CN111373638B - 用于旋转电机的出气吸声器 - Google Patents

Abstract

如发电机的旋转电机具有安置在转子壳体内的转子和从所述转子壳体穿过并且通过消音器到排气口的空气流动路径。所述消音器包含与至少一个吸声柱相邻安置的至少一个空气流动路径，所述柱包含其中具有第一吸声材料的第一部分和具有微穿孔面板(MPP)和谐振腔的第二部分。所述第二部分包含反应性吸声单元，所述反应性吸声单元可具体地说被调谐以抑制由所述转子中的通风狭槽产生的气动噪声，通常峰值为100Hz或120Hz。

Description

用于旋转电机的出气吸声器

本公开涉及用于发电机、电动机和其它旋转电机的排气路径中的吸声结构。

在这类设备的设计和实施中，控制大型旋转电机发出的噪声通常很重要。伴随着众所周知的振动感应噪声，可存在由于旋转电机组件的快速旋转产生的气流产生的很大的空气动力噪声。表述“旋转电机”旨在涵盖具有转子组件的所有电机，所述转子组件被气流通风和/或在旋转期间产生这类气流。

本发明涉及减轻来自这类机器的空气动力噪声的影响。

根据一个方面，本发明提供一种旋转电机，其包含：

安置在转子壳体内的转子；

从转子壳体穿过并且通过消音器到排气口的空气流动路径，

包含与至少一个吸声柱相邻安置的至少一个空气流动路径的消音器，柱包含其中具有第一吸声材料的第一部分和具有微穿孔面板(MPP)和谐振腔的第二部分。

消音器可包含限定在吸声柱中的两个之间的至少一个空气流动路径。吸声柱可另外包括其中具有吸声材料的第三部分。旋转电机可在谐振腔中具有第二MPP。谐振腔可被划分成多个横向于经过柱的空气流动路径的方向的隔室。谐振腔可被分成具有不同深度的多个隔室。柱的第二部分可被调谐用于在80和180Hz之间，或更特别地在100和120Hz之间的峰值吸收。柱的第二部分可被调谐用于在60和300Hz之间，或更特别地在100和120Hz之间的峰值吸收。柱的第二部分可被调谐用于在转子的供电频率或其谐波下的峰值吸收。第一吸声材料可为多孔吸收器。多孔吸收器可为泡沫或岩棉。吸声柱的第一部分可处于转子和吸声柱的第二部分之间。吸声柱的第一部分可处于转子和吸声柱的第二部分之间，并且第二部分可处于第一部分和第三部分之间。旋转电机可为发电机。旋转电机可具有多个吸声柱，所述多个吸声柱限定多个空气流动路径，每个空气流动路径沿转子的轴向长度延伸。MPP可包含直径在0.5mm到1.2mm的范围内的穿孔。MPP可包含厚度为0.5mm到2.5mm的板。穿孔的总面积与总板面积的比率可处于0.15％到0.4％的范围内。谐振腔的深度可在150mm到400mm，或200mm到400mm的范围内。

