DE2844287A1

DE2844287A1 - Mehrflutige gasdynamische druckwellenmaschine

Info

Publication number: DE2844287A1
Application number: DE2844287A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Fried; Guenter Kudernatsch
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: COMPREX AG BADEN AARGAU CH
Priority date: 1978-10-02
Filing date: 1978-10-11
Publication date: 1980-04-10
Also published as: FR2438183B1; DK408579A; ES484566A1; US4288203A; YU162579A; BR7906253A; GB2033014B; CS241470B2; JPS5552000A; JPH0133680B2; IT1123203B; CS658879A2; IT7925787A0; YU41650B; AT377829B; SU867325A3; NL7907267A; SE7908084L; HU182853B; DE2844287C2

Description

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Mehrflutige gasdynamische Druckwellenmaschine

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mehrflutige gasdynamische Druckwellenmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die heutzutage überwiegend verwendeten einflutigen Druckwellenmaschinen verursachen Lärmbelästigungen, die man mit Rücksicht auf die sich ständig verschärfenden Forderungen der Umwelt'schützer, aber auch im berechtigten Interesse der ©effentlichkeit zu verringern trachtet.

Zu diesem Zweck sind schon verschiedene Lösungen vorgeschlagen worden. Einer dieser Vorschläge (CH-PS 398 184) sieht vor, die Höhe der Zellen des Rotors, in denen der Druckaustausch zwischen den gasförmigen Arbeitsmitteln stattfindet, in radialer Richtung durch kreisringzylindrische Zwischenrohre in mehrere kreisförmige Fluten zu unterteilen, um die Grundfrequenz der Schallschwingungen über die obere Hörschwelle des menschlichen Ohres zu legen. Der beabsichtigte Effekt wird dadurch allerdings nicht erzielt, da sich dabei bloss mehrere Schwingungen der gleichen Frequenz überlagern und die Grundfrequenz erhalten bleibt.

^⁰ Die beschriebene Bauart weist ferner festigkeitsmässige Nachteile auf. Infolge des kreisringförmigen Querschnitts der Zwischenrohre und der gleichmässig dicken Zellenwände kommt es zu Wärme- und Fliehkraftspannungen, die Verformungen und Ueberbeanspruchungen der Rotorstruktur verursachen.

Mit der in den Patentansprüchen 1 und 2 gekennzeichneten Erfindung sollen diese Nachteile vermieden werden;

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Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser stellen dar:

Fig. 1 eine erfindungsgemässe zweiflutige Druckwellenmaschine im Längsschnitt,

Fig. 2 die Abgas- und Luftkanäle in einem Gehäuseseitenteil, Fig. 3 den Rotor der Maschine nach Fig. 1 in einem Seitenriss,

Fig. h die Ausbildung der Steuerkanten des Luft-und Gasgehäuses bei einer bevorzugten Ausführungsform

,10 Fig. 5 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Steuerkanäle,

Fig. 6 eine bevorzugte Ausbildungsform der Zellenwände und des Zwischenrohres des Rotors,

Fig. 7 eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Zwischenrohres des Rotors,

Fig. 8 eine Ausführungsform des Rotors mit ungleichen Zellenteilungen, und ■

Fig. 9 einen dreiflutigen Rotor.

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen Gehäusemantel, der einen Rotor 2 umgibt. Dieser Rotor ist mit einer Welle 3 starr verbunden, die in zwei Lagern 4 und 5 drehbar gestützt und über ein Keilriemenrad 6 ahtreibbar ist.

Die z.B. aus einem Verbrennungsmotor kommenden Gase treten am Eintrittsstutzen 7 in das Gasgehäuse 8 ein, wo der Gas-

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strom durch eine Trennwand 9 in zwei Teilströme aufgespalten wird. Der Rotor 2 weist ein Nabenrohr 10, ein Deckband 11 sowie ein Zwischenrohr 12 auf, die eine innere Flut 13 und eine äussere Flut I¹J begrenzen. Aus der in Fig. 3 dargestellten Seitenansicht des Rotors ist zu erkennen, dass das Nabenrohr 10 und"das Deckband 11 kreisringzylindrisch ausgeführt sind, während das Zwischenrohr 12 zickzackförmigen Querschnitt aufweist. Die beiden Fluten 13 und 14 sind in Umfangsrichtung durch radiale Zellenwände 15 bzw, 16 in eine für beide Fluten gleiche Anzahl von inneren bzw. äusseren Zellen 17, 18 unterteilt, die in Umfangsrichtung um im wesentlichen die halbe Teilung gegeneinander versetzt sind.

Durch die Unterteilung der Zellen in zwei Fluten erhöht sich die Anzahl der lärmerzeugenden Druckimpulse auf das doppelte.

