JP4567271B2 - 排ガスターボチャージャのコンプレッサのための消音器 - Google Patents

Description

【０００１】
技術分野
本発明は請求項１に本発明の上位概念として記載した排ガスターボチャージャのコンプレッサに関する。
【０００２】
従来の技術
排ガスターボチャージャの騒音エミッションにとって決定的であることはコンプレッサである。特にコンプレッサ入口はきわめて多くの騒音を外へ放出する。吸込み騒音を減少させるためには多くの場合には上流側に接続された消音器が使用されている。この消音器は通路状又はスロット状のエレメントを有し、このエレメント自体は吸音材料で被覆されている。このような吸音性消音器の他に音響的な共鳴器又は音響的なフィルタを消音のために使用することもできる。
【０００３】
今日の排ガスターボチャージャにおいては、上昇する圧力比と増長する処理量とが、コンプレッサ入口における騒音エミッションを増長させる。従来の消音構想では、限られた構成スペースで、費用のかかる特別な付加的な処理なしで、許容される圧力損失で、排ガスターボチャージャの十分に低い騒音値を達成することは次第に困難になってきている。
【０００４】
さらに、従来の、コンプレッサの上流側に接続された単段の消音器では５０〜６０ｄＢの最高の消音が達成されることが確認されているが、これは事情によっては特に第１のコンプレッサ回転音では十分ではない。
【０００５】
ＤＥ１９８１８８７３Ａ１号明細書によれば、排ガスターボチャージャのための消音器であってヘルムホルツ共鳴器の原理に基づく、同一壁面を成して配置された消音器が公知である。
【０００６】
特にコンプレッサの吸入管部においては、このような消音器はコンプレッサ羽根車の回転羽根のすぐ上流側まで配置される。一般的にはこのような消音器の消音作用は低い流速では良好ではあるが、流速が増すにつれて低下するということができる。しかしながらコンプレッサ羽根車のすぐ上流側では１５０ｍ／ｓまでのきわめて高い流速が発生するので、ヘルムホルツ共鳴器の原理に基づく消音器の消音作用はもはや保証されない。
【０００７】
発明の開示
本発明は前述の欠点をすべて回避することを目的としている。本発明の課題は、排ガスターボチャージャのコンプレッサのために、改善された消音作用ですぐれ、特に第１の回転音を消音する消音器を提供することである。
【０００８】
本発明の課題は、請求項１の上位概念として記載した装置において、消音器の少なくとも１つの有効な部分、つまり消音作用を有する部分が、一方では回転羽根によりかつ他方では流動通路の最大直径（ｄ_ｍａｘ）により制限された流道通路の軸方向の領域に配置されており、前記最大直径（ｄ_ｍａｘ）が０．ラジアルモード（Ｚ_ｒ，0）の他に１．ラジアルモード（Ｚ_ｒ，１）も伝達可能になることで与えられることによって解決された。許容される流れのもとで前記最大直径は関係式：
【０００９】
【数２】

