CN115076129B - 一种具有自适应降噪功能的离心机扩压器 - Google Patents

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Abstract

一种具有自适应降噪功能的离心机扩压器，包括间隔设置在扩压器本体表面的赫姆霍兹共振腔，所述赫姆霍兹共振腔包括底座、旋转板、密封板和控制机构，底座和密封板形成用于衰减噪声的空腔，密封板和旋转板上均开设有通孔，密封板和旋转板上的通孔有重叠的部分，形成气体进入所述空腔的通道；控制机构驱动旋转板发生旋转运动，调整旋转板和密封板通孔间的重叠部分的比率，改变离心机气体进入共振腔的有效通流面积，偏移共振腔的固有频率，使共振腔的固有频率随着离心机气动噪声频率的变化而改变，始终保持赫姆霍兹共振腔的固有频率达到离心机气体能够诱发气动噪声的频率。本发明使共振腔的固有频率主动去接近离心机噪声频率，精准衰减离心机噪声。

Description

一种具有自适应降噪功能的离心机扩压器
技术领域
本发明属于流体机械减振降噪技术领域，具体涉及一种具有自适应降噪功能的离心机扩压器。
背景技术
离心机作为一种用于改变气体压力和输送气体的通用设备，在空调制冷、石油化工和空气压缩等领域得到了广泛应用。离心机作为一种旋转机械，其噪声具有显著的谐波特性，主要集中在叶轮转动频率及其整数倍，与运行转速密切相关，随着运行转速的变化而改变。离心机运行工况随着应用环境的变化而改变，导致离心机运行转速会在一定的运行区间内波动，致使离心机噪声频率不固定，存在较宽的频率带宽，给离心机噪声控制带来新的挑战。
共振腔是一种控制噪声的常用声学结构，但是其降噪频率单一，常用于频率固定的噪声源，如定频压缩机工作过程中产生的噪声源。基于共振腔原理的多共振腔声学降噪结构，虽然可以拓宽降噪频率范围，但是其结构体积较大，被动增加离心机的三维尺寸，不利于离心机的小型化设计，增加离心机成本，给实际应用带来很多不便。
公开号为CN 108087342 A的专利申请提出一种具有亥姆霍兹共振消声结构的离心风机扩压器，这一离心风机扩压器的消声频率单一，对特定转速下的离心风机噪声具有降噪效果，但变频离心机噪声频率宽，应用受到限制。而公开号为CN 112796890 A的专利提出了一种轴流式涡轮机可变扩张比耐高温的消声扩压器，该消声扩压器利用吸声材料吸收声能，但是吸声材料低频降噪效果差，且吸声材料存在老化及污染等问题，影响了其应用领域。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种具有自适应降噪功能的离心机扩压器，将共振腔集成到扩压器中，不仅具有结构紧凑，而且可以跟踪离心机运行工况同步调整共振腔消声频率，提高降噪效果。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种具有自适应降噪功能的离心机扩压器，包括间隔设置在扩压器本体表面的赫姆霍兹共振腔，所述赫姆霍兹共振腔包括底座、旋转板、密封板和控制机构，所述底座和密封板形成用于衰减噪声的空腔，密封板和旋转板上均开设有通孔，密封板和旋转板上的通孔有重叠的部分，形成气体进入所述空腔的通道；离心机气体通过所述通道形成的有效通流面积进入到所述空腔内，当赫姆霍兹共振腔的固有频率与离心机气体能够诱发气动噪声的频率重合或者接近时，产生共振，吸收声能量，降低离心机噪声；所述控制机构驱动所述旋转板发生旋转运动，调整旋转板和密封板通孔间的重叠部分的比率，改变离心机气体进入共振腔的有效通流面积，偏移共振腔的固有频率，使共振腔的固有频率随着离心机气动噪声频率的变化而改变，始终保持赫姆霍兹共振腔的固有频率与离心机气体能够诱发气动噪声的频率重合或者接近，降低离心机噪声，实现离心机扩压器自适应降噪功能。
