椭圆锥形孔道式水下多相射流消声降噪装置制造方法
【专利摘要】椭圆锥形孔道式水下多相射流消声降噪装置，包括管状壳体，其外壁环向开设4个通孔，壳体内固定有渐缩喷管，渐缩喷管前端为环形孔板、中部为圆筒段、后端为渐缩喷嘴，圆筒段外壁面环向开设4个椭圆锥形通孔，其长短轴比例介于1.5:1至2.5:1之间，且中轴线与渐缩喷管的中轴线垂直；环形孔板连接有前置喷管，壳体轴线上有内导管固定在渐缩喷管的内壁，内导管的前部设有叶片，内导管出口端的内壁上固定有一个多孔喷头。本实用新型用于水下航行器排气，该装置结构紧凑，可直接安装于排气管系统内，不占用外的空间，消除气流脉动、湍射流噪声以及气泡噪声，降噪频段从脉动低频200Hz至湍射流产生的高频5000Hz，降噪效果在18dB以上。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种椭圆锥形孔道式水下多相射流消声降噪装置，用于水下航行 器热动力系统废气排放降噪。 椭圆锥形孔道式水下多相射流消声降噪装置
【背景技术】
[0002] 水下航行器的热动力系统排放出的高压高温废气经过喷管排入水中，形成严重的 射流噪声。由于声音的传播依赖于介质的压缩性，通常水中声速约为空气中声速的4. 4倍， 水下噪声的传播速度比水中航行体的航速大得多。当水下航行器的热动力装置工作产生的 大量废气通过出口管高速排入水中时，形成复杂的气体流动、气液两相流场结构并伴有排 气辐射噪声，其声压级高、频带较宽，不仅对水下环境造成噪声污染，同时也降低了自身的 隐蔽性，又对本身所载的水声设备构成自噪声干扰，限制了水下航行器的整体性能。
[0003] 水下排气过程涉及复杂的多相流动，伴有层流转捩、旋涡运动和流态变化等复杂 现象，其噪声形成机理不同于空气排气噪声的产生机理。针对这类特殊的水中高速排气问 题，常规的空气排气消声方法无法直接使用。现有的水下排气降噪装置大多由空气中排气 消声器结构改造，这虽然节省了设计时间，但其消声效果往往难以到达相关指标，甚至增大 了某些频段的声压，成为了新的噪声源。现有消声降噪装置其设计原理主要是基于空气消 声原理，专利201010238161. 6设计了一种篇平的消声器，该消声器主要是利用膨胀室结构 的组合进行消声，气流在经过膨胀室后，声阻抗发生变化，使沿管路传播的某些特定频率的 声波反射回去，达到消声目的。该专利设计的消声器主要用于汽车废气排放，涉及的流体介 质主要是空气，因此该结构不适用于气液两相射流噪声消除。
[0004] 专利200620084872. 1设计了一种船用马达消声器，该消声器采用了一种U型管结 构，马达排放出的废气经过消声器内胆，且内胆中设置了多个消音板，该消声器依然采用了 传统的空气消声器设计原理，主要是通过改变管路截面和长度来控制声抗大小进行消声。 该消声器外壳浸没于水中，但消声器内主要还是以气体为主，且排气口置于空气中，因此该 结构只是传统空气消声器结构的简单移植。
[0005] 目前尚未发现有针对于水下航行器高速气体射流的多相射流降噪装置。
【发明内容】
[0006] 本实用新型的目的是提供一种椭圆锥形孔道式水下多相射流消声降噪装置，以克 服现有技术的不足。
[0007] 椭圆锥形孔道式水下多相射流消声降噪装置，其特征在于该装置包括一个管状的 圆柱形壳体，该壳体在外壁环向均匀开设4个通孔；
[0008] 在壳体的位于通孔前后两侧的内壁开设两个卡环槽；
[0009] 在卡环槽后端设置挡肩，在的前端设置有挡肩；
[0010] 所述壳体内固定有渐缩喷管，该渐缩喷管前端为环形孔板、中部为圆筒段、后端为 渐缩喷嘴，所述环形孔板安装在上述卡环槽与挡肩之间；
[0011] 所述圆筒段外壁面环向均匀开设4个通孔，且分别位于上述通孔内壁面的下方；
[0012] 上述渐缩喷管的圆筒段外壁面的通孔为椭圆锥形孔，椭圆形截面长短轴比例介于 1. 5:1至2. 5:1之间，通孔的通流面积（开在外表面的大孔孔口截面面积）小于通孔的通流 面积，且通孔的通道中轴线与渐缩喷管的中轴线垂直；
