RU2650241C2

RU2650241C2 - Device for axial compressor aerodynamic noise reduction and method of its implementation

Info

Publication number: RU2650241C2
Application number: RU2016138492A
Authority: RU
Inventors: Алексей Михайлович Дроконов; Павел Олегович Лахтер
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2016-09-28
Publication date: 2018-04-11
Also published as: RU2016138492A; RU2016138492A3

Abstract

FIELD: turbine construction.

SUBSTANCE: device for reducing the aerodynamic noise of the axial compressor comprises an impeller of the first stage, and an annular electromagnet of the spline type is mounted on the inner surface of the shell of the axial compressor in the radial clearance zone. In the method for reducing the aerodynamic noise of an axial compressor, the electronic unit controlled by the regulator, into which the electric signal of the recording microphone arrives, after comparing with the reference, forms an electromagnetic field in the frequency range of 10⁹ to 10¹³ Hz, tuning it to the fluid characteristics.

EFFECT: invention may be used in the input stages of axial compressors of turbomachines.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано во входных ступенях осевых компрессоров турбомашин.The invention relates to the field of turbine construction and can be used in the input stages of axial compressors of turbomachines.

В периферийной области необандаженной рабочей решетки компрессорной ступени течение имеет трехмерный характер. Попадая в решетку у внешнего обвода, теплоноситель разделяется на основной межлопаточный поток, периферийный и щелевой (в пространстве между торцевой поверхностью рабочих лопаток и наружной стенкой) потоки, обладающие высокой энергией. На выходе из радиальной щели на границе между щелевым и основными потоками у выпуклой стенки лопатки интенсивно развивается высокотурбулентный пограничный слой, который приобретает циркуляционное движение в виде дискретного вихря с отрывными явлениями. В этих условиях движение воздуха сопровождается значительными потерями энергии, генерацией вибрационных процессов и мощного звукового давления.In the peripheral region of the unstressed working grid of the compressor stage, the flow has a three-dimensional character. Getting into the grate at the outer contour, the coolant is divided into the main interscapular flow, peripheral and slotted (in the space between the end surface of the working blades and the outer wall), which have high energy. At the exit from the radial gap at the boundary between the slit and main flows, a highly turbulent boundary layer intensively develops near the convex wall of the scapula, which acquires a circulation motion in the form of a discrete vortex with separation phenomena. Under these conditions, the movement of air is accompanied by significant energy losses, the generation of vibrational processes and powerful sound pressure.

Основным источником акустической мощности газотурбинных установок является канал всасывания компрессора, представляющий собой волновод, свободно излучающий в окружающую среду звуковую энергию высокой интенсивности, достигающей порядка 40% от общей акустической мощности агрегатов. Большой уровень звукового давления на входе в турбомашину (до 140…150 дБ) создается за счет ударных волн, формируемых преимущественно первыми тремя ступенями компрессора, в которых наиболее интенсивным источником генерации шума являются вихревые течения в радиальных зазорах рабочих колес.The main source of acoustic power of gas turbine units is the compressor suction channel, which is a waveguide that freely radiates high-intensity sound energy into the environment, reaching about 40% of the total acoustic power of the units. A large level of sound pressure at the entrance to the turbomachine (up to 140 ... 150 dB) is created due to shock waves generated mainly by the first three stages of the compressor, in which the most intense source of noise generation is vortex flows in the radial clearances of the impellers.

Известен способ управления пограничным слоем и ламинаризации потока путем введения в слой ферромагнитных частиц, на которые воздействуют магнитным полем (см. а.с. СССР, №909384, кл. F15D 1/06, 1982). Этот способ отличается высокой затратностью и сложностью, так как требует введения в поток специальных веществ.A known method of controlling the boundary layer and laminarizing the stream by introducing into the layer ferromagnetic particles that are exposed to a magnetic field (see AS USSR, No. 909384, class F15D 1/06, 1982). This method is characterized by high cost and complexity, as it requires the introduction of special substances into the stream.