作为所述离心机扩压器的一种优选方案，所述底座和密封板是固定不动件，所述底座上开设有一个环形凹槽，环形凹槽的开口面与密封板之间密封不泄漏，形成一个密封空腔；所述旋转板是运动件，位于所述环形凹槽内，在所述控制机构的作用下沿着圆周方向进行旋转运动。
作为所述离心机扩压器的一种优选方案，所述密封板和旋转板上均间隔开设有若干个通孔，密封板和旋转板上的通孔位置对应，在旋转板进行旋转运动时，全部通孔能够以相同比率重叠。
作为所述离心机扩压器的一种优选方案，所述旋转板和密封板通孔间的重叠部分的比率由离心机气动噪声频率反馈给控制机构之后，再由控制机构通过控制旋转板的旋转角度实现改变。
作为所述离心机扩压器的一种优选方案，所述密封板和旋转板上所开设通孔的形状为扇环形，有效通流面积正比于旋转角度。
作为所述离心机扩压器的一种优选方案，所述控制机构为通过步进电机驱动丝杆使旋转板进行旋转的外置驱动机构，或者是采用可变径喷嘴利用离心机转速与压力间的关系控制执行器驱动旋转板进行旋转。
作为所述离心机扩压器的一种优选方案，所述密封板和所述旋转板通孔间的有效通流面积随着离心机气动噪声频率的升高而增加。
作为所述离心机扩压器的一种优选方案，所述旋转板和所述密封板通孔间的重叠部分的比率为5％～80％。
作为所述离心机扩压器的一种优选方案，所述离心机扩压器设置在离心机的壳体连接蜗壳的一端端面上，离心机的叶轮安装在转轴上，所述扩压器本体的中心开设有转轴通过孔，转轴受离心机的转子轴驱动旋转。
相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：
离心机运行工况随着应用环境的变化而改变，导致离心机并非按照固定的运行转速运行，而是在一定的转速区间内运行。由于离心机的机械运动部件少，转子和叶轮等关键旋转部件与蜗壳和壳体等固定部件不接触，机械噪声小，其噪声主要来源于转子和叶轮旋转过程中扰动气体产生的气动噪声，与运行转速密切相关。当离心机运行转速发生变化时，其噪声频率随之改变，因此常见的共振腔降因降噪频率单一，并不适合于离心机噪声控制。本发明考虑到离心机的实际运行过程中运行转速的变化，导致离心机噪声源频率随之改变，以及离心机结构空间紧凑的特点，基于赫姆霍兹共振腔原理，提出了一种具有自适应降噪功能的离心机扩压器，通过控制机构调节共振腔的有效通流面积，改变共振腔的固有频率，使共振腔的固有频率主动去接近离心机噪声频率，精准衰减离心机噪声，克服了共振腔降噪频率窄的缺点，解决了共振腔降噪频率与离心机噪声频率不匹配的问题，具有结构紧凑和降噪效果好的优点。
附图说明
图1为本发明一种具有自适应降噪功能的离心机扩压器的降噪原理示意图；
图2为本发明一种具有自适应降噪功能的离心机扩压器的剖视图；
图3为本发明一种具有自适应降噪功能的离心机扩压器应用于离心机的结构示意图；
图4为本发明离心机扩压器在应用于低转速降噪时的结构示意图；
图5为本发明离心机扩压器在应用于高转速降噪时的结构示意图；
