CH633619A5

CH633619A5 - Mehrflutige gasdynamische druckwellenmaschine.

Info

Publication number: CH633619A5
Application number: CH1021678A
Authority: CH
Inventors: Reinhard Fried; Guenter Kudernatsch
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1978-10-02
Filing date: 1978-10-02
Publication date: 1982-12-15
Also published as: FR2438183A1; GB2033014B; AT377829B; JPH0133680B2; CA1137943A; CS658879A2; BR7906253A; DE2844287A1; CS241470B2; ATA443579A; DK408579A; IT1123203B; YU41650B; DE2844287C2; SU867325A3; FR2438183B1; YU162579A; US4288203A; IT7925787A0; GB2033014A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mehrflutige gasdynamische Druckwellenmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die heutzutage überwiegend verwendeten einflutigen Druckwellenmaschinen verursachen Lärmbelästigungen, die man mit Rücksicht auf die sich ständig verschärfenden Forderungen der Umweltschützer, aber auch im berechtigten Interesse der Öffentlichkeit zu verringern trachtet.

Zu diesem Zweck sind schon verschiedene Lösungen vorgeschlagen worden. Einer dieser Vorschläge (CH-PS 398184) sieht vor, die Höhe der Zellen des Rotors, in denen der Druckaustausch zwischen den gasförmigen Arbeitsmitteln stattfindet, in radialer Richtung durch kreisringzylindrische Zwischenrohre in mehrere kreisförmige Fluten zu unterteilen, um die Grundfrequenz der Schallschwingungen über die obere Hörschwelle des menschlichen Ohres zu legen. Der beabsichtigte Effekt wird dadurch allerdings nicht erzielt, da sich dabei bloss mehrere Schwingungen der gleichen Frequenz überlagern und die Grundfrequenz erhalten bleibt.

Die beschriebene Bauart weist ferner festigkeitsmässige Nachteile auf. Infolge des kreisringförmigen Querschnitts der Zwischenrohre und der gleichmässig dicken Zellenwände kommt es zu Wärme- und Fliehkraftspannungen, die Verformungen und Überbeanspruchungen der Rotorstruktur verursachen.

Mit der im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Erfindung sollen diese Nachteile vermieden werden.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielsweise näher beschrieben. In dieser stellen dar:

Fig. 1 eine erfindungsgemässe zweiflutige Drackwellenma-schine im Längsschnitt;

Fig. 2 die Abgas- und Luftkanäle in einem Gehäuseseitenteil;

Fig. 3 den Rotor der Maschine nach Fig. 1 in einem Seitenriss;

Fig. 4 die Ausbildung der Steuerkanten des Luft- und Gasgehäuses bei einer bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 5 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Steuerkanäle;

Fig. 6 eine bevorzugte Ausbildungsform der Zellenwände und des Zwischenrohres des Rotors;

Fig. 7 eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Zwischenrohres des Rotors;

Fig. 8 eine Ausführungsform des Rotors mit ungleichen Zellenteilungen, und

Fig. 9 einen dreiflutigen Rotor.

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen Gehäusemantel, der einen Rotor 2 umgibt. Dieser Rotor ist mit einer Welle 3 starr verbunden, die in zwei Lagern 4 und 5 drehbar gestützt und über ein Keilriemenrad 6 antreibbar ist.

Die z.B. aus einem Verbrennungsmotor kommenden Hochdruckabgase treten am Eintrittsstutzen 7 in das Gasgehäuse 8 ein, wo der Gasstrom durch eine Trennwand 9 in zwei Teilströme aufgespalten wird. Der Rotor 2 weist ein Nabenrohr 10, ein Deckband 11 sowie ein Zwischenrohr 12 auf, die eine innere Flut 13 und eine äussere Flut 14 begrenzen. Aus der in Fig. 3 dargestellten Seitenansicht des Rotors ist zu erkennen, dass das Nabenrohr 10 und das Deckband 11 kreisringzylindrisch ausgeführt sind, während das Zwischenrohr 12 zickzackförmigen Querschnitt aufweist. Die beiden Fluten 13 und 14 sind in Umfangsrichtung durch radiale Zellenwände 15 bzw. 16 in eine für beide Fluten gleiche Anzahl von inneren bzw. äusseren Zellen 17,18 unterteilt, die in Umfangsrichtung um im wesentlichen die halbe Teilung gegeneinander versetzt sind.

