一种用于船舶涡轮发动机的压电磁流变消音器的制作方法

文档序号:15578938发布日期:2018-09-29 06:19

本发明涉及一种涡轮发动机消音器,具体涉及一种用于船舶涡轮发动机的压电磁流变消音器。



背景技术:

涡轮发动机是一种利用旋转的机件自穿过它的流体中汲取动能的发动机形式,经常应用于大型船舶上。所有的涡轮发动机都具备压缩机、燃烧室、涡轮机三大部份。进入的气流在压缩机内被压缩成高密度、高压、低速的气流,以增加发动机的效率。气流进入燃烧室后,由供油喷嘴喷射出燃料,在燃烧室内与气流混合并燃烧。燃烧后产生的高热废气,接着会推动涡轮机使其旋转,然后带著着余的能量,经由排气管排出。涡轮发动机排气噪声是大型船舶噪声的主要来源,其产生的噪声存在高频尖锐刺耳的成分。目前,涡轮发动机排气消音器主要根据抗、阻复合消声原理所研制,消声器的排气消音效果不够理想,主要由于基于阻抗匹配的吸音方法对低频的效果好而高频效果差,设计能消除宽频、高频噪声的消音器对提高涡轮发动机品质非常重要。

主动吸声的智能材料主要有压电材料和磁流变液。压电材料主要利用压电效应,根据入射声波的频率,在压电材料表面形成电荷,将声能转化为电能,达到主动吸声的目的;磁流变液具有优异的可控性能,通过磁场的作用其粘度、场致微结构等易形成梯度变化,使声波能够无反射的进入吸声材料,而且由于材料本身的粘性和微结构,可导致声波多次反射,多次吸收,最终将声能转化为热能,使得声波在其中能够迅速衰减,因此,磁流变液场致微结构可实现梯度变化,易于形成梯度阻抗,给主动智能吸声提供了一个新的视角。



技术实现要素:

针对现有船舶涡轮发动机消音器存在的问题,本发明采用的实施方案是:一种用于船舶涡轮发动机的压电磁流变消音器,包括中空的筒体,沿筒体一端偏离轴线的位置设有进气管,沿筒体另一端轴线的位置设有出气管;筒体包括壳体和固定体,固定体上开有若干圆柱孔,圆柱孔内固设有磁锥;磁锥由圆柱形永磁体和被磁化后覆盖在永磁体上的圆锥形磁流变液一组成;筒体内由左隔板和右隔板沿垂直筒体轴线方向将筒体分隔为第一腔体、第二腔体和第三腔体,进气管与第一腔体相通,出气管与第三腔体相通;左隔板和右隔板通过螺钉固定在筒体上,左隔板和右隔板上均布地开有左流通孔和右流通孔;左隔板的圆心开有左中心孔,左中心孔内设有支撑转轴的轴承;与筒体同轴线的转轴左端伸入到第一腔体中,转轴的细轴上套设有风扇叶片,风扇叶片由圆环形的压电晶片和金属基板粘接而成,风扇叶片为弯曲的彩虹型结构,压电晶片的曲率半径小于金属基板的曲率半径;第二腔体内转轴上设有阻尼单元,阻尼单元外设有与左隔板和右隔板固定连接并且与筒体同轴线的保护壳;阻尼单元包括输入组件、磁流变液二、与右隔板固定连接的外壳、中间盘、调节装置;外壳上开有向左的凹腔,输入组件设置在凹腔内;输入组件包括套设在转轴上的内轴套及在内轴套上从左至右依次设有滑动设置的压紧环、左锥盘、线圈、隔磁罩、弹性橡胶圈、右锥盘,内轴套、左锥盘、外壳、右锥盘围成密闭的溶液腔,溶液腔内设有磁流变液二;内轴套上还开有放置腔,放置腔内设有L形径向杠杆,径向杠杆的左端伸出放置腔位于压紧环与左锥盘之间,径向杠杆的左端为向左的斜面或弧形,当压紧环向右移动后,下压径向杠杆左端的竖直距离低于径向杠杆左端高出放置腔的距离,径向杠杆的右端顶住右锥盘的右端面;径向杠杆的左端与左锥盘之间的内轴套上设有改变左锥盘轴向位置的调节装置,调节装置包括调节螺栓、固定在内轴套上的定位板、调节弹簧,定位板上开有通孔,调节螺栓的前部穿过通孔与左锥盘螺纹连接,定位板与左锥盘之间的调节螺栓上还套有调节弹簧;压紧环左侧的内轴套上还设有挡环,线圈除贴着左锥盘和内轴套的面外,其余面均由设有隔磁罩。

