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Die Erfindung betrifft einen Reflektionsschalldämpfer, insbesondere fur einen Turboverdichter.
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Turboverdichter, d. h. im Allgemeinen Verdichter bzw. fluidekomprimierende Vorrichtungen, werden in verschiedenen Industriebereichen für verschiedene Anwendungen genutzt, bei denen es um eine Kompression von Fluiden, im Speziellen (Prozess-)Gasen, geht. Bekannte Beispiele hierfür sind Turboverdichter in mobilen industriellen Anwendungen, wie in Abgasturboladern oder in Strahltriebwerken, oder auch in stationaren industriellen Anwendungen, wie stationäre Dampf- oder Gasturbinen, oder Prozessgasverdichter.
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Bei einem solchen – in seiner Arbeitsweise kontinuierlich arbeitenden – Turboverdichter wird die Druckerhöhung (Verdichtung) des Fluids dadurch bewirkt, dass der Drehimpuls des Fluids von Eintritt zu Austritt durch die Rotation der Schaufeln erhoht wird. Hier, d. h. in einer solchen Verdichterstufe, steigen Druck und Temperatur des Fluids, wahrend die relative (Stromungs-)Geschwindigkeit des Fluids im Laufrad sinkt. Um eine möglichst hohe Druckerhöhung bzw. Verdichtung des Fluids zu erreichen, können mehrere solcher Verdichterstufen hintereinander geschaltet werden.
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Als Bauformen von Turboverdichtern unterscheidet man zwischen Radial- und Axialverdichtern.
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Bei dem Axialverdichter strömt das zu komprimierende Fluid, beispielsweise ein Prozessgas, hauptsächlich in paralleler Richtung zur Achse (Axialrichtung) durch den Verdichter. Bei dem Radialverdichter stromt das Gas axial in das Laufrad der Verdichterstufe und wird dann nach außen (radial, Radialrichtung) abgelenkt. Bei mehrstufigen Radialverdichtern wird damit hinter jeder Stufe eine Strömungsumlenkung notwendig. Auch „gemischte” Ausführungen von Verdichtern, wie halbaxiale Verdichter, sind bekannt.
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Ferner ist bekannt, dass solche Turboverdichter relativ hohe Schallemissionen bzw. Geräuschpegel verursachen, die eine (Lärm-)Beeinträchtigung einer Umgebung des Turboverdichters darstellen. Diese Schallemissionen können daruber hinaus auch Vibrationen und strukturrelevante Fehlfunktionen auslösen.
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Beispielsweise werden dominante Schallquellen in einem Turboverdichter typischerweise am Ort des Flugelrades und des Diffusoreingangs oder etwaiger Diffusorschaufeln bedingt durch eine hohe Geschwindigkeit der durch diese Regionen hindurchstromenden Fluide erzeugt.
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Insbesondere ist es hier bekannt, dass Turboverdichter an einem Austritt aus dem Turboverdichter, d. h. einer Druckseite, oder auch an einem Eintritt, d. h. einer Saugseite, komplexe dreidimensionale, rotierende und/oder pulsierende Druckfelder bzw. Schallfelder erzeugen, deren Dämpfung technisch schwierig ist.
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Ausgehend davon sind effiziente Schalldämpfungsmaßnahmen für solche schallemissionserzeugende Turboverdichter notig.
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Verschiedene schallemissionsbegrenzende Maßnahmen, wie Gehäuse oder Umhüllungen sind bekannt. Diese Geräuschreduktionstechniken konnen relativ teuer sein, insbesondere wenn sie als „späteres” Zusatzprodukt angeboten werden.
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Weiterhin sind Schalldampfer zur Begrenzung von Schallemissionen bei (Turbo-)Verdichtern bekannt.
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Schalldämpfer im Allgemeinen sind Vorrichtungen zur Verminderung von Schallemissionen. Es werden verschiedene Bauarten von Schalldämpfern unterschieden, die aufgrund verschiedener Wirkungsmechanismen eine erzeugte Schallleistung verringern. Man unterscheidet beispielsweise Absorptions- und Reflektionsschalldämpfer.
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Ein Absorptionsschalldämpfer enthält poröses (Absorptions-)Material, im Regelfall Steinwolle, Glaswolle oder Glasfaser, das Schallenergie teilweise absorbiert, das heißt, in Wärme umwandelt. Durch Absorption werden im Schalldämpfer hauptsächlich obere Frequenzen des Schallmediums gedämpft.
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Absorptionsschalldämpfer weisen den Nachteil auf, dass sie in der Regel für hohe Drücke ungeeignet sind, da – verbunden mit den hohen Drücken – hohe Energieeinträge auf das Absorptionsmaterial einwirken bzw. hohe Wärmeeinträge von dem Absorptionsmaterial aufzunehmen sind, was zu Schäden am porösen Material, wie zu einer Auflösung des Absorptionsmaterials, führen kann.
