DE3937702C2

DE3937702C2 - Gas dynamic pressure wave machine

Info

Publication number: DE3937702C2
Application number: DE19893937702
Authority: DE
Inventors: Andreas Mayer; Hubert Kirchhofer
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1989-11-13
Filing date: 1989-11-13
Publication date: 2000-01-27
Anticipated expiration: 2009-11-14
Also published as: DE3937702A1

Description

Technical field

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mehrflutige gasdyna mische Druckwellenmaschine nach dem Oberbegriff des Patent anspruchs 1.The present invention relates to a multi-flow gas dynamic Mix pressure wave machine according to the preamble of the patent claim 1.

Die DE 39 06 554 A1 zeigt eine gasdynamische Druckwellenmaschine mit einem Rotor, der in drei konzentrische Fluten unterteilt ist. Die radial gerichteten Zellenwände der Fluten sind in Umfangsrichtung gegeneinander um 1/3 Zellenteilung versetzt.DE 39 06 554 A1 shows a gas dynamic pressure wave machine with a rotor that is divided into three concentric flows is. The radially directed cell walls of the floods are in Circumferential direction offset from each other by 1/3 cell division.

Einflutige Druckwellenmaschinen verursachen Lärmbelästigun gen, die man mit Rücksicht auf die sich ständig verschärfen den Forderungen der Umweltschützer, aber auch im berechtig ten Interesse der Öffentlichkeit zu verringern trachtet.Single-flow pressure wave machines cause noise pollution conditions that are constantly being exacerbated with regard to them the demands of environmentalists, but also justified seeks to reduce public interest.

Zu diesem Zweck sind schon verschiedene Lösungen vorgeschla gen worden. Einer dieser Vorschläge (CH-PS 398 184) sieht vor, die Höhe der Zellen des Rotors, in denen der Druckaus tausch zwischen den gasförmigen Arbeitsmitteln stattfindet, in radialer Richtung durch kreisringzylindrische Zwischen rohre in mehrere kreisförmige Fluten zu unterteilen, um die Grundfrequenz der Schallschwingungen über die obere Hör schwelle des menschlichen Ohres zu legen. Bei einer ersten Ausführungsform eines solchen Rotors sind die Teilungen be nachbarter Zellen regellos verschieden, aber in allen Fluten gleich, so dass alle Zellenwände der einander in radialer Richtung benachbarten Zellen in gemeinsamen Radialebenen liegen, wogegen bei einer zweiten Ausführungsform die Zel lenwände einander radial benachbarter Fluten in Umfangsrich tung regellos gegeneinander versetzt sind. Bei einer weite ren Ausführungsform ist nur eine Flut vorgesehen, wobei die Zellenwände aus bogenförmig gekrümmten Blechen mit hakenför mig abgebogenen Enden bestehen, welch letztere im Nabenrohr bzw. im Aussenmantel des Rotors eingegossen sein können. Der beabsichtigte Effekt wird bei allen diesen Ausführungen da durch allerdings nicht erzielt, da sich dabei bloss mehrere Schwingungen der gleichen Frequenz überlagern und die Grund frequenz erhalten bleibt.Various solutions have already been proposed for this purpose been created. One of these suggestions (CH-PS 398 184) sees before, the height of the cells of the rotor where the pressure is exchange takes place between the gaseous work equipment, in the radial direction by circular cylindrical intermediate divide the pipes into several circular floods in order to Basic frequency of sound vibrations over the upper hearing threshold of the human ear. At a first Embodiment of such a rotor are the divisions neighboring cells randomly different, but in all floods the same so that all the cell walls of each other in radial Towards neighboring cells in common radial planes lie, whereas in a second embodiment the cell Lenwalls of radially adjacent floods in the circumferential direction tion are randomly offset from each other. With a wide one Ren embodiment is only a flood, the Cell walls made of curved sheets with hook-shaped Moderately bent ends exist, the latter in the hub tube or can be cast in the outer jacket of the rotor. The The intended effect is there with all of these designs not achieved by, because there are only several Vibrations of the same frequency overlap and the reason frequency is retained.

