DE102015013696A1

DE102015013696A1 - Pulsation damper unit with dynamically variable loss coefficient

Info

Publication number: DE102015013696A1
Application number: DE102015013696.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Brümmer; Patrick Tetenborg; Johann Lenz
Original assignee: Kotter Consulting Eng & Co KG GmbH; KOTTER Consulting Engineers & Co KG GmbH
Current assignee: Kotter Consulting Eng & Co KG GmbH; KOTTER Consulting Engineers & Co KG GmbH
Priority date: 2015-10-22
Filing date: 2015-10-22
Publication date: 2017-04-27
Anticipated expiration: 2035-10-23
Also published as: DE102015013696B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pulsationsdämpfereinheit zur Dämpfung von sich in Strömungsmittelförderkanälen ausbreitenden Schallwellen bzw. Pulsationen, dadurch gekennzeichnet, dass diese durchströmt wird und deren Verlustbeiwert sich durch Veränderung der Geometrie in Abhängigkeit von aus der transienten Strömungssituation resultierenden Kräften und aus Steifigkeitskomponenten resultierenden Rückstellkräften in Echtzeit bzw. nach einer aus dem Übertragungsverhalten resultierenden Latenzzeit dynamisch anhand des entsprechenden adaptiven und passiven Wirkprinzips zwischen der transienten lokalen Strömungssituation und dem dynamischen Verlustbeiwert ändert.The invention relates to a pulsation damper unit for damping sound waves or pulsations propagating in fluid delivery channels, characterized in that it is flowed through and its loss coefficient is determined by changing the geometry as a function of forces resulting from the transient flow situation and restoring forces resulting from stiffness components in real time or dynamically changes according to a latency resulting from the transmission behavior on the basis of the corresponding adaptive and passive principle of operation between the transient local flow situation and the dynamic loss coefficient.

Description

Das Funktionsprinzip von Strömungs- und Verdrängermaschinen führt in der Regel zu einer instationären Zu- sowie Abströmung des Fördermediums. Die dazugehörigen Entstehungsmechanismen sowie Gegenmaßnahmen werden bereits seit langer Zeit erforscht. Eine gänzliche Vermeidung solcher instationärer Strömungsvorgänge lässt sich jedoch nicht realisieren. Je nach Ausprägung der vorhandenen Schallwellen bzw. Pulsationen können diese zu erhöhten Lärm- oder Materialbelastungen führen. Lärmbelästigungen gilt es, im Bereich höherfrequenter Schallwellen (ca. 20 Hz bis 20 kHz) zu vermeiden. Erhöhte Materialbelastungen sind meist bei eher tieffrequenten Pulsationen unterhalb von ca. 200 Hz als kritisch einzustufen. Diese sollen nachfolgend näher betrachtet werden und den Fokus für die hier vorgestellte Pulsationsdämpfereinheit darstellen.The functional principle of flow and displacement machines usually leads to a transient inflow and outflow of the pumped medium. The associated generation mechanisms and countermeasures have been researched for a long time. However, a complete avoidance of such unsteady flow processes can not be realized. Depending on the severity of the existing sound waves or pulsations, these can lead to increased noise or material stress. Noise pollution is to be avoided in the area of higher-frequency sound waves (approx. 20 Hz to 20 kHz). Increased material loads are usually classified as critical at rather low-frequency pulsations below about 200 Hz. These will be considered in more detail below and represent the focus for the Pulsationsdämpfereinheit presented here.

Je nach Dimensionierung und Auslegung von Anlagen und Maschinen können dynamische Materialbelastungen schnell zu Maschinenschäden und damit einhergehenden Betriebs- oder Produktionsausfällen führen. Ein häufig von tieffrequenten Pulsationen betroffener Maschinentyp ist der Kolbenverdichter. Dessen periodisches Arbeitsprinzip induziert meist starke Pulsationen, welche zu erhöhten Belastungen der Maschine, des angeschlossenen Rohrleitungssystems sowie der vorhandenen Peripherie führen. Ohne entsprechende Pulsationsdämpfungsmaßnahmen wäre ein Verdichterbetrieb daher problematisch. Kolbenverdichter besitzen eine hohe Flexibilität und werden bei unterschiedlichsten Betriebszuständen betrieben, weshalb breitbandige Dämpfungsmaßnahmen erforderlich sind. Neben der Anwendung in industriellen Anlagen treten Pulsationen auch an mobilen oder stationären Hydrauliksystemen oder im mobilen Kraftfahrzeugbereich auf und können hier ebenfalls zu unerwünschten Betriebsbeeinflussungen führen.Depending on the dimensioning and design of plants and machines, dynamic material loads can quickly lead to machine damage and consequent operational or production breakdowns. A frequently affected by low-frequency pulsations machine type is the reciprocating compressor. Its periodic operating principle usually induces strong pulsations, which lead to increased loads on the machine, the connected piping system and the existing peripherals. Without appropriate Pulsationsdämpfungsmaßnahmen a compressor operation would therefore be problematic. Piston compressors have a high flexibility and are operated in different operating conditions, which is why broadband damping measures are required. In addition to the application in industrial plants, pulsations also occur in mobile or stationary hydraulic systems or in the mobile motor vehicle sector and can likewise lead to undesired operational influences here.

Aus dem Bestreben nach einem möglichst pulsationsarmen Betrieb von industriellen Maschinen und Anlagen sowie mobilen Anwendungen lässt sich ein Anforderungsportfolio für eine effektive Pulsationsdämpfung ableiten.From the aspiration to a pulsation-poor operation of industrial machines and plants as well as mobile applications, a requirement portfolio for an effective pulsation damping can be derived.

