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PATENTSES: Y=N@-
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Schalldämpfer fur Fiüssigkeitsrohrleitungen Die Erfindung betrifft
Schalldämpfer, die zum Zwecke der Dämpfung des Körperschalls in Flüssigkeitsrohrleitungen
eingebaut werden.
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In hydraulischen Systemen mit Rohrleitungen und annähernd inkompressiblen
Flüssigkeiten wird längs der Rohrleitungen Körperschall weitergeleitet, teils über
die Rohrwandungen, teils in der Flüssigkeit selbst.
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Neben Druckimpulsen, die durch Laständerungen im System oder Ventilschaltungen
bzw. - schwingungen entstehen, wird Körper schall vorwiegend durch die Verdrängermaschinen,
d.h. Pumpen oder Hydromotoren, erzeugt, bei denen in periodischer Folge der Druck
in den Verdrängerkammern stoßartig erhöht und der Volumenstrom stetig in ungleichförmige
Bewegung versetzt wird.
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Bei Verdrängermaschinen werden unterschiedliche Arten von Druckpulsationen
erzeugt, die als Körperschall weitergeleitet werden: 1.) Volumenstrombedingte Druckpulsationen,
herrshrend aus den kinematischen Beschleunigungen und Verzögerungen; 2.) Druckpulsationen,
die in den Verdrängerkammern durch die Umsteuerung von Niederdruck auf Betriebsdruck
entstehen; 3.) Druckpulsationen, die beim Zusanimenfall von Kavitationsblasen entstehen.
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Diese Arten von Druckpulsationen haben zwar eine Impulse I'J folgerate,
d.h. periodische Folge ihrer Amplitudenmaxima, die durch die Anzahl der Verdränger
und die Drehzahl der Verdrängereinheit gegeben ist.Bezüglich ihrer Ausbreitungs
und Weiterleitungseigenschaften unterscheiden sie sich Jedoch wesentlich.
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Bei den mit 1.) benannten volumenstrombedingten Pulsationen entspricht
die zeitliche Länge des einzelnen Impulses der Hubfrequenz der Verdrängereinheit,
Es handelt sich um eine aufgezwungene, angenähert harmonische Schwingung, welche
der Impulsfolgerate entspricht, und deren Amplitude gegenüber dem mittleren statischen
Betriebsdruck klein ist.
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Sie werden nachfolgend als langwellig bezeichnet. Ihre Frequenz liegt,
wie die Impulsfolgerate, meist im hörbaren Schallbereich.
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Bei den unter 2.) genannten Druckwechselpulsationen erfolgt der erzeugende
Druckwechsel, je nach Länge der Umsteuerzeit an Ventilen oder Steuerkanten, sehr
kurzzeitig.
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Durch die stoßartige Einwirkung der unter Betriebsdruck stehenden
Flüssigkeit auf das unter Niederdruck stellende Teilvolumen in der angesteuerten
Verdrängerkammer entsteht ein Druckwechselimpuls mit sehr kurzer Stoßdauer, aber
großer Fbikensteilheit und gegenüber dem statischen Betriebsdruck nennenswerten
Maximum oder es entsteht eine kurzzeitig abklingende gedämpfte Schwingung mit hoher
Eigenfrequenz ebenfalls mit hohem Maximum der ersten Halbwelle. Diese stoßartigen
Druckwechselimpulse oder kurzzeitigen gedämpften Schwingungen werden nachfolgend
als kurzwellig bezeichnet. Die aufgrund ihrer Flankensteilheit bzw. Impulsdauer
zu bestimmende Eigenfrequenz kann schon oberhalb der Hörgrenze liegen.
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Die Folgerate der Druckimpulse aber entspricht der #re#uenz der unter
1.) genannten Volumenstrompulsationen. Somit wird auf eine Trägerfrequenz, welche
mit der kurzwelligen Eigenfrequenz dieser Impulse identisch ist, eine i.angwel]ige
Schwingung aufmoduliert, die aus einer periodischen Folge von steilflankigen, also
kurzwelligen Einzelimpulsen oder kurzen gedämpften Schwingungen besteht, Bei den
unter D.) genannten Pulsationen handelt es sich um sehr kurzzeitige Einzelstöße
mit hoher Flankensteilheit und hoher Amplitude. Die Eigenfrequenz eines solchen
Einzelstoßes oder ggf. einer solchen sehr kurzzeitigen gedämpften Schwingung kann
sehr hoch sein und im nicht hörbaren Schallbereich liegen.Diese Pulsationen werden
daher nachfolgend als ultrakurzwellig bezeichnet0 Die Folgerate auch dieser Druckimpulse
entsprcht wiederum der Frequenz der unter 1.) genannten Volumenstrompulsationen,
nur daß hier die Trägerfrequenz noch höher liegt als bei den Impulsen nach 2.).
