EP0316640B1 - Tieffrequenzschalldämpfer - Google Patents

Description

TECHNISCHES GEBIET
• Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Tieffrequenzschalldämpfer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
STAND DER TECHNIK
• Mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der GB-A-888,853 bekannt ist. Dort ist ein Schalldämpfer zur Dämpfung tieffrequenter Schallwellen für Verbrennungskraftmaschinen beschrieben, wobei der Schalldämpfer aus einem von einem Medium durchströmten und umströmten Zufuhrrohr besteht, der ab Zufuhrrohreintritt nach einer Länge in Abströmrichtung eine über den Umfang verteilte Reihe von Dämpfungsbohrungen aufweist, über welche das das Zufuhrrohr umströmende Medium ins Innere des Zufuhrrohres strömt.
• Eine Bemesssungsvorschrift für den Gesamtquerschnitt der Dämpfungsbohrungen ist nicht angegeben.
• Zum einschlägigen Stand der Technik wird zusätzlich auf: Wilhelm H. Westphal, Physik - Ein Lehrbuch, Springer-Verlag Berlin Göttingen Heidelberg 1953, S. 171 - 173, verwiesen, aus dem es bekannt ist, die Strömungsgeschwindigkeit v eines Gases durch eine enge Öffnung in einem Behälter, bei grosser Druckdifferenz zwischen einem Druck p1 im Behälter-Innenraum und einem kleineren Druck p2 im Aussenraum, nach dem Ausströmungsgesetz von Bunsen zu bestimmen gemäss: $\text{v = √}\overline{\text{2(p1 - p2)/ρ}}$

  

  , p1 - p2 = messbare Druckdifferenz, ρ = Dichte des Mediums bzw. Gases.
• Für zahlreiche Strömungsmaschinen, bzw. Komponenten von Strömungmaschinen (Brennkammern, Regulierventilen etc.), spielen die Impedanzeigenschaften von Strömungszuführungen besonders im Hinblick auf tieffrequente 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 hochfrequenter 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 tieffrequenter 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.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
• Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch definiert ist, löst die Aufgabe, 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.
• 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 ZEICHNUNGEN
• Es zeigen:

Fig. 1

einen Schalldämpfer,

Fig. 2

eine weitere Ausführung eines Schalldämpfers und

Fig. 3

die graphische Erfassung der optimalen Dämpfungseigenschaften.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
• Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, besteht der Schalldämpfer aus einem Zufuhrrohr 1, das von einem Medium 3 durchströmt und von einem Teilmedium 4 umströmt wird. Dieses Zufuhrrohr 1 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 dort mit dem durch das Zufuhrrohr strömenden Medium 3 zusammen stösst. Anschliessend verlässt ein 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. Eine Wand 6 will versinnbildlichen, dass das den Schalldämpfer bildende Zufuhrrohr 1 unmittelbar mit einem 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 eine 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 einen nicht dargestellte 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 eine 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

  

  
  wobei n die Anzahl der Oeffnungen bzw. Dämpfungsbohrungen 2 und d_L 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 Gesamtquerschnittsfläche 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:

  

  
  bedeuten. Dabei soll die Gesamtquerschnittsfläche B der Dämpfungsbohrungen so gewählt werden, dass der Parameter α seinen optimalen Wert α_OPTIMAL erreicht:

  
• 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 der Luftanteil 4 zu den Dämfpungsbohrungen 2 durch eine Ringöffnung 9 geleitet wird, welche sich auf die ganze Länge des Zufuhrrohres 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 V der Strömung durch die Dämpfungsbohrungen 2 ab.
• Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung, aus der α_OPTIMAL und die dazugehörige prozentuale Leistung der vom Schalldämpfer reflektierten Welle herauslesbar sind. Die Abszisse 10 mit dem Term

  

  
  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 α_OPTIMAL 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

  

  
  Die andere Kurve 14 beschreibt den zunehmenden Wert von α_OPTIMAL bei abnehmender Phase

  

  
  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 α_OPTIMAL von ca. 1,40 (senkrechte Schnittstelle mit Kurve 14). Setzt man diesen Wert 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 (1)

1. Schalldämpfer zur Dämpfung tieffrequenter Schallwellen,

   a) der im wesentlichen ein Zufuhrrohr (1) aufweist,

   b) das ab einem Zufuhrrohreintritt nach einer vorgebbaren Länge (L) in Abströmrichtung mehrere Dämpfungsbohrungen (2) über den Umfang des Zufuhrrohres verteilt aufweist, durch welche ein das Zufuhrrohr (1) umströmendes Medium (4) in das Innere des Zufuhrrohres strömen kann,
   dadurch gekennzeichnet,

   c) dass die Dämpfungsbohrungen (2) einen Gesamtquerschnitt (B) von:
   
   ${\text{B = A · V/c · (1 + 1/β²)}}^{\text{1/2}}$

   

   
   
   aufweisen mit:
   
   $\text{β = tan (2 · π · f · L/c)}$

   

   ,
   
   A = vorgebbarer Querschnitt des Zufuhrrohres (1),
   c = Schallgeschwindigkeit des Mediums,
   f = Frequenz der Schallwelle und
   V = Geschwindigkeit der Strömung durch die Dämpfungsbohrungen (2).

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