Die oberste Priorität liegt dabei auf einer möglichst großen Reduktion der Pulsationen. Der pulsationsarme Betrieb von Maschinen und Anlagen hat neben einer verringerten dynamischen Materialbelastung weitere Vorteile. Der Verschleiß einzelner Komponenten wird durch gleichbleibende Belastungen reduziert. Der Energieverlust durch z. B. reibungsbehaftete instationäre Rohrleitungsströmungen oder pulsationserregte schwingende Rohrleitungsbereiche wird reduziert. Ein grundlegend vermindertes Pulsationsniveau ermöglicht zudem eine Material und Ressourcen sparende Konstruktion zukünftiger Maschinen- und Anlagentypen.The highest priority is to reduce the pulsations as much as possible. The pulsation-poor operation of machines and plants has further advantages in addition to a reduced dynamic material load. The wear of individual components is reduced by constant loads. The energy loss by z. As frictional unsteady pipe flows or pulsation excited vibrating pipe sections is reduced. A fundamentally reduced pulsation level also enables material and resource-saving design of future machine and plant types.

Ein weiteres maßgebliches Anforderungskriterium für eine geeignete Pulsationsdämpfereinheit ist ein möglichst geringer bleibender Druckverlust. Der Druckverlust eines Fördermediums ist gleichbedeutend mit einem Energieverlust und führt somit zu erhöhten Betriebskosten einer Anlage.Another significant requirement criterion for a suitable Pulsationsdämpfereinheit is the lowest possible pressure loss. The pressure loss of a pumped medium is synonymous with an energy loss and thus leads to increased operating costs of a system.

Um eine universelle Nutzung für Maschinen mit variablen Betriebspunkten zu ermöglichen, muss zudem eine ausreichende Flexibilität bzw. breitbandige Dämpfungscharakteristik der Pulsationsdämpfereinheit gewährleistet sein. Zudem sollte eine Pulsationsdämpfereinheit ohne Zufuhr von Fremdenergie auskommen. Diese würde mit zusätzlichen Regel- und/oder Steuerungsanforderungen einhergehen und erhöhte Anforderungen an einen möglichen Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen mit sich bringen. Die wesentlichen Anforderungen an eine passive Pulsationsdämpfereinheit sind somit ein erhöhtes Dämpfungspotential für einen breiten Betriebsbereich bei vernachlässigbaren energetischen Verlusten (Betriebskosten).In order to enable a universal use for machines with variable operating points, a sufficient flexibility or broadband damping characteristic of the pulsation damper unit must also be ensured. In addition, a Pulsationsdämpfereinheit should get along without supply of external energy. This would be accompanied by additional control and / or control requirements and increased demands on a possible use in potentially explosive atmospheres. The essential requirements of a passive pulsation damper unit are thus an increased damping potential for a wide operating range with negligible energy losses (operating costs).

Zur Vermeidung von insbesondere tieffrequenten Pulsationen werden bisher standardmäßig interferenzbasierte Pulsationsdämpfer sowie Dissipationsdämpfer eingesetzt. Aufgrund der großen Wellenlänge werden nur selten Absorptionsschalldämpfer angewendet. Der Aufbau eines auf der destruktiven Interferenz von Druckschwankungen basierenden Pulsationsdämpfers entspricht klassischen Schalldämpfern, wie sie z. B. in Kraftfahrzeugen verwendet werden. Nachteilig für tieffrequente Pulsationen ist die für einen ausreichenden Dämpfungsgrad erforderliche Baugröße. Diese orientiert sich neben der Nennweite der angeschlossenen Strömungsmittelförderkanäle an der akustischen Wellenlänge der Pulsationen. Diese ist reziprok von der Frequenz abhängig und bei niedrigen Frequenzen somit umso größer. Da mit zunehmenden Baugrößen erhöhte Kosten einhergehen, ist das Dämpfungspotential hier durch die Baugröße beschränkt.To avoid low-frequency pulsations in particular, interference-based pulsation dampers and dissipation dampers have hitherto been used by default. Due to the large wavelength, absorption silencers are rarely used. The structure of a based on the destructive interference of pressure fluctuations Pulsationsdämpfers corresponds to classic mufflers, such as. B. used in motor vehicles. A disadvantage for low-frequency pulsations is the size required for a sufficient degree of damping. This is based on the nominal wavelength of the connected fluid delivery channels at the acoustic wavelength of the pulsations. This is reciprocally dependent on the frequency and thus at low frequencies the greater. Since increasing costs associated with increasing sizes, the damping potential is limited here by the size.

