DE2844287C2

DE2844287C2 - Mehrflutige gasdynamische Druckwellenmaschine

Info

Publication number: DE2844287C2
Application number: DE2844287A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Ing. Nussbaumen Fried; Günter Ing. Aargau Kudernatsch
Original assignee: Bbc AG Brown Boveri & Cie 5401 Baden Aargau; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: COMPREX AG BADEN AARGAU CH
Priority date: 1978-10-02
Filing date: 1978-10-11
Publication date: 1983-11-10
Also published as: GB2033014A; AT377829B; SE7908084L; DE2844287A1; YU162579A; YU41650B; AR219826A1; BR7906253A; JPS5552000A; CA1137943A; JPH0133680B2; ATA443579A; FR2438183A1; ES484566A1; IT7925787A0; GB2033014B; NL7907267A; FR2438183B1; IT1123203B; US4288203A

Description

der Lärmminderung, hauptsächlich, indem durch Interferenz die Amplitude der Grundfrequenz reduziert wird, als auch hinsichtlich der Festigkeit, indem hauptsächlich durch eine besondere Gestaltung von Zwischenrohren, die die einzelnen Fluten voneinander trennen, eine gleichmäßigere Verteilung der durch die Betriebslasten verursachten Spannungen auf die Strukturelemente des Rotors erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden. Teils des Anspruchs 1 gelöst

Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser stellt dar

F i g. 1 eine erfindungsgemäße zweiflutige Druckwellenmaschine im Längsschnitt,

F i g. 2 die Abgas- und Luftkanäle in einem Gehäuseseitenteil,

F i g. 3 den Rotor der Maschine nach F i g. 1 in einem Seitenriß,

F i g. 4 die Ausbildung der Steuerkanten des Luft- und Gasgehäuses bei einer bevorzugten Ausführungsform,

F i g. 5 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Steuerkanäle,

F i g. 6 eine bevorzugte Ausbildungsform der Zellenwände und des Zwischenrohres des Rotors,

F i g. 7 eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Zwischenrohres des Rotors,

F i g. 8 eine Ausführungsform des Rotors mit ungleichen Zellenteilungen, und

F i g. 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 K.eilriemenrad 6 antreibbar ist

Die z. B. aus einem Verbrennungsmotor kommenden Gase treten am Eintrittsstutzen 7 in das Gasgehäuse 8 ein, wo der Gasstrom 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 14 begrenzen. Aus der in F i g. 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 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 Geräuscheizeugung ist verhältnismäßig gering; schon die zweite Harmonische ist um 2OdB 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, denp es können nur in der unmittelbaren Umgebung des Zwischenrohres die Druckschwankungen sich gegenseitig beeinflussen. Weit voneinander in radialer Richtung entfernt liegende Gasteilchen werden von der Interferenzwirkung nicht erfaßt, weil sie aufgrund ihrer Entfernung keinen Impuls aufeinander ausüben können.

in Da neben der Grundfrequenz auch deren harmonische Frequenzen vorhanden sind und durch das Versetzen der Zellenwände nur die Amplituden der Grundfrequenz und deren ungeraden Vielfacheu reduziert werden, dominieren im verbleibenden Geräusch-Spektrum 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 höhengieiche Aufteilung ist thermodynamisch günstiger, während eine fläche^gleiche Aufteilung eine stärkere Lärmreduktion ergibt Wenn also eine Senkung des Geräuschpegels vordringlich ist wird man eine flächengleiche Aufteilung vornehmen.

Die radial innen liegenden Enden der Zellenwändc 16 der äußeren Flut 14 gehen an den jeweils höchsten Stellen ties zickzackförmigen Zwischenrohres 12 in diesen über, während sich die radial außen liegenden Enden der inneren Zellenwände 15 an die jeweiligen

ίο 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 zickzackförmigen Zwischenrohres IZ Fig.2 zeigt die Draufsicht auf die Flanschseite des Gasgehäuses 8 entsprechend dem in F i g. 1 angedeuteten Schnittverlauf II—11« In dieser Fig.2 bezeichnet 19 die zwei Eintrittskanäle für das Hochdruckgas, 20 die Gastaschen, die den Betriebsbereich der Druckwejlenmaschine in bekannter Weise vergrößern, sowie 2i die Austrittskanäle für das entspannte Auspuffgas. Entsprechende Kanäle für die angesaugte bzw. verdichtete Luft sowie Taschen sind auch an der Flanschseite des Luftgehäuses 22 (siehe F i g. 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 vor dem Eintritt in die zwei Fluten des Rotors 2 bewirkt. Aus F i g. 2 geht hervor, daß die quer zur Umfangsrichtung des Rotors verlaufenden Kanten der Kanäle 19 und 2» sowie der Taschen 20 geradlinig und radisl verlaufen. Falis die Zellenwände 15, 16 de» 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 star'·, 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 F i g. 4 und 5 in Richtung einer Sekante bzw. in Form einer sich im wesentlichen in radialer Richtung erstreckenden Wellenlinie ausgeführt werden.

