CN113593511B - 一种双腔耦合赫姆霍兹消声器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双腔耦合赫姆霍兹消声器及控制方法，包括主管道以及与主管道连通的共振腔，共振腔内设有将其分割成第一腔体和第二腔体的挡板，挡板一侧设有伸缩延伸管组件；主管道上设有控制系统，控制系统的一侧设有齿轮传动系统，齿轮传动系统的一端与控制系统信号连接，齿轮传动系统的另一端与伸缩延伸管组件连接，该系统可以测量出主管道中的气流速度，并转化为相应的电信号，通过相应的信号带动齿轮传动系统转动，进而带动共振腔内的伸缩管移动。本发明通过改变共振腔内的伸缩管的长度，进而改变挡板开孔处气流的喷射轨迹和强度，使传递损失进一步增大，提高消声效果，进而提高驻涡燃烧室内火焰稳定性，同时拓宽消声频带。
Description
技术领域
本发明涉及一种常用被动抗性消声器，尤其涉及一种用于驻涡燃烧室的双腔耦合的赫姆霍兹消声器。
背景技术
驻涡燃烧室具有结构简单、质量轻、燃烧效率高、NOx排放低以及总压损失低等优点，但驻涡燃烧室内的噪声会降低其内的火焰稳定性，因此需要采用一种消音器来降低噪音，提高火焰稳定性，而赫姆霍兹消声器结构比较的简单，吸声性能优异，在航空发动机和船用燃气轮机中有广泛的应用，因此采用赫姆霍兹消声器来提高驻涡燃烧室火焰稳定性。传统单个赫姆霍兹消声器为了拓宽消声频带，需要将两个赫姆霍兹消声器组合在一起使用，作为一种被动式消声器，赫姆霍兹消声器主要用于中、低频消声，为了进一步优化消声效果，拓宽消声频带，提高驻涡燃烧室内火焰稳定性，需要对双腔耦合的赫姆霍兹消声器进行结构优化。
申请号为201910966633.0的专利公开了一种主动变频的赫姆霍兹共振器及其调频降噪方法。该共振器克服了单个赫姆霍兹共振器工作频率较窄的问题，但是该共振器的消声效果相对传统的赫姆霍兹共振器并没有很大的提升，因此该共振器的降噪效果有待于进一步的提高。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种用于提高驻涡燃烧室内火焰稳定性并拓宽消声频带的双腔耦合赫姆霍兹消声器；本发明的第二目的在于提供上述双腔耦合赫姆霍兹消声器的控制方法。
技术方案：本发明的一种双腔耦合赫姆霍兹消声器，包括主管道以及与主管道连通的共振腔，所述共振腔内设有将其分割成第一腔体和第二腔体的挡板，所述挡板一侧设有用于拓宽共振腔消声频带的伸缩延伸管组件；所述主管道上设有用于检测主管道内气流速度并转化为相应电信号的控制系统，所述控制系统的一侧设有用于控制伸缩延伸管组件移动的齿轮传动系统，所述齿轮传动系统的一端与控制系统信号连接，齿轮传动系统的另一端与伸缩延伸管组件连接，控制系统通过速度信号带动齿轮传动系统转动，进而带动伸缩延伸管组件在共振腔内移动。
进一步的，所述伸缩延伸管组件包括伸缩管、第一导向杆和第二导向杆；伸缩管的底部与挡板固定，伸缩管的伸缩方向与挡板垂直，伸缩管的顶部通过圆环与第二导向杆连接，第一导向杆的一端与齿轮传动系统连接；所述第一导向杆和第二导向杆分别延伸至共振腔的外壁和内壁，第一导向杆和第二导向杆与共振腔的接触端设有相互吸引的第一磁铁和第二磁铁。第一磁铁和第二磁铁之间的强吸引力可以带动伸缩管实现长度的变化，伸缩管上具有伸缩节，在横向力的作用下，伸缩节可以实现收缩或伸长。
进一步的，所述共振腔的外壁设有用于第一磁铁移动的第一卡槽，所述共振腔的内壁设有用于第二磁铁移动的第二卡槽；第一卡槽和第二卡槽的设置可以方便磁铁的移动，同时也保证了共振腔的密封性。
进一步的，所述挡板上设有沿竖直方向开设的长孔，所述长孔的中心与挡板的中心重合，伸缩管的底部固定在长孔的中心，伸缩管与共振腔两侧内壁之间的距离相等。这里保证伸缩管的位置设置在共振腔的中心部位，可以有利于后续气流喷射的测试，保证消声频带的准确判断，长孔的设置有利于伸缩管底部位置的固定，而且根据不同大小的共振腔，可以通过调节伸缩管底部的位置，满足伸缩管距离共振腔两侧的长度相等。
进一步的，所述圆环的内径和伸缩管的直径相同。圆环有利于第二导向管与伸缩管的连接，方便第二导向管控制伸缩管进行移动。