【００１０】
で与えられる。この場合、ａ＝音速、ｊ′（Ｚ_ｒ，１）＝（Ｚ_ｒ，１）−モードの固有値、Ｚ_ｒ＝回転羽根数、ｎ_ＴＬ＝消音器が設計されている排ガスターボチャージャの回転数である。流れを考慮した場合、１．ラジアルモード（Ｚ_ｒ，１）はいくらか早期に伝達可能である。
【００１１】
このためには消音器は半径方向で見て流動通路の外側に配置されている。この場合、流動通路と消音器との間には、流動通路から消音器を分離はするが音響的に透過性であるカバーが配置されている。
【００１２】
消音器がコンプレッサの作業媒体の流動通路の外側にかつこの作業媒体から離れて配置されていることに基づき、消音器はコンプレッサ羽根車のすぐ上流側の領域を支配する高い流速に対して保護される。これによって、高い流速では十分な耐用寿命を有していない消音器も、この流速では通常は機能性が保証されない消音器も使用することができるようになる。消音器の少なくとも１つの有効な部分をコンプレッサ羽根車の回転羽根のすぐ上流側にて流動通路の最大直径（ｄ_ｍａｘ）まで配置することで、音域の特殊な様式の組織に基づき特にコンプレッサ回転音、この場合には特に第１のコンプレッサ回転音がきわめて効果的に消音される。これにより消音全体は顕著に改善される。
【００１３】
特に有利であることはカバーと消音器との間に作業媒体の流れに対する消音器の保護に役立つ分離ギャップが構成されていることである。このような分離ギャップは特にヘルムホルツ共鳴器の場合に有利でありかつ／又は作業媒体の流れに対する消音器の保護にカバーだけでは不十分であると有利である。したがって付加的な分離ギャップを構成する必要があるか否かは、使用されるカバーの形式にだけではなく、消音器にも関連する。
【００１４】
特に有利であるのは、音響学的に透過性であるカバーとして織物、フリース又は孔のあいた面状のエレメントを構成することである。流れ及び熱に対し耐性を有する織物（例えばガラス又は金属織物）又はフリース（例えばガラスフリース）は費用的に有利で多くの種々異なるヴァリエーションで得られる。これに対し孔のあいた面状のエレメントの使用は、その固有剛性に基づき支持構造が必要でないという利点を有している。
【００１５】
使用されたカバーの半径方向外側には有利には、半径方向にも軸方向にも延びる、音を伝導するエレメントが配置され、このエレメントに消音器が接続されていることができる。このような形式で音は流れとは別の直径上へ導かれ、そこで吸収される。これによって流れからの音の分離が行なわれ、特に効果的な消音が可能になる。
【００１６】
さらにコンプレッサの上流側には従来の消音器が配置される。これにより両方の消音器の有効な組み合わせが達成される。この場合には従来の消音器はざわめき並びにコンプレッサ入口に発生する回転音を消音し、コンプレッサ羽根車のすぐ上流側に配置された、本発明による消音器は付加的に、コンプレッサ羽根車のすぐ近辺の領域に発生する回転音を消音する。このような組合わせで作用的改善に加えて従来の消音器の大きさを減じることができ、排ガスターボチャージャが必要とする軸方向の構成空間が減少させられる。
【００１７】
発明の開示
図面には本発明の複数の実施例が排ガスターボチャージャを用いて示されている。図面には本発明の理解に重要なエレメントだけが示されている。図示されていないのは例えば排ガスターボチャージャのタービン側並びに排ガスターボチャージャと結合された内燃機関である。
【００１８】