本发明中,为提高风扇叶片E的吸音降噪能力和可靠性,风扇叶片套设在细轴上,并与轴向成一定的倾斜角β(类似电风扇叶片倾斜角),风扇叶片倾斜角为β=110°,风扇叶片为弯曲的彩虹型结构,压电晶片的曲率半径小于金属基板的曲率半径,压电晶片为0.15~0.3mm的PZT4,金属基板为铍青铜,金属基板与压电晶片的厚度之比为1~2.5,此时风扇叶片的吸音降噪能力较强。

气流进入第一腔体吹到风扇叶片时,气流中声波的振动使压电晶片所受的应力交替增加和减小的过程即将声能转换成电能,压电晶片所生成的电能全部经导线传输到能量转换与存储电路为线圈供电;同时,气体动压力驱动风扇叶片旋转,带动转轴及输入组件旋转,线圈通电,磁流变液二变为类固体,与外壳之间形成剪切力,同时磁场吸引压紧环向右运动,压住径向杠杆的左端向下,使径向杠杆的右端通过中间盘推动右锥盘向左运动,压缩弹性橡胶圈,利用磁流变液挤压原理,对磁流变液二h2产生挤压,增大了输入组件和外壳j间更大的阻尼力;切换非工作状态时,线圈断电,磁流变液二变为牛顿流体,在弹性橡胶圈的作用下右锥盘向右移动,推动径向杠杆的右端逆时针旋转,径向杠杆的左端向上抬起,将压紧环向左推,恢复到最初状态。还可以通过调节调节装置使左锥盘移动,从而控制阻尼单元阻尼力的大小。

由压电晶片的正压电效应可知,压电晶片在压力作用下产生的电荷量与压力大小成正比,因此,施加到线圈上的电流大小受压电晶片产生的电荷值控制,线圈中电流的改变可引起磁场大小的改变,磁场的改变使得磁流变液二的力学性能改变,即阻尼单元的阻尼力发生改变。因此,通过自动调整阻尼单元阻尼力调整转轴的转速不仅可以调整耗能大小,还可控制因风扇叶片旋转而带来的气流再生噪声大小。

磁锥是根据逐渐过渡原理,使磁流变液一在永磁体上被永磁体磁化成圆锥形,利用声阻抗的逐渐变化,从尖端到底部,声阻抗是从空气的特性阻抗逐步过渡到磁流变液一的阻抗,从而形成梯度阻抗;由于磁锥阻抗连续变化,声波在磁锥内发生多次反射和能量耗散,有效的提高了磁锥的吸声特性。

优势与特色:1)利用磁锥声阻抗梯度的连续变化,将声能化为热能,吸声系数高;2)利用风扇叶片将气流的动能转变成机械能,降低各种频带的声功率,吸声频带宽;3)根据发动机转速变化自动调节转轴阻尼力,利用风扇叶片动态主动吸声,实现声阻抗的自我调节;4)采用左锥盘和右锥盘挤压,利用磁流变液挤压原理,更快的声能转化。

附图说明

图1为本发明一个较佳实施例中一种用于船舶涡轮发动机的压电磁流变消音器工作状态的结构示意图;

图2为本发明一个较佳实施例中一种用于船舶涡轮发动机的压电磁流变消音器非工作状态的结构示意图;

