JP4772272B2 - 音響ライナー、流体圧縮装置およびその使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、音響ライナーおよび流体圧縮装置およびそれらの使用方法に関する。

遠心力を利用したコンプレッサのような流体圧縮装置が気体の圧縮または加圧を含む種々の応用のための種々の工業で広く使用されている。しかしながら、典型的なコンプレッサは比較的高い騒音レベルを発生させ、その装置の近隣の人々にとっては明らかな迷惑となる。また、この騒音は振動および構造的欠陥を引き起こす。

例えば、遠心力を利用したコンプレッサでの主要な騒音源は、典型的には、回転翼の出口およびその拡散領域の入口において発生する。これらの領域を通過する流体の高速度のためである。吐出用の拡散翼が拡散領域に設けられて圧力の回復を改善する場合には、回転翼と拡散翼との間の空気力学的相互作用により、騒音レベルは一層高くなる。

囲いおよび覆いのような種々の外部騒音抑制措置が用いられて、コンプレッサおよび同様の装置によって生じた比較的高い騒音レベルを低減している。これらの外部騒音低減技術は、特に、装置が製造された後に追加製品としてしばしば提供される場合には比較的高価になる。

また、コンプレッサまたは同様の装置内に設けられ音響ライナーの形態を通常とる内部装置が、気体流通過路内部の騒音を抑制するため開発されている。これらのライナーは、しばしば、周知のヘルムホルツ共鳴器原理に基づくものであり、該原理に従って前記ライナーは音波がライナー内の貫通孔を通して振動する際に音響エネルギーを放散させ、前記ライナーによって引き起こされる局所的インピーダンスの不一致に起因して上流での音響エネルギーに影響を与える。ヘルムホルツ共鳴器の例は以下の文献に記載されている(特許文献１から特許文献７)。

米国特許第4100993号 米国特許第4135603号 米国特許第4150732号 米国特許第4189027号 米国特許第4443751号 米国特許第4944362号 米国特許第5624518号

典型的なヘルムホルツ状配列の音響ライナーは、穿孔した外装材と裏板の間に挟まれたハニカム状セルからなる三層サンドウィッチ構造の形態をしている。この三層構造は、航空機エンジンでの騒音を抑制することにうまく応用されたけれども、遠心力利用のコンプレッサのような流体圧縮装置にその構造が役に立つか否かは疑問がある。これは、コンプレッサの緊急の停止のような極端な作業条件の下での穿孔した外装材が前記ハニカムとの結合を絶つ可能性に起因する。もし、穿孔された外装材が弛んだ場合には、音響ライナーはもはや機能しないだけでなく、過度の空気力学的損失、および離脱した穿孔材金属と、回転する回転翼との間の起こりうる衝突によって引き起こされた機械的かつ破滅的な破壊の可能性すら引き起こす。

そこで、必要なことは、その不利な条件を除きながら、ヘルムホルツ状配列音響ライナーを使用する流体圧縮装置における騒音を低減するシステムおよび方法である。

したがって、音響ライナーが、流体処理装置および流体処理装置を有する方法とともに提供され、それによって、前記音響ライナーが騒音を減衰させかつ共鳴器列を形成するようにプレートに形成された複数のセルを有する。

図１は、遠心力を利用した圧縮装置のような高圧流体圧縮装置の一部を示し、その装置は、ケーシング１０を有し、該ケーシング１０は、回転翼１２を受け入れるための回転翼用の空洞１０ａを囲んでおり、該回転翼１２は、前記空洞１０ａ内での回転のために設けられている。前記回転翼１２は、そこを貫通する隙間または流体通路を有し、その１つが番号１２ａで表されている。拡散チャネル１４が前記ケーシング１０内に、前記空洞１０ａおよび前記回転翼１２から半径方向に外側に向かって設けられており、高圧流体を前記回転翼１２から受け、その後、流体は該装置から吐出用の渦形室または収集器１６に達する。この構造は従来通りなので、さらに詳細には示しまたは記述しない。

取付用ブラケット２０は、前記拡散チャネルを囲むケーシング１０の内壁に固定され、前記回転翼１２の外端部に隣接して設けられた基部２２および該基部２２から前記ケーシング１０の前記内壁に沿って延びるブラケット・プレート２４を有している。

一体で単一の環状の音響ライナー３０が、前記取付用ブラケット２０に設けられ、図２および図３にその上端が詳細に示されている。該音響ライナー３０は、環状の比較的厚い単一のシェルまたはプレート３２で形成され、該プレート３２は周知の方法で前記取付用ブラケット２０の前記ブラケット・プレート２４に固定されている。前記プレート３２は好ましくは鋼鉄で造られ、多数の等間隔のボルト等で前記ブラケット・プレート２４に取り付けられている。前記音響ライナー３０は、環状の形態であり、回転翼１２の周囲に３６０度にわたって張り渡されている。