[0013] 环形孔板的环形区间内均匀开有4个孔口，孔口之间的扇环板上开设多组小孔；
[0014] 所述的4个通孔的中轴线以及4个通孔的中轴线位于本装置的同一个径向的截面 上；
[0015] 环形孔板与挡肩接触的端面上开设两圈环形槽，
[0016] 所述孔口朝向后端的一侧分别连接有前置喷管，该前置喷管的直管段直径与孔口 直径相同，直管段后端连接有渐缩喷嘴；
[0017] 在卡环槽与挡肩之间安装有环形孔板，该环形孔板的内环套置在所述渐缩喷管的 后端；环形孔板的环形区间内均匀开有4个孔口，所述孔口之间的扇环板上开设多组小孔， 环形孔板与挡肩接触的端面上开设两圈环形槽；
[0018] 所述孔口朝向前端的一侧分别连接有后置喷管，该后置喷管的直管段直径与孔口 直径相同，直管段前端连接有渐缩喷嘴；且后置喷管与其中一个前置喷管具有同一个轴线， 前置喷管的喷嘴直径小于后置喷管的直径；
[0019] 所述壳体的轴线上有内导管经由前置翅片而固定在渐缩喷管的内壁，该内导管的 前部设有叶片，内导管出口端的内壁上经由后置翅片固定有一个多孔喷头；
[0020] 并有前置卡环和后置卡环分别安装于上述两个卡环槽内。
[0021] 上述通孔为椭圆锥形通孔，即外壁孔径的尺寸大于内壁孔径的尺寸；且椭圆形通 孔内外孔口端面形状为椭圆形，长短轴比例介于1. 5:1至2. 5:1之间。
[0022] 上述渐缩喷管后端的渐缩喷嘴的端口外边缘设有6个"V"型翅片；且在两个V型 翅片之间分别设置两个气流喷管。
[0023] 上述环形孔板前端面的环形槽，是迷宫式环形槽；上述环形孔板6的环形槽，也是 迷宫式环形槽。
[0024] 上述壳体内壁出口端开设有卡环槽，和卡环槽，还有一个安装于壳体出口端的花 型褶皱导流管，该花型褶皱导流管通过安装于卡环槽的出口内卡环和安装于卡环槽1的定 位内卡环进行定位。
[0025] 上述花型褶皱导流管截面呈圆环状，由16个花瓣褶皱片组成；每个花瓣褶皱片端 面为弧形棱，弧形棱的端部沿径向连接有两块片状体，相邻两个花瓣褶皱片的片状体由内 侧弧形棱连接；弧形棱的圆弧半径大于内侧弧形棱的圆弧半径；且花瓣褶皱片沿射流轴向 方向为渐扩型结构，斜度为1-2°。
[0026] 上述喷头由外端面设有开孔的半圆封头、沿射流轴向渐扩的椎管和直管段组成； 且半圆封头开孔面积不小于椎管大端的开孔面积；椎管的锥管斜度为5-7°。
[0027] 本实用新型针对水下高速气体射流的流场特性，针对射流气体动量大、温度高等 特点，研制了适用于水下航行器排气系统的多相射流降噪装置，该装置结构紧凑，可直接安 装于排气管系统内，不占用外的空间。该降噪装置基于流动控制原理，对气流进入降噪装置 开始直至气流排出形成气泡的整个过程进行控制，采用多种结构组合，消除气流脉动、湍射 流噪声以及气泡噪声，降噪频段从脉动低频200Hz至湍射流产生的高频5000Hz，降噪效果 在18dB以上。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1是本实用新型的总体结构示意图。
[0029] 图2是壳体的结构示意图（图2A立体图、图2B侧视图、图3C剖视图）。
[0030] 图3是花型褶皱导流管的结构图（图3A立体图，图3B正视图）。
[0031] 图4是多孔喷头的结构图（图4A立体图，图4B剖视图）。
[0032] 图5是渐缩喷管的立体图。
[0033] 图6是渐缩喷管的前视图。
[0034] 图7是渐缩喷管的侧视图。
[0035] 图8是图7的A-A剖视图。
[0036] 图9是环形孔板的正视图。
[0037] 图10是本实用新型的剖视图。