Die am Eintrittsstutzen 7in das Gasgehäuse 8 eintretenden, aus dem Motor kommenden Hochdruckabgase verdichten in den Zellen 17,18 der beiden Fluten 13 und 14 des Rotors 2 die von oben, wie durch den senkrechten Pfeil angedeutet, in das Luftgehäuse 22 eintretende Ansaugluft und treten danach, wie durch den waagrechten Pfeil am rechten Ende des Gasgehäuses 8 angedeutet, aus diesem aus. Die verdichtete, aus den Zellen des Rotors ausgestossene Ladeluft verlässt das Luftgehäuse 22 durch einen senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden, in Fig. 1 nicht dargestellten Kanal, von wo sie durch eine Ladeluftleitung in den Verbrennungsmotor gelangt.

Durch die Unterteilung der Zellen in zwei Fluten erhöht sich die Anzahl der lärmerzeugenden Druckimpulse auf das doppelte. Durch das Versetzen der Zellen der einen Flut gegenüber der anderen um eine halbe Zellenbreite, wie dies aus Fig. 3 ersichtlich ist, ergibt sich eine zeitliche Verschiebung der Druckimpulse zueinander von genau einer halben Periode. Durch die

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so entstehende Interferenz wird die Amplitude der Grundfrequenz reduziert. Es entsteht somit Interferenz mit amplitudenabbauender Wirkung in der Grundfrequenz. Die Wirksamkeit dieser Massnahme hängt stark vom Geräuschspektrum ab, das durch diesen Rotor erzeugt wird. Bei ausgeführten Maschinen trägt die Intensität der Grundfrequenz subjektiv und auch objektiv messbar am stärksten zur Lärmbelästigung bei. Der Anteil der Oberschwingungen an der Geräuscherzeugung ist verhältnismässig gering; schon die zweite Harmonische ist um 20 dB leiser als der von der Grundfrequenz verursachte Lärm. Tatsächlich aber gelingt es nicht, eine totale Auslöschung der Grundfrequenz zu erreichen. Das wäre theoretisch nur bei unendlich kleinen Zellenhöhen möglich, denn es können nur in der unmittelbaren Umgebung des Zwischenrohres die Druckschwankungen sich gegenseitig beeinflussen. Weit voneinander in radialer Richtung entfernt liegende Gasteilchen werden von der Interferenzwirkung nicht erfasst, weil sie aufgrund ihrer Entfernung keinen Impuls aufeinander ausüben können.

Da neben der Grundfrequenz auch deren harmonische Frequenzen vorhanden sind und durch das Versetzen der Zellenwände nur die Amplituden der Grundfrequenz und deren ungeraden Vielfachen reduziert werden, dominieren im verbleibenden Geräuschspektrum nur mehr die geradzahligen Vielfachen der Grundfrequenz.

Die von allen Zellen einschliesslich der Zellenwände eingenommene Kreisfläche kann vorzugsweise höhengleich oder flächengleich auf die beiden Fluten aufgeteilt werden. Die höhengleiche Aufteilung ist thermodynamisch günstiger, während eine flächengleiche Aufteilung eine stärkere Lärmreduktion ergibt. Wenn also eine Senkung des Geräuschpegels vordringlich ist,

wird man eine flächengleiche Aufteilung vornehmen.

Die radial innen liegenden Enden der Zellenwände 16 der äusseren Flut 14 gehen an den jeweils höchsten Stellen des zickzackförmigen Zwischenrohres 12 in diesen über, während sich die radial aussen liegenden Enden der inneren Zellenwände 15 an die jeweiligen radial am weitesten innen liegenden Punkte des Zwischenrohres 12 anschliessen. Die Zellenwände erstrecken sich also zwischen Nabenrohr 10 bzw. Deckband 11 und den ihnen jeweils zugekehrten Kuppen des zickzackförmigen Zwischenrohres 12. Fig. 2 zeigt die Draufsicht auf die Flanschseite des Gasgehäuses 8 entsprechend dem in Fig. 1 angedeuteten Schnittverlauf II—II. In dieser Fig. 2 bezeichnet 19 die zwei Eintrittskanäle für das Hochdruckgas 20, die Gastaschen, die den Betriebsbereich der Druckwellenmaschine in bekannter Weise vergrössern, sowie 21 die Austrittskanäle für das entspannte Auspuffgas. Entsprechende Kanäle für die angesaugte bzw. verdichtete Luft sowie Taschen sind auch an der Flanschseite des Luftgehäuses 22 (siehe Fig. 1) vorgesehen.

