DE3906554A1 - Gasdynamische druckwellenmaschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mehrflutige gasdynami­ sche Druckwellenmaschine nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Einflutige 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.

Zu diesem Zweck sind schon verschiedene Lösungen vorgeschlagen worden. Einer dieser Vorschläge (CH-PS 3 98 184) sieht vor, die Höhe der Zellen des Rotors, in denen der Druckaustausch zwi­ schen den gasförmigen Arbeitsmitteln stattfindet, in radialer Richtung durch 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 ver­ schieden, aber in allen Fluten gleich, so daß alle Zellenwände der einander in radialer Richtung benachbarten Zellen in ge­ meinsamen 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 vorgese­ hen, wobei die Zellenwände aus bogenförmig gekrümmten Blechen mit hakenförmig abgebogenen Enden bestehen, welch letztere im Nabenrohr bzw. im Außenmantel des Rotors eingegossen sein kön­ nen. Der beabsichtigte Effekt wird bei allen diesen Aus­ führungen 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 Nach­ teile auf. Infolge des kreisringförmigen Querschnitts der Zwischenrohre, der gleichmäßig dicken und zueinander versetz­ ten Zellenwände sowie der unterschiedlich großen Zellentei­ lungen kommt es zu Wärme- und Fliehkraftspannungen, die Verformungen und Überbeanspruchungen der Rotorstruktur ver­ ursachen. Bei der letztgenannten Variante treten wegen der großen Elastizität der Zellenwände, insbesondere bei Drehzahl­ änderungen, auch mit Bestimmtheit Torsionsschwingungen dersel­ ben auf, die den Druckwellenprozeß stören können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden, und zwar hinsichtlich der Lärmminderung, hauptsäch­ lich, indem durch Interferenz die Amplitude der Grundfrequenz reduziert wird.

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

Im folgenden wird eine Ausführungsforme der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser stellt dar

Fig. 1 eine erfindungsgemäße dreiflutige Druckwellenma­ schine im Längsschnitt,

Fig. 2 die Abgas- und Luftkanäle in einem Gehäuseseitenteil,

Fig. 3 den Rotor der Maschine nach Fig. 1 in einem teilwei­ sen Seitenriß.

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 Keilrie­ menrad 6 antreibbar ist.

Fig. 2 zeigt die Draufsicht auf die Flanschseite des Gasge­ häuses 8 entsprechend dem in Fig. 1 angedeuteten Schnittverlauf II-II. In dieser Fig. 2 bezeichnet 19 die zwei Eintrittskanäle für das Hochdruckgas, 20 die Gastaschen, die den Betriebs­ bereich der Druckwellenmaschine in bekannter Weise vergrößern, sowie 21 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 Fig. 1) vorgesehen.

Die aus einem nicht gezeigten Verbrennungsmotor kommenden Gase treten am Eintrittsstutzen 7 in das Gasgehäuse 8 ein. Der Rotor 2 weist ein Nabenrohr 10, ein Deckband 11 sowie zwei Zwischen­ rohre 12 auf, die eine innere Flut 13, eine mittlere Flut 9 und eine äußere Flut 14 begrenzen.

Aus der in Fig. 3 dargestellten Seitenansicht des Rotors ist zu erkennen, daß das Nabenrohr 10 und das Deckband 11 zumindest zellenseitig kreisringzylindrisch ausgeführt sind, während die Zwischenrohre 12 zickzackförmigen Querschnitt aufweisen. Die drei Fluten sind in Umfangsrichtung durch radiale Zellenwände 15, 16, 24 in eine für alle Fluten gleiche Anzahl von inneren, mittleren und äußeren Zellen 17, 23, 18 unterteilt. Die drei Fluten sind höhengleich ausgebildet. Darüber hinaus sind die Zellen jeder Flut in an sich bekannter Weise (CH-PS 4 70 588) zur Erzielung eines gleichmäßigeren und damit physiologisch besser erträglichen 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 einzelnen Fluten sind in Umfangsrichtung gegeneinander derart versetzt, daß sie nicht auf einer gemeinsamen Radialen liegen. Die Versetzung beträgt 1/3 der jeweiligen Zellenbreite.

