DE3209617A1

DE3209617A1 - Geraeuscharme turbomaschine

Info

Publication number: DE3209617A1
Application number: DE19823209617
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Ing Neise
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1982-03-17
Filing date: 1982-03-17
Publication date: 1983-10-06
Also published as: GB2117046B; DE3209617C2; JPS59600A; GB2117046A; GB8306542D0; FR2523658B1; FR2523658A1

Abstract

Zur Beseitigung der störenden Komponenten des Drehklanges einer Turbomaschine ist hinter der Gehäusezunge (15) ein Schallraum (17) angeordnet, der der Einwirkung einer Gegenschallquelle (18) ausgesetzt ist. Die Gegenschallquelle (18) wird mit einer Frequenz erregt, die entweder von der Drehzahl der Antriebswelle des Laufrades (13) abgeleitet ist oder unmittelbar von dem Drehklang mit Hilfe eines Mikrofons. An der Gehäusezunge löschen sich die betreffende Komponente des Drehklanges und der Schall der Gegenschallquelle (18) mindestens teilweise aus.

Description

Die Erfindung betrifft eine geräuscharme Turbomaschine mit einem ein rotierendes Laufrad enthaltenden Gehäuse und mit einem mit dem Innenraum des Gehäuses durch mindestens eine Schalldurchgangsöffnung verbundenen Schallraum.

Die wesentlichen Quellregionen für den Drehklang ist bei einer leitringlosen radialen Turbomaschine die Gehäusezunge, an der die Umfangswand des Gehäuses über einen Biegebereich in einen Anschlußkanal übergeht. An dieser Stelle hat das spiralförmige Gehäuse den geringsten Durchmesser. Bei axialen Turbomaschinen stellen die radialen Leitschaufeln, die das Lager für die Achse des Laufrades tragen und quer im Strömungskanal angeordnet sind, die wesentlichen Schallquellenregionen dar.

Es ist bekannt, bei Turbo-Arbeitsmaschinen im Biegebereich der Gehäusezunge bzw. der Leitschaufeln eine Lochwand vor-

zusehen, hinter der ein Resonator angeordnet ist (EP-Patentanmeldung 0 039 4 59). Der Resonator ist als λ/4-Resonator für die wesentliche Störschallfrequenz ausgebildet. In ihm entsteht eine stehende Welle, die gegenphasig zu der Schwingung des Drehklangs ist und daher einen Teil des Drehklangs auslöscht. Hierdurch wird der störende Drehklang der Turbomaschine wesentlich verringert.

Ein Nachteil der bekannten Schallkompensation besteht darin, daß der λ/4-Resonator auf die jeweilige Störfrequenz abgestimmt werden muß, wobei die Störfrequenz aber wesentlich von der Drehzahl der Turbomaschine abhängt. Bei Turbomaschinen, deren Drehzahl veränderbar ist, ist in Abhängigkeit von der jeweils herrschenden Drehzahl ein ständiger Abgleich der Länge des λ/4-Resonators erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine geräuscharme Turbomaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der eine selbsttätige Anpassung der Schallkompensation an unterschiedliche Maschinendrehzahlen erfolgt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß in dem Schallraum eine Gegenschallquelle wirksam ist, die mit einer sich in Abhängigkeit von der Drehzahl des Laufrades ändernden Frequenz angeregt ist.

Die Gegenschallquelle ist eine aktive Schallquelle, z.B. in Form eines Lautsprechers. Diese Schallquelle wird mit einer Frequenz erregt, die sich in Abhängigkeit von der Drehzahl des Laufrades ändert. Auf diese Weise wird die Frequenz der Gegenschallquelle selbsttätig der jeweiligen Drehzahl des Laufrades angepaßt. Die Gegenschallquelle er-

zeugt einen Schall, der möglichst gegenphasig zu dem störenden Frequenzanteil des Drehklanges ist, damit dieser Drehklanganteil und der Gegenschall sich gegenseitig min-""estens teilweise auslöschen. Als Folge hiervon stellt sich ein niedrigerer Lärmpegel ein.