根据另一个方面，本发明提供一种控制来自安置在发电机壳体内的旋转电机的通风路径的空气动力噪声排放的方法，所述方法包含：

将转子安置在转子壳体内；

提供从转子壳体穿过并且通过消音器到发电机壳体的排气口的空气流动路径，

为消音器提供与至少一个吸声柱相邻安置的至少一个空气流动路径，

使冷却空气沿至少一个空气流动路径穿过吸声柱的第一部分，所述第一部分中具有第一吸声材料以充当声阻吸收器，和

使冷却空气沿至少一个空气流动路径穿过吸声柱的第二部分，所述第二部分具有微穿孔面板(MPP)和谐振腔以充当反应性吸声器。

现在将借助于实例并且参考附图描述本发明的实施例，其中：

图1A示出发电机的示意性横截面侧视图，其示出消音器单元在发电机壳体内的定位；

图1B示出图1A的发电机的示意性截面端视图；

图2为在图1A和1B的发电机壳体中使用的两种吸声柱的端视图；

图3为图2的两种吸声柱的透视图；

图4为在图1A和1B的发电机壳体中使用的两种替代吸声柱的端视图；

图5为图4的两种吸声柱的透视图；

图6为可用于图2到5的反应性吸声单元的透视图；

图7为图1B的消音器单元的顶部部分的示意性截面端视图；

图8为示出仅使用声阻吸收结构的用于与图1A和1B的发电机一起使用的消音器的噪声减少谱的图；

图9为示出平面波撞击用于图3到5的吸声柱中的反应性吸声单元的计算的正入射吸声系数谱的图；

图10是示出平面波撞击用于图3到5的吸声柱中的两种不同的反应性吸声单元的预测正入射吸声系数谱的图；

图11为用于图3到5的吸声柱的替代双面板反应性吸声单元的示意性截面端视图；

图12为用于图3到5的吸声柱的替代三通道反应性吸声单元的示意性截面端视图；和

图13为示出平面波撞击图11和12的反应性吸声单元的预测正入射吸声系数谱的图。

在整个本说明书中，与相对取向和位置有关的描述词，如“顶部”、“底部”、“水平”、“竖直”、“左”、“右”、“上”、“下”，“前”“后”以及其任何形容词和副词派生词以常规的使用模式在如附图中呈现的设备的取向的意义上使用。然而，这类描述词无意以任何方式限制所描述或要求保护的发明的预期用途。

图1A示出在发电机壳体2内的发电机1的示意图。如在图1A的侧视图中看到，发电机1具有纵向延伸通过壳体2的旋转轴线3。壳体2的下部4提供用于发电机1和相关设备的外壳，其在本文中可更一般地被称为转子壳体。壳体2的上部5提供进气结构6、出气结构/消音器7，其包括排气处理模块10(图1B)和用于从壳体2排出空气的出口百叶窗8。这在图1B的轴向截面视图中最好地看出。

通风/冷却空气从进气结构6提供到发电机1的轴向端，并沿发电机1的转子9中的通风狭槽轴向地输送。在转子的旋转运动下，空气从转子的通风狭槽中喷出，并穿过消音器7/排气处理模块10并且通过出口百叶窗8。

在如发电机1的旋转电机中，至少部分由于离开转子通风狭槽的高速空气射流而产生气动噪声。气动噪声可具有强低频成分，并且在发电机工作频率的两倍下可特别严重。也可存在与转子通风狭槽的数量和间距有关的高次谐波。在排气处理模块10中，此噪声被包含声分离器11的耗散消音器衰减。如在图1B中看到，多个声分离器11从发电机壳体2的下部4朝向其中定位出口百叶窗8的排气处理模块10的顶部向上延伸。声分离器11在它们之间的空间中限定排气流动途径12，其将排气引导到百叶窗8。声分离器11包含在每个柱中的多个部分，其特征在下文描述。

声分离器11在图2中更详细地示出。每个声分离器包含具有最靠近转子/发电机1的第一部分21和更远离转子/发电机1的第二部分22的吸声柱20。为了方便起见，第一部分21可被认为处于“上游”位置，即更靠近噪声源/空气源/转子，而第二部分22可被认为处于“下游”位置，即远离噪声源/空气源/转子。

第一部分21含有第一吸声材料，其优选地为多孔吸收器，如泡沫或岩棉。吸声柱20的第一部分21可包含框架，所述框架具有刚性侧24，如横梁的结构支撑件26和与空气流路12相邻的面27，所述面27将吸声材料暴露于空气流动路径12。面27可包含开网屏障或多孔板，以将多孔吸收器保持在吸声柱的第一部分21的框架内的适当位置，并允许空气移动进出结构。举例来说，网可包含金属晶格结构。替代地，面27可包含允许声音能量通过其到多孔吸收器的固体材料。在总体方面，第一部分21包含声阻吸收器或声阻吸收单元。

