EP0316640A1 - Tieffrequenzschalldämpfer - Google Patents

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EP0316640A1
EP0316640A1 EP88117971A EP88117971A EP0316640A1 EP 0316640 A1 EP0316640 A1 EP 0316640A1 EP 88117971 A EP88117971 A EP 88117971A EP 88117971 A EP88117971 A EP 88117971A EP 0316640 A1 EP0316640 A1 EP 0316640A1
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feed pipe
damping
inlet tube
sectional area
medium
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N1/00—Silencing apparatus characterised by method of silencing

Definitions

  • the present invention relates to a silencer for damping low-frequency sound waves.
  • the impedance properties of flow feeders play an important role with regard to their acoustic stability properties, particularly with regard to low-frequency acoustic natural vibrations of such components.
  • Sound waves that are emitted into feed divisions should, if possible, not be reflected, or at most only to a small extent. Otherwise, the reflected waves can help to ignite strong resonant vibrations.
  • Effective damping of high-frequency sound waves can usually be achieved with simple technical precautions (e.g. use of a classic silencer: perforated plate over a small closed cavity). The attenuation of low-frequency sound waves, however, is much more difficult.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention as characterized in the claims, is based on the object of achieving the attenuation of a wide frequency band in the smallest space in a silencer of the type mentioned.
  • the main advantage of the invention can be seen in the fact that waves of this type can also be strongly damped, the wavelength of which is substantially greater than four times the length of the feed pipe between the pipe inlet and the row of holes.
  • the absorption in the object according to the invention is proportional to the amplitude , in the vibration-free case, the damping holes are flowed through.
  • the subject matter according to the invention acts as an absorber for the frequency designed in each case, within an attenuation bandwidth of approximately 1 octave.
  • silencer can be integrated into all possible turbomachines at any time with only minor modifications due to its simple and space-saving shape, also as a retrofit measure.
  • the muffler consists of a supply pipe 1 through which a medium flows 3 and around which it flows 4. After a length L from the pipe inlet, this has a row of damper bores 2 distributed over the circumference, through which part 4 of the supplied pipe Medium flows into the interior of the feed pipe 1 and collides there with the medium 3 flowing through the feed pipe.
  • the medium 5 then leaves the feed pipe 1 and enters a turbomachine, not shown.
  • the medium in question is intended to be a gas, in many cases it will be air.
  • the wall 6 is intended to symbolize that the feed pipe 1 forming the muffler can communicate directly with the combustion chamber 7 of the turbomachine, not shown. Of course, the feed pipe 1 can be placed on a premixing element.
  • the type of combustion chamber determines whether a change in cross-section, for example due to a jump in the borehole, is required at the transition between feed pipe 1 and the premixing element (not shown) together.
  • the feed pipe 1 can be followed directly by a burner, which in turn is connected upstream of the combustion chamber. It is physically noticeable that the feed pipe 1 is only characterized by three geometrical sizes, namely by the cross-sectional area A of the feed pipe 1, by the effective length L of the feed pipe, which extends in the direction of flow from the pipe inlet to the center of the damper bores 2, and by the overall cross section B of all damping holes 2 on the bolt circle.
  • the total cross-sectional area B of all the damping bores 2 remains for the optimal design of the muffler.
  • the number of damping bores 2 distributed over the circumference and their diameter depend on the size of the feed pipe 1. The optimization must take into account that the flow velocity V in the damping bores 2 and the sound velocity c of the medium still play a role as further parameters.
  • the sound power of the sound wave of frequency f scattered back by the damper is expressed as a percentage of the radiated power:
  • FIG. 2 shows a further embodiment variant of the muffler, in which the guidance of the air portion 4 to the damping bores 2 is guided through an annular opening 9, which extends over the entire length of the feed pipe 1.
  • a second pipe 8 is provided concentrically with the feed pipe 1. The distance between the second tube 8 and the feed tube 1 depends on the determined amount of the air portion 4 and also on the desired speed of the flow V through the damping bores 2.
  • Fig. 3 shows a graphical representation, from the ⁇ OPTIMAL and the associated percentage performance of the silencer reflected wave are readable.
  • the abscissa 10 with the term represents the phase, ie the length of the muffler, which represents the ideal length for the value 1 on the abscissa 10.
  • one ordinate 11 plots the power of the wave reflected by the muffler in%, based on the incident wave, ie on the wave which is fanned in the combustion chamber and radiated into the muffler.
  • the other ordinate 12 represents ⁇ OPTIMAL . As already explained above, this value contains the total cross-sectional area B of the damping bores 2 as a weight.
  • Curve 13 describes the falling power in% of the wave reflected by the muffler as a function of an increasing phase ( ).
  • the other curve 14 describes the increasing value of ⁇ OPTIMAL with decreasing phase ( ).
  • the graph clearly shows how the ideal value 1 (ideal length) of the muffler means that the power in% of the wave reflected by the muffler is zero, ie complete absorption would have been achieved in such a case.

