DE8703840U1

DE8703840U1 - Laufrad zum Fördern eines Mediums

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Publication number: DE8703840U1
Application number: DE8703840U
Authority: DE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1987-03-14
Filing date: 1987-03-14
Publication date: 1988-07-14

Description

• i I I I 1 I · i i . , « * ¹^

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··· I t I «J .

R₁ 21112

26.2 4 1987 ita/Kc

SOBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1

Laufrad zum Fördern eines Mediums
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

H f und höheren Harmonischen erzeugt, wobei N die Anzahl der &ogr;

Schaufeln und f die Drehfrequenz des Schaufelrades ist» Ohne &ogr;

Berücksichtigung der Obertöne besteht das Leistungsspektrum dieses Geräusches aus einer diskreten Linie, in der die gesamte Schallenergie enthalten ist (Figur la). Ziel der ungleichmäßigen Schaufel-V einteilung 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 zwi-

spektrum nicht berücksichtigt, so daß &zgr;. B. eine unregelmäßige Ein-

schen der Schaufelabstandsfolge und dem resultierenden Geräusch- __

- 2 - 21112

teilung ein LeistUngsapektrüm wie in Figur Ib hervorrufen kann/ in dem einzelne Tone dominieren. Ein Üngleichmäßigkeitsgrad fur 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 Solle spielt.

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

Die Anregungvorgänge wiederholen sich in ihrer zeitlichen Abfolge nach jeder Schaufelradumdrehung, d. h. das Geräuschsignal besitzt eine Grundfrequenz f , 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 Sauschens besitzt, nämlich ein flaches (diskretes) Leistungsspektrum bzw. eine schnell abfallende Autokorrelationsfunktion. Solche Eigenschaften besitzen die sogenannten Pseudorauschfolgen, mathematische Zahlenfolgen, die nach gewissen Regeln berechnet werden.

Kin 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) s sin Xfe t ; &ldquor; = 2 T f =U— (l) "&Oacgr; ***> ⁰T

C;

- 3 - 21112

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

s(t) * sin Ha_ot 5~" a_fe rect / ^fc " ^{k T}c L (2) k=l L _T J

&Ggr; 1 /&Iacgr; , -0,5 ;£ x^ 0,!

Lo , sonst

Dabei ist rect

II I

die

Rechteckfunktion und T = T /N die Taktzeit, d. h. Umdrehungs-

co

text dividiert durch Schaufelzahl.

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

*·- ; a - 0 oder 1

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

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

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• ·

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Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Laufrad mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die vom Laufrad herrührenden tonalen Pumpengeräusch« auf ein absolutes Minimum reduliert werden.

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

Zeichnung

Ein Ausführungsbeiapiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es •eigen die Figuren la bis Ic verschiedene idealisierte Leistungsspektren des Fördergeräusches, Figur 2 eine schematische Darstellung •iner Anordnung mit einem Kraftstoffvorratstank, einem Kraftstofförderaggregat und einer Brennkraftmaschine, Figur 3 ein in einer Fumpenkammer des Kraftstofförderaggregats angeordnetes Laufrad, entlang der Linie II-XI in Figur 4 geschnitten und Figur 4 das Laufrad gemäß Figur 3 in Ansicht.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Figur 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.

it a >

21112

Eine in Figur 3 im Schnitt dargestellte Strömungspumpe 20 des Kraftstoff örderaggregats 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 *ines ebenfalls zum Kraftstofförderaggregat 14 gehörenden, elektrischen Antriebsmotors 28 gebildet ist. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die als sogenannte Westco-Pumpe ausgeführte Strömungspumpe zweistufig ausgebildet. Es weist deshalb einen erjten, inneren Kranz 30 von Fördergliedera 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 Figur 4 erkennbar sind. Wie insbesondere Figur 3 deutlich macht, weist der Doppelkranz 32 von Fördergliedern zwei Einzelkränze 3# und 39 von Fördergliedern 40 auf, die beidseitig einer Mitteldrehebene de3 Laufrades 22 angeordnet sind. Die Mitteldrehebene sei die Drehebene, welche in Richtung der Drehachse der Helle 26 gesehen, im Mittelbereich, zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Stirnflächen 23, 25 des Laufrades 22 gedacht ist. Die Draufsicht gemäß Figur 4 auf das Laufrad 22 zeigt die Anordnung der einzelnen Förderglieder 40 des Kranzes 38, dis durch Aussparungen 42 beidseitig der sogenannten Mittoldrehebene gebildet sind, so daß die Förderglieder 40 mit Abstanden 41 von ihren jeweiligen Haenbar-Fördergliedern liegen. Die Aussparungen 42 erstrecken sich jeweils von der einen Stirnfläche 23, 25 des Laufrades 22 zur Mantelfläche 27 des Laufrades. Wie insbesondere Figur 4 zeigt, weist der Förderglioderkranz 38 - genauso wie der Fördergliederkranz 39 - 63 einzelne Förderglieder 40 auf, die in Umfangsrichtung gesehen mit ungleichen Abständen 41 voneinander angeordnet sind. Es sind nämlich die Abstände 41 der einzelnen Förderglieder 40 eines Kranzes 38 bzw, 39 nach der Gesetzmäßigkeit einer Pseudorauschfolge bemessen« Beim Ausfübrungsbeispiel ist die Pseudorauseh«

,.&ldquor;MM ...I Il J ,i

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I < » t ». I» I Uli I

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folge 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, bezeichneten Spalte ist die Maximalfolge 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 folgendes. Tabelle sind die Positionen der einzelnen Förderglieder angegeben und zwar in Grad, ausgehend von der Mitte zwischen dem 1. und dem 31. Förderglied.