Bei der Steuerkante 23 nach F i g. 4 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 kam 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 24 geneigt sein.

Durch diese schräge Anordnung der Steuerkanten vermeidet man einen 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 öffnen bzw. Schließen des Durchströmquerschnittes geräuschvermindernd zu wirken, ist in Fig. 5 darge- jo stellt. 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.4 in der ersten Phase des Öffnungsvorgangs einen größeren Zuwachs an öffnungsquerschnitt.

Darüber hinaus wirkt diese Form der Steuerkanten in akustischer Hinsicht in gleicher Weise wie die eingangs beschriebene Versetzung der Zellen gegeneinander. Dabei wird nämlich jede Zelle in zwei um die halbe *o Teilung gegeneinander versetzten Stufen beaufschlagt mit der oben beschriebenen geräuschmindernden I nterf erenzwirkung.

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 F i g. 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 Betriebstemperatur relativ niedrig liegt. Durch die zickzackförmige Gestaltung des Zwiscnenrohres 30 nach F i g. 6 bzw. des wellenförmigen Zwischenrohres 31 nach F i g. 7 erreicht man bei maximalen Betriebslasten Momentenfreiheit in unmittelbarer Nähe der Einmündung der Zellenwand 32 bzw. 33 in das betreffende Zwischenrohr. Ferner wird dadurch die ^ω Verschiebung des Schnittpunktes 34 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 den Gasdruckunterschied zwischen zwei benachbarten Zellen viel gering ;r, so daß auch aus diesem Grunde die Dicke uer Zellenwände kleiner gehalten werden kann. Durch die Verdickung der Zellenwände an den Übergängen in das Deckband, das Zwischenrohr und das Nabenroiir werden auch die Beanspruchungen durch die Einspannmomente an diesen Stellen stark reduziert.

Bei dem in F i g. 8 dargestellten Rotor sind die beiden Fluten ebenfalls durch ein zickzackförmiges Zwischenrohr getrennt. Die Zellen jeder Flut sind in bekannter Weise (siehe CH-PS 4 70 588, BBC) zur Erzielung eines gleichmäßigeren und damit physiologisch besser ertraglichen 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 t^:iut 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 Geräuschreduktion 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 vcFSctZi, 5ö u5u uic r-Cncnwänuc der äußeren und der inneren, am Nabenrohr endenden Flut fluchten, d. h.. auf einer Radialen liegen.

Bezeichnungsliste

1 Gehäusemantel

2 Rotor

3 Welle

4 Lager

5 Lager

6 Keilriemenrad

7 Eintrittsstutzen für Auspuffgas

8 Gasgehäuse

9 Trennwand

10 Nabenrohr

11 Deckband

12 Zwischenrohr

13 Innere Flut

14 Äußere Flut

15 Zellenwand

16 Zellenwand

17 Innere Zeile

18 Äußere Zelle

19 Hochdruckgaseintrittskanal

20 Gastasche

21 Niederdruckaustrittskanal

22 Luftgehäuse

23 Steuerkante

24 Radiale

25 Winkel zwischen Steuerkante 23 und Radiale 24

26 Hilfskreis

7

27 Steuerkante 32 Zellenwand

28 Wellenförmige Sieuerkante 33 Zellenwand

29 Wellenförmige Steuerkante 34 Schnittpunkt der Mittellinien von 30 und

30 Zickzackförmiges Zwischenrohr 35 Stege von Gas- und Lufttaschen

31 Wellenförmiges Zwischenrohr 5

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mehrflutige gasdynamische Druckwellenmaschine, mit einem Rotor, einem den Rotor umschließenden Gehäuse sowie einem Luftgehäuse und einem Gasgehäuse mit Kanälen für die Zu- und Abfuhr der gasförmigen Arbeitsmittel wobei der Zellenring des Rotors durch einen oder mehrere zwischen einem Nabenrohr und einem Deckband angeordnete Zwischenrohre, in mindestens zwei konzentrische Fluten unterteilt ist und die radial gerichteten Zellenwände einer Flut gegenüber den Zellenwänden der benachbarten Flut in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Versetzung der radialen Zellenwände in Umfangsrichtung gleich der halben Zellenteilung ist

2. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem achsnormalen Schnitt des Rotors die Schnittpunkte der Mittellinien der äußeren Zellen wände mit der Mittellinie des Zwischenrohres radiai weiter von der Röiörachse 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.

4. Druckwellenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenrohr einen wellenförmigen Querschnitt aufweist

5. Druck- /ellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da.« im Gasgehäuse im Bereich der Zufuhrkanäle zum Rotor Trennwände (9) zur Aufteilung des Gas.«-omes auf die zwei Fluten des Rotors vorgesehen sind.

6. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine flächengleiche Aufteilung des freien Rotordurchströmquerschnittes auf die Fluten des Rotors.

7. Druckwellenmaschine nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Höhen der Fluten gleich sind.

8. Druckwellenmaschine nach den Ansprüchen 6 und 7, 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.

9. Druckwellenmaschine nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der quer zur Umfangsrichtung verlaufenden Steuerkanten (23,27) einer Öffnung des Gas- und/oder Luftgehäuses auf einer Tangente liegen, die einen gedachten, zum Rotor konzentrischen Hilfskreis (26) berührt.

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

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

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mehrflutige ι 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 Umweltschützer, aber auch im berechtigten Interesse der Öffentlichkeit zu verringern trachtet

to Zu diesem Zweck sind schon verschiedene i-ösungen vorgeschlagen worden. Einer dieser Vorschläge (CH-PS 3 98 184) sieht vor, die Höhe der Zellen des Rotors, in denen der Druckaustausch zwischen den gasförmigen Arbeitsmitteln stattfindet, in radialer Richtung durch

is kreisringzylindrische Zwischenrohre in mehrere kreisförmige Fluten zu unterteilen, um die Grundfrequenz der Schallschwingungen über die obere Hörschwelle des menschlichen Ohres zu legen. Bei einer ersten Ausführungsform eines solchen Rotors sind die Teilungen benachbarter Zellen regellos verschieden, aber in allen Fluten gleich, so daß alle Zellenwände der einander in radialer Richtung benachbarten Zeilen in gemeinsamen Radialebenen liegen, wogegen bei einer zweiten Ausführungsform die Zellenwände einander radial benachbarter Fluten in Umfangsrichtung regellos gegeneinander versetzt sind. Bei einer weiteren Ausführungsform ist nur eine Flut vorgesehen, wobei die Zellenwände aus bogenförmig gekrümmten Blechen mit hakenförmig abgebogenen Enden bestehen, welch letztere im Nabenrohr bzw. im Außenmantel des Rotors eingegossen sein »können. Der beabsichtigte Effekt wird bei allen diesen Ausführungen dadurch allerdings nicht erzielt, da sich dabei bloß mehrere Schwingungen der gleichen Frequenz überlagern und die Grundfrequenz erhalten bleibt.

Die beschriebene Bauart weist ferner festigkeitsmäßige Nachteile auf. Infolge des kreisringförmigen Querschnitts der Zwischenrohre, der gleichmäßig dicken und zueinander versetzten Zellenwände sowie der unterschiedlich großen Zellenwihngen kommt es zu Wärme- und Fliehkraftspannungen, die Verformungen und Überbeanspruchungen der Rotorstruktur verursachen. Bei der letztgenannten Variante treten wegen der großen Elastizität der Zellenwände, insbesondere bei Drehzahländerungen, auch mit Bestimmtheit Torsionsschwingungen derselben auf, die den Druckwellenprozeß stören können.

Aus der GB-PS 8 40 408 ist ferner eine einflutiger Rotor für einen Druckwellenlader bekannt, bei dem der

so Ringquerschnitt zwischen Nabenrohr und Außenmante! durch eine große Anzahl von Zellen ausgefüllt ist, die aus Rohren von geometrisch regelmäßigem Querschnitt bestehen, z. B. in Form von Sechsecken, Kreisen oder Ellipsen, Rhomben oder dergleichen. Diese Rohre sind einander berührend im erwähnten Ringquerschnitt untergebracht, so daß ein erheblicher Teil des Ringquerschnitts durch die doppelt vorhandenen Querschnitte der Rohre als Strömungsquerschnitt verloren sind. Dazu kommt, abgesehen von Herstellungsschwierigkeiten, daß bei gewissen Querschnitten der Rohre eine bezüglich der Rotorachse symmetrische Anordnung nicht möglich ist, beispielsweise bei Sechsecken und Kreisen. Dies kann zu unsymmetrischen Verformungen durch Wärmeausdehnung und Fliehkräfte und damit zu einer Unwucht des Rotors führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden, und zwar sowohl hinsichtlich