DE69820114T2

DE69820114T2 - Geräuschdämpfungseinrichtung für drosselklappen

Info

Publication number: DE69820114T2
Application number: DE69820114T
Authority: DE
Inventors: Man-Chun Tse; Hilaire Bonneau
Original assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 1997-12-15
Filing date: 1998-12-07
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2018-12-08
Also published as: CA2312978C; WO1999031415A1; JP2002540351A; DE69820114D1; EP1040291A1; EP1040291B1; CA2312978A1; US5881995A

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Geräuschdämpfungvorrichtung und insbesondere eine Vorrichtung, die daran angepasst ist, das von einer Gasströmung erzeugte Geräusch zu dämpfen, welche durch ein Drosselklappenventil in seiner geöffneten Position strömt.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Konventionelle Drosselklappenventile weisen eine in einem Kanal rotationsmäßig um eine von einer Welle definierten Achse positionierte Scheibe auf, um eine Fluidströmung durch den Kanal zu kontrollieren. Typischerweise wird die Scheibe über einem Drehmoment gedreht, welches von einem externen Aktuator durch die Welle aufgebracht wird.
Bei einer großen Zahl von Anwendungen führt die Verwendung eines derartigen konventionellen Drosselklappenventils, insbesondere wo komprimierbare Fluide eingesetzt werden, zu unerwünschten Effekten, beispielsweise Schwingung, Verschleiß und Geräusch. Beispielsweise erzeugt eine Hochgeschwindigkeits-Gasströmung ein aerodynamisches Drosselgeräusch über einen weiten Bereich der Ventilöffnungsstellung. Insbesondere nimmt ein derartiges aerodynamisches Geräusch schnell in Richtung auf die vollständig offene Position (90°) zu und erreicht in der Nähe von 60° Ventilöffnung einen Spitzenwert.
Verschiedene Lösungen wurden zum Verringern des Ventilgeräuschniveaus vorgeschlagen, insbesondere die Installation einer Geräuschdämpfungsvorrichtung, beispielsweise ein Schalldämpfer, unmittelbar strömungsabwärts des Drosselklappenventils. Derartige Anordnungen mit Drosselklappenventil und Schalldämpfer sind bekannt und wurden in Verbindung mit Gasturbinenma schinen häufig verwendet. Es wurde jedoch beobachtet, dass das Schalldämpfer mit der Zeit verschleißen kann. Außerdem erhöht die Anordnung aus Drosselklappenventil und Schalldämpfer das Gewicht und die Kosten der gesamten Gasturbinenmaschine.
Es wurden auch Anstrengungen unternommen, das Geräusch an der Quelle ro unterdrücken, beispielsweise in dem US-Patent Nr. 3 960 177, welches Baumann am 1. Juni 1976 erteilt wurde, und das ein modifiziertes Drosselklappenventil mit einer schwenkbar in einem eine kreisförmige Bohrung definierenden Ventilgehäuse angebrachten Scheibe beschreibt. Eine Reihe von Rippen ist an dem äußeren Rand der Scheibe zum Brechen des gleichförmigen Geschwindigkeitsprofils angebracht. Die Rippen sind so angeordnet, dass sie sich im wesentlichen parallel zur Innenwand der Bohrung erstrecken, wenn die Scheibe in der geschlossenen Position ist. Außerdem zeigen die Rippen oberhalb und unterhalb der horizontalen Achse der Scheibe in entgegengesetzte Richtungen, und sie sind beabstandet, um Strömungspassagen mit einem begrenzten Querschnitt zu schaffen. Deshalb sorgt das für kleine individuelle Strahlen, die in einen relativ großen strömungsabwärtigen Bereich (verglichen mit dem Querschnitt des Strahls) abgegeben werden und führt so zu niedriger Geschwindigkeits- und Druckrückgewinnung, was wiederum das niedrige Geräuschniveau sicherstellt.
Obwohl das in dem vorangehend erwähnten Patent beschriebene Drosselklappenventil sehr effizient ist, bilden die Rippen ein Hindernis für die Strömung.
US-A-4 036 469 beschreibt ein Drosselklappenventil zur Verwendung in einem Hochdrucksystem.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Drosselklappenventil bereitzustellen, welches daran angepasst ist, ein niedriges Geräuschniveau ro erzeugen.
Es ist auch ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein derartiges Drosselklappenventil bereitzustellen, welches relativ einfach und wirtschaftlich herzustellen ist.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Dämpfungsvorrichtung für ein Drosselklappenventil bereitzustellen, welche eine Verbesserung gegenüber dem vorangehend genannten Stand der Technik ist.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein derartiges Drosselklappenventil bereitzustellen, welches relativ leicht ist.