Die beschriebene Bauart weist ferner festigkeitsmässige Nachteile auf. Infolge des kreisringförmigen Querschnitts der Zwischenrohre, der gleichmässig dicken und zueinander versetzten Zellenwände sowie der unterschiedlich grossen Zellenteilungen kommt es zu Wärme- und Fliehkraftspannungen, die Verformungen und Überbeanspruchungen der Rotorstruktur verursachen. Bei der letztgenannten Variante treten wegen der grossen Elastizität der Zellenwände, insbesondere bei Drehzahländerungen, auch mit Bestimmtheit Torsionsschwingun gen derselben auf, die den Druckwellengrozess stören können.The design described also has strength Disadvantages. Due to the circular cross-section the intermediate pipes, which are uniformly thick and to each other staggered cell walls and the different sized Cell divisions there are thermal and centrifugal stresses, the deformations and overstressing of the rotor structure cause. In the latter variant occur because of the great elasticity of the cell walls, especially with Speed changes, also with certainty torsional vibrations against the same, which can disrupt the pressure wave process.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden, und zwar hinsichtlich der Lärmminderung, haupt sächlich, indem durch Interferenz die Amplitude der Grund frequenz reduziert wird.The object of the invention is to overcome these disadvantages avoid, in terms of noise reduction, at all basically by interference the amplitude of the reason frequency is reduced.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.This task is characterized by the characteristics of the Part of claim 1 solved.

Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser stellt dar:The following is an embodiment of the invention Described in more detail with reference to the drawing. In this represents:

Fig. 1 eine erfindungsgemässe vierflutige Druckwellenma schine im Längsschnitt, Fig. 1 an inventive vierflutige Druckwellenma machine in longitudinal section;

Fig. 2 die Abgas- und Luftkanäle in einem Gehäuseseiten teil, Fig. 2, the exhaust and air ducts in a housing side part,

Fig. 3 den Rotor der Maschine nach Fig. 1 in einem teil weisen Seitenriss, Figure 3 shows the rotor of the machine of Fig. 1 in a partially point. Side elevation,

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen Gehäusemantel, der einen Rotor 2 umgibt. Dieser Rotor ist mit einer Welle 3 starr verbun den, die in zwei Lagern 4 und 5 drehbar gestützt und über ein Keilriemenrad 6 antreibbar ist.In Fig. 1, 1 designates a housing jacket surrounding a rotor 2. This rotor is rigidly connected to a shaft 3 which is rotatably supported in two bearings 4 and 5 and can be driven via a V-belt wheel 6 .

Fig. 2 zeigt die Draufsicht auf die Flanschseite des Gasge häuses 8 entsprechend dem in Fig. 1 angedeuteten Schnittver lauf II-II. In dieser Fig. 2 bezeichnet 19 die zwei Ein trittskanäle für das Hochdruckgas, 20 die Gastaschen, die den Betriebsbereich der Druckwellenmaschine in bekannter Weise vergrössern, sowie 21 die Austrittskanäle für das ent spannte Auspuffgas. Entsprechende Kanäle für die angesaugte bzw. verdichtete Luft sowie Taschen sind auch an der Flanschseite des Luftgehäuses 22 (siehe Fig. 1) vorgesehen. Fig. 2 shows the top view of the flange side of the Gasge housing 8 corresponding to the Schnittver run II-II indicated in Fig. 1. In this Fig. 2, 19 denotes the two entry channels for the high pressure gas, 20 the gas pockets, which enlarge the operating range of the pressure wave machine in a known manner, and 21 the outlet channels for the exhaust gas released. Corresponding channels for the sucked-in or compressed air and pockets are also provided on the flange side of the air housing 22 (see FIG. 1).

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 drei Zwischenrohre 12 auf, die vier Fluten 9, 9', 9", 9''' begrenzen.The gases coming from an internal combustion engine, not shown, enter the gas housing 8 at the inlet connection 7 . The rotor 2 has a hub tube 10 , a cover band 11 and three intermediate tubes 12 which delimit four floods 9 , 9 ', 9 ", 9 "''.

