專利名稱：渦輪機諧波的優化的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及渦輪機領域。更具體地講，該發明涉及一種對噪聲衰弱能加以改進的裝置，這種噪音是由于工業渦輪機中轉輪葉片和靜止的導流葉片間的相互作用產生的。
轉輪葉片和靜止的導流葉片尾跡間的氣動力學相互作用對渦輪機產生的噪聲起很大作用。轉輪葉片的旋轉引起渦輪機產生的這種噪聲是周期性的。因此，該噪聲聽起來像音頻噪聲或諧波噪聲。這類轉輪/導葉音頻噪聲，目前稱為自旋模式音，它在飛機工業中已加以廣泛研究，并已導出了減少噪聲的對策。具體講，Tyler/Sofrin的自旋模式理論已應用多年，以說明自旋模式音是如何從管道中排出，并如噪聲一樣傳播。飛機發動機設計者們已利用這一理論，通過對轉輪葉片和導流葉片組合的選擇，使得自旋模式音沿發動機軸線的傳播達到最小。
與工業渦輪機不同，常規飛機發動機具有與自由空間連接的短進氣和排氣管道，而在工業渦輪機中，則進氣和排氣系統通常與一個廣泛的管道系統相連接。由于一旦噪聲被排入自由空間，就難于對其進行控制，因此，飛機發動機的設計者們都企圖將自旋模式音包含在發動機內，阻止它們傳播進入進氣口或排氣口。這種減少噪聲的設計是通過建立所謂的“截斷”現象、或通過將自旋模式音引向沖擊在發動機內側壁上獲得的，而在發動機內側壁上則排列有一種吸音材料。這一技術使自旋模式音在離開發動機之前得到衰減。因此，現有的技術狀態提出的不同于有目的地將自旋模式音引出渦輪機的進氣口或排氣口。
其它與飛機發動機設計無關，但與當前發明有關的背景材料涉及管道系統。諸如那些在工業機械中的管道系統通常見有彎頭以便對氣流進行導向。當加壓氣體流過這樣彎頭時，發生壓力降。為緩和這一問題，某些設計在管道彎頭內放置了轉向葉片。一些這樣的轉向葉片使通過彎頭的壓力降達到最小，并提供了光滑的氣流，從而提高了上游或下游機械的氣動力學性能。但是，在彎頭內安放轉向葉片還未曾用于提高管道衰減聲音的性能。
此外，雖然轉向葉片和管道彎頭的組合還未被用于衰減噪聲，但已應用了其它裝置以衰減管道內的噪聲。例如，曾應用管道分支以衰減某些噪聲。這樣一種設計將某些噪音引向通過一個分支，它加長了聲音通過分支進行傳播的路徑。通過適當選擇分支長度，分支噪聲與主管道噪聲重新匯合時，它們的相位就相差180度。因此，部分噪聲抵銷。但是，添加附加的管道以使聲音分流很麻煩，并且沒有利用彎頭的好處，因為彎頭是控制氣流流動必不可少的。
在通常的渦輪機中，有B片周向間隔分布的轉輪葉片、V片周向間隔分布的導流葉片，它們與轉輪葉片軸向相鄰、一個包圍轉輪葉片的環形腔、以及一個進氣口和排氣口，以接受和排放通過環形腔的氣體。當渦輪機運行時，轉輪與導流葉片的相互作用產生自旋模式音。本發明提出，可通過相對轉輪葉片數B選擇導流葉片數V，使自旋模式音的基本所有諧波的傳播路徑都基本軸向朝向于環形腔的進氣口和排氣口，從而使這些自旋模式音降至最小。在與自旋模式音傳播路徑的垂直方向放置一種吸音材料，使自旋模式音沖擊于其上，從而被衰減。在一個最佳實施例中，吸音材料被放置在渦輪機的進氣口。