図１には公知技術の排ガスターボチャージャが部分断面図で示されている。この排ガスターボチャージャは主としてラジアルコンプレッサとして構成されたコンプレッサ１と図示されていない排ガスタービンとから成っている。コンプレッサ１はコンプレッサケーシング２を備え、該コンプレッサケーシング２内にはコンプレッサ羽根車３が配置されている。コンプレッサ羽根車３は同様に図示されていないタービン羽根車と一緒に回転可能に共通の軸４に支承されている。コンプレッサ羽根車３は多数の回転羽根５が装着されたボス６を有している。ボス６とコンプレッサケーシング２との間には流動通路７が構成されている。回転羽根５の下流側には流動通路７に、半径方向に配置されかつ羽根の植設されたディフューザ８が接続されている。このディフューザ８自体はコンプレッサ１のスパイラル９に開口している。コンプレッサケーシングには主として空気入口ケーシング１０と空気出口ケーシング１１と排ガスターボチャージャの軸受ケーシング１３への中間壁１２とから成っている。ボス６はタービン側に軸４のための固定スリーブ１４を有している。固定スリーブ１４はコンプレッサケーシング２への中間壁１２により受容されている。
【００１９】
排ガスターボチャージャと結合された内燃機関の運転に際して、内燃機関の排ガスは排ガスタービンのタービン回転羽根車を介して弛緩される。このタービン回転羽根車自体は、該回転羽根車に軸４を介して結合されたコンプレッサ羽根車の駆動を行う。これによりコンプレッサ羽根車３は作業媒体１５として周辺空気を吸込む。この周辺空気は流動通路７とディフューザ８とを介してスパイラル９に達し、そこで引続き圧縮され、空気出口ケーシング１１に接続された、図示されていない過給気導管を介して過給のために、つまり内燃機関の出力増強のために用いられる。周辺空気の吸込み過程にて発生する騒音は空気入口ケーシング１０の上流側に配置された消音器１６で消音される。
【００２０】
これに対し、本発明によるコンプレッサ１はコンプレッサ羽根車３の回転羽根５のすぐ上流側に配置された消音器１７を有している。この消音器１７は空気入口ケーシング１０にて流動通路７の半径方向外側に位置している。この場合、流動通路７と消音器１７との間には消音器１７を流動通路７から分離する、音響学的に透過性であるカバー１８が配置されている（図２）。
【００２１】
空気入口ケーシング１０の壁輪郭に組込まれた消音器１７は、回転羽根５にて発生する回転音を消音するのに役立ち、特に第１回転音を消音する。この第１回転音はいわゆるスピニングモードの形で伝達する。このようなスピニングモードはそれぞれ、そこからそれが伝達することのできる限界周波数（カット−オン周波数）を有している。第１コンプレッサ回転音の主要な部分はコンプレッサ１の主羽根数Ｚ_ｒに相当する方位的なモードオーダ（円周における圧力ピークの数）を有するモードとして放射される。これは特に、回転数が高い場合である。回転／案内羽根の相互作用に際して発生するより低い方向モードはここではコンプレッサ羽根車３における高い流速に基づき副次的にしか入口に作用しない。流動通路７の限られた直径領域では半径方向のオーダ０（Ｚ_ｒ，０モード）を有するモードしか伝達可能ではなく、他のモードはカットオフ周波数の下側にある。半径方向のオーダは半径に亘る圧力分布の零通過の数を表す。図３には回転羽根数Ｚ_ｒ＝１０のためのモードＺ_ｒ，０とＺ_ｒ，１の音圧の半径方向の分布が示されている。この場合、Ｙ座標には相対音圧の値がプロットされかつＸ座標には相対半径がプロットされている。
【００２２】
コンプレッサ羽根車３の回転羽根５の近くの幾何学的な前記条件のもとでは（Ｚ_ｒ，０）−モードしか伝達可能ではない。したがってこの（Ｚ_ｒ，０）−モードは優勢のモードとなる。この場合には放出される音出力の最大は空気入口ケーシング１０の内壁の近くに位置する。したがって消音器１７はこの領域で特に有効である。これに対し、（Ｚ_ｒ，１）−モードが伝達可能であると作用は特に低くなる。これは空気入口ケーシング１０によって制限された流動通路７の所定の最高直径ｄ_ｍａｘから可能である。
【００２３】
これから導き出されて、本発明の消音器１７を少なくとも１つの有効な部分、つまり消音部分で位置せしめようとする最大直径ｄ_ｍａｘは、（Ｚ_ｒ，１）−モードがまだ伝達可能ではないように選択されなければならない。許容される流れのもとで前記直径は次の関係式：
【００２４】
【数３】

