HU182853B - Multi-flow gasdynamic pressure-wave turbocompressor - Google Patents

Description

A manapság túlnyomórészt alkalmazott egyáramú nyomáshullám-turbógépek jelentős zajártalom forrásai, amely zajártalom csökkentése a környezetvédők állandóan élesedő követelményei, de a nyilvánosság jogos érdekei miatt is indokolt igény és törekvés.

Az említett célt szolgáló különböző megoldások ismeretesek. A javasolt megoldások egyike (lásd a 398 184 sz. svájci szabadalmi leírást) szerint a rotor celláinak magasságát, amely cellákban a gáznemű munkaközegek közötti nyomáscsere lezajlik, sugárirányban körhenger alakú közbenső csőelemek alkalmazásával több kör alakú áramra célszerű felosztani, és ezzel a hangrezgések alapfrekvenciáját az emberi fül felső érzékelő-küszöbértéke fölötti tartományba lehetne transzformálni. A javasolt megoldással azonban a kívánt effektus nem érhető el, minthogy ezzel csak azonos frekvenciájú több rezgés szuperponálódása következik be és az alapfrekvencia változatlan marad.

A fenti ismert megoldás továbbá szilárdsági okokból is hátrányos. A közbenső csőelemek körgyűrű alakú keresztmetszete és az egyenletes vastagságú cellafalak következtében hő- és centrifugális erő által ébresztett feszültségek keletkeznek, amelyek a rotorszerkezet deformációját és túlzott igénybevételét eredményezik.

Az 1. és 2. igénypontban! jellemzőkkel meghatározott találmány célja a fenti hiányosságok és hátrányok kiküszöbölése.

A találmány szerinti megoldást az alábbiakban a csatolt rajz segítségével ismertetjük részletesen, ahol az

1. ábra egy találmány szerinti kétáramú nyomáshullám-turbókompresszor vázlatos hosszmetszete, a

2. ábra az egyik házoldalrészben kiképzett gázés levegőcsatornák vázlata, a

3. ábra az 1. ábra szerinti turbókompresszor rotorjának oldalnézete, a

4. ábra a levegő- és gázház vezérlőéleinek kialakítását bemutató vázlat egy előnyös kiviteli alak esetében, az

5. ábra a vezérlőcsatornák egy másik célszerű, előnyös kialakítását bemutató vázlat, a

6. ábra a rotor cellafalainak és közbenső csőelemének egy előnyös kiviteli példája, a

7. ábra a rotor közbenső csőelemének egy további előnyös kiviteli alakja, a

8. ábra egy egyenlőtlen cellaosztású rotor kiviteli alakjának, míg a

9. ábra egy háromáramú rotor vázlatos képe.

Az 1. ábrán bemutatott vázlatos hosszmetszet szerint 6 ékszíjtárcsával hajtható, 4 és 5 csapágyakban forgathatóan ágyazott 3 tengelyen 2 rotor van mereven rögzítve, amely 2 rotort 1 ház veszi körül. A példaképpen valamely robbanómotorból érkező gázok 7 belépőcsonkon át 8 gázházba áramlanak be, ahol a gázáramot 9 osztófal két részáramra választja szét. A 2 rotornak egy belső 13 áramot és egy külső 14 áramot behatároló cső alakú 10 agyrésze, 11 burkolóköpenye és közbenső 12 csőeleme van. A 2 rotor

3. ábrán feltüntetett oldalnézeti vázlatából kitűnik, hogy a cső alakú 10 agyrész és a 11 burkolóköpeny körgyűrű keresztmetszetű hengeres kialakítású, míg a közbenső 12 csőelem keresztmetszete cik-cakk alakúra van kiképezve. A 13 és 14 áramok kerületi irányban sugárirányú 15, ill. 16 cellafalak révén mindkét áramban egyenlő számú belső, ill. külső 17, 18 cellákra vannak felosztva, amelyek kerületi irányban egymáshoz képest lényegében fél cellaosztásnyival eltoltan vannak elrendezve.