第二部分22包含与第一部分21的顶部(即，下游端)相邻的微穿孔面板(MPP)28和MPP 28下游的谐振腔29。第二部分22有效地提供反应性声吸收器或反应性吸声单元。如此，第二部分22不必含有多孔吸声器材料，如泡沫或岩棉。

还参考图4和5，吸声柱20可包括在第二部分22上方即下游的第三部分23。第三部分23可包含类似于第一部分21的另一声阻吸收器结构。

两个或更多个吸声柱20可限定多个空气流动路径12，每个空气流动路径12沿转子/发电机的轴向长度延伸。图1B和图7的实例包括四个吸声柱20，其将气流分成五个气流路径12。

参考图6，第二部分22可包含多于一个MPP 28。在图6所示的实例中，第二部分60包含与第一部分21的下游端相邻的第一MPP 61、第一MPP 61下游的谐振腔62，和将谐振腔62分成两部分的第一MPP 61下游的第二MPP 63。稍后将更详细地讨论此布置。

在总体方面，吸声柱20的第一部分21(声阻吸收单元)可因此处于转子/发电机1和吸声柱20的第二部分22(反应性吸声单元)之间。吸声柱20的第二部分22可处于第一部分21和第三部分23之间。

一个或多个微穿孔面板28、61、63优选地被配置成针对特定应用，例如在使用中的特定旋转电机，优化消音器/出气结构7的声学性能。消音器结构优选地被调谐用于在80和180Hz之间的宽的峰值吸收，或更特别地可被调谐用于在100和120Hz之间，或在那些频率中的一个下的峰值吸收。使用如图6中的双微穿孔面板61、63可提供在60和300Hz之间的更宽的峰值吸收，或更特别地，可被调谐用于在100和120Hz之间的峰值吸收。

第二部分22集成到吸声柱20中，由此限定谐振腔62，并且已经发现MPP 28、61、63基本上改善排气处理组件10的声学性能，以吸收由离开转子通风狭槽的高速空气射流引起的气动噪声，所述气动噪声具有强低频分量，在发电机工作频率的两倍下特别严重。与转子上的通风狭槽的数量和间距有关的高次谐波被第一和(任选的)第三部分21、23的耗散阻力消音器更有效地衰减。

测试已示出，并入多孔材料的第一和第二部分21、23在吸收高于200Hz的频率时具有良好的宽带性能是有效的，但是对于抑制典型发电机在50Hz和60Hz的工作频率下，并且特别地如在出口百叶窗8处测量，特别在100Hz和120Hz下的其第一谐波处的噪声而言可能不是最佳选择。

图7示出排气处理模块10的上部的可能布置。在此布置中，具有第一部分21(不可见)、包括MPP 28(或MPP 61、63)和谐振腔62的第二部分22，和第三部分23的一些或每个吸声柱20还可包括横向第四部分70，以将空气流动路径12中的空气流侧向向外引导到百叶窗8。横向第四部分70可合并更多的第一吸声材料，优选地多孔吸收器，如泡沫或岩棉。可在壳体2的上部5的顶部上提供另外的阻力吸收材料71。

图8提供排气处理模块组件10的噪声减少特性的图示，其类似于上文所描述的布置但是不使用含有MPP 28、61、63和谐振腔29、62的第二部分22的反应性吸声结构。这清楚地示出，仅使用阻力吸收器材料的基本结构在较高频率下有效，但在其中来自转子通风狭槽的气动噪声占优势的较低频率下具有相对差的性能。这已导致在发电机工作频率两倍下的噪声水平占主导地位。在图中，示出测量的声压水平，每个噪声频谱带的三柱中的较高的表示在转子/发电机源(即消音器的上游)的噪声水平；每个噪声频谱带的下一个较低柱表示在消音器/排气处理模块下游端的噪声水平。每个噪声谱带的最低柱表示在百叶窗处的噪声水平。

反应性声吸收器，即包含MPP 28、61、63和谐振腔29、62的吸声柱20的第二部分22，可最佳地被设计成衰减100Hz和125Hz中心带频率(或根据发电机/转子设计和旋转频率的其它目标带)，并且由此显著地改善消音器组件的整体声学性能，而又不会显著影响空气流动。

