Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung
von Druckpulsationen in einem eine Flüssigkeit führenden Leitungssystem mit
den Markmalen des Oberbegriffs des Anspruch 1 bzw. des Anspruchs
6.
In
der Hydrauliktechnik und anderen Bereichen, in denen flüssigkeitsführende Leitungssysteme verwendet
werden, treten sehr häufig
periodische Druckschwankungen, sogenannte Druckpulsationen auf.
Ursachen für
Druckpulsationen können
beispielsweise Ungleichförmigkeiten
innerhalb hydraulischer Maschinen, Förderstromschwankungen von Verdrängerpumpen,
die Betätigung
von Absperr- und Regelarmaturen mit kurzen Öffnungs- und Schließzeiten, das An- und Abschalten
von Pumpen, schwingende Masse-Feder-Systeme, wie sie beispielsweise durch
federbelastete Ventilkörper
oder Hydrospeicher ausgebildet werden, instationäre Strömungsvorgänge in Form von Kontinuumschwingungen
in den flüssigkeitsführenden
Leitungen und das schlagartige Verbinden von Komponenten mit unterschiedlichem
Druckniveau sein. Diese Ursachen bewirken jeweils stochastische,
transiente oder periodische Volumenstrompulsationen, aus denen Druckpulsationen
entstehen. Es ist bekannt, dass sich Druckpulsationen insbesondere
in Leitungssystemen, die bereits unter Druck stehende Flüssigkeiten
führen,
extrem nachteilig auf die Funktionstüchtigkeit des jeweiligen Gesamtsystems
und auch seine Umgebung auswirken können. In jedem Fall ist eine
erhöhte
Materialbeanspruchung an allen Stellen des Gesamtsystems gegeben.
Hieraus resultieren erhöhte
Sicherheitsanforderungen. Auch eine vermehrte Schallabstrahlung von
Körper-
oder Luftschall wird regelmäßig beobachtet.
In vielen Fällen ist
daher eine Dämpfung
der Druckpulsationen unumgänglich.
Als Maßnahmen zur
Reduzierung von Druckpulsationen in einem eine Flüssigkeit
führenden
Leistungssystem ist es neben Primärmaßnahmen an der Erregerquelle
bekannt, Sekundärmaßnahmen
zu ergreifen, mit denen die angeregten Druckpulsationen wieder reduziert
werden, so dass sie sich beispielsweise nicht über das Gesamtsystem ausbreiten.
Dabei kommen sowohl passive als auch aktive Maßnahmen zum Einsatz.
Zu
den passiven Maßnahmen
zählen
Hydrodämpfer,
wie beispielsweise Membranspeicher, Windkessel und Blasenspeicher,
Saugstromstabilisatoren, Schockabsorber, wie beispielsweise Druckstoßdämpfer, axialelastische
Dehnzylinder, axial- oder radialelastische Dehnschläuche, Einzel-
und Mehrkammerresonatoren sowie Strom- und Druckbegrenzungsventile.
Diese Ansätze
erfordern zusätzliche
Aggregate, die das Volumen und das Gewicht des Gesamtsystems erhöhen. Darüber hinaus
treten zum Teil erhebliche Verluste auf, indem der Druck in dem
jeweiligen Leitungssystem bzw. die Drucksteifigkeit des jeweiligen
Leitungssystems abfällt
und zusätzliche
Strömungswiderstände von
den geführten Flüssigkeiten
zu überwinden
sind. Hierdurch wird der Wirkungsgrad des Gesamtsystems reduziert,
und es können
auch echte Einbußen
bei seiner Funktionalität
auftreten. Viele der bekannten Maßnahme sind auch nicht breitbandig,
d.h. gegen Druckpulsationen in einem größeren Frequenzbereich einsetzbar,
sondern müssen
auf eine bestimmte Frequenz der Druckpulsationen abgestimmt werden,
um eine sinnvolle Effektivität
zu erreichen.