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Die genannten Pulsationen können, wenn sie sich ungehindert über die
Rohrleitungen fortpflanzen, andere mit ihnen verbundene Systemteile zu Schwingungen
anregen, besoders wenn deren Resonanzfrequenz mit der der Impulsfolgerate zusanenliegt
oder ein Vielfaches davon ist. Diese Resonatoren werden dann hörbaren Luftschall
erzeugen. Dabei kann der Energiegehalt der von den Rohrleitungen Ubertragenen hrz-
oder ultrakurzwelligen Impulsketten wegen der hohen Druckmaxima auch bei kurzer
Dauer der Sinzelimpulse in der Größenordnung des Energie gehaltes der langwelligen
Volumenstrompulsationen liegen und entsprechend stark zur Ituftschallerzeugung beitragen,
Neben
den bekannten Mitteln und Maßnahmen zur Schalldämpfung an den körperschallerzeugenden
Verdrängermaschinen und luftschallabstrahlenden Resonatoren sind Schalldämpfer bekannt,
welche in die Rohrleitungen eingebaut werden, um die :'iTeiterLeitung des Körperschalls
zu unterbinden.
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Eine Art der bekannten Rohrleitungsschalldämpfer beruht auf dem Prinzip
der Auadehnungskammer welches davon ausgeht, daß sich Flüssigkeitsschallpulsationen
beim Eintritt in Räume größeren Durchmessers von dem kleineren Rohr-querschnitt
aus kugelförmig ausbreiten und hierbei, entsprechend der gegenüber dem Rohrquerschnitt
schnell wachsenden Eugelfläche, in der Amplitude stark abnehmen, sodaß an der Austrittsöffnung
nur noch Pulsationen geringer Amplitude austreten.
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Es sind bei dieser Art Ein - und Mehrkanimersysteme bekannt, teilweise
mit in die Kanuaern eingeschobenen Rohrstücken oder mit siebförmigen oder festen
Trennwänden0 Der Nachteil derartiger Ausdehnungskamrnern liegt darin, daß beim Einkammersyst;iDlangwellige
Pulsationen durch Ausdehnung und Reflexion gedämpft werden, daß aber die kurz- und
ultrakurzwelligen Anteile der Pulsationen nur wenig gedämpft in die Austrittsöffnung
gelangen, weil sie sich nicht kugelförmig ausbreiten, sondern als Stoßwellenfronten
axial gerichtet bleiben und gebündelt sind, sich also verhalten wie Lichtwellen
in optischen Fasern. Auch in den Rohrleitungen selbst, sogar in Schlauchleitungen,
werden diese kurz- und ultrakurzwelligen Impulse wegen ihrer starken Ausrichtung
zur Längsachse hin von den Leitungswänden nur geringfügig absorbiert und behalten
ihre Energie über weite Entfernungen bei Mehrkaminersysteme haben den Nachteil höheren
Bauaufwandes und bedingen ferner nachteilige Umlenkungen oder Behinderungen des
Volumenstromes unter Druckverlusten.
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Eine andere Art bekannter Schalldampfersystemeteme beruht auf dnm
Prinzip,die Pulsationen durch Interferenz mit reflektierten Pulsationen zu löschen.
Diese Systeme sind aber nur auf langwellige Pulsationen und in einem jeweils engen
Frequenzbereich bar .
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Eine weitere Art beruht im Prinzip darauf, Druckpulsationen in parallel
zum Volumenstrom angeordneten Hydrospeichern aufzunehmen, wo sie durch deren Dämpfung
absorbiert werden. Neben dem Nachteil, daß Hydrospeicher in vielen hydraulischen
Systemen nicht verwendbar sind, weil sie die Steifigkeit der Kraftübertragung mindern,
sind sie auch nur bei langweligen Pulsationen anwendbar.
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Hier setzt die Erfindung ein. Sie hat einen Rohrleitunge schalldämpfer
zur. Ziele, der bei geringem konstruktiven Aufwand und geringem räumlichen bedarf
die Weiterleitung auch kurz- und ultrakurzwelliger Druckpulsationen behindert.