[0038] 其中，1、壳体，l_a、通孔，l_b、卡环槽，1-c、卡环槽，Ι-d、卡环槽，l_e、挡肩，1-f、挡 肩，Ι-h、卡环槽；2、出口内卡环，3、花型褶皱导流管，3-a、花瓣褶皱片，3-b、弧形棱，4、定位 内卡环，5、后置卡环，6、环形孔板，6-a、孔口，6-b、小孔，6-c、环形槽，7、后置喷管，8、前置喷 管，9、前置卡环，10、叶片，11、内导管，12、前置翅片，13、后置翅片，14、多孔喷头，14-a、半圆 封头，14-b、椎管，15、渐缩V型喷管，15-a、V型翅片，15-b、气流喷管，15-c、通孔，15-d、环形 孔板，15-e、环形槽。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图对本实用新型作详细说明：
[0040] 图1所示的总体图中具有：壳体1、出口内卡环2、花型褶皱导流管3、定位内卡环 4、后置卡环5、环形孔板6、后置喷管7、前置喷管8、前置卡环9、叶片10、内导管11、前置翅 片板12、后置翅片管13、多孔喷头14、渐缩V型喷管15。
[0041] 壳体1为水下多相射流消声降噪装置的外壳，所有部件均被包裹在内；
[0042] 花型裙皱导流管3安装于壳体1的出口端，通过出口内卡环2和定位内卡环4进 行定位；
[0043] 环形孔板6的环板前侧面的四个对应圆孔焊接后置喷管7,并且环形孔板6与后置 卡环5面接触，接触面上开设有环形密封槽；
[0044] 渐缩V型喷管15前端的圆环孔板后侧面上四个对应圆孔焊接前置喷管8,后置喷 管7、前置喷管8喷嘴中轴线一致，前置喷管8的喷嘴直径小于后置喷管7的直径；
[0045] 渐缩V型喷管15通过前置卡环9固定于壳体1内，且位于叶片10的后方（以出 口端为后端），叶片10与渐缩V型喷管15间隔距离（叶片10至环形孔板15-d的距离）不 低于1/2的壳体1的直径长度；
[0046] 叶片10焊接在内导管11的环向，共有12个叶片；
[0047] 渐缩V型喷管15与内导管11通过四个前置翅片12连接，多孔喷头14与内导管 11通过四个后置翅片13连接，最终通过前置翅片12和后置翅片13将渐缩V型喷管15、内 导管11和多孔喷头14连接起来。
[0048] 图2是壳体1的结构图，圆柱壳体1，在外壁环向开设4个通孔1-a ;通孔1-a为椭 圆锥孔结构，壳体1外壁对应的孔径尺寸大于内壁对应的尺寸；通孔Ι-a孔口端面形状为椭 圆形，长短轴比例介于1.5:1至2. 5:1之间（类似于图8所示的喷管的椭圆锥形通孔15-c); 壳体1内壁开设四个卡环槽1-b，1-c，1-d，Ι-h ;在卡环槽ι-d的前端设置有挡肩ι-e,在卡 环槽Ι-h后端设置挡肩l_f。
[0049] 图3是花型褶皱导流管的结构图，花型褶皱导流管3的结构由16个花瓣褶皱片 3_a组成；花瓣褶皱片3-a外端面为圆弧棱3-b，圆弧棱3-b截面形状为圆弧，靠近外径处的 圆弧棱3-b圆弧半径较大，靠近内径处的内圆弧棱圆弧半径较小；花瓣褶皱片3-a沿射流轴 向方向为渐扩型结构，斜度为1-2°。
[0050] 图4是多孔喷头的结构图，多孔喷头14包括半圆封头14-a和椎管14-b ;半圆封 头14-a开孔面积不小于椎管14-b大端的开孔面积；椎管14-b的锥管斜度为5-7°。
[0051] 图5-8是渐缩喷管的示意图。
[0052] 图5是立体图，图6是侧视图，图7是前视图，图8、9是两种不同孔道的A-A剖视 图。渐缩喷管15前端为环形孔板15-d ;环形孔板15-d的环形区间内有4个孔口，孔口直 径与前置喷管8直管段直径相同，孔口相邻之间的环形板上开设多组小孔；
[0053] 如图8,渐缩喷管15圆筒段外壁面环形开设4个椭圆锥形通孔15-c，椭圆形截面 长短轴比例介于1. 5:1至2. 5:1之间，通孔15-c孔道与15圆筒段内壁面相切，通孔15-c 在外壁面中心与通孔Ι-a的中心线重合，通孔15-c的通流面积小于通孔Ι-a的通流面积；
[0054] 渐缩喷管15前端有V型渐缩喷嘴，喷嘴边缘有6个V型翅片15-a，在两个V型翅 片15-a之间设置两个小气流喷管15-b ;
[0055] 环形孔板15-d上开设两条迷宫式环形槽15-e。
