CN111810315B - 一种基于柔性水幕的噪声吸收导流装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及发动机降噪装置，具体涉及一种基于柔性水幕的噪声吸收导流装置。克服传统降噪方法存在成本高的问题，装置包括导流防护筒、环形水幕射流水环和锥形水幕射流水环；导流防护筒为筒状结构位于喷管下游；环形水幕射流水环与锥形水幕射流水环均为中空的环形结构；环形水幕射流水环安装于导流防护筒的远喷管端，锥形水幕射流水环安装于导流防护筒的近喷管端；环形水幕射流水环及锥形水幕射流水环管路连通；锥形水幕射流水环上沿周向开有至少一排喷水孔，射流水沿至少一排喷水孔喷出，喷水孔轴线与发动机轴线呈30°‑85°；环形水幕射流水环上沿周向开有至少一排喷水孔，射流水沿至少一排喷水孔喷出形成环形水幕，喷水方向沿发动机喷管的燃气流方向。

Description

一种基于柔性水幕的噪声吸收导流装置
技术领域
本发明涉及一种发动机降噪装置，具体涉及一种基于柔性水幕的噪声吸收导流装置。
背景技术
火箭发动机试验会产生巨大的噪声，会对地面试验设备设施造成巨大伤害，必须加以抑制。发动机试验降噪传统方法是利用封闭式导流槽对噪声进行抑制，投资巨大，使得降噪成本很高。
发明内容
为了克服传统降噪方法存在成本高的问题，本发明提出一种高压射流水幕式发动机试验噪声吸收装置，利用射流水幕与燃气的掺混作用降低发动机试验的噪声。
本发明的技术方案是提供一种基于柔性水幕的噪声吸收导流装置，其特殊之处在于：包括导流防护筒、环形水幕射流水环和锥形水幕射流水环；
导流防护筒为筒状结构与火箭发动机喷管同轴，且位于喷管下游；环形水幕射流水环与锥形水幕射流水环均为中空的环形结构；
环形水幕射流水环安装于导流防护筒的远喷管端，锥形水幕射流水环安装于导流防护筒的近喷管端；环形水幕射流水环及锥形水幕射流水环管路连通，为环形水幕射流水环及锥形水幕射流水环提供射流水；
锥形水幕射流水环上沿周向开有至少一排喷水孔，射流水沿至少一排喷水孔喷出，喷水孔轴线与发动机轴线呈30°-85°；射流水形成锥形水幕，水迅速汽化，改变火箭发动机射流流场的结构并消除燃气内部的噪声，对发动机喷管的燃气流形成第一道降噪；
环形水幕射流水环上沿周向开有至少一排喷水孔，射流水沿至少一排喷水孔喷出形成环形水幕，喷水方向沿发动机喷管的燃气流方向，水迅速汽化，改变火箭发动机射流流场的结构并消除燃气外缘与空气产生的噪声，对发动机喷管的燃气流形成第二道降噪。发动机喷管的燃气流噪声，依次通过第一道降噪、导流防护筒的声能阻尼及第二道降噪，实现降噪。
进一步地，为了确保形成需求厚度的水幕，锥形水幕射流水环上的喷水孔孔径为0.1-1.5mm，孔与孔之间周向间距为5-50mm；
环形水幕射流水环上的喷水孔孔径为0.1-1.5mm，孔与孔之间周向间距为5-50mm。
进一步地，为了对防护筒表面进行冷却，导流防护筒的外壁面轴向均布若干条冷却水管路，冷却水管路与导流防护筒长度一致，冷却水管路上开有喷水孔，孔径为1-5mm，孔与孔之间间距为5-50mm，供水管路为冷却水管路供水，在导流防护筒外表面形成冷却水膜，厚度≥1mm。
进一步地，为了更有效的降低燃气噪声的同时符合大型工业装置设施的火灾热辐射破坏标准，锥形水幕与环形水幕的厚度均≥0.1mm，射流水速均≥10m/s。
进一步地，该导流装置还包括设置在喷水孔处的不锈钢万向柱形喷嘴。