进一步的，进一步的，所述控制系统包括声速接收器、放大器、信号转换器、步进电机控制器和步进电机；所述声速接收器位于主管道的上游，所述声速接收器、放大器、信号转换器、步进电机控制器和步进电机依次信号连接。
进一步的，所述齿轮传动系统包括相互啮合的主动轮和从动轮，所述主动轮的转轴与控制系统的步进电机的输出轴连接，伸缩延伸管组件的第一导向杆端部与从动轮连接，主动轮牵引从动轮运动时，从动轮带动第一导向杆及其端部的第一磁铁沿共振腔的外壁移动。
进一步的，所述第二腔体的体积大于腔体的体积，所述伸缩延伸管组件位于第二腔体内。两耦合共振腔的体积不同，使得二者的固有频率也不同，进而使得共振范围更大、调节范围更广，把伸缩管放在体积更大的第二腔体内，可以保证其在更大的范围内左右移动，以适应管道内变化的气流速度。
进一步的，所述主管道与共振腔之间设有颈部短管，所述主管道、颈部短管和共振腔之间密封连接。
本发明还保护所述的双腔耦合赫姆霍兹消声器的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、声速接收器测量主管道中的气流速度，放大器把速度信号进一步放大，然后把信号传给信号转换器；
步骤二、信号转换器把气流速度信号转换为电信号，然后把相应电信号传到步进电机控制器，步进电机控制器通过电信号带动步进电机运动；
步骤三、步进电机带动齿轮传动系统转动，齿轮传动系统带动伸缩延伸管组件在共振腔内移动，通过改变伸缩延伸管组件的伸缩管的长度来拓宽消声频带，提高驻涡燃烧室内火焰稳定性。
步进电机控制器通过电信号带动步进电机运动的方法为：当步进电机控制器接受到的速度信号值大于前一次接受到的速度信号值，步进电机正转，第一导向杆和第一磁铁向右移动，在强磁力的作用下，第二导向杆、第二磁铁和圆环也随之向右移动，带动伸缩延伸管在腔体内水平向右移动，伸缩管长度增加；当步进电机控制器接受到的速度信号值小于前一次接受到的速度信号值，步进电机反转，第一导向杆和第一磁铁向左移动，在强磁力的作用下，第二导向杆、第二磁铁和圆环也随之向左移动，带动伸缩延伸管在腔体内水平向左移动，伸缩管长度减小。
本发明的控制原理为：传递损失的计算用公式 表示入射平面波声压，/>表示在上游和下游的传输波声压。通过改变右侧共振腔内的弹性伸缩延伸管的长度，进而改变共用挡板开孔处气流的喷射轨迹和强度，使传递损失进一步增大，当传递损失增大时，由上面公式可知，当入射平面波声压不变时，上游和下游的传输波声压便减小，即提高了消音效果，此时声场的压力波动扰动火焰的能力减弱，进而提高驻涡燃烧室火焰稳定性。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著优点：本发明通过声速接收器测量主管道内的气流速度，来改变齿轮传动系统中的磁铁的运动方向，进而改变右侧共振腔内的弹性伸缩延伸管的长度，这便改变共用挡板开孔处气流的喷射轨迹和强度，使传递损失进一步增大，即提高了消音效果，此时声场的压力波动扰动火焰的能力减弱，进而提高驻涡燃烧室火焰稳定性，同时通过信号控制系统主动调节弹性伸缩延伸管的长度，进而拓宽消声频带。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明齿轮传动系统的局部放大图；
图3为第二腔体顶部外侧局部放大图
图4为第二腔体内侧局部放大图；
图5为本发明挡板的结构示意图；
图6为本发明第二腔体内无延伸管时气流喷射轨迹图；
图7为本发明第二腔体内有延伸管时气流喷射轨迹图；
图8为本发明第二腔体有、无延伸管时传递损失图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1-5所示，本发明提供了一种双腔耦合赫姆霍兹消声器及控制方法，包括主管道1、颈部短管2、共振腔3、控制系统、齿轮传动系统、伸缩延伸管组件；共振腔3内设置挡板4，将共振腔3分为第一腔体31和第二腔体32，颈部短管2设置由两个，分别将第一腔体31和第二腔体32与主管道1连通，且三者间密封良好，伸缩延伸管组件设置在第二腔体32内，第一腔体31和第二腔体32为横向放置的两个圆柱体，第二腔体32的体积大于第一腔体31的体积；