Durch das Versetzen der Zellen der einen Flut gegenüber der anderen um eine halbe Zellenbreite, wie dies aus Fig. 3 ersichtlich ist, ergibt sich eine zeitliche Verschiebung der Druckimpulse zueinander von genau einer halben Periode, Durch die so entstehende Interferenz wird die Amplitude der Grundfrequenz reduziert. Es entsteht somit Interferenz mit amplitudenabbauender Wirkung in der Grundfrequenz. Die Wirksamkeit dieser Massnahme hängt stark vom Geräuschspektrum ab, das durch diesen Rotor erzeugt wird. Bei ausgeführten Maschinen trägt die Intensität der Grundfrequenz subjektiv und auch objektiv messbar am stärksten zur Lärmbelästigung bei. Der Anteil der Oberschwingungen an der Geräuscherzeugung ist verhältnismässig gering; schon die zweite Harmonische ist um 20 dB leiser als der von der Grundfrequenz verursachte Lärm. Tatsächlich aber gelingt es nicht, eine totale Auslöschung der Grundfrequenz zu erreichen. Das wäre theoretisch nur . bei unendlich kleinen Zellenhöhen möglich, denn es können nur in der unmittelbaren Umgebung des Zwischenrohres die Druckschwankungen sich gegenseitig beeinflussen. Weit .von-

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einander in radialer Richtung entfernt liegende Gasteilchen werden von der Interferenzwirkung nicht erfasst, weil sie aufgrund ihrer Entfernung keinen Impuls aufeinander ausüben können.

Da neben der Grundfrequenz auch deren harmonische Frequenzen vorhanden sind und durch das Versetzen der Zellenwände nur die Amplituden der Grundfrequenz und deren ungeraden Vielfachen reduziert werden, dominieren im verbleibenden Ge-. räuschspektr.um nur mehr die geradzahligen Vielfachen der Grundfrequenz.

Die von allen Zellen einschliesslich der Zellenwände eingenommene Kreisfläche kann vorzugsweise höhengleich oder flächengleich auf die beiden Fluten aufgeteilt werden. Die höhengleiche Aufteilung ist thermodynamisch günstiger, während eine flächengleiche Aufteilung eine stärkere Lärmreduktion ergibt. Wenn also eine Senkung des Geräuschpegels vordringlich ist, wird man eine flSchengleiche Aufteilung vornehmen.

Die radial innen liegenden Enden der Zellenwände 16 der ²^ äusseren Flut lH gehen an den jeweils höchsten Stellen des zichzackförmigen Zwischenrohre.s 12 in diesen über, während sich die radial aussen liegenden Enden der inneren Zellenwände 15 an die jeweiligen radial am weitesten innen liegenden Punkte des Zwischenrohres 12 anschliessen. Die Zellenwände erstrecken sich also zwischen Nabenrohr 10 bzw. Deckband 11 und den ihnen jeweils zugekehrten Kuppen des zi dczackförmigen Zwischenrohres 12. Fig. 2 zeigt die Draufsicht auf die Flanschseite des Gasgehäuses 8 entsprechend dem in Fig, I angedeuteten Schnittverlauf II-II, In dieser Fig. 2 bezeich-.3° net 19 die zwei Eintrittskanäle für das Hochdruckgas,20 die Gastaschen, die den Betriebsbereich der Druckwellenmaschine in bekannter Weise vergrössern, sowie 21 die Austrittskanäle

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für das entspannte Auspuffgas. Entsprechende Kanäle für die

angesaugte bzw, verdichtete Luft sowie Taschen sind auch an

der Planschseite des Luftgehäuses 22 (siehe Fig. 1) vorgesehen.

Die Eintritts-Kanäle für das HD-Gas und die Taschen sind in radialer.Richtung durch Trennwände, deren eine mit 9 bzw. 35 bezeichnet ist, unterbrochen. Damit wird eine Trennung und Führung der gasförmigen Arbeitsmittel schon öor dem Eintritt in die zwei Fluten des Rotors 2 bewirkt. Aus Fig. 2 geht hervor, dass die quer zur Umfangsrichtung des Rotors verlaufenden Kanten der Kanäle 19 und 21 sowie der Taschen 20 geradlinig und radial verlaufen. Falls die Zellenwände 15, 16 des Rotors 2, wie dies bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführung des Rotors der Fall ist, ebenfalls radial und gerade ausgeführt sind, so hat dies zur Folge, dass sich die Zellenkanäle der inneren und äusseren Fluten des Rotors gegenüber den feststehenden Kanälen im Luft- und Gasgehäuse abrupt öffnen und der freie Kanalquerschnitt danach stark ansteigend anwächst. Das durch diesen plötzlichen Querschnittsanstieg verursachte stossartige Einströmen von Gas bzw. Luft führt zu subjektiv unangenehmeren Geräuschen, da aufgrund des Druckprofils höherfrequente Anteile erzeugt werden, deren- Beseitigung oder zumindest Milderung angestrebt wird.