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Reflektionsschalldämpfer, welche das Prinzip einer Schallreflektion nutzen, enthalten dazu in der Regel mehrere Hohlräume bzw. Kammern, an denen das Schallmedium vorbeiläuft, wobei es zu Reflektionen kommt. Beim mehrfachen Vorbeilaufen an Innenräumen der Kammern durch das Schallmedium kommt es zu einer Reduzierung von Schalldruckspitzen verschiedener Frequenz. Diese Reflektionen werden – konstruktiv – durch Prallwände, Querschnittserweiterungen und -verengungen erzeugt. Durch Reflektion können im Schalldämpfer beliebige Frequenzen des Schallmediums gedämpft werden.
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Aus der
EP 1 291 570 A2 und aus der
WO 2007/101 412 A1 sind modular aufgebaute Reflexionsschalldämpfer für einen Turbolader bzw. für einen Abgastrakt bei einem Kraftfahrzeug bekannt. Diese Reflexionsschalldämpfer weisen einen von einem Strömungsmedium in einer Strömungsrichtung axial durchströmten, rohrförmigen Reflektionskörper auf, bei welchem mehrere Scheiben in der axialen Richtung angeordnet sind, wodurch sich umlaufende Reflexionshohlräume in den Scheiben ausbilden.
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Aus der
EP 1 260 697 A2 ist ein Schalldämpfer mit einem zwischen zwei Anschlusselementen gehaltenen Reflexionskörper bekannt.
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Aus der
DE 11 2006 002 086 T5 ist ein Reflexionsschalldämpfer mit einer Vielzahl nebeneinander liegenden Axialebenen, in denen jeweils auf eine bestimmte Frequenz abgestimmte Resonanzkammern liegen, bekannt.
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Die
EP 1 873 364 A1 beschreibt einen Resonanzschalldämpfer, dessen Resonanzfrequenzen auf einen Turbolader abgestimmt sind.
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Aus der
EP 1 992 797 A2 ist ein unmittelbar an einer Druckseite eines Turboverdichters angeordneter Reflexionsschalldämpfer bekannt.
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Aus der
EP 1 510 667 A2 ist ein Reflexionsschalldämpfer mit einem von einem Strömungsmedium in einer Strömungsrichtung axial durchströmten, rohrförmigen Reflektionskörper auf, bei welchem in nebeneinander liegenden Axialebenen Resonanzkammern ausgebildet sind.
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Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Schalldämpfer anzugeben, welcher die Nachteile aus dem Stand der Technik verbessert, einfach zu realisieren und auch einfach – in eine schallemittierende Anlage bzw. Vorrichtung – einzubauen ist sowie welcher insbesondere für eine Dämpfung von Schallemissionen bei einem Turboverdichter geeignet ist.
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Die Aufgabe wird durch den Reflektionsschalldämpfer mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst.
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Dieser Reflektionsschalldämpfer weist einen von einem Strömungsmedium in einer Strömungsrichtung axial durchströmten, rohr- oder (kreis-)ringförmigen Reflektionskorper auf. Bei dem Reflektionskörper sind in mehreren, zu der axialen Stromungsrichtung, radialen Ebenen jeweils in Umfangsrichtung des Reflektionskörpers angeordnete Hohlräume (Reflektionsvertiefungen oder im Folgenden auch Kavitäten bezeichnet) ausgebildet.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhangigen Ansprüchen.
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Eine solche Reflektionsvertiefung bzw. ein solcher Hohlraum, dessen Geometrie – uber eine geometrisch bedingte Resonanzfrequenz der Reflektionsvertiefung – eine hauptsächlich zu dämpfende Frequenz des Strömungsmediums festlegt, kann als Bohrung, insbesondere in Radialrichtung des rohrförmigen Reflektionskorpers und mit im Reflektionskörper variierender (Bohrungs-)Tiefe, oder als (Radial-)Schlitz ausgebildet sein.
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Es ist auch moglich, diesen Hohlraum als Kammer oder als Kombination verbundener Kammern, insbesondere als Kammer – mit im Reflektionskorper variierender dreidimensionaler Erstreckung – mit einem radialen Zuführkanal und/oder mit einer speziell ausgebildeten, insbesondere engen, (Kammer-)Öffnung, auszubilden.
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Insbesondere kann hier vorgesehen sein, dass die Reflektionsvertiefungen bzw. Hohlraume einen Lambda/2-Resonator und/oder einen Lambda/4-Resonator und/oder einen Helmholtz-Resonator ausbilden.
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Reflektionsvertiefungen bzw. Hohlraume nach dem Lambda/2-Prinzip bzw. nach dem Lambda/4-Prinzip beruhen auf einer Reflektion von Schallwellen an Öffnungen der – im Speziellen kammerartig ausgebildeten – Reflektionsvertiefungen. Innerhalb dieser Kavitaten kommt es fur bestimmte Frequenzen – den Resonanzfrequenzen – zu stehenden Wellen mit einem Druckknoten in der Nähe der Öffnungen der Reflektionsvertiefungen, wobei sich in der jeweiligen Reflektionsvertiefung – im Falle eines Lambda/2-Resonators – näherungsweise eine halbe Wellenlange bzw. – im Falle eines Lambda/4-Resonators naherungsweise eine viertel Wellenlänge bei der Resonanzfrequenz der jeweiligen Reflektionsvertiefung ausbildet. Dadurch werden die Schallwellen, deren Frequenz der Resonanzfrequenz der Reflektionsvertiefung entspricht, zurückgeworfen und gedämpft.
