CN115030837B - 一种喷口降噪装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷口降噪装置，所公开的喷口降噪装置包括内涵筒体和扰流件，扰流件设于内涵筒体的喷口处，扰流件设于内涵筒体的内周壁，且多个扰流件沿内涵筒体的周向分布，扰流件具有凸出于内涵筒体的内周壁的凸出部，在第一方向上，凸出部具有第一斜面和第二斜面，第一斜面和第二斜面相交于凸出部的顶部，且第一斜面的第一长度大于第二斜面的第二长度，第一方向为内涵筒体内喷流的喷射方向；上述方案中，扰流件的凸出部改变高速气流在喷口处的流动，使涡结构发生变化，从而消除超声速喷流的啸声，与此同时，凸出部还可以增大内涵筒体喷流与外界空气的掺混，有利于各种噪音成分的降噪。

Description

一种喷口降噪装置

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种喷口降噪装置。

背景技术

喷流噪声作为一种常见的噪声污染，广泛存在于人们的生活中，如航空中飞机发动机、战斗机、火箭发射等，都是喷流噪声污染源之一，对周围的居民和环境造成很大的影响。降低喷流噪声，同时尽可能地不改变其空气动力学方面的性能，是开展一系列喷流噪声降噪设计的基础。相关技术中，已经有较多学者对喷流噪音降噪作出了分析研究，例如，通过改变喷口尾缘形状和喷口类型，从而改变核心区长度和湍流结构尺度的大小，可以有效抑制喷流噪声。

目前常见的喷流噪声降噪方式是改变喷口的外部形状，例如，将喷口尾缘加工成锯齿形，通过改变锯齿的数量、切入度、锯齿长度等不同参数来控制喷流噪声，研究表明，锯齿形喷口降低了低频段的喷流噪声，同时也增大了高频段的喷流噪声；增大锯齿形喷口切入角可以增大低频段的降噪量，其降噪量最高为5dB；另外，锯齿形喷口齿数的变化对降噪效果有一定的影响，但其影响远小于切入角对降噪效果的影响。

实验发现，锯齿形或者波浪形喷口尽管可以降低喷流噪声，但会对喷管的气动性能产生不利影响，降低喷管的气动性能；同时，寻找最优的锯齿形喷口需要加工大量模型进行测试，对喷口改动较大，成本较高，不易操作。

由此可见，提供一种可靠有效、不降低喷口气动性能、成本低、对喷管改动小、简单易实施的降噪措施，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明公开一种喷口降噪装置，以解决相关技术中的降噪措施存在的喷口改动大、降低喷口气动性能等技术问题。

为了解决上述问题，本发明采用下述技术方案：

本发明公开了一种喷口降噪装置，所公开的喷口降噪装置包括内涵筒体和扰流件；其中：

所述扰流件设于所述内涵筒体的内周壁，且多个所述扰流件沿所述内涵筒体的周向分布；

所述扰流件具有凸出于所述内涵筒体的内周壁的凸出部，在第一方向上，所述凸出部具有第一斜面和第二斜面，所述第一斜面和所述第二斜面相交于所述凸出部的顶部，且所述第一斜面的第一长度大于所述第二斜面的第二长度，所述第一方向为所述内涵筒体内喷流的喷射方向。

进一步地，所述凸出部的顶部距离所述内涵筒体的内周壁的高度为2mm~6mm。

进一步地，所述扰流件与所述内涵筒体一体成型。

进一步地，所述扰流件与所述内涵筒体可拆卸连接。

进一步地，所述扰流件还包括安装部，所述内涵筒体设置有与所述安装部相匹配的安装槽，安装部设于所述安装槽内。

进一步地，在第一方向上，所述安装部的截面形状为T形或楔形。

进一步地，所述安装部包括防脱段和过渡段，所述凸出部与所述过渡段相连，且所述凸出部凸出于所述过渡段的表面，在第二方向上，所述过渡段的投影区域位于所述防脱段的投影区域内，所述第二方向为所述内涵筒体的径向方向。