附图中：1.壳体；2.电机；3.转子轴；4.扩压器；5.叶轮；6.蜗壳；11.底座；12.旋转板；13.密封板；14.控制机构；1101.共振腔；1201.旋转板通孔；1301.密封板通孔。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明是基于赫姆霍兹共振腔降噪原理提出的一种具有自适应降噪功能的离心机扩压器，赫姆霍兹共振器主要由截面面积S(半径为a)、长度L的短管和容积V的腔体构成。按照赫姆霍兹共振腔降噪原理，当入射声波的频率接近共振器的固有频率时，短管内的气柱会产生强烈振动，通过克服摩擦阻力而消耗声能。反之，当入射声波的频率远离共振器的固有频率时，气柱振动减弱，共振器吸声作用很小，由此可见，共振器的吸声效果与其自身的固有频率以及外界激励频率有关，最佳吸声效果出现在共振频率处。
根据马大猷院士经典理论，气流脉动衰减装置的固有频率fr：
Figure BDA0003710460040000041
式中：fr—气流脉动衰减装置固有频率；
S—短管的截面积；
a—短管的半径；
L—短管长度；
V—腔体体积；
c—流体介质声速。
从式(1)中可以看出，气流脉动衰减装置的固有频率主要由流体介质声速c、腔体体积V、短管截面积S和短管长度L共同决定。因此改变任何一个参数均可以达到改变气流脉动衰减装置固有频率的目的。
由于流体介质的声速主要由运行工况决定，而腔体体积主要由扩压器的结构空间决定，改变短管长度的实现难度也较大，因此，可以通过改变通流面积来实现共振腔的降噪频率的变化，使共振腔的消声频率同步跟踪离心机的噪声频率，达到离心机降噪的效果。
离心机运行工况随着应用环境的变化而改变，导致离心机并非按照固定的运行转速运行，而是在一定的转速区间内运行。由于离心机机械运动部件少，转子和叶轮等关键旋转部件与蜗壳和壳体等固定部件不接触，机械噪声小，其噪声主要来源于转子和叶轮旋转过程中扰动气体产生的气动噪声，与运行转速密切相关。当离心机运行转速发生变化时，其噪声频率随之改变，因此，本发明提出了一种具有自适应降噪功能的离心机扩压器，通过跟踪离心机噪声的激励频率，同步调节共振腔的消声频率，最大限度的降低离心机噪声。
本发明全面考虑离心机运行过程中运行转速变化带来的噪声频率带宽的问题，以及离心机结构空间紧凑的特点，旨在降低离心机不同运行转速下的噪声问题，基于赫姆霍兹共振腔原理，提出了一种具有自适应降噪功能的离心机扩压器，通过控制机构调节密封板通孔的有效通流面积改变扩压器共振腔的消声频率，使扩压器共振腔的消声频率同步于离心机噪声频率的变化，精准降低离心机噪声，克服了共振腔降噪频率窄的缺点，解决了共振腔降噪频率与离心机噪声频率不匹配的问题，具有结构紧凑和降噪效果好的优点。
请参阅图1，本发明具有自适应降噪功能的离心机扩压器基于赫姆霍兹共振腔的原理，降低离心机噪声。该离心机扩压器4主要包括底座11、旋转板12、密封板13和控制机构14，请参阅图2，基于赫姆霍兹共振腔的原理，扩压器的底座11、旋转板12和密封板13构造出共振腔1101，用于降低离心机噪声。所述底座11和所述密封板13间形成用于衰减噪声的共振腔1101的腔体部分，所述密封板13开设有通孔1301，所述旋转板12上开设有通孔1201，所述密封板13上的通孔1301和所述旋转板12上的通孔1201有重叠的部分，形成气体进入所述共振腔1101的通道。离心机气体通过所述密封板13和所述旋转板12间通孔重叠部分所形成的有效通流面积进入到所述共振腔1101的腔体内，当共振腔1101的固有频率接近离心机气体所诱发气动噪声的频率时，产生共振，吸收声能量，降低离心机噪声。所述控制机构14用于驱动所述旋转板12的旋转运动，调整所述旋转板12和所述密封板13通孔间的重叠部分的比率，改变离心机气体进入共振腔1101的有效通流面积，偏移共振腔1101的固有频率，使共振腔1101的固有频率随着离心机气动噪声频率的变化而改变，始终保证共振腔1101的消声频率接近离心机噪声频率，最大限度的吸声声能量，降低噪声。