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Reflektionsvertiefungen bzw. Hohlräume nach dem Helmholtz – Prinzip werden realisiert durch eine im Speziellen kammerartig ausgebildete Reflektionsvertiefung mit einer oder mehreren engen Öffnung zum Stromungskanal. Durch eine Elastizität des Fluidvolumens im Inneren der kammerartig ausgebildeten Reflektionsvertiefung in Kombination mit einer trägen Masse des in der Öffnung der kammerartig ausgebildeten Reflektionsvertiefung befindlichen Fluids entsteht ein mechanisches Masse-Feder-System mit einer ausgeprägten Eigenresonanz bzw. Resonanzfrequenz. Dadurch werden die Schallwellen, deren Frequenz der Resonanzfrequenz der Reflektionsvertiefung entspricht, zurückgeworfen und gedämpft.
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Um eine effiziente Dampfung zu erzielen, können die – jeweils in einer Axialebene (oder auch im Folgenden nur kurz Ebene) angeordneten – Hohlraume gleichmäßig über den Umfang des Reflektionskörpers angeordnet werden. Eine Teilung der Reflektionsvertiefungen in einer Axialebene kann dabei abhängig sein von einer Anzahl von über den Umfang des Reflektionskörpers in der Axialebene zu verteilenden Reflektionsvertiefungen und/oder von einer Geometrie der Reflektionsvertiefungen und/oder von einem Querschnitt bzw. einer Querschnittsgroße des Reflektionskörpers in der Axialebene.
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So ist es beispielsweise moglich mindestes 16 oder 20 oder 24 Reflektionsvertiefungen, insbesondere 28 oder mehr Reflektionsvertiefungen, in einer Axialebene des Reflektionskörpers vorzusehen. Je nach zu dämpfender Frequenz bzw. Große der Kammern können aber auch deutlich weniger Kammern, wie beispielsweise 2 bis 10 Kammern oder 4 bis 8 Kammern, vorgesehen werden.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die jeweils in einer Axialebene angeordneten Hohlräume für eine Dämpfung mindestens einer bestimmten Frequenz oder mehrerer Frequenzen, beispielsweise zwei oder drei oder vier bestimmten Frequenzen, ausgelegt sind. Dies lässt sich dadurch realisieren, dass jeweils eine bestimmte Anzahl der in der Axialebene liegenden Hohlräume dieselbe Geometrie – und damit dieselbe Resonanzfrequenz und zu dämpfende Frequenz – aufweisen.
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Bevorzugt – auf Grund einer hohen Effizienz der Dämpfungswirkung – kann aber vorgesehen sein, dass alle Hohlraume bzw. Reflektionsvertiefungen in einer Axialebene dieselbe Geometrie aufweisen und damit fur die Dämpfung einer ganz bestimmten Frequenz ausgelegt sind.
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Wird dies für jede der Reflektionsvertiefungen aufweisenden Axialebenen so vorgesehen, wobei dann jede Axialebene für die Dämpfung einer bestimmten Frequenz ausgelegt werden kann, kann eine breitbandige Dampfung der eingebrachten Schallemission erreicht werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Reflektionskörper aus Metall, insbesondere aus Stahl, ausgebildet, was insbesondere bei hohen Drücken des Strömungsmediums bzw. des Prozessgases von Vorteil ist.
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Auch kann vorgesehen sein, dass der Reflektionskörper mehrstückig ausgebildet ist. Eine solche Ausgestaltung des Reflektionskörpers kann bevorzugt mehrere scheibenförmige und/oder ringförmige Elemente aufweisen, wobei eine solche Scheibe und/oder ein solcher Ring jeweils einer der Axialebenen des Reflektionskörpers mit den dortigen in Umfangsrichtung des Reflektionskörpers angeordneten Hohlräumen entspricht.
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D. h., an einem solchen scheibenförmigen und/oder ringförmigen Element sind die dieser Axialebene zugeordneten Reflektionsvertiefungen angeordnet.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Reflektionskörper jeweils mehrere erste und zweite Scheiben auf, welche wechselnd angeordnet sind. Diese ersten Scheiben können sogenannte Resonatorringe bzw. Resonatorscheiben darstellen; diese zweiten Scheiben können sogenannte Zwischenringe bzw. Zwischenscheiben (auch Dichtscheiben) darstellen.
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Von besonderem Vorteil ist es, wenn eine solche erste Scheibe bzw. eine solche Resonatorscheibe über den Scheibenumfang, insbesondere gleichmäßig, verteilte, durch radiale Stege voneinander getrennte Sektoren aufweist. Entsprechendes kann auch für eine solche zweite Scheibe bzw. für eine solche Zwischenscheibe vorgesehen sein. D. h., auch eine solche Zwischenscheibe weist über den Scheibenumfang, insbesondere gleichmäßig, verteilte, durch radiale Stege voneinander getrennte Sektoren auf.