Im Gegensatz zum Stand der Technik weist die erfindungsgemäße Turbomaschine eine "aktive" Gegenschallquelle auf. Es handelt sich also nicht um einen Resonator mit fester oder variabler Resonanzfrequenz, sondern um eine in der wesentlichen Quellregion des Drehklanges wirksame kompensierende Gegenschallquelle,

Vorzugsweise wird die Gegenschallquelle über eine verstellbare Phasenschieberschaltung angeregt. Durch die Phasenschieberschaltung kann die Phasenlage des Gegenschalls derart verstellt werden, daß sie gegenüber der Phasenlage des Drehklanges um 180° phasenverschoben ist. Diese Phasenverschiebung läßt sich sehr leicht manuell durchführen und überwachen, weil die Phase des Erregersignals der Gegenschallquelle so lange verschoben werden muß, bis für das menschliche Gehörempfinden der niedrigste Drehklangpegel erreicht ist. Es ist auch möglich, die Phasenschieberschaltung selbsttätig so einzuregeln, daß sie die jeweils wirksamste Phasenlage einstellt. Hierzu ist ein den Drehklang aufnehmender Schallwandler und ein entsprechender Regler erforderlich.

Die Frequenz, mit der die Gegenschallquelle angeregt wird, kann durch einen Sensor gewonnen werden, der auf mit der Antriebswelle des Laufrades rotierende Elemente anspricht. Hierzu ist es möglich, an der Welle des Laufrades eine Kodierscheibe zu befestigten, deren Markierungen sich an

einem berührungslosen Sensor vorbeibewegen, welcher entsprechende Impulse erzeugt. Durch entsprechende Aufteilung der Markierungen an der Kodierscheibe kann eine Frequenz erzeugt werden, die einer bestimmten Harmonischen des von der Drehzahl abhängigen Drehklanges entspricht. Die Hauptstörfrequenz im Geräusch von Turbo-Arbeitsmaschinen sind in der Regel die Schaufelfrequenz (Drehzahl χ Schaufelzahl des Laufrades und Vielfache davon). . Durch die Ableitung der Erregerfrequenz für die Gegenschallquelle von der Laufraddrehzahl über einen Drehzahlaufnehmer wird sichergestellt, daß die Frequenzen der Gegenschallquelle stets exakt gleich denen der primären aerodynamischen Druckschwankungen sind.

Gemäß einer anderen Variante der Erfindung wird die Gegen-Schallquelle durch mindestens einen die Geräusche in elektrische Schwingungen umsetzenden Drucksensor erregt. Dieser Drucksensor kann ein Mikrofon sein, das in der Quellregion des Störgeräusches angeordnet ist. Über eine Regelschaltung wird die Gegenschallquelle so gesteuert, daß am Ort des Drucksensors Druckschwankungen mit minimaler Amplitude entstehen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Gegenschallquellen vorhanden, die mit unterschiedlichen Frequenzen erregt sind. Diese Gegenschallquellen können entweder von einem Sensor gemeinsam oder von unterschiedlichen Sensoren aus gesteuert werden. Diese Sensoren können an unterschiedlichen Stellen des Gehäuses angeordnet sein und/oder voneinander abweichende Frequenzempfindlichkeiten haben.

Bei der erfindungsgemäßen Turbomaschine brauchen zur Anbringung der Gegenschallquellen die Form und geometrischen Abmessungen des Innenraumes des Gehäuses nicht verändert ij werden. Daher ergeben sich keine Änderungen der Kennlinie und des Wirkungsgrades der Turbomaschine.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer radialen Turbomaschine,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Erregung der Gegenschallquelle und

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erzeugung des Gegenschalls.

In Fig. 1 ist eine radiale Turbomaschine dargestellt, die ein Gehäuse 10 mit spiralförmiger Umfangswand 11 aufweist, Die umfangswand 11 setzt sich in die Außenwand eines tangentialen Anschlußkanals 12 fort.

In dem Gehäuse 10 ist das Laufrad 13 mit den Schaufeln drehbar angeordnet. In Fig. 1 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit die angetriebene Welle, an der das Laufrad 13 befestigt ist, fortgelassen. An derjenigen Stelle, an der die umfangswand 11 des Gehäuses - bezogen auf die Achse des Laufrades 13 - den geringsten Radius hat, be-

findet sich die Gehäusezunge 15, die aus einem Biegebereich besteht, in welchem die Gehäusewand 11 in die obere Wand des Anschlußkanals 12 übergeht. Die Gehäusezunge 15 ist die wesentliche Quelle für den störenden Drehklang.

Die Gehäusezunge 15 ist als Lochwand ausgeführt. Sie weist zahlreiche Löcher auf, die in den hinter der Gehäusezunge 15 angeordneten geschlossenen Schallraum 17 hineinführen. Die Wände des Schallraumes 17 sind sämtlich geschlossen, mit Ausnahme der öffnungen in der Gehäusezunge 15 und einer öffnung, an die ein Lautsprecher 18 angesetzt ist. Der Lautsprecher 18, dessen Erregung nachfolgend noch erläutert wird, bildet die Gegenschallquelle, die in dem Schallraum 17 elektroakustische Schwingungen erzeugt, welche zu den Löchern der Gehäusezunge 15 übertragen werden, und in diesen Löchern gegenphasig zu der zu unterdrückenden Komponente des Drehklangs sind.