微穿孔面板28、61、63各自包含其中具有许多孔的薄板、壳或隔膜。在谐振腔29、62中不需要阻力多孔材料。在空气分子在声压的影响下来回移动时，由在面板28、61、63的孔中的粘性损失所提供的阻力可提供主要的吸收机制。空气与在大量相邻的孔中的质量共同振动，其中在吸收器和通常刚性的后壁之间的中间空间中的空气充当类似于亥姆霍兹共振器的弹簧。通过在MPP 28、61、63后面形成封闭空间，可创建多模态声共振。与微穿孔内部的空气运动耦合的腔模有助于声音吸收。MPP和限定腔的材料可由具有必需刚度以赋予所需的声腔室性能的任何合适的材料形成。在一个实例中，谐振腔29、62的壁由厚度在1.2和3mm之间的不锈钢形成，以提供所需的刚度。

穿孔面板28、61、63可被设计成优化排气处理模块10的吸声。可提供具有很小的声阻和高反应的几毫米或甚至几厘米的孔直径，或可为亚毫米级的尺寸，从而提供高声阻。优选地，选择孔直径，使得它们具有与孔中稳定流动的声边界层相同的数量级，这允许对孔中的共振放大振动进行最佳阻尼。

调谐MPP性能最重要的几何参数是谐振腔深度，所述深度控制孔中空气分子的速度。当粒子速度高时，MPP吸收器最有效，因为这样最大限度地提高在孔中的粘性摩擦。因为MPP吸收器的声音吸收受空气质量振动的共振支配，因此在穿孔孔和背衬腔中，它都受限于共振频率区域；因此其带宽可能相对窄。

在图9示出MPP吸收器的正入射吸声系数的典型谐波分析。对于此吸收器，MPP 28的穿孔直径为0.8mm，MPP面板厚度为1.5mm，穿孔率(孔的总面积与总板面积的比率为0.4％，并且谐振腔深度为300mm)。峰值吸收可在大约100Hz或120Hz的频率上工程化，由此针对以50Hz或60Hz输送AC电的发电机的国际运行要求进行优化。也可在旋转电机的任何合适的频率下工程化峰值吸收，例如在转子的供电频率或其谐波处的峰值吸收。

设计另外两种可能的MPP吸收器，预测在100Hz和120Hz下具有高正入射吸声系数。下文给出两种MPP的尺寸。

类型	孔直径(mm)	面板厚度(mm)	穿孔率(％)
				1	0.9	0.8	0.25
2	1.0	1.0	0.21

腔深度均为300mm的两种类型的MPP吸收器的预测正入射吸声系数在图10中示出，其中类型1提供轨迹101并且类型2提供轨迹102。

进一步参考图6，谐振腔29、62可被划分成多个横向于消音器空气流动方向的隔室，其中分隔物65沿腔的宽度间隔开(例如，与MPP 28、61的平面正交的分隔物)。如果谐振腔29、62未被分隔，那么掠波(平行于MPP 28、61传播的波)的声音吸收效果可能较差。然而，垂直于MPP传播的波在没有分隔腔的情况下同样被衰减。研究表明，对空腔进行分隔破坏MPP 28、61后面的波传播，并迫使MPP像传统的本地反应吸收器那样工作。优选地，在相邻分隔物65之间的间距应最低限度地小于半个声波长。实例设计的分隔物宽度为300mm。

在所说明的布置中，声压波应垂直于MPP传播，并且因此可能不需要分隔。然而，为了消除由于随机/掠入射声波的性能降低的任何潜在风险，如图6所示，将背衬腔分隔成五个单独的腔62a、62b…62e。这具有加强结构的附加益处，特别是在结构的宽度沿发电机轴向长度的大部分延伸的情况下，如图1所描绘。在替代配置中，可沿发电机的轴向长度并排地部署单独的减小宽度的声分离器11。

