WO2014019768A2 - Turbomaschine - Google Patents

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WO2014019768A2
WO2014019768A2 PCT/EP2013/062998 EP2013062998W WO2014019768A2 WO 2014019768 A2 WO2014019768 A2 WO 2014019768A2 EP 2013062998 W EP2013062998 W EP 2013062998W WO 2014019768 A2 WO2014019768 A2 WO 2014019768A2
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Sven KÖNIG
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
    • F04D29/661—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/663—Sound attenuation
    • F04D29/664—Sound attenuation by means of sound absorbing material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
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    • F01D5/04—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines
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    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/96—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine with an impeller accommodated in a housing and a flow channel extending radially or semi-axially.
  • acoustic eigenmodes can be formed in cavities filled with a flow medium, which are characterized by characteristic eigenmodes and associated natural frequencies. There are infinitely many such eigenmodes.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a turbomachine in which the occurrence of acoustic resonances in Radharfur until is reduced. To achieve this object, it is provided according to the invention in a turbomachine of the type mentioned in the introduction that a sound-absorbing material is arranged in the wheel side space formed between the impeller and the inside of the housing.
  • the invention is based on the recognition that by the
  • Sound absorbing material acoustic eigenmodes in the Radier fur of radial or semi-axial turbomachinery can be attenuated.
  • at least one area of the housing bordering the side of the wheel is intentionally provided with a sound-absorbing material.
  • the sound-absorbing material specifically changes the wall impedance, which influences the shape and the natural frequencies of the acoustic modes in the radial side space. In this way, the system real-mode / acoustic eigenmode can be targeted detuned to avoid the occurrence of adverse resonances.
  • the sound-absorbing material may consist of a plurality of separate absorber sections.
  • Absorber sections can be arranged both in the flow direction behind one another and in the circumferential direction.
  • the sound-absorbing material is arranged at the location or at the locations where or at which acoustic modes have a maximum amplitude. In this way, targeted high-energy and thus potentially dangerous modes can be eliminated.
  • the sound-absorbing material may be accommodated in a chamber formed on the inside of the housing. This results in the advantage that the flow path in the interior of the turbomachine remains unaffected.
  • a particularly good damping can be achieved if the sound absorbing material is formed as a braid of mineral wool.
  • steel fibers preferably stainless steel fibers, may be used as the sound absorbing material received in the chamber formed on the inside of the housing.
  • Other special damping materials are also useful whose properties are tuned to the flow medium.
  • the sound-absorbing material is covered by a cover, in particular a cover plate, opposite the flow channel.
  • a cover in particular a cover plate, opposite the flow channel.
  • this cover is acoustically transparent, so that the desired damping of acoustic eigenmodes is achieved.
  • a plate in particular a perforated plate or wire mesh, may be arranged therebetween.
  • Fig. 2 is a sectional view of a turbomachine according to the invention
  • Fig. 3 is a sectional view of an absorber with
  • FIG. 4 shows another embodiment of an absorber
  • FIG. 5-7 different views of a cover for the
  • Fig. 1 shows a typical acoustic mode in the cover-side wheel side space of a conventional turbomachine.
  • the lines indicate locations of equal amplitude of the acoustic mode in the wheel side area.
  • Fig. 2 is a sectional view of a turbomachine 1, which is designed as a radial compressor.
  • an absorber 4, 5 of a sound-absorbing material is arranged in each case.
  • the Raderraum each have a chamber 6, 7, in which the absorber 4, 5 is arranged.
  • the absorbers 4, 5 considerably reduce the amplitudes of acoustic pressure fluctuations in the wheel sidewalls, so that resonances which could otherwise endanger the components are minimized or avoided.
  • coupled acoustic modes between the two Radier attorney which are particularly critical with regard to an excitation of the impeller, be specifically decoupled. Another advantage is a reduced generation of sound.
  • Fig. 3 is a sectional view of the absorber 4. The
  • Sound absorbing material 8 is located in the chamber 6, which is closed by a cover 9.
  • the cover 9 consists of a mesh of mineral wool.
  • a plate 10 is disposed between the cover 9 and the sound absorbing material 8.
  • the depth of the chamber 6 in which the sound absorbing material is received is at the frequencies to be damped Voted.
  • the chamber may be divided into a plurality of sub-chambers.
  • Fig. 4 shows a further embodiment of an absorber in a sectional view.
  • the absorber 11 comprises, in accordance with the embodiment of FIG. 3, the chamber 6 provided with a cover 12.
  • the cover 12 is formed as a sound absorbing sheet.
  • 5, 6 and 7 show the cover 9 in different views, wherein Fig. 5 is a plan view and Figs. 6 and 7 are mutually orthogonal sectional views.
  • the cover 9 is formed as a fine mesh of stainless steel fibers.

