圓柱形孔道式水下多相射流消聲降噪裝置制造方法
【專利摘要】圓柱形孔道式水下多相射流消聲降噪裝置，包括管狀殼體，其外壁環(huán)向開設4個通孔，殼體內固定有漸縮噴管，漸縮噴管前端為環(huán)形孔板、中部為圓筒段、后端為漸縮噴嘴，圓筒段外壁面環(huán)向開設4個通孔，其孔道為圓柱形，且圓柱形孔道的內壁有一條邊緣與漸縮噴管圓筒段的橫截面相切；環(huán)形孔板連接有前置噴管，殼體軸線上有內導管固定在漸縮噴管的內壁，內導管的前部設有葉片，內導管出口端的內壁上固定有一個多孔噴頭。本發(fā)明用于水下航行器排氣，該裝置結構緊湊，可直接安裝于排氣管系統(tǒng)內，不占用外的空間，消除氣流脈動、湍射流噪聲以及氣泡噪聲，降噪頻段從脈動低頻200Hz至湍射流產生的高頻5000Hz，降噪效果在18dB以上。
【專利說明】圓柱形孔道式水下多相射流消聲降噪裝置

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種圓柱形孔道式水下多相射流消聲降噪裝置，用于水下航行器熱動力系統(tǒng)廢氣排放降噪。

【背景技術】
[0002]水下航行器的熱動力系統(tǒng)排放出的高壓高溫廢氣經過噴管排入水中，形成嚴重的射流噪聲。由于聲音的傳播依賴于介質的壓縮性，通常水中聲速約為空氣中聲速的4.4倍，水下噪聲的傳播速度比水中航行體的航速大得多。當水下航行器的熱動力裝置工作產生的大量廢氣通過出口管高速排入水中時，形成復雜的氣體流動、氣液兩相流場結構并伴有排氣輻射噪聲，其聲壓級高、頻帶較寬，不僅對水下環(huán)境造成噪聲污染，同時也降低了自身的隱蔽性，又對本身所載的水聲設備構成自噪聲干擾，限制了水下航行器的整體性能。
[0003]水下排氣過程涉及復雜的多相流動，伴有層流轉捩、旋渦運動和流態(tài)變化等復雜現(xiàn)象，其噪聲形成機理不同于空氣排氣噪聲的產生機理。針對這類特殊的水中高速排氣問題，常規(guī)的空氣排氣消聲方法無法直接使用?，F(xiàn)有的水下排氣降噪裝置大多由空氣中排氣消聲器結構改造，這雖然節(jié)省了設計時間，但其消聲效果往往難以到達相關指標，甚至增大了某些頻段的聲壓，成為了新的噪聲源。現(xiàn)有消聲降噪裝置其設計原理主要是基于空氣消聲原理，專利201010238161.6設計了一種扁平的消聲器，該消聲器主要是利用膨脹室結構的組合進行消聲，氣流在經過膨脹室后，聲阻抗發(fā)生變化，使沿管路傳播的某些特定頻率的聲波反射回去，達到消聲目的。該專利設計的消聲器主要用于汽車廢氣排放，涉及的流體介質主要是空氣，因此該結構不適用于氣液兩相射流噪聲消除。
[0004]專利200620084872.1設計了一種船用馬達消聲器，該消聲器采用了一種U型管結構，馬達排放出的廢氣經過消聲器內膽，且內膽中設置了多個消音板，該消聲器依然采用了傳統(tǒng)的空氣消聲器設計原理，主要是通過改變管路截面和長度來控制聲抗大小進行消聲。該消聲器外殼浸沒于水中，但消聲器內主要還是以氣體為主，且排氣口置于空氣中，因此該結構只是傳統(tǒng)空氣消聲器結構的簡單移植。
[0005]目前尚未發(fā)現(xiàn)有針對于水下航行器高速氣體射流的多相射流降噪裝置。


【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種圓柱形孔道式水下多相射流消聲降噪裝置，以克服現(xiàn)有技術的不足。