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Abstract

Zur Dämpfung tieffrequentiger Schallwellen, wie sie in Komponenten von Strömungsmaschinen vorkommen, besteht der hier vorgeschlagene Schalldämpfer aus einem Zufuhrrohr (1), das von einem Medium durchströmt (3) und umströmt (4) wird. Am Ende des Zufuhrrohres (1) in Abströmungsrichtung weist dieses eine über den Umfang verteilte Reihe von Dämpfungsbohrungen (2) auf, über welche das das Zufuhrrohr (1) umströmende Medium (4) ins Innere des Zufuhrrohres (1) strömt. Die effektive Länge L des Zufuhrrohres (1), die Querschnittsfläche A des Zufuhrrohres (1), die Gesamtquerschnittsfläche B der Dämpfungsbohrungen (2) bilden die geometrischen Parameter zur Errechnung einer optimalen Dämpfung der tieffrequentigen Schallwellen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schalldämpfer zur Dämpfung tieffrequentiger Schallwellen.
    • STAND DER TECHNIK
  • Für zahlreiche Strömungsmaschinen, bzw. Komponenten von Strö­mungmaschinen (Brennkammern, Regulierventile etc.), spielen die Impedanzeigenschaften von Strömungszuführungen besonders im Hinblick auf tieffrequentige akustische Eigenschwingungen solcher Komponenten eine wichtige Rolle in bezug auf ihre akustischen Stabilitätseigenschaften. Schallwellen, die in Zufuhrteilungen hinein abgestrahlt werden, sollten möglichst nicht, oder höchstens zu einem geringen Teil, reflektiert werden. Andernfalls können die reflektierten Wellen zur Anfachung von starken resonanten Schwingungen beitragen. Eine wirksame Dämpfung hochfrequentiger Schallwellen kann in der Regel mit einfachen technischen Vorkehrungen (z.B. Verwendung eines klassischen Schalldämpfers: Lochblech über einem kleinen abge­schlossenen Hohlraum) erreicht werden. Die Dämpfung tieffre­quentiger Schallwellen ist dagegen ungleich schwieriger. Eine gängige Technik besteht darin, grosse Helmholzresonatoren an die Zufuhrleitungen anzukoppeln. Der Nachteil einer solchen Massnahme besteht allerdings darin, dass solche Dämpfungsreso­natoren viel Platz in Anspruch nehmen und entsprechend aufwendig und teuer sind. Ausserdem ist die Frequenzbandbreite der Dämp­fung recht klein, und der Dämpfungseffekt ist selbst im opti­malen Frequenzbereich schwach.
    • AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Schalldämpfer der eingangs genannten Art die Dämpfung eines breiten Frequenzbandes auf kleinstem Raum zu erzielen.
  • Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass mit einem solchen Schalldämpfer auch Wellen stark gedämpft werden können, deren Wellenlänge wesentlich grösser ist als die vierfache Länge des Zufuhrrohres zwischen Rohreintritt und Lochreihe.
  • Des weiteren, während bei normalen Schalldämpfern, wie sie beispielsweise in der Abgasleitung von Verbrennungsmaschinen als Helmholzresonatoren anzutreffen sind, die Absorption qua­dratisch in der Schallwellenamplitude verläuft, wobei im schwin­gungsfreien Fall die dort vorgesehenen Bohrungen nicht durch­strömt werden, verläuft die Absorption beim erfindungsgemässen Gegenstand proportional zur Amplitude, im schwingungsfreien Fall sind die Dämpfungsbohrungen durchströmt.
  • Dies bedeutet, dass der vorliegende erfindungsgemässe Gegenstand für die jeweils ausgelegte Frequenz als Absorber wirkt, inner­halb einer Dämpfungsbandbreite von etwa 1 Oktav.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass der Schalldämpfer durch seine einfache und platzsparende Form jederzeit mit nur geringfügigen Modifikationen in alle möglichen Strömungsmaschinen integriert werden kann, dies auch als Retro­fit-Massnahme.
  • Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsge­mässen Aufgabenlösung sind in den abhängigen Ansprüchen gekenn­zeichnet.
  • Im folgenden werden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Es zeigt:
    • Fig. 1 einen Schalldämpfer,
    • Fig. 2 eine weitere Ausführung eines Schalldämpfers und
    • Fig. 3 die graphische Erfassung der optimalen Dämpfungseigen­schaften.
    BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, besteht der Schalldämpfer aus einem von einem Medium durchströmten 3 und umströmten 4 Zufuhrrohr 1. Dieses weist nach einer Länge L ab Rohreintritt eine über den Umfang verteilte Reihe von Dämpferbohrungen 2 auf, durch welche ein Teil 4 des herangeführten Mediums ins Innere des Zufuhrrohres 1 strömt und stösst dort mit dem durch das Zufuhrrohr strömenden Mediums 3 zusammen. Anschliessend verlässt das Medium 5 das Zufuhrrohr 1 und tritt in eine nicht dargestellte Strömungsmaschine ein. Bestimmungsgemäss handelt es sich beim vorliegenden Medium um ein Gas, vielfach wird es sich um Luft handeln. Die Wand 6 will versinnbildlichen, dass das den Schalldämpfer bildende Zufuhrrohr 1 unmittelbar mit dem Brennraum 7 der nicht dargestellten Strömungsmaschine kommunizieren kann. Selbstverständlich kann das Zufuhrrohr 1 auf ein Vormischelement aufgesetzt werden. Ob am Uebergang zwischen Zufuhrrohr 1 und dem nicht dargestellten Vormisch­element eine Querschnittsänderung, beispielsweise durch einen Bordasprung, vonnöten ist, hängt mit der Art der Brennkammer zusammen. Aus Platzgründen kommt es des weiteren vor, dass dem Zufuhrrohr 1 unmittelbar ein Brenner folgen kann, der seinerseits dem Brennraum vorgeschaltet ist. Körperlich fällt auf, dass das Zufuhrrohr 1 lediglich durch drei geometrische Grössen charakterisiert ist, nämlich durch die Querschnitts­fläche A des Zufuhrrohres 1, durch die effektive Länge L des Zufuhrrohres, welche in Strömungsrichtung vom Rohreintritt bis zur Mitte der Dämpferbohrungen 2 reicht, und durch den Gesamtquerschnitt B aller Dämpfungsbohrungen 2 auf dem Loch­kreis. Weitere Parameter für die optimale Auslegung eines Schalldämpfers sind des weiteren die Geschwindigkeit der Strö­mung V durch die Dämpfungsbohrungen 2 und die Schallgeschwindig­keit c des Mediums selbst. Grundsätzlich hängt die Geschwindig­keit V auch von der Grösse der einzelnen Dämpfungsbohrungen 2 ab. Andererseits ist die Dimensionierung und Anzahl der Dämp­fungsbohrungen 2 von der Querschnittsfläche A des Zufuhrrohres 1 abhängig. Mathematisch wird der Gesamtquerschnitt B der Dämpfungsbohrungen 2 mit
    Figure imgb0001
     wobei n die Anzahl der Oeffnungen und dL deren Durchmesser bedeuten.
  • Da in der Praxis die Querschnittsfläche A und die effektive Länge L des Zufuhrrohres 1 aus anlagetechnischen Dispositionen vorgegeben sind, verbleibt für die optimale Auslegung des Schalldämpfers vornehmlich die Geamtquerschnittsfläche B aller Dämpfungsbohrungen 2 übrig. Die Anzahl der auf den Umfang verteilten Dämpfungsbohrungen 2 und deren Durchmesser hängt dabei von der Grösse des Zufuhrrohres 1 ab. Die Optimierung muss dabei berücksichtigen, dass als weitere Parameter die Durchströmungsgeschwindigkeit V in den Dämpfungsbohrungen 2 und die Schallgeschwindigkeit c des Mediums noch eine Rolle spielen.
  • Die Schall-Leistung der vom Dämpfer zurückgestreuten Schall­welle der Frequenz f beträgt in Prozenten der eingestrahlten Leistung ausgedrückt:
    Figure imgb0002
  • Dabei soll die Gesamtquerschnittsfläche B der Dämpfungsbohrungen so gewählt werden, dass der Parameter α seinen optimalen Wert αOPTIMAL erreicht:

    αOPTIMAL= [ 1 +
    Figure imgb0003
    ]1/2      (3)
  • Durch Einsetzung des so erhaltenen Wertes α OPTIMAL in Gleichung (2) errechnet sich dann die prozentuale Leistung der vom Schall­dämpfer reflektierten Welle für den jeweiligen zugrundegelegten Fall.
  • Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsvariante des Schalldämpfers, bei welchem die Führung des Luftanteils 4 zu den Dämfpungs­bohrungen 2 durch eine Ringöffnung 9 geleitet wird, welche sich auf die ganze Länge des Zuführrohres 1 erstreckt. Zu diesem Zweck ist konzentrisch zum Zufuhrrohr 1 ein zweites Rohr 8 vorgesehen. Der Abstand des zweiten Rohres 8 zum Zuführ­rohr 1 hängt von der ermittelten Menge des Luftanteils 4 und auch von der angestrebten Geschwindigkeit der Strömung V durch die Dämpfungsbohrungen 2 ab.
  • Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung, aus der αOPTIMAL und die dazugehörige prozentuale Leistung der vom Schalldämpfer reflektierten Welle herauslesbar sind. Die Abszisse 10 mit dem Term
    Figure imgb0004
    stellt die Phase dar, d.h. jene Länge des Schall­dämpfers, welche beim Wert 1 auf der Abszisse 10 die Ideallänge darstellt. die eine Ordinate 11 trägt die Leistung der vom Schalldämpfer reflektierten Welle in % auf, bezogen auf die einfallende Welle, d.h. auf die Welle, welche im Brennraum angefacht und in den Schalldämpfer eingestrahlt wird. Die andere Ordinate 12 stellt αOPTIMAL dar. In diesem Wert ist, wie oben bereits dargelegt wurde, gewichtig die Gesamtquer­schnittsfläche B der Dämpfungsbohrungen 2 enthalten. Die Kurve 13 beschreibt die abfallende Leistung in % der vom Schalldämpfer reflektierten Welle in Abhängigkeit zu einer zunehmenden Phase (
    Figure imgb0005
    ). die andere Kurve 14 beschreibt den zunehmenden Wert von αOPTIMAL bei abnehmender Phase (
    Figure imgb0006
    ). Gut ersichtlich ist in der Graphik, wie beim Idealwert 1 (Ideallänge) des Schalldämpfers die Leistung in % der vom Schalldämpfer reflek­tierten Welle Null beträgt, d.h. man hätte in einem solchen Fall eine vollständige Absorption erreicht.
  • In der Praxis ist es indessen vielfach so, insbesondere bei einem Retrofit-Einbau des Schalldämpfers, dass eine verminderte Phase gewählt werden muss. Sind die einbauverhältnisse derge­stalt, dass beispielsweise nur 50 % der theoretischen Ideal­länge des Schalldämpfers gewählt werden kann, so entspricht dies einem αOPTIMAL von ca. 1,40 (senkrechte Schnittstelle mit Kurve 14). Setzt man diesen Werte in Formel (2a) ein, so lässt sich bei vorgegebener Querschnittsfläche A des Zufuhr­rohres 1 die Gesamtquerschnittsfläche B der Dämpfungsbohrungen 2 errechnen. Die andere Schnittstelle mit Kurve 14 ergibt die prozentuale Leistung der vom Schalldämpfer reflektierten Welle; in unserem Fall entspricht dies ca. 19 %, was immer noch eine nahezu vollständige Absorption darstellt. Als Einlei­tungshilfe zur Benutzung der Graphik gemäss Fig. 3 wird das angenommene Beispiel in form von gestrichelten Linien in die Graphik aufgenommen.