【００２５】
で与えられる。この場合、ａ＝音速、ｊ’（Ｚ_ｒ，１）＝（Ｚ_ｒ，１）−モードの固有値、Ｚ_ｒ＝回転羽根数、ｎ_ＴＬ＝消音器がそのために設計されている排ガスターボチャージャの回転数である。この場合、前記設計回転数は排ガスターボチャージャの最大回転数の少なくとも２／３である。
【００２６】
他の回転羽根数にとって関心のある固有値ｊ’（Ｚ_ｒ，ｎ）は以下の表に纏められている。
【００２７】
【表１】

【００２８】
以下、例えばコンプレッサ羽根車３のための１０の回転羽根５と３００ｍｍのコンプレッサ入口直径とを有する排ガスターボチャージャのために、消音器１７を配置するための流動通路の記述の直径領域が求められている。排ガスターボチャージャは通常は大気条件で使用されるので、計算に用いられる音速ａは約３４０ｍ／ｓである。消音器が設計される排ガスターボチャージャの回転数ｎ_ＴＬとしては秒あたり４２５回転があてられる。この回転数で上記式にしたがって、
【００２９】
【数４】

【００３０】
の最大直径ｄ_ｍａｘが得られる。この結果、この例では、消音器１７のための有効な直径領域は、流動通路７が３００ｍｍ（コンプレッサ１の入口）と４１６ｍｍとの間の直径を有する、コンプレッサケーシング２の流動通路７の軸方向の領域１９に位置することになる。これに従って、消音器１７もしくは消音器１７の少なくとも１つの有効である、つまり消音作用を有する部分は、（Ｚ_ｒ，０）−モード、ひいては特に第１回転音を効果的に消音するために、前記軸方向領域１９に配置されていなければならない。
【００３１】
消音器１７が設計されている回転数よりも排ガスターボチャージャの回転数が高い場合には、消音器１７の一部しか流動通路７（図示せず）の計算された前記軸方向の領域１９に位置していないので、この回転数で算出された流動通路７の軸方向の領域１９の一部だけしかカバーされない（同様に図示せず）。
【００３２】
消音エレメントとしては種々の実施例又はこれらの実施例の組合わせを用いることができる。これは例えば、簡単な吸収エレメント、フィルタエレメント（ローパス）又は共鳴器（ヘルムホルツ共鳴器）である。カバー１８はこれらのエレメントをコンプレッサ羽根車３のすぐ上流の領域における高い流速に対し保護するために用いられる。この場合、カバー１８は流れ及び熱に耐性である織物、例えばガラス又は金属織物から成っている。もちろん同様にフリース（例えばガラスフリース）又はシート（例えばテフロンシート）を適当な支持構造（開示せず）と共に用いることもできる。
【００３３】
第２の実施例においてはカバー１８は孔のあいた面状のエレメント、正確には穴あき薄板からなっている。この場合、カバー１８と消音器１７との間には分離ギャップ２０が構成されている（図４）。この分離ギャップ２０は作業媒体１５の主流に対する消音器１７の付加的な保護に用いられる。孔あき板は図示されていない溶接点を用いて空気入口ケーシング１０に固定されている。
【００３４】
第３実施例によれば、カバー１８の半径方向の外側に、半径方向と軸方向とに延びる、音を伝導するエレメント２１が配置されており、該エレメント２１に消音器１７が接続されている（図５）。この場合には音は音を導くエレメント２１によって、作業媒体１５の流れとは異なる直径に導かれかつ最終的に消音器１７にて吸収される。
【００３５】
どの実施例の場合でも、コンプレッサ１の上流側に消音作用を改善するために付加的に消音器１６が配置されていることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 公知技術の排ガスターボチャージャのコンプレッサ側の部分縦断面図。
【図２】 図１のコンプレッサ羽根車の領域を本発明による消音器と共に示した図。
【図３】 回転羽根数Ｚ_ｒ＝１０のためのモードＺ_ｒ，０とＺ_ｒ，１との音圧の半径方向の分布（計算値）を示した図。
【図４】 第２実施例を示した図２に相当する図。
【図５】 第３実施例を示した図２に相当する図。
【符号の説明】
１ コンプレッサ、 ２ コンプレッサケーシング、 ３ コンプレッサ羽根車、 ４ 軸、 ５ 回転羽根、 ６ ボス、 ７ 流動通路、 ８ ディフューザ、 ９ スパイラル、 １０ 空気入口ケーシング、 １１ 空気出口ケーシング、 １２ 中間壁、 １３ 軸受ケーシング、 １４ 固定スリーブ、 １５ 作業媒体、 １６ 消音器（従来の）、 １７ 消音器（本発明の）、 １８ カバー、 １９ 軸方向の領域、 ２０ 分離ギャップ、 ２１ 音を伝導する部材

Claims (5)

1. 排ガスターボチャージャのコンプレッサであって、回転羽根（５）を備えたコンプレッサ羽根車（３）と、コンプレッサケーシング（２）と、前記コンプレッサ羽根車（３）と前記コンプレッサケーシング（２）との間に配置された、当該コンプレッサ（１）の作業媒体（１５）のための流動通路（７）と、前記回転羽根（５）のすぐ上流側にかつ流動通路（７）の半径方向外側に配置された消音器（１７）とを有する形式のものにおいて、
   （イ） 前記消音器（１７）の少なくとも１つの消音部分が、前記流動通路（７）の、一方では前記回転羽根（５）によってかつ他方では前記流動通路（７）の最大直径（ｄ_ｍａｘ）によって制限された軸方向の領域（１９）に配置されており、前記最大直径（ｄ_ｍａｘ）が関係式：
   

   

   で与えられており（ａ＝音速、ｊ′（Ｚ_ｒ，１）＝（Ｚ_ｒ，１）−モードの固有値、Ｚ_ｒ＝回転羽根数、ｎ_ＴＬ＝消音器（１７）が設計されている排ガスターボチャージャの回転数、この場合、前記設計回転数は排ガスターボチャージャの最大回転数の2/3である）、
   （ロ） 前記消音器（１７）が半径方向で前記流動通路（７）の外側に配置されており、前記流動通路（７）と前記消音器（１７）との間に、該消音器（１７）を前記流動通路（７）から分離する音響的に透過性であるカバー（１８）が配置されている
   ことを特徴とする、排ガスターボチャージャのコンプレッサ。
2. 音響的に透過性である前記カバー（１８）として織物、フリース又は孔のあいた面部材が構成されている、請求項１記載のコンプレッサ。
3. 音響的に透過性である前記カバー（１８）と前記消音器（１７）との間に分離ギャップ（２０）が構成されている、請求項１又は２記載のコンプレッサ。
4. 前記流動通路（７）の半径方向で見て前記カバー（１８）の外側に、半径方向にも軸方向にも延在する音伝導部材（２１）が配置され、該音伝導部材（２１）に前記消音器（１７）が接続している、請求項１又は２記載のコンプレッサ。
5. 当該コンプレッサ（１）の上流側に、付加的な消音器（１６）が配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のコンプレッサ。

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