Bei
einem bekannten Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Patentanspruchs 1 und einer bekannten Vorrichtung mit den Merkmalen des
Oberbegriffs des Patentanspruchs 6 weist der Drosselkörper eine
sich über
den freien Querschnitt der Leitung erstreckende massive Platte auf,
in der mehrere, jeweils eine Drossel ausbildende Bohrungen vorgesehen
sind. Bei Abstimmung der Durchmesser der Bohrungen auf bestimmte
Druckpulsationen in einer bestimmten Flüssigkeit kann mit diesem Drosselkörper verhindert
werden, dass sich die Druckpulsationen über den Drosselkörper hinweg fortsetzen.
Die Wirkung des Drosselkörpers
basiert dabei im Wesentlichen auf einen besonders hohen Strömungswiderstand
für eine
schnelle Durchströmung
der Bohrungen in der Platte. Dies bedeutet aber gleichzeitig eine
extreme Erhöhung
des Strömungswiderstands,
den die Flüssigkeit
beim regulären
Fließen
durch die Leitung zu überwinden
hat.
Bekannte
aktive Maßnahmen
zur Reduzierung von Druckpulsationen in flüssigkeitsführenden Leitungssystemen umfassen
eine Sensorik, eine Aktuatorik und eine zwischengeschalteten Regelung. Mit
derartigen aktiven Systemen werden sekundäre Druckschwankungen erzeugt,
die per destruktiver Interferenz die Druckpulsationen kompensieren.
Bekannte aktive Systeme basieren auf dem Abzweigen und/oder Zuschalten
eines Volumenstroms, direkt angetriebenen schwingenden Kolben oder
Membranen oder adaptiven Schnittstellen, wie sie in J. Esser, 1996: "Adaptive Dämpfung von
Pulsationen in Hydraulikanlagen",
Aachener Beiträge
zum Kraftfahr- und Maschinenwesen 10 beschrieben sind.
Die Umsetzung aller bekannten aktiven Maßnahmen zur Reduzierung von
Druckpulsationen, erfordert einen hohen apparativen und energetischen
Aufwand insbesondere für
die Erzeugung der sekundären
Druckschwankungen.
AUFGABE DER
ERFINDUNG
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 16 aufzuzeigen, mit denen Druckpulsationen mit geringem
apparativem Aufwand zumindest passiv, insbesondere aber auch aktiv
reduzierbar sind.
LÖSUNG
Die
Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 6 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis
5 bzw. 7 bis 11 beschrieben.
WEITERER STAND
DER TECHNIK
Aus
der
DE 199 32 714
A1 ist eine rohrförmige
luftdurchströmte
Vorrichtung mit aktiver Schallreduktionseinrichtung bekannt, bei
der die Schallreduktionseinrichtung eine helikal angeordnete Membran ist,
die passiv verformbar ist und aktiv verformt wird. Diese helikale
Membran weist zwar geometrische Übereinstimmungen
mit der Schraubenwendel des Drosselkörpers auf, der bei dem neuen
Verfahren eingesetzt wird, doch sind die physikalischen Verhältnisse
bei einer luftdurchströmten
Vorrichtung, d.h. in einem Gas, und bei einer eine Flüssigkeit
führenden Leitung,
d.h. in einer Flüssigkeit,
nicht miteinander vergleichbar. Der Fachmann hatte daher keinen
Anlass, zur Reduzierung von Druckpulsationen eine helikal angeordnete
Membran von einer luftdurchströmten
Vorrichtung auf eine flüssigkeitsführende Leitung zu übertragen.
Auch die praktische Ausführung
der Schraubenwendel wird beispielsweise aufgrund der anderen Druckverhältnisse
in der Flüssigkeit
in den meisten Fällen
eine andere sein als die der bekannten helikal angeordneten Membran.
Zudem ist in der
DE
199 32 714 A1 von einer passiven Wirkungsweise der dort
beschriebenen helikal angeordneten Membran, insbesondere ohne Verformung
der Membran, keine Rede.
BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
Bei
dem neuen Verfahren weist der Drosselkörper eine Schraubenwendel auf,
deren Schraubenachse in der Ausbreitungsrichtung der Druckpulsationen
in der Leitung ausgerichtet ist. Eine solche Schraubenwendel kann
von der Flüssigkeit
in der Leitung mit noch vergleichsweise geringem Strömungswiderstand
durchströmt
werden. Auch gewollte Druckänderungen
der Flüssigkeit
in der Leitung pflanzen sich über
die Schraubenwendel hinweg weitgehend ungestört fort. Auf Druckstöße in der
Leitung wirkt sich die Schraubenwendel jedoch unter verschiedenen
Aspekten dämpfend
aus. Selbst wenn die Schraubenwendel ihre Form, d.h. insbesondere ihre
Steigung beim Auftreffen von Druckstößen nicht ändert, resultiert eine Dämpfung von
Druckpulsationen aufgrund des Dralls, der bei der Durchströmung der
Schraubenwendel der Flüssigkeit
aufgeprägt wird.
Dieser Effekt tritt vergleichsweise breitbandig im Bereich höherer Frequenzanteile
auf. Der Drosselkörper
weist bei dem neuen Verfahren damit Tiefpassfiltereigenschaften
auf. Die genaue Wirkung des Drosselkörpers hängt neben den Eigenschaften,
insbesondere der Viskosität
der Flüssigkeit
in der Leitung von der geometrischen Gestalt der Schraubenwendel
und ihrer Länge
ab. Die Schraubenwendel umfasst jedoch regelmäßig immer mehr als einen Schraubengang.
Typischerweise kann sie zwei bis vier Schraubengänge lang sein. Außerdem wird
die Schraubenwendel immer ortsfest in der Leitung angeordnet, so
dass sie sich als Ganzes nicht oder nur über eine begrenzte Entfernung
mit der Flüssigkeit längs der
Leitung bewegen kann.
Bei
dem neuen Verfahren kann die Elastizität des Drosselkörpers aber
auch gezielt so eingestellt werden, dass sich die Steigung seiner
Schraubenwendel aufgrund der Druckpulsationen passiv verändert. Hierdurch
können
zusätzliche
Dämpfungseffekte
erzielt werden, indem der Drosselkörper wie ein Puffer für die Druckspitzen
der Druckpulsationen wirkt.
Darüber hinaus
ist es bei dem neuen Verfahren möglich,
die Steigung der Schraubenwendel des Drosselkörpers aktiv zu verändern. Auf
diese Weise ist es möglich,
gegenphasige Druckschwankungen zu den Druckpulsationen zu generieren,
um diese destruktiv zu überlagern.
Es ist aber auch möglich,
die Steigung der Schraubenwendel für eine Optimierung ihrer passiven
Wirkung auf je nach den auftretenden Druckpulsationen unterschiedliche
Steigungen einzustellen, die dann längerfristig beibehalten werden.
Wenn
eine aktive Änderung
der Steigung der Schraubenwendel zum Generieren von gegenphasigen
Druckschwankungen durchzuführen
ist, kann dies in Abhängigkeit
von passiven Änderungen
der Steigung aufgrund der Druckpulsationen erfolgen, die an der
Schraubenwendel erfasst werden. Die Schraubenwendel bildet damit
zugleich einen Sensor für
die mit ihr zu dämpfenden
Druckpulsationen aus.
Bei
dem neuen Verfahren können
auch mehrere Drosselkörper
zum Einsatz kommen. So können mindestens
zwei Drosselkörper
mit einem festen Abstand zwischen den Drosselkörpern hintereinander in der
jeweiligen Leitung angeordnet werden.
Verschiedene
Aspekte der neuen Vorrichtung sind bereits im Zusammenhang mit dem
bis hierher beschriebenen neuen Verfahren angesprochen worden. Ebenso
werden bei der nachfolgenden Beschreibung der neuen Vorrichtung
auch Aspekte zur Sprache kommen, die für das neue Verfahren Bedeutung
haben.