一群の比較的大きいセル、または空隙部３４が前記プレート３２の１表面を貫いて形成され、該プレート３２の厚さの大部分を貫いて延びるが、その全厚さを貫いていない。一群の比較的小さなセル３６が各セル３４の底から前記プレート３２の反対側表面にまで延びている。各セル３４はディスク状断面をもつように示され、各セル３６は例示のため孔の形態で示されているが、前記セル３４、３６の形態は本発明の範囲内において変更可能であることを理解すべきである。

本発明の１の実施の形態によれば、各セル３４は比較的大径の端ぐり機で前記プレート３２の１表面に穴を開けることによって形成される。該端ぐり機は前記プレート３２の大部分の厚さを貫通するが、該プレート３２の全厚さを貫通しない。各セル３６は孔または通路を前記プレート３２の反対側表面を貫いて対応するセル３４の底まで空けることにより形成される。これによって前記セル３４を拡散チャネル１４に接続する。

図３に示すように、前記セル３４は前記プレート３２の全環状領域に沿って、環状に延びる多数の列状に形成され、特定の列のセル３４はその隣接する列のセルと互い違いになり、または、ずれている。多数のセル３６は各セル３４と連結し、前記セル３６はその対応するセル３４に関して、ランダムに設けられるか、または、代わりに、一様に分布する任意のパターンに形成することができる。

前記音響ライナー３０は前記取付用ブラケット２０の前記ブラケット・プレート２４の内壁に設けられて、全ての前記セル３４の開放端は前記ブラケット・プレート２４の基礎をなす壁によって塞がれている。前記音響ライナー３０の前記プレート３２と前記ブラケット・プレート２４との間の堅固な接触に起因し、かつ各セル３４を前記拡散領域１４へ接続するセル３６に起因し、前記セル３４は集合的にヘルムホルツ音響共鳴器列として機能する。こうして、前記回転翼１２の高速回転によりおよび連結した部品によって前記ケーシング１０に発生した音波はそれが前記音響ライナー３０を通り過ぎる際に減衰する。

さらに、翼通過振動数または他の高振動数で通常発生する主要騒音成分は前記音響ライナー３０と同調することによって効果的に低減され、その最大の音波の減衰が、前記振動数あたりで発生する。これは前記セル３４の容量および／または前記セル３６の断面積、個数、および／または長さを変更して前記音響ライナーに同調させることによって達成することができる。こうして、回転する前記回転翼１２およびその関連部品によって生じた音響エネルギーの減衰の最大量を達成できる。

図４の実施の形態によれば、一体で単一の追加の環状音響ライナー４０が、前記ブラケット・プレート２４に対向するケーシング１０の内壁に設けられ、前記ブラケット・プレート２４とともに、前記拡散チャネル１４を囲む。この目的のために、図示するように、前記内壁は前記音響ライナー４０に適合するように切断されている。該音響ライナー４０は前記音響ライナー３０と同一なので詳細には記載されていない。前記音響ライナー４０は上述したように前記音響ライナー３０と同一の態様で機能し、こうして前記回転翼１２およびその関連部品によって発生した騒音の顕著な減少に寄与する。

図４は前記ケーシング１０における他の好ましい位置、例えば、前記回転翼１２の前または後に位置した２つの追加された一体で単一の環状音響ライナー５２、５４を示す。この目的のために、前記回転翼１２を収容する前記ケーシング１０の内壁の対応部分は図示するように前記音響ライナー５２、５４に適合するように切断されている。前記音響ライナー５２、５４は前記音響ライナー３０、４０よりも小さな外径をもち、それ以外については前記音響ライナー３０、４０に等しい。前記音響ライナー５２、５４は、このようにして、上述したように前記音響ライナー３０と同一の態様で機能し、こうして、前記ケーシング１０で発生した騒音の顕著な低減に寄与する。

前記音響ライナー３０、４０および５４の上述した好ましい位置において最大の騒音低減の利益を享受する。これは前記音響ライナー３０、４０および５４が前記騒音源に比較的近く、したがって騒音が前記音響ライナー３０、４０および５４を迂回して異なった経路を通る可能性を低下させるからである。

音響ライナーのさらに他の好ましい位置を図５に示す。該図５は気体を前記回転翼１２の入口に導入する入口導管６０を示す。図５に示すように、前記入口導管６０の上側部分が、前記導管および前記ケーシング１０の中心線上に延びるように示されている。