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Weiterhin kann vorgesehen werden, dass eine solche erste und/oder zweite Scheibe eine Mittelbohrung, insbesondere zur Aufnahme eines im Wesentlichen zylinderförmigen Tragers, aufweisen bzw. aufweist. Dadurch wird eine Zentrierung der Scheiben – zur Ausbildung des Reflektionskorpers – vereinfacht.
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Auch kann vorgesehen werden, dass eine solche erste und/oder zweite Scheibe eine oder mehrere Zentrierbohrungen aufweisen bzw. aufweist, wodurch diese zueinander und/oder bezüglich eines Gehäuses und/oder einer Ummantelung zentriert werden konnen.
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Werden solche ersten und zweiten Scheiben – jeweils wechselnd und zentriert angeordnet und ausgerichtet, d. h. die Sektoren der Scheiben bilden einen durchgehenden axialen Stromungskanal aus – zu einem sandwichartigen Verbund gereiht und dadurch der rohrartige Reflektionskörper gebildet, so kann dadurch ein hoch effizienter Reflektionsschalldämpfer realisiert werden. Insbesondere ist es mit einem solchen Reflektionsschalldämpfer möglich, komplexe dreidimensionale, rotierende und/oder pulsierende Druckfelder bzw. Schallfelder auf Felder mit näherungsweise ebenen Wellen zu reduzieren, welche einfacher und effizienter zu dämpfen sind.
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Die Effizienz eines solchen Reflektionskörpers kann weiter erhoht werden, wenn über den Scheibenumfang einer Resonatorscheibe, insbesondere gleichmäßig, verteilte, in Radialrichtung nach innen offene erste Aussparungen, insbesondere kammerförmige Hohlräume, und/oder über den Scheibenumfang der Resonatorscheiben, insbesondere gleichmäßig, verteilte, in Radialrichtung nach außen offene zweite Aussparungen, insbesondere kammerförmige Hohlraume, angeordnet sind.
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Die Öffnungen der ersten und der zweiten Aussparungen bzw. Hohlraume konnen dabei einander in Radialrichtung zuweisend orientiert sein
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In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen werden, dass bei einem Verbund aus einer ersten Scheibe und einer zu der ersten Scheibe (axial) benachbart angeordneten zweiten Scheibe ein Teil einer zweiten Scheibe eine Aussparung, insbesondere einen kammerförmigen Hohlraum, der ersten Scheibe axial begrenzt. Dieser Verbund kann mit einer weiteren zweiten Scheibe entsprechend erganzt werden derart, dass axial zwischen den beiden zweiten Scheiben die erste Scheibe angeordnet ist, wobei die Aussparung der ersten Scheibe axial beidseitig durch die zweite Scheiben begrenzt wird.
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Bevorzugt kann weiterhin vorgesehen werden, dass der Reflektionskorper einen im Wesentlichen zylinderförmigen Kern zur Aufnahme, insbesondere zu einer zentrierten Aufnahme, der ersten und/oder zweiten Scheiben aufweist. Dazu können die ersten und/oder zweiten Scheiben jeweils Mittelbohrungen aufweisen, mittels welcher die Scheiben auf dem Kern angeordnet werden können. Eine Stabilitat des Reflektionskörpers kann dadurch erhöht werden; eine Montage des Reflektionskorpers kann vereinfacht werden. Des Weiteren verkleinert sich dadurch ein Strömungsquerschnitt bzw. Strömungsdurchmesser des Reflektionskörpers, was zur Verbesserung des Schallfeldes und damit zur Effizienzerhöhung des Reflektionsschalldampfers beiträgt.
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Auch kann vorgesehen sein, dass der Reflektionsschalldämpfer zumindest zwei Anschlusselemente aufweist, zwischen welchen der Reflektionskorper gehalten wird, insbesondere verspannt gehalten wird.
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Vereinfacht kann die Verspannung durch eine Verschraubung der beiden Anschlusselemente realisiert sein.
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Eine derartige Anordnung bzw. ein derartiges System weist insbesondere den Vorteil auf, dass sie bzw. es einfach und schnell montierbar und demontierbar ist, sowie dass ein zwischen den Anschlusselementen eingesetzter Reflektionskorper einfach und schnell austauschbar ist. Auch erweist sich ein solches System als hoch flexibel, da durch verschieden ausgestaltete Reflektionskörper – im Sinne verschiedener Einsatze – der Reflektionsschalldampfer sehr einfach an unterschiedliche, vorgegebene Einsatzbedingungen angepasst und/oder verändert werden kann.
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Dazu kann es zweckmäßig sein, dass die Anschlusselemente jeweils einen Flansch mit mindestens einer Bohrung aufweisen, unter Verwendungen derer die Verschraubung realisiert wird (eingeflanschter Reflektionskörper).
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Insbesondere bei mit ersten und zweiten Scheiben ausgebildeten Reflektionskorpern kann es weiter zweckmaßig sein, dass die Scheiben ebenfalls mit Flasche und/oder Bohrungen ausgebildet sind, über welche eine Verschraubung – insbesondere zentrierte Verspannung – oder auch Verspannung realisiert werden kann.
