JP7305839B2 - 二重空洞結合のヘルムホルツ消音器及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、常用のパッシブリアクティブ消音器に関し、特に渦停留型燃焼器用の二重空洞結合のヘルムホルツ消音器に関する。

渦停留型燃焼器は構造がシンプルで、軽量で、燃焼効率が高く、ＮＯｘ排出量が低く、全圧損失が少ない等の利点を有するが、渦停留型燃焼器内のノイズはその中の火炎安定性を低下させ、したがって、消音器を使用してノイズを低下させ、火炎安定性を向上させる必要があり、ヘルムホルツ消音器は構造がシンプルで、吸音性能に優れ、航空エンジン及び船舶用ガスタービンに広く応用されているため、ヘルムホルツ消音器を使用して渦停留型燃焼器の火炎安定性を向上させる。従来の単一のヘルムホルツ消音器は消音帯域を広げるために、２つのヘルムホルツ消音器を組み合わせて使用する必要があり、パッシブ消音器として、ヘルムホルツ消音器は、主に中周波消音及び低周波消音に用いられ、消音効果をさらに最適化し、消音帯域を広げ、渦停留型燃焼器内の火炎安定性を向上させるために、二重空洞結合のヘルムホルツ消音器の構造を最適化する必要がある。

中国特許出願番号第２０１９１０９６６６３３．０号には、アクティブ周波数変換のヘルムホルツ共鳴器及びその周波数変調ノイズ低減方法が開示されている。該共鳴器は単一のヘルムホルツ共鳴器の動作周波数が狭いという問題を克服するが、該共鳴器の消音効果は従来のヘルムホルツ共鳴器に比べて大幅に向上しないため、該共鳴器のノイズ低減効果をさらに向上させる必要がある。

発明の目的：本発明の目的は、渦停留型燃焼器内の火炎安定性を向上させ、かつ消音帯域を広げるための二重空洞結合のヘルムホルツ消音器を提供することであり、本発明の第２目的は、上記二重空洞結合のヘルムホルツ消音器の制御方法を提供することである。

技術的解決手段：本発明の二重空洞結合のヘルムホルツ消音器は、メインパイプ及びメインパイプに連通する共鳴空洞を含み、前記共鳴空洞内にはそれを第１空洞及び第２空洞に分割するバッフルが設けられ、前記バッフルの片側には共鳴空洞の消音帯域を広げるための伸縮延長管アセンブリが設けられ、前記メインパイプにはメインパイプ内の気流速度を検出し、かつ対応する電気信号に変換するための制御システムが設けられ、前記制御システムの片側には伸縮延長管アセンブリの移動を制御するための歯車伝動システムが設けられ、前記歯車伝動システムの一端は制御システムに信号接続され、歯車伝動システムの他端は伸縮延長管アセンブリに接続され、制御システムは速度信号によって歯車伝動システムの回転を駆動し、さらに伸縮延長管アセンブリを駆動して共鳴空洞内で移動させる。

さらに、前記伸縮延長管アセンブリは伸縮管、第１ガイドロッド及び第２ガイドロッドを含み、伸縮管の底部はバッフルに固定され、伸縮管の伸縮方向はバッフルに垂直であり、伸縮管の頂部はリングを介して第２ガイドロッドに接続され、第１ガイドロッドの一端は歯車伝動システムに接続され、前記第１ガイドロッド及び第２ガイドロッドはそれぞれ共鳴空洞の外壁及び内壁まで延長し、第１ガイドロッド及び第２ガイドロッドと共鳴空洞との接触端には互いに吸引する第１磁石及び第２磁石が設けられる。第１磁石と第２磁石との間の強い吸引力は伸縮管を駆動して長さを変化させることができ、伸縮管には伸縮継手を有し、横方向力の作用で、伸縮継手は収縮又は伸長することができる。

さらに、前記共鳴空洞の外壁には第１磁石を移動させるための第１係止溝が設けられ、前記共鳴空洞の内壁には第２磁石を移動させるための第２係止溝が設けられ、第１係止溝及び第２係止溝の設置により、磁石の移動が容易になり、共鳴空洞の密封性も保証される。

