DE1813037C3 - Geräuschminderung bei einer gasdynamischen Druckwellenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine gasdynamische Druckwellenmaschine mit einem Läufer, der über den Umfang verteilte Zelien in Form ν ,τι stirnseitig offenen, axial gerichteten Kanälen enthalt, wobei die Zellen des Läufers mindestens drei verschiedene Breiten aufweisen und zu Gruppen aus Zellen gleicher Breite zusammengefaßt sind.

In gasdynamischen Druckwellenmaschinen wird durch Entspannung eines Gases Energie auf ein anderes Gas übertragen, das dadurch verdichtet wird. Der Entspannungs- und Verdichtungsprozeß vollzieht sich unter dem Einfluß von Expansions- und Kompfessionswellen in langgestreckten, stirnseitig offenen Zellen, die auf einem Läufer angeordnet sind und sich an Zu- und Abführkanälen des Stators vorbeibewegen. Aus den Drosselverlusten beim Ein- und Ausströmen, aus Reibung und Wärmeübergang läßt sich eine optimale, für alle Zellen gleichbleibende Breite in Umfangsrichtung ermitteln, womit auch die Zellenzahl bestimmt ist.

Das periodische Anströmen der Zellenwände beim Eintritt in das Zellenrad und auch das periodische Ausströmen aus den Zellen mit einem gewissen Ges.chwindigkeitsprofil sind mit sehr starker Geräuschentwicklung verbunden. Diese Geräusche weisen Einzelfrequenzen auf, die dem Produkt aus Zellenzahl und Drehzahl des Zellenrades und Vielfachen dieses Produktes entsprechen. Da sich der Lärm durch die Zu- und Abführkanäle des Stator« sowie über die Gehäuse nach außen fortpflanzt, stellt er eine starke Belästigung dar. Durch die Einzelfrequenzen werden die Geräusche als schrilles Pfeifen vernommen, das selbst bei Verwendung von Schalldämpfern als sehr unangenehm und störend empfunden wird.

Bei Gebläsen für elektrische Maschinen ist es bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 1177 277), zur Beseitigung der Geräusche verschiedene Schaufelteilungcn vorzusehen, die beispielsweise paarweise und dann wieder abwechselnd auftreten. Entsprechend den Schaufelabstünden werden die Anstellwinkel und die Krümmung der Schaufelprofile unterschiedlich ausgeführt. . . Ein Weg zur Herabsetzung der Geräusche bei

Druckwellenmasehinen besteht darin (britische Patentschrift 920908), die Frequenz des Drehklanges über den hörbaren Bereich zu legen. Bei den für solche Maschinen gebräuchlichen Drehzahlen müßte, um über den Hörbereich zu kommen, die Zellenzahl der-

to art hoch gewählt werden, daß die Verluste durch Wärmeübergang und Reibung in dem fein unterteilten Zellenrad stark anstiegen. Ein Betrieb der Maschine mit befriedigendem Wirkungsgrad wäre dann nicht mehr möglich.

-5 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Geräusche einer gasdynamischen Druckwellenmaschine auf einfache Weise herabzumindern und angenehmer zu gestalten.

Erfindungsgemäß besteht die Losung dieser Auf-

gäbe darin, daß mindestens drei Gruppen zu einer Hauptgruppe zusammengefaßt sind und daß die Breite der Zellen von Gruppe zu Gruppe in einer ersten Hauptgruppe abnimmt und in einer zweiten Hauptgruppe wieder zunimmt.

Wenn die Zellen des Läufers verschieden breit ausgeführt werden, ist das Auflösen der Einzelfrequenzen in Frequenzbereiche möglich. Da bei einer Druckwellenmaschine die optimale Zellenbreite nach Möglichkeit einzuhalten ist, sollen bei einer Variation der ZeI-lenbreite die gewählten Werte nicht zu sehr vom optimalen Wert abweichen. Die Abweichungen müssen also möglichst gering bleiben, damit Charakteristik und Wirkungsgrad der Druckwellenmaschin: nicht merklich beeinträchtigt werden.