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E r f i n d u n g s g e m ä ß geschieht dies bei Verwendung einer
an sich bekannten einfachen, zweckmäßigerweise zylindrischen Ausdehnungskammer d
a d u r c h , d a ß in oder gegenüber der Schalleintrittsöffnung der Ausdehnungskarniner
ein zentraler stabförmiger Reflektor angeordnet wird, dessen zur Eintrittsöffnung
weisende Flächen gegen die Rohrlängsachse geneigt sind Dies hat den Vorteil, daß
mit geringem Aufwand neben den sich von der Zintrittsöffnung aus kugelförmig ausbreitenden
langwelligen Druckimpulsen auch die sich gebündelt gradlinig fortpflanzenden kurz-
und ultrakurzwelligen Impulse entsprechend optischen teflexionsgesetzen in radiale
Richtung gelehrt werden, wodurch sie abgeschwächt werden und von den Wänden der
Ausdehnungskamiiier absorbiert werden können.
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In weiterer Ausbildung ds Regerstandes der Erfindung ist es zweckmäßig,
die von dem zentralen Reflektor in radiale Richtung abgelenkten kurz- und ultrakurzwelligen
Druckimpulse aus der teilweise noch vorhandenen axialen Fortpflanzungsrichtung weiter
in radiale Richtung abzulenken0 Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch , daß rings
um den zentralen stabförmigen Reflektor herum, unter Freilassung eines ausreichenden
Querschnitts für die strömende Flüssigkeit' weitere, vorzugsweise ringförmige Reflektoren
angeordnet werden, deren Fläctien so geneigt sind, daß sie nach optischen Brechungs-
und Spiegelungsgesetzen die von dem zentralen stabförmigen Reflektor abgelenkten
Druckimpulse weiter in radiale Richtung ablenken, sodaß sie auf die zylindrische
Wand der Ausd-#hnungskammer in stumpfem Winkel auftreffen, und von dieser vorwiegend
absorbiert werden und ihre Rest~ energie radial nach innen reflektiert wird, Dies
hat den Vorteil, daß die kurz- und ultrakurzwelligen Druckimpulse vollständig aus
der ursprünglich zur Rohrleitung koaxialen Richtung abgelenkt werden und sich in
der Flüssigkeitssäule der Rohrleitung nicht weiter fortpflanzen.
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Eine zweckmäßige Form der ringförmig angeordneten Elemente wird e
r f i n d u n g 8 g e m ä ß in scheiben- oder kegelmantelförmigen Elementen gesehen,
die außen an der zylindriS schen Innenwand der Ausdehnungskammer anliegen0 Außerdem
können erfindungsgemäß solche Reflektorelemente auch als schraubenförmig ineinander
übergehende Kegelmantelflächen ausgebildet werden. Dies hat den Vorteil einfacheren
Einbaues0 Erfindungsgemäß können weiterhin die Abstände der einzelnen ringförmigen
Reflektor elemente untereinander unterschiedlich gewählt werden. Dadurch werden
langwellige Druckpulsationen unterschiedlicher Frequenzen durch Interferenz absorbiertg
In
weiterer Ausbildung von Schalldämpfern gemäß der Erfindung können die Räume der
Ausdehnungsksmmeizusätzlich schallabsorbierend gestaltet werden. Erfindungsgemäß
geschieht dies dadurch, daß die Räume der Ausdehnungskammer mit schallabsorbierendem
Material belegt werden, z.B. mit Schaumstoff.
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Dies hat den Vorteil, daß kurz- oder ultrakurzwellige Druckpulsationen
in diffuse Richtungen abgelenkt werden. Auch können die Räume z.B. mit Schlauchmaterial
oder geschlossenporigem Schaumstoff belegt werden; in den geschlossenen Räumen dieser
Materialien können die eingeschlossenen Gase die Wirkung von Druckepeicherblasen
haben und auftreffende Druckpulsationen dämpfen.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung kann der zentrale stabförmige
Reflektor an seinem der Scalleintrittsöfnung der Auedehnungskaumer abgekehrten Teil
erfindungsgemäß elastisch tind körperschallisolierend aufgehängt werden.
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Dies hat den Vorteil, daß auch die von dem Reflektor nicht abgelenkte,
sondern absorbierte Energie der Druckpulsationen nicht an die Rohrleitungen weitergegeben
wird.