[0007]圓柱形孔道式水下多相射流消聲降噪裝置，其特征在于該裝置包括一個管狀的圓柱形殼體，該殼體在外壁環(huán)向均勻開設4個通孔；
[0008]在殼體的位于通孔前后兩側的內壁開設兩個卡環(huán)槽；
[0009]在卡環(huán)槽后端設置擋肩，在的前端設置有擋肩；
[0010]所述殼體內固定有漸縮噴管，該漸縮噴管前端為環(huán)形孔板、中部為圓筒段、后端為漸縮噴嘴，所述環(huán)形孔板安裝在上述卡環(huán)槽與擋肩之間；
[0011]所述圓筒段外壁面環(huán)向均勻開設4個通孔，且分別位于上述通孔內壁面的下方；
[0012]環(huán)形孔板的環(huán)形區(qū)間內均勻開有4個孔口，孔口之間的扇環(huán)板上開設多組小孔；
[0013]所述的4個通孔的中軸線以及4個通孔的中軸線位于本裝置的同一個徑向的截面上；
[0014]上述通孔的孔道為圓柱形，且圓柱形孔道的內壁有一條邊緣與漸縮V型噴管圓筒段橫截面相切；
[0015]環(huán)形孔板與擋肩接觸的端面上開設兩圈環(huán)形槽，
[0016]所述孔口朝向后端的一側分別連接有前置噴管，該前置噴管的直管段直徑與孔口直徑相同，直管段后端連接有漸縮噴嘴；
[0017]在卡環(huán)槽與擋肩之間安裝有環(huán)形孔板，該環(huán)形孔板的內環(huán)套置在所述漸縮噴管的后端；環(huán)形孔板的環(huán)形區(qū)間內均勻開有4個孔口，所述孔口之間的扇環(huán)板上開設多組小孔，環(huán)形孔板與擋肩接觸的端面上開設兩圈環(huán)形槽；
[0018]所述孔口朝向前端的一側分別連接有后置噴管，該后置噴管的直管段直徑與孔口直徑相同，直管段前端連接有漸縮噴嘴；且后置噴管與其中一個前置噴管具有同一個軸線，前置噴管的噴嘴直徑小于后置噴管的直徑；
[0019]所述殼體的軸線上有內導管經由前置翅片而固定在漸縮噴管的內壁，該內導管的前部設有葉片，內導管出口端的內壁上經由后置翅片固定有一個多孔噴頭；
[0020]并有前置卡環(huán)和后置卡環(huán)分別安裝于上述兩個卡環(huán)槽內。
[0021]上述通孔為橢圓錐形通孔，即外壁孔徑的尺寸大于內壁孔徑的尺寸；且橢圓形通孔內外孔口端面形狀為橢圓形，長短軸比例介于1.5:1至2.5:1之間。
[0022]上述漸縮噴管后端的漸縮噴嘴的端口外邊緣設有6個“V”型翅片；且在兩個V型翅片之間分別設置兩個氣流噴管。
[0023]上述環(huán)形孔板前端面的環(huán)形槽，是迷宮式環(huán)形槽；上述環(huán)形孔板6的環(huán)形槽，也是迷宮式環(huán)形槽。
[0024]上述殼體內壁出口端開設有卡環(huán)槽，和卡環(huán)槽，還有一個安裝于殼體出口端的花型褶皺導流管，該花型褶皺導流管通過安裝于卡環(huán)槽的出口內卡環(huán)和安裝于卡環(huán)槽的定位內卡環(huán)進行定位。
[0025]上述花型褶皺導流管截面呈圓環(huán)狀，由16個花瓣褶皺片組成；每個花瓣褶皺片端面為弧形棱，弧形棱的端部沿徑向連接有兩塊片狀體，相鄰兩個花瓣褶皺片的片狀體由內側弧形棱連接；弧形棱的圓弧半徑大于內側弧形棱的圓弧半徑；且花瓣褶皺片沿射流軸向方向為漸擴型結構，斜度為1-2°。
[0026]上述噴頭由外端面設有開孔的半圓封頭、沿射流軸向漸擴的椎管和直管段組成；且半圓封頭開孔面積不小于椎管大端的開孔面積；椎管的錐管斜度為5-7°。