In breiten Worten liefert die vorliegende Erfindung ein Drosselklappenventil gemäß Anspruch 1.
Typischerweise sind die erste und die zweite Serie von länglichen Elementen mit der gleichen Anzahl von länglichen Elementen vorgesehen, wobei jedes längliche Element der zweiten Serie generell einem länglichen Element der ersten Serie gegenüber liegend ist.
Vorzugsweise weist das Schließelement eine Scheibe mit einem Zentrum und einem Durchmesser auf, und die länglichen Elemente der ersten und der zweiten Serie sind an der Scheibe mit einem Abstand von dem Zentrum der Scheibe von etwa einem Drittel des Durchmessers angebracht.
Vorzugsweise erstrecken sich die länglichen Elemente mit einem spitzen Winkel von dem Schließelement. Typischerweise beträgt der spitze Winkel etwa 45°.
In einer speziellen bevorzugten Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung definieren die Druckseitenfläche und die Sogseitenfläche jeweils ein Flächeninhalt, und die länglichen Elemente der ersten Serie sind regelmäßig an der ersten Seitenfläche so beabstandet, dass sie einen ersten Sektor definieren, der in einem Bereich von etwa ¼ bis ½ des Flächeninhalts der Druckseite ist, während die länglichen Elemente der zweiten Serie regelmäßig an der Sogseitenfläche beabstandet sind, so dass sie einen zweiten Sektor definieren, der in einem Bereich ist, der sich von etwa ¼ bis ½ des Flächeninhalts der Sogseitenfläche erstreckt.
In einer noch spezielleren bevorzugten Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Verhältnis der Länge zur Breite des länglichen Elements in einem Bereich, der sich von etwa 1,5 bis etwa 3,0 erstreckt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachdem so generell die Art der Erfindung beschrieben wurde, wird nun auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die illustrativ eine bevorzugte Ausführungsform davon zeigen und für die gilt:
1 ist eine schematische Darstellung eines Gasturbinenmaschinen-Ausströmbereich, der ein in einer Auslassleitung des Gasturbinenmaschinen-Luftverdichters installiertes Drosselklappenventil gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Draufsicht auf ein Drosselklappenventil gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Schnittansicht des Drosselklappenventils, welches in einer geschlossenen Position davon gezeigt ist;
4 ist eine Schnittansicht des Drosselklappenventils, welches in einer teilgeöffneten Position davon gezeigt ist; und
5 ist ein grafischer Vergleich der Geräuschniveaus des Drosselklappenventils, welches das Konzept der vorliegenden Erfindung realisiert, verglichen mit dem eines unmittelbar strömungsabwärts eines konventionellen Drosselklappenventils angebrachten Schalldämpfers.
6 ist eine Seitenansicht eines Ventilgehäuses mit einem damit verbundenen Betätigen zum Betreiben des mit unterbrochenen Linien gezeigten Drosselklappenventils.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nun wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere die 1 bis 4 ein die Elemente der vorliegenden Erfindung beinhaltendes Drosselklappenventil, welches generell mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, kann das Drosselklappenventil 10 in einem Austrittskanal 11 einer Gasturbinenmaschine 13 zum Kontrollieren der von einem Lastverdichter der Gasturbinenmaschine 13 ausgehenden Luftströmung installiert sein. Die Luftströmung aus dem Lastverdichter wird verwendet, um Luft für Umgebungszwecke bereitzustellen, beispielsweise Luft für eine Flugzeugkabine bereitzustellen. Wenn das Drosselklappenventil 10 geschlossen ist, wird Luft von dem Lastverdichter zu dem Kabinenbereich gesandt. Wenn in dem Kabinenbereich keine Luft erforderlich ist, ist das Drosselklappenventil 10 offen und ermöglicht es so, der von dem Lastverdichter verdichteten Luft aus der Maschine durch den Austrittskanal 11 abgegeben zu werden. Man versteht, dass das Drosselklappenventil 10 nicht auf die vorangehend beschriebene Anwendung beschränkt ist und dass es in anderen Anwendungen verwendet werden kann, welche die Kontrolle einer Fluidströmung durch einen Kanal erfordern.