一体で単一の音響ライナー６４が前記入口導管６０の内壁上に同じ高さで設けられ、前記外側半径部分が図示されている。前記音響ライナー６４は湾曲したシェルの形態、好ましくは、円柱状の形態をもち、前記入口導管６０の内部表面の切り抜かれた窪みに設けられ、任意の周知のやり方で該窪み内に取り付けられている。前記音響ライナー６４は他の点については前記音響ライナー３０、４０、５２、および５４と同一であるので、さらに詳細には記述しない。前記音響ライナー６４は、また、上述したように前記音響ライナー３０と同一の態様で機能し、前記ケーシング１０における顕著な騒音の低減に寄与する。

前記音響ライナー４０、５２、５４、および６４は前記回転翼通過振動数に同調して、前記音響ライナー３０に関して上述したように前記騒音の低減を強める。

前述したものに関連するいくつかの利益がある。例えば、前記音響ライナー３０、４０、５２、５４、および６４はその源近くの騒音の最大量を低減するように位置している。また、一体で単一の構造に起因して、前記音響ライナー３０、４０、５２、５４、および６４は、上述した組立て構造に比較して、より少ない部品を有し機構的に強固である。また、もし、主要騒音成分の振動数がコンプレッサの速度に応じて変化する事実があれば、各大きいセル３４ごとの小さいセル３６の個数は前記音響ライナー３０、４０、５２、５４、および６４にわたって空間的に変化し、前記全音響ライナーはより広い振動数帯における騒音の低減に効果的である。したがって、前記音響ライナー３０、４０、５２、５４、６４は定速機構でのみならず、種々の変速コンプレッサまたは他の流体圧縮装置において効率的および効果的に騒音を低減することができる。前記音響ライナー３０、４０、５２、５４および６４は、また前記内部流に対し非常に堅固な内壁を提供する。さらに、上述したように、従来のヘルムホルツ配列音響ライナーの伝統的な配置に使用された三層サンドウィッチ構造に関して、本発明の上述の実施の形態に係る音響ライナーは機械的および熱的負荷がかかった場合に殆どかまたは全く変形しない。したがって、前記音響ライナー３０、４０、５２、５４、および６４は、たとえ、前記音響ライナーが、遠心力利用のコンプレッサにおける拡散チャネルのような狭い通路のようなところに設けられたとしても、遠心力利用のコンプレッサの空気力学的性能に何ら悪影響を与えない。

〔変形例〕
使用された音響ライナー３０、４０、５２、５４、および６４の特定の配列および個数は図１、図４、図５に示された個数に限定されない。こうして、前記音響ライナー３０、４０の一方または両方は前記拡散チャネル１４に使用されることができ、前記音響ライナー５２、５３の一方または両方は前記回転翼１２の周囲で使用することができ、および／または前記音響ライナー６４は特定の適用に応じて、前記入口導管６０の周囲で使用することができる。前記セル３４、３６を形成する具体的技術は上述したものから変更可能である。例えば、一体の音響ライナーはセル３４および３６がプレート３２内に鋳込まれたものを形成できる。

前記セル３４および／または３６の相関的な大きさおよび形状は前記発明の範囲内で変更可能である。前記プレート３２内での前記セル３４および３６の個数およびパターンは変更可能である。

前記音響ライナー３０、４０、５２、５４および６４は遠心力利用のコンプレッサの使用に限定されないだけでなく、同様に他の比較的高圧の気体圧縮装置にも適用可能である。

各音響ライナー３０、４０、５２、５４は前記回転翼１２の軸の周囲に３６０度張り渡すことができ、前記音響ライナー６４は入口導管６０の軸まわりに３６０度張り渡すことが可能であり、また、各音響ライナーは３６０度未満の角度の広がりを持つセグメントに形成することができる。例えば、各音響ライナー３０、４０、５２、５４および６４は各々１８０度または９０度の間に渡る２または４のセグメントであって、各セグメントは前述したように単一で一体の断面を有するものを形成しても良い。

「底」、「内部」、「外部」等のように上述した空間的な表示は図解のためのみであって、前記構造の特定の空間的な方向または位置に制限するものではない。

他の修正、変更および置換が前記開示において意図されているので、添付された特許請求の範囲は広くかつ前記発明の範囲に合致するように解釈するのが適当である。

本発明の実施の形態に係る気体圧縮装置および音響ライナーの一部断面図である。 図１の音響ライナーの拡大断面図である。 図１および図２の前記音響ライナーの一部拡大側面図(正面図)である。 前記流体圧縮装置における他の位置に設けた追加の音響ライナーを示す図１に類似する図である。 前記流体圧縮装置における入口の導管の周りに設けた他の音響ライナーを示す図１に類似する図である。