当离心机运行转速较低时，噪声频率较低，通过控制机构14驱动旋转板12，减小所述旋转板12的通孔1201与所述密封板13的通孔1301的重叠部分的比率，如图4所示，降低气体进入共振腔1101的有效通流面积，使共振腔1101的固有频率向低频偏移，降低离心机低转速工况下的噪声。当离心机运行转速较高时，噪声频率较高，通过控制机构14驱动旋转板12，增加所述旋转板12的通孔1201与密封板13的通孔1301的重叠部分的比率，增大气体进入共振腔1101的有效通流面积，如图5所示，使共振腔1101的固有频率向高频偏移，降低离心机高转速工况下的噪声。
在本实施例当中，所述底座11和所述密封板13是固定不动件，所述底座11上有一个环形凹槽和所述密封板13间有密封空腔，所述旋转板12在控制机构14的作用下可以在圆周方向进行旋转运动。
在本实施例当中，所述旋转板12上开设有通孔1201，所述密封板13上开设有通孔1301，当通孔1201与通孔1301具有重叠部分时，所述密封板13上通孔1301将与所述底座11和所述密封板13间所形成的空腔连通，形成共振腔1101，吸收声能，降低噪声。
在一种可能的实施方式中，所述旋转板12上的通孔1201和密封板13上的通孔1301形状为扇环形，且大小相同，使气体进入共振腔1101的有效通流面积正比于旋转角度，便于控制机构14精准控制。
在本实施例当中，所述驱动机构14可以驱动旋转板12在圆周方向上旋转，控制着密封板13的通孔1301和旋转板12的通孔1201间的重叠部分的比率，调整气体进入共振腔1101的有效通流面积。
更进一步的，所述旋转板12的通孔1201与密封板13的通孔1301间的重合率由离心机噪声频率反馈给控制机构14后由控制机构14通过控制旋转板12的旋转角度实现。
在一种可能的实施方式中，所述旋转板12的旋转由所述控制机构14驱动，所述控制机构14可以是通过步进电机驱动丝杆使旋转板12旋转的外置驱动机构，也可以是采用可变径喷嘴利用离心机转速与压力间的关系控制执行器驱动旋转板12旋转。
在本实施例当中，所述旋转板12的通孔1201与密封板13的通孔1301间的重叠部分的比率为5％～80％。
在一种可能的实施方式中，由所述底座11、所述旋转板12和所述密封板12形成的共振腔1101的数量为1～10个，从而降低离心机不同频率段的噪声。
请参阅图3，以离心机为例，对本发明的一种具有自适应降噪功能的离心机扩压器的工作原理做进一步详细描述。离心机主要包括壳体1、电机2、转子轴3、扩压器4、叶轮5和蜗壳6等关键部件组成。电机2驱动转子轴3带动叶轮5做高速旋转运动，气体从蜗壳6入口进入叶轮5，然后通过扩压器4导流到蜗壳6的出口。转子轴3和叶轮5在高速旋转过程中会产生气动噪声，通过蜗壳6等部件向外辐射。为了降低离心机工作过程中产生的气动噪声，提出了一种具有自适应降噪功能的离心机扩压器，满足离心机在不同转速下的降噪需求。
当离心机运行转速较低时，噪声频率较低，通过控制机构14驱动旋转板12，减小旋转板12的通孔1201与密封板13的通孔1301的重叠部分的比率，降低气体进入共振腔1101的有效通流面积，使共振腔1101的固有频率向低频偏移，降低离心机低转速工况下的噪声。当离心机运行转速较高时，噪声频率较高，通过控制机构14驱动旋转板12，增加旋转板12的通孔1201与密封板13的通孔1301的重叠部分的比率，增大气体进入共振腔1101的有效通流面积，使共振腔1101的固有频率向高频偏移，降低离心机高转速工况下的噪声。