Ein dissipativer Dämpfer (z. B. eine Blende in Strömungsmittelförderkanälen) hingegen basiert auf der verlustbehafteten Dämpfung von Pulsationen bzw. Schallwellen. Deren Ausführung muss dabei stets einen Kompromiss aus zulässigem bleibenden Druckverlust sowie gewünschtem Dämpfungsgrad darstellen. Dissipative Dämpfer besitzen meist einen gegenüber dem Strömungsmittelförderkanal stark reduzierten freien Strömungsquerschnitt. Dadurch erfolgt zunächst eine Strömungseinschnürung bis in den Bereich des engsten Querschnitts und anschließend eine Strömungsaufweitung, welche vergleichbar mit einer Stoßdiffusorströmung ist. Der Dämpfungsmechanismus resultiert hier insbesondere aus den stark dissipativen Vorgängen in der Stoßdiffusorströmung. Der realisierbare Dämpfungsgrad wird durch den energetischen Verlust in der Strömung begrenzt, welcher zu erhöhten Betriebskosten der jeweiligen Maschine oder Anlage führt. Diese beiden grundlegenden physikalischen Funktionsprinzipien zur Dämpfung von Pulsationen bzw. Schall wurden in der Vergangenheit bereits in vielfältiger Form weiterentwickelt.By contrast, a dissipative damper (eg a diaphragm in fluid delivery channels) is based on the lossy damping of pulsations or sound waves. Their design must always represent a compromise from permissible permanent pressure loss and desired degree of damping. Dissipative dampers usually have a greatly reduced free flow cross-section with respect to the fluid delivery channel. As a result, flow constriction initially takes place into the area of the narrowest cross section and subsequently a flow expansion, which is comparable to a collision diffuser flow. The damping mechanism results here in particular the strongly dissipative processes in the shock-diffuser flow. The achievable degree of damping is limited by the energetic loss in the flow, which leads to increased operating costs of the respective machine or plant. These two fundamental physical operating principles for damping pulsations or sound have already been developed in manifold ways in the past.

Dissipative Dämpfer werden häufig in Form von Drosselelementen, wie einfachen Blenden oder aufwendigeren Pulsations-Dämpferplatten – z. B. nach DE 19538178 –, ausgeführt. Der Großteil weiterführender Entwicklungen betrifft die Spezialisierung auf einzelne Anwendungsbereiche mit statischen Bauteilen. So wurde in DE 19943918 z. B. eine besondere Bauform eines dissipativen Dämpfers, welcher zusätzliche Interferenzeffekte nutzt, für Schallwellen im Ultraschallbereich entwickelt.Dissipative dampers are often in the form of throttle elements, such as simple diaphragms or elaborate pulsation damper plates -. B. after DE 19538178 -, executed. The majority of further developments concern the specialization in individual application areas with static components. So was in DE 19943918 z. B. a special design of a dissipative damper, which uses additional interference effects, developed for sound waves in the ultrasonic range.

In DE 3801153 und DE 20 2006 005 140 werden weitere dissipative Drosselelemente gezeigt, welche zur Schalldämpfung dienen. Beide Vorrichtungen sind für die Installation in einem Ansaug- oder Abgastrakt von Verbrennungsmotoren vorgesehen und sollen dort durch eine sich drehzahl- bzw. betriebsabhängig einstellende Drosselklappe zu einer Reduktion der Schallemissionen führen. Das Dämpfungsverhalten wird somit adaptiv in Abhängigkeit des Betriebspunktes angepasst. Das grundsätzliche Verhalten eines dissipativen Dämpfers, dass dieser mit zunehmendem Dämpfungsgrad einen zunehmenden Druckverlust erzeugt, kann hiermit jedoch nicht verbessert werden.In DE 3801153 and DE 20 2006 005 140 further dissipative throttle elements are shown, which serve for soundproofing. Both devices are intended for installation in an intake or exhaust tract of internal combustion engines and are there to lead by a speed or operating dependent adjusting throttle valve to a reduction of noise emissions. The damping behavior is thus adapted adaptively as a function of the operating point. However, the basic behavior of a dissipative damper, which generates an increasing pressure loss with increasing degree of damping, can not be improved hereby.

In US 20150204317 wird ein dissipativer Dämpfer beschrieben, der durch einen schrittmotorgesteuerten Verstellmechanismus an unterschiedliche Betriebspunkte angepasst werden kann. Eine Relativverdrehung zwischen zwei Drosselelementen ermöglicht hier unterschiedlich große freie Strömungsquerschnitte. Dieses ermöglicht es, den Dämpfungsgrad in Abhängigkeit von betriebspunktabhängigen Druckpulsationen zu verstärken oder zu reduzieren und somit für unkritische Betriebspunkte einen niedrigen Druckverlust zu erzeugen. Die grundlegende Charakteristik eines dissipativen Dämpfers wird hier jedoch ebenfalls nicht verbessert.In US 20150204317 a dissipative damper is described which can be adapted to different operating points by means of a stepping motor-controlled adjusting mechanism. A relative rotation between two throttle elements allows differently sized free flow cross sections. This makes it possible to increase or reduce the degree of damping as a function of operating point-dependent pressure pulsations and thus to produce a low pressure loss for non-critical operating points. However, the basic characteristic of a dissipative damper is also not improved here.