さらに、前記バッフルには垂直方向に沿って開いた長孔が設けられ、前記長孔の中心はバッフルの中心と重なり合い、伸縮管の底部は長孔の中心に固定され、伸縮管と共鳴空洞の両側の内壁との間の距離は等しい。ここでは、伸縮管の位置を共鳴空洞の中心に設置することで、後続の気流噴射のテストに役立ち、消音帯域の正確な判断を保証することができ、長孔の設置により、伸縮管の底部位置の固定に役立ち、かつ異なる大きさの共鳴空洞に応じて、伸縮管から共鳴空洞の両側までの長さが等しくなるように伸縮管の底部の位置を調整することができる。

さらに、前記リングの内径は伸縮管の直径と同じである。リングは第２ガイド管と伸縮管との接続に役立ち、第２ガイド管が伸縮管の移動を制御することに役立つ。

さらに、前記制御システムは音速受信機、増幅器、信号変換器、ステッピングモータコントローラ及びステッピングモータを含み、前記音速受信機はメインパイプの上流に位置し、前記音速受信機、増幅器、信号変換器、ステッピングモータコントローラ及びステッピングモータは順次信号接続される。

さらに、前記歯車伝動システムは互いに噛み合う駆動歯車及び従動歯車を含み、前記駆動歯車の回転軸は制御システムのステッピングモータの出力軸に接続され、伸縮延長管アセンブリの第１ガイドロッドの端部は従動歯車に接続され、駆動歯車が従動歯車の動きを牽引する時、従動歯車は第１ガイドロッド及びその端部の第１磁石を駆動して共鳴空洞の外壁に沿って移動させる。

さらに、前記第２空洞の体積は第１空洞の体積より大きく、前記伸縮延長管アセンブリは第２空洞内に位置する。２つの結合された共鳴空洞の体積が異なるため、両者の固有周波数も異なり、さらに共鳴範囲が広くなり、調整範囲が広くなり、伸縮管をより大きな体積の第２空洞内に置くことで、より大きな範囲内で左右に移動させることができ、それによりパイプ内の変化する気流速度に適応する。

さらに、前記メインパイプと共鳴空洞との間にネック部短管が設けられ、前記メインパイプ、ネック部短管及び共鳴空洞は密封接続される。

本発明はさらに、以下のステップを含む、前記二重空洞結合のヘルムホルツ消音器の制御方法を保護する。

音速受信機はメインパイプ内の気流速度を測定し、増幅器は速度信号をさらに増幅し、続いて信号を信号変換器に伝送するステップ１。

信号変換器は気流速度信号を電気信号に変換し、続いて対応する電気信号をステッピングモータコントローラに伝送し、ステッピングモータコントローラは電気信号によってステッピングモータの動きを駆動するステップ２。

ステッピングモータは歯車伝動システムの回転を駆動し、歯車伝動システムは伸縮延長管アセンブリを駆動して共鳴空洞内で移動させ、伸縮延長管アセンブリの伸縮管の長さを変えることによって消音帯域を広げ、渦停留型燃焼器内の火炎安定性を向上させるステップ３。

ステッピングモータコントローラが電気信号によってステッピングモータの動きを駆動する方法は以下のとおりである。ステッピングモータコントローラが受信した速度信号値が前回受信した速度信号値より大きい場合、ステッピングモータは正回転し、第１ガイドロッド及び第１磁石は右へ移動し、強い磁力の作用で、第２ガイドロッド、第２磁石及びリングもそれに伴って右へ移動し、伸縮延長管が空洞内で水平に右へ移動するように駆動し、伸縮管の長さが増加し、ステッピングモータコントローラが受信した速度信号値が前回受信した速度信号値より小さい場合、ステッピングモータは逆回転し、第１ガイドロッド及び第１磁石は左へ移動し、強い磁力の作用で、第２ガイドロッド、第２磁石及びリングもそれに伴って左へ移動し、伸縮延長管が空洞内で水平に左へ移動するように駆動し、伸縮管の長さが減少する。

本発明の制御原理は以下のとおりである。伝達損失の計算式は以下に示す通りである。

右側の共鳴空洞内の弾性伸縮延長管の長さを変えることにより、共通バッフルの開孔箇所の気流の噴射軌跡と強度を変え、伝達損失をさらに増加させ、伝達損失が増加する時、上記の式から分かるように、入射平面波の音圧が変わらない時、上流と下流の伝送波の音圧が低下し、即ち消音効果を向上させ、この時、音場の圧力変動により火炎を乱す能力が弱まり、さらに渦停留型燃焼器の火炎安定性を向上させる。

