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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Verdichter umfassend ein Gehäuse, das
einen Einlass und einen Auslass begrenzt, sowie ein Laufrad, das
in dem Gehäuse
drehbar gelagert ist, derart, dass bei Rotation Gas innerhalb des
Einlasses zum Auslass bewegt wird, wobei das Gehäuse eine Innenwand aufweist,
die eine Fläche
begrenzt, die in unmittelbarer Nachbarschaft zu den radial äußeren Rändern von
Schaufeln des Laufrades gelegen ist und wobei der Einlass einen
ersten und einen zweiten Teil umfasst und der erste Teil des Einlasses
eine Innenoberfläche
aufweist, welche eine Verlängerung
der Fläche
der Innenwand des Gehäuses
ist und einen Strömungsweg
radial außerhalb
einer Außenfläche des ersten
Teiles des Einlasses begrenzt, derart, dass ein Ende des Strömungsweges
in der Nähe
des Laufrades in die Oberfläche
der Innenwand des Gehäuses und
das andere Ende des Strömungsweges
in den zweiten Teil in der Nähe
des ersten Teiles des Einlasses in einen Spalt mündet, der zwischen dem vom Strömungsweg
umgebenen Abschnitt der Innenwand des ersten Teiles des Einlasses
und einen im zweiten Teil des Einlasses vorgesehenen ringförmigen Leitkörper bestimmt
ist.
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Ein
Verdichter dieser Art ist aus der
EP 0 348 674 A1 bekannt. Verdichter dieser
Art weisen einen erweiterten Einlass auf, der grundsätzlich höhere Geräuschpegel
erzeugt als bei Verdichtern mit rohrförmigem Einlass und rohrförmigem Auslass.
Zur Erzielung einer Geräuschverminderung
und Stabilisierung der Laufradströmung im Eintrittsbereich ist
im Eintrittsbereich vor den Schaufeln in der Wand des Eintrittskanals
eine Ausnehmung vorgesehen, in die ein Stabilisierungsring eingesetzt ist.
Hierdurch wird ein Strömungsweg
für einen
Teilstrom der einströmenden
Luft geschaffen, der außerhalb
des gleichförmig sich
verengenden Einlasskanals ausgebildet ist und im Bereich der Laufradschaufeln
wieder in den Einlass einmündet.
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Ein
Verdichter der eine angepasste Innenkontur zwischen dem ersten und
dem zweiten Teil des Einlasses aufweist, und der auch einen mit
Nuten versehenen Stabilisierungsring in der Nähe der Laufradschaufeln trägt, um eine ähnliche
Wirkung hinsichtlich der Stabilisierung der Strömung zu erzielen, ist aus der
US 4 781,530 bekannt.
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Trotz
dieser Maßnahmen
ist die Geräuschdämpfung noch
nicht zufriedenstellend.
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Es
ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die Geräuschprobleme weiter zu mildern.