Gemäß Fig. 2 ist an der Antriebswelle 19 des Laufrades 13 eine Kodierscheibe 20 befestigt, die an ihrem Umfang Markierungen trägt. Diese Markierungen können beispielsweise Schlitze, Farbmarkierungen, Metallteile o.dgl. sein. Neben der mit der Antriebswelle 19 rotierenden Kodierscheibe 20 ist ein Sensor 21 angeordnet, der beim Vorbeilauf einer jeden Markierung einen elektrischen Impuls erzeugt. Die Impulse werden einer Phasenschieberschaltung 22 zugeführt, in der beispielsweise von Hand die Phasenlage der Impulse verändert werden kann. Im einfachsten Fall besteht die Phasenschieberschaltung 22 aus einer Verzögerungsschaltung, z.B. einem RC-Glied.

Der Ausgang der Phasenschieberschaltung 22 ist über einen

— τ" —
-S-

Verstärker 23 mit dem Lautsprecher 18 verbunden. Die Frequenz, mit der der Lautsprecher erregt wird, ist gleich der Drehzahl der Antriebswelle 19 pro Sekunde, multipli-Ζχ·?η mit der Anzahl der Markierungen auf der Kodierschei*· be 20. Soll die Erregung des Lautsprechers mit einer niedrigeren Frequenz erfolgen, dann kann hinter den Sensor 21, der die impulse erzeugt, eine Frequenzteilerschaltung geschaltet werden, die die Frequenz entsprechend heruntersetzt.

Nach dem erfindungsgemäßen Prinzip erzeugt die aus dem Lautsprecher 18 bestehende Gegenschallquelle einen Schall, dessen Frequenz gleich derjenigen einer störenden Komponente des Drehklanges ist. Durch geeignete Einstellung der Phasenschieberschaltung 22 wird erreicht, daß die betreffende Drehklangkomponente und der vom Lautsprecher 18 erzeugte Gegenklang sich im Bereich der Gehäusezungö 15 gegenseitig mindestens teilweise auslöschen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist in dem Gehäuse 10 ein Mikrofon 24 angebracht, das den an der Gehäusezunge 15 erzeugten Drehklang aufnimmt und entsprechende elektrische Signale an einen Verstärker 25 abgibt. Das Ausgangssignal des Verstärkers gelangt über eine Phasenschieberschaltung 22 zu dem Lautsprecher 18, der in gleicher Weise an dem Schallraum 17 angebracht ist wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Phasenschieberschaltung wird so eingestellt, daß die Amplitude des hörbaren Drehklanges ein Minimum einnimmt. Zusätzlich kann an dem Verstärker 25 der Pegel der Gegenschallquelle verändert werden.

Die Löcher an der Gehäusezunge 15 können beliebige Formen haben. Anstelle der Lochwand kann auch eine durch eine Membran verschlossene Öffnung vorgesehen sein.

Die Erfindung ist bei allen Turbomaschinen anwendbar, wie z.B. bei Lüftern, Ventilatoren, ein- oder mehrstufigen Gebläsen, Verdichtern und Pumpen.

Claims

ANSPRÜCHE

Geräuscharme Turbomaschine mit einem ein rotierendes Laufrad enthaltenden Gehäuse und mit einem mit dem Innenraum des Gehäuses durch mindestens eine Schalldurchgangsöffnung verbundenen Schallraum, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Schallraum (17) eine Gegenschallquelle (18) wirksam ist, die mit einer sich in Abhängigkeit· von der Drehzahl des Laufrades (13) ändernden Frequenz angeregt ist.
2. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenschallquelle (18) über eine verstellbare Phasenschieberschaltung (22) erregt wird.
3. Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf mit der Antriebswelle (19) des Laufrades (13) rotierende Elemente ansprechender Sensor (21) Signale für die periodische Erregung der Gegenschallquelle (18) erzeugt.
4. Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein die Geräusche in elektrische Schwingungen umsetzender Drucksensor (24) vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal - ggf. nach Verstärkung und Phasenverschiebung - die Gegenschallquelle (18) erregt.

-w-
5. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gegenschallquellen (18) vorgesehen sind, die mit unterschiedlichen Frequenzen erregt sind.
6. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallraum (17) durch eine Lochwand gegenüber dem Gehäuseinnern abgeschlossen ist.
7. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallraum (17) durch eine Membran gegenüber dem Gehäuseinnern abgeschlossen ist.