进一步地，发动机喷管的燃气流摇摆时，环形水幕距火焰距离为200mm-350mm。
本发明的有益效果是：
通过在火箭发动机燃气射流中加装本发明基于柔性水幕的噪声吸收导流装置，发动机喷管的燃气流噪声首先通过锥形水幕迅速汽化，改变火箭发动机射流流场的结构并消除燃气内部的噪声，对发动机喷管的燃气流形成第一道降噪；然后通过导流防护筒的声能阻尼，最后通过环形水幕，水迅速汽化，改变火箭发动机射流流场的结构并消除燃气外缘与空气产生的噪声，对发动机喷管的燃气流形成第二道降噪，实现了有效的降噪，且设备成本相较于传统方法较低很多。
附图说明
图1为本发明实施例中基于柔性水幕的噪声吸收导流装置结构示意图；
图2为单孔射流相份额图；
图3为单孔射流速度图；
图4为实施例中经过热防护后温度测量值；
图5为实施例中经过热防护后热流密度测量值。
图中附图标记为：
1-供水管路，2-导流防护筒，3-环形水幕射流水环，4-锥形水幕射流水环，5-发动机；
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
如图1所示，本实施例基于柔性水幕的噪声吸收导流装置分为供水管路1、导流防护筒2与射流水环三部分，射流水环包括环形水幕射流水环3与锥形水幕射流水环4。其中供水管路1采用DN100不锈钢管，一分为二，一部分水供应于导流防护筒2冷却用水，另一部分供应于射流水环，作为射流水。导流防护筒2为圆筒状，采用钢板制成，材料可以采用304不锈钢，沿其外壁轴向设置多条冷却水管路，供水管路1与该冷却水管路连通，冷却水管路上开有喷水孔，孔径为1-5mm，孔与孔之间间距为5-50mm，供水管路1为冷却水管路供水，在导流防护筒2外表面形成冷却水膜，厚度≥1mm。射流水管为环形管路，亦采用不锈钢管道配制而成；射流水环喷出的高压水形成射流水幕。其中环形水幕射流水环3与锥形水幕射流水环4分别安装在导流防护筒2的两端，靠近发动机5的为锥形水幕射流水环4，锥形水幕射流水环4上沿周向开有至少一排喷水孔，喷水孔孔径为0.1-1.5mm，孔与孔之间周向间距为5-50mm，射流水沿喷水孔喷出形成小端远离发动机5的锥形水幕；当供水管路1提供射流水时，射流水沿喷水孔喷出形成锥形水幕，喷水孔轴线与发动机轴线呈30°-85°，水迅速汽化，改变火箭发动机射流流场的结构并消除燃气内部的噪声，对发动机喷管的燃气流形成第一道降噪。导流防护筒2出口的水环为环形水幕射流水环3，环形水幕射流水环3上沿周向开有至少一排喷水孔，孔径为0.1-1.5mm，孔与孔之间周向间距为5-50mm。发动机喷管的燃气流摇摆时，环形水幕距火焰距离为200mm-350mm。当射流水流入时，射流水沿喷水孔喷出形成环形水幕，喷水方向沿发动机5喷管的燃气流方向，水迅速汽化，改变火箭发动机射流流场的结构并消除燃气外缘与空气产生的噪声，对发动机喷管的燃气流形成第二道降噪。
通过第一道降噪、导流防护筒的声能阻尼及第二道降噪可以将发动机燃气噪声辐射、反射出去，大大降低试验间噪声。
而对于导流防护筒和环形水幕的降噪机理，视同于声能阻尼板，噪声被导流防护筒和环形水幕反射吸收，大大降低燃气噪声。