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Diese
Aufgabe wird ausgehend einem Verdichter der eingangs erläuterten
Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der Leitkörper
eine ringförmige
Lippe aufweist, die sich in Richtung auf den ersten Teil des Einlasses
erstreckt, derart, dass eine ringförmige Kammer radial außerhalb
der ringförmigen
Lippe des Leitkörpers
im zweiten Teil des Einlasses bestimmt ist, wobei die Kammer mit
dem Strömungsweg
in Verbindung steht. Durch diese Ausgestaltung wird eine weitere
Dämpfung
des Geräuschpegels
erreicht.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele
näher erläutert. In der
Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung durch einen bekannten Einlaßabschnitt
eines Verdichten eines Turbolader;
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2 einen
Teilschnitt eines Einlaßabschnittes
eines bekannten Turboladers mit einem erweiterten Verdichtergehäuse;
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3 einen
schematischen Schnitt durch ein erweitertes Verdichtergehäuse ähnlich demjenigen
in 2 mit einem eingesetzten Leitkörper entsprechend der Erfindung;
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4 die
Ausgestaltung nach 3, jedoch ergänzt durch
einen Adapter;
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5 das
Schaufeldurchlaßgeräusch, das bei
einem Verdichtereinlaß entsprechend 3 ohne den
Leitkörper
gemäß der Erfindung
zu erwarten ist;
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6 und 7 zeigen
einerseits das Schaufeldurchlaßgeräusch, wenn
der Leitkörper
gemäß 3 eingesetzt
ist, bzw. die Absenkung des Schaufeldurchlaßgeräusches entsprechend der Differenz
zwischen den Diagrammen gemäß den 5 und 6;
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8 das
Geräusch
bei einer Geschwindigkeit für
einen Bereich von verschiedenen Luftdurchsätzen bei verschiedenen Verdichtereinlaßstrukturen;
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9 die
Auswirkungen der Einführung
eines Leitkörpers
gemäß 3 auf
das Geräusch
für einen
Bereich von verschiedenen Luftdurchsatzmengen;
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10 die
Auswirkung auf das Schaufeldurchlaßgeräusch bei der Abstimmung des
Materials, das für
den Leitkörper
gemäß 3 verwendet wird;
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11 und 12 die
Ausbildung eines Einlaßabschnittes
eines Vedichters und eines Leitkörpers
gemäß der Erfindung
für das
Einsetzen in den Einlaßabschnitt;
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13 die
Auswirkungen der Veränderungen
des Konuswinkels des Leitkörpers
gemäß 3; und
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14, 15, 16 und 17 weitere Ausführungsformen
gemäß der Erfindung.
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Bezugnehmend
auf die beigefügten
Zeichnungen zeigt 1 einen konventionellen Einlaßabschnitt
für einen
Verdichter, der nicht mit einer erweiterten Ausgestaltung versehen
ist. Bei dieser üblichen
Anordnung begrenzt ein Gehäuse 1 einen
Einlaß 2,
welcher mit einem Laufrad 3 in Verbindung steht, das Schaufeln 4 trägt. Eine
Innenwand des Gehäuses 1 definiert
eine Oberfläche 5,
die sich in unmittelbarer Nachbarschaft zu den radial äußeren Rändern der
Schaufeln 4 befindet. Wenn sich das Laufrad 3 um
seine Rotationsachse dreht, die mit einer gestrichelten Linie 6 angezeigt
ist, so wird Gas von dem Einlaß 2 zu
einem nicht dargestellten Auslaß bewegt.
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Die übliche Gestaltung
gemäß 1 ist
bei bestimmten Betriebsbedingungen unstabil und arbeitet nur bei
einer besonderen Betriebsbedingung über einen relativ begrenzten Bereich
der Laufradgeschwindigkeit zufriedenstellen. Zur Überwindung
dieses Problemes ist es bekannt, einen im Ansaugbereich erweiterten
Verdichter gemäß 2 vorzusehen.
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Gemäß 2 umfaßt der dargestellte
Einlaßabschnitt
ein Gehäuse 7,
in dem ein Laufrad 8 drehbar gelagert ist. Schaufeln 9 auf
dem Laufrad sind in unmittelbarer Nähe zur Oberfläche 10 angeordnet,
die durch das Gehäuse
bestimmt ist. Wenn sich das Laufrad dreht, wird Luft von dem Einlaß, der insgesamt
mit dem Bezugszeichen 11 versehen ist, zu einem Auslaß in Form
eines Spiralgehäuses 12 gesaugt.
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Der
Einlaß 11 kann
so betrachtet werden, als ob er zwei Abschnitte umfassen würde, wobei
die Abschnitte endweise aneinandergesetzt sind und durch eine imaginäre Ebene
getrennt sind, die senkrecht zur Rotationsachse durch den Rand 13 der
Innenwand 14 gezogen ist. Obgleich der Einlaß insgesamt mit
dem Bezugszeichen 11 versehen ist, kann er so betrachtet
werden, als ob er einen ersten Teil, der sich rechts von der gestrichelten
Linie in 2 befindet und einen zweiten
Teil aufweisen würde,
der sich links von der Linie 15 in 2 befindet.
