DE102012213622A1

DE102012213622A1 - Turbomaschine

Info

Publication number: DE102012213622A1
Application number: DE201210213622
Authority: DE
Inventors: Sven König
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-08-02
Filing date: 2012-08-02
Publication date: 2014-02-06
Also published as: WO2014019768A3; WO2014019768A2

Abstract

Turbomaschine (1), mit einem in einem Gehäuse aufgenommenen Laufrad und einem radial oder halb-axial verlaufenden Strömungskanal, wobei in einem zwischen dem Laufrad und der Innenseite des Gehäuses gebildeten Radseitenraum (2, 3) ein Schall absorbierendes Material (8) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine, mit einem in einem Gehäuse aufgenommenen Laufrad und einem radial oder halb-axial verlaufenden Strömungskanal.
Bei Turbomaschinen können sich in mit einem Strömungsmedium gefüllten Kavitäten akustische Eigenmoden ausbilden, die durch charakteristische Eigenformen und zugehörige Eigenfrequenzen charakterisiert sind. Es existieren unendlich viele derartige Eigenmoden. Ein kritischer Bereich für radiale Turbomaschinen, die sich durch einen radial verlaufenden Strömungsweg auszeichnen, sind Radseitenräume. An diesen Stellen können Eigenmoden auftreten, dabei handelt es sich um stehende Wellen, die im Resonanzfall Druckschwankungen mit hoher Amplitude verursachen können. Aufgrund der inhärent instationären Strömung in radialen Turbomaschinen besteht immer ein Anregungspotenzial für die akustischen Eigenmoden in Radseitenräumen. In der Folge kann es zu einer Schwingungsanregung von Laufrädern der Turbomaschine kommen, die sowohl über eine Deckscheibe als auch über eine Radscheibe erzeugt werden kann. Wenn es durch Strömungsanregung, akustischen Eigenmode und Struktureigenmode zum Auftreten von Resonanz kommt, kann dies im schlimmsten Fall zu einer Zerstörung des Laufrads führen.
Obwohl das Problem des Auftretens akustischer Resonanzen in Radseitenräumen bereits seit einiger Zeit bekannt ist, existiert bisher aufgrund der Komplexität der mehreren physikalischen Effekte und deren Interaktionen keine Lösung zu deren Vermeidung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Turbomaschine anzugeben, bei der das Auftreten akustischer Resonanzen in Radseitenräumen verringert ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Turbomaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem zwischen dem Laufrad und der Innenseite des Gehäuses gebildeten Radseitenraum ein Schall absorbierendes Material angeordnet ist.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch das Schall absorbierende Material akustische Eigenmoden in den Radseitenräumen von radialen oder halb-axialen Turbomaschinen gedämpft werden können. Dazu wird gezielt wenigstens ein Bereich des den Radseitenraum berandenden Gehäuses mit einem Schall absorbierenden Material versehen. Das Schall absorbierende Material ändert gezielt die Wandimpedanz, wodurch die Form und die Eigenfrequenzen der akustischen Moden im Radseitenraum beeinflusst werden. Auf diese Weise kann das System Laufradeigenmode/Akustikeigenmode gezielt verstimmt werden, um das Auftreten nachteiliger Resonanzen zu vermeiden.
Um bei der erfindungsgemäßen Turbomaschine die gewünschte Dämpfung akustischer Eigenmoden zu erzielen, kann es vorgesehen sein, dass das Schall absorbierende Material aus mehreren separaten Absorberabschnitten besteht. Die mehreren Absorberabschnitte können sowohl in Strömungsrichtung hintereinander als auch in Umfangsrichtung angeordnet sein.
Bei der erfindungsgemäßen Turbomaschine wird es besonders bevorzugt, dass das Schall absorbierende Material an der Stelle oder an den Stellen angeordnet ist, an der bzw. an denen akustische Moden eine maximale Amplitude aufweisen. Auf diese Weise können gezielt energiereiche und somit potenziell gefährliche Moden eliminiert werden.
Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Turbomaschine kann es vorgesehen sein, dass das Schall absorbierende Material in einer an der Innenseite des Gehäuses gebildeten Kammer aufgenommen ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Strömungsweg im Inneren der Turbomaschine unbeeinflusst bleibt.
Eine besonders gute Dämpfung lässt sich erzielen, wenn das Schall absorbierende Material als Geflecht aus Mineralwolle ausgebildet ist. Alternativ können Stahlfasern, vorzugsweise rostfreie Stahlfasern, als Schall absorbierendes Material verwendet werden, die in der an der Innenseite des Gehäuses gebildeten Kammer aufgenommen sind. Andere spezielle Dämpfungsmaterialien sind auch verwendbar, deren Eigenschaften auf das Strömungsmedium abgestimmt werden.
Um eine Beschädigung des Schalls absorbierenden Materials durch ein strömendes Fluid zu vermeiden, kann es vorgesehen sein, dass das Schall absorbierende Material durch eine Abdeckung, insbesondere ein Abdeckblech, gegenüber dem Strömungskanal abgedeckt ist. Vorzugsweise ist diese Abdeckung akustisch transparent, sodass die gewünschte Dämpfung von akustischer Eigenmoden erreicht wird.