Durch die Unterteilung der Zellen in drei Fluten erhöht sich die Anzahl der lärmerzeugenden Druckimpulse auf das Dreifache. Durch das Versetzen der Zellenwände der mittleren Flut gegen­ über den Zellenwänden der beiden anderen Fluten um 1/3-Teilung, wie dies aus Fig. 3 ersichtlich ist, ergibt sich eine zeitliche Verschiebung der Druckimpulse zueinander. Durch die so entste­ hende Interferenz wird die Amplitude der Grundfrequenz redu­ ziert. Es entsteht somit Interferenz mit amplitudenabbauender Wirkung in der Grundfrequenz. Die Wirksamkeit dieser Maßnahme hängt stark vom Geräuschspektrum ab, das durch diesen Rotor er­ zeugt 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 Geräuscherzeugung ist verhältnsimäß ig gering; schon die zweite Harmonische ist um 20 dB 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, denn es können nur in der unmittelbaren Umgebung der Zwischenrohre 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.

Da neben der Grundfrequenz auch deren harmonische Frequenzen vorhanden sind und durch das Versetzen der Zellenwände nur die Amplituden der Grundfrequenz und deren ungeraden Vielfachen re­ duziert werden, dominieren im verbleibenden Geräuschspektrum nur mehr die geradzahligen Vielfachen der Grundfrequenz.

Die radial innen liegenden Enden der Zellenwände 16 der äuße­ ren Flut 14 und der Zellwände 24 der mittleren Flut 9 gehen an den jeweils höchsten Stellen der zickzackförmigen Zwischenrohre 12 in diese über, während sich die radial außen liegenden Enden der Zellenwände 15 der inneren Flut 13 und der Zellwände 24 der mittleren Flut 9 an die jeweiligen radial am weitesten innen liegenden Punkte der Zwischenrohre 12 anschließen. Die Zellenwände erstrecken sich also einerseits zwischen Nabenrohr 10 bzw. Deckband 11 und den ihnen jeweils zugekehrten Kuppen der zickzackförmigen Zwischenrohre 12, sowie andererseits zwi­ schen den einander zugekehrten Kuppen der Zwischenrohre 12 be­ züglich der mittleren Flut.

Aus Fig. 2 geht hervor, daß die quer zur Umfangsrichtung des Rotors verlaufenden Kanten der Kanäle 19 und 21 sowie der Taschen 20 geradlinig und radial verlaufen. Falls die Zellen­ wände 15, 16, 24 des 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 aller Fluten des Rotors gegenüber den fest­ stehenden Kanälen im Luft- und Gasgehäuse abrupt öffnen und der freie Kanalquerschnitt danach stark ansteigend anwächst. Das durch diesen plötzlichen Querschnittsanstieg verursachte stoß­ artige Einströmen von Gas bzw. Luft kann zu subjektiv unan­ genehmeren Geräuschen führen, 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 in nicht dargestellter Weise in Richtung einer Sekante bzw. in Form ei­ ner sich im wesentlichen in radialer Richtung erstreckenden Wellenlinie ausgeführt werden.

Claims (3)

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 mehrere zwischen einem Naben­ rohr und einem Deckband angeordnete Zwischenrohre in kon­ zentrische Fluten unterteilt ist und die radial gerich­ teten Zellenwände einer Flut in Umfangsrichtung gegenein­ ander versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Zwischenrohre den Zellenring in drei Fluten unterteilen, wobei die Zellenwände aller Fluten um ein drittel Zellen­ teilung gegeneinander versetzt sind.

2. Mehrflutige gasdynamische Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Fluten höhengleich sind.

3. Mehrflutige gasdynamische Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen der drei Fluten in Umfangsrichtung eine ungleiche Teilung auf­ weisen.