In
einer konkreten Ausführungsform
der neuen Vorrichtung ist die Schraubenwendel des Drosselkörpers, deren
Schraubenachse koaxial zu der Leitung angeordnet ist, seelen- und
wellenlos. Die Seelenlosigkeit bedeutet, dass die Schraubenwendel
innerhalb ihres Außenumfangs,
der vorzugsweise bis an den Innenumfang der jeweiligen Leitung heranreicht,
den gesamten freien Querschnitt der Leitung überspannt. Es gibt also im
Bereich der Schraubenachse keinen geradlinigen freien Weg durch
die Schraubenwendel hindurch. Die Wellenlosigkeit der Schraubenwendel
bedeutet dabei, dass die Schraubenwendel selbst bis an ihre Schraubenachse
heranreicht und dort keine in axialer Richtung durchlaufende Welle
vorhanden ist. In Einzelfällen
mag es aber durchaus sinnvoll sein, eine Schraubenwendel mit Seele
oder eine Schraubenwendel mit Welle einzusetzen. Bei einer Schraubenwelle
mit Seele ist der Strömungswiderstand
des Drosselkörpers
noch weiter reduziert. Bei einer Schraubenwendel mit Welle kann
im Bereich der Welle beispielsweise ein Linearaktuator angeordnet
werden, mit dem die Steigung der Schraubenwendel veränderbar
ist.
Ein
solcher Aktuator kann auch am Außenumfang der Schraubenwendel
angeordnet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform der neuen Vorrichtung
ist jedoch die Schraubenwendel selbst mit einem Funktionsmaterial
beschichtet, um ihre Steigung aktiv zu verändern. Dieses Funktionsmaterial kann
auch einen Sensor ausbilden, um Änderungen der
Steigung der Schraubenwendel des Drosselkörpers zu erfassen. Als Funktionsmaterial
ist beispielsweise eine piezoelektrische Keramik verwendbar, mit der
die Schraubenwendel ganz oder partiell beschichtet ist. Es können auch
piezokeramische Fasern auf der Schraubenwendel angeordnet sein.
Mittels Ansteuern der piezoelektrischen Keramik durch Anlegen eines äußeren elektrischen
Felds ist die piezoelektrische Keramik in bekannter Weise und damit indirekt
auch die Schraubenwendel verformbar. Umgekehrt können Verformungen der Schraubenwendel durch
elektrische Spannungen registriert werden, die an der piezoelektrischen
Keramik abgreifbar sind.
Ebenso
wie die Steigung der Schraubenwendel auch durch einfache Linearaktuatoren
veränderbar
ist, können
passive Veränderungen
der Steigung der Schraubenwendel durch einfache lineare Sensoren
erfasst werden, die beispielsweise im Bereich der Schraubenachse
oder am Außenumfang der
Schraubenwendel angeordnet sein können.
Ein
besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
die die Flüssigkeit
führende
Leitung selbst drucksteif ausgebildet sein kann, da die Druckpulsationen
auf andere Weise als durch Volumenelastizität gedämpft werden. Hierdurch ist
es möglich,
einen hohen Wirkungsgrad des jeweiligen Gesamtsystems zu erzielen.
1 zeigt
eine Leitung 1 eines Leitungssystems für eine Flüssigkeit 2. In der
Flüssigkeit 2 breiten
sich Druckpulsationen 3 in Richtung eines Pfeils 4 längs der
Leitung 1 aus. Die Druckpulsationen 3 sind in 1 durch
unterschiedliche Grautöne bei
der Wiedergabe der Flüssigkeit 2 dargestellt.
Die Darstellung der Flüssigkeit 2 in
unterschiedlichen Grautönen
ist im Bereich von zwei Drosselkörpern 5 ausgesetzt,
die an festen, voneinander beabstandeten Orten in der Leitung 1 angeordnet
sind. Die Drosselkörper 5 dienen
zur Dämpfung
der Druckpulsationen 3 durch aktive und passive Wirkmechanismen. Die
Drosselkörper 5 bestehen
jeweils aus einer Schraubenwendel 6, die koaxial in der
Leitung 1 angeordnet ist, so dass ihre Schraubenachse 7 mit
der Mittelachse der Leitung 1 zusammenfällt. Mit ihrem Außenumfang
reichen die Schraubenwendeln 6 bis an den Innenumfang der
Leitung 1 heran, wobei hier grundsätzlich auch ein Ringspalt belassen
sein könnte.