再次参考图3，可通过调节在吸声柱20的第一部分21和第二部分22之间的间距30实现进一步改进噪声减少。在优选的布置中，发现在第一部分21和第二部分22之间的间距为25mm的情况下实现最高的噪声减少。可通过将第一、第二和第三部分栓接到未示出的支撑框架来维持第一部分21和第二部分22之间(以及第二部分22和第三部分23之间，如果适用)之间的间距。

一般来说，可通过吸声柱20的第二部分22提供两个或更多个反应性吸收器，反应性吸收器在空气流动方向上串联布置。举例来说，参考图2，下部第二部分22可被配置为被调谐用于在第一频率(例如50Hz或100Hz)下衰减的MPP吸收器，并且上部第二部分22a可被配置为被调谐用于在第二频率(例如60Hz或120Hz)下衰减的MPP吸收器。然而，已发现，对于感兴趣的频率(包括100Hz和120Hz)，并且其中腔深度在260-300mm范围内，大部分声能被前两个MPP吸收器吸收，并且在第二MPP吸收器之后添加另外的反应性吸收器可能不显著有助于额外噪声减少。然而，省略另外的反应性吸收器可能有助于减小空气流动阻力，并且因此减小跨排气处理模块的预期压降。因此，在许多情况下，两个串联安装的反应性吸收器可为最佳数量。

在示出的实例中，对于两种类型的MPP吸收器，发现在100Hz和120Hz下提供最佳噪声减少的腔的深度尺寸，对于上游腔为260mm，对于下游腔为300mm。

通过考虑MPP吸收器腔的壁的结构相容性，可对消音器进行进一步的改进。MPP吸收器箱22应优选地具有足够刚性的机械构造，以在操作过程中不弯曲或挠曲，并且应优选地与出口消音器壳体机械隔离，以避免吸收来自壳体本身的任何振动。

如图10中看到，两种类型的MPP(上文定义为类型1和类型2)的预测正入射吸收系数可具有相对较窄的吸收带宽，并且这可导致在200Hz和240Hz下和可能在较高频率下的最佳噪声减少较差。可通过使用如图6和图11所说明的双MPP层布置提高MPP的吸收带宽。

参考图11和13，预测的两层MPP吸收器的正入射吸声系数提供如图13所示的吸收系数谱130，所述双层MPP吸收器如在图11看到，MPP孔直径＝0.3mm，MPP厚度＝1mm，穿孔率＝1.5％，并且其中两个板在腔的深度300mm(D2)上间隔50mm相隔(D1)。

用于提高带宽的另一种方法为使用具有多个通道或管槽121、122、123的腔120，如图12所示。各个通道的深度可被调谐以衰减特定的频率，其中增加的通道深度提供较低的频率吸收；因此实现更大的宽带频率吸收。孔直径为0.3mm，MPP厚度＝1mm，穿孔率＝1.5％，并且其中第一腔深度D1＝150mm；第二腔深度D2＝225mm并且第三腔深度D3＝300mm的MPP的正入射吸声系数提供如图13所示的吸收系数谱131。因此，在总体方面，谐振腔可被划分成具有不同深度D1、D2、D3的多个隔室121、122、123。

尽管所描述的实施例举例说明一种消音器，所述消音器特别地被调谐以吸收来自发电机转子上通风狭槽的气动噪声，但是应理解，所述消音器可适于提供关于由于旋转倾向于产生周期性空气运动的旋转电机的任何特征的声衰减。

其他实施例有意地在所附权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种旋转电机，其包含：

壳体，所述壳体具有第一部分和第二部分，所述壳体的所述第一部分提供用于所述壳体的所述第一部分中的转子的外壳，所述壳体的所述第二部分提供用于所述壳体的所述第二部分中的消音器的外壳；