Um mit einer möglichst kleinen Zahl unterschiedlicher Zellenbreiten auszukommen, ist es notwendig, die Zellen des Läufers in kleinen Gruppen von Zellen gleicher Breite anzuordnen. Geeignete Kombinationen derartiger Gruppen ergeoen schon bei kleiner Variation der Zellenbreite eine Herabsetzung der Hauptamplitude einer Einzelfrequenz, die sich bei normaler, d. h. gleichbleibender Zeilenbreite einstellen würde, und eine Vielzahl von Nebenfrequenzen mit kleinen Amplituden.

Die größte Herabsetzung der Schwingungsamplituden bei geringster Variation der Zeilenbreite ergibt sich durch Aufteilung aller Zellen eines Zcllcnradcs in Hauptgruppen zu je drei oder mehreren Gruppen mit gleicher Anzahl verschiedener Zellenbreiten. Die Zellenbreiten nehmen in der ersten Hauptgruppe von Gruppe zu Gruppe ab und in der folgenden Hauptgruppe von Gruppe zu Gruppe wieder zu nach dem Schema:

aaa bbb ccc I ccc bbb aaa

Dabei ist mit b eine normale oder eine mittlere, mit a eine größere und mit ccinc kleinere Zellenbreite versinnbildlicht. Die Zellen aaa bbb ccc bilden die erste Hauptgruppe, die Zellen ccc bbb aaa die zweite

Ha'jptgruppe. Zur deutlicheren Abgrenzung sind in diesem Beispiel die beiden Hauptgruppen durch einen Schrägstrich (/) voneinander getrennt.

Zur Steigerung der Wirkung ist es vorteilhaft, den Gruppen mit mittlerer Zeilenbreite ein Glied zu entnehmen und es am Ende einer Hauptgruppe anzuordnen, um die an dieser Stelle zusammentreffenden zwei Gruppen mit gleicher Zellenbreite voneinander zu trennen, z. B. bei drei verschiedenen Zellenbreiten

nach dem Schema:

qqq bb ccc b ccc bb aaa b oder bei vier Breiten

aaa bb ccc ddd b ddd ccc bb aaa b und auch

aaa bbb cc ddd c ddd cc bbb aaa c Dabei sind, ähnlich wie vorher, mit α und d die Zellenbreiten mit den größeren, mit b und c die Zellenbreiten mit den kleineren Abweichungen von der normalen Zeilenbreite versinnbildlicht.

Es kann auch zweckmäßig sein, zwei Gruppen mittlerer Zellenbreite aufzuspalten nach dem Schema:

aaa bb cc b ddd c ddd b cc bb aaa c Gegebenenfalls auftretende Unwuchten können bei Druckwellenmaschinen verhältnismäßig leicht ausgeglichen werden. Um eine symmetrische Anordnung der Zcllenwände über dem Radmrfang ohne Unwuchten zu erhalten, sind mindest ^ans vier Hauptgruppen notwendig. Steht aber eine entsprechende Anzahl von Zellenbreiten nicht zur Verfugung, so können unbeschadet der akustischen Wirkung beliebige Anzahlen von Hauptgruppen oder auch Teile davon nacheinandergeschaltet werden, beispielsweise nach dem Schema:

aaa bb ccc ddd h dd ccc bb aaa b ddd ccc b aaa b

Bei allen dargelegten Beispielen erfindungsgemäßer Anordnung der Zellen des Zellenrades einer gasdynamischen Druckwellenmaschine ist es möglich, die Hauptamplitude der Schwingungen erheblich herabzudrücken. Schon eine Abweichung um ± 5% von der normalen Zellenbreite bringt eine erhebliche Verbesserung, und bei einer Abweichung um ± \()''.Ό läßt sich eine Verkleinerung auf 40 bis 50% der bei normaler Zeilenbreite sich sonst einstellenden Schwingungsamplituden erzielen.

