CN113482777B - 一种带偏流的颈部优化亥姆霍兹消声器及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种带偏流的颈部优化亥姆霍兹消声器，包括亥姆霍兹管腔，所述亥姆霍兹管腔的颈部孔口设置有多孔材料的阻流器，亥姆霍兹管腔内设置有调节腔深的活塞，亥姆霍兹管腔的侧壁对称设置有偏流风入口。本发明还公开上述带偏流的颈部优化亥姆霍兹消声器的应用，所述颈部优化亥姆霍兹消声器安装在燃机侧壁或集气室内，气流通过两个对称的偏流风入口进入亥姆霍兹管腔，并流经亥姆霍兹管腔颈口处的阻流器后流出管腔；所述亥姆霍兹管腔的颈口正对声源或产生声音的火焰。本发明使声阻尼器的设计紧凑化，拓宽有效吸声频带宽度，提升整体亥姆霍兹消声器的最大吸声系数，进而实现燃烧器中燃烧不稳定的有效控制。

Description

一种带偏流的颈部优化亥姆霍兹消声器及应用
技术领域
本发明涉及噪声控制技术领域，具体涉及一种带偏流的颈部优化亥姆霍兹消声器及应用。
背景技术
贫预混燃烧状态下的燃气轮机容易产生燃烧不稳定，可能导致严重的结构破坏和灾难性的发动机故障。声阻尼器被广泛运用于稳定燃机内的燃烧过程。然而它们不能对燃烧条件改变进行动态响应，只能在较窄的声频段有效果。常见的声减振器包括：亥姆霍兹谐振器、穿孔衬管、穿孔板、挡板、半波管和四分之一波长管等。被动控制缺陷在于响应频段有限，阻尼系统也不能响应工况改变，目前倾向于研究可调声阻尼器。
挡板、半波管和四分之一波长管的吸声效果有限，对燃烧不稳定的控制效果一般。亥姆霍兹管，穿孔板，衬管的吸声性能较好。但是为了实现最大化的吸声，穿孔板的背腔通常较长，衬管的背腔深度较大。亥姆霍兹管结构紧凑，吸声性能良好，带偏流或掠流的亥姆霍兹管吸声频带更宽，孔径填充平行多孔材料的亥姆霍兹管吸声系数也能被有效提高。但是目前的研究中没有带偏流的颈部填充平行多孔材料的亥姆霍兹消声器被设计出来。
清华大学的杨东[Yang D.,Wang X.,Zhu M.The impact of the neck materialon the sound absorption performance of Helmholtz resonators.Journal of soundand vibration,2014,333(25),6843-6857]发现，吸声材料填充颈部的亥姆霍兹共鸣器可能具有改善的吸声能力。他将具有不同穿孔直径的平行穿孔陶瓷安装到亥姆霍兹共振器的颈部，以改善其声阻抗，同时获得更好的吸声系数和更宽的吸收带宽。发现谐振频率附近的非线性效应会影响谐振器的颈部阻抗，并进一步显着降低其吸声性能。
阿尔斯通的Bellucci[Bellucci V.,Flohr P.,Paschereit C.O.,Magni F.Onthe Use of Helmholtz Resonators for Damping Acoustic Pulsations in IndustrialGas Turbines.Journal of Engineering for Gas Turbines&Power,2004,126(2),271-275]提出了一个非线性模型来预测共振腔的声学响应，包括净化空气的影响。通过将带偏流的谐振腔布置在ALSTOM GT11N2燃气轮机进气端成功衰减了燃烧过程中的低频脉动。
剑桥大学的Dupère[Dupère I.D.J.,Dowling A.P.The use of Helmholtzresonators in a practical combustor.Asme Turbo Expo,Collocated with theInternational Joint Power Generation Conference.2003.]指出亥姆霍兹管颈部孔内流速越大，最大吸声系数会降低，吸声带宽变大。此外，侧支谐振器往往占用很大的空间。
Sohn[Sohn C.H.,Park J.H.A comparative study on acoustic dampinginduced by half-wave,quarter-wave,and Helmholtz resonators.Aerospace Scienceand Technology,2011,15(8),606-614]指出相对于阻尼能力，较短的谐振器长度具有较大的优点。亥姆霍兹共振器的阻尼能力随腔体体积的增加而增加，并且随着孔口长度的减小而增加。亥姆霍兹谐振器比半波长，四分之一波长谐振器具有最好的阻尼能力。