Laufrad mit 31 Schaufeln nach einer Maximalfolcre eingeteilt

&psgr; = (Je -

Mfi°

31

k	1	^ak	5,81	k	^ak	180,00
2	1	23,23	16	1	191,61
3	0	34,84	17	1	203,23
4	0	46,45	18	1	220,65
5	0	58,06	19	0	226,45
6	0	63,87	20	1	243,87
7	1	75,48	21	0	255,48
8	1	87,10	22	0	267,10
9	1	104,52	23	0	272,90
10	0	116,13	24	1	290,32
11	0	121,94	25	0	301,94
12	1	133,55	26	0	307,74
13	1	150,97	27	1	325,16
14	0	ISO,77	28	0	330/97
IS	i	168/39	29	1"	348,39
	1		30	0	364,19
	31	1

,« Mil i. IMj Il j M

.". .' &igr; &iacgr; ',,". 2.2.5 &iacgr;

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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 zweiwer-, tige Maximalfolgen. Ein Vorteil bei der Schaufeleinteilung entsprechend einer Maximalfolge ist die Beschränkung auf lediglich drei unterschiedliche Abstände.

Als we:'täres Beispiel wird ein Laufrad mit 18 Schaufeln angeführt, dessen Scbauft.lab3t.ande nach einer Primitiven Wurzelfolge eingeteilt ist. Die Folge beruht auf der Primzahl &rgr; = 19 und ihrer Primitiven Wurzel g = 2 und wird nach dem Gesetz

a_fc = g^k (mod 19) ; (k = 1, 2, ..., 18) W.

gebildet. Die folgende Tabelle enthält in der ersten Spalte die Schaufelnummer, in der zweiten die Folge 4 a. j 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 Relrursionsgleichung.

k &igr; ' ¹⁰'⁵° * ^{&khgr;&bgr; a}k i^{; (k} = ²

Da

/. => 0° ist und a = 2, ergibt sich

&psgr; = 0° + 10,5· + 2° = 12,5° usw. Die konstante Addition von 10,5 Grad zum folgenabhängigen Beitrag in Gleichung (5) ist notwendig, um die Different zwischen größtem und kleinstem Abstand nicht zu groß werden zu lassen, wodurch der¹ Wirkungsgrad zu sehr leiden würde.

ti illl Il IKI I» « t«

4 I II« 114« «b

«I II« I ·«»«·«

- 8 - 21112

0°

12,5° 27° 45,5° 72° 95,5° 113°

J 8 9 137,5°

157" 185,5° 213° 238,5° 260° 273,5° 290° 312,5° 323° 348,5°

Eine weitere Möglichkeit für eic Laufrad besteht darin, die Abstände nach einer Quadratische-Reste-Folge einzuteilen. Die Beispielfolge beruht auf der Primzahl &rgr; = 17. Die quadratischen Reste /a. y er~ g-jben sich each 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^ y

1	i.
2	4
3	8
4	16
5	13
6	7
7	14
8	9
9	18
10	17
11	15
12	11
13	3
14	6
15	12
16	5
17	10
18	1

I ) I I « I

&igr;&igr;&igr;&igr;&igr;&igr;&igr;&igr;&igr;&igr;&igr;&igr;&igr;&igr;&igr;&igr;

- 9 - 21112

und in der dritten Spalte die zugehörige Sdhaufelpostiön in Winkelgrad. Die efste Schaufel liegt bei 0 Grad. Die Position einer Schaufel ergibt sich aus der Vorgängerposition durch eine Rekursionsgleichung.

f_y = ^₁ + 14° + 1° 3.^₁) (k = 2, ,.,, 16) (7)

Da ^₁ = 0 Grad ist und a^ &bgr; 1, ergibt sich

l*p = 0° + 14° + 1° = 15° USV* 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.

JC	1	^ak	*&eegr;*
2	1	0°
3	4	15"
4	9	33*
5	16	56°
6	8	86°
7	2	108°
8	15	124°
9	13	153°
10	13	180"
11	15	207°
12	2	236"
13	8	252°
14	16	274°
15	9	304°
16	4	327°
1	345"

Claims

R. 21112 26.2.1987 Sa/Kc ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1 Ansprüche

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

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

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

4. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pseudorauschfolge 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 Fo'rderglieder (40) des einen Kranzes (39) der Anordnung der Förderglieder (40)° des änderen Kranzes (38) entspricht.

«I 4 1

ti~* · *-»—fc-..-r.&iacgr;.&iacgr;,&iacgr;-.

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7. Laufrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnungsfolgen 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 Pumpeckairaner (24) eines Kraftstofförderaggregats (14) angeordnet ist.

* 4 i