伸缩延伸管组件包括伸缩管6、第一导向杆9和第二导向杆17；伸缩管6的底部与挡板4固定，伸缩管6的伸缩方向与挡板4垂直，挡板4上设有沿竖直方向开设的长孔5，长孔5的中心与挡板4的中心重合，伸缩管6固定在长孔5上，伸缩管6和长孔5的中心重合，伸缩管6与共振腔3两侧内壁之间的距离相等，伸缩管6在一定范围内不会发生弯曲，在直线方向上可以左右弹性移动，且横截面积基本不变；伸缩管6的顶部通过圆环7与第二导向杆17连接，圆环7的内径和伸缩管6的直径相同，第一导向杆9的一端与齿轮传动系统连接；第一导向杆9和第二导向杆17分别延伸至共振腔3的外壁和内壁，第一导向杆9和第二导向杆17与共振腔3的接触端设有相互吸引的第一磁铁20和第二磁铁18；共振腔的外壁设有用于第一磁铁20移动的第一卡槽8，共振腔的内壁设有用于第二磁铁18移动的第二卡槽19。
控制系统包括声速接收器12、放大器13、信号转换器14、步进电机控制器15、步进电机16；声速接收器12位于主管道的上游，声速接收器12、放大器13、信号转换器14、步进电机控制器15和步进电机16依次信号连接，声速接收器12采用Midas SVP型号、放大器13采用ATA-3090型号、信号转换器14采用MXT2001型号、步进电机控制器15采用ZBLD.C10-200L型号、步进电机16采用20BYG250-33型号；声速接收器12是信号控制系统的输入端，通过声速接收器12可以测得主管道1中的气流速度，步进电机16是信号控制系统的输出端，步进电机16可以带动主动齿轮11转动。
齿轮传动系统包括相互啮合的主动轮11和从动轮10，主动轮11的转轴与控制系统的步进电机控制器15的输出轴连接，伸缩延伸管组件的第一导向杆9端部与从动轮10连接，主动轮11牵引从动轮10运动时，从动轮10带动第一导向杆9及其端部的第一磁铁20沿共振腔的外壁移动，在强磁力的作用下，第一磁铁20下方的第二磁铁18也随之左右移动，进而圆环7和伸缩管6在水平方向左右移动，通过改变右侧共振腔内的弹性伸缩延伸管6的长度，提高消声效果和拓宽消声频带，进而提高驻涡燃烧室内火焰稳定性。
具体使用过程如下：
步骤一：声速接收器12测量主管道1中的气流速度，放大器13把速度信号进一步放大，然后把信号传给信号转换器14。
步骤二：信号转换器14把气流速度信号转换为电信号，然后把相应电信号传到步进电机控制器15。
步骤三：步进电机控制器15通过电信号带动步进电机16运动，然后步进电机16带动齿轮传动系统的第一导向杆9和第一磁铁20左右移动，在强磁力的作用下，第一磁铁20下方的第二磁铁18和圆环7也随之左右移动。
步骤四：第二磁铁18和圆环7带动伸缩管6在水平方向左右移动，通过改变右侧共振腔内的弹性伸缩延伸管6的长度，提高消声效果和拓宽消声频带，进而提高驻涡燃烧室内火焰稳定性。
经过仿真得到如图6-8所示结果。图6表示伸缩管长度为0cm，即未加伸缩管时的共用挡板开孔处气流的喷射轨迹和强度图，图7表示伸缩管长度为8cm时的挡板开孔处气流的喷射轨迹和强度图，长度获得的喷射轨迹和强度图最为明显，由图6和图7可知，耦合共振腔内增加8cm的弹性伸缩延伸管获得的气流喷射轨迹和强度明显优于未加伸缩延伸管时所获得的气流喷射轨迹和强度。如图8所示，优化前的双腔偶合模型表示未加伸缩延伸管，优化后的双腔偶合模型表示加了8cm长的伸缩延伸管，以很容易发现：由于加了8cm的伸缩延伸管，由上面分析可知，使获得的气流喷射轨迹和强度明显增强，进而使传递损失明显增大，当入射平面波声压不变时，上游和下游的传输波声压便减小，即提高了消音效果，此时声场的压力波动扰动火焰的能力减弱，进而提高驻涡燃烧室火焰稳定性，同时通过信号控制系统主动调节弹性伸缩延伸管的长度，进而拓宽消声频带，从而实现本发明的目的。
Claims (10)