Um die Abdeckung des Schall absorbierenden Materials der erfindungsgemäßen Turbomaschine zu schützen, kann eine Platte, insbesondere ein Lochblech oder Drahtgitter, dazwischen angeordnet sein.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
1 akustische Moden im Radseitenraum einer herkömmlichen Turbomaschine;
2 eine geschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen Turbomaschine;
3 eine geschnittene Ansicht eines Absorbers mit Schall absorbierendem Material;
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Absorbers; und
5–7 verschiedene Ansichten einer Abdeckung für das Schall absorbierende Material.
1 zeigt einen typischen akustischen Mode im deckscheibenseitigen Radseitenraum einer herkömmlichen Turbomaschine. In der perspektivischen Ansicht von 1 geben die Linien jeweils Orte gleicher Amplitude des akustischen Modes im Radseitenbereich an. Diese akustischen Moden erzeugen große Druckamplituden im Radseitenraum.
2 ist eine geschnittene Ansicht einer Turbomaschine 1, die als Radialverdichter ausgebildet ist. Im radscheibenseitigen Radseitenraum 2 und im deckscheibenseitigen Radseitenraum 3 ist jeweils ein Absorber 4, 5 aus einem Schall absorbierenden Material angeordnet. Dazu weist der Radseitenraum jeweils eine Kammer 6, 7 auf, in der der Absorber 4, 5 angeordnet ist. Durch die Absorber 4, 5 werden die Amplituden akustischer Druckschwankungen in den Radseitenräumen beträchtlich reduziert, sodass Resonanzen, die ansonsten die Bauteile gefährden könnten, minimiert oder vermieden werden. Insbesondere können zwischen den beiden Radseitenräumen gekoppelte Akustikmoden, die im Hinblick auf eine Anregung des Laufrads besonders kritisch sind, gezielt entkoppelt werden. Als weiterer Vorteil ergibt sich eine verringerte Schallentstehung.
3 ist eine geschnittene Ansicht des Absorbers 4. Das Schall absorbierende Material 8 befindet sich in der Kammer 6, die mit einer Abdeckung 9 verschlossen ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Abdeckung 9 aus einem Geflecht aus Mineralwolle. Um die Abdeckung 9 vor einer Verformung zu schützen, ist eine Platte 10 zwischen der Abdeckung 9 und dem Schall absorbierenden Material 8 angeordnet. Die Tiefe der Kammer 6, in der das Schall absorbierende Material aufgenommen ist, ist auf die zu dämpfenden Frequenzen abgestimmt. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Kammer in mehrere Teilkammern unterteilt sein.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Absorbers in einer geschnittenen Ansicht. Der Absorber 11 umfasst in Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel von 3 die Kammer 6, die mit einer Abdeckung 12 versehen ist. Die Abdeckung 12 ist als Schall absorbierendes Blech ausgebildet.
Die 5, 6 und 7 zeigen die Abdeckung 9 in verschiedenen Ansichten, wobei 5 eine Draufsicht und die 6 und 7 zueinander orthogonale Schnittansichten sind. Die Abdeckung 9 ist als feinmaschiges Gewebe aus rostfreien Stahlfasern ausgebildet.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Turbomaschine (1), mit einem in einem Gehäuse aufgenommenen Laufrad und einem radial oder halb-axial verlaufenden Strömungskanal, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zwischen dem Laufrad und der Innenseite des Gehäuses gebildeten Radseitenraum (2, 3) ein Schall absorbierendes Material (8) angeordnet ist.
Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schall absorbierende Material (8) aus mehreren separaten Absorberabschnitten besteht.
Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schall absorbierende Material (8) an der Stelle oder an den Stellen angeordnet ist, an der akustische Moden eine maximale Amplitude aufweisen.
Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schall absorbierende Material (8) in einer an der Innenseite des Gehäuses gebildeten Kammer (6, 7) aufgenommen ist.
Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schall absorbierende Material als Geflecht aus Mineralwolle ausgebildet ist oder vorzugsweise rostfreie Stahlfasern umfasst oder an ein Strömungsmedium angepasst ist.
Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schall absorbierende Material (8) durch eine Abdeckung (9, 12), insbesondere ein Abdeckblech, gegenüber dem Strömungskanal abgedeckt ist.
Turbomaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (9, 12) akustisch transparent ist.
Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Abdeckung (9, 12) und dem Schall absorbierenden Material eine Platte, insbesondere ein Lochblech oder ein Drahtgitter, angeordnet ist.
Turbomaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe und Form einer Kammer (6, 7) gezielt auf die Frequenzen des akustischen Modes abgestimmt sind.