這樣的渦輪機通常與氣體通過其流動的管道相連接。除氣流之外，由渦輪機產生的自旋模式音也趨于通過這些管道而傳播。本發明提出，在自旋模式音的路徑中放置一條調諧管道。該調諧管道或與環形腔的進氣口、或與環形腔的排氣口，或與兩者連接，并具有一個徑向彎頭，該徑向彎頭形成部分圓周，其弧度為中弳。若干轉向葉片在彎頭內同心地間隔分布，且每一轉向葉片與每一相鄰轉向葉片間隔距離D。距離D與徑向彎頭的弧度φ及自旋模式音的頻率有關。這樣放置的轉向葉片能有效地抵銷若干通過管道傳播的自旋模式音的諧波。在最佳實施例中，所選的距離D與弧度φ之間的關系僅能抵銷自旋模式音的奇次諧波。
附于文中，并構成其一部分的權利要求具體地指出了表征本發明新穎之處的這些和其余的各種優點和特性。但是，為了更好地了解發明、了解其優點、及通過其使用達到的目的，還應參考構成其另一部分的附圖，及相關的說明，在附圖和說明中展示和說明了發明的一個最佳實施例。
結合附圖進行閱讀，可更好地了解前述發明內容、以及下述最佳實施例的詳細說明。為展示發明起見，附圖中表示了一個目前認為是最佳的實施例，但應理解到，本發明并不受限于公開的特定方法和手段。
在圖中
圖1簡單地展示了一臺渦輪機及相伴隨的管道系統的橫截面，用以描述本發明提出的自旋模式音的聲音衰減系統。
圖2是一臺渦輪機的局部視圖，表示其轉輪葉片及導流葉片。
現在請參看附圖，全文中用相同數字表示相同部件，圖1描述一臺渦輪裝置10，它包含本發明的聲音衰減特征。渦輪裝置10包括一條供應高壓氣體進氣流的進氣管12，和一個向渦輪機16供應氣體的進氣集流腔14。進氣集流腔14的特征是具有吸音表面18。高壓氣體由一組周向間隔分布的進氣導流葉片20，定向流至一組周向間隔分布的轉輪導流葉片22，進氣導流葉片20和轉輪導流葉片22被一個環形腔30所包圍。然后高壓氣體通過排氣系統24排出。
進口導流葉片20與轉輪葉片22的，以及其它導流葉片轉輪葉片組(未表示)的相互作用產生一些自旋模式音。這些自旋模式音具有圍繞渦輪機軸線34進行自旋的周期壓力圖譜，給觀察者的感覺像一種噪聲。這些壓力脈動相對轉輪葉片22的葉片數和旋轉速度以及進口導流葉片數具有零或多個波瓣。當壓力脈動具有零波瓣時，于是發生零階自旋模。轉輪速度乘轉輪葉片22的片數得到自旋模式音的基頻，或葉片通頻。當進口導流葉片20和轉輪葉片22的組合選成，使得自旋模式中的波瓣數為零，于是自旋模式音的諧波平行渦輪機軸線34傳播，并由渦輪機16向外。波瓣數可由下式確定N＝|m·B+K·V|；此處m是諧波次數，并能取自1至無窮中的任一整數值；B是轉輪葉片數；K是一個指數，它分布于從負無窮至正無窮范圍內的所有整數值；而V是靜止導流葉片數。這樣，對一個特定的轉輪葉片數B、一個特定的進口導流葉片數V、以及一個特定的諧波、N等于零。
再請參看圖2，當進口導流葉片20的片數與轉輪葉片22的片數的比例是一個整數，或當一個整數乘進口導流葉片20的片數等于一個整數乘轉輪葉片22的片數，即當|m·B|＝|K·V|，而K和m均為整數時，可迫使發生零階自旋模。當進口導流葉片20的片數等于轉輪葉片22的片數時，可在葉片通頻的所有諧波上被迫發生零階自旋模。可替換的是，假如所選的進口導流葉片20的片數等于轉輪葉片22片數的兩倍，則零階自旋模只會在葉片通頻的偶次諧波上發生。在最佳實施例中，所選的導流葉片20的片數為轉輪葉片22的片數的兩倍。這樣，葉片通頻的偶次諧波基本沿渦輪機軸線34傳播，并進入進氣集流腔14。