Um dieses Verhalten positiv zu beeinflussen, kann ein in Echtzeit – z. B. mit der aktuellen Pulsationsfrequenz – veränderliches Dämpfungsverhalten zielführend sein. Dieses wird anhand der aktiven Systeme in DE 4439704 , DE 10055399 und DE 10 2005 058 547 ersichtlich. In DE 4439704 wird ein motorgetriebener oszillierender Kolben vor die Einströmöffnung einer Rohrleitung in einem Schalldämpfer platziert. In Abhängigkeit von dem momentanen Betriebspunkt der dazugehörigen Maschine/Anlage wird die Frequenz der Oszillation angepasst und die Ausbreitung von Schall bzw. Pulsationen wird durch den teilweisen Verschluss der Rohrleitung beeinflusst. In DE 10055399 wird eine motorgetriebene rotierende Scheibe in einen Strömungsmittelförderkanal integriert und aktiv angesteuert. Der Scheibe wird ebenfalls in Abhängigkeit des momentanen Betriebspunktes eine konstante Drehfrequenz vorgegeben, welches aufgrund des Strömungswiderstandes zu einer Schall- bzw. Pulsationsreduktion führen soll. Beide Erfindungen wurden für den Ansaug- bzw. Abgastrakt von Verbrennungsmotoren entwickelt. Die dissipativen Dämpfungsmechanismen beider Vorrichtungen sind daher nur für periodische Vorgänge mit gleichbleibenden Amplituden- und Phasenbeziehungen geeignet. Für den Einsatz in industriellen Anlagen sind diese aufgrund stark veränderlicher Betriebszustände und Anlagenparameter nicht geeignet. DE 10 2005 058 547 versucht über einen frei konfigurierbaren Regelalgorithmus, einen in eine Hydraulikleitung eingebauten Aktuator so anzusteuern, dass dieser die durch eine Sensorik erfassten ursprünglichen Druckschwankungen des Systems kompensiert. Die zuletzt vorgestellten Erfindungen ( DE 4439704 , DE 10055399 und DE 10 2005 058 547 ) erfordern die Zufuhr von Fremdenergie und verfehlen somit die Anforderungen an eine passive Dämpfereinheit.To positively influence this behavior, a real-time - z. B. with the current pulsation frequency - variable attenuation behavior be effective. This is based on the active systems in DE 4439704 . DE 10055399 and DE 10 2005 058 547 seen. In DE 4439704 a motorized oscillating piston is placed in front of the inlet opening of a pipeline in a muffler. Depending on the current operating point of the associated machine / plant, the frequency of the oscillation is adjusted and the propagation of sound or pulsations is influenced by the partial closure of the pipeline. In DE 10055399 a motor-driven rotating disc is integrated into a fluid conveying channel and actively activated. The disk is also given a constant rotational frequency as a function of the instantaneous operating point, which due to the flow resistance should lead to a sound or Pulsationsreduktion. Both inventions have been developed for the intake and exhaust tract of internal combustion engines. The dissipative damping mechanisms of both devices are therefore suitable only for periodic processes with constant amplitude and phase relationships. For use in industrial plants, these are not suitable due to greatly varying operating conditions and system parameters. DE 10 2005 058 547 Attempts via a freely configurable control algorithm to control an actuator built into a hydraulic line so that it compensates for the original pressure fluctuations of the system detected by a sensor system. The most recently introduced inventions ( DE 4439704 . DE 10055399 and DE 10 2005 058 547 ) require the supply of external energy and thus miss the requirements of a passive damper unit.

Ausgehend vom Stand der Technik ist bekannt, dass es adaptive Systeme zur Beeinflussung von Pulsationen und Schallwellen bis dato nur mit einer auf den Betriebspunkt bezogenen Adaptation gibt. Systeme mit in Echtzeit veränderlicher Dämpfungscharakteristik werden bisher nur durch aktive Regelungs-/Steuerungselemente mit Hilfe von Fremdenergie realisiert. Beide Vorgehensweisen werden nur für eingeschränkte Anwendungsgebiete ausgeführt und konzipiert. Somit liegt der Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, eine dynamische Pulsationsdämpfereinheit zu entwerfen, welche sich in Echtzeit einer beliebigen instationären Strömungssituation anpasst. Diese soll universell einsetzbar sein und die benötigte Energie zur dynamischen Anpassung der Dämpfungscharakteristik über ein adaptives passives Konzept direkt dem transienten Strömungszustand entnehmen. Grundlegend soll dieses Verhalten unter der Prämisse einer näherungsweise vollständigen Pulsationsdämpfung bei minimalem Druckverlust erreicht werden.Starting from the prior art, it is known that adaptive systems for influencing pulsations and sound waves to date only exist with an adaptation related to the operating point. Systems with real-time variable damping characteristics have so far been realized only by active control / control elements using external energy. Both approaches are executed and designed only for limited applications. Thus, the invention is based on the object of designing a dynamic pulsation damper unit which adapts in real time to any transient flow situation. This should be universally applicable and remove the energy required for dynamic adaptation of the damping characteristic via an adaptive passive concept directly to the transient flow state. Basically, this behavior should be achieved under the premise of an approximately complete pulsation damping with minimal pressure loss.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Pulsationsdämpfereinheit gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen, Varianten und Zusatzmerkmale werden in den Unteransprüchen aufgeführt.This object is achieved by the Pulsationsdämpfereinheit according to the features of claim 1. Advantageous further developments, variants and additional features are listed in the subclaims.

Die Pulsationsdämpfereinheit basiert auf einer Kombination aus mindestens einer feststehenden und mindestens einer beweglichen Strömungskontur. Durch die relative Bewegung der Strömungskonturen zueinander stellen sich unterschiedlich große freie Strömungsquerschnitte ein. Ein an die transiente lokale Strömungssituation gebundenes adaptives Wirkprinzip ermöglicht es, dass die Relativbewegung in Echtzeit stattfindet. Unter Echtzeit wird hier eine dynamische Anpassung innerhalb einer Pulsationsperiodendauer verstanden, dessen Latenzzeit aus dem dynamischen Übertragungsverhalten des beweglichen Körpers resultiert und deutlich kleiner als die Pulsationsperiodendauer ist. Daraus resultiert ein sich ebenfalls transient ändernder Verlustbeiwert der Pulsationsdämpfereinheit.The pulsation damper unit is based on a combination of at least one fixed and at least one movable one Flow contour. Due to the relative movement of the flow contours to each other, different sized free flow cross sections. An adaptive mode of action, which is linked to the transient local flow situation, makes it possible for the relative movement to take place in real time. Under real time here is a dynamic adaptation understood within a Pulsationsperiodendauer whose latency results from the dynamic transmission behavior of the movable body and is significantly smaller than the Pulsationsperiodendauer. This results in a likewise transiently changing loss coefficient of the pulsation damper unit.