Wie Versuche gezeigt haben, lässt sich der aus dieser Quelle herrührende Geräuschanteil dadurch verringern, dass die quer zur Umfangsrichtung verlaufenden Begrenzungskanten der Ein- und Austrittskanäle für Luft und Gas nicht radial, sondern gemäss den Fig. ¹I und 5 in Richtung einer Sekante bzw. in Form einer sich im wesentlichen in radialer Richtung erstreckenden Wellenlinie ausgeführt werden.

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Bei der Steuerkante 23 nach Fig. k eines Niederdruckgas- oder Niederdruckluftkanals handelt es sich um eine Gerade, die in Bezug auf den Deckbandkreis die Lage einer Sekante hat, die mit der Radialen 24 einen Winkel 25 einschliesst. Sie kann auch als Tangente an einen Hilfskreis 26 aufgefasst werden, dessen Mittelpunkt in der Rotorachse liegt. Die Steuerkante könnte natürlich auch in der anderen Richtung gegenüber der Radialen 2k geneigt sein.

Durch diese schräge Anordnung der Steuerkanten vermeidet man einpn stossartigen Luft- bzw. Gaseintritt, indem der Strömungsquerschnitt nur allmählich ansteigend freigegeben und die damit verbundene Geräuschentwicklung reduziert wird.

Die zweite,im Rotordrehsinn hintere Steuerkante 27 wird ebenfalls geneigt zur Radialen an der betreffenden Stelle ausgeführt, so dass das Einströmen von Gas bzw. Luft in die Rotorzellen nicht schlagartig, sondern, wie oben erwähnt, allmählich abgedrosselt wird, was ebenfalls zur Lärmverringerung beiträgt.

Eine andere Form der Steuerkanten, deren Zweck teilweise ebenfalls darin besteht, durch allmähliches Oeffnen bzw. Schliessen des Durchströmquerschnittes geräuschvermindernd zu wirken, ist in Fig. 5 dargestellt.. Es handelt sich dabei z.B. um einen Hochdruckluftkanal. Diese Steuerkanten 28, 29 sind wellenförmig. Die öffnende Kante 28 ergibt dadurch gegenüber der Steuerkante nach Fig. H in der ersten Phase des Oeffnungsvorgangs einen grösseren Zuwachs an Oeffnungsquerschnitt,

Darüber hinaus wirkt diese Form der Steuerkanten in akustischer Hinsicht in gleicher Weise wie die eingangs beschriebene Versetzung der Zellen gegeneinander. Dabei wird närnlieh jede Zelle in zwei um die halbe Teilung gegeneinander versetzten Stufen beaufschlagt mit der oben beschriebenen ge-

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räuschmindernden Interferenzwirkung.

Das Zwischenrohr des in Fig. 5 teilweise dargestellten Rotors ist,abweichend von den anderen hier beschriebenen Rotoren, kreisringzylindrisch ausgeführt. Er weist daher nicht die im folgenden angeführten festigkeitsmässigen und betrieblichen Vorteile der Rotoren mit Zickzack- und wellenförmigen Zwischenrohren auf, ist diesen in akustischer Hinsicht aber gleichwertig.

Die anhand der Fig. 3 beschriebene zickzackförmige Gestaltung des Zwischenrohres 12 hat gegenüber einem üblichen kreisringzylindrischen Zwischenrohr festigkeitsmässige Vorteile. Bei letzterem treten unter den Betriebslasten hohe Biegespannungen auf, deren Zugspannungsspitzen stellenweise die Streckgrenze des Rotormaterials erreichen, die wegen der hohen

!5 Betriebstemperatur relativ niedrig liegt. Durch die zickzackförmige Gestaltung des Zwischenrohres 30 nach Fig. 6 bzw. des wellenförmigen Zwischenrohres 31 nach Fig. 7 erreicht man bei maximalen Betriebslasten Momentenfreiheit in unmittelbarer Nähe der Einmündung der Zellenwand 32 bzw. 33 in das betreffende Zwischenrohr. Ferner wird dadur.ch die Verschiebung des Schnittpunktes 3^ der Mittellinien von Zwischenrohr 30 und Zellenwand 32 infolge dieser Betriebslasten geringer und damit auch die Aufweitung des Deckbandes. Dieses wird also entlastet, dafür aber das Nabenrohr stärker zum Tragen herangezogen. Daraus resultiert eine gleichmässigere Spannungsverteilung und damit bessere Materialausnutzung, was wiederum geringere Wandstärken ermöglicht. Weitere Vorteile, die sich daraus ergeben, sind das kleinere Massenträgheitsmoment, wesentlich kleinere Beschleunigungsleistung sowie leichtere

° und damit billigere Antriebselemente für den Rotor.