Одним из возможных путей снижения шума является монтаж сопловых лопаток осевого компрессора с наклоном относительно радиального направления. При этом происходит локальное воздействие аэродинамической струи на входную кромку рабочей лопатки осевого компрессора, что обеспечивает фазовый сдвиг силового импульса, за счет чего снижается уровень генерируемой рабочим венцом вибрации и звукового давления (Зинченко В.И., Григорьян Ф.Е. Шум судовых газотурбинных установок. Л.: Судостроение, 1969, с. 74-75). Недостатком данного способа является его малая эффективность в сравнении с предлагаемым конструктивным решением.One of the possible ways to reduce noise is to install nozzle vanes of an axial compressor with an inclination relative to the radial direction. In this case, a local influence of the aerodynamic jet on the input edge of the working blade of the axial compressor occurs, which ensures a phase shift of the power pulse, which reduces the level of vibration and sound pressure generated by the working crown (Zinchenko V.I., Grigoryan F.E. Noise of ship gas turbine units L .: Shipbuilding, 1969, p. 74-75). The disadvantage of this method is its low efficiency in comparison with the proposed constructive solution.

Задачей настоящего изобретения является эффективное снижение энергетических потерь, уровней вибрации и аэродинамического шума, генерируемых проточной частью осевого компрессора.The objective of the present invention is to effectively reduce energy losses, vibration levels and aerodynamic noise generated by the flow part of an axial compressor.

Поставленная задача решается с помощью устройства для снижения аэродинамического шума осевого компрессора, содержащего рабочее колесо первой ступени, отличающегося тем, что на внутренней поверхности корпуса осевого компрессора в зоне радиального зазора установлен кольцевой электромагнит (ЭМ) шлицевого типа (см. Вестник Брянского Государственного Технического Университета, №3(19) 2008 г., с. 59-63), который производит внешнее воздействие на молекулы воздуха переменным магнитным полем с частотным диапазоном

что адекватно частоте собственных колебаний молекул.The problem is solved using a device to reduce the aerodynamic noise of an axial compressor containing a first-stage impeller, characterized in that a slotted slot type electromagnet (EM) is installed on the inner surface of the axial compressor housing in the radial clearance zone (see Bulletin of the Bryansk State Technical University, No. 3 (19) 2008, pp. 59-63), which produces an external effect on air molecules by an alternating magnetic field with a frequency range

which is adequate to the frequency of natural vibrations of the molecules.

Частоту воздействующего (внешнего) магнитного поля устанавливают равной частоте собственных колебаний молекул газа - частоте колебаний молекул относительно оси, определяющей их ориентацию, значения которых адекватны диапазону 10⁹…10¹³ Гц.The frequency of the acting (external) magnetic field is set equal to the natural frequency of the gas molecules — the frequency of the molecules relative to the axis that determines their orientation, the values of which are adequate to the range of 10 ⁹ ... 10 ¹³ Hz.

На ориентацию молекул газа большое влияние оказывает внешнее электромагнитное поле, так называемый эффект Керра (см. Прохоров A.M. Физическая энциклопедия. Том 2. М.: «Советская энциклопедия», 1990, с. 348-350). Следовательно, если на молекулы газа в пограничном слое потока оказать воздействие переменным магнитным полем с частотой 10⁹…10¹³ Гц, возможно исключить турбулизацию течения, то есть ламинаризировать структуру флюида.The orientation of gas molecules is greatly influenced by an external electromagnetic field, the so-called Kerr effect (see Prokhorov AM Physical Encyclopedia. Volume 2. M.: “Soviet Encyclopedia”, 1990, p. 348-350). Therefore, if gas molecules in the boundary layer of the flow are affected by an alternating magnetic field with a frequency of 10 ⁹ ... 10 ¹³ Hz, it is possible to exclude turbulence in the flow, that is, to laminarize the fluid structure.