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Bevorzugt ist es auch moglich, dass der Reflektionskorper, insbesondere Scheiben des Reflektionskörpers, in einer rohrförmigen Ummantelung, insbesondere in einem Liner, aufgenommen ist bzw. sind. Unter anderem kann hier eine Montage des Reflektionskörpers vereinfacht werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Reflektionskorper zumindest fünf Axialebenen, insbesondere mindestens 10, 12 oder 14 Axialebenen oder noch mehr Axialebenen mit jeweils in Umfangsrichtung angeordneten Reflektionsvertiefungen aufweist. Dieses lässt sich bevorzugt durch eine entsprechende Anzahl von Scheiben realisieren.
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Die Reflektionsvertiefungen einer Axialebene können dabei im Wesentlichen identisch ausgebildet sein, sodass die jeweilige Axialebene (bzw. Scheibe) fur die Dampfung einer (ganz) bestimmten Frequenz ausgelegt ist.
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Sind die Reflektionsvertiefungen unterschiedlicher Axialebenen jeweils unterschiedlich ausgestaltet, so lässt sich dadurch eine breitbandige Dampfung von Schallemissionen des Turboverdichters erreichen.
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In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Hohlräume derart ausgebildet sind, dass sich eine solche breitbandige Dämpfung der Schallemissionen über einen Bereich einer Flügelradumlauffrequenz („blade passing frequency”) des Turboverdichters bis zumindest einer zweiten Harmonischen und/oder dritten Harmonischen und/oder vierten Harmonischen zu der Flügelradumlauffrequenz erstreckt.
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Auch kann vorgesehen sein, dass die Hohlräume derart ausgebildet sind, dass eine Dämpfung für einen großen Drehzahlbereich von z. B. 50% bis 105% einer Nenndrehzahl des Turboverdichters ausgelegt ist.
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Beispielsweise kann ein zu dampfendes Frequenzband von 700 Hertz–2000 Hertz, 700 Hertz–4000 Hertz oder 700 Hertz–6000 Hertz realisiert werden.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Stromungsmedium ein – verdichtetes oder zu verdichtendes – Prozessgas, beispielsweise mit einem Druck von mindestens 20 bar oder von mindestens 50 bar oder von mindestens 75 bar oder von mindestens 100 bar, ist. Der Turboverdichter kann ein Axialturboverdichter oder ein Radialturboverdichter sein.
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Bevorzugt ist der Reflektionsschalldampfer unmittelbar an einer Druckseite des Turboverdichters, beispielsweise an einem dortigen Druckstutzen am Ausgang bzw. Austritt des Turboverdichters, oder unmittelbar an einer Saugseite des Turboverdichters, beispielsweise an einem dortigen Saugstutzen am Eingang bzw. Eintritt des Turboverdichters, angeordnet. Alternativ kann der Reflektionsschalldämpfer aber auch weiter stromabwärts oder stromaufwärts – bezüglich des Turboverdichters – in einem Rohrleitungssystem angeordnet sein.
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Insbesondere die rohrförmige Ausbildung des Reflektionskörpers und damit des Reflektionsschalldämpfers ermöglicht einen leicht zu realisierenden Einbau an den genannten Orten, d. h. an den Stutzen des Turboverdichters bzw. in Rohrleitungen des Rohrleitungssystems.
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Der Einbau des Reflektionsschalldämpfers unmittelbar am Turboverdichter erweist sich deshalb von Vorteil, weil dadurch keine weiteren Schallschutzmaßnahmen stromabwärts des Strömungsmediums bzw. für dortige Prozessgasleitungen mehr notwendig sein müssen.
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Weiterhin erweist sich bei der Erfindung von großem Vorteil, dass – bei entsprechend ausgelegten Reflektionsvertiefungen in den mehreren Axialebenen – eine breitbandige Dämpfung des eingebrachten Schalls erreicht werden kann.
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Weiterhin erweist sich bei der Erfindung auch von Vorteil, dass der erfindungsgemäße Reflektionsschalldämpfer in einem Hochdruckbereich, wie beispielsweise bei Turboverdichtern und bei von Turboverdichtern erzeugten und in anschließende Prozessgasleitungen eingespeisten Schallemissionen, einsetzbar ist.
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In Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, welche im Weiteren näher erläutert werden.
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Es zeigen
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1 Skizze einer Schnittdarstellung eines Reflektionsschalldämpfers in Sandwichbauweise aus einzelnen Resonatorscheiben mit Zwischenscheiben (Zwischenabdichtung);
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2 Skizze einer Schnittdarstellung eines eingeflanschten Reflektionsschalldämpfers in Massivbauweise (zeigt nicht Merkmale der Erfindung);
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3 Skizze einer Schnittdarstellung eines eingeflanschten Reflektionsschalldämpfers aus einzelnen Resonatorscheiben mit Zwischenscheiben mit Innenteil und Druck tragendem Liner;
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4a, b Skizzen bzw. Ansichten einer Resonatorscheibe;
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5a, b Skizzen bzw. Ansichten einer Zwischenscheibe (Zwischenabdichtung);
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6 Prinzipskizze eines Reflektionskörpers eines Reflektionsschalldampfers nach dem Prinzip eines Labda/4-Resonators;
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7 Prinzipskizze eines Reflektionskörpers eines Reflektionsschalldämpfers nach dem Prinzip eines Lambda/2-Resonators;
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8 Prinzipskizze eines Reflektionskörpers eines Reflektionsschalldämpfers nach dem Prinzip eines Helmholtz-Resonators.
