双层吸声衬垫以及应用所述衬垫的流体增压装置和方法 可供参考的相关申请
本申请是于2000年12月21日提出的未审订专利申请S.N.09/745,862的后续申请。
背景技术
本发明涉及一种双层的吸声衬垫以及应用所述衬垫的流体增压装置和方法。
流体增压装置(诸如离心式压缩机)广泛地应用在涉及气体的压缩或增压的各种应用的不同行业中。然而，典型压缩机产生较高的噪音级，所述噪音对于装置附近的人来说存在明显的危害。所述噪音还可导致震动和结构损坏。
例如，离心式压缩机中主要的噪音源通常产生于叶轮出口和扩压器入口的位置处，这是由于流体穿过这些区域的高速度所导致的。当将排放叶片安置于扩压器中以压力恢复时，噪音级别会变得更高，这是由于叶轮与扩压器叶片之间的空气动力的交互作用而导致的。
人们已使用各种外部噪声控制措施(诸如遮蔽和包装)来减小压缩机和类似装置所产生的较高噪音级别。这些外部噪音减小技术可能相当昂贵，尤其是它们通常作为该装置制造以后的附加产品。
另外，已经研发出通常为吸声衬垫形式的内部装置，所述内部装置被布置于压缩机和类似装置中，以便于控制气体流路内部的噪音。这些衬垫通常是以公知的亥姆霍兹共振器原理为基础的，依照所述亥姆霍兹共振器原理，当声波通过衬垫中的孔振动时，衬垫耗散了声能，并由于衬垫所造成的局部阻抗失配而向上游反射声能。在美国专利Nos.4,100,993；4,135,603；4,150,732；4,189,027；4,443,751；4,944,362；以及5,624,518中披露了亥姆霍兹共振器地示例。
典型的亥姆霍兹系统吸声衬垫是三片夹层结构形式的，所述三片夹层结构由夹持于穿孔面板与后板之间的蜂巢状单元组成。尽管这些三片式设计已被成功地适用于抑制航空发动机中的噪音方面，但是还不能肯定这些三片式设计是否可应用在流体增压装置(诸如离心式压缩机)中。这主要是由于在压缩机的极端运转状态(诸如，在压缩机紧急关闭所导致的快速降压过程中)下，衬垫的穿孔面板可能中断了其与蜂巢结构之间的粘合而造成的。在这种情况下穿孔面板会变松，这不仅会使得吸声衬垫不再发挥作用，而且还会造成过度的空气动力流失，甚至会出现由于崩落的穿孔金属片和旋转叶轮之间潜在的碰撞所造成的机械的灾难性故障的可能性。
因此需要一种用于降低流体增压装置中的噪音的系统和方法，所述系统和方法使用亥姆霍兹系统吸声衬垫，同时消除了其缺点。
发明概述
因此提供了一种吸声衬垫，以及包含所述吸声衬垫的流体处理装置和方法，依照所述方法，衬垫衰减了噪音，并且所述装置由一个或多个吸声衬垫组成，每个所述吸声衬垫都包括多个以形成一组共振器的方式形成于板中的单元。
附图的简要说明
图1是包含有本发明一个实施例所涉及的一对吸声衬垫的气体增压装置的一部分的横截面图；
图2是图1中一个吸声衬垫的放大横截面图；
图3是图2衬垫的一部分的放大正视图；和
图4和图5是与图1相似的视图，但是示出了布置于流体增压装置中其他位置处的辅助吸声衬垫。
【具体实施方式】
图1示出了高压流体增压装置(诸如离心式压缩机)的一部分，所述装置包括外壳10，所述外壳10限定了用于接收叶轮12的叶轮腔10a，将所述叶轮12安装得可在所述叶轮腔中旋转。应该理解的是，传动轴(未示出)使得叶轮12在高速下旋转，经由入口充分地将速度压力传递到被吸入到压缩机中的气体处。
