DE3044910C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Schalldämpfer, die zum Zwecke der Dämpfung des Körperschalls in Flüssigkeitsrohrleitungen eingebaut werden.

In hydraulischen Systemen mit Rohrleitungen und annähernd inkompressiblen Flüssigkeiten wird längs der Rohrleitungen Körperschall weitergeleitet, teils über die Rohrwandungen, teils in der Flüssigkeit selbst.

Neben Druckimpulsen, die durch Laständerungen im System oder Ventilschaltungen bzw. - schwingungen entstehen, wird Körperschall vorwiegend durch die Verdrängermaschinen, d.h. Pumpen oder Hydromotoren, erzeugt, bei denen in periodischer Folge der Druck in den Verdrängerkammern stoßartig geändert und der Volumenstrom stetig in ungleich­ förmige Bewegung versetzt wird.

Bei Verdrängermaschinen werden unterschiedliche Arten von Druckpulsationen erzeugt, die als Körperschall weitergeleitet werden:

• 1) Volumenstrombedingte Druckpulsationen, herrührend aus den kinematischen Beschleunigungen und Verzögerungen;
• 2) Druckpulsationen, die in den Verdrängerkammern durch die Umsteuerung von Niederdruck auf Betriebsdruck entstehen;
• 3) Druckpulsationen, die beim Zusammenfall von Kavitations­ blasen entstehen.

Diese Arten von Druckpulsationen haben zwar eine Impuls­ 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 untereinander.

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. Sie werden nachfolgend als langwellig bezeichnet. Ihre Frequenz liegt wie die Impulsfolgerate meist im hörbaren Schallbereich.

Bei den unter 2) genannten Druckwechselpulsationen erfolgt der erzeugende Druckwechsel, je nach Länge der Umsteuerzeit an Ventilen oder Steuerkanten, sehr kurzzeitig. Durch stoßartige Einwirkung der unter Betriebsdruck stehenden Flüssigkeit auf ein unter Niederdruck stehendes Teilvolumen in einer angesteuerten Verdrängerkammer entsteht ein Druckwechselimpuls mit sehr kurzer Stoßdauer, aber großer Flankensteilheit und gegenüber dem statischen Betriebsdruck nennenswertem 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 aus ihrer Flankensteilheit bzw. Impulsdauer zu definierende Eigenfrequenz kann schon oberhalb der Hörgrenze liegen.

Die Folgerate der Druckimpulse aber entspricht der Frequenz der unter 1) genannten Volumenstrompulsationen. Somit wird auf eine Trägerfrequenz, welche mit der kurzwelligen Eigenfrequenz dieser Impulse identisch ist, eine langwellige Schwingung aufmoduliert, die aus einer periodischen Folge von steilflankigen, also kurzwelligen Einzelimpulsen oder kurzen gedämpften Schwingungen besteht.

Bei den unter 3) 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 bezeichnet. Die Folgerate auch dieser Druckimpulse entspricht wiederum der Frequenz der unter 1) genannten Volumenstrompulsationen, nur daß hier die Trägerfrequenz noch höher liegt als bei den Impulsen nach 2).

Die genannten Pulsationen können, wenn sie sich ungehindert über die Rohrleitungen fortpflanzen, andere mit diesen ver­ bundene Systemteile zu Schwingungen anregen, besonders wenn deren Resonanzfrequenz mit der der Impulsfolgerate zusammen­ liegt oder ein Vielfaches davon ist. Diese Resonatoren werden dann hörbaren Luftschall erzeugen. Dabei kann der Energiegehalt der von den Rohrleitungen übertragenen kurz- oder ultrakurz­ welligen Impulsketten wegen der hohen Druckmaxima auch bei kurzer Dauer der Einzelimpulse in der Größenordnung des Energiegehaltes der langwelligen Volumenstrompulsationen liegen und entsprechend stark zur Luftschallerzeugung 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 Weiterleitung des Körperschalls zu unterbinden.

Eine Art der bekannten Rohrleitungsschalldämpfer beruht auf dem Prinzip der Ausdehnungskammer, welches besagt, daß sich langwellige Flüssigkeitsschallpulsationen beim Eintritt in Räume größeren Durchmessers, ausgehend von dem kleineren Rohrquerschnitt, kugelförmig ausbreiten und hierbei, entsprechend der gegenüber dem Rohrquerschnitt schnell wachsenden Kugelfläche, in der Amplitude stark abnehmen, sodaß an der Austrittsöffnung nur noch Pulsationen geringer Amplitude austreten. Es sind bei dieser Art Ein- und Mehrkammersysteme bekannt, teilweise mit in die Kammern eingeschobenen Rohr­ stücken oder mit siebförmigen oder festen Trennwänden. Der Nachteil derartiger Ausdehnungskammern liegt darin, daß beim Einkammersystem zwar langwellige Pulsationen durch Ausdehnung und Reflexion gedämpft werden, daß aber die kurz- und ultra­ kurzwelligen 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 parallel zur Längsachse von den Leitungswänden nur geringfügig absorbiert und behalten ihre Energie über weite Entfernungen bei. Mehrkammersysteme haben den Nachteil höheren Bauaufwandes und bedingen ferner nachteilige Umlenkungen oder Behinderungen des Volumenstromes unter Druckverlusten.