在自旋模式音傳播路徑的垂直方向放置了一種吸音材料18。最好如圖1所示那樣，此吸音材料18裝備在進氣集流腔14的內側。因此，所選的自旋模式音在垂直入射角下沖擊在吸音材料18的表面。所選的吸音材料最好是大塊的吸收體，其吸收系數為0.99或大于0.99。所選的大塊吸收體可由諸如礦物棉、玻璃纖維、或陶瓷纖維制成。由于諧波沖擊在吸音材料上，零階模的聲級將約降低20或20以上dB。零階模之外的其它模式聲級的衰減將在較小的程度上發生，但是，當聲音以切線入射傳播進入吸音材料時，其有效性將降低。
未被吸音材料18吸收的諧波一般離開進氣集流腔14向外傳播，并通過進氣管12而向外。本發明提出，在剩余諧波的路徑上放置一個調諧管道段32。為衰減這些諧波，在調諧管道32中固定了一些轉向葉片。當剩余諧波通過進氣管返回傳播時，它們將通過管道彎頭28而轉向，并通過轉向葉片26。控制這些轉向葉片26間的間距與管道彎頭28的半徑比，可有效地衰減剩余諧波(主要為奇次諧波)。由每一轉向葉片26限定的、剩余諧波的側限路徑迫使諧波在每一半徑較大的轉圈上通過增長的距離。當所選轉向葉片間的間距等于
由轉向葉片26限定的每條路徑上的諧波相位將與通過相鄰路徑的相同諧波的相位相差180度；這里φ是以弳為單位的轉圈的弧度，而λ是基礎諧波的波長。每一轉向葉片26將是由弧度φ限定的部分圓周，而每一鄰繼的轉向葉片26的半徑將增加n·1.5λφ]]>這里n是轉向葉片數。
管道彎頭28與轉向葉片26的結合將消除所有奇次諧波(1、3、5等)，但對偶次諧波(2、4、6倍等)沒有好處。不過，諸如自旋模式音的噪音源通常在基礎諧波處具有峰值頻率，且隨著諧波次數的增加，聲級降低。通過至少消除奇次諧波，而其中正包括基礎諧波，因而就對聲級實現了顯著的影響。此外，吸音材料18還將在偶次諧波到達管道彎頭之前，對它們加以有效地衰減。雖然管道的推薦彎度是1.5弳，但申請人考慮到，由于生產條件的限制，使用了90度彎頭，其相應彎度為π/2。
轉向葉片26也可設計成能消除某些偶次諧波，只要將轉向葉片間距離選成0.75λφ]]>該設計將部分消除與葉片通頻成1、2、3、5、6、7、9、10等倍數的諧波。所有奇次諧波都將被部分消除，而偶次諧波則每隔一個加以部分消除。
在最佳實施例中，所有部件都優化成能獲得一種裝置，它可有效地消除自旋模式音的所有諧波。在這樣一個實施例中，導流葉片/轉輪葉片比以及吸音材料18都優化成能衰減偶次諧波；而調諧管道32則優化成能衰減奇次諧波。為實現這種裝置，所選的進口導流葉片20的片數為所選轉輪葉片22片數的兩倍。例如，在具有19片轉輪葉片22的渦輪機中，進口導流葉片20的片數選為38。這一組合將偶次諧波引向基本平行渦輪機軸線34。然后將一個大塊吸收體18設置在與偶次諧波相垂直的路徑上。這一配置雖然能有效地衰減偶次諧波，但對奇次諧波的衰減甚微。因此，奇次諧波繼續通過管道系統12。而放置在奇次諧波路徑上的調諧管道32則優化成能衰減這些奇次諧波。這樣，整個裝置的效果就基本消除自旋模式音的所有諧波。