有利な効果：本発明は従来技術に比べて、以下の顕著な利点を有する。本発明では、音速受信機がメインパイプ内の気流速度を測定することにより、歯車伝動システムにおける磁石の動き方向を変え、さらに右側の共鳴空洞内の弾性伸縮延長管の長さを変え、これにより共通バッフルの開孔箇所の気流の噴射軌跡と強度を変え、伝達損失をさらに増加させ、即ち消音効果を向上させ、この時、音場の圧力変動により火炎を乱す能力が弱まり、渦停留型燃焼器の火炎安定性を向上させ、同時に信号制御システムによって弾性伸縮延長管の長さを能動的に調整し、さらに消音帯域を広げる。

図１は、本発明の構造概略図である。 図２は、本発明の歯車伝動システムの部分拡大図である。 図３は、第２空洞の頂部外側の部分拡大図である。 図４は、第２空洞の内側の部分拡大図である。 図５は、本発明のバッフルの構造概略図である。 図６は、本発明の第２空洞内に延長管がない場合の気流噴射軌跡を示す図である。 図７は、本発明の第２空洞内に延長管がある場合の気流噴射軌跡を示す図である。 図８は、本発明の第２空洞内に延長管がある場合及び延長管がない場合の伝達損失を示す図である。

以下に図面及び実施例を参照して本発明をさらに説明する。

図１～５に示すように、本発明は、二重空洞結合のヘルムホルツ消音器及び制御方法を提供し、メインパイプ１、ネック部短管２、共鳴空洞３、制御システム、歯車伝動システム及び伸縮延長管アセンブリを含み、共鳴空洞３内にバッフル４が設置され、共鳴空洞３を第１空洞３１及び第２空洞３２に分割し、ネック部短管２は２つ設置され、それぞれ第１空洞３１及び第２空洞３２をメインパイプ１に連通させ、かつ三者は良好に密封され、伸縮延長管アセンブリは第２空洞３２内に設置され、第１空洞３１及び第２空洞３２は横方向に配置された２つの円柱体であり、第２空洞３２の体積は第１空洞３１の体積より大きい。

伸縮延長管アセンブリは伸縮管６、第１ガイドロッド１７及び第２ガイドロッド９を含み、伸縮管６の底部はバッフル４に固定され、伸縮管６の伸縮方向はバッフル４に垂直であり、バッフル４には垂直方向に沿って開いた長孔５が設けられ、長孔５の中心はバッフル４の中心と重なり合い、伸縮管６は長孔５に固定され、伸縮管６は長孔５の中心と重なり合い、伸縮管６と共鳴空洞３の両側の内壁との間の距離は等しく、伸縮管６は一定の範囲内に曲がらず、直線方向に左右に弾性移動することができ、かつ横断面積は基本的に変わらず、伸縮管６の頂部はリング７を介して第２ガイドロッド１７に接続され、リング７の内径は伸縮管６の直径と同じであり、第１ガイドロッド９の一端は歯車伝動システムに接続され、第１ガイドロッド９及び第２ガイドロッド１７はそれぞれ共鳴空洞３の外壁及び内壁まで延長し、第１ガイドロッド９及び第２ガイドロッド１７と共鳴空洞３との接触端には互いに吸引する第１磁石２０及び第２磁石１８が設けられ、共鳴空洞の外壁には第１磁石２０を移動させるための第１係止溝８が設けられ、共鳴空洞の内壁には第２磁石１８を移動させるための第２係止溝１９が設けられる。

制御システムは音速受信機１２、増幅器１３、信号変換器１４、ステッピングモータコントローラ１５及びステッピングモータ１６を含み、音速受信機１２はメインパイプの上流に位置し、音速受信機１２、増幅器１３、信号変換器１４、ステッピングモータコントローラ１５及びステッピングモータ１６は順次信号接続され、音速受信機１２はＭｉｄａｓ ＳＶＰ型番を使用し、増幅器１３はＡＴＡ－３０９０型番を使用し、信号変換器１４はＭＸＴ２００１型番を使用し、ステッピングモータコントローラ１５はＺＢＬＤ．Ｃ１０－２００Ｌ型番を使用し、ステッピングモータ１６は２０ＢＹＧ２５０－３３型番を使用し、音速受信機１２は信号制御システムの入力端であり、音速受信機１２によってメインパイプ１内の気流速度を測定することができ、ステッピングモータ１６は信号制御システムの出力端であり、ステッピングモータ１６は駆動歯車１１の回転を駆動することができる。