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Ausführungsbeispiele: Reflektionsschalldämpfer in Rohrleitungen bei Turboverdichtern
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Die von einem Turboverdichter 100 erzeugten und in anschließende Prozessgasleitungen 103 über das Prozessgas eingespeisten Schallemissionen unterliegen hohen Betriebsdrücken, beispielsweise ca. 100 bar. Diese erfordern geeignete Schallschutzmaßnahmen, wie einen Reflektionsschalldampfer 1.
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Zur Vermeidung aufwendiger Schallschutzmaßnahmen, insbesondere für das gesamte Rohrleitungssystem 103 des Turboverdichters 100, wird ein Reflektionsschalldämpfer 1 direkt an einem Ausgang 101 bzw. an der Druckseite 101 des Turboverdichters 100, d. h. an einem dortigen Druckstutzen, und damit unmittelbar am Eintritt der anschließenden Prozessgasleitung 103 angebracht. Weitere Schallschutzmaßnahmen können hierdurch entfallen.
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In 1 bis 3 sind grundsätzliche konstruktive Ausfuhrungen eines solchermaßen einsetzbaren Reflektionsschalldämpfers 1 dargestellt. 4 und 5 zeigen nahere Details für solche Reflektionsschalldämpfer 1, insbesondere Teile von deren inneren Aufbau. 6 bis 8 verdeutlichen verschiedene Reflektions- bzw. Resonator-Prinzipien im Zusammenhang mit deren konstruktiven Umsetzungen bei den Reflektionsschalldämpfern 1.
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1 zeigt einen Reflektionsschalldämpfer 1 in Sandwichbauweise umfassend einen mehrere Scheiben 30, 31 aufweisenden Reflektionskörper 10.
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Der Verbund aus den Scheiben 30, 31 wird axial beidseitig von jeweils einem Anschlusselement 50, 51 verspannt gehalten. Dazu weisen die Anschlusselemente 50, 51 jeweils einen Flansch 53 mit Bohrungen 54 auf, über welche der Verbund mittels Verschraubungen 52 verspannt wird.
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Der den Reflektionskorper 10 bildende Scheibenverbund weist jeweils wechselnde so genannte Resonatorscheiben 30 und – im Vergleich zu den Resonatorscheiben 30 wesentlich schmälere – Zwischenscheiben bzw. Zwischenabdichtungen 31 auf, wobei wie dargestellt insgesamt sieben Resonatorscheiben 30 und acht Zwischenabdichtungen 31 – sich jeweils abwechselnd – verwendet werden.
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Jede Resonatorscheibe 30 wie auch die beiden Anschlusselemente 50, 51 sind bevorzugt aus Stahl und weisen eine zentrale, axiale Mittelbohrung 35 auf, welche einen nach beiden axialen Seiten offenen und vom Prozessgas 2 des Turboverdichters axial, in Strömungsrichtung 3 durchströmten Stromungskanal 6 bilden.
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Weiter weist jede Resonatorscheibe 30 – in diesem Fall 28 – gleichmäßig über den Umfang 12 verteilte, radial nach innen bzw. zur Mittelbohrung 35 hin offene Reflektionsvertiefungen 20 auf.
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Jede Zwischenabdichtung 31 weist – abgesehen von deren Mittelbohrung 35 – im Weiteren Vollmaterial auf. Bei Anordnung einer Resonatorscheibe 30 zwischen jeweils zwei solchen Zwischenabdichtungen 31 werden die Reflektionsvertiefungen 20 einer Resonatorscheibe 30 axial beidseitig durch (Voll-)Material der Zwischenabdichtungen 31 begrenzt, wodurch sich – aus den Reflektionsvertiefungen 20 – entsprechende nur zum Strömungskanal 6 hin offene (schalldämpfende) Kammern 20 bilden.
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Über die geometrische Ausführung der Reflektionsvertiefungen 20 wird die hauptsächlich zu dämpfende Frequenz festgelegt. Dabei weisen alle Reflektionsvertiefungen 20 einer Resonatorscheibe 30 die gleiche Geometrie auf, sodass diese Resonatorscheibe 30 für eine zu dämpfende Frequenz ausgelegt ist.
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Je mehr unterschiedliche Reihen bzw. Resonatorscheiben 30 mit unterschiedlichen Reflektionsvertiefungen 20 vorhanden sind, desto breitbandiger können die Schallemissionen des Turboverdichters 1 gedämpft werden.
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2 (zeigt nicht Merkmale der Erfindung) zeigt einen eingeflanschten Reflektionsschalldämpfer 1 in Massivbauweise aus Metall umfassend einen einstückigen rohrförmigen Reflektionskörper 10.