Da die freie Länge der Zellenwände bei der Aufteilung in mehrere Fluten reduziert wird, ist auch die Wechselbeanspruchung" durch

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den Gasdruckunterschied zwischen zwei benachbarten Zellen viel geringer, so dass auch aus diesem Grunde die Dicke der Zellenwände kleiner gehalten werden kann. Durch die Verdickung der Zellenwände an den Uebergängen in das Deckband, das Zwischenrohr und das Nabenrohr werden auch die Beanspruchungen durch die Einspannmomente an diesen Stellen stark reduziert.

Bei dem in Fig. 8 dargestellten Rotor sind die beiden Fluten ebenfalls durch ein zickzackförmiges Zwischenrohr getrennt. Die Zellen jeder Flut sind in bekannter Weise (siehe CH-PS 470 588, BBC) zur Erzielung eines gleichmässigeren und damit physiologisch besser erträgMchen Geräuschspektrums verschieden breit ausgeführt. Es wechseln sich dabei nach einem bestimmten, berechenbaren Schema eine Anzahl schmälerer mit einer Anzahl breiterer Zellen ab. Die Zellenwände der einen Flut sind wiederum gegen jene der anderen Flut um wenigstens annähernd die halbe jeweilige Teilung in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt, um, wie oben beschrieben, durch Interferenz eine Geräuschreduktxon zu erzielen. Der Rotor nach Fig. 9 ist dreiflutig mit Zwischenrohren von zickzackförmigem Querschnitt ausgeführt. Die Zellenwände einer Flut sind wiederum gegenüber jenen der benachbarten Flut um wenigstens annähernd die halbe Teilung in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt, so dass die Zellenwände der äusseren und der innereten, am Nabenrohr endenden Flut fluchten, d.h., auf einer Radialen

25· liegen.

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Claims

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BBC Aktiengesellschaft MU/Ps

Brown, Boveri & Cie. 28.9.1978

Baden/Schweiz

Patentansprüche

f !J Mehrflutige gasdynamische Druckwellenmaschine, mit einem Rotor, dessen Zellenring durch einen oder mehrere zwischen einem Nabenrohr und einem Deckband angeordnete Zwischenrohre in mindestens zwei konzentrische Bluten unterteilt _t ist, mit einem den Rotor umschliessenden Gehäuse sowie einem Luftgehäuse und einem Gasgehäuse mit Kanälen für die Zu- und Abfuhr der gasförmigen Arbeitsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenwände einer Flut gegenüber den Zellenwänden der benachbarten Flut in Umfangsrichtung um im wesentlichen die halbe Zellenteilung gegeneinander versetzt sind.

2. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem achsnormalen Schnitt des Roijors die Schnittpunkte der Mittellinien der äusseren Zellenwände mit der Mittellinie des Zwischenrohres radial weiter von der Rotorachse entfernt sind als die Schnittpunkte der Mittellinien der benachbarten inneren Zellenwände mit der Mittellinie des Zwischenrohres.

3..Druckwellenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, . dass das Zwischenrohr einen zickzackförmigen Querschnitt aufweist.

¹J, Druckwellenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenrohr einen wellenförmigen Querschnitt aufweist,

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5. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenteilungen verschieden gross sind.

6. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, /dass im Gasgehäuse im Bereich der Zufuhrkanäle zum Rotor Trennwände (9) zur Aufteilung des Gasstromes auf die zwei Fluten des Rotors vorgesehen sind.

7. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine flächeng&eiche Aufteilung des freien Rotordurchströmquerschnittes auf die Fluten des Rotors,

8. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Höhen der Fluten gleich sind.

9. Druckwellenmaschine nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von an sich bekannten Gas- und Lufttaschen diese entsprechend der Unterteilung des Rotors durch Stege (35) in radialer Richtung unterteilt sind.

10. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der quer zur Umfangsrichtung verlaufenden Steuerkanten (23, 27) einer Oeffnung des Gas- und/oder Luftgehäuses auf einer Tangente liegen, die einen gedachten, zum Rotor konzentrischen Hilfskreis (26) berührt.

11. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die quer zur Umfangsrichtung verlaufenden Steuerkanten des Gas- und des Luftgehäuses im Bereich jeder der Fluten S-förmig sind.

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12. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen sich allmählich verbreiternden Querschnitt der Zellenwände (15_S 16) des Rotors an ihren Uebergängen zum Deckband (11), Nabenrohr (10) und Zwischenrohr (12).

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