进一步地，所述防脱段、过渡段和所述凸出部一体成型。

进一步地，所述内涵筒体的喷口出口处设置有法兰盘，在内涵筒体内喷流的喷射方向上，所述法兰盘与所述扰流件限位配合。

本发明采用的技术方案能够达到以下有益效果：

第一、本发明的喷口降噪装置，对超声速喷流噪声的降噪机理在于，扰流件的凸出部可以改变喷口附近的不稳定波和激波系结构，改变超声速喷口啸声的模态产生与转变，从而消除超声速喷流的啸声；与此同时，凸出部还可以一定程度增大超声速喷流与外界空气的掺混，有利于各种噪声成分的降噪；

第二、在内涵筒体的喷口处设置扰流件，具有结构简单、安装方便、降噪效果可靠、对喷口气动性能影响小等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例的喷口降噪装置的结构示意图之一；

图2是本申请实施例的喷口降噪装置的结构示意图之二；

图3是本申请实施例的扰流件的安装示意图；

图4是本申请实施例的扰流件的结构示意图之一；

图5是本申请实施例的扰流件的结构示意图之二；

图6是本申请实施例的测试系统的结构示意图；

图7是监测点Mic7的噪声频谱结果图之一；

图8是监测点Mic7的噪声频谱结果图之二；

图9是监测点Mic7的噪声频谱结果图之三；

图10是监测点Mic7的噪声频谱结果图之四；

图11是监测点Mic7的噪声频谱结果图之五；

图12是监测点Mic7的噪声频谱结果图之六；

图13是监测点Mic7的噪声频谱结果图之七；

图14是喷口降噪装置与基准喷口在亚声速情况下的噪声总声压级指向性图；

图15是喷口降噪装置与基准喷口在超声速情况下的噪声总声压级指向性图；

图16是本申请实施例的喷口降噪装置的喷口附近的流线示意图；

图17是图16中A处的局部放大示意图；

图18是基准喷口附近的流线示意图；

图19是图18中B处的局部放大示意图；

图20是喷口降噪装置与基准喷口在喷口附近的流向涡量沿周向的分布示意图；

图21是喷口降噪装置与基准喷口在喷口附近的湍流动能沿周向的分布示意图。

图中：

100-内涵筒体，110-安装槽，120-法兰盘；200-扰流件，210-凸出部，211-第一斜面，212-第二斜面，220-安装部，221-防脱段，222-过渡段；300-全消音室；400-传声器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

下面结合附图1至图21，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的喷口降噪装置进行详细地说明。

参照图1~图21，本申请实施例公开了一种喷口降噪装置，所公开的喷口降噪装置包括内涵筒体100和扰流件200。

其中，内涵筒体100具有喷口，扰流件200设于内涵筒体100内且邻近喷口，多个扰流件200设于内涵筒体100的内周壁，且多个扰流件200沿内涵筒体100的周向分布，扰流件200在内涵筒体100的圆周方向既可以是均匀布置，也可以非均匀布置，本申请并不限定。

在本申请实施例中，扰流件200为板状构件，扰流件200沿第一方向延伸布置，第一方向为内涵筒体100内喷流的喷射方向。扰流件200具有凸出于内涵筒体100的内周壁的凸出部210，在第一方向上，凸出部210具有第一斜面211和第二斜面212，第一斜面211和第二斜面212均相对第一方向倾斜设置。

第一斜面211和第二斜面212相交于凸出部210的顶部，也就是说，第一斜面211为凸出部210的迎流面，第二斜面212为凸出部的背流面。在第一方向上，第一斜面211具有第一长度L1，第二斜面212具有第二长度L2，L1大于L2，也就是说，第一斜面211相对第一方向的倾角小于第二斜面212相对第一方向的倾角。

本申请实施例公开的喷口降噪装置，对超声速喷流噪声的降噪机理在于，扰流件200的凸出部210可以改变高速气流在内涵筒体100内的流动，改变喷口附近的不稳定波和激波系结构，使涡结构发生变化，从而改变超声速喷口啸声的模态产生与转变，以达到消除超声速喷流的啸声的目的；与此同时，凸出部210还可以一定程度增大超声速喷流与外界空气的掺混，有利于各种噪声成分的降噪。

由前述可知，第一斜面211和第二斜面212相交于凸出部210的顶部，在本申请实施例中，凸出部210的顶部距离内涵筒体100的内周壁的高度为2mm~6mm，例如，凸出部210的顶部距离内涵筒体100的内周壁的高度可以为2mm、4mm或6mm。