叶轮12包括以轴对称的方式布置于后面轴周围的多个叶轮片12a，所述后面轴用于将气体排到扩压器通道或沟道14中，所述扩压器通道或沟道14从腔10a和叶轮12处径向向外形成于外壳10中。沟道14在高压流体被传送到蜗壳或收集器16之前接收来自于叶轮12的高压流体。扩压器沟道14用于将气体的速度压力转化成静压力，所述扩压器沟道14与排放蜗壳或收集器16相连，所述排放蜗壳或收集器16也形成于外壳中并与所述管道相连接。虽然在图1中未示出，但是应该理解的是，排放蜗壳16使得受压气体与压缩机的出口相连接。
由于叶轮片12a的离心作用，可将气体压缩到较高的压力下。压缩机还装配有常规的曲径密封、推力轴承、倾斜的填料轴承以及对于这样的压缩机来说其他的常规装置。由于该结构是常规的，因此将不再示出该结构或对其进行更详细地描述。安装托架20被紧固于限定了扩压器沟道14的外壳10的内壁上，并且所述安装托架20包括基底22和板24，所述基底22邻近于叶轮的外端部分布置，所述板24从所述基底处沿着外壳的后壁延伸。
两个整体式的、单件式的环形吸声衬垫28和30以相抵靠的方式被安装于托架20的板24中的凹槽中，每个所述衬垫28和30的形状都是环形的，并且围绕着叶轮12 360度延伸。在图2和图3中详细地示出了衬垫28的上面部分，并且衬垫28是由环形的、较厚的、整体壳体或板32构成的，所述壳体或板32最好用钢制成。可以任何传统的方式(诸如用多个螺栓等等)将板32附于托架板24上。
穿过板32的一个表面形成有许多较大的单元或开口34，所述单元或开口34穿过所述板的大半厚度但是没有穿过其整个厚度。许多较小的单元36从每个单元34的底部延伸到板32的相对表面。出于示例的目的，图中示出的每个单元34都具有圆盘状横截面，并且每个单元36都是钻孔形式的，但是应该理解的是单元34和36的形状可在本发明的保护范围内变化。
依照本发明的一个实施例，每个单元34都通过板32的一个表面钻出较大直径的埋头孔而形成，所述埋头孔穿过所述板的大半厚度但是没有穿过其整个厚度。每个单元36都通过板32的另一个表面直到对应单元34的底部钻出钻孔或通路而形成，从而使得单元34与扩压器沟道14相连接。
如图3中所示的，单元34是以沿板32的整个环形区域的多个环形延伸排的方式形成的，其中每一排的单元34和其邻排的单元34相互交错或偏置。多个单元36与每个单元34相联系，可相对于其相应的单元34随意地布置单元36，或者，可以以均匀分布的任何图案形成单元36。
参照图1，衬垫30与衬垫28相似，同样地，衬垫30也是由环形的、较厚的、整体壳体或板42(图1)构成的，所述壳体或板42最好用钢制成，并且以任何传统的方式(诸如用多个螺栓等等)将衬垫30附于衬垫28上。穿过板42的一个表面形成有许多较大的单元或开口44，而许多较小的单元46从每个单元34的底部延伸到板32的相对表面。由于单元44和46分别与单元34和36相似，因此将不再对其作进一步的描述。虽然在图中并未示出，但是应该理解的是，衬垫30和28可具有不同的厚度。
衬垫28和30被安装于托架板24上，其中单元34从其中穿过的衬垫28的表面与单元46从其中穿过的衬垫30的表面相抵靠。同样，衬垫28的单元34与衬垫30的单元44对齐。衬垫30的单元44的开口端被托架20的板24的下壁所覆盖，而衬垫28的单元34的开口端被衬垫30的相应表面所覆盖。由于衬垫28的单元34与衬垫30的单元44是相互对齐的因此衬垫30的单元46使得衬垫28的单元34与衬垫30的单元44相互连接。
由于衬垫28与30之间以及衬垫30与托架20的板24的相应壁之间的牢固接触，以及由于单元36和46使得单元34和44与扩压器沟道14相连接，因此所述单元作为一组串联的共振器共同地工作。因而，衬垫28与30衰减了在外壳10中由于叶轮12的快速旋转以及由其相关组件所产生的声波，并消除(或至少最小化)了噪音绕过衬垫并穿过另一条路径的可能性。