图3为本发明一个较佳实施例中磁锥的吸声系数与频率关系曲线。

具体实施方式

一种用于船舶涡轮发动机的压电磁流变消音器,包括中空的筒体V,沿筒体V一端偏离轴线的位置设有进气管a,沿筒体V另一端轴线的位置设有出气管p;筒体V包括壳体b和固定体c,固定体c上开有若干圆柱孔,圆柱孔内固设有磁锥X;磁锥X由圆柱形永磁体d和被磁化后覆盖在永磁体d上的圆锥形磁流变液一h1组成;筒体V内由左隔板g和右隔板m沿垂直筒体V轴线方向将筒体V分隔为第一腔体A、第二腔体B和第三腔体C,进气管a与第一腔体A相通,出气管p与第三腔体C相通;左隔板g和右隔板m通过螺钉固定在筒体V上,左隔板g和右隔板m上均布地开有左流通孔g1和右流通孔m1;左隔板g的圆心开有左中心孔g2,左中心孔g2内设有支撑转轴t的轴承;与筒体V同轴线的转轴t左端伸入到第一腔体A中,转轴t的细轴t1上套设有风扇叶片E,风扇叶片E由圆环形的压电晶片e1和金属基板e2粘接而成,风扇叶片E为弯曲的彩虹型结构,压电晶片e1的曲率半径小于金属基板e2的曲率半径;第二腔体B内转轴t上设有阻尼单元Y,阻尼单元Y外设有与左隔板g和右隔板m固定连接并且与筒体V同轴线的保护壳r;阻尼单元Y包括输入组件、磁流变液二h2、与右隔板m固定连接的外壳j、中间盘v、调节装置I;外壳j上开有向左的凹腔w,输入组件设置在凹腔w内;输入组件包括套设在转轴t上的内轴套f及在内轴套f上从左至右依次设有滑动设置的压紧环q、左锥盘z、线圈k、隔磁罩s、弹性橡胶圈u、右锥盘y,内轴套f,左锥盘z、外壳j、右锥盘y围成密闭的溶液腔,溶液腔内设有磁流变液二h2;内轴套f上还开有放置腔f1,放置腔f1内设有L形径向杠杆n,径向杠杆n的左端伸出放置腔f1位于压紧环q与左锥盘z之间,径向杠杆n的左端为向左的斜面或弧形,当压紧环q向右移动后,下压径向杠杆n左端的竖直距离低于径向杠杆n左端高出放置腔f1的距离,径向杠杆n的右端顶住右锥盘y的右端面;径向杠杆n的左端与左锥盘z之间的内轴套f上设有改变左锥盘z轴向位置的调节装置I,调节装置I包括调节螺栓i1、固定在内轴套f上的定位板i2、调节弹簧i3,定位板i2上开有通孔,调节螺栓i1的前部穿过通孔与左锥盘z螺纹连接,定位板i2与左锥盘z之间的调节螺栓i1上还套有调节弹簧i3;压紧环q左侧的内轴套f上还设有挡环f2,线圈k除贴着左锥盘z和内轴套f的面外,其余面均设有隔磁罩s。

本发明中,为提高风扇叶片E的吸音降噪能力和可靠性,风扇叶片E套设在细轴t1上,并与轴向成一定的倾斜角β(类似电风扇叶片倾斜角),风扇叶片E倾斜角为β=110°,风扇叶片E为弯曲的彩虹型结构,压电晶片e1的曲率半径小于金属基板e2的曲率半径,压电晶片e1为0.15~0.3mm的PZT4,金属基板e2为铍青铜,金属基板e2与压电晶片e1的厚度之比为1~2.5,此时风扇叶片E的吸音降噪能力较强。

气流进入第一腔体吹到风扇叶片E时,气流中声波的振动使压电晶片e1所受的应力交替增加和减小的过程即将声能转换成电能,压电晶片e1所生成的电能全部经导线传输到能量转换与存储电路为线圈k供电;同时,气体动压力驱动风扇叶片E旋转,带动转轴t及输入组件旋转,线圈k通电,磁流变液二h2变为类固体,与外壳j之间形成剪切力,同时磁场吸引压紧环q向右运动,压住径向杠杆n的左端向下,使径向杠杆n的右端通过中间盘v推动右锥盘y向左运动,压缩弹性橡胶圈u,利用磁流变液挤压原理,对磁流变液二h2产生挤压,增大了输入组件和外壳j间更大的阻尼力;切换非工作状态时,线圈k断电,磁流变液二h2变为牛顿流体,在弹性橡胶圈u的作用下右锥盘y向右移动,推动径向杠杆n的右端逆时针旋转,径向杠杆n的左端向上抬起,将压紧环q向左推,恢复到最初状态。还可以通过调节装置I使左锥盘z移动,从而控制阻尼单元Y阻尼力的大小。

由压电晶片e1的正压电效应可知,压电晶片e1在压力作用下产生的电荷量与压力大小成正比,因此,施加到线圈k上的电流大小受压电晶片e1产生的电荷值控制,线圈k中电流的改变可引起磁场大小的改变,磁场的改变使得磁流变液二h2的力学性能改变,即阻尼单元Y的阻尼力发生改变。因此,通过自动调整阻尼单元Y阻尼力调整转轴t的转速不仅可以调整耗能大小,还可控制因风扇叶片E旋转而带来的气流再生噪声大小。

磁锥X是根据逐渐过渡原理,使磁流变液一h1在永磁体d上被永磁体d磁化成圆锥形,利用声阻抗的逐渐变化,从尖端到底部,声阻抗是从空气的特性阻抗逐步过渡到磁流变液一h1的阻抗,从而形成梯度阻抗;由于磁锥X阻抗连续变化,声波在磁锥X内发生多次反射和能量耗散,有效的提高了磁锥X的吸声特性。

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