DE3708336A1

DE3708336A1 - Laufrad zum foerdern eines mediums

Info

Publication number: DE3708336A1
Application number: DE19873708336
Authority: DE
Inventors: Mathias Dr Rollwage
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1987-03-14
Filing date: 1987-03-14
Publication date: 1988-09-22
Anticipated expiration: 2007-03-15
Also published as: JP2825490B2; DE3708336C2; JPS63248999A; US4923365A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Laufrad nach der Gattung des Hauptanspruchs. Der Effekt einer unregelmäßigen Schaufelabstandsverteilung auf die Geräuscherzeugung wird im Frequenzbereich erklärt. Bei gleichmäßiger Schaufeleinteilung wird ein Ton mit der Frequenz N f₀ und höheren Harmonischen erzeugt, wobei N die Anzahl der Schaufeln und f₀ die Drehfrequenz des Schaufelrades ist. Ohne Berücksichtigung der Obertöne besteht das Leistungsspektrum dieses Geräusches aus einer diskreten Linie, in der die gesamte Schallenergie enthalten ist (Fig. 1a). Ziel der ungleichmäßigen Schaufeleinteilung ist es, die Schalleistung dieser einzelnen Spektrallinie im Frequenzbereich auf viele Linien gleichmäßig zu verteilen, so daß jeder Teilton möglichst unter die Mithörschwelle des Gehörs fällt.

Es ist schon ein Laufrad bekannt (DE-AS 12 53 402), für das eine Vorschrift angegeben wird, wie die Schaufelpositionen auf dem Umfang zu verteilen sind. Dabei wird der mathematische Zusammenhang zwischen der Schaufelabstandsfolge und dem resultierenden Geräuschspektrum nicht berücksichtigt, so daß z. B. eine unregelmäßige Einteilung ein Leistungsspektrum wie in Fig. 1b hervorrufen kann, in dem einzelne Töne dominieren. Ein Ungleichmäßigkeitsgrad für die angegebene Abstandsfolge wird dadurch definiert, daß man die Differenz von minimalem und maximalem Abstand durch den mittleren Abstand dividiert. Diese Definition berücksichtigt nicht die Reihenfolge der unterschiedlichen Abstände, die für die Ungleichmäßigkeit eine wesentliche Rolle spielt.

Die Ungleichmäßigkeit einer Funktion oder Folge kann man an ihrer Autokorrelationsfunktion oder ihrem Leistungsspektrum ablesen. In dieser Erfindung wird ein flaches Leistungsspektrum angestrebt (Fig. 1c), wie es für weißes Rauschen typisch ist. Aus dem schmalbandigen Ton (Fig. 1a) bei gleichmäßiger Schaufelteilung soll durch eine geeignete Abstandsverteilung ein breitbandiges Geräusch werden, bei dem kein Spektralanteil herauszuhören ist (Fig. 1c).

Die Anregungsvorgänge wiederholen sich in ihrer zeitlichen Abfolge nach jeder Schaufelradumdrehung, d. h. das Geräuschsignal besitzt eine Grundfrequenz f₀, die mit der inversen Umdrehungsperiode identisch ist. Daher ist das Leistungsspektrum des Geräusches diskret. Trotz dieser deterministischen Wiederholungen läßt sich das Signal so gestalten, daß es alle Eigenschaften eines weißen Rauschens besitzt, nämlich ein flaches (diskretes) Leistungsspektrum bzw. eine schnell abfallende Autokorrelationsfunktion. Solche Eigenschaften besitzen die sogeannnten Pseudorauschfolgen, mathematische Zahlenfolgen, die nach gewissen Regeln berechnet werden.

Ein Beispiel für eine Pseudorauschfolge ist eine zweiwertige Maximalfolge, wie sie mit einem Schieberegister erzeugt werden kann. Zur Erläuterung nehmen wir an, das Schaufelgeräusch bei gleichmäßiger Schaufelteilung sei sinusförmig mit Einheitsamplitude.

s(t) = sin N ω₀t; ω₀ = 2f f₀ = (1)

Diese Sinusfunktion wird im Takt der Maximalfolge {a _k} mit +1 oder -1 multipliziert, was man auch als Phasenverschiebung um 0° oder 180° auffassen kann. Man erhält dann folgende Funktion:

Dabei ist

die Rechteckfunktion und T _c = T₀/N die Taktzeit, d. h. Umdrehungszeit dividiert durch Schaufelzahl.

Im Spektralbereich zeigt die Funktion (2) eine gleichmäßige Aufteilung der Linienenergie auf die Frequnez f₀ und ihre Vielfachen. Die Verteilung ist in diesem Fall noch mit der Spaltfunktion gewichtet. Die Phasensprünge entsprechend einer Maximalfolge {a _k} werden bei der Lage der N Schaufeln auf den Umfang dadurch verwirklicht, daß sich die k-te Schaufel am Ort

in Winkelgrad befindet. Da binäre Maximalfolgen immer die Länge N = 2^M-1 (M = 3, 4 5, . . .) haben, kann die Schaufelzahl bei dieser Einteilung nur eine der Zahlen 7, 15, 31, 63 usw. sein.