可以利用限流孔板调整导流防护筒冷却水和射流水幕水流量，确保冷却水流量在导流防护筒壁面形成厚度≥1mm的冷却水膜，射流水幕厚度≥0.5mm。冷却水和射流水也可均通过安装在喷水孔处的射流嘴喷出，射流喷嘴为不锈钢万向柱形喷嘴。射流喷嘴喷前压力通过节流孔板控制在0.8MPa，单个喷嘴流量采用Fluent模拟进行计算，计算选取单孔射流，进口压力取冷却水压力1.4MPa，出口为大气压力95kPa，射流水孔长度3.5mm。计算得到单孔射流水流速为36m/s，单孔流量0.7kg/s，导流防护筒冷却水流量105kg/s，该流量下可以形成厚度为1.03mm的冷却水膜。环形水幕射流水环和锥形水幕射流水环总水量为70kg/s。其中尾部环形水幕流量为35kg/s，该流量下环形水幕射流水环可以形成厚度为0.34mm的环形水幕。实际上由于速度耗散及雾化，水幕厚度大于此值。锥形水幕流量为35kg/s，锥形水幕主要作用是受热产生水蒸气，吸收辐射至试车架等设备的热量。可以分别在冷却水管路、集水环管路分别安装限流孔板，调节供水流量，保证导流防护筒冷却水、集水环供水满足设计要求。
本实施例对热防护前后试验前间的温度进行测量，热防护改造后布置了2个测点，即T13与T14。如图4及图5所示，可以看出，射流水幕使环境温度和热流值大幅下降。

Claims (7)

1.一种基于柔性水幕的噪声吸收导流装置，其特征在于：包括供水管路、导流防护筒、环形水幕射流水环和锥形水幕射流水环；
导流防护筒为筒状结构，与火箭发动机喷管同轴，且位于喷管下游；环形水幕射流水环与锥形水幕射流水环均为中空的环形结构；
环形水幕射流水环安装于导流防护筒的远喷管端，锥形水幕射流水环安装于导流防护筒的近喷管端；供水管路与环形水幕射流水环及锥形水幕射流水环管路连通，为环形水幕射流水环及锥形水幕射流水环提供射流水；
锥形水幕射流水环上沿周向开有至少一排喷水孔，射流水沿至少一排喷水孔喷出，喷水孔轴线与发动机轴线呈30°-85°，射流水形成锥形水幕与发动机燃气掺混；
环形水幕射流水环上沿周向开有至少一排喷水孔，射流水沿至少一排喷水孔喷出形成环形水幕，喷水方向沿发动机喷管的燃气流方向。
2.根据权利要求1所述的基于柔性水幕的噪声吸收导流装置，其特征在于：锥形水幕射流水环上的喷水孔孔径为0.1-1.5mm，孔与孔之间周向间距为5-50mm；
环形水幕射流水环上的喷水孔孔径为0.1-1.5mm，孔与孔之间周向间距为5-50mm。
3.根据权利要求2所述的基于柔性水幕的噪声吸收导流装置，其特征在于：供水管路上安装有限流孔板，用于调整供水流量，确保射流水量不小于70kg/s。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于柔性水幕的噪声吸收导流装置，其特征在于：导流防护筒的外壁面轴向均布若干条冷却水管路，冷却水管路与导流防护筒长度一致，冷却水管路上开有喷水孔，孔径为1-5mm，孔与孔之间间距为5-50mm，供水管路为冷却水管路供水，在导流防护筒外表面形成冷却水膜，厚度≥1mm。
5.根据权利要求4所述的基于柔性水幕的噪声吸收导流装置，其特征在于：锥形水幕与环形水幕的厚度均大于等于0.5mm，射流水速均大于等于10m/s。
6.根据权利要求5所述的基于柔性水幕的噪声吸收导流装置，其特征在于：还包括设置在喷水孔处的不锈钢万向柱形喷嘴。
7.根据权利要求6所述的基于柔性水幕的噪声吸收导流装置，其特征在于：发动机喷管的燃气流摇摆时，环形水幕距火焰距离为200mm-350mm。
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