[0056] 迷宫式结构浸没在水下时，液体在迷宫式环形槽内形成液环，起到低泄露密封作 用。迷宫式环形槽15-e与挡肩Ι-f端面接触，由于迷宫式环形槽内有液环，在旋转过程中， 接触的两个面之间有一层液膜，起到旋转润滑的作用。
[0057] 图9是环形孔板6的正视图，其结构与渐缩喷管15的环形孔板15-d结构相仿。环 形孔板6的环形区间内均匀开有4个孔口 6-a，所述孔口 6-a之间的扇环板上开设多组小 孔6-b，环形孔板6前端面靠近边缘的位置开设两圈环形槽6-c ;上述环形孔板6的环形槽 6-c，也是迷宫式环形槽。
[0058] 图10是本实用新型的剖视图，以演示本实用新型的工作原理。
[0059] 高温高压废气经过降噪装置时，在区域I，气流分成两股，一股气流经过叶片10， 一股气流进入内导管11 ;
[0060] 经过叶片10的气流作用于叶片10上的流体力驱动叶片10旋转，由于叶片10、内 导管11、多孔喷头14、渐缩V型喷管15、前置喷管8均通过不同的连接方式连接在一起，因 此以上结构一起旋转；
[0061] 流经叶片10气流部分能量作用于叶片旋转，速度和压力有所降低，随后经过环形 孔板15-d的孔口和前置喷管8进入进入区域II中，进入前置喷管8中的气流经过渐缩的喷 嘴射入后置喷管7对应的渐缩喷嘴中，由于在前置喷管8、后置喷管7喷嘴之间的气流速度 较大，压力低于壳体1的外界压力，外界海水经壳体1上开设有4个通孔Ι-a流入区域II 中的腔体，由于内外压差作用，进入腔体的海水具有一定的初速度，该腔体海水部分经通孔 15-c的孔道进入渐缩V型喷管15内壁，
[0062] 通孔15-c采用垂直于渐缩喷管15轴线的椭圆锥形通道，其结构优势在于液体进 入结构渐缩喷管15后，液体进入流经15气流的中心区域，由于椭圆形通道有利于液膜破 碎，因此在渐缩喷管15通道内的靠近中心轴线附件形成大量小液滴，这些小液滴在高速气 流作用下动量增加，不仅降低了渐缩喷管15管内的气流温度，同时也降低了渐缩喷管15管 内的气流湍动能强度。
[0063] 进入内导管11的气流部分经过多孔喷头14的孔洞射出，形成小孔喷注，由于多孔 喷头14腔体结构，可消除气流脉动；部分气流经内导管11与多孔喷头14之前的渐扩通道 进入渐缩V型喷管15中，与渐缩V型喷管15中的冷却气流汇聚到一起经V型翅片15-a喷 出，流经区域II的流体部分进入气流喷管15-b中，并射入汇聚气流中，结合V型翅片15-a 的V型结构，内外气流与外界海水掺混剧烈，射流核心区域减小，并在喷嘴口附近与海水掺 混形成了大量小气泡，降低了水下气体射流的两相流噪声；
[0064] 区域II和III的流体汇聚至一起进入区域IV，并经过花型褶皱导流管3射入海水 中，由于花瓣褶皱片3-a形状扁平，海水与气泡在狭长的通道内相互作用，耗散了大量的流 体能量。
[〇〇65] 原本直接排放的高压高温废气经过降噪装置后不仅降低了温度，同时也可消除脉 动，降低射流强度，在流经装置每段区域时，分段耗散能量，同时减小了气体射入水中的气 泡体积，有效的控制水下射流噪声。
【权利要求】
1. 椭圆锥形孔道式水下多相射流消声降噪装置，其特征在于该装置包括一个管状的圆 柱形壳体（1)，该壳体（1)在外壁环向均匀开设4个通孔（ι-a); 在壳体⑴的位于通孔（1-a)前后两侧的内壁开设两个卡环槽（l-h、l-d); 在卡环槽（1-h)后端设置挡肩（1-f)，在（1-d)的前端设置有挡肩（1-e); 所述壳体（1)内固定有渐缩喷管（15)，该渐缩喷管（15)前端为环形孔板（15-d)、中部 为圆筒段、后端为渐缩喷嘴，所述环形孔板（15-d)安装在上述卡环槽（1-h)与挡肩（1-f) 之间； 所述圆筒段外壁面环向均匀开设4个通孔（15-c)，且分别位于上述通孔（Ι-a)内壁面 的下方； 环形孔板（15-d)的环形区间内均匀开有4个孔口（15-g)，孔口（15-g)之间的扇环板 上开设多组小孔（15-f); 所述的4个通孔（1-a)的中轴线以及4个通孔（15-c)的中轴线位于本装置的同一个 径向的截面上； 上述渐缩喷管（15)的圆筒段外壁面的通孔（15-c)为椭圆锥形孔，椭圆形截面长短轴 比例介于1. 