Die Eintritts-Kanäle für das HD-Gas und die Taschen sind in radialer Richtung durch Trennwände, deren eine mit 9 bzw. 35 bezeichnet ist, unterbrochen. Damit wird eine Trennung und Führung der gasförmigen Arbeitsmittel schon vor dem Eintritt in die zwei Fluten des Rotors 2 bewirkt. Aus Fig. 2 geht hervor, dass die quer zur Umfangsrichtung des Rotors verlaufenden Kanten der Kanäle 19 und 21 sowie der Taschen 20 geradlinig und radial verlaufen. Falls die Zellenwände 15,16 des Rotors 2, wie dies bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführung des Rotors der Fall ist, ebenfalls radial und gerade ausgeführt sind, so hat dies zur Folge, dass sich die Zellenkanäle der inneren und äusseren Fluten des Rotors gegenüber den feststehenden Kanälen im Luft- und Gasgehäuse abrupt öffnen und der freie Kanalquerschnitt danach stark ansteigend anwächst. Das durch diesen plötzlichen Querschnittsanstieg verursachte stossartige Einströmen von Gas bzw. Luft führt zu subjektiv unangenehmeren Geräuschen, da aufgrund des Druckprofils höherfrequente Anteile erzeugt werden , deren Beseitigung oder zumindest Milderung angestrebt wird.

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Wie Versuche gezeigt haben, lässt sich der aus dieser Quelle herrührende Geräuschanteil dadurch verringern, dass die quer zur Umfangsrichtung verlaufenden Begrenzungskanten der Ein-und Austrittskanäle für Luft und Gas nicht radial, sondern 5 gemäss den Fig. 4 und 5 in Richtung einer Sekante bzw. in Form einer sich im wesentlichen in radialer Richtung erstreckenden Wellenlinie ausgeführt werden.

Bei der Steuerkante 23 nach Fig. 4 eines Niederdruckgasoder Niederdruckluftkanals handelt es sich um eine Gerade, die io in Bezug auf den Deckbandkreis die Lage einer Sekante hat, die mit der Radialen 24 einen Winkel 25 einschliesst. Sie kann auch als Tangente an einen Hilfskreis26 aufgefasst werden, dessen Mittelpunkt in der Rotorachse liegt. Die Steuerkante könnte natürlich auch in der anderen Richtung gegenüber der Radialen 15 24 geneigt sein.

Durch diese schräge Anordnung der Steuerkanten vermeidet man einen stossartigen Luft- bzw. Gaseintritt, indem der Strömungsquerschnitt nur allmählich ansteigend freigegeben und die damit verbundene Geräuschentwicklung reduziert wird.

Die zweite, im Rotordrehsinn hintere Steuerkante 27 wird ebenfalls geneigt zur Radialen an der betreffenden Stelle ausgeführt, so dass das Einströmen von Gas bzw. Luft in die Rotorzellen nicht schlagartig, sondern, wie oben erwähnt, allmählich abgedrosselt wird, was ebenfalls zur Lärmverringerung beiträgt.

Eine andere Form der Steuerkante, deren Zweck teilweise ebenfalls darin besteht, durch allmähliches Öffnen bzw. Schlies-sen des Durchströmquerschnittes geräuschvermindernd zu wirken, ist in Fig. 5 dargestellt. Es handelt sich dabei z. B. um einen Hochdruckluftkanal. Diese Steuerkanten 28,29 sind wellenförmig. Die öffnende Kante 28 ergibt dadurch gegenüber der Steuerkante nach Fig. 4 in der ersten Phase des Öffnungsvorgangs einen grösseren Zuwachs an Öffnungsquerschnitt.

Darüber hinaus wirkt diese Form der Steuerkanten in akusti-35 scher Hinsicht in gleicher Weise wie die eingangs beschriebene Versetzung der Zellen gegeneinander. Dabei wird nämlich jede Zelle in zwei um die halbe Teilung gegeneinander versetzten Stufen beaufschlagt mit der oben beschriebenen geräuschvermindernden Interferenzwirkung.

40 Das Zwischenrohr des in Fig. 5 teilweise dargestellten Rotors ist, abweichend von den anderen hier beschriebenen Rotoren, kreisringzylindrisch ausgeführt. Er weist daher nicht die im folgenden angeführten festigkeitsmässigen und betrieblichen Vorteile der Rotoren mit zickzack- und wellenförmigen Zwi-45 schenrohren auf, ist diesen in akustischer Hinsicht aber gleichwertig.