Die dabei neu auftretenden Frequenzen liegen aber oft in einem begrenzten Bereich, wenn nur wenig von der mittleren Breite abgewichen werden soll. Das Geräusch des Drehklanges wird jedoch angenehmer empfunden, wenn der ganze hörbare Bereich mit Frequenzen kleiner Amplitude besetzt ist. Einzelne FreciuenzRruPpen, die voneinander getrennt und nicht zu einem Band verbunden sind, können noch immer störend wirken. Die Frequenzbereiche konnten verbreitert und die Lücken ausgefüllt werden, ließe man eine

größere Variation der Zellenbreiten zu. Das wurde aber ein stärkeres Abgehen von der normalen Zellenbreite bei einer größeren Anzahl Zellen bedingen, was Nachteile anderer Art nach sich brächte. Eine günstige Lösung besteht darin, nur ganz wenige, z. B. zwei ZeI-

len des Rades mit einer größeren Abweichung von der normalen Zellenbreite vorzusehen um mit den Schwingungen, die dadurch im sTömenden Medium entstehen, die noch freien Frequenzbereiche zu belegen. Als Beispiel diene folgendes Schema:

aaa bb ccc ddd e ddd ccc bb aaa f aaa bb ccc ddd Dabei können z. B. die Zellenbreiten α um + 10%, b um +3%, c um -3%, ium- 10%, e um +20% und /"um -207c von der normalen Zellenbreite abweichen Der Einfluß auf die Wirkungsweise der Maschine ist nur gering, der ar _Aeslrebte akustische Effekt wird aber trotzdem erreicht.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt

as Fig. I einen Längsschnitt durch eine gasdynamische Druckwellenmaschine,

Fig. 2 das Zellenrad der Fig. 1 nach dem Schnitt H-II in größerem Maßstab,

F i g. 3 eine Abwicklung des Umfanges des Zellen-

iades nach Fig. 1. .

Nach Fig. 1 läuft das Zellenrad 1, das bei 2 angetrieben wird, in einem Stator, der im wesentlichen aus dem Gehäuse 3 für das zu verdichtende Medium, dem Gehäuse 4 für das expandierende Medium und dem

Mantel 5 besteht. Die Gehäuse enthalten die (nicht gezeichneten) Zu- und Abführkanäie für die beiden Medien, deren Strömungsriehtungen mit Pfeilen angedeutet sind.

In Fi g. 2 ist das Zellenrad 1 in einem Radialschnitt

daigestelit. Die Zellen sind in Gruppen von Zellen mil gleicher Breite ; usammengefaßt, wobei a, b und c 2IeIIeIi unterschiedlichei Breite bezeichnen. Die unterschiedlichen Breiten sind in der Abwicklung des Zellenrades nach Fi g. 3 noch deutlicher zu erkennen.

Die dargestellte Gruppierung der Zellen entspricht dem ersten der oben gezeigten Beispiele.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

I 813037 Patentansprüche:

1. Gasdynamische Druckwellenmaschine mit einem Läufer, der über den Umfang verteilte Zellen in Form von stirnseitig offenen, axial gerichteten Kanälen enthält, wobei die Zellen des Laufers mindestens drei verschiedene Breiten aufweisen und zu Gruppen aus Zellen gleicher Breite zusammengefaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Gruppen zu einer Hauptgruppe zusammengefaßt sind und daß die Breite (α. b, c, d) der Zellen von Gruppe zu Gruppe in einer ersten Hauptgruppe abnimmt und in einer zweiten Hauptgruppe wieder zunimmt.

2. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von mindestens einer Gruppe mittlerer Zellenbreite eine Zelle entnommen und zwischen zwei Gruppen anderer Zellenbreite angeordnet ist.

3. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei benachbarten Gruppen eine trennende Zelle angeordnet ist, deren Breite {e, f) von den Breiten (α, b, c, d) der übrigen Zellen wesentlich abweicht.