Die Basis hierfür stellt die Ausnutzung der lokalen Drücke vor und hinter der Dämpfereinheit dar, welche über entsprechende Flächen an der beweglichen Kontur zu bewegungsinduzierenden Kräften führen. Damit die momentane Position der beweglichen Kontur stets definiert ist, wird diese über geeignete Steifigkeitselemente (z. B. Blattfedern) gelagert. Dabei sollte die bewegliche Kontur ein möglichst geringes Eigengewicht aufweisen, um Trägheitseffekte zu minimieren und den dynamischen Druckschwankungen ohne Zeitversatz folgen zu können.The basis for this is the utilization of the local pressures in front of and behind the damper unit, which lead via corresponding surfaces on the movable contour to motion-inducing forces. So that the current position of the movable contour is always defined, it is supported by suitable stiffness elements (eg leaf springs). The movable contour should have the lowest possible weight in order to minimize inertial effects and to be able to follow the dynamic pressure fluctuations without time delay.

Anhand von Simulationsergebnissen konnte bereits ein optimaler Verlauf eines Verlustbeiwertes für harmonische Pulsationen und das hier auszunutzende adaptive Wirkprinzip bestimmt werden. Ein grundlegendes Ergebnis der Simulationsergebnisse ist die Tatsache, dass die Pulsationsdämpfereinheit bei vollständiger Dämpfung der Pulsationen ein aus akustischer Sicht geschlossenes Ende darstellt. Unmittelbar vor bzw. hinter der Pulsationsdämpfereinheit gibt es somit nahezu keine Geschwindigkeitsschwankungen. Dadurch lässt sich ein aus der stationären Stromfadentheorie bekannter Zusammenhang nutzen. Dieser besagt, dass der spezifische (auf die Masse bezogene) Druckverlust über einem Bauteil dem Produkt aus dem bauteilspezifischen Verlustbeiwert und der spezifischen kinetischen Energie der Strömung entspricht. Da die spezifische kinetische Energie der Zuströmung durch das Reflektionsverhalten der Pulsationsdämpfereinheit nahezu konstant ist, muss sich der benötigte, auf die Zuströmung bezogene Verlustbeiwert proportional zu den Druckschwankungen vor der Pulsationsdämpfereinheit verhalten. Hierzu müssen die erfindungsgemäßen Bestandteile der adaptiven Wirkkette aufeinander abgestimmt werden. Eine erfindungsgemäße Pulsationsdämpfereinheit beinhaltet somit eine entsprechend geeignete Auslegung des freien Strömungsquerschnittsverlaufs, der Federsteifigkeit sowie der relevanten Kraftangriffsflächen für das beschriebene transiente Strömungsverhalten.On the basis of simulation results, an optimal course of a loss coefficient for harmonic pulsations and the adaptive action principle to be exploited here could already be determined. A fundamental result of the simulation results is the fact that the pulsation damper unit is an acoustically closed end with complete damping of the pulsations. Immediately before or behind the Pulsationsdämpfereinheit there are thus almost no speed fluctuations. This makes it possible to use a connection known from stationary streamline theory. This states that the specific (mass related) pressure drop across a component corresponds to the product of the component specific loss coefficient and the specific kinetic energy of the flow. Since the specific kinetic energy of the inflow is almost constant due to the reflection behavior of the pulsation damper unit, the required loss coefficient related to the inflow must be proportional to the pressure fluctuations before the pulsation damper unit. For this purpose, the components of the adaptive effect chain according to the invention must be coordinated with each other. A pulsation damper unit according to the invention thus contains a correspondingly suitable design of the free flow cross-sectional profile, the spring stiffness and the relevant force application surfaces for the described transient flow behavior.

Die Erfindung wird anhand des in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels ergänzend erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to the embodiment shown in the following drawings.

In den Zeichnungen zeigen:In the drawings show:

1 Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Pulsationsdämpfereinheit als Ausführungsbeispiel für den Einbau zwischen zwei Rohrleitungsflanschen 1 Overall view of a Pulsationsdämpfereinheit invention as an exemplary embodiment of the installation between two pipe flanges

2 Draufsicht der erfindungsgemäßen Pulsationsdämpfereinheit in Strömungsrichtung 2 Top view of the pulsation damper unit according to the invention in the flow direction

3 Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Pulsationsdämpfereinheit quer zur Strömungsrichtung 3 Sectional view of the pulsation damper unit according to the invention transversely to the flow direction

4 Detailansicht des durchströmten Bereichs der erfindungsgemäßen Pulsationsdämpfereinheit 4 Detail view of the area through which the pulsation damper unit according to the invention flows