歯車伝動システムは互いに噛み合う駆動歯車１１及び従動歯車１０を含み、駆動歯車１１の回転軸は制御システムのステッピングモータ１５の出力軸に接続され、伸縮延長管アセンブリの第１ガイドロッド９の端部は従動歯車１０に接続され、駆動歯車１１が従動歯車１０の動きを牽引する時、従動歯車１０は第１ガイドロッド９及びその端部の第１磁石２０を駆動して共鳴空洞の外壁に沿って移動させ、強い磁力の作用で、第１磁石２０の下方の第２磁石１８もそれに伴って左右に移動し、さらにリング７及び伸縮管６は水平方向に左右に移動し、右側の共鳴空洞内の弾性伸縮延長管６の長さを変えることにより、消音効果を向上させ、消音帯域を広げ、さらに渦停留型燃焼器内の火炎安定性を向上させる。

具体的な使用過程は以下のとおりである。

音速受信機１２はメインパイプ１内の気流速度を測定し、増幅器１３は速度信号をさらに増幅し、続いて信号を信号変換器１４に伝送するステップ１。

信号変換器１４は気流速度信号を電気信号に変換し、続いて対応する電気信号をステッピングモータコントローラ１５に伝送するステップ２。

ステッピングモータコントローラ１５は電気信号によってステッピングモータ１６の動きを駆動し、続いてステッピングモータ１６は歯車伝動システムの第１ガイドロッド９及び第１磁石２０が左右に移動するように駆動し、強い磁力の作用で、第１磁石２０の下方の第２磁石１８及びリング７もそれに伴って左右に移動するステップ３。

第２磁石１８及びリング７は伸縮管６を駆動して水平方向に左右に移動させ、右側の共鳴空洞内の弾性伸縮延長管６の長さを変えることにより、消音効果を向上させ、消音帯域を広げ、さらに渦停留型燃焼器内の火炎安定性を向上させるステップ４。

シミュレーションにより図６～８に示す結果が得られる。図６は、伸縮管の長さが０ｃｍであり、即ち伸縮管を増加させない時の共通バッフルの開孔箇所の気流の噴射軌跡と強度図を示し、図７は、伸縮管の長さが８ｃｍである時のバッフルの開孔箇所の気流の噴射軌跡と強度図を示し、長さによって得られた噴射軌跡と強度図は最も顕著であり、図６及び図７から分かるように、結合された共鳴空洞内に８ｃｍの弾性伸縮延伸管を増加させることによって得られた気流の噴射軌跡と強度は、伸縮延伸管を増加させない時に得られた気流の噴射軌跡と強度より明らかに優れる。図８に示すように、最適化する前の二重空洞結合モデルは伸縮延長管を増加させないことを示し、最適化した後の二重空洞結合モデルは長さ８ｃｍの伸縮延長管を増加させることを示すことにより以下のことを発見しやすい。即ち、８ｃｍの伸縮延長管を増加させるため、以上の分析から分かるように、得られた気流噴射軌跡と強度を大幅に向上させ、さらに伝達損失を大幅に増加させ、入射平面波の音圧が変わらない場合、上流と下流の伝送波の音圧が低下し、即ち消音効果を向上させ、この時、音場の圧力変動により火炎を乱す能力が弱まり、さらに渦停留型燃焼器の火炎安定性を向上させ、同時に信号制御システムによって弾性伸縮延長管の長さを能動的に調整し、さらに消音帯域を広げ、それにより本発明の目的を実現する。

Claims (10)