目前技术的不足在于没有带偏流的颈部添加平行多孔材料的亥姆霍兹管被设计出来，本发明的亥姆霍兹消声器结合了偏流和颈部平行多孔材料的优势，有效地提升了最大吸声系数并拓宽了吸声频段。
发明内容
本发明提供一种带偏流的颈部优化亥姆霍兹消声器，使声阻尼器的设计紧凑化，拓宽有效吸声频带宽度，提升整体亥姆霍兹消声器的最大吸声系数，进而实现燃烧器中燃烧不稳定的有效控制。
一种带偏流的颈部优化亥姆霍兹消声器，包括亥姆霍兹管腔，其特征在于，所述亥姆霍兹管腔的颈部孔口设置有多孔材料的阻流器，亥姆霍兹管腔内设置有调节腔深的活塞，亥姆霍兹管腔的侧壁对称设置有偏流风入口。
优选的，所述阻流器布满阵列排布的方形孔。
优选的，所述活塞在动力装置的驱动下在亥姆霍兹管腔内做起落运动，使得亥姆霍兹管腔的腔深发生改变。
优选的，所述亥姆霍兹管腔的颈部设有带多孔的平板，孔长度为h，孔径为a0，截面积S0＝πa0 2。
进一步优选的，所述孔径a0应满足关系式：
Figure BDA0003136017260000031
f为入射声频率。
本发明还请求保护上述颈部优化亥姆霍兹消声器的应用：一种安装上述带偏流的颈部优化亥姆霍兹消声器的燃机，所述颈部优化亥姆霍兹消声器安装在燃机侧壁或集气室内，气流通过两个对称的偏流风入口进入亥姆霍兹管腔，并流经亥姆霍兹管腔颈口处的阻流器后流出管腔；所述亥姆霍兹管腔的颈口正对声源或产生声音的火焰。
优选的，所述阻流器布满阵列排布的方形孔。
优选的，所述活塞在动力装置的驱动下在亥姆霍兹管腔内做起落运动，使得亥姆霍兹管腔的腔深发生改变。
优选的，所述亥姆霍兹管腔的颈部设有带孔的平板，所述阻流器嵌入孔内，孔长度为h，孔径为a0，截面积S0＝πa0 2。
进一步优选的，所述孔径a0应满足关系式：
Figure BDA0003136017260000032
孔隙率介于20％-80％，f为入射声频率。
本发明的有益效果在于，为亥姆霍兹管引入偏流后吸声频带加宽，在亥姆霍兹管颈部孔口放置平行多孔材料阻流器后，颈孔声阻增大，从而有效提升了亥姆霍兹管的吸声系数，紧凑的亥姆霍兹管的最大吸声系数超过0.8，安装在燃机侧壁或集气室能更加有效地减弱热声振荡。
附图说明
图1为带偏流的颈部优化亥姆霍兹消声器的结构图；
图2为无阻流器的亥姆霍兹管在不同管道Re数下的吸声系数；
图3为有阻流器的亥姆霍兹管在不同管道Re数下的吸声系数。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。本文中所涉及的方位词“上”、“下”、“左”和“右”，是以对应附图为基准而设定的，可以理解，上述方位词的出现并不限定本发明的保护范围。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，带偏流的颈部优化的亥姆霍兹消声器，包括阻流器1，偏流风入口2，电动活塞3，其通过一动力装置驱动做起落运动，亥姆霍兹管腔4。阻流器1其由平行多孔材料构成，可以如图1所示嵌入亥姆霍兹管腔4的孔口，亥姆霍兹消声器的腔深通过电动活塞3调节，活塞上下运动，相应地，亥姆霍兹消声器的腔内容积减小或增大。气流通过两个对称的偏流风入口2进入亥姆霍兹管腔4，并流经亥姆霍兹管腔4颈口处的阻流器1后流出管腔。亥姆霍兹管腔4的颈口正对声源或产生声音的火焰。阻流器1布满方形阵列排布的方形小孔，可以嵌入4亥姆霍兹管腔的颈孔处，从而增大颈孔的声阻。另外，阻流器1内的小孔形状也不仅限于方向，也可以为圆形、多边形或其他不规则形状。
偏流风入口2，具有两个对称的进气短管，气流通过进气短管进入亥姆霍兹腔体。
电动活塞3，电动活塞由一个步进电机驱动做起落运动，进而使得亥姆霍兹管的腔深发生改变。
亥姆霍兹管腔4，即原始的亥姆霍兹消声器，包括颈部的一个小孔和一个较大的容腔。
亥姆霍兹管的消声原理如下：
亥姆霍兹管腔4由一块带孔的平板和空腔构成，多孔结构的阻流器1安装在平板的孔内，小孔长度为h，半径为a0，截面积S0＝πa0 2，空腔横截面半径为a，面积为S＝πa2，深度为L，容积为V＝SL。利用声电类比法，可知腔体的声容CA为：
Figure BDA0003136017260000051
其中ρ＝1.293(273.15/T0)为常压下的空气密度，T0为实际空气温度。c0为在T0温度下的声速。
Figure BDA0003136017260000052
其中，γ＝1.4，Rg＝287J/(Kg·K)。