[0027]本發(fā)明針對水下高速氣體射流的流場特性，針對射流氣體動量大、溫度高等特點，研制了適用于水下航行器排氣系統(tǒng)的多相射流降噪裝置，該裝置結構緊湊，可直接安裝于排氣管系統(tǒng)內，不占用外的空間。該降噪裝置基于流動控制原理，對氣流進入降噪裝置開始直至氣流排出形成氣泡的整個過程進行控制，采用多種結構組合，消除氣流脈動、湍射流噪聲以及氣泡噪聲，降噪頻段從脈動低頻200Hz至湍射流產生的高頻5000Hz，降噪效果在18dB以上。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明的總體結構示意圖。
[0029]圖2是殼體的結構示意圖(圖2A立體圖、圖2B側視圖、圖2C剖視圖)。
[0030]圖3是花型褶皺導流管的結構圖(圖3A立體圖，圖3B正視圖)。
[0031]圖4是多孔噴頭的結構圖(圖4A立體圖，圖4B剖視圖)。
[0032]圖5是漸縮噴管的立體圖。
[0033]圖6是漸縮噴管的側視圖。
[0034]圖7是漸縮噴管的前視圖。
[0035]圖8是圖6的A-A剖視圖。
[0036]圖9是環(huán)形孔板的正視圖。
[0037]圖10是本發(fā)明的剖視圖。
[0038]其中，1、殼體,l_a、通孔,l_b、卡環(huán)槽,l_c、卡環(huán)槽,l_d、卡環(huán)槽,l_e、擋肩，l_f、擋肩，Ι-h、卡環(huán)槽；2、出口內卡環(huán)，3、花型褶皺導流管，3-a、花瓣褶皺片，3-b、弧形棱，4、定位內卡環(huán),5、后置卡環(huán),6、環(huán)形孔板，6-a、孔口，6-b、小孔，6-c、環(huán)形槽,7、后置噴管,8、前置噴管，9、前置卡環(huán)，10、葉片，11、內導管，12、前置翅片，13、后置翅片，14、多孔噴頭，14_a、半圓封頭，14-b、椎管，15、漸縮V型噴管，15-a、V型翅片，15_b、氣流噴管，15_c、通孔，15_d、環(huán)形孔板，15-e、環(huán)形槽。

【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖對本發(fā)明作詳細說明:
[0040]圖1所示的總體圖中具有:殼體1、出口內卡環(huán)2、花型褶皺導流管3、定位內卡環(huán)4、后置卡環(huán)5、環(huán)形孔板6、后置噴管7、前置噴管8、前置卡環(huán)9、葉片10、內導管11、前置翅片板12、后置翅片管13、多孔噴頭14、漸縮V型噴管15。
[0041]殼體I為水下多相射流消聲降噪裝置的外殼，所有部件均被包裹在內；
[0042]花型裙皺導流管3安裝于殼體I的出口端,通過出口內卡環(huán)2和定位內卡環(huán)4進行定位；
[0043]環(huán)形孔板6的環(huán)板前側面的四個對應圓孔焊接后置噴管7，并且環(huán)形孔板6與后置卡環(huán)5面接觸，接觸面上開設有環(huán)形密封槽；
[0044]漸縮V型噴管15前端的圓環(huán)孔板后側面上四個對應圓孔焊接前置噴管8，后置噴管7、前置噴管8噴嘴中軸線一致，前置噴管8的噴嘴直徑小于后置噴管7的直徑；
[0045]漸縮V型噴管15通過前置卡環(huán)9固定于殼體I內，且位于葉片10的后方(以出口端為后端)，葉片10與漸縮V型噴管15間隔距離(葉片10至環(huán)形孔板15-d的距離)不低于1/2的殼體I的直徑長度；
[0046]葉片10焊接在內導管11的環(huán)向，共有12個葉片；