Aus der in Fig. 3 dargestellten Seitenansicht des Rotors ist zu erkennen, dass sowohl das Nabenrohr 10 und das Deckband 11 als auch die Zwischenrohre 12 kreisringzylindrisch ausge führt sind. Die vier Fluten sind in Umfangsrichtung durch radiale Zellenwände 15 in Zellen 16 unterteilt. Hierbei sind Zellenanzahlen zwischen dreissig (30) und achtzig (80) ange bracht. Massgebend ist, dass die in radialer Richtung be nachbarten Fluten - unabhängig von ihrer Anzahl - jeweils die gleiche Zellenanzahl aufweisen. From the side view of the rotor shown in Fig. 3 it can be seen that both the hub tube 10 and the shroud 11 and the intermediate tubes 12 are circular cylindrical leads. The four floods are divided into cells 16 in the circumferential direction by radial cell walls 15 . Cell numbers between thirty ( 30 ) and eighty ( 80 ) are introduced. It is important that the floods adjacent in the radial direction - regardless of their number - each have the same number of cells.

Massgebend ist ferner, dass die Zellen jeder Flut in an sich bekannter Weise (CH-PS 470 588) zur Erzielung eines gleich mässigeren und damit physiologisch besser erträglichen Geräuschspektrums verschieden breit (in Fig. 3 nicht winkel treu dargestellt) ausgeführt sind. Es wechseln sich dabei nach einem bestimmten berechenbaren Schema eine Anzahl schmälerer mit einer Anzahl breiterer Zellen ab. Weiter massgebend ist, dass dieses Verteilschema in jeder Flut gleichgestaltet ist. Massgebend ist schliesslich, dass die Zellenwände von einander benachbarten Fluten in Umfangs richtung gegeneinander derart versetzt sind, dass sie nicht auf einer gemeinsamen Radialen liegen. Die Versetzung hat dabei vorzugsweise einen Betrag von einer halben mittleren Zellenteilung der entsprechenden Flut. Bei mehr als zwei Fluten ist es dabei angebracht, dass die Versetzung der Zellwände in Umfangsrichtung fortlaufend, d. h. jeweils im gleichen Sinn erfolgt.It is also important that the cells of each flood are designed in a manner known per se (CH-PS 470 588) in order to achieve a more uniform and thus more physiologically tolerable noise spectrum of different widths (not shown in FIG. 3 in the correct angle). A number of narrower cells and a number of wider cells alternate according to a certain calculable scheme. It is also important that this distribution scheme is the same in every flood. Finally, it is important that the cell walls of adjacent floods are circumferentially offset from one another in such a way that they do not lie on a common radial. The dislocation is preferably half an average cell division of the corresponding flood. In the case of more than two floods, it is appropriate for the displacement of the cell walls in the circumferential direction to be continuous, ie in the same sense.

Durch die Unterteilung der Zellen in vier Fluten erhöht sich die Anzahl der lärmerzeugenden Druckimpulse auf das Vierfa che gegenüber einem einflutigen Rotor. Durch die unter schiedlichen Zellenbreiten und das Versetzen der Zellwände zwischen benachbarten Fluten um eine halbe mittlere Zellen teilung ergibt sich eine zeitliche Verschiebung der Druckim pulse zueinander. Durch die so entstehende Interferenz wird die Amplitude der Grundfrequenz reduziert. Es entsteht somit Interferenz mit amplitudenabbauender Wirkung in der Grund frequenz. Die Wirksamkeit dieser Massnahme hängt stark vom Geräuschspektrum ab, das durch diesen Rotor erzeugt wird. Bei ausgeführten Maschinen trägt die Intensität der Grund frequenz subjektiv und auch objektiv messbar am stärksten zur Lärmbelästigung bei. Der Anteil der Oberschwingungen an der Geräuscherzeugung ist verhältnismässig gering; schon die zweite Harmonische ist um 20 dB leiser als der von der Grund frequenz 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 des Zwischenrohres die Druckschwankungen sich ge genseitig beeinflussen. Weit voneinander in radialer Rich tung entfernt liegende Gasteilchen werden von der Interfe renzwirkung nicht erfasst, weil sie aufgrund ihrer Entfer nung keinen Impuls aufeinander ausüben können.The division of the cells into four floods increases the number of noise-generating pressure pulses on the fourfold compared to a single-flow rotor. Through the under different cell widths and moving the cell walls between adjacent floods by half a middle cell division there is a temporal shift in the pressure pulse to each other. The resulting interference will the amplitude of the fundamental frequency is reduced. It arises Interference with amplitude reducing effect in the reason frequency. The effectiveness of this measure depends heavily on Noise spectrum generated by this rotor. The intensity bears the reason for the machines that are running frequency subjectively and also objectively measurable the strongest for noise pollution. The proportion of harmonics the generation of noise is relatively low; already that second harmonic is 20 dB quieter than that of the bottom frequency caused noise. But in fact it works not a total cancellation of the fundamental frequency too to reach. Theoretically, that would only be for infinitely small ones Cell heights possible because it can only be in the immediate Pressure fluctuations around the intermediate pipe influence each other. Far apart in radial direction Gas particles lying away are removed by the interference effect is not recorded because of its distance no impulse can exert on each other.