Claims (3)

1. Schalldämpfer zur Dämpfung tieffrequentiger Schallwellen, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalldämpfer aus einem von einem Medium durchströmten (3) und umströmten (4) Zu­fuhrrohr (1) besteht, der ab Zufuhrrohreintritt nach einer Länge (L) in Abströmungsrichtung eine über den Umfang ver­teilte Reihe von Dämpfungsbohrungen (2) aufweist, über welche das das Zufuhrrohr (1) umströmende Medium (4) ins Innere des Zufuhrrohres (1) strömt.
2. Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der vom Schalldämpfer reflektierten Welle, bezogen auf die einfallende Welle, in % ausgedrückt:
Figure imgb0007
 mit der Bedeutung, dass

A=Querschnittfläche des Zufuhrrohres (1)
B=Gesamtquerschnittsfläche der Dämpfungsbohrungen (2)
c=Schallgeschwindigkeit des Mediums (3)
f=Frequenz der Schallwelle
L=Effektive Länge des Zufuhrrohres (1) vom Rohreintritt bis zum Lochkreis
V=Geschwindigkeit der Strömung durch die Dämpfungsboh­rungen (2).
3. Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass αOPTIMAL folgendermasse bestimmt wird:

αOPTIMAL = [ (1 +
Figure imgb0008
) ]1/2,
wobei
Figure imgb0009
 ist.
EP88117971A 1987-11-18 1988-10-28 Tieffrequenzschalldämpfer Expired - Lifetime EP0316640B1 (de)

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EP0316640B1 EP0316640B1 (de) 1993-02-10

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