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Die
innere Wand 14 bestimmt zwischen sich und einer äußeren Wand 16 eine
Kammer 17. Die äußere Wand 16,
die sich links von der Linie 15 befindet, bestimmt den
zweiten Teil des Einlasses. Ein Schlitz 18 erstreckt sich
durch die innere Wand 14 und durchdringt die Oberfläche 10 in
der Nähe
der Laufradschaufeln 9. Die Wand 14 ist gegenüber der Wand 16 durch
Rippen abgestützt,
wobei ein Rand 19 derselben im unteren Teil der 2 sichtbar
ist.
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Wenn
das Laufrad 8 mit hoher Geschwindigkeit umläuft, wird
Luft von dem Einlaß nicht
nur durch die innerhalb der Wand 14 bestimmte Öffnung,
sondern auch durch die Kammer 17 und den Schlitz 18 angesaugt.
Wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit des Laufrades jedoch fällt, fällt der
Druckverlust im Schlitz 18 und wird sogar umgekehrt, wobei
zu dieser Zeit ein Teil der Luft, die durch die durch die Innenwand 14 begrenzte Öffnung strömt, in den
Einlaß durch
den Schlitz 18 und die Kammer 17 zurückfließt. In bekannter
Weise stabilisiert dieser Vorgang die Betriebsweise der Eingangsstufe
des Verdichters.
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Somit
wird festgestellt, daß der
erste Abschnitt des Einlasses, das ist die Öffnung innerhalb der inneren
Wand 14, weniger Luft fördert
als der zweite Teil des Einlasses, der sich links von der Linie 15 befindet,
wenn das Laufrad mit hoher Umdrehungszahl ar beitet und mehr Luft
fördert
als der zweite Teil des Einlasses, wenn der Verdichter bei geringer
Geschwindigkeit arbeitet. Der Massenstrom durch den zweiten Teil
des Einlasses wird selbstverständlich
immer gleich sein dem Massenstrom, der den Auslaß des Verdichters erreicht.
Die Differenz zwischen den zwei Strömen ist eine Konsequenz der Luftströmung, die
durch den Strömungsweg
gelangt, der durch den Schlitz 18 und die Kammer 17 bestimmt
ist. Dieser Strömungsweg
mündet
in der Nähe des
Laufrades einerseits und in dem zweiten Teil des Einlasses mit seinem
anderen Ende andererseits.
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Bezugnehmend
nun auf 3 stellt diese einen Verdichter
mit erweitertem Einlaß dar
und zwar ähnlich
demjenigen, der in 2 dargestellt ist, jedoch ist
ein Leitkörper
gemäß der Erfindung
eingesetzt. Wo dies geeignet ist, sind für äquivalente Teile die gleichen
Bezugszahlen wie in 2 verwendet. Wie in 3 dargestellt,
umfaßt
der Leitkörper
einen kegelstumpfförmigen
Abschnitt 20, dessen Durchmesser sich in Richtung auf den
Rand 13 der Innenwand 14 verjüngt. Auf diese Weise ist eine
Kammer radial außerhalb
des Leitkörpers
und radial innerhalb der Wand 16 gebildet, wobei diese
Kammer mit der Kammer 17 in Verbindung steht. Der Rand
des Endes des Abschnittes 20, der sich am nächsten der
Innenwand 14 befindet, hat einen Innendurchmesser, welcher
im wesentlichen der gleiche ist wie der Innendurchmesser der inneren
Wand 14. Es sei bemerkt, daß der Rand 13 der
Innenwand 14 in der Nähe
des Leitkörpers
leicht nach außen
erweitert ist. Es wird ebenso festgestellt, daß der Leitkörper durch Ausprägen bzw.