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Abstract

Turbomaschine (1), mit einem in einem Gehäuse aufgenommenen Laufrad und einem radial oder halb-axial verlaufenden Strömungskanal, wobei in einem zwischen dem Laufrad und der Innenseite des Gehäuses gebildeten Radseitenraum (2, 3) ein Schall absorbierendes Material (8) angeordnet ist.

Description

Beschreibung Turbomaschine Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine, mit einem in einem Gehäuse aufgenommenen Laufrad und einem radial oder halbaxial verlaufenden Strömungskanal .
Bei Turbomaschinen können sich in mit einem Strömungsmedium gefüllten Kavitäten akustische Eigenmoden ausbilden, die durch charakteristische Eigenformen und zugehörige Eigenfrequenzen charakterisiert sind. Es existieren unendlich viele derartige Eigenmoden. Ein kritischer Bereich für radiale Turbomaschinen, die sich durch einen radial verlaufenden Strö- mungsweg auszeichnen, sind Radseitenräume. An diesen Stellen können Eigenmoden auftreten, dabei handelt es sich um stehende Wellen, die im Resonanzfall Druckschwankungen mit hoher Amplitude verursachen können. Aufgrund der inhärent
instationären Strömung in radialen Turbomaschinen besteht im- mer ein Anregungspotenzial für die akustischen Eigenmoden in Radseitenräumen. In der Folge kann es zu einer Schwingungsanregung von Laufrädern der Turbomaschine kommen, die sowohl über eine Deckscheibe als auch über eine Radscheibe erzeugt werden kann. Wenn es durch Strömungsanregung, akustischen Ei- genmode und Struktureigenmode zum Auftreten von Resonanz kommt, kann dies im schlimmsten Fall zu einer Zerstörung des Laufrads führen.
Obwohl das Problem des Auftretens akustischer Resonanzen in Radseitenräumen bereits seit einiger Zeit bekannt ist, existiert bisher aufgrund der Komplexität der mehreren physikalischen Effekte und deren Interaktionen keine Lösung zu deren Vermeidung . Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Turbomaschine anzugeben, bei der das Auftreten akustischer Resonanzen in Radseitenräumen verringert ist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Turbomaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem zwischen dem Laufrad und der Innenseite des Gehäuses gebildeten Radseitenraum ein Schall absorbierendes Material an- geordnet ist.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch das
Schall absorbierende Material akustische Eigenmoden in den Radseitenräumen von radialen oder halb-axialen Turbomaschinen gedämpft werden können. Dazu wird gezielt wenigstens ein Bereich des den Radseitenraum berandenden Gehäuses mit einem Schall absorbierenden Material versehen. Das Schall absorbierende Material ändert gezielt die Wandimpedanz, wodurch die Form und die Eigenfrequenzen der akustischen Moden im Radsei - tenraum beeinflusst werden. Auf diese Weise kann das System Laufradeigenmode/Akustikeigenmode gezielt verstimmt werden, um das Auftreten nachteiliger Resonanzen zu vermeiden.
Um bei der erfindungsgemäßen Turbomaschine die gewünschte Dämpfung akustischer Eigenmoden zu erzielen, kann es vorgesehen sein, dass das Schall absorbierende Material aus mehreren separaten Absorberabschnitten besteht. Die mehreren
Absorberabschnitte können sowohl in Strömungsrichtung hintereinander als auch in Umfangsrichtung angeordnet sein.
Bei der erfindungsgemäßen Turbomaschine wird es besonders bevorzugt, dass das Schall absorbierende Material an der Stelle oder an den Stellen angeordnet ist, an der bzw. an denen akustische Moden eine maximale Amplitude aufweisen. Auf diese Weise können gezielt energiereiche und somit potenziell gefährliche Moden eliminiert werden.
Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Turbomaschine kann es vorgesehen sein, dass das Schall absorbierende Mate- rial in einer an der Innenseite des Gehäuses gebildeten Kammer aufgenommen ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Strömungsweg im Inneren der Turbomaschine unbeeinflusst bleibt . Eine besonders gute Dämpfung lässt sich erzielen, wenn das Schall absorbierende Material als Geflecht aus Mineralwolle ausgebildet ist. Alternativ können Stahlfasern, vorzugsweise rostfreie Stahlfasern, als Schall absorbierendes Material verwendet werden, die in der an der Innenseite des Gehäuses gebildeten Kammer aufgenommen sind. Andere spezielle Dämpfungsmaterialien sind auch verwendbar, deren Eigenschaften auf das Strömungsmedium abgestimmt werden.
Um eine Beschädigung des Schalls absorbierenden Materials durch ein strömendes Fluid zu vermeiden, kann es vorgesehen sein, dass das Schall absorbierende Material durch eine Abdeckung, insbesondere ein Abdeckblech, gegenüber dem Strömungs- kanal abgedeckt ist. Vorzugsweise ist diese Abdeckung akustisch transparent, sodass die gewünschte Dämpfung von akustischer Eigenmoden erreicht wird.