1.一种双腔耦合赫姆霍兹消声器，包括主管道(1)以及与主管道(1)连通的共振腔(3)，其特征在于：所述共振腔(3)内设有将其分割成第一腔体(31)和第二腔体(32)的挡板(4)，所述挡板(4)一侧设有用于拓宽共振腔消声频带的伸缩延伸管组件；所述伸缩延伸管组件包括伸缩管(6)，所述挡板(4)上设有沿竖直方向开设的长孔(5)，所述长孔(5)的中心与挡板(4)的中心重合，伸缩管(6)的底部固定在长孔(5)的中心；所述主管道(1)上设有用于检测主管道内气流速度并转化为相应电信号的控制系统，所述控制系统的一侧设有用于控制伸缩延伸管组件移动的齿轮传动系统，所述齿轮传动系统的一端与控制系统信号连接，齿轮传动系统的另一端与伸缩延伸管组件连接，控制系统通过速度信号带动齿轮传动系统转动，进而带动伸缩延伸管组件在共振腔(3)内移动。
2.根据权利要求1所述的一种双腔耦合赫姆霍兹消声器，其特征在于：所述伸缩延伸管组件包括伸缩管(6)、第一导向杆(9)和第二导向杆(17)；伸缩管(6)的底部与挡板(4)固定，伸缩管(6)的伸缩方向与挡板(4)垂直，伸缩管(6)的顶部通过圆环(7)与第二导向杆(17)连接，第一导向杆(9)的一端与齿轮传动系统连接；所述第一导向杆(9)和第二导向杆(17)分别延伸至共振腔(3)的外壁和内壁，第一导向杆(9)和第二导向杆(17)与共振腔(3)的接触端设有相互吸引的第一磁铁(20)和第二磁铁(18)。
3.根据权利要求2所述的一种双腔耦合赫姆霍兹消声器，其特征在于：所述共振腔的外壁设有用于第一磁铁(20)移动的第一卡槽(8)，所述共振腔的内壁设有用于第二磁铁(18)移动的第二卡槽(19)。
4.根据权利要求2所述的一种双腔耦合赫姆霍兹消声器，其特征在于：所述伸缩管(6)与共振腔(3)两侧内壁之间的距离相等。
5.根据权利要求2所述的一种双腔耦合赫姆霍兹消声器，其特征在于：所述圆环(7)的内径和伸缩管(6)的直径相同。
6.根据权利要求1所述的一种双腔耦合赫姆霍兹消声器，其特征在于：所述控制系统包括声速接收器(12)、放大器(13)、信号转换器(14)、步进电机控制器(15)和步进电机(16)；所述声速接收器(12)位于主管道的上游，所述声速接收器(12)、放大器(13)、信号转换器(14)、步进电机控制器(15)和步进电机(16)依次信号连接。
7.根据权利要求1所述的一种双腔耦合赫姆霍兹消声器，其特征在于：所述齿轮传动系统包括相互啮合的主动轮(11)和从动轮(10)，所述主动轮(11)的转轴与控制系统的步进电机(16)的输出轴连接，伸缩延伸管组件的第一导向杆(9)端部与从动轮(10)连接，主动轮(11)牵引从动轮(10)运动时，从动轮(10)带动第一导向杆(9)及其端部的第一磁铁(20)沿共振腔的外壁移动。
8.根据权利要求1所述的一种双腔耦合赫姆霍兹消声器，其特征在于：所述第二腔体(32)的体积大于第一腔体(31)的体积，所述伸缩延伸管组件位于第二腔体(32)内。
9.根据权利要求1所述的一种双腔耦合赫姆霍兹消声器，其特征在于：所述主管道(1)与共振腔(3)之间设有颈部短管(2)，所述主管道(1)、颈部短管(2)和共振腔(3)之间密封连接。
10.一种权利要求1所述的双腔耦合赫姆霍兹消声器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、声速接收器(12)测量主管道(1)中的气流速度，放大器(13)把速度信号进一步放大，然后把信号传给信号转换器(14)；
步骤二、信号转换器(14)把气流速度信号转换为电信号，然后把相应电信号传到步进电机控制器(15)，步进电机控制器(15)通过电信号带动步进电机(16)运动；
步骤三、步进电机(16)带动齿轮传动系统转动，齿轮传动系统带动伸缩延伸管组件在共振腔(3)内移动，通过改变伸缩延伸管组件的伸缩管(6)的长度来拓宽消声频带，提高驻涡燃烧室内火焰稳定性。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
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Also Published As
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