Ausrollen eines Vorsprunges 21 der mit einem Schlitz 22 in
der Wand 16 in Eingriff kommt, in seiner Position gesichert
ist.
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Ausgehend
von der in 3 dargestellten Anordnung breiten
sich Wellenfronten durch den Schlitz 18 und die Kammer 17 in
den Luftstrom aus, der mit relativ hoher Geschwindigkeit in den
ersten Teil des Einlasses eintritt, welcher durch die Öffnung innerhalb
der Innenwand 14 gebildet ist. Lärm wird außerdem aufgrund der Richtungsänderung
des Weges des Luftstromes reduziert, der durch die Kammer 17 und
den Schlitz 18 strömt.
Weiterhin wird die Tangentialgeschwindigkeit der Druckwellenfronten,
die sich durch die Kammer ausbreiten, vermindert. Dies ist unter
der Voraussetzung der Fall, daß der
Innendurchmesser des Endes des Leitkörpers in der Nähe des Randes 13 der
Innenwand 14 geringer ist als der Außendurchmesser des Randes 13 der
Wand 14 oder diesem entspricht.
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4,
auf die nun bezug genommen wird, zeigt eine Abänderung der 3,
bei welcher ein Adapter 23 mit dem Leitkörper verbunden
ist. Der Adapter 23 hat ein Einlaßende 24 mit verhältnismäßig geringem
Durchmesser. Der Durchmesser des Einlaß endes 24 kann so
ausgewählt
werden, daß er
der zugeordneten und nicht dargestellten Einrichtung entspricht,
mit der der Einlaß des
Verdichten zu verbinden ist. Hierdurch ermöglicht die Ausgestaltung gemäß 4 nicht
nur die Verringerung des durch einen erweiterten Einlaß erzeugten
Lärmes,
sondern ermöglicht
auch die einfache Anpassung der Einlaßstruktur einer Größe an ein
zugeordnetes Teil eines Gerätes
einer anderen Größe.
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5 zeigt
den Lärm,
der sich außerhalb des
Verdichters für
einen Bereich von Verdichtergeschwindigkeiten und Luftströmungen ausbreitet,
wobei eine Standardanordnung mit erweitertem Einlaß vorausgesetzt
ist. Dieses Ergebnis kann mit dem angegebenen Lärm gemäß 6 verglichen
werden, der nach der Änderung
der Standardstruktur mit erweitertem Einlaß, deren Lärmabgabe in 5 dargestellt
ist, erhalten wird und zwar durch das Hilfsmittel des Einbaus eines
konischen Ringes von der Art, wie er in 3 dargestellt
ist. 7 zeigt die Lärmabsenkung,
die durch Einbau des Ringes gemäß 3 erhalten
wird. Auf diese Weise ist erkennbar, daß die Lärmabgabe abgesenkt ist über den
Geschwindigkeits- und Luftströmungsbereich
des Verdichters.
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Gemäß 8 zeigt
die oberste Kurve den Lärm,
der einen Meter von einem Standardverdichter mit erweitertem Einlaß vom Typ
gemäß 2 gemessen
wurde. Die mittlere Kurve zeigt die Lärmabgabe nach Einbau des konischen
Ringes, der in 3 dargestellt ist. Die unterste
Kurve zeigt die Lärmabgabe
eines Standardeinlasses ohne Erweiterung, wie er in 1 dargestellt
ist. Trotz des Einbaus eines Konusses gemäß 3 wird der
Anstieg der Lärmabgabe,
die mit der erweiterten Struktur des Einlasses verbunden ist, nicht
vollständig
rückgängig gemacht,
jedoch wird eine größere Wirkung
erzielt.
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9 zeigt
die Verminderung des Lärms,
die durch den Einbau des konischen Ringes gemäß 3 bei einem
anderen Standardeinlaß mit
Erweiterung erzielt wird. Die fünf
Kurven zeigen die Ergebnisse für
fünf Luftdurchsätze, die
durch Symbole am unteren Rand der 9 gekennzeichnet
sind.