1. メインパイプ（１）及びメインパイプ（１）に連通する共鳴空洞（３）を含む二重空洞結合のヘルムホルツ消音器であって、前記共鳴空洞（３）内にはそれを第１空洞（３１）及び第２空洞（３２）に分割するバッフル（４）が設けられ、前記バッフル（４）の片側には共鳴空洞の消音帯域を広げるための伸縮延長管アセンブリが設けられ、前記メインパイプ（１）にはメインパイプ内の気流速度を検出し、かつ対応する電気信号に変換するための制御システムが設けられ、前記制御システムの片側には伸縮延長管アセンブリの移動を制御するための歯車伝動システムが設けられ、前記歯車伝動システムの一端は制御システムに信号接続され、歯車伝動システムの他端は伸縮延長管アセンブリに接続され、制御システムは速度信号によって歯車伝動システムの回転を駆動し、さらに伸縮延長管アセンブリを駆動して共鳴空洞（３）内で移動させることを特徴とする二重空洞結合のヘルムホルツ消音器。
2. 前記伸縮延長管アセンブリは伸縮管（６）、第１ガイドロッド（１７）及び第２ガイドロッド（９）を含み、伸縮管（６）の底部はバッフル（４）に固定され、伸縮管（６）の伸縮方向はバッフル（４）に垂直であり、伸縮管（６）の頂部はリング（７）を介して第２ガイドロッド（１７）に接続され、第１ガイドロッド（９）の一端は歯車伝動システムに接続され、前記第１ガイドロッド（９）及び第２ガイドロッド（１７）はそれぞれ共鳴空洞（３）の外壁及び内壁まで延長し、第１ガイドロッド（９）及び第２ガイドロッド（１７）と共鳴空洞（３）との接触端には互いに吸引する第１磁石（２０）及び第２磁石（１８）が設けられることを特徴とする請求項１に記載の二重空洞結合のヘルムホルツ消音器。
3. 前記共鳴空洞の外壁には第１磁石（２０）を移動させるための第１係止溝（８）が設けられ、前記共鳴空洞の内壁には第２磁石（１８）を移動させるための第２係止溝（１９）が設けられることを特徴とする請求項２に記載の二重空洞結合のヘルムホルツ消音器。
4. 前記バッフル（４）には垂直方向に沿って開いた長孔（５）が設けられ、前記長孔（５）の中心はバッフル（４）の中心と重なり合い、伸縮管（６）の底部は長孔（５）の中心に固定され、伸縮管（６）と共鳴空洞（３）の両側の内壁との間の距離は等しいことを特徴とする請求項２に記載の二重空洞結合のヘルムホルツ消音器。
5. 前記リング（７）の内径と伸縮管（６）の直径は同じであることを特徴とする請求項２に記載の二重空洞結合のヘルムホルツ消音器。
6. 前記制御システムは音速受信機（１２）、増幅器（１３）、信号変換器（１４）、ステッピングモータコントローラ（１５）及びステッピングモータ（１６）を含み、前記音速受信機（１２）はメインパイプの上流に位置し、前記音速受信機（１２）、増幅器（１３）、信号変換器（１４）、ステッピングモータコントローラ（１５）及びステッピングモータ（１６）は順次信号接続されることを特徴とする請求項１に記載の二重空洞結合のヘルムホルツ消音器。
7. 前記歯車伝動システムは互いに噛み合う駆動歯車（１１）及び従動歯車（１０）を含み、前記駆動歯車（１１）の回転軸は制御システムのステッピングモータ（１５）の出力軸に接続され、伸縮延長管アセンブリの第１ガイドロッド（９）の端部は従動歯車（１０）に接続され、駆動歯車（１１）が従動歯車（１０）の動きを牽引する時、従動歯車（１０）は第１ガイドロッド（９）及びその端部の第１磁石（２０）を駆動して共鳴空洞の外壁に沿って移動させることを特徴とする請求項１に記載の二重空洞結合のヘルムホルツ消音器。
8. 前記第２空洞（３２）の体積は第１空洞（３１）の体積より大きく、前記伸縮延長管アセンブリは第２空洞（３２）内に位置することを特徴とする請求項１に記載の二重空洞結合のヘルムホルツ消音器。
9. 前記メインパイプ（１）と共鳴空洞（３）との間にネック部短管（２）が設けられ、前記メインパイプ（１）、ネック部短管（２）及び共鳴空洞（３）は密封接続されることを特徴とする請求項１に記載の二重空洞結合のヘルムホルツ消音器。
10. 音速受信機（１２）はメインパイプ（１）内の気流速度を測定し、増幅器（１３）は速度信号をさらに増幅し、続いて信号を信号変換器（１４）に伝送するステップ１と、
    信号変換器（１４）は気流速度信号を電気信号に変換し、続いて対応する電気信号をステッピングモータコントローラ（１５）に伝送し、ステッピングモータコントローラ（１５）は電気信号によってステッピングモータ（１６）の動きを駆動するステップ２と、
    ステッピングモータ（１６）は歯車伝動システムの回転を駆動し、歯車伝動システムは伸縮延長管アセンブリを駆動して共鳴空洞（３）内で移動させ、伸縮延長管アセンブリの伸縮管（６）の長さを変えることによって消音帯域を広げ、渦停留型燃焼器内の火炎安定性を向上させるステップ３と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の二重空洞結合のヘルムホルツ消音器の制御方法。

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