而且，通过调整衬垫28和30可有效地降低通常在叶片通过频率或更高频率下出现的主要噪声分量，以使得在后者，即，更高频率周围出现最大的噪音衰减。可通过改变单元34和44的体积和/或单元36和46的横截面积、数量和/或其长度而实现这一点。提供两个衬垫28和30与如果只使用一个衬垫的情况相比，它们可在更广泛的频率范围内衰减噪音，从而可实现最大量地衰减由旋转的叶轮12及其相关组件所产生的声能。
依照图4的实施例，两个整体式的、单件式的环形衬垫48和50以与衬垫28和30相对的方式被紧固于形成于外壳10内壁中的凹槽中。衬垫48在凹槽的底部中延伸并以任何传统的方式(诸如用多个螺栓等等)与构成所述凹槽的结构相连接；衬垫50以与衬垫48相抵靠的方式在凹槽中延伸并以任何传统的方式(诸如用多个螺栓等等)与衬垫48相连接。衬垫50与衬垫30部分地限定出扩压器沟道14。由于衬垫48和50与衬垫28和30相同并且起到相同的作用，因此将不对其作任何进一步的描述。
由于衬垫48与50之间以及衬垫48与外壳10的相应壁之间的牢固接触，以及由于衬垫的各个单元的布置，因此所述单元作为一组串联的共振器共同地工作。因而，衬垫48与50衰减了在外壳10中由于叶轮12的快速旋转以及由其相关组件所产生的声波，并消除(或至少最小化)了噪音绕过衬垫并穿过另一条路径的可能性。
而且，通过调整衬垫48和50可有效地降低通常在叶片通过频率或更高频率下出现的主要噪声分量，以使得在后者，即，更高频率周围出现最大的噪音衰减。可通过改变它们各个单元的体积和/或横截面积、数量和/或其长度而实现这一点。提供两个衬垫48和50与如果只使用一个衬垫的情况相比，它们可在更广泛的频率范围内衰减噪音，从而可实现最大量地衰减由旋转的叶轮12及其相关组件所产生的声能。
另外，两个整体式的、单件式的环形衬垫54和56在形成于外壳10中的凹槽中，被安装到叶轮12的后部。衬垫54在凹槽的底部中延伸并以任何传统的方式(诸如用多个螺栓等等)与构成所述凹槽的结构相连接；衬垫56以与衬垫54相抵靠的方式在凹槽中延伸并以任何传统的方式(诸如用多个螺栓等等)与衬垫54相连接。衬垫56与衬垫52限定出叶轮12在其中旋转的腔。
衬垫54和56的外径小于衬垫28、30、48和50的外径，但是其他方面与衬垫28、30、48和50相同，并以与衬垫28、30、48和50相同的方式被安装。
由于衬垫54与56之间以及衬垫54与外壳10的相应壁之间的牢固接触，以及由于衬垫的各个单元的布置，因此所述单元作为一组连续的共振器共同地工作。因而，衬垫54与56衰减了在外壳10中由于叶轮12的快速旋转以及由其相关组件所产生的声波，并消除(或至少最小化)了噪音绕过衬垫并穿过另一条路径的可能性。
而且，通过调整衬垫54和56可有效地降低通常在叶片通过频率或更高频率下出现的主要噪声分量，以使得在后者，即，更高频率周围出现最大的噪音衰减。可通过改变它们各个单元的体积和/或横截面积、数量和/或其长度而实现这一点。提供两个衬垫54和56与如果只使用一个衬垫的情况相比，它们可在更广泛的频率范围内衰减噪音，从而可实现最大量地衰减由旋转的叶轮12及其相关组件所产生的声能。
在图5中还示出了衬垫的另一种优选布置，其中示出了入口管道60，所述入口管道60将气体引入到叶轮12的入口中。如图5中所示的，其中示出了管道60的上部在管道和外壳10的中心线C/L上方延伸。