Eine andere Art bekannter Schalldämpfersysteme beruht auf dem Prinzip, die Pulsationen durch Interferenz mit reflek­ tierten Pulsationen zu löschen. Diese Systeme sind aber nur auf langwellige Pulsationen und in einem jeweils engen Frequenzbereich anwendbar.

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 langwelligen Pulsationen anwendbar.

Bekannt sind ferner Rohrleitungsschalldämpfer, bei denen in oder gegenüber der Schalleintrittsöffnung der Ausdehnungskammer zentrale Reflektoren angeordnet sind, deren zur Schallein­ trittsöffnung weisende, z.T. ebene oder einfachgekrümmte Flächen gegen die Achse der Eintrittsöffnung geneigt sind. Durch solche Reflektoren werden zwar die unter 2) und 3) genannten kurz­ und ultrakurzwelligen Druckimpulse von der Austrittsöffnung abgelenkt; sie behalten jedoch nach dem Reflexions- und Brechungsgesetz der linearen Optik ihre Bündelung bei. Bei einfachgekrümmten Reflektorflächen kann eine brennpunktartige Verstärkung der Bündelung auftreten. Darüber hinaus haben derartige ebene oder einfachgekrümmte Reflektoren den Nachteil, daß sie den Volumenstrom umlenken bzw. verwirbeln und dadurch Verluste erzeugen.

Schalldämmpfer für Flüssigkeitsrohrleitungen mit einfacher Ausdehnungskammer sind beispielsweise aus der DE-OS 24 10 231 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schalldämpfer für Flüssig­ keitsrohrleitungen zu schaffen, welcher bei geringem konstruk­ tiven Aufwand, geringem Raumbedarf und geringem Strömungswider­ stand die Weiterleitung auch kurz- und ultrakurzwelliger Druckpulsationen behindert.

Die gestellte Aufgabe wird gelöst durch einen Schalldämpfer für Flüssigkeitsrohrleitungen mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Anspruches 1. Dieser bewirkt in vorteilhafter Weise, daß außer den sich von der Eintrittsöffnung aus kugelförmig unter Amplituden­ abschwächung ausbreitenden langen Schallwellen auch die sich nach den Gesetzen der linearen Optik gebündelt und geradlinig fortpflanzenden kurz- und ultrakurzwelligen Impulse in radiale Auswärtsrichtung gelenkt werden, wodurch sie nach fotometrischen Gesetzen in ihrer Amplitude geschwächt werden und von den Wänden der Ausdehnungskammer um so besser absorbiert werden können, je stumpfwinkliger sie dort auftreffen. Der Rest der Schall­ energie wird radial nach innen reflektiert und im Schalldämpfer in Wärme verwandelt.

Vorteilhaft ist ferner, daß der Volumenstrom der Flüssigkeit weder durch enge Drosselstellen noch durch Umlenkungen behindert wird und entsprechend geringe Strömungsverluste entstehen.

In den Unteransprüchen 2 bis 8 sind weitere Ausgestaltungen des Schalldämpfers nach Anspruch 1 angegeben. Die Lösung der gestellten Aufgabe, möglichst geringen kon­ struktiven Aufwand, Raumbedarf und Strömungswiderstand zu erzielen, erfolgt zweckmäßigerweise durch einen Schalldämpfer mit ringförmigen Reflektoren mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 2 und 3. Solche Reflektoren lassen sich vorteilhafterweise leicht herstellen und leicht an der Innenwand der Ausdehnungskammer befestigen.

Die gestellte Aufgabe, die Weiterleitung auch kurz- und ultra­ kurzwelliger Druckpulsationen zu behindern, wird gelöst durch Schalldämpfer mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 4, 5, 6 und 7.

Die nach Anspruch 4 vorgeschlagene Staffelung der Abstände zwischen den einzelnen ringförmigen Reflektoren oder den Schraubengängen richtet sich danach, wie der dem Reflexions­ und Brechungsgesetz aus der linearen Optik folgende Strahlungsfluß der Druckpulsationen vorteilhafterweise möglichst vollständig aufgefangen und in radiale Auswärts­ richtung abgelenkt werden kann.

Das nach Anspruch 5 vorgeschlagene schallabsorbierende Material in den Räumen der Ausdehnungskammer bricht vorteil­ hafterweise die Fronten der kurz- und ultrakurzwelligen Druckimpulse und deren mehrfache Reflexionen. Die elastische und körperschallisolierende Anordnung des zentralen stabförmigen Reflektors nach Anspruch 6 und die Anordnung von Klemmverbindungen aus nichtmetallischen, körperschalldämmenden Werkstoffen zur Verbindung der Rohrleitungen mit dem Gehäuse der Ausdehnungskammer nach Anspruch 7 verhindern die Weiterleitung des Körperschalles in die Wandungen der Ausdehnungskammer und des ausgangsseitigen Rohres besonders gut.