Данное изобретение способствует уменьшению интенсивности высокотурбуленного вихревого течения на внешнем обводе рабочих лопаток в области высоких чисел Рейнольдса, обеспечивает ламинаризацию потока - снижение уровня анизотропии жидкости в пограничном слое. Это позволит снизить уровень гидродинамического трения, исключить вихревые срывные явления и пульсации воздуха в зоне периферийных радиальных зазоров первых ступеней компрессора, что повысит вибронадежность и экономичность рабочих колес ГТУ, погасит значительную часть излучаемой компрессорными ступенями звуковой энергии.This invention helps to reduce the intensity of a highly turbulent vortex flow on the outer contour of the blades in the region of high Reynolds numbers, provides laminarization of the flow - reducing the level of fluid anisotropy in the boundary layer. This will reduce the level of hydrodynamic friction, eliminate vortex stall phenomena and air pulsations in the zone of peripheral radial gaps of the first compressor stages, which will increase the vibration reliability and efficiency of GTU impellers, and will absorb a significant part of the sound energy emitted by the compressor stages.

Способ снижения аэродинамического шума осевого компрессора, отличающийся тем, что электронный блок, управляемый регулятором, в который поступает электрический импульс от регистрирующего микрофона, после сравнения с заданием, регламентирующим нормированную звуковую мощность, вырабатывает сигнал, формирующий в кольцевых обмотках электромагнита высокочастотное электромагнитное поле в частотном диапазоне 10⁹…10¹³ Гц, настраивая его на частотные характеристики флюида.A method of reducing the aerodynamic noise of an axial compressor, characterized in that the electronic unit, controlled by a regulator, into which an electric pulse is received from the recording microphone, after comparing with the task regulating the normalized sound power, generates a signal that generates a high-frequency electromagnetic field in the ring windings of the electromagnet in the frequency range 10 ⁹ ... 10 ¹³ Hz, tuning it to the frequency characteristics of the fluid.

Предлагаемое изобретение проиллюстрировано на чертежах.The invention is illustrated in the drawings.

На фиг. 1 схематично изображено устройство для снижения аэродинамического шума осевого компрессора.In FIG. 1 schematically shows a device for reducing the aerodynamic noise of an axial compressor.

На фиг. 2 схематично представлена функциональная схема системы автоматического регулирования (САР) уровня излучаемого шума как способ осуществления предлагаемого устройства.In FIG. 2 schematically shows a functional diagram of an automatic control system (ATS) of the emitted noise level as a method of implementing the proposed device.

Устройство для снижения аэродинамического шума осевого компрессора (фиг. 1) представляет собой кольцевой электромагнит шлицевого типа 1, установленный на внутренней поверхности корпуса входного отсека осевого компрессора 2, в зоне радиального зазора рабочего колеса 3 первой ступени, генерирующей высокий уровень акустической мощности, излучаемой в окружающее пространство.A device for reducing the aerodynamic noise of an axial compressor (Fig. 1) is a slotted type annular electromagnet 1 mounted on the inner surface of the inlet compartment of the axial compressor 2 in the zone of radial clearance of the impeller 3 of the first stage, which generates a high level of acoustic power emitted to the environment space.

Управление частотой электромагнитного поля, регулирующего уровень генерируемой проточной частью компрессора 2 звуковой энергии, производится посредством электронного блока 4 (фиг. 2), включенного в специальную САР акустической мощности, излучаемой входным трактом компрессора.The frequency of the electromagnetic field that controls the level of sound energy generated by the compressor compressor 2 is controlled by the electronic unit 4 (Fig. 2), which is included in a special ACS of acoustic power emitted by the compressor input path.

Функциональная схема такой системы управления приведена на фиг. 2. Она включает микрофон 5 (фиг. 2), установленный, например, на внутренней поверхности внешнего обвода входного канала 6 компрессора 2, регистрирующий уровень излучаемой агрегатом акустической энергии (модовый состав звукового поля).A functional diagram of such a control system is shown in FIG. 2. It includes a microphone 5 (Fig. 2), mounted, for example, on the inner surface of the outer contour of the input channel 6 of compressor 2, which records the level of acoustic energy emitted by the unit (modal composition of the sound field).