[0047]漸縮V型噴管15與內導管11通過四個前置翅片12連接，多孔噴頭14與內導管11通過四個后置翅片13連接，最終通過前置翅片12和后置翅片13將漸縮V型噴管15、內導管11和多孔噴頭14連接起來。
[0048]圖2是殼體I的結構圖，圓柱殼體1，在外壁環(huán)向開設4個通孔Ι-a ;通孔l_a為橢圓錐孔結構，殼體I外壁對應的孔徑尺寸大于內壁對應的尺寸；通孔Ι-a孔口端面形狀為橢圓形，長短軸比例介于1.5:1至2.5:1之間(類似于噴管的橢圓錐形通孔15-c);殼體I內壁開設四個卡環(huán)槽1-b, 1-c, 1-d, 1-h ;在卡環(huán)槽1-d的前端設置有擋肩l_e,在卡環(huán)槽l_h后端設置擋肩ι-f。
[0049]圖3是花型褶皺導流管的結構圖，花型褶皺導流管3的結構由16個花瓣褶皺片3_a組成；花瓣褶皺片3-a外端面為圓弧棱3-b，圓弧棱3-b截面形狀為圓弧，靠近外徑處的圓弧棱3-b圓弧半徑較大，靠近內徑處的內圓弧棱圓弧半徑較小；花瓣褶皺片3-a沿射流軸向方向為漸擴型結構，斜度為1-2°。
[0050]圖4是多孔噴頭的結構圖，多孔噴頭14包括半圓封頭14-a和椎管14_b ;半圓封頭14-a開孔面積不小于椎管14-b大端的開孔面積；椎管14-b的錐管斜度為5_7°。
[0051]圖5-8是漸縮噴管的示意圖。
[0052]圖5是立體圖，圖6是側視圖，圖7是前視圖，圖8是A-A剖視圖。漸縮噴管15前端為環(huán)形孔板15-d ;環(huán)形孔板15-d的環(huán)形區(qū)間內有4個孔口，孔口直徑與前置噴管8直管段直徑相同，孔口相鄰之間的環(huán)形板上開設多組小孔；
[0053]如圖8，上述通孔15-c的孔道為圓柱形，且圓柱形孔道的內壁有一條邊緣與漸縮V型噴管15圓筒段橫截面相切，也即最外側距噴管軸線最遠的一條邊緣處于圓筒段的徑向方向，且該條邊緣與圓筒段橫截面相切。
[0054]漸縮噴管15前端有V型漸縮噴嘴，噴嘴邊緣有6個V型翅片15-a，在兩個V型翅片15-a之間設置兩個小氣流噴管15-b ；
[0055]環(huán)形孔板15-d上開設兩條迷宮式環(huán)形槽15-e。
[0056]迷宮式結構浸沒在水下時，液體在迷宮式環(huán)形槽內形成液環(huán)，起到低泄露密封作用。迷宮式環(huán)形槽15-e與擋肩l_f端面接觸，由于迷宮式環(huán)形槽內有液環(huán)，在旋轉過程中，接觸的兩個面之間有一層液膜，起到旋轉潤滑的作用。
[0057]圖9是環(huán)形孔板6的正視圖，其結構與漸縮噴管15的環(huán)形孔板15-d結構相仿。環(huán)形孔板6的環(huán)形區(qū)間內均勻開有4個孔口 6-a，所述孔口 6-a之間的扇環(huán)板上開設多組小孔6-b，環(huán)形孔板6前端面靠近邊緣的位置開設兩圈環(huán)形槽6-c ;上述環(huán)形孔板6的環(huán)形槽6-c，也是迷宮式環(huán)形槽。
[0058]圖10是本發(fā)明的剖視圖，以演示本發(fā)明的工作原理。
[0059]高溫高壓廢氣經過降噪裝置時，在區(qū)域I，氣流分成兩股，一股氣流經過葉片10，一股氣流進入內導管11 ;
[0060]經過葉片10的氣流作用于葉片10上的流體力驅動葉片10旋轉，由于葉片10、內導管11、多孔噴頭14、漸縮V型噴管15、前置噴管8均通過不同的連接方式連接在一起，因此以上結構一起旋轉；