本发明具有自适应降噪功能的离心机扩压器，将共振腔集成到扩压器中，不仅具有结构紧凑，而且可以跟踪离心机运行工况同步调整共振腔消声频率，最大限度的降低离心机噪声。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有自适应降噪功能的离心机扩压器，其特征在于：包括间隔设置在扩压器本体表面的赫姆霍兹共振腔，所述赫姆霍兹共振腔包括底座(11)、旋转板(12)、密封板(13)和控制机构(14)，所述底座(11)和密封板(13)形成用于衰减噪声的空腔，密封板(13)和旋转板(12)上均开设有通孔，密封板(13)和旋转板(12)上的通孔有重叠的部分，形成气体进入所述空腔的通道；离心机气体通过所述通道形成的有效通流面积进入到所述空腔内，当赫姆霍兹共振腔的固有频率与离心机气体能够诱发气动噪声的频率重合或者接近时，产生共振，吸收声能量，降低离心机噪声；所述控制机构(14)驱动所述旋转板(12)发生旋转运动，调整旋转板(12)和密封板(13)通孔间的重叠部分的比率，改变离心机气体进入共振腔的有效通流面积，偏移共振腔的固有频率，使共振腔的固有频率随着离心机气动噪声频率的变化而改变，始终保持赫姆霍兹共振腔的固有频率与离心机气体能够诱发气动噪声的频率重合或者接近，降低离心机噪声，实现离心机扩压器自适应降噪功能。
2.根据权利要求1所述具有自适应降噪功能的离心机扩压器，其特征在于：所述底座(11)和密封板(13)是固定不动件，所述底座(11)上开设有一个环形凹槽，环形凹槽的开口面与密封板(13)之间密封不泄漏，形成一个密封空腔；所述旋转板(12)是运动件，位于所述环形凹槽内，在所述控制机构(14)的作用下沿着圆周方向进行旋转运动。
3.根据权利要求2所述具有自适应降噪功能的离心机扩压器，其特征在于：所述密封板(13)和旋转板(12)上均间隔开设有若干个通孔，密封板(13)和旋转板(12)上的通孔位置对应，在旋转板(12)进行旋转运动时，全部通孔能够以相同比率重叠。
4.根据权利要求3所述具有自适应降噪功能的离心机扩压器，其特征在于：所述旋转板(12)和密封板(13)通孔间的重叠部分的比率由离心机气动噪声频率反馈给控制机构(14)之后，再由控制机构(14)通过控制旋转板(12)的旋转角度实现改变。
5.根据权利要求1所述具有自适应降噪功能的离心机扩压器，其特征在于：所述密封板(13)和旋转板(12)上所开设通孔的形状为扇环形，有效通流面积正比于旋转角度。
6.根据权利要求1所述具有自适应降噪功能的离心机扩压器，其特征在于：所述控制机构(14)为通过步进电机驱动丝杆使旋转板(12)进行旋转的外置驱动机构，或者是采用可变径喷嘴利用离心机转速与压力间的关系控制执行器驱动旋转板(12)进行旋转。
7.根据权利要求1所述具有自适应降噪功能的离心机扩压器，其特征在于：所述密封板(13)和所述旋转板(12)通孔间的有效通流面积随着离心机气动噪声频率的升高而增加。
8.根据权利要求1所述具有自适应降噪功能的离心机扩压器，其特征在于：所述旋转板(12)和所述密封板(13)通孔间的重叠部分的比率为5％～80％。
9.根据权利要求1所述具有自适应降噪功能的离心机扩压器，其特征在于：所述离心机扩压器设置在离心机的壳体(1)连接蜗壳(6)的一端端面上，离心机的叶轮(5)安装在转轴上，所述扩压器本体的中心开设有转轴通过孔，转轴受离心机的转子轴(3)驱动旋转。
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