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Der einstückige rohrförmige Reflektionskörper 10 wird auch hier axial beidseitig von jeweils einem Anschlusselement 50, 51 gehalten. Dazu weisen die Anschlusselemente 50, 51 jeweils einen Flansch 53 mit Bohrungen 54 auf, über welche der Reflektionskörper 10 beidseitig mittels axialer Verschraubungen 52 gehalten wird.
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Der Reflektionskorper 10 wie auch die beiden Anschlusselemente 50, 51 weisen eine zentrale, axiale Mittelbohrung 35 auf, welche einen nach beiden axialen Seiten offenen und vom Prozessgas 2 des Turboverdichters axial, in Strömungsrichtung 3 durchströmten Strömungskanal 6 bilden.
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Weiter weist der Reflektionskörper 10 in insgesamt vier Axialebenen 11 gleichmäßig über den Umfang 12 verteilte, radial nach innen bzw. zur Mittelbohrung 35 hin offene kammerformige (schalldampfende) Reflektionsvertiefungen 20 auf.
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Uber die geometrische Ausführung der Reflektionsvertiefungen 20 wird die hauptsächlich zu dämpfende Frequenz festgelegt. Dabei weisen alle Reflektionsvertiefungen 20 einer Axialebene 11 die gleiche Geometrie auf, sodass diese Axialebene 11 für eine zu dämpfende Frequenz ausgelegt ist.
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Je mehr unterschiedliche Axialebenen 11 mit unterschiedlichen Reflektionsvertiefungen 20 vorhanden sind, desto breitbandiger konnen die Schallemissionen des Turboverdichters 1 gedampft werden.
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3 zeigt einen eingeflanschten Reflektionsschalldämpfer 1 mit Innenteil 40 und drucktragendem Liner 60.
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Dieser Reflektionsschalldämpfer 1 weist – ahnlich dem Reflektionsschalldämpfer gemäß 1 – ebenfalls einen Reflektionskörper 10 aus einem Verbund von sich abwechselnden Resonatorscheiben 30 und – im Vergleich zu den Resonatorscheiben 30 wesentlich schmälere – Zwischenscheiben bzw. Zwischenabdichtungen 31 auf. So sind beispielsweise hier 16 Resonatorscheiben 30 und 17 Zwischenscheiben 31 angeordnet, welche in den 4a, b und 5a, b im Detail dargestellt sind.
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Die Resonatorscheiben 30 wie auch die Zwischenabdichtungen weisen jeweils eine zentrale, axiale Mittelbohrung 35 auf sowie von dort radial nach außen gehende, uber den Scheibenumfang gleichmäßig verteilte, Sektoren 34 bildende, sieben Stege 33 auf. Bei entsprechender zentrierter axialer Anordnung und Ausrichtung der Scheiben 30, 31 bilden sich dadurch sieben sektorale Stromungskanäle 6 für das Prozessgas aus.
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Die Anordnung und Zentrierung der Scheiben 30, 31 erfolgt einerseits durch einen inneren, zylinderförmigen Träger 40, das Innenteil 40, auf welchem die Resonatorscheiben 30 und die Zwischenabdichtungen 31 mit ihrer Mittelbohrung 35 in ihrer wechselseitigen Anordnung sitzen, sowie andererseits durch eine außere, rohrförmige Ummantelung 60, den Liner, in welchem die Scheiben 30, 31 aufgenommen und über Flansche 53 – zusammen mit entsprechenden axiale Endstücke bildenden Anschlusselementen 50, 51 – und Bohrungen 36 gehalten und verschraubt sind 52.
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Bei Verwendung eines solchen inneren Kerns 40 sowie der sektoralen Aufteilung 34 des Stromungsquerschnitts durch die sektorale Gestaltung 34 der Scheiben 30, 31 wird der Stromungsfluss durch Führung und Aufteilung verstetigt. Insbesondere ist dadurch möglich, das komplexe dreidimensionale, rotierende und/oder pulsierende Druckfeld bzw. Schallfeld des Turboverdichters 100 auf Felder mit naherungsweise ebenen Wellen zu reduzieren. Beides trägt zu einer Verbesserung des Schallfeldes und damit zur Effizienzerhöhung des Reflektionsschalldämpfers 1 bei.
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Weiter weist jede Resonatorscheibe 30 – in diesem Fall 28 – gleichmaßig uber den Umfang 12 verteilte, radial nach innen bzw. zum jeweiligen Sektor 34 hin offene (äußere) Reflektionsvertiefungen 20 auf. Auch weist jede Resonatorscheibe 30 – in diesem Fall 7 – gleichmäßig über den Umfang 12 der Mittelbohrung 35 verteilte, radial nach außen bzw. ebenfalls zum jeweiligen Sektor 34 hin offene weitere (innere) Reflektionsvertiefungen 20 auf.
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Bei vorhandenen sieben Sektoren 34 pro Resonatorscheibe 30 weist demzufolge jeder Sektor 34 vier „außere” sowie eine „innere” Reflektionsvertiefung 20 auf, deren jede im Wesentlichen quaderförmig gestaltet ist sowie an ihrer Öffnung 24 zum jeweiligen Sektor 34 eine einen Einlass bildende Verengung 25 aufweist.