[0061]流經葉片10氣流部分能量作用于葉片旋轉，速度和壓力有所降低，隨后經過環(huán)形孔板15-d的孔口和前置噴管8進入區(qū)域II中，進入前置噴管8中的氣流經過漸縮的噴嘴射入后置噴管7對應的漸縮噴嘴中，由于在前置噴管8、后置噴管7噴嘴之間的氣流速度較大，壓力低于殼體I的外界壓力，外界海水經殼體I上開設有4個通孔Ι-a流入區(qū)域II中的腔體，由于內外壓差作用，進入腔體的海水具有一定的初速度，該腔體海水部分經通孔15-c的孔道進入漸縮V型噴管15內壁，
[0062]通孔15-c采用圖8所示的圓柱型切向通道，其結構優(yōu)勢在于液體進入結構15后，由于通孔15-c與內壁相切，以及漸縮V型噴管15的旋轉，進入漸縮V型噴管15內的海水隨管壁一起做旋轉運動，能夠在漸縮噴管15的內壁面形成液膜，進入漸縮V型噴管15的氣體在壁面附近的海水發(fā)生熱交換；因此不僅可降低氣體溫度，還可在15-a的邊緣形成液膜邊界層，降低該處噴注氣流射流強度。
[0063]進入內導管11的氣流部分經過多孔噴頭14的孔洞射出，形成小孔噴注，由于多孔噴頭14腔體結構，可消除氣流脈動；部分氣流經內導管11與多孔噴頭14之前的漸擴通道進入漸縮V型噴管15中，與漸縮V型噴管15中的冷卻氣流匯聚到一起經V型翅片15-a噴出，流經區(qū)域II的流體部分進入氣流噴管15-b中，并射入匯聚氣流中，結合V型翅片15-a的V型結構，內外氣流與外界海水摻混劇烈，射流核心區(qū)域減小，并在噴嘴口附近與海水摻混形成了大量小氣泡，降低了水下氣體射流的兩相流噪聲；
[0064]區(qū)域II和III的流體匯聚至一起進入區(qū)域IV，并經過花型褶皺導流管3射入海水中，由于花瓣褶皺片3-a形狀扁平，海水與氣泡在狹長的通道內相互作用，耗散了大量的流體能量。
[0065]原本直接排放的高壓高溫廢氣經過降噪裝置后不僅降低了溫度，同時也可消除脈動，降低射流強度，在流經裝置每段區(qū)域時，分段耗散能量，同時減小了氣體射入水中的氣泡體積，有效的控制水下射流噪聲。
【權利要求】
1.圓柱形孔道式水下多相射流消聲降噪裝置，其特征在于該裝置包括一個管狀的圓柱形殼體(1)，該殼體(I)在外壁環(huán)向均勻開設4個通孔(ι-a)； 在殼體⑴的位于通孔(Ι-a)前后兩側的內壁開設兩個卡環(huán)槽(l-h、l-d)； 在卡環(huán)槽(1-h)后端設置擋肩(Ι-f)，在(Ι-d)的前端設置有擋肩(Ι-e)； 所述殼體(I)內固定有漸縮噴管(15)，該漸縮噴管(15)前端為環(huán)形孔板(15-d)、中部為圓筒段、后端為漸縮噴嘴，所述環(huán)形孔板(15-d)安裝在上述卡環(huán)槽(1-h)與擋肩(1-f)之間； 所述圓筒段外壁面環(huán)向均勻開設4個通孔(15-c)，且分別位于上述通孔(Ι-a)內壁面的下方； 環(huán)形孔板(15-d)的環(huán)形區(qū)間內均勻開有4個孔口(15-g)，孔口(15-g)之間的扇環(huán)板上開設多組小孔(15-f)； 所述的4個通孔(Ι-a)的中軸線以及4個通孔(15-c)的中軸線位于本裝置的同一個徑向的截面上； 上述通孔(15-c)的孔道為圓柱形，且圓柱形孔道的內壁有一條邊緣與漸縮V型噴管(15)圓筒段橫截面相切； 環(huán)形孔板(15-d)與擋肩(Ι-f)接觸的端面上開設兩圈環(huán)形槽(15-e)， 所述孔口(15-g)朝向后端的一側分別連接有前置噴管(8)，該前置噴管(8)的直管段直徑與孔口(15-g)直徑相同，直管段后端連接有漸縮噴嘴； 