置于安装区域（16）下游的第一麦克风（48）和用于通过能发出衰减声波（46）的发射器（44）来衰减所述声波（40）的衰减区域（42）；
其特征在于
有源系统（38）还包括置于衰减区域（42）下游的第二麦克风（50），
有源系统（38）配置为根据从第一麦克风（48）和从第二麦克风（50）而来的测量结果来衰减涡轮机的所述声波（40），
其中衰减区域位于第一麦克风和第二麦克风之间，
测试台还包括管，该管在安装区域下游且用于收集通过涡轮机推进的气流，衰减区域沿管布置，
测试台还包括两个隔板（36），它们限定用于发射器的腔室，第一麦克风和第二麦克风在所述腔室以外。
2.如权利要求1所述的测试台（2），其特征在于第一麦克风（48）置于管（32）的上游和衰减区域（42）的上游。
3.如权利要求1所述的测试台（2），其特征在于第二麦克风（50）置于管（32）下游。
4.如权利要求1所述的测试台（2），其特征在于其包括在管（32）下游的结构壁，与靠近结构壁相比，第二麦克风（50）更靠近管（32）。
5.如权利要求1所述的测试台（2），其特征在于其包括用于来自涡轮机（4）的流动的通道（6），第一麦克风（48）和第二麦克风（50）置于所述通道（6）中。
6.如权利要求1所述的测试台（2），其特征在于第一麦克风（48）置于用于涡轮机（4）的安装区域（16）的下游。
7.如权利要求1所述的测试台（2），其特征在于第一麦克风（48）和第二麦克风（50）轴向间隔开一距离D，所述距离大于或等于1m。
8.如权利要求1所述的测试台（2），其特征在于用于涡轮机（4）的安装区域（16）包括与涡轮机（4）的旋转轴线同轴的中心轴线（19），至少一个或每一个麦克风（48；50）置于中心轴线（19）上。
9.如权利要求1所述的测试台（2），其特征在于用于涡轮机（4）的安装区域（16）包括与涡轮机（4）的旋转轴线同轴的中心轴线（19），第一麦克风（48）比第二麦克风（50）距中心轴线（19）更远。
10.如权利要求1所述的测试台（2），其特征在于其包括直走廊（12），在该直走廊中布置了用于涡轮机（4）的安装区域（16）和第二麦克风（50）。
11.如权利要求1所述的测试台（2），其特征在于其包括具有用于衰减测试台（2）传播出来的噪声的无源系统（24）的气道（20；22）。
12.如权利要求11所述的测试台（2），其特征在于至少一个或每一个麦克风（48；50）置于气道（20；22）的外侧。
13.如权利要求11或12所述的测试台（2），其特征在于第二麦克风（50）直接位于气道（20；22）中之一的下方。
14.如权利要求1所述的测试台（2），其特征在于其被定制为用于涡轮机，所述涡轮机施加大于或等于80kN或200kN的推力。
15.一种用于对从测试台（2）中经受测试的涡轮机（4）而来的噪声排放进行衰减的方法，测试台（2）包括设备（54）的具有特定频率的部件和用于衰减从涡轮机（4）而来的噪声的有源系统（38），方法包括以下步骤：
(a)涡轮机（4）的测试（100）；
(b)衰减声波（46）的排放（102），所述衰减声波能抵抗步骤（a）的测试（100）期间通过涡轮机（4）排放的声波（40）；
其特征在于
在步骤（b）的排放（102）期间，有源系统（38）以设备（54）的部件的特定频率发出衰减波（46）；测试台（2）是根据权利要求1到14中任一项所述的测试台。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于在步骤（a）的测试（100）期间，设备（54）的部件以其特定频率振动；在步骤（b）的排放（102）期间，衰减波（46） 到达设备（54）的部件，与其步骤（a）的测试（100）期间的振动相比处于反相。
17.如权利要求15或16所述的方法，其特征在于测试台（2）包括一器件（44），其能发出声波（46），所述器件（44）被置于设备（54）的部件的下游。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于在步骤（b）的排放（102）期间，有源系统（38）配置为将衰减波（46）与测试台（2）中的混响匹配。
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