本發明可在不偏離其精神或基本特征的情況下，以其它特定形式加以實施，因此，作為本發明范圍的標指，可參考所附權利要求，而不是前述說明書。
權利要求
1.一種渦輪機組件，該渦輪機組件包括B片周向間隔分布的轉輪葉片；V片周向間隔分布的進口導流葉片，它們在軸向與所述轉輪葉片相鄰；一個環形腔，該環形腔包圍所述轉輪葉片和所述進口導流葉片，并具有接受氣體的進氣口和排放氣體的排氣口，所述轉輪葉片和進口導流葉片在所述渦輪機組件運行時，產生自旋模式音；所述導流葉片數V相對所述轉輪葉片數B被選成，以便使形成的自旋模式音的傳播路徑是這樣一條路徑，即至少自旋模式音的所有被選諧波基本軸向朝向于所述環形腔的進氣口和排氣口；一種吸音材料，它具有一個放置在所述自旋模式音的所述傳播路徑內的表面，所述表面垂直于所述自旋模式音的傳播路徑而設置，以吸收沖擊于其上的自旋模式音；一條調諧管道，該管道具有一個徑向彎頭，該彎頭形成部分圓周，具有φ弳的弧度，所述調諧管道至少與所述環形腔的一端連接；以及在所述調諧管道的所述徑向彎頭內的若干轉向葉片，每一轉向葉片與相鄰轉向葉片同心地相距距離D；在所述距離D和所述弧度φ之間存在一種關系式，能有效地基本消除自旋模式音的若干諧波。
2.如權利要求1的渦輪機組件，其特征在于，所述導流葉片數V基本等于所述轉輪葉片數B的整數倍。
3.如權利要求1的渦輪機組合，其特征在于，所述的所選諧波基本包括自旋模式音的所有諧波。
4.如權利要求3的渦輪機組件，其特征在于，所述導流葉片數V基本等于所述轉輪葉片數B。
5.如權利要求1的渦輪機組件，其特征在于，所述的所選諧波基本包括自旋模式音的所有偶次諧波。
6.如權利要求5的渦輪機組件，其特征在于，所述導流葉片數V基本等于所述轉輪葉片數B的二倍。
7.如權利要求1的渦輪機組件，其特征在于，所述距離D基本等于n·0.75λφ]]>這里，λ是周期性聲波基礎諧波的波長，而n是在1至2范圍內的一個整數。
8.如權利要求1的渦輪機組件，其特征在于，所述弧度φ的長度基本等于1.5弳。
9.如權利要求1的渦輪機組件，其特征在于，所述吸音材料放置在自旋模式音傳播路徑中，并至少位于所述環形腔的所述進氣口和所述排氣口之一處。
10.如權利要求1的渦輪機組件，其特征在于，所述吸音材料的吸收系數大于或等于0.99。
11.如權利要求10的渦輪機組件，其特征在于，所述吸音材料是一種大塊吸收體。
12.如權利要求11的渦輪機組件，其特征在于，所述大塊吸收體是礦物棉、玻璃纖維、和陶瓷纖維中的一種。
13.一種渦輪機組件，該渦輪機組件包括B片周向間隔分布的轉輪葉片；V片周向間隔分布的進口導流葉片，它們在軸向與所述轉輪葉片相鄰；一個環形腔，該環形腔包圍所述轉輪葉片和所述進口導流葉片，并具有接受氣體的進氣口和排放氣體的排氣口，所述轉輪葉片和進口導流葉片在所述渦輪機組件運行時，產生自旋模式音；所述導流葉片數V相對所述轉輪葉片數B被選成，以便使形成的自旋模式音的傳播路徑是這樣一條路徑，即至少自旋模式音的所有被選諧波基本軸向朝向于所述環形腔的進氣口和排氣口；以及一種吸音材料，它具有一個放置在所述自旋模式音的所述傳播路徑內的表面，所述表面垂直于所述自旋模式音的傳播路徑而設置，以吸收沖擊于其上的自旋模式音。