5 Detailansicht der beiden Strömungskonturen. 5 Detail view of the two flow contours.

Der grundlegende Aufbau der Erfindung basiert auf einem in einem beliebigen Strömungsmittelförderkanal fixierten Grundkörper (1) und einem an diesen gekoppelten beweglichen Körper (2). Der Grundkörper und der bewegliche Körper besitzen zwei aufeinander abgestimmte Strömungskonturen (11, 12). Für das Ausführungsbeispiel in 1 entsprechen diese Konturen parallelen Gitterschlitzen. Der freie Strömungsquerschnitt (9) der Pulsationsdämpfereinheit ergibt sich aus dem Freiraum zwischen den beiden Strömungskonturen (11, 12). Ein wesentliches Merkmal der Erfindung stellt der durch die Bewegung des Körpers dynamisch veränderliche freie Strömungsquerschnitt dar. Die Kombination mit dem nutzbaren adaptiven Wirkprinzip ermöglicht einen passiv und in Echtzeit – eine Latenzzeit resultiert lediglich aus dem dynamischen Übertragungsverhalten des beweglichen Körpers – veränderlichen Verlustbeiwert, welcher sich in Abhängigkeit der transienten Strömung einstellt. Für die Umsetzung des adaptiven Wirkprinzips werden gezielt dynamische und statische Drücke vor bzw. hinter der Pulsationsdämpfereinheit genutzt und über dazugehörige Angriffsflächen in adaptiv nutzbare Kräfte überführt. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel werden hierzu Druckkräfte auf den Kolben (4) genutzt. Zusätzlich kann die sich einstellende Druckdifferenz zwischen dem freien Strömungsquerschnitt im Bereich der Strömungskontur und dem Bereich mit dem durch den Staudruck erhöhten Druck mit den dazugehörigen Flächen als adaptive Kraft genutzt werden. Damit sich in Abhängigkeit von den adaptiven Kräften die benötigten Verlustbeiwerte einstellen, muss der bewegliche Körper über eine gewisse Steifigkeit verfügen. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird dieses über einstellbare Blattfederelemente realisiert. Zusätzlich kann hier durch Verzicht auf die Druckausgleichsfläche (8, 3) der hinteren Zylinderkammer eine aus dem Druckverlauf in der Zylinderkammer resultierende Steifigkeitskomponente bei der Auslegung berücksichtigt werden.The basic structure of the invention is based on a fixed in any fluid conveying channel body ( 1 ) and a movable body coupled thereto ( 2 ). The main body and the movable body have two coordinated flow contours ( 11 . 12 ). For the embodiment in 1 These contours correspond to parallel grid slots. The free flow cross section ( 9 ) of the pulsation damper unit results from the free space between the two flow contours ( 11 . 12 ). An essential feature of the invention is the free flow cross section which is dynamically variable as a result of the movement of the body. The combination with the adaptive active principle allows passive and real time latency results only from the dynamic transmission behavior of the mobile body Dependence of the transient flow sets. For the implementation of the adaptive principle of action, dynamic and static pressures in front of and behind the pulsation damper unit are specifically used and transferred via adaptive attack surfaces into adaptively usable forces. At the in 1 shown embodiment, this pressure forces on the piston ( 4 ) used. In addition, the pressure difference between the free flow cross section in the region of the flow contour and the region with the pressure increased by the dynamic pressure with the associated surfaces can be used as an adaptive force. In order for the required loss coefficients to be adjusted as a function of the adaptive forces, the movable body must have a certain rigidity. At the in 1 embodiment shown this is realized via adjustable leaf spring elements. Additionally, by omitting the pressure compensation surface ( 8th . 3 ) of the rear cylinder chamber one from the pressure curve in the Cylinder chamber resulting stiffness component to be considered in the design.

Anhand der bereits durchgeführten Untersuchungen ist bekannt, dass ein proportionaler Verlauf zwischen den u. a. aus dem freien Strömungsquerschnitt resultierenden Verlustbeiwerten und den Druckschwankungen vor der Pulsationsdämpfereinheit eine gute Pulsationsdämpfung ermöglicht. Dieser Zusammenhang stellt die Basis für das vorteilhafte Betriebsverhalten hinsichtlich des Kompromisses zwischen Pulsationsdämpfung und bleibendem Druckverlust gegenüber bestehenden Pulsationsdämpfereinheiten dar. Es ergibt sich hieraus ein näherungsweise konstanter Druck hinter der Pulsationsdämpfereinheit. Dieser kann aufgrund des rein dissipativen Vorgangs beim Durchströmen der Pulsationsdämpfereinheit maximal dem statischen Druck des unteren Scheitelwertes der Druckschwankungen vor der Pulsationsdämpfereinheit entsprechen.On the basis of the investigations already carried out it is known that a proportional course between the u. a. From the free flow cross section resulting loss coefficients and the pressure fluctuations before the Pulsationsdämpfereinheit allows good pulsation damping. This relationship forms the basis for the advantageous operating behavior with regard to the compromise between pulsation damping and permanent pressure loss compared with existing pulsation damper units. This results in an approximately constant pressure behind the pulsation damper unit. Due to the purely dissipative process when flowing through the pulsation damper unit, this maximum can correspond to the static pressure of the lower peak value of the pressure fluctuations upstream of the pulsation damper unit.

Ob die dynamische Änderung des freien Strömungsquerschnitts durch einen beweglichen Festkörper (vgl. Ausführungsbeispiel 1 bis 4) oder flexible Bauteile – bspw. Blechelemente oder Elastomere – realisiert wird, beeinflusst das grundlegende Funktionsprinzip nicht.Whether the dynamic change of the free flow cross-section through a movable solid (see 1 to 4 ) or flexible components - eg sheet metal elements or elastomers - is realized, does not affect the basic operating principle.