在进一步的技术方案中，扰流件200还包括安装部220，内涵筒体100设置有与安装部220相匹配的安装槽110，安装部220设于安装槽110内。

在本申请实施例中，在第一方向上，安装部220的截面形状为T形或楔形；此种情况下，安装槽110与安装部220相匹配，在内涵筒体100的径向方向上，安装槽110的槽壁能够对安装部220起到限位作用，避免扰流件200在内涵筒体100的径向上晃动或脱离。

一种可选的实施方式中，安装部220包括防脱段221和过渡段222，在扰流件200装配于内涵筒体100时，防脱段221位于安装槽110内，过渡段222的内表面与内涵筒体100的内周壁平齐，凸出部210与过渡段222相连，且凸出部210凸出于过渡段222的内表面。在第二方向上，过渡段222的投影区域位于防脱段221的投影区域内，第二方向为内涵筒体100的径向方向；此种设置下，参照图4和图5， 安装部220的截面为T形，防脱段221和过渡段222之间形成台阶面，在第二方向上，该台阶面与安装槽110的内壁限位配合，从而防止扰流件200晃动或脱离。

在本申请实施例中，防脱段221、过渡段222和凸出部210可以为一体成型件，一体成型具有加工方便，结构稳定性高的特点。

一种可选的实施方式中，扰流件200可以与内涵筒体100可拆卸连接，具体地，内涵筒体100的喷口出口处设置有法兰盘120，在内涵筒体100内喷流的喷射方向上，法兰盘120与扰流件200限位配合；此种情况下，在安装扰流件200时，可将扰流件200从喷口末端滑入安装槽110，然后将法兰盘120连接喷口末端，在内涵筒体100内喷流的喷射方向，法兰盘120与扰流件200限位配合，从而避免扰流件200从内涵筒体100的轴向脱离。

在另一种可选的实施方式中，扰流件200还可以与内涵筒体100一体成型，此种方式下，使得本申请实施例的喷口降噪装置具有较高的结构稳定性。

针对本申请实施例的喷口降噪装置，本实施例采用测试系统进行测试并分析，测试系统包括全消音室300和设于全消音室300内的传声器400，具体过程包括：

将预先制备的模型试验件在不同测试工况下进行测试，获得噪声测试数据；

基于噪声测试数据，分析得到不同测试工况下模型试验件的降噪效果和噪声抑制能力。

在本申请实施例中，参照图6~图21，设置实验组和对照组对本申请实施例的喷口降噪装置的降噪效果进行说明。具体地，对照组为未设置扰流件200的基准喷口，基准喷口的直径D=56mm；实验组在基准喷口的基础上增加了扰流件200，其中，凸出部210的厚B=2mm，凸出部210的顶部距离内涵筒体100的内周壁的高度H=2mm，第一斜面211的第一长度L1=10mm，第二斜面212的第二长度L2=5mm，凸出部210距离喷口出口的距离L3=5mm。试验选择G.R.A.S公司的46AE型传声器，实验时设置的传声器采样频率为51.2KHz，每个工况采集20s的噪声数据。

本实施例中总共设置7组不同马赫数，分别为马赫数Ma=0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5，用来模拟不同的测试工况，以便考虑径向凸起的凸出部在不同的工况条件下，其降噪效果的变化情况以及噪声抑制能力。本实施例通过对传声器采集的噪声信号及性能分析，得到如图7~图13所示的监测点Mic7测量得到的不同马赫数下的降噪频谱图。

对本发明测试得到的噪声频谱进行分析，探究其频谱图中单音噪声及整体宽频噪声变化规律。由图7~图13的频谱图可以看出，径向凸起的凸出部在亚声速范围到超声速范围内均具有良好的降噪效果，尤其是在超声速范围。在马赫数Ma=0.9和Ma=1.0时，对1000Hz以下的宽频噪声具有明显的降噪效果；在超声速范围，可以显著降低单音噪声和宽频噪声，如在Ma=1.2时，可以降低单音噪声峰值约30dB，降低宽频噪声约10dB，在其他超声速马赫数下，也表现出明显的降噪效果。