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Weiter ist es für Schalldämpfer gemäß dem Erfindungsgegenstand vorteilhaft,
innerhalb der Ausdehnimgskammer die Richtung der strömenden Flüssigkeit möglichst
wenig ablenken Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, daß der zentrale stabförlige
Reflektor teilweise hohl ausgebildet und derart mit radialen Öffnungen, z.B. Längsschlitzen,versehen
wird, daß die Flüssigkeit ohne nenenawerte Umlenkung durch- und abströmen kann.
Dadurch werden vorteilhafterweise die Strömungswiderstände des Schalldämpfers äußerst
gering gehalten.
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Ferner ist es zweckmäßig, Schalldämpfer gemäß der Erfindung gegen
die angeschlossenen Rohrleitungen mittels körperschall dämmender Rohranschlüsse
zu isolieren0 Erfindungsgemäß geschieht
dies dadurch, daß zur Verbindung
der Rohrleitungen mit dem Gehäuse der Ausdehnungskamrner Klemmverbindungen mit nichtmetallischen,
körperschalldämmenden Werkstoffen verwendet werden.
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Ein Beispiel eines Schalldämpfers gemäß der Erfindung ist in der Abbildung
dargestellt.
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Darin ist (1) die einfache Ausdehnungskanuner, ausgebildet als druckfestes
zylindrisches Gefäß, Der stabförmige Reflektor (2) ist zentral und koaxial angeordnet,
mit den geneigten Reflexionsflächen gegenüber der links gelegenen Schalleintrittsöffnung.
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Er ist in dem der Eintrittsöffnung abgewandten eil hohl und hat Längsschlitze
(3)0 Durch die Strömungspfeile wird die geringe Ablenkung der strömenden Flüssigkeit
dargestellt, Unter (4) sind die weiteren, hier ringförmigen Reflektoren dargestellt.
Die gestrichelte Linie deutet an, wie die Spiegelung eines kurz- oder ultrakurzwelligen
Druckimpulses#us der koaxialen in die radiale Richtung erfolgt. Die Abstände der
einzelnen ringförmigen Reflektoren in axialer Richtung sind unterschiedlich. Im
hinteren Teil der Ausdehnungskammer sind die Zwischenräume mit dämmendem Materials
tm vorderen Teil mit gasgefüllten Schläuchen (6) belegtOMit dem unter (7) dargestellten,
federnden und schalldämpfenden zylindrischen Element wird der #eflektor(2) körperschallisolierend
im Gehäuse gehalten. Körperschallisolierende Klemmverbindungen (8) sind zwischen
dem Gehäuse der Ausdehnungskammer (1) und den angeschlossenen Rohrleitungen dargestellt
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf Ausbildungen und Anordnungen gemäß der Abbildung.
Vielmehr werden andere
Ausbildungen und Anordnungen einbezogen.
Se kann z.B. bei hydraulischen Systemen die Richtung des Körper schalls der Richtung
der strömenden Flüs#igkeit entgegengesetzt sein, zOBo bei Hydromotoren als schallerzeugenden
Verdränger maschinen, In diesem Falle verliefe in der Abbildung die Strömung von
rechts nach links, während die Eintrittsöffnung des Schalles weiterhin links bliebe.
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Es kann auch vorkommen, daß die Schallrichtung wechselt oder verschiedene
Schallerzeuger gleichzeitig in einander entgegengesetzter Richtung Schall in die
Rohrleitung senden, In solchen Fällen kann der zentrale stabförmige Reflektor an
beiden Enden Reflexionsflächen haben, und Durcbflußöffnungen sowie Halterung können
sich am Mittelteil befinden. Die ringförmigen weiteren Reflektoren sind dann beidsJtsO
Die Ausdehnungskammer kann auch so ausgebildet sein, daß zwar die reflektierenden
und absorbierenden Teile von der Schalleintrittsöffnung her beaufschlagt werden,
wie in der Abb. dargestellt, daß aber die Zu- oder Abflußöffnung für die Flüssigkeit
eine radiale oder schrägradiale Richtung hat.
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Zur Abgrenzung der Merkmale des Erfindungsgegenstandes gegen die Merkmale
bekannter Schalldämpfer wurden die folgenden Patentschriften herangezogen: Deutsches
Patentamt Nr. 2215083 ; Er. 2354927 ; Kr. 2438794 Nr. 2500723 ; Nr. 2521119 ; Nr.
7515224 (GM) Nr. 7437917
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