Способ снижения аэродинамического шума осевого компрессора осуществляется следующим образом: электрический сигнал микрофона 5 после сравнения с заданием в задающем устройстве 7, регламентирующем нормированную мощность излучаемой энергии, поступает в регулятор 8, выполненный по электронной схеме с цифровой реализацией закона управления. Электронный блок 4, управляемый регулятором 8, формирует в кольцевых обмотках ЭМ 1 (фиг. 1, фиг. 2) высокочастотное электромагнитное поле, настраивая его на частотные характеристики флюида. Благодаря воздействию переменного магнитного поля в частотном диапазоне 10⁹…10¹³ Гц, что адекватно частоте собственных колебаний молекул воздуха, происходит ламинаризация периферийного пограничного слоя.A method of reducing the aerodynamic noise of an axial compressor is carried out as follows: the electric signal of the microphone 5, after comparison with the task in the driver 7, which regulates the normalized power of the radiated energy, enters the regulator 8, made by electronic circuit with digital implementation of the control law. An electronic unit 4, controlled by a regulator 8, generates a high-frequency electromagnetic field in the ring windings of EM 1 (Fig. 1, Fig. 2), tuning it to the frequency characteristics of the fluid. Due to the influence of an alternating magnetic field in the frequency range 10 ⁹ ... 10 ¹³ Hz, which is adequate to the frequency of natural vibrations of air molecules, the peripheral boundary layer laminates.

Разработанное конструктивное решение способствует управлению на молекулярном уровне течением энергоносителя в зоне периферийных радиальных зазоров первых ступеней компрессора, исключает в их каналах срывные явления, создает условия для изотропного течения воздуха, ламинаризирует пограничные слои.The developed constructive solution contributes to the control at the molecular level of the energy carrier flow in the zone of peripheral radial gaps of the first compressor stages, eliminates stall phenomena in their channels, creates conditions for isotropic air flow, and laminarizes boundary layers.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволит повысить запас гидродинамической устойчивости потока и, как следствие, снизить потери энергии, уровень аэродинамического шума и вибронапряженность лопаток осевых компрессоров турбомашин, что увеличит моторесурс двигателя, улучшит его экологические характеристики.Thus, the present invention will increase the supply of hydrodynamic stability of the flow and, as a result, reduce energy loss, the level of aerodynamic noise and vibration stress of the blades of the axial compressors of turbomachines, which will increase the engine life and improve its environmental performance.

Claims

1. Устройство для снижения аэродинамического шума осевого компрессора, содержащее рабочее колесо первой ступени, отличающееся тем, что на внутренней поверхности корпуса осевого компрессора в зоне радиального зазора установлен кольцевой электромагнит шлицевого типа, который производит внешнее воздействие на молекулы воздуха переменным магнитным полем с частотным диапазоном 10⁹…10¹³ Гц, что адекватно частоте собственных колебаний молекул.1. A device for reducing the aerodynamic noise of an axial compressor, containing the impeller of the first stage, characterized in that on the inner surface of the housing of the axial compressor in the area of the radial clearance there is a spline-type ring electromagnet that externally affects the air molecules with an alternating magnetic field with a frequency range of 10 ⁹ ... 10 ¹³ Hz, which is adequate to the frequency of natural vibrations of the molecules.

2. Способ снижения аэродинамического шума осевого компрессора, отличающийся тем, что электронный блок, управляемый регулятором, в который поступает электрический импульс от регистрирующего микрофона, после сравнения с заданием, регламентирующим нормированную звуковую мощность, вырабатывает сигнал, формирующий в кольцевых обмотках электромагнита высокочастотное электромагнитное поле в частотном диапазоне 10⁹…10¹³ Гц, настраивая его на частотные характеристики флюида.2. A method of reducing the aerodynamic noise of an axial compressor, characterized in that the electronic unit, controlled by a regulator, into which an electric pulse is received from a recording microphone, generates a signal that generates a high-frequency electromagnetic field in the ring windings of an electromagnet, after comparing it with a task regulating normalized sound power the frequency range of 10 ⁹ ... 10 ¹³ Hz, adjusting it to the frequency characteristics of the fluid.