Die Schraubenwendeln 6 können unterschiedlich ausgestaltet
sein und unterschiedliche Funktionalitäten aufweisen. Die unterschiedliche
Ausgestaltung der Schraubenwendeln 6 kann sich auf ihre
Steigung, d.h. den axialen Abstand von zwei aufeinanderfolgenden
Schraubengängen,
die Anzahl der Schraubengänge,
die Elastizität
der Schraubenwendeln in Bezug auf eine Veränderung ihrer Steigung, ihren Außenumfang,
insbesondere in Bezug auf den Innenumfang der Leitung 1,
ihren eigenen Innenumfang und die Anordnung etwaiger Sensoren und/oder Aktuatoren
an der Schraubenwendel, um deren Steigung aktiv zu verändern bzw.
zu erfassen, beziehen.
Jede
der Schraubenwendeln 6, von denen auch nur eine oder mehr
als zwei hintereinander der in der Leitung 1 angeordnet
sein können,
kann beispielsweise die in 2 dargestellte
Form aufweisen. Durch schraubenförmige
Linien 8 entlang der Schraubenwendel 6 ist in 2 angedeutet,
dass der Begriff Schraubenwendel alle Körper bezeichnen soll, die durch
schraubenförmige
Linienelemente darstellbar sind. Auf einer realen Schraubenwendel
sind die Linien 8 nicht zu sehen. Die Schraubenwendel 6 gemäß 2 umfasst
zwei Schraubengänge,
d.h. die Linien 8 laufen zweimal um die Schraubenachse 7 um.
Dabei ist die Schraubenwendel 6 seelen- und wellenlos,
d.h. in einer Projektion in Richtung ihrer Schraubenachse 7 deckt
sie die gesamte Fläche
innerhalb ihres Außenumfangs
ab, ohne dass ein Freiraum im Bereich der Schraubenachse 7 verbleibt, und
es ist hier auch keine durchgehende Welle in Form eines einen solchen
Freiraum füllenden
Zylinderabschnitts vorgesehen. Die Schraubenwendel 6 gemäß 2 kann
eine feste Steigung aufweisen, die sich unter Einwirkung der Druckpulsation 3 gemäß 1 nicht ändert. Dennoch
resultiert auch dann ein Dämpfungseffekt
der Schraubenwendel 6 gemäß 2 auf die
Druckpulsationen 3 gemäß 1,
indem der Flüssigkeit 2 beim
schnellen Durchströmen
der Schraubenwendel 6 in axialer Richtung ihrer Schraubenachse 7 ein
Drall verliehen wird.
Die
in 3 dargestellte Schraubenwendel 6 unterscheidet
sich von derjenigen gemäß 2 dadurch,
dass sie eine Seele 11, d.h. einen Freiraum im Bereich
um die Schraubenachse 7 aufweist. Hier kann entweder eine
freie Durchströmung
der Schraubenwendel 6 in der axialen Richtung ihrer Schraubenachse 7 erfolgen,
oder es wird hier beispielsweise ein Linearaktuator koaxial zu der
Schraubenachse 7 angeordnet, mit dem der Abstand zwischen
den Enden der Schraubenwendel 6 veränderbar ist, um ihre Steigung
längs der
Schraubenachse 7 zu verändern. Hierzu
ist die Schraubenwendel 6 zumindest so elastisch auszubilden,
dass sie von dem Linearaktuator verformt werden kann. Die Elastizität der Schraubenwendel 6 kann
zudem so ausgelegt werden, dass sie ihre Steigung passiv unter dem
Einfluss der Druckpulsationen 3 gemäß 1 ändert. Auch
hierdurch kann ein Dämpfungseftekt
auf die Druckpulsationen 3 erzielt werden. Wenn der Schraubenwendel 6 ein Aktuator
parallel geschaltet ist, ist auch dessen Steifigkeit bei einer Betrachtung
der Steifigkeit der Schraubenwendel 6 einzubeziehen. Je
nach Ausführung
dieses Aktuators kann er zugleich als Sensor für die auf die Schraubenwendel 6 aufgrund
der Druckpulsationen 3 gemäß 1 einwirkenden äußeren Kräfte dienen,
wozu er die passiven Änderungen
der Steigung der Schraubenwendel erfasst.