5:1至2. 5:1之间，通孔（15-c)的通流面积小于通孔（Ι-a)的通流面积，且通 孔15-c的通道中轴线与渐缩喷管（15)的中轴线垂直； 环形孔板（15-d)与挡肩（1-f)接触的端面上开设两圈环形槽（15-e)， 所述孔口（15-g)朝向后端的一侧分别连接有前置喷管（8)，该前置喷管（8)的直管段 直径与孔口（15-g)直径相同，直管段后端连接有渐缩喷嘴； 在卡环槽（Ι-d)与挡肩（Ι-e)之间安装有环形孔板￠)，该环形孔板（6)的内环套置在 所述渐缩喷管（15)的后端；环形孔板（6)的环形区间内均匀开有（4个孔口（6-a)，所述孔 口（6-a)之间的扇环板上开设多组小孔（6-b)，环形孔板（6)与挡肩（Ι-e)接触的端面上开 设两圈环形槽（6-c); 所述孔口朝向前端的一侧分别连接有后置喷管（7)，该后置喷管（7)的直管段直径与 孔口直径相同，直管段前端连接有渐缩喷嘴；且后置喷管（7)与其中一个前置喷管（8)具有 同一个轴线，前置喷管（8)的喷嘴直径小于后置喷管（7)的直径； 所述壳体（1)的轴线上有内导管（11)经由前置翅片（12)而固定在渐缩喷管（15)的内 壁，该内导管（11)的前部设有叶片（10)，内导管（11)出口端的内壁上经由后置翅片（13) 固定有一个多孔喷头（14); 并有前置卡环（9)和后置卡环（5)分别安装于上述卡环槽（1-h)和卡环槽（Ι-d)内。
2. 如权利要求1所述的椭圆锥形孔道式水下多相射流消声降噪装置，其特征在于上述 通孔（Ι-a)为椭圆锥形通孔，即外壁孔径的尺寸大于内壁孔径的尺寸；且椭圆形通孔（1-a) 内外孔口端面形状为椭圆形，长短轴比例介于1. 5:1至2. 5:1之间。
3. 如权利要求1所述的椭圆锥形孔道式水下多相射流消声降噪装置，其特征在于上述 渐缩喷管后端的渐缩喷嘴的端口外边缘设有6个"V"型翅片（15-a);且在两个V型翅片 (15-a)之间分别设置两个气流喷管（15-b)。
4. 如权利要求1所述的椭圆锥形孔道式水下多相射流消声降噪装置，其特征在于上述 环形孔板（15-d)前端面的环形槽（15-e)，是迷宫式环形槽；上述环形孔板￠)的环形槽 (6-c)，也是迷宫式环形槽。
5. 如权利要求1所述的椭圆锥形孔道式水下多相射流消声降噪装置，其特征在于上述 壳体（1)内壁出口端开设有卡环槽（1-b)，和卡环槽（1-c)，还有一个安装于壳体（1)出口 端的花型褶皱导流管（3)，该花型褶皱导流管（3)通过安装于卡环槽（1-b)的出口内卡环 (2)和安装于卡环槽（1-c)的定位内卡环（4)进行定位。
6. 如权利要求5所述的椭圆锥形孔道式水下多相射流消声降噪装置，其特征在于上述 花型褶皱导流管（3)截面呈圆环状，由16个花瓣褶皱片（3-a)组成；每个花瓣褶皱片（3-a) 端面为弧形棱（3-b)，弧形棱（3-b)的端部沿径向连接有两块片状体，相邻两个花瓣褶皱片 (3-a)的片状体由内侧弧形棱连接；弧形棱的圆弧半径大于内侧弧形棱的圆弧半径；且花 瓣褶皱片（3-a)沿射流轴向方向为渐扩型结构，斜度为1-2°。
7. 如权利要求1所述的椭圆锥形孔道式水下多相射流消声降噪装置，其特征在于上述 喷头（14)由外端面设有开孔的半圆封头（14-a)、沿射流轴向渐扩的椎管（14-b)和直管段 组成；且半圆封头（14-a)开孔面积不小于椎管（14-b)大端的开孔面积；椎管（14-b)的锥 管斜度为5-7°。
【文档编号】F01N13/12GK203891993SQ201420352728
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年6月28日 优先权日:2014年6月28日
【发明者】郝宗睿, 别海燕, 徐娟 申请人:山东省科学院海洋仪器仪表研究所