Die gestellte Aufgabe, einen Schalldämpfer mit geringem Strömungswiderstand zu schaffen, wird gelöst durch einen Schalldämpfer mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 8. Durch hohle Ausbildung des stabförmigen Reflektors und Anordnung in axialer Richtung langgestreckter radialer Öffnungen kann die Flüssigkeit ohne nennenswerte Umlenkung vorteilhafterweise verlustarm durch- und abströmen.

Ein Beispiel eines Schalldämpfers gemäß der Erfindung ist in der Abbildung dargestellt.

Darin ist (1) die einfache Ausdehnungskammer, ausgebildet als druckfestes zylindrisches Gefäß. Der stabförmige Reflektor (2) ist zentral und koaxial angeordnet, mit den geneigten kegeligen Reflexionsflächen gegenüber der links gelegenen Schallein­ trittsöffnung.

Er ist in dem der Eintrittsöffnung abgewandten Teil hohl und hat Längsschlitze (3). 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 Spiege­ lung eines kurz- oder ultrakurzwelligen Druckimpulses aus 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 Material (5), im vorderen Teil mit gasgefüllten Schläuchen (6) belegt. Mit dem unter (7) dargestellten, federnden und schalldämpfenden zylindrischen Element wird der Reflektor (2) körperschallisolierend im Gehäuse gehalten, körperschallisolierende Klemmverbindungen (8) als Ausbildungen und Anordnungen einbezogen. Es kann auch bei hydraulischen Systemen die Richtung des Körperschalls der Richtung der strömenden Flüssigkeit entgegengesetzt sein, z.B. 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.

Es kann auch vorkommen, daß die Schallrichtung wechselt oder verschiedene Schallerzeuger gleichzeitig in einander entgegen­ gesetzter Richtung Schall in die Rohrleitung senden. In solchen Fällen kann der zentrale stabförmige Reflektor an beiden Enden Reflexionsflächen haben, und Durchflußöffnungen sowie Halterung können sich am Mittelteil befinden. Die ringförmigen weiteren Reflektoren sind dann beidseitig angeordnet.

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 die Abflußöffnung für die Flüssigkeit eine radiale oder schrägradiale Richtung hat.

Claims (8)

1. Schalldämpfer für Flüssigkeitsrohrleitungen mit einfacher Ausdehnungskammer, mit einem in oder gegenüber der Schalleintrittsöffnung der Ausdehnungskammer angeordneten zentralen stabförmigen Reflektor, dessen zur Schallein­ trittsöffnung weisende Flächen gegen die Achse der Ein­ trittsöffnung geneigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß rings um den zentralen stabförmigen Reflektor, unter Freilassung eines ausreichenden Querschnitts für die strömende Flüssigkeit, weitere ringförmige Reflektoren angeordnet sind, deren Flächen eine derartige Neigung aufweisen, daß sie entsprechend dem Reflexions- und Brechungsgesetz aus der linearen Optik die von dem zen­ tralen stabförmigen Reflektor abgelenkten Druckimpulse weiter in radialer Richtung ablenken, so daß sie auf die zylindrische Wand der Ausdehnungskammer in stumpfem Winkel auftreffen, von dieser überwiegend absorbiert werden und ihr Rest radial nach innen reflektiert wird.

2. Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Reflektoren scheiben- oder kegelmantel­ förmig gestaltet sind und außen an der zylindrischen Innen­ wand der Ausdehnungskammer unmittelbar oder mit schall­ dämmenden Randelementen angeordnet sind.

3. Schalldämpfer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die rings um den zentralen stabförmigen Reflektor ange­ ordneten Reflektoren als schraubenförmig ineinander über­ gehende Scheiben- oder Kegelmantelflächen geformt sind.

4. Schalldämpfer nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der einzelnen ringförmigen Reflektoren oder der Schraubengänge in axialer Richtung unterschiedlich sind.

5. Schalldämpfer nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Räume der Ausdehnungskammer mit schallabsorbierendem Material belegt sind.

6. Schalldämpfer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale stabförmige Reflektor elastisch und körper­ schallisolierend angeordnet ist.

7. Schalldämpfer nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalldämpfer zur Verbindung der Rohrleitungen mit dem Gehäuse der Ausdehnungskammer Klemmverbindungen aus nichtmetallischen, körperschalldämmenden Werkstoffen aufweist.

8. Schalldämpfer nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale stabförmige Reflektor teilweise hohl ausgebildet ist und radiale Öffnungen, z.B. Längsschlitze, aufweist, damit die Flüssigkeit ohne nennenswerte Umlenkung durch- und abströmen kann.