Der funktionale Zusammenhang (z. B. Proportionalität) zwischen Verlustbeiwert und den Druckschwankungen stellt die Basis für das adaptive Wirkprinzip dar. Daher liegt es nahe, die Druckschwankungen als Eingangsgröße für die Adaptation zu nutzen. Damit aus den zu nutzenden Drücken eine Bewegung des beweglichen Körpers resultiert, müssen diese auf entsprechende Flächen wirken. Anhand des Ausführungsbeispiels wird dieses durch einen explizit hierfür eingesetzten Kolben (4, siehe 1 bis 3) realisiert. Dieser wird von der Vorderseite mit dem transienten statischen Druck vor der Pulsationsdämpfereinheit beaufschlagt. Hierzu sind Druckausgleichsflächen (8) am Zylindergehäuse (2) vorgesehen, welche dafür sorgen, dass der Druck unmittelbar vor der Pulsationsdämpfereinheit auch im vorderen Zylinderraum anliegt. Die Rückseite des Kolbens kann je nach Auslegung mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt werden. Für das Ausführungsbeispiel ist hier ebenfalls eine Druckausgleichsfläche (8) vorgesehen, welche dafür sorgt, dass dort der statische Druck hinter der Pulsationsdämpfereinheit anliegt. Aus dem resultierenden transienten Differenzdruck infolge der beiden Drücke auf den Kolbenoberflächen resultiert eine Kraft, welche zu der dynamischen Bewegung der daran gekoppelten Strömungskontur (12) führt und demnach das adaptive Verhalten charakterisiert.The functional relationship (eg proportionality) between the loss coefficient and the pressure fluctuations forms the basis for the adaptive operating principle. Therefore, it makes sense to use the pressure fluctuations as an input variable for the adaptation. In order for the pressures to be used to result in a movement of the movable body, they must act on corresponding surfaces. On the basis of the embodiment, this is by an explicitly used for this piston ( 4 , please refer 1 to 3 ) realized. This is acted upon by the front side with the transient static pressure in front of the Pulsationsdämpfereinheit. For this purpose, pressure equalization surfaces ( 8th ) on the cylinder housing ( 2 ), which ensure that the pressure is applied directly in front of the Pulsationsdämpfereinheit in the front cylinder chamber. Depending on the design, the back of the piston can be subjected to different pressures. For the embodiment here is also a pressure equalization surface ( 8th ), which ensures that there is the static pressure behind the Pulsationsdämpfereinheit abuts. The resulting transient differential pressure due to the two pressures on the piston surfaces results in a force which results in the dynamic movement of the flow contour coupled thereto (FIG. 12 ) and thus characterizes the adaptive behavior.

Neben dem statischen Druck hinter der Pulsationsdämpfereinheit ist es ebenfalls denkbar, dass die Rückseite des Kolbens über keine Druckausgleichsfläche verfügt. Für diesen Fall würde der Innendruck der rückseitigen Zylinderkammer näherungsweise dem Druck vor der Pulsationsdämpfereinheit entsprechen, welcher sich über die Kolbenspalte einstellt. Für kleine Spaltmaße können nur noch marginale Spaltströme über den Kolbenrand fließen. Dadurch ergibt sich eine näherungsweise konstante Masse hinter dem Kolben. Daraus resultiert, dass sich der Druck in der rückseitigen Zylinderkammer unabhängig von den Druckschwankungen vor der Pulsationsdämpfereinheit verhält. Der Druck in der Kammer ist näherungsweise nur von der Volumenänderung des rückseitigen Zylinderkammervolumens abhängig. Durch Variation des Gesamtvolumens der rückseitigen Zylinderkammer kann dieser Druck ggf. gezielt für die Anpassung des adaptiven Verhaltens genutzt werden.In addition to the static pressure behind the Pulsationsdämpfereinheit it is also conceivable that the back of the piston has no pressure compensation surface. For this case, the internal pressure of the rear cylinder chamber would correspond approximately to the pressure in front of the Pulsationsdämpfereinheit, which adjusts itself over the piston gap. For small gaps, only marginal gap currents can flow over the edge of the piston. This results in an approximately constant mass behind the piston. As a result, the pressure in the rear cylinder chamber is independent of the pressure fluctuations before the Pulsationsdämpfereinheit behaves. The pressure in the chamber is approximately only dependent on the volume change of the rear cylinder chamber volume. By varying the total volume of the rear cylinder chamber, this pressure can be used, if necessary, specifically for adapting the adaptive behavior.

Für geradlinige Stromlinien ist bekannt, dass quer zur Strömungsrichtung keine Druckgradienten vorliegen. Dieses Verhalten wurde für die Ausnutzung der Druckkräfte auf den Kolben ausgenutzt. Für den unmittelbaren Bereich der durchströmten Strömungskonturen (11, 12) stellt sich aufgrund der Umlenkung der Strömung durch die freien Strömungsquerschnitte (vgl. 4) eine abweichende Druckverteilung ein. Daraus resultieren unterschiedliche Drücke auf den Oberflächen des beweglichen Körpers (3, 4). Die Differenz zwischen den beiden Oberflächen quer zur Strömungsrichtung entspricht näherungsweise dem Staudruck der lokalen Strömung durch den freien Strömungsquerschnitt. Die aus diesem Differenzdruck und der Summe der Flächen der einzelnen Gitterstäbe resultierende Kraft kann ebenfalls für die Bewegung des Körpers und das damit einhergehende adaptive Verhalten des Verlustbeiwertes genutzt werden.For straight streamlines it is known that there are no pressure gradients across the flow direction. This behavior has been exploited to exploit the compressive forces on the pistons. For the immediate area of flow-through contours ( 11 . 12 ) is due to the deflection of the flow through the free flow cross sections (see. 4 ) a different pressure distribution. This results in different pressures on the surfaces of the movable body ( 3 . 4 ). The difference between the two surfaces transversely to the flow direction corresponds approximately to the back pressure of the local flow through the free flow cross-section. The force resulting from this differential pressure and the sum of the areas of the individual bars can also be used for the movement of the body and the associated adaptive behavior of the loss coefficient.