Generell weist, wie in den 2 bis 4 gezeigt, das Drosselklappenventil 10 ein Ventilgehäuse 12 mit einer länglichen, sich in Umfangsrichtung erstreckenden Wand 14 auf, die einen Strömungsweg 16 definiert. Das Ventilgehäuse 12 bildet einen Teil eines Kanals zum Fördern einer Gasströmung. Ein Schließelement in der Form einer flachen oder konvexen Scheibe 18 ist schwenkbar in dem Ventilgehäuse 12 rotationsmäßig um eine Querachse 20 angebracht und ist an seinem äußeren Umfang an die innere Oberfläche der Wand 14 des Ventilgehäuses 12 angeformt. Die Schließscheibe 18 ist zwischen einer geschlossenen Position, wie in 3 gezeigt, die quer zum Strömungsweg 16 zum abdichtenden Zusammenwirken mit der Wand 14 des Ventilgehäuses 12 zum Einschließen der Gasströmung darin und einer offenen Position, um die Fluidströmung zuzulassen und zu kontrollieren, schwenkbar.
Typischerweise ist ein Abdichtelement (nicht gezeigt) an dem Umfang der Scheibe 18 vorgesehen, um mit der Wand 14 des Ventilgehäuses 12 zum abdichtenden Verschließen der Gasströmung in dem Strömungsweg 16 zu kooperieren, um die Gasströmung in dem Strömungsweg 16 abdichtend zu verschließen, wenn sich das Drosselklappenventil 10 in seiner geschlossenen Position befindet.
Aus 2 kann man erkennen, dass die Achse 20 durch das Zentrum der Scheibe 18 geht und geometrisch diese in zwei symmetrische Abschnitte teilt, die hier als erster und zweiter Abschnitt 22 bzw. 24 bezeichnet sind. Folglich bewegt sich die Scheibe 18, wenn ein Öffnungsdrehmoment von einem externen Betätigen 25, der in 6 gezeigt ist, auf das Drosselklappenventil 10 aufgebracht wird, aus ihrer 0°-Winkel-Schließ-Position (3) in eine teilgeöffnete Position, wie in 4 gezeigt, und der erste Abschnitt 22 ist dann strömungsabwärts von der Achse 20, während der zweite Abschnitt 24 strömungsaufwärts von der Achse 20 ist.
Die Scheibe 18 hat eine Druck- und eine Sogseitenfläche 26 und 28, die jeweils zum strömungsaufwärtigen und strömungsabwärtigen Bereich des Drosselklappenventils 10 gerichtet sind.
Die Druckseitenfläche 26 und die Sogseitenfläche 28 sind jeweils mit einer vorzugsweise gleichen Anzahl von generell diametral gegenüber liegenden länglichen Elementen oder Fahnen 30 versehen, die an einem Ende 31 davon an den Oberflächen 26 und 28 an der Scheibe 18 bei einem Radius von etwa 1/3 des Scheibendurchmessers mittels Nieten 32 oder durch irgendwelche anderen geeigneten Mittel, beispielsweise Schweißen, angebracht sind, versehen. Der Bereich 31 einer jeden Fahne 30 ist gebogen, um einen Winkel von etwa 45° zwischen jeder Fahne 30 und der Oberfläche 26, 28 der Scheibe 18 ro schaffen. Die Fahnen 30 sind vorzugsweise gleichförmig an dem ersten Abschnitt 22 der Druckseitenfläche 26 und an dem zweiten Abschnitt 24 der Sogseitenfläche 28 verteilt, um so jeweils einen Sektor 34 von etwa 1/4 bis ro 1/2 der Oberfläche der Druckseite und der Sogseite zu überdecken. Der Raum zwischen dem freien Ende der Fahnen 30 ist etwa gleich der Breite der Fahne.
Folglich sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung drei Fahnen 30 an jeder Seite der Scheibe 18 vorgesehen. Jedoch hängt die Anzahl von erforderlichen Fahnen 30 von der Größe des Drosselklappenventils ab, und so können manche Scheiben 18 drei oder mehr Fahnen 30 an jeder Seite davon haben. Die Länge der Fahnen 30 sollte soweit wie zulässig, ohne den Betrieb des Drosselklappenventils 10 zu stören, nach außen ragen. Schließlich sollte das Verhältnis der Länge zu der Breite der Fahnen 30 in einem Bereich sein, der sich von 1,5 bis 3,0 erstreckt.