整体式的、单件式的衬垫64被嵌装在管道60的内壁上，其中示出了其径向外部。衬垫64是弯曲壳体形式的，其形状最好为圆柱状或圆锥形的，所述衬垫64被布置于形成于管道60内表面中的环形凹槽中，并以任何已知的方式被紧固于凹槽中。由于衬垫64在其他方面与衬垫28、30、48、50、52、54和56相似，因此将不再对其进行进一步的描述。
整体式的、单件式的衬垫66也被布置于后面的环形凹槽中，并且所述衬垫66以其内表面与衬垫64的外表面相抵靠的方式围绕衬垫64延伸。衬垫66是弯曲壳体形式的，其形状最好为圆柱状或圆锥形的，而且其直径大于衬垫64的直径，并以任何已知的方式(诸如用多个螺栓等等)被紧固于衬垫64。由于衬垫64和66在其他方面与衬垫28、30、48、50、52、54和56相似，并以相同的方式发挥作用以明显降低外壳10中的噪音，因此将不再对其进行进一步的描述。
由于衬垫64与66之间以及衬垫66与外壳10限定了后面凹槽的相应壁之间的牢固接触，以及由于衬垫的各个单元的布置，和它们相对于入口管道60的位置，因此所述单元作为一组串联的共振器共同地工作。因而，衬垫64与66衰减了在外壳10中由于叶轮12的快速旋转以及由其相关组件所产生的声波，并消除(或至少最小化)了噪音绕过衬垫并穿过另一条路径的可能性。
而且，通过调整衬垫64和66可有效地降低通常在叶片通过频率或更高频率下出现的主要噪声分量，以使得在后者，即，更高频率周围出现最大的噪音衰减。可通过改变它们各个单元的体积和/或横截面积、数量和/或其长度而实现这一点。提供两个衬垫64和66与如果只使用一个衬垫的情况相比，它们可在更广泛的频率范围内衰减噪音，从而可实现最大量地衰减由旋转的叶轮12及其相关组件所产生的声能。
另外，已知上述类型的流体增压装置中的主要噪声分量的频率会随着压缩机速度而改变的这个事实，每个衬垫中每个较大单元的较小单元数可以空间上沿该垫片变化成使得整个垫片有效地衰减更大频率波段的噪音。因此，不仅在恒定速度机器中，而且在变速压缩机或气体流体增压装置中，衬垫28、30、48、50、52、54、56、64和66都可高效有力地衰减噪音。
除了如上所述衰减声能以及消除后面能量从旁路穿过以外，与上面所述的组合设计相比较，上述实施例中衬垫的整体式、单件式的结构使得衬垫在机械方面更为坚固。因此，衬垫为流体增压装置中的内部流动提供了非常坚硬的内壁，而且当受到机械负荷和热负荷时很少变形或几乎不变形，因此即使在将其安装在狭窄通路(诸如扩压器沟道等等)中时，所述衬垫在流体增压装置(诸如离心式压缩机)的空气动力性能方面也没有不良影响。
变型
上述实施例所涉及的衬垫的具体布置和数量不局限于所示出的数量。因此，可将衬垫布置在扩压器沟道和/或叶轮和/或入口管道的任意侧面。
用以构成衬垫中单元的具体技术可不同于上述技术。例如，可构成这样的整体式衬垫，其中单元被模制在它们各自的板中。
每个衬垫的单元的相对尺寸、形状、数量和图案可改变。
衬垫不局限于和离心式压缩机结合使用，而且同样可适用于其他的流体增压装置，所述流体增压装置通过可移动的叶片实现气动效应。
如上所述，每个衬垫都可围绕叶轮和入口管道的轴线延伸一定程度；或者可将每个衬垫制成为几部分，所述几部分延伸小于360度的角距离。
上面所使用的空间基准，诸如“底部”、“内部”、“外部”、“侧部”等等，都仅仅是出于解释的目的，而不是限制结构的具体方位或位置。
由于在前述披露中可包含其他的修正、改变和替换，因此应该理解的是，所附的权利要求应被更广泛地解释并与本发明的保护范围相一致。