14.如權利要求13的渦輪機組件，其特征在于，所述導流葉片數V基本等于所述轉輪葉片數B的整數倍。
15.如權利要求13的渦輪機組件，其特征在于，所述的所選諧波基本包括自旋模式音的所有諧波。
16.如權利要求15的渦輪機組件，其特征在于，所述導流葉片數V基本等于所述轉輪葉片數B。
17.如權利要求13的渦輪機組件，其特征在于，所述的所選諧波基本包括自旋模式音的所有偶次諧波。
18.如權利要求1 7的渦輪機組件，其特征在于，所述導流葉片數V基本等于所述轉輪葉片數B的二倍。
19.如權利要求13的渦輪機組件，其特征在于，所術吸音材料放置在自旋模式音傳播路徑中，并至少位于所述環形腔的所述進氣口和所述排氣口之一處。
20.如權利要求13的渦輪機組件，其特征在于，所述吸音材料的吸收系數大于或等于0.99。
21.如權利要求20的渦輪機組件，其特征在于，所述吸音材料是一種大塊吸收體。
22.如權利要求21的渦輪機組件，其特征在于，所述大塊吸收體是礦物棉、玻璃纖維、和陶瓷纖維中的一種。
23.一種渦輪機組件，該渦輪機組件包括若干片周向間隔分布的轉輪葉片；若干片周向間隔分布的進口導流葉片，它們在軸向與所述轉輪葉片相鄰；一個環形腔，該環形腔包圍所述轉輪葉片和所述進口導流葉片，并具有接受氣體的進氣口和排放氣體的排氣口，所述轉輪葉片和進口導流葉片在所述渦輪機組件運行時，產生自旋模式音；一條調諧管道，該管道具有一個徑向彎頭，該彎頭形成部分圓周，具有φ弳的弧度，所述調諧管道至少與所述環形腔的一端連接；若干轉向葉片，這些轉向葉片同心地相距一個距離D，并位于所述調諧管道的所述徑向彎頭內；所述距離D與所述弧度φ間的比例能有效地基本消除自旋模式音的若干諧波。
24.如權利要求23的渦輪機組件，其特征在于，所述距離D基本等于n·0.75λφ]]>這里，λ是周期性聲波基礎諧波的波長，而n是在1至2范圍內的一個整數。
25.如權利要求23的渦輪機組件，其特征在于，所述弧度φ的長度基本等于1.5弳。
全文摘要
一種渦輪機組件(10),該渦輪機組件(10)包括B片周向間隔分布的轉輪葉片(22);V片周向間隔分布的進口導流葉片(20),它們在軸向與轉輪葉片(22)相鄰;一個環形腔(30),該環形腔(30)包圍轉輪葉片(22)和進口導流葉片(20);以及一個進氣口(12)和一個排氣口(24),用以接受和排放通過環形腔(30)的氣體。當渦輪機(10)運行時,轉輪和導流葉片(22、20)的相互作用產生自旋模式音。這些自旋模式音可通過相對轉輪葉片(22)的片數選擇導流葉片(20)的片數,使所選自旋模式音軸向于渦輪機的進氣口和排氣口而傳播,從而使這些自旋模式音降至最小。然后放置一種吸音材料(18),以使自旋模式音沖擊于其上。此外,在剩余自旋模式音的路徑上設置一條調諧管道(32)。放置在調諧管道(32)內的轉向葉片(26)消除通過此管道而傳播的剩余自旋模式音。
文檔編號F04D29/66GK1202224SQ96198301
公開日1998年12月16日 申請日期1996年10月28日 優先權日1995年11月14日
發明者戴維·J·帕爾齊 申請人:西屋電氣公司