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10 zeigt
eine Reihe von Kurven, die die Wirkung bei Verwendung verschiedener
Materialien für
das Leitblech gemäß der Erfindung
verdeutlichen. Alle angezeigten Lärmabgaben wurden bei einer Umdrehungszahl
des Verdichters von 90.000 Upm festgestellt. Die Kurve 25 zeigt
die Lärmabgabe
bei einem Standardverdichter mit erweitertem Einlaß. Die Kurve 26 entspricht
einem Kunststoffleiterkörper, Kurve 27 entspricht einem
Aluminiumleitkörper
und Kurve 28 entspricht einem Stahlleitkörper. Ähnliche Kurven
können
bei Versuchen mit verschiedenen Materialien, Leitkörperformen
und Leitkörpereinbauarten
erhalten werden, um Leitkörpergestaltungen
zu erhalten, welche optimale Ergebnisse für eine bestimmte Anwendung
ergeben.
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Die 11 bis 17 zeigen
verschiedene Alternativenleitkörperstrukturen
im Vergleich zu derjenigen gemäß 3.
Im Falle der 11 und 12 ist
eine Nut 29 in der inneren Oberfläche der Außenwand 16 vorgesehen
und diese Nut nimmt Vorsprünge 30 von
federnden Armen 31 auf, die von einem Kunststoffleitkörper 32 ausgehen,
der mit gestrichelten Linien in 11 und
mit ausgezogenen Linien in 12 dargestellt
ist. Es ist erkennbar, daß die
radial innere Fläche 33 des
Leitkörpers
einen Teil der Fläche
eines Kegelstumpfes bildet und eine Schrägfläche 34 der Innenwand 14 bildet
ebenfalls einen Teil der Kegelstumpffläche. Bei der Ausführungsform
nach 11 ist der geringste Innendurchmesser des Leitkörpers etwas
größer als
der angrenzende größte Innendurchmesser
der Oberfläche 34 der
Innenwand 14. Nichtsdestoweniger ist der zwischen Leitkörper und
dem Ende der Innenwand 14 definierte Spalt, welcher üblicherweise
3 mm breit ist, so angeordnet, daß der von dem Raum zwischen
den Wänden 14 und 16 ausgehende
Lärm in
den Luftstrom durch den Spalt in einer Richtung im wesentlichen
senkrecht zum Luftstrom eintritt. Es gibt hier einen gleichmäßigen Luftstrom
durch den Spalt, der zwischen dem Ende des Leitkörpers und dem angrenzenden
Ende der Wand des Gehäuses
bestimmt ist.
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13 zeigt
die Lärmabgabe,
die bei einem Verdichter, der mit 90.000 Upm arbeitet, festgestellt wurde.
Die Kurve 35 zeigt die Lärmabgabe bei einer Standardstruktur
mit erweitertem Einlaß.
Die Kurve 36 zeigt die Lärmabgabe festgestellt bei einem
Leitkörper
in der Position, die in 12 gezeigt
ist, wobei der Winkel der Leitkörperoberfläche 33 um
21° zur Rotationsachse
des Verdichters geneigt ist. Die Kurve 37 zeigt die Wirkung
des Leitkörpers
mit einem Neigungswinkel von 30° und
die Kurve 38 zeigt die Lärmabgabe bei einem Leitkörperwinkel
von 45°. Hieraus
ist ersichtlich, daß verschiedene
Leitkörperwinkel
verschiedene Ergebnisse ergeben und es ist deshalb relativ einfach
Versuche durchzuführen,
um die ideale Gestaltung für
eine besondere Anwendung zu finden.
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14 zeigt
eine Ausgestaltung, die derjenigen nach 3 ähnlich ist.