板上穿孔满足以下关系式时可以当做小孔：
Figure BDA0003136017260000053
其中，f为入射声频率。
穿孔内空气的声质量MA为：
Figure BDA0003136017260000054
其中，σ为颈部填充平行穿孔材料后的孔隙率。假设颈部填充平行穿孔材料内为矩阵排列的方形孔，孔隙率σ：
Figure BDA0003136017260000055
其中，l为方孔的边长，t为孔间壁厚。一般地，孔隙率取20％-80％。
孔壁的声阻Ra＝(Rr+Ri)/S0σ，是辐射项Rr和粘性耗散项Ri的函数。其中辐射项Rr可以写作：
Figure BDA0003136017260000056
其中f0为亥姆霍兹管的共振频率，可由下式获得：
Figure BDA0003136017260000057
粘性耗散项为孔长度的函数，可以写作：
Figure BDA0003136017260000061
其中，μ为空气的动力学黏度，20℃时，μ(20℃)＝1.8×10-5Pa·s，ε为取决于孔壁表面品质和入射声波的声压级的声阻因子，通常在10-30之间取值。
设变量x,y为：
Figure BDA0003136017260000062
其中Xa代表声抗，即
Figure BDA0003136017260000063
则整个亥姆霍兹消声器的吸声系数为：
Figure BDA0003136017260000064
当满足下式时，也即共鸣器发生共振时，
圆频率ω：
Figure BDA0003136017260000065
吸声系数达到极大值。
Figure BDA0003136017260000066
本发明中，引入偏流后，无论亥姆霍兹消声器的颈部是否安装有平行多孔材料的阻流器，吸声频带均被明显拓宽，并且管道雷诺数越大，吸声频带越宽。对比图2、3可见，未使用平行多孔阻流器的亥姆霍兹消声器最大吸声系数仅为0.8。装有平行多孔阻流器的消声器，最大吸声系数接近1，也即意味着入射声能几乎被100％地吸收，经测试，偏流下颈部优化的亥姆霍兹消声器最大吸声系数为0.9995。即使无偏流，添加阻流器后的亥姆霍兹消声器吸声性能也十分优良。
在另一个实施例中，还提供一种安装上述带偏流的颈部优化亥姆霍兹消声器的燃机，颈部优化亥姆霍兹消声器安装在燃机侧壁或集气室内，气流通过两个对称的偏流风入口进入亥姆霍兹管腔，并流经亥姆霍兹管腔颈口处的阻流器后流出管腔；亥姆霍兹管腔的颈口正对声源或产生声音的火焰。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种带偏流的颈部优化亥姆霍兹消声器，包括亥姆霍兹管腔，其特征在于，所述亥姆霍兹管腔的颈部孔口设置有多孔材料的阻流器，亥姆霍兹管腔内设置有调节腔深的活塞，亥姆霍兹管腔的侧壁对称设置有偏流风入口；气流经偏流风入口进入亥姆霍兹管腔，并经过阻流器流出；
所述亥姆霍兹管腔的颈部设有带孔的平板，所述阻流器嵌入孔内，孔长度为h，孔径为a0；所述孔径a0应满足关系式：
Figure FDA0003689994170000011
f为入射声频率。
2.根据权利要求1所述的带偏流的颈部优化亥姆霍兹消声器，其特征在于，所述阻流器布满阵列排布的方形孔。
3.根据权利要求1所述的带偏流的颈部优化亥姆霍兹消声器，其特征在于，所述活塞在动力装置的驱动下在亥姆霍兹管腔内做起落运动，使得亥姆霍兹管腔的腔深发生改变。
4.一种安装如权利要求1-3任一项所述带偏流的颈部优化亥姆霍兹消声器的燃机，其特征在于，所述颈部优化亥姆霍兹消声器安装在燃机侧壁或集气室内，气流通过两个对称的偏流风入口进入亥姆霍兹管腔，并流经亥姆霍兹管腔颈口处的阻流器后流出管腔；所述亥姆霍兹管腔的颈口正对声源或产生声音的火焰。
5.根据权利要求4所述的燃机，其特征在于，所述阻流器布满阵列排布的方形孔。
6.根据权利要求4所述的燃机，其特征在于，所述活塞在动力装置的驱动下在亥姆霍兹管腔内做起落运动，使得亥姆霍兹管腔的腔深发生改变。
7.根据权利要求4所述的燃机，其特征在于，所述亥姆霍兹管腔的颈部设有带多孔的平板，孔长度为h，孔径为a0，截面积S0＝πa0 2。
8.根据权利要求7所述的燃机，其特征在于，所述孔径a0满足关系式：
Figure FDA0003689994170000021
孔隙率介于20％-80％，f为入射声频率。
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