Neben der Ausnutzung der gezeigten adaptiven Prinzipien lässt sich ein dynamischer Verlustbeiwert auch über ein aktives Stellglied realisieren. Dieses kann auf einer dem Stand der Technik zu entnehmenden pneumatischen, hydraulischen, mechanischen oder elektromagnetischen Verstellung basieren. Ein dazugehöriger Regelalgorithmus muss hierzu anhand der zu erfassenden momentanen Strömungssituation vor der Pulsationsdämpfereinheit den Verlustbeiwert regeln. Die Energieversorgung für den Regelungsprozess und die dynamische Einstellung des Verlustbeiwerts kann entweder über Fremdenergie oder über die Energie des Fördermediums realisiert werden. Die Wandlung der Energie aus dem Fördermedium kann sowohl durch den Einsatz klassischer Turbinen als auch durch Wandlung der akustischen Energie z. B. durch Piezoelemente realisiert werden.In addition to the utilization of the adaptive principles shown, a dynamic loss factor can also be realized via an active actuator. This may be based on a prior art pneumatic, hydraulic, mechanical or electromagnetic adjustment. An associated control algorithm must for this purpose regulate the loss coefficient based on the instantaneous flow situation to be detected before the pulsation damper unit. The energy supply for the control process and the dynamic adjustment of the loss coefficient can be realized either via external energy or via the energy of the pumped medium. The conversion of energy from the pumped medium can be achieved by the use of classical turbines as well as by conversion of the acoustic energy z. B. be realized by piezo elements.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in 1 bis 5 wird auf eine mechanische Steifigkeitskomponente in Form von Blattfedern für die benötigte Rückstellkraft zurückgegriffen. Alternativ kann eine für das adaptive Wirkprinzip benötigte Rückstellkraft auch über beliebige, dem Stand der Technik entnehmbare Steifigkeitskomponenten realisiert werden. Diese können auf mechanischen, pneumatischen, hydraulischen oder elektromagnetischen Zusammenhängen basieren.In the embodiment shown in FIG 1 to 5 is based on a mechanical stiffness component in the form of leaf springs for the required restoring force recourse. Alternatively, a restoring force required for the adaptive operating principle can also be realized via any stiffness components which can be removed from the prior art. These can be based on mechanical, pneumatic, hydraulic or electromagnetic contexts.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Grundkörperbody
22: Zylindergehäusecylinder housing
33: Beweglicher KörperMobile body
44: Kolbenpiston
55: Verbindung zwischen beweglichem Körper und KolbenConnection between moving body and piston
66: Blattfeder (mechanische Steifigkeitskomponente)Leaf spring (mechanical stiffness component)
77: BlattfederhalterungLeaf spring bracket
88th: DruckausgleichsflächenVacuum panels
99: Freier StrömungsquerschnittFree flow cross section
1010: Bereich mit durch den Staudruck erhöhtem DruckRange with pressure increased by the dynamic pressure
1111: Strömungskontur AFlow contour A
1212: Strömungskontur BFlow contour B

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19538178 [0009]
DE 19943918 [0009]
DE 3801153 [0010]
DE 202006005140 [0010]
US 20150204317 [0011]
DE 4439704 [0012, 0012, 0012]
DE 10055399 [0012, 0012, 0012]
DE 102005058547 [0012, 0012, 0012]

Claims

Pulsationsdämpfereinheit for damping propagating in fluid conveying channels sound waves or pulsations, characterized in that it is flowed through and the loss coefficient by changing the geometry in response to resulting from the transient flow situation forces and stiffness components resulting restoring forces in real time or after one of the Transmission behavior resulting dynamic latency on the basis of the corresponding adaptive and passive principle of action between the transient local flow situation and the dynamic loss coefficient changes.

Pulsation damper unit according to claim 1, characterized in that the loss coefficient is proportional to the dynamic pressure fluctuations before the Pulsationsdämpfereinheit behaves.

Pulsation damper unit according to claim 1, characterized in that the change of the flow cross-section on a relative solid state movement between two or more the free flow cross-section limiting components.

Pulsation damper unit according to claim 1, characterized in that the change of the flow cross-section based on the deformation of one or more limiting the flow cross-section arbitrary components.

Pulsation damper unit according to claim 1, characterized in that the adaptive action principle based on the resulting pressure force between the transient pressure before the Pulsationsdämpfereinheit and the transient or averaged pressure behind or the mean pressure before the Pulsationsdämpfereinheit on designated areas.

Pulsation damper unit according to claim 1, characterized in that the adaptive operating principle based on the resulting pressure force between the static pressure in the flow cross-section and the static pressure increased by the back pressure in a non-flow area on designated areas.

Pulsation damper unit according to claim 1, characterized in that by supplying external energy, a change of the free flow cross-section and the concomitant loss coefficient is achieved.

Pulsation damper unit according to claim 1, characterized in that by converting the potential or kinetic energy in the flow of an adaptive control algorithm allows dynamic adjustment of the loss coefficient.

Pulsation damper unit according to claim 1, characterized in that the required restoring force for the dynamic change of the flow cross section is realized by a mechanical, pneumatic, hydraulic or electromagnetic stiffness component or a combination selbiger.