Der Leitkörper 39 umfaßt einen
zylindrischen Rand 40, welcher an der Außenwand 16 des
Verdichtergehäuses
beispielsweise durch radial nach außen stehende Bolzen befestigbar
ist.
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Vier
solcher Bolzen werden normalerweise verwendet. Selbstverständlich kann
der Teil 40 des in 14 dargestellten
Leitkörpers
um 90° nach
außen gebogen
sein, um eine Befestigung des Leitkörpers an der Außenwand
durch axial in die Wand sich erstreckende Schrauben zu ermöglichen.
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15 zeigt
eine andere Anordnung, bei welcher der Leitkörper eine radial nach außen stehende
Lippe 41 aufweist, wobei der Hauptkörper 42 im Axialschnitt
bogenförmig
gestaltet ist. Der Axialschnitt kann beispielsweise einen Teil einer
Ellipse bilden, obgleich andere zusammengesetzte oder einfache Kurvenausbildungen
selbstverständlich
verwendet werden können.
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Bei
allen oben beschriebenen Ausführungsformen
ist der Leitkörper
aus einem dünnwandigen Teil
gebildet. Eine solche Ausgestaltung bietet die Vorteile, daß der Leitkörper relativ
leicht ist, leicht herzustellen und leicht einzupassen ist. Es ist
jedoch möglich,
Ausführungsformen
nach der Erfindung herzustellen, bei denen keine dünnwandigen
Strukturen, sondern massive Ausgestaltungen verwendet werden. Eine
solche Ausgestaltung ist in 16 dargestellt.
Bei der Ausgestaltung nach 16 weist
ein Leitkörper 43 einen
relativ massiven Körper
auf, von dem eine Lippe 44 in Richtung auf die Innenwand 14 absteht.
Eine solche Ausgestaltung kann beispielsweise durch Gießen hergestellt
werden.
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17 zeigt
einen Leitkörper ähnlich demjenigen
nach 16, jedoch ist der vordere Rand 45 mit
einem Radius versehen und es ist eine radiusförmige innere Ausnehmung 45 vorgesehen.
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Die
oben beschriebenen Leitkörper
senken den selbsterzeugten Lärm
ab, welcher aufgrund des Druckgradienten zwischen den Verdichterschaufeln und
dem Schlitz entsteht, der vorgesehen ist um die Eigenschaften des
erweiterten Einlasses zu erzielen. Der Leitkörper funktioniert deshalb,
weil er die Tangentialgeschwindigkeit der Druckwellenfronten, die sich
durch den Strömungsweg
des erweiterten Einlasses ausbreiten durch Umkehr der Druckwelle
minimiert, so daß die
in den Hauptstrom im wesentlichen senkrecht zu diesem Strom eingeleitet
wird. Die Druckwelle bricht so in den Luftstrom mit relativ hoher Geschwindigkeit
aus, der in den Verdichtereinlaß einströmt.
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Es
sei bemerkt, daß die
Abstimmung der Abmessungen des Leitkörpers die Leistungsfähigkeit durch "Tuning" der Struktur zu
optimieren, die Unterdrückung
besonderer Frequenzen zu unterstützen, ermöglicht.
Auf diese Weise können
Leitkörper
entworfen werden, welche insbesondere für jede beliebige Verdichterstruktur
geeignet sind, und die insbesondere angepaßt sind, um ein Maximum an
Lärmunterdrückung bei
bestimmten Arbeitsgeschwindigkeiten des Verdichters zu ermöglichen.
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Verschiedene
Arten für
die Befestigung der Leitkörper
in ihrer Stellung sind dargestellt worden. Jede geeignete Methode
kann selbstverständlich
angewandt werden, z.B. durch Einrollen der Leitkörper an ihrem Platz, mechanische
Befestigung durch Formstifte, Bolzen oder Kleber oder durch Sicherung durch
einen Festsitz.
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Die
Leitkörper
können
aus jedem geeignetem Material, beispielsweise jedem üblichen
Metall oder Kunststoffverbindungen bestehen.