Wenn andere Schaufelzahlen N benötigt werden, können die Abstände nach Primitiv-Wurzel-Folgen oder Quadratische-Reste-Folgen eingeteilt werden, die ebenfalls die erwähnten Pseudorauscheigenschaften haben. Diese Folgen sind nicht zweiwertig.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Laufrad mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteile, daß die vom Laufrad herrührenden totalen Pumpengeräusche auf ein absolutes Minimum reduziert werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Laufrades möglich.

Zeichung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die

Fig. 1a bis 1c verschiedene idealisierte Leistungsspektren des Fördergeräusches,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einem Kraftstoffvorratstank, einem Kraftstofförderaggregat und einer Brennkraftmaschine,

Fig. 3 ein in einer Pumpenkammer des Kraftstofförderaggregats angeordnetes Laufrad, entlang der Linie II-II in Fig. 4 geschnitten und

Fig. 4 das Laufrad gemäß Fig. 3 in Ansicht.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 2 zeigt einen Kraftstoffvorratstank 10, der über eine Saugleitung 12 mit der Saugseite eines Kraftstofförderaggregats 14 verbunden ist. An der Druckseite des Kraftstofförderaggregats 14 ist eine Druckleitung 16 angeschlossen, die zu einer Brennkraftmaschine 18 führt. Während des Betriebs der Brennkraftmaschine fördert das Kraftstofförderaggregat 14 Kraftstoff aus dem Vorratstank 10 zur Brennkraftmaschine 18.

Eine in Fig. 3 im Schnitt dargestellte Strömungspumpe 20 des Kraft stofförderaggregats 14 hat ein Flügel- oder Laufrad 22, das in einer Pumpenkammer 24 des Kraftstofförderaggregats 14 angeordnet ist. Das Laufrad 22 ist mit einer Antriebswelle 26 verbunden, welche von der Ankerwelle eines ebenfalls zum Kraftstofförderaggregat 14 gehörenden, elektrischen Antriebsmotors 24 gebildet ist. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die als sogenannte Westco-Pumpe ausgeführte Strömungspumpe zweistufig ausgebildet. Es weist deshalb einen ersten, inneren Kranz 30 von Fördergliedern und einen äußeren Doppelkranz 32 von Fördergliedern auf, die jeweils einer Förderstufe zugeordnet sind. Die Förderglieder 34 des inneren Kranzes 30 sind durch mit Abstand voneinander angeordnete, parallel zur Drehachse der Welle 26 verlaufende Durchbrechungen 36 gebildet, die im Abstand voneinander angeordnet und insbesondere in Fig. 4 erkennbar sind. Wie insbesondere Fig. 3 deutlich macht, weist der Doppelkranz 32 von Fördergliedern zwei Einzelkränze 38 und 39 von Fördergliedern 40 auf, die beidseitig einer Mitteldrehebene des Laufrades 22 angeordnet sind. Die Mitteldrehebene sei die Drehebene, welche in Richtung der Drehachse der Welle 26 gesehen, im Mittelbereich, zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Stirnflächen 23, 25 des Laufrades 22 gedacht ist. Die Draufsicht gemäß Fig. 4 auf das Laufrad 22 zeigt die Anordnung der einzelnen Förderglieder 40 des Kranzes 38, die durch Aussparungen 42 beidseitig der sogenannten Mitteldrehebene gebildet sind, so daß die Förderglieder 40 mit Abständen 41 von ihren jeweiligen Nachbar-Fördergliedern liegen. Die Aussparungen 42 erstrecken sich jeweils von der einen Stirnfläche 23, 25 des Laufrades 22 zur Mantelfläche 27 des Laufrades. Wie insbesondere Fig. 4 zeigt, weist der Fördergliederkranz 38 - genauso wie der Förder gliederkranz 39-63 einzelne Förderglieder 40 auf, die in Umfangsrichtung gesehen mit ungleichen Abständen 41 voneinander angeordnet sind. Es sind mämlich die Abstände 41 der einzelnen Förderglieder 40 eines Kranzes 38 bzw. 39 nach der Gesetzmäßigkeit einer Pseudo rauschfolge bemessen. Beim Ausführungsbeispiel ist die Pseudorauschfolge eine Maximalfolge der Länge 31. In der nachfolgenden Tabelle ist der Aufbau der Maximalfolge dargelegt. In der Spalte k sind die einzelnen Förderglieder oder Flügel fortlaufend von 1 bis 31 numeriert. In der zweiten, mit a _k bezeichneten Spalte ist die Maximal folge angegeben, aus der nach Gleichung (3) die Schaufelposition berechnet werden. Dem Übergang von 0 auf 1 entspricht dabei einem Schritt von 5,81 Grad, während der Übergang von 1 auf 0 einem Schritt von 17,42 Grad entspricht. Bei gleichbleibenden Folgengliedern ist die Schrittweite 11,61 Grad. In der dritten Spalte der folgenden Tabelle sind die Positionen der einzelnen Förderglieder angegebenen und zwar in Grad, ausgehend von der Mitte zwischen dem 1. und dem 31. Förderglied.