Da neben der Grundfrequenz auch deren harmonische Frequenzen vorhanden sind und durch das Versetzen der Zellenwände nur die Amplituden der Grundfrequenz und deren ungeraden Vielfa chen reduziert werden, dominieren im verbleibenden Geräusch spektrum nur mehr die geradzahligen Vielfachen der Grundfre quenz.Since, in addition to the fundamental frequency, its harmonic frequencies are present and only by moving the cell walls the amplitudes of the fundamental frequency and their odd diversity be reduced, dominate in the remaining noise spectrum only the even multiples of the basic fre quenz.

Die von allen Zellen einschliesslich der Zellenwände einge nommene Kreisfläche ist höhengleich auf die vier Fluten auf geteilt. Diese höhengleiche Aufteilung ist thermodynamisch günstiger als eine flächengleiche Aufteilung.The one included by all cells including the cell walls The circular area taken is level with the four floods divided. This equal division is thermodynamic cheaper than an equal division.

Aus Fig. 2 ist erkennbar, dass die quer zur Umfangsrichtung des Rotors verlaufenden Kanten der Kanäle 19 und 21 sowie der Taschen 20 geradlinig und radial verlaufen. Falls die Zellenwände 15 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 feststehenden Kanälen im Luft- und Gasgehäuse abrupt öffnen und der freie Kanalquerschnitt danach stark anstei gend anwächst. Das durch diesen plötzlichen Querschnittsan stieg verursachte stossartige Einströmen von Gas bzw. Luft kann zu subjektiv unangenehmeren Geräuschen führen, da auf grund des Druckprofils höherfrequente Anteile erzeugt wer den, deren Beseitigung oder zumindest Milderung angestrebt wird. It can be seen from FIG. 2 that the edges of the channels 19 and 21 and the pockets 20 which run transversely to the circumferential direction of the rotor run in a straight line and radially. If the cell walls 15 of the rotor 2 , as is the case in the embodiment of the rotor shown in FIG. 3, are also radial and straight, this has the consequence that the cell channels of all floods of the rotor are opposite the fixed channels in the Open the air and gas housing abruptly and the free duct cross-section then increases sharply. The sudden surge of gas or air caused by this sudden cross-sectional increase can lead to subjectively more unpleasant noises, because due to the pressure profile, higher-frequency components are generated, the elimination or at least mitigation of which is sought.

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 einer sich im wesentlichen in radialer Richtung er streckenden Wellenlinie ausgeführt werden.As experiments have shown, this can be done from this source Reduce the resulting noise by making the cross to the circumferential direction bounding edges of the and outlet channels for air and gas not radial, but in a manner not shown in the direction of a secant or in the form of a he essentially in the radial direction stretching wavy line.

Claims

1. Multi-flow gas dynamic pressure wave machine, with a rotor, a housing enclosing the rotor and an air housing and a gas housing with channels for the supply and removal of the gaseous ar beitsmittel, the cell ring of the rotor through several intermediate tubes arranged between a hub tube and a shroud is divided into concentric floods, the floods having the same number of cells, and the cell walls of adjacent floods are circumferentially offset from one another in such a way that they do not lie on a common radial line, characterized in that in each flood the cells have a different one Have division, and that the distribution scheme is the same in every flood.

2. Multi-flow gas dynamic pressure wave machine after Claim 1, characterized in that the transfer of the cell walls in adjacent floods an amount of half a middle cell division of the corresponding Has flood.

3. Multi-flow gas dynamic pressure wave machine after Claim 1, characterized in that the transfer of the cell walls in adjacent floods in the circumferential direction tion in the same direction.

4. Multi-flow gas dynamic pressure wave machine after Claim 1, characterized in that the floods in radial direction are the same height.