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Jede Zwischenabdichtung 31 weist – abgesehen von deren Mittelbohrung 35 und den sieben Sektoren 34 – im Weiteren Vollmaterial auf. Bei Anordnung einer Resonatorscheibe 30 zwischen jeweils zwei solchen Zwischenabdichtungen 31 werden die äußeren und inneren Reflektionsvertiefungen 20 einer Resonatorscheibe 30 axial beidseitig durch (Voll-)Material der Zwischenabdichtungen 31 begrenzt, wodurch sich – aus den Reflektionsvertiefungen 20 – entsprechende zum jeweiligen Strömungskanal 6 hin offene (schalldämpfende) Kammern 20 bilden.
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Über die geometrische Ausführung der Reflektionsvertiefungen 20, wie beispielsweise deren Volumen, Form, Breite oder Tiefe, wird die hauptsächlich zu dämpfende Frequenz festgelegt. Dabei weisen alle Reflektionsvertiefungen 20 einer Resonatorscheibe 30 die gleiche Geometrie auf, sodass diese Resonatorscheibe 30 für eine zu dämpfende Frequenz ausgelegt ist.
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Je mehr unterschiedliche Reihen bzw. Resonatorscheiben 30 mit unterschiedlichen Reflektionsvertiefungen 20 vorhanden sind, desto breitbandiger konnen die Schallemissionen des Turboverdichters 1 gedampft werden.
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6 bis 8 verdeutlichen verschiedene Reflektions- bzw. Resonator- Prinzipien im Zusammenhang mit deren konstruktiven Umsetzungen bei den Reflektionsschalldämpfern 1.
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6 zeigt eine Prinzipskizze eines Lambda/4-Resonators; 7 zeigt eine Prinzipskizze eines Lambda/2-Resonators.
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Reflektionsvertiefungen 20 bzw. Hohlraume 20 nach dem Lambda/2-Prinzip bzw. nach dem Lambda/4-Prinzip beruhen auf einer Reflektion von Schallwellen an Öffnungen 24 von – im Speziellen kammerartig ausgebildeten – Reflektionsvertiefungen 20, welche in der Regel eine enge Öffnung 24, 25 nach außen, welche auch als Kanal 21 ausgebildet sein kann, aufweisen.
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Innerhalb dieser Reflektionsvertiefungen 20 kommt es fur bestimmte Frequenzen – den Resonanzfrequenzen – zu stehenden Wellen mit einem Druckknoten in der Nahe der Offnungen 24 der Reflektionsvertiefungen 20, wobei sich in der jeweiligen Reflektionsvertiefung 20 – im Falle eines Lambda/2-Resonators – eine näherungsweise halbe Wellenlänge bzw. – im Falle eines Lambda/4-Resonators eine näherungsweise viertel Wellenlange bei der Resonanzfrequenz der jeweiligen Reflektionsvertiefung 20 ausbildet. Dadurch werden die Schallwellen, deren Frequenz der Resonanzfrequenz der Reflektionsvertiefung 20 entspricht, zurückgeworfen und gedampft.
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6 zeigt für einen Lambda/4-Resonator eine spezielle Bauform, nach der die zu einer Frequenz zugehorigen Einzelkammern 20 (einer Axialebene 11 des Reflektionsschalldampfers 1 bzw. des Reflektionskörpers 10 – bei dargestellten insgesamt 9 Axialebenen 11) jeweils als Bohrung unterschiedlicher radialer Lange über dem Umfang 12 angeordnet werden.
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7 zeigt für einen Lambda/2-Resonator wie die zu einer Frequenz zugehorigen Einzelkammern 20 (einer Axialebene 11 des Reflektionsschalldämpfers 1 bzw. des Reflektionskörpers 10 – bei dargestellten insgesamt 9 Axialebenen 11) über jeweils einen Kanal 21 mit dem Stromungsquerschnitt 6 verbunden sind.
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8 zeigt eine Prinzipskizze eines Helmholtz-Resonators.
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Reflektionsvertiefungen 20 bzw. Hohlräume 20 nach dem Helmholtz-Prinzip werden realisiert durch eine im Speziellen kammerartig ausgebildete Reflektionsvertiefung 20 (Hauptvolumen) mit einer engen Öffnung 24, 25 nach außen, welche auch als Kanal 21 ausgebildet sein kann.
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8 zeigt solche großen Hauptvolumina 20 in mehreren, d. h. neun, Axialebenen 11 des Reflektionsschalldampfers 1 bzw. Reflektionskörpers 10, welche über solche Kanäle 21 unterschiedlicher Lange mit dem Stromungsquerschnitt 6 verbunden sind.
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Durch eine Elastizität des Fluidvolumens im Inneren der kammerartig ausgebildeten Reflektionsvertiefung 20 in Kombination mit einer trägen Masse des in der Öffnung 24, 25 der kammerartig ausgebildeten Reflektionsvertiefung 20 befindlichen Fluids entsteht ein mechanisches Masse-Feder-System mit einer ausgeprägten Eigenresonanz bzw. Resonanzfrequenz.
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Dadurch werden die Schallwellen, deren Frequenz der Resonanzfrequenz der Reflektionsvertiefung 20 entspricht, zurückgeworfen und gedämpft.