Im Betrieb erzeugen die Fahnen 30 an der Druckseitenfläche 26 des Drosselklappenventils 10 Turbulenzen, welche die Strömung mit Energie beaufschlagen und Wirbel zwischen den Fahnen 30 und der Ventiloberfläche fangen. Das hilft der ankommenden Strömung, die durch die zwischen der Wand 14 des Ventilgehäuses 12 und der Scheibe 18 gebildete Passage strömt, sich sanfter gegen den Druckgradienten zu bewegen und führt so zu einer geringeren Gasströmungsablösung strömungsabwärts von dem Drosselklappenventil 10. Die Fahnen 30 an der Sogseitenfläche 28 fördern das Vermischen der Turbulenz und das Einfangen von Wirbeln. Das hilft, den Wirbelschleppenbereich zu verringern. Deshalb ist es der Gesamteffekt der Fahnen 30, die Größe der strömungsabwärts von dem Drosselklappenventil 10 gebildeten Wirbelschleppe ro verringern. Das wiederum verringert Geräusch an der Quelle, was offensichtlich das beste Abschwächungsverfahren ist, wie in 5 angegeben, in der die Kurve A das Schalldruckniveau einer konventionellen Anordnung aus Drosselklappenventil und Schalldämpfer, welche in Verbindung mit einer Gastur binenmaschine verwendet wird, repräsentiert, während die Kurve B Testergebnisse mit einer Probe der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Vergleichstests wurden in dem geräuschstärksten Zustand, d. h. bei einem Öffnungswinkel von 60°, durchgeführt. Der strömungsaufwärtige Druck des Ausströmgases war etwa 36 psia. Außerdem geben die Vergleichstest die Geräuschspektren in der Maximalrichtung, d. h. 54° relativ zur Ausströmachse, an. In der getesteten Version weist das Drosselklappenventil ein Schließelement 18 mit drei Fahnen 30 an jeder Seite davon auf. Man kann erkennen, das Drosselklappenventil 10 der vorliegenden Erfindung eine zusätzliche Geräuschabschwächung von etwa 3 bis 8 dB über den Frequenzbereich von 500 bis 4000 Hz liefert.

Claims

Drosselklappenventil (10), aufweisend ein Ventilgehäuse (12) welches einen Strömungsweg (16) definiert, und ein Schließelement (18), welches schwenkbar in dem Ventilgehäuse (12) rotationsfähig um eine Achse (20) zwischen einer offenen Position zum Erlauben der Passage einer Gasströmung durch das Ventilgehäuse (12) und einer geschlossenen Position angebracht ist, in der das Schließelement (18) die gesamte Gasströmung durch das Ventilgehäuse (12) verschließt, wobei sich die Achse (20) zentral des Schließelements (18) erstreckt und das Schließelement (18) in einen ersten und einen zweiten Abschnitt (22, 24) teilt, wobei das Schließelement (18) eine Druckseitenfläche (26) hat, die geeignet ist, strömungsaufwärts gerichtet zu sein, und eine Sogseitenfläche (28), die geeignet ist, strömungsabwärts gerichtet zu sein, wobei das Schließelement (18) eine Geräuschabschwächungseinrichtung aufweist mit einer ersten Serie von separaten länglichen Elementen (30), welche sich von dem ersten Abschnitt (22) der Druckseitenfläche (26) erstrecken, und einer zweiten Serie von separaten länglichen Elementen (30), welche sich von dem zweiten Abschnitt (24) der Sogseitenfläche (28) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Serie von separaten länglichen Elementen (30) fest an dem Schließelement (18) mit einem radialen Abstand von einem Umfang davon angebracht sind, wodurch die länglichen Elemente (30) zum Abschwächen von aerodynamischem Drosselgeräusch ohne signifikante Behinderung der Gasströmung geeignet sind.
Drosselklappenventil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Serie von separaten länglichen Elementen (30) mit der gleichen Anzahl von länglichen Elementen (30) versehen sind, und wobei jedes längliche Element (30) der zweiten Serie einem länglichen Element (30) der ersten Serie generell diametral gegenüber liegt.
Drosselklappenventil (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die erste als auch die zweite Serie von separaten länglichen Elementen (30) mindestens drei längliche Elemente (30) aufweist.
Drosselklappenventil (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (18) eine Scheibe mit einem Zentrum und einem Durchmesser aufweist, und wobei die länglichen Elemente (30) der ersten und der zweiten Serie an der Scheibe mit einem Abstand von dem Zentrum der Scheibe von etwa 1/3 des Durchmessers angebracht sind.
Drosselklappenventil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die länglichen Elemente mit einem spitzen Winkel von dem Schließelement (18) erstrecken.
Drosselklappenventil (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der spitze Winkel etwa 45° ist.
Drosselklappenventil (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckseitenfläche (26) und die Sogseitenfläche (28) jeweils einen Flächeninhalt definieren, und wobei die länglichen Elemente (30) der ersten Serie regelmäßig an der Druckseitenfläche (26) beabstandet sind, um so einen ersten Sektor (34) zu definieren, der in einem Bereich von etwa 1/4 bis 1/2 des Flächeninhalts der Druckseitenfläche (26) ist, während die länglichen Elemente (30) der zweiten Serie regelmäßig an der Sogseitenfläche (28) beabstandet sind, um so einen zweiten Sektor (34) zu definieren, der in einem Bereich ist, der sich von etwa 1/4 bis 1/2 des Flächeninhalts der Sogseitenfläche (28) erstreckt.