A cellák két áramra történt felosztása következtében a zajkeltő nyomásimpulzusok száma megkétszereződik. Ugyanakkor az egyik áram celláinak a másik áram celláihoz képesti fél ceilaosztásnyi fáziseltolása, -^amint ezt a 3. ábra jól érzékelteti, a nyomásimpulzusok egymáshoz képest pontosan fél periódusnak megfelelő időbeni eltolódását eredményezi. Az ezáltal bekövetkező interferencia az alapfrekvencia amplitúdóját redukálja. Ily módon az alapfrekvenciában amplitúdócsökkentő hatású interferencia keletkezik. A fenti intézkedés hatékonysága jelentős mértékben függ a rotor által keltett zajspektrumtól. A gyakorlatban kivitelezett, legyártott gépeknél bebizonyosodott, hogy a keltett zaj szubjektív megítélés és objektív mérések szerint is legerősebb öszszetevője az alapfrekvencia intenzitása. A felharmonikusok zajkeltésben való részaránya viszonylag csekély, már a második harmonikus is 20 dB-lel csendesebb, mint az alapfrekvencia által keltett zaj. A gyakorlatban azonban soha nem sikerül az alapfrekvencia teljes kioltását elérni. Ez elméletileg csak végtelen kis cellamagasság mellett lenne lehetséges, minthogy csupán a közbenső csőelem közvetlen kör30 nyezetében tudják a nyomásingadozások egymást kölcsönösen befolyásolni. Egymástól sugárirányban távol elhelyezkedő gázrészecskékre az interferenciahatás nem érvényesül, minthogy ezek egymástól mért távolságuk következtében nem képesek egy35 másra impulzust gyakorolni.

Minthogy az alapfrekvencia mellett ezek harmonikusai is jelen vannak, és a cellafalak fáziseltolása révén csupán az alapfrekvencia és páratlan számú többszöröseinek amplitúdói csökkenthetők, a meg40 maradó zajspektrumban az alapfrekvencia páros számú többszörösei dominálnak. Az összes cellával a cellafalakat is beleértve elfoglalt körfelület előnyösen magasságazonosan vagy felületazonosan osztható fel a két áramra. A magasságazonos felosztás termodinamikailag kedvezőbb, míg a felületazonos felosztás esetén a zajcsökkenés nagyobb. Amennyiben tehát a zajszint csökkentése a fő szempont, úgy felületazonos felosztást kell előnyben részesíteni.

A külső 14 áram 16 cellafalainak sugárirányban belső végei a cik-cakk alakú közbenső 12 csőelem mindenkori legmagasabb helyein olvadnak be az utóbbiba, míg a belső 15 cellafalak sugárirányban külső végei a közbenső 12 csőelem mindenkori sugárirányban legbelül levő pontjába torkoltának.

A cellafalak tehát a cső alakú 10 agyrész, ill. all burkolóköpeny, valamint a közbenső cik-cakk alakú 12 csőelem ez utóbbiak felé néző mindenkori domború szakaszainak tetőpontjai között vannak elhelyezve. A 2. ábrán az 1. ábra szerinti II—II metsző60 síknak megfelelően a 8 gázház peremoldali nézetét tüntettük fel, amelyen láthatók a nagynyomású gáz két 19 betáplálócsatomája, a turbókompresszor munkatartományát ismert módon növelő 20 gázzsebek, valamint az expandált kipufogó gáz 21 ki65 lépőcsatornái. A beszívott és komprimált levegő

182 853

számára megfelelő csatornák és zsebek vannak a 22 levegőház peremoldalán (lásd az 1. ábrát) is kiképezve.

A nagynyomású gáz betáplálócsatomái és a zsebek sugárirányban osztófalakkal vannak elválasztva, 5 amelyek egyikét 9, ill. 35 hivatkozási számokkal jelöltük. Ily módon a gáznemű munkaközegeknek már a 2 rotor két áramába történő belépésük előtti szétválasztása és vezetése biztosított. A 2. ábrán látható, hogy a 19 és 21 csatornák, valamint 20 zse- 10 bek rotorkerületre keresztirányú élei egyenesvonalúak és sugárirányúak. Amennyiben a 2 rotor 15,16 cellafalai a 3. ábrán feltüntetett kiviteli alak esetében látható módon ugyancsak egyenesvonalúak és sugárirányúak, akkor a’rotor belső és külső áramának 15 cellacsatomái a levegő- és gázház helytálló csatornáival fedésbe kerülésükkor hirtelen válnak szabaddá, és a szabad, összenyitott csatorna-keresztmetszet meredeken növekszik. A hirtelen keresztmetszet-növekedés a gáz, ill. levegő lökésszerű be- 20 áramlását eredményezi, ami szubjektív megítélés szempontjából kedvezőtlen zajt kelt, minthogy a nyomásváltozás jelleggörbéje következtében olyan frekvenciatartományba eső összetevők keletkeznek, amelyek megszüntetésére vagy legalábbis csiliapí- 25 tására törekszünk.

Kísérletek tanúsága szerint a fentebb ismertetett forrásból származó zajártalom azzal csökkenthető, hogy a kerületi irányra keresztirányú levegő- és gázbetápláló, valamint kilépöcsatoma-éleket nem sugár- 30 irányban, hanem a 4. és 5. ábrán feltüntetett módon egy szelő mentén haladva, ill. lényegében sugárirányban fekvő hullámvonalakban képezzük ki.