符号の説明

１０…ケーシング
１０ａ…空洞
１２…回転翼
１２ａ…流体通路
１４…拡散チャネル
２０…取付用ブラケット
２４…ブラケット・プレート
３０、４０、５２、５４、６４…音響ライナー
３２…プレート
３４、３６…セル(または空隙部)
６０…入口導管

Claims (16)

1. 室、入口および渦形室を囲み、前記室と流体流が連通する拡散チャネルを囲む２つの向き合う内壁を有するケーシングと、前記壁の少なくとも１に設けられ、共鳴器列を形成するようにそこに形成された複数のセルを有する単一のプレートと、前記室に設けられ、回転して流体を前記入口から前記室および前記拡散チャネルを通り前記ケーシングからの吐出用の前記渦形室にまで流す回転翼と、前記拡散チャネルで生じた音響エネルギーを減衰する共鳴器とを有するとともに、
   前記セルが前記プレートの１表面から延びる第１の空隙部の一群および前記プレートの反対側の表面から延びる第２の空隙部の一群の形態をとり、
   前記第２の空隙部群の複数の空隙部は、第１の空隙部群の各空隙部の１にまで延びる流体圧縮装置。
2. 前記回転翼は、前記室と流体流が連通する複数の流体通路を有し、それによって流体が前記流体通路を通して流れる請求項１に記載の流体圧縮装置。
3. 前記渦形室は、前記室と連通し、前記拡散チャネルは、前記室および前記渦形室の間に延び、かつそれと連通する請求項１に記載の流体圧縮装置。
4. 前記プレートを前記渦形室に設ける取付用ブラケットを有する請求項１に記載の流体圧縮装置。
5. 前記第１の空隙部群の各空隙部は、前記第２の空隙部群の各空隙部より大きい請求項１に記載の流体圧縮装置。
6. 前記第１および第２の空隙部群は一様に前記プレートに分布している請求項１に記載の流体圧縮装置。
7. 前記空隙部の個数および大きさは、前記プレートと同調して前記音響エネルギーの主要騒音成分を減衰させるように形成かつ配列された請求項１に記載の流体圧縮装置。
8. １の壁に向き合って延びかつ他の壁に取り付けられた少なくとも１の追加の単一のプレートおよび共鳴器列を形成して追加の音響エネルギーを減衰させるように前記プレートに形成された複数のセルを有する請求項１に記載の流体圧縮装置。
9. 前記入口と連通する導管と、前記導管の内壁に設けられかつ共鳴器列を形成するようにそこに形成された複数のセルを有する一体の湾曲したシェルとを有する請求項１に記載の流体圧縮装置。
10. 室と、該室と連通する入口および前記室と連通する渦形室を囲むケーシングと、入口と接続して該入口に流体を供給する導管と、該導管の内壁に設けられ共鳴器列を形成するようにそこに設けられた複数のセルを有する湾曲したシェルと、前記室に設けられ回転して流体を前記導管から前記入口および前記室を通り前記ケーシングからの吐出用の前記渦形室にまで流す回転翼とを有し、前記共鳴器は、前記導管内において生じた音響エネルギーを減衰させるとともに、
    前記セルは、前記シェルの１表面から延びる第１の空隙部の一群および前記シェルの反対側表面から延びる第２の空隙部の一群の形態をとり、
    前記第２の空隙部群の複数の空隙部は、前記第１の空隙部群の各空隙部の１から延びる流体圧縮装置。
11. 前記回転翼は、前記室と流体流が連通する複数の流体通路を有する請求項１０に記載の流体圧縮装置。
12. 拡散チャネルが少なくとも前記ケーシングの１の壁によって囲まれ前記室および前記渦形室の間で延びかつ流体が連通する請求項１０に記載の流体圧縮装置。
13. 少なくとも１の壁に設けられ共鳴器列を形成するように形成された複数のセルを有する単一のプレートをさらに有する請求項１２に記載の流体圧縮装置。
14. 前記第１の空隙部群の各空隙部は、前記第２の空隙部群の各空隙部よりも大きい請求項１０に記載の流体圧縮装置。
15. 前記第１および第２の空隙部群は前記シェルに一様に分布している請求項１０に記載の流体圧縮装置。
16. 前記空隙部の個数および大きさは、前記シェルに同調して前記音響エネルギーの主要騒音成分を減衰させるように形成および配列されている請求項１０に記載の流体圧縮装置。

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