Laufrad mit 31 Schaufeln nach einer Maximalfolge eingeteilt

Diese sogenannte Maximalfolge garantiert eine Reduzierung der vom Laufrad 22 herrührenden tonalen Pumpengeräusche auf ein unvermeidbares Minimum. Der Fördergliederkranz 39 auf der anderen Seite der sogenannten Mitteldrehebene entspricht der eben anhand der Tabelle erläuterten Anordnung völlig. Es sind jedoch die Anordnungsfolgen des einen Kranzes 38 den entsprechenden Anordnungsfolgen des anderen Kranzes 39 diametral gegenüberliegend angeordnet. Es ist klar, daß die Schaufelteilung somit frei von Willkür erfolgt, nach dem Grundsatz, die tonale Leistung im Frequenzbereich gleichmäßig zu verteilen. Diese spektralen Eigenschaften besitzen Pseudorauschfolgen, insbesondere auch zweiwertige Maximalfolgen. Ein Vorteil bei der Schaufeleinteilung entsprechend einer Maximalfolge ist die Beschränkung auf lediglich drei unterschiedliche Abstände.

Als weiteres Beispiel wird ein Laufrad mit 18 Schaufeln angeführt, dessen Schaufelabstände nach einer Primitiven Wurzelfolge eingeteilt ist. Die Folge beruht auf der Primzahl p=19 und ihre Primitiven Wurzel g = 2 und wird nach dem Gesetz

a _k = g ^k (mod 19); (k = 1, 2, . . ., 18) (4)

gebildet. Die folgende Tabelle enthält in der ersten Spalte die Schaufelnummer, in der zweiten die Folge {a _k} und in der dritten Spalte die zugehörige Schaufelposition in Winkelgrad. Die erste Schaufel liegt bei 0 Grad. Die Position einer Schaufel ergibt sich aus der Vorgängerposition durch eine Rekursionsgleichung.

ϕ _k = ϕ _k-1 + 10,5° + 1° a _k-1; (k = 2, . . ., 18) (5)

Da ϕ₁ = 0° ist und a₁ = 2, ergibt sich ϕ₂ = 0° + 10,5° + 2° = 12,5° usw. Die konstante Addition von 10,5 Grad zum folgenabhängigen Beitrag in Gleichung (5) ist notwendig, um die Differenz zwischen größtem und kleinstem Abstand nicht zu groß werden zu lassen, wodurch der Wirkungsgrad zu sehr leiden würde.

Eine weitere Möglichkeit für ein Laufrad besteht darin, die Abstände nach einer Quadratische-Reste-Folge einzuteilen. Die Beispielfolge beruht auf der Primzahl p=17. Die quadratischen Reste {a _k} ergeben sich nach der Gleichung

a _k = k² (mod p); (k = 1, . . ., 16) (6)

Das Laufrad hat 16 Schaufeln. Die folgende Tabelle enthält in der ersten Spalte die Schaufelnummer, in der zweiten die Folge {a _k} und in der dritten Spalte die zugehörige Schaufelposition in Winkelgrad. Die erste Schaufel liegt bei 0 Grad. Die Position einer Schaufel ergibt sich aus der Vorgängerposition durch eine Rekursionsgleichung.

d _k = ϕ _k-1 + 14° + 1° a _k-1; (k = 2, . . ., 16) (7)

Da ϕ₁=0 Grad ist und a₁=1, ergibt sich ϕ₂=0° + 14° + 1° = 15° usw. Die konstante Addition von 14 Grad zum folgenabhängigen Betrag in Gleichung (7) ist notwendig, um die Differenz zwischen größtem und kleinstem Abstand nicht zu groß werden zu lassen, wodurch der Förderwirkungsgrad leiden würde.

Claims

1. Laufrad zum Fördern eines Mediums, mit vorzugsweise im Umfangsbereich angeordneten, in Umfangsrichtung mit ungleichen Abständen voneinander liegenden, flügelartigen Fördergliedern, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände (41) nach der Gesetzmäßigkeit einer Pseudorauschfolge bemessen sind.

2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pseudo rauschfolge eine Maximalfolge ist.

3. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pseudo rauschfolge eine primitive Wurzelfolge ist.

4. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pseudo rauschfolge eine quadratische Restefolge ist.

5. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pseudorauschfolge zweiwertig ist.

6. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das beidseitig seiner Mitteldrehebene je einen Kranz von Fördergliedern aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Förderglieder (40) des einen Kranzes (39) der Anordnung der Förderglieder (40) des anderen Kranzes (38) entspricht.

7. Laufrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anord nungsfolgen des einen Kranzes (38) den entsprechenden Anordnungsfolgen des anderen Kranzes (39) diametral gegenüberliegen.

8. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (22) in einer Pumpenkammer (24) eines Kraftstofförderaggregats (14) angeordnet ist.