Drosselklappenventil (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die länglichen Elemente (30) eine Länge und eine Breite haben, und wobei das Verhältnis der Länge zur Breite in einem Bereich ist, der sich von etwa 1,5 bis etwa 3,0 erstreckt.
Drosselklappenventil (10) nach Anspruch 1, wobei das Schließelement eine Scheibe (18) mit einem Zentrum und einem Durchmesser aufweist, und wobei die länglichen Elemente (30) der ersten und der zweiten Serie fest an der Scheibe (18) mit einem Abstand von dem Zentrum der Scheibe (18) von etwa 1/3 des Durchmessers beabstandet sind, so dass sie von einem Umfang der Scheibe (18) beabstandet sind, und wobei die länglichen Elemente (30) der ersten und zweiten Serie sich mit einem spitzen Winkel von der Scheibe erstrecken.
Drosselklappenventil (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckseitenfläche (26) und die Sogseitenfläche (28) jeweils einen Flächeninhalt definieren, und wobei die länglichen Elemente (30) der ersten Serie regelmäßig an der Druckseitenfläche (26) beabstandet sind, um so einen ersten Sektor (34) zu definieren, der in einem Bereich von etwa 1/4 bis 1/2 des Flächeninhalts der Druckseitenfläche (26) ist, während die länglichen Elemente (30) der zweiten Serie regelmäßig an der Sogseitenfläche (28) beabstandet sind, um so einen zweiten Sektor (34) zu definieren, der in einem Bereich ist, der sich von etwa 1/4 bis 1/2 des Flächeninhalts der Sogseitenfläche (28) erstreckt.
Drosselklappenventil (10) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das längliche Element (30) eine Länge und eine Breite hat, und wobei das Verhältnis der Länge zur Breite in einem Bereich ist, der sich von etwa 1,5 bis etwa 3,0 erstreckt.
Drosselklappenventil (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der spitze Winkel etwa 45° ist.
Drosselklappenventil (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Serie von separaten länglichen Elementen (30) mit der gleichen Anzahl von länglichen Elementen (30) versehen ist.
Drosselklappenventil (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass jedes längliche Element (30) der zweiten Serie einem länglichen Element (30) der ersten Serie diametral gegenüber ist.
Drosselklappenventil (10) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die erste als auch die zweite Serie von separaten länglichen Elementen (30) mindestens drei längliche Elemente (30) aufweist.
Gasturbinenmaschine mit einer Quelle für druckbeaufschlagte Fluide und einer Kanaleinrichtung (12), welche einen Strömungsweg (16) zum Fördern der druckbeaufschlagten Fluide definiert, einem Drosselklappenventil (10) mit einem Schließelement (18), welches schwenkbar in der Kanaleinrichtung (12) rotationsfähig um eine Achse (20) zwischen einer offenen Position zum Zulassen der Passage der druckbeaufschlagten Fluide durch die Kanaleinrichtung (12) und einer geschlossenen Position, in der das Schließelement (18) die gesamte Fluidströmung durch die Kanaleinrichtung (12) verschließt, angebracht ist, wobei sich die Achse (20) zentral des Schließelements (18) erstreckt und das Schließelement (18) in einen ersten und einen zweiten Abschnitt (22, 24) teilt, wobei das Schließelement (18) eine Druckseitenfläche (26) hat, die geeignet ist, strömungsaufwärts gerichtet zu sein, und eine Sogseitenfläche (28) hat, die geeignet ist, strömungsabwärts gerichtet zu sein, wobei das Schließelement (18) eine Geräuschabschwächungseinrichtung aufweist mit einer ersten Serie von separaten länglichen Elementen (30), welche sich von dem ersten Abschnitt (22) der Druckseitenfläche (26) erstrecken, und einer zweiten Serie von separaten länglichen Elementen (30), welche sich von dem zweiten Abschnitt (24) der Sogseitenfläche (28) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Serie von separaten länglichen Elementen (30) fest an dem Schließelement (18) mit einem radialen Abstand von einem Umfang davon angebracht sind, wodurch die länglichen Elemente (30) zum Abschwächen des aerodynamischen Drosselgeräuschs ohne signifikante Behinderung der Strömung der druckbeaufschlagten Fluide effektiv sind.