在卡環(huán)槽(Ι-d)與擋肩(Ι-e)之間安裝有環(huán)形孔板(6)，該環(huán)形孔板(6)的內環(huán)套置在所述漸縮噴管(15)的后端；環(huán)形孔板(6)的環(huán)形區(qū)間內均勻開有4個孔口(6-a)，所述孔口(6-a)之間的扇環(huán)板上開設多組小孔(6-b)，環(huán)形孔板(6)與擋肩(Ι-e)接觸的端面上開設兩圈環(huán)形槽(6-c)； 所述孔口朝向前端的一側分別連接有后置噴管(7)，該后置噴管(7)的直管段直徑與孔口直徑相同，直管段前端連接有漸縮噴嘴；且后置噴管(7)與其中一個前置噴管(8)具有同一個軸線，前置噴管(8)的噴嘴直徑小于后置噴管(7)的直徑； 所述殼體(I)的軸線上有內導管(11)經由前置翅片(12)而固定在漸縮噴管(15)的內壁，該內導管(11)的前部設有葉片(10)，內導管(11)出口端的內壁上經由后置翅片(13)固定有一個多孔噴頭(14)； 并有前置卡環(huán)(9)和后置卡環(huán)(5)分別安裝于上述卡環(huán)槽(1-h)和卡環(huán)槽(Ι-d)內。
2.如權利要求1所述的圓柱形孔道式水下多相射流消聲降噪裝置，其特征在于上述通孔(Ι-a)為橢圓錐形通孔，即外壁孔徑的尺寸大于內壁孔徑的尺寸；且橢圓形通孔(Ι-a)內外孔口端面形狀為橢圓形，長短軸比例介于1.5:1至2.5:1之間。
3.如權利要求1所述的圓柱形孔道式水下多相射流消聲降噪裝置，其特征在于上述漸縮噴管后端的漸縮噴嘴的端口外邊緣設有6個“V”型翅片(15-a);且在兩個V型翅片(15-a)之間分別設置兩個氣流噴管(15-b)。
4.如權利要求1所述的圓柱形孔道式水下多相射流消聲降噪裝置，其特征在于上述環(huán)形孔板(15-d)前端面的環(huán)形槽(15-e)，是迷宮式環(huán)形槽；上述環(huán)形孔板￠)的環(huán)形槽(6-c),也是迷宮式環(huán)形槽。
5.如權利要求1所述的圓柱形孔道式水下多相射流消聲降噪裝置，其特征在于上述殼體(I)內壁出口端開設有卡環(huán)槽(1-b)，和卡環(huán)槽(1-C)，還有一個安裝于殼體(I)出口端的花型褶皺導流管(3)，該花型褶皺導流管(3)通過安裝于卡環(huán)槽(1-b)的出口內卡環(huán)(2)和安裝于卡環(huán)槽(Ι-c)的定位內卡環(huán)(4)進行定位。
6.如權利要求7所述的圓柱形孔道式水下多相射流消聲降噪裝置，其特征在于上述花型褶皺導流管(3)截面呈圓環(huán)狀，由16個花瓣褶皺片(3-a)組成；每個花瓣褶皺片(3-a)端面為弧形棱(3-b)，弧形棱(3-b)的端部沿徑向連接有兩塊片狀體，相鄰兩個花瓣褶皺片(3-a)的片狀體由內側弧形棱連接；弧形棱的圓弧半徑大于內側弧形棱的圓弧半徑；且花瓣褶皺片(3-a)沿射流軸向方向為漸擴型結構，斜度為1-2°。
7.如權利要求1所述的圓柱形孔道式水下多相射流消聲降噪裝置，其特征在于上述噴頭(14)由外端面設有開孔的半圓封頭(14-a)、沿射流軸向漸擴的椎管(14-b)和直管段組成；且半圓封頭(14-a)開孔面積不小于椎管(14-b)大端的開孔面積；椎管(14-b)的錐管斜度為5-7°。
【文檔編號】F01N1/00GK104265433SQ201410302048
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年6月28日 優(yōu)先權日:2014年6月28日
【發(fā)明者】郝宗睿, 別海燕, 徐娟 申請人:山東省科學院海洋儀器儀表研究所