A 4. ábra szerint egy alacsony nyomású gázcsatoma vagy alacsony nyomású levegőcsatorna 23 35 vezérlőélét olyan egyenes mentén alakítottuk ki, amely lényegében a burkolóköpeny körének a 24 sugár irányával 25 szöget bezáró szelője. Ezen egyenes felfogható a rotortengelybe eső középpontú 26 segédkor érintőjeként is. A vezérlőéi természetszerű- 40 lég a 24 sugárral ellenkező értelemben szöget bezáró módon is kialakítható lenne.

A vezérlőélek fenti ferde kialakítása révén elkerülhető a lökésszerű levegő-, ill. gázbcáramlás, minthogy az áramló-keresztmetszet fokozatosan nyílva 45 válik szabaddá, s így az ezzel összefüggő zaj csökkent mértékű lesz.

A rotor forgásirányában nézve hátsó, második 27 vezérlőéi ugyancsak a sugárhoz képest ferdén van az érintett helyen kiképezve, miáltal a gáz, ill. levegő 50 rotorcellákba áramlása nem hirtelen, ütésszerűen, hanem a inár ecsetelt módon fokozatos fojtással szűnik meg, ami ugyancsak hozzájárul a zajcsökkenéshez

A vezérlőélek másik lehetséges formai kialakítá- 55 sát, amelynek célját részben ugyancsak az képezi, hogy az áramlási keresztmetszet fokozatos nyitása és zárása révén zajcsökkentő hatás lépjen fel, az

5. ábrán tüntettük fel. Ez esetben pl. egy nagynyomású csatornáról van szó, amelynél a 28, 29 60 vezérlőélek hullámvonal alakúak. A nyitó 28 vezérlőéi a nyitófolyamat kezdeti fázisában a 4. ábra szerinti megoldáshoz képest nagyobb mértékű átáramlási keresztmetszet-növekedést eredményez.

A fentieken túlmenően a vezérlőélek ez utóbbi 65 formai kiképzése akusztikai szempontból azonos hatású, mint a cellák korábban ismertetett egymáshoz képest fáziseltolt elrendezése. A hullámvonalú vezérlőélek következtében ugyanis minden cella feltöltése két, egymástól fél osztásnyival eltolt lépésben történik, és érvényesül a már fentebb leírt zajcsökkentő interferenciahatás.

Az 5. ábrán csupán részlegesen feltüntetett rotor a többi ismertetett rotorral ellentétben körhenger alakú közbenső csőelemmel van kialakítva. Ennek következtében nem rendelkezik a cik-cakk alakú és hullámvonal alakú közbenső csőelemű rotorok alábbiakban ismertetésre kerülő szilárdsági előnyeivel, noha akusztikai szempontból azokkal egyenértékű.

A közbenső 12 csöelem 3. ábra kapcsán leírt cikcakk alakú kialakítása a szokványos körgyűrű keresztmetszetű hengeres közbenső csőszakaszkiképzésekkel szemben szilárdsági előnyökkel jár. Ez utóbbiak esetében az üzemi terhelés hatására jelentős hajlítófeszültségek ébrednek, amelyek húzófeszültség-csúcsértékei helyenként a rotoranyag folyáshatárát is elérik, amely határ a magas üzemi hőmérséklet miatt viszonylag alacsony. A 6. ábra szerinti közbenső 30 csőelem cik-cakk alakú, ill. a 7. ábra szerinti 31 csőelem hullámvonal alakú kiképzésével maximális üzemi terhelés esetén is nyomatékmentes feszültségi állapot érhető el a 32, ill. 33 cellafal csőelem.be torkolló tartományainak közvetlen közelében. Emellett a közbenső 30 csőelem és a 32 cellafal középvonalai 34 metszéspontjának az üzemi terhelések hatására beálló eltolódása és ezzel a burkolóköpeny tágulása is csökkent mértékű lesz. Ez utóbbi tehát tehermentesítődik, míg a cső alakú agyrész fokozott mértékben vonódik be a teherviselésbe. Eredő hatásként egyenletesebb feszültségelosztás és ezzel jobb anyagkihasználás következik be, ami kisebb falvastagságok alkalmazhatóságához vezet. Ebből adódnak további előnyök, mint a kisebb tömegtehetetlenségi nyomaték, csökkent gyorsítási teljesítményszükséglet és könnyebb, ezzel olcsóbb rotorhajtó elemek alkalmazásának lehetősége.

Minthogy a több áramra felosztás következtében a cellafalak szabad hosszúsága is csökken, a szomszédos cellákban uralkodó gáznyomások különbségeiből származó váltakozó falterhelés is csekélyebb, így a falvastagság ezen okból is kisebbre választható. A cellafalak a burkolóköpenybe, közbenső csőelem(ek)be és agyrészbe történő betorkollási, csatlakozási helyeken alkalmazott megvastagításai következtében az e helyeken fellépő, befogónyomatékok által ébresztett igénybevételek is nagymértékben csökkennek.