参照图14，在亚声速工况下，相较于基准喷口，本申请实施例的喷口降噪装置对喷流噪声的总声压级有一定的降噪效果，降低总声压级噪声约2dB；参照图15，在超声速工况下，相较于基准喷口，本申请实施例的喷口降噪装置对喷流噪声的总声压级有更为明显的降噪效果，降低总声压级噪声约10dB。

参照图16~图19，可以明显看出，本申请实施例的喷口降噪装置相较于基准喷口，在喷流的喷射方向，扰流件200诱导流场产生旋转方向相反的一对涡流，这可以增大附近流体的掺混，有利于降噪。

参照图20，示出了本申请实施例的喷口降噪装置与基准喷口在喷口附近的流向涡量沿周向的分布示意图，可以看出，在增加扰流件200后，每个扰流件200均会产生前述的旋转方向相反的一对涡流，能够增加喷口附近流体的掺混。

参照图21，示出了本申请实施例的喷口降噪装置与基准喷口在喷口附近的湍流动能沿周向的分布示意图，从图中可以明显看出，扰流件200可以显著增大扰流体下游的湍流动能，促进流体的掺混，这有助于降低噪声。

需要说明的是，本申请实施例的喷口降噪装置，可以为实际应用在航空发动机的产品，也可以为实验研究的实验模型，扰流件200在内涵筒体100的径向和轴向分别被限位，从而实现扰流件200与内涵筒体100的相对固定。本申请实施例的喷口降噪装置在作为实验模型时，扰流件200可以与内涵筒体100可拆卸连接，此种情况下，可以方便模型试验件的更换，例如，能够更换高度H不同的扰流件200进行试验，能够极大程度地节约试验成本；而实际应用在航空发动机时，扰流件200优选与内涵筒体100一体成型。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。此外，需要指出的是，本申请实施方式中的方法和装置的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种喷口降噪装置，其特征在于，包括内涵筒体（100）和扰流件（200）；其中：

所述扰流件（200）设于所述内涵筒体（100）的内周壁，且多个所述扰流件（200）沿所述内涵筒体（100）的周向分布；

所述扰流件（200）具有凸出于所述内涵筒体（100）的内周壁的凸出部（210），在第一方向上，所述凸出部（210）具有第一斜面（211）和第二斜面（212），所述第一斜面（211）和所述第二斜面（212）相交于所述凸出部（210）的顶部，且所述第一斜面（211）的第一长度大于所述第二斜面（212）的第二长度，所述第一方向为所述内涵筒体（100）内喷流的喷射方向。

2.根据权利要求1所述的喷口降噪装置，其特征在于，所述凸出部（210）的顶部距离所述内涵筒体（100）的内周壁的高度为2mm~6mm。

3.根据权利要求1所述的喷口降噪装置，其特征在于，所述扰流件（200）与所述内涵筒体（100）一体成型。

4.根据权利要求1所述的喷口降噪装置，其特征在于，所述扰流件（200）与所述内涵筒体（100）可拆卸连接。

5.根据权利要求4所述的喷口降噪装置，其特征在于，所述扰流件（200）还包括安装部（220），所述内涵筒体（100）设置有与所述安装部（220）相匹配的安装槽（110），安装部（220）设于所述安装槽（110）内。

6.根据权利要求5所述的喷口降噪装置，其特征在于，在第一方向上，所述安装部（220）的截面形状为T形或楔形。

7.根据权利要求5所述的喷口降噪装置，其特征在于，所述安装部（220）包括防脱段（221）和过渡段（222），所述凸出部（210）与所述过渡段（222）相连，且所述凸出部（210）凸出于所述过渡段（222）的内表面，在第二方向上，所述过渡段（222）的投影区域位于所述防脱段（221）的投影区域内，所述第二方向为所述内涵筒体（100）的径向方向。

8.根据权利要求7所述的喷口降噪装置，其特征在于，所述防脱段（221）、过渡段（222）和所述凸出部（210）一体成型。

9.根据权利要求4~8任一所述的喷口降噪装置，其特征在于，所述内涵筒体（100）的喷口出口处设置有法兰盘（120），在内涵筒体（100）内喷流的喷射方向上，所述法兰盘（120）与所述扰流件（200）限位配合。

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