从所述壳体的所述第一部分穿过并且通过所述消音器到排气口的空气流动路径，

所述消音器包含与至少一个吸声柱相邻安置的至少一个空气流动路径，所述至少一个吸声柱包含最靠近所述转子的第一部分和更远离所述转子的第二部分，所述至少一个吸声柱的所述第一部分中具有多孔的第一吸声材料，所述至少一个吸声柱的所述第二部分具有与所述至少一个吸声柱的所述第一部分的下游端部相邻的微穿孔面板(MPP)并且具有位于所述MPP的下游的谐振腔，所述空气流动路径具有沿所述转子的轴向长度延伸的长形的横截面轮廓并且具有在离开所述转子的轴线的方向上沿着所述至少一个吸声柱的所述第一部分、所述MPP以及然后沿着所述谐振腔穿行的流动路径方向。

2.根据权利要求1所述的旋转电机，其中所述消音器包含至少两个所述吸声柱，并且所述至少一个空气流动路径限定在所述吸声柱中的两个吸声柱之间。

3.根据权利要求1所述的旋转电机，其中所述吸声柱另外包括其中具有吸声材料的第三部分。

4.根据权利要求1所述的旋转电机，其在所述谐振腔中具有第二MPP。

5.根据权利要求1所述的旋转电机，其中所述谐振腔被划分成横向于经过所述柱的所述空气流动路径的方向的多个隔室。

6.根据权利要求1所述的旋转电机，其中所述谐振腔被划分成具有不同深度的多个隔室。

7.根据权利要求1所述的旋转电机，其中所述柱的所述第二部分被调谐用于在80和180Hz之间，或更特别地在100和120Hz之间的峰值吸收。

8.根据权利要求4所述的旋转电机，其中所述柱的所述第二部分被调谐用于在60和300Hz之间，或更特别地在100和120Hz之间的峰值吸收。

9.根据权利要求1所述的旋转电机，其中所述柱的所述第二部分被调谐用于在所述转子的供电频率或其谐波下的峰值吸收。

10.根据权利要求1所述的旋转电机，其中所述第一吸声材料为多孔吸收器或泡沫或岩棉。

11.根据权利要求1所述的旋转电机，其中所述旋转电机为发电机。

12.根据权利要求2所述的旋转电机，其具有限定多个空气流动路径的多个吸声柱，每个空气流动路径具有沿所述转子的轴向长度延伸的长形的横截面轮廓。

13.根据权利要求1所述的旋转电机，其中所述MPP包含：

直径在0.5mm到1.2mm的范围内的穿孔；或者

厚度为0.5mm到2.5mm的板；或者

穿孔的总面积与总板面积的比率处于0.15％到0.4％的范围内的板。

14.根据权利要求1所述的旋转电机，其中所述谐振腔的深度在150mm到400mm，或200mm到400mm的范围内。

15.一种控制来自安置在壳体内的旋转电机的通风路径的空气动力噪声排放的方法，所述方法包含：

将转子安置在所述壳体的第一部分内；

将消音器 安置在所述壳体的第二部分内，

提供从所述壳体的所述第一部分穿过并且通过所述消音器到所述壳体的排气口的空气流动路径，

为所述消音器提供与至少一个吸声柱相邻安置的至少一个空气流动路径，所述至少一个吸声柱包含最靠近所述转子的第一部分和更远离所述转子的第二部分，所述至少一个吸声柱的所述第一部分中具有多孔的第一吸声材料，所述至少一个吸声柱的所述第二部分具有与所述至少一个吸声柱的所述第一部分的下游端部相邻的微穿孔面板(MPP)并且具有位于所述MPP的下游的谐振腔，所述空气流动路径具有沿所述转子的轴向长度延伸的长形的横截面轮廓并且具有在离开所述转子的轴线的方向上沿着所述至少一个吸声柱的所述第一部分、所述MPP以及然后沿着所述谐振腔穿行的流动路径方向，

使冷却空气沿所述至少一个空气流动路径穿过所述吸声柱的所述第一部分，使得多孔的所述第一吸声材料充当声阻吸收器，和

使冷却空气沿所述至少一个空气流动路径穿过所述吸声柱的所述第二部分，使得所述微穿孔面板(MPP)和所述谐振腔充当反应性吸声器。

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