A 8. ábrán feltüntetett példaképpeni rotornál a két áramot ugyancsak egy cikk-cakk alakú közbenső csőelem választja el egymástól. Mindegyik áramban a cellák egyenletesebb és fiziológiailag jobban elviselhető zajspektrum elérése érdekében önmagában ismert módon (lásd a 47Ü 588 sz. svájci BBC szabadalmi leírást) különböző, eltérő szélességűre vannak kiképezve. Meghatározott, számítható séma szerint váltakoznak keskenyebb és szélesebb cellák csoportjai. Az egyik áram cellafalai a másik áram cellafalaihoz képest itt is legalább közelítőleg fél cellaosztásnyival eltoltan vannak kialakítva a már ismerL kt·'-31

182 853 tetett zajcsökkentő interferenciahatás érdekében. Λ 9. ábra szerinti rotor cikk-cakk alakú közbenső csőelemek segítségével háromáramú kiképzésű. Az egyes áramok celláinak falai a szomszédos áramok cellafalaihoz képest itt is legalább közelítőleg fél cellaosztással fáziseltolt elrendezésűek úgy, hogy a külső és legbelső, a cső alakú agyrész menti áram cellafalai egy egyenesbe, azaz azonos sugárba esnek.

Claims (10)

1. Szabadalmi igénypontok

   1. Többáramú gázdinamikus nyomáshullámturbókompresszor cső alakú agyrész és burkolóköpeny között elhelyezett legalább egy közbenső csőelem útján legalább két koncentrikus áramra osztott rotorral, a rotort körülvevő házzal, valamint a gáznemű munkaközegeket betápláló és elvezető csatornákkal ellátott levegőházzal és gázházzal, azzal jellemezve, hogy az egyik áram cellafalai a vele szomszédos áram cellafalaihoz képest kerületi irányban lényegében fél cellaosztásnyival eltoltan vannak elrendezve.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti nyomáshullám-turbókompresszor kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a rotor tengelyére merőleges metszetében a külső cellafalak középvonalainak a közbenső csőelem középvonalával alkotott metszéspontjai a rotortengelytől sugárirányban messzebb helyezkednek el, mint a szomszédos belső cellafalak középvonalainak a közbenső csőelem középvonalával képzett metszéspontjai.
3. 3. A 2. igénypont szerinti nyomáshullám-turbókompreszor kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a közbenső csőelem cik-cakk alakú keresztmetszettel van kiképezve.
4. 4. A 2. igénypont szerinti nyomáshullám-turbókompresszor kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy hullám alakú keresztmetszettel kiképzett közbenső csőeleme van.
5. 5. Az 1. igénypont szerinti nyomáshullám-turbó- kompresszor kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy különböző, eltérő nagyságú cellaosztásokkal van kiképezve.
6. 6. Az 1. igénypont szerinti nyomáshullám-turbókompresszor kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy gázházának a rotorhoz vezető betáplálócsatomák tartományában a gázáramot két rotoráramra szétválasztó osztófalai (9) vannak.
7. 7. Az 1. igénypont szerinti nyomáshullám-turbó10 kompresszor kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a szabad rotorátáramlási keresztmetszet a felületegyenlőség szerint van az egyes rotoráramokra felosztva.
8. 8. Az 1. igénypont szerinti nvomáshullám-turbó15 kompresszor kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a rotoráramok sugárirányú magasságai egyenlők.
9. 9. A 7. és 8. igénypont szerinti nyomáshullámturbókompresszor kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy önmagukban ismert gáz- és légzsebek alkal20 mazása esetén ezek a rotorosztásnak megfelelően sugárirányban osztófalakkal (35) vannak szétválasztva.
10. 10. Az I. igénypont szerinti nyoniáshullám-turbókompresszor kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy

    25 a gáz- és/vagy levegőház nyílását a kerületi irányra keresztirányban határoló vezérlőélek (23, 27) legalább egyike egy a rotorral koncentrikus képzeletbeli segédkörhöz (26) húzott érintő mentén van kiképezve.

    30 11. Az 1. igénypont szerinti nyomáshullám-turbókompresszor kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a gáz- és a levegőház kerületi irányra keresztirányú vczérlőélei mindegyik áram tartományában S alakúak.

    35 12. Az 1. igénypont szerinti nyomáshullám-turbókompresszor kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a burkolóköpenyhez (11). eső alakú agyrészhez (10) és közbenső csőelemhez (12) csatlakozó átmenőtartományokban a rotor cellaíalai (15. 16) íokozato40 san szélesedő keresztmetszettel vannak kiképezve.