Um die Abdeckung des Schall absorbierenden Materials der er- findungsgemäßen Turbomaschine zu schützen, kann eine Platte, insbesondere ein Lochblech oder Drahtgitter, dazwischen angeordnet sein.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nach- folgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
Fig. 1 akustische Moden im Radseitenraum einer her- kömmlichen Turbomaschine;
Fig. 2 eine geschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen Turbomaschine; Fig. 3 eine geschnittene Ansicht eines Absorbers mit
Schall absorbierendem Material; Fig . 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Absorbers; und
Fig. 5 - 7 verschiedene Ansichten einer Abdeckung für das
Schall absorbierende Material.
Fig. 1 zeigt einen typischen akustischen Mode im deckscheibenseitigen Radseitenraum einer herkömmlichen Turbomaschine. In der perspektivischen Ansicht von Fig. 1 geben die Linien jeweils Orte gleicher Amplitude des akustischen Modes im Radseitenbereich an. Diese akustischen Moden erzeugen große Druckamplituden im Radseitenraum.
Fig. 2 ist eine geschnittene Ansicht einer Turbomaschine 1, die als Radialverdichter ausgebildet ist. Im radscheibensei - tigen Radseitenraum 2 und im deckscheibenseitigen Radseitenraum 3 ist jeweils ein Absorber 4, 5 aus einem Schall absorbierenden Material angeordnet. Dazu weist der Radseitenraum jeweils eine Kammer 6, 7 auf, in der der Absorber 4, 5 ange- ordnet ist. Durch die Absorber 4, 5 werden die Amplituden akustischer Druckschwankungen in den Radseitenräumen beträchtlich reduziert, sodass Resonanzen, die ansonsten die Bauteile gefährden könnten, minimiert oder vermieden werden. Insbesondere können zwischen den beiden Radseitenräumen ge- koppelte Akustikmoden, die im Hinblick auf eine Anregung des Laufrads besonders kritisch sind, gezielt entkoppelt werden. Als weiterer Vorteil ergibt sich eine verringerte Schallentstehung . Fig. 3 ist eine geschnittene Ansicht des Absorbers 4. Das
Schall absorbierende Material 8 befindet sich in der Kammer 6, die mit einer Abdeckung 9 verschlossen ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Abdeckung 9 aus einem Geflecht aus Mineralwolle. Um die Abdeckung 9 vor einer Verformung zu schützen, ist eine Platte 10 zwischen der Abdeckung 9 und dem Schall absorbierenden Material 8 angeordnet. Die Tiefe der Kammer 6, in der das Schall absorbierende Material aufgenommen ist, ist auf die zu dämpfenden Frequenzen abgestimmt. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Kammer in mehrere Teilkammern unterteilt sein.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Absorbers in einer geschnittenen Ansicht. Der Absorber 11 umfasst in Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 die Kammer 6, die mit einer Abdeckung 12 versehen ist. Die Abdeckung 12 ist als Schall absorbierendes Blech ausgebildet. Die Fig. 5, 6 und 7 zeigen die Abdeckung 9 in verschiedenen Ansichten, wobei Fig. 5 eine Draufsicht und die Fig. 6 und 7 zueinander orthogonale Schnittansichten sind. Die Abdeckung 9 ist als feinmaschiges Gewebe aus rostfreien Stahlfasern ausgebildet .
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Turbomaschine (1) , mit einem m einem Gehäuse aufgenommenen Laufrad und einem radial oder halb-axial verlaufenden Strömungskanal ,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem zwischen dem Laufrad und der Innenseite des Gehäuses gebildeten Radseitenraum (2, 3) ein Schall absorbierendes Material (8) angeordnet ist.
Turbomaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schall absorbierende Material (8) aus mehreren separaten Absorberabschnitten besteht.
Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 2 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schall absorbierende Material (8) an der Stelle oder an den Stellen angeordnet ist, an der akustische Moden eine maximale Amplitude aufweisen.
Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Schall absorbierende Material (8) in einer an der Innenseite des Gehäuses gebildeten Kammer (6, 7) aufgenommen ist.
Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Schall absorbierende Material als Geflecht aus Mineralwolle ausgebildet ist oder vorzugsweise rostfreie Stahlfasern umfasst oder an ein Strömungsmedium angepasst
6. Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Schall absorbierende Material (8) durch eine Abdeckung (9, 12), insbesondere ein Abdeckblech, gegenüber dem Strömungskanal abgedeckt ist.
7. Turbomaschine nach Anspruch 6 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abdeckung (9, 12) akustisch transparent ist.
8. Turbomaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der Abdeckung (9, 12) und dem Schall absorbierenden Material eine Platte, insbesondere ein Lochblech oder ein Drahtgitter, angeordnet ist.
9. Turbomaschine nach Anspruch 4 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Größe und Form einer Kammer (6, 7) gezielt auf die Frequenzen des akustischen Modes abgestimmt sind.
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