Die anhand der Fig. 3 beschriebene zickzackförmige Gestaltung des Zwischenrohres 12 hat gegenüber einem üblichen kreisringzylindrischen Zwischenrohr festigkeitsmässige Vor-50 teile. Bei letzterem treten unter den Betriebslasten hohe Biegespannungen auf, deren Zugspannungsspitzen stellenweise die Streckgrenze des Rotormaterials erreichen, die wegen der hohen Betriebstemperatur relativ niedrig liegt. Durch die zickzackförmige Gestaltung des Zwischenrohres 30 nach Fig. 6 bzw. des 55 wellenförmigen Zwischenrohres 31 nach Fig. 7 erreicht man bei maximalen Betriebslasten Momentenfreiheit in unmittelbarer Nähe der Einmündung der Zellenwand 32 bzw. 33 in das betreffende Zwischenrohr. Ferner wird dadurch die Verschiebung des Schnittpunktes 34 der Mittellinien von Zwischenrohr 30 60 und Zellenwand 32 infolge dieser Betriebslasten geringerund damit auch die Aufweitung des Deckbandes. Dieses wird also entlastet, dafür aber das Nabenrohr stärker zum Tragen herangezogen. Daraus resultiert eine gleichmässige Spannungsverteilung und damit bessere Materialausnutzung, was wiederum geringere 65 Wandstärken ermöglicht. Weitere Vorteile, die sich daraus ergeben, sind das kleinere Massenträgheitsmoment, wesentlich kleinere Beschleunigungsleistung sowie leichtere und damit billigere Antriebselemente für den Rotor.

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Da die freie Länge der Zellenwände bei der Aufteilung in mehrere Fluten reduziert wird, ist auch die Wechselbeanspruchung durch den Gasdruckunterschied zwischen zwei benachbarten Zellen viel geringer, so dass auch aus diesem Grunde die Dicke der Zellenwände kleiner gehalten werden kann. Durch die Verdickung der Zellenwände an den Übergängen in das Deckband, das Zwischenrohr und das Nabenrohr werden auch die Beanspruchungen durch die Einspannmomente an diesen Stellen stark reduziert.

Bei dem in Fig. 8 dargestellten Rotor sind die beiden Fluten ebenfalls durch ein zickzackförmiges Zwischenrohr getrennt. Die Zellen jeder Flut sind in bekannter Weise (siehe CH-PS 470588, BBC) zur Erzielung eines gleichmässigeren und damit physiologisch besser erträglichen Geräuschspektrums verschieden breit ausgeführt. Es wechseln sich dabei nach einem bestimmten, berechenbaren Schema eine Anzahl schmälerer mit einer Anzahl breiterer Zellen ab. Die Zellenwände der einen Flut sind wiederum gegen jene der anderen Flut um wenigstens s annähernd die halbe jeweilige Teilung in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt, um, wie oben beschrieben, durch Interferenz eine Geräuschreduktion zu erzielen. Der Rotor nach Fig. 9 ist dreiflutig mit Zwischenrohren von zickzackförmigem Querschnitt ausgeführt. Die Zellenwände einer Flut sind wiederum io gegenüber jenen der benachbarten Flut um wenigstens annähernd die halbe Teilung in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt, so dass die Zellenwände der äusseren und der innersten, am Nabenrohr endenden Flut fluchten, d. h., auf einer Radialen liegen.

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4 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Mehrflutige gasdynamische Druckwellenmaschine, mit einem Rotor, dessen Zellenring durch ein oder mehrere, zwischen einem Nabenrohr und einem Deckband angeordnete Zwischenrohre in mindestens zwei koaxiale Fluten unterteilt ist, mit einem den Rotor umschliessenden Gehäuse sowie einem Luftgehäuse und einem Gasgehäuse mit Kanälen für die Zu- und Abfuhr der gasförmigen Arbeitsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenwände einer Flut gegenüber den Zellenwänden der benachbarten Flut in Umfangsrichtung um im wesentlichen die halbe Zellenteilung gegeneinander versetzt sind.

2. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem achsnormalen Schnitt des Rotors die Schnittpunkte (34) der Mittellinien der äusseren Zellenwände (32) mit der Mittellinie des Zwischenrohres (30) radial weiter von der Rotorachse entfernt sind als die Schnittpunkte der Mittellinien der benachbarten inneren Zellenwände mit der Mittellinie des Zwischenrohres (Fig. 6).

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PATENTANSPRÜCHE

3. Druckwellenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenrohr einen zickzackförmigen Querschnitt aufweist.

4. Druckwellenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenrohr einen wellenförmigen Querschnitt aufweist.

5. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenteilungen verschieden gross sind.

6. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Gasgehäuse im Bereich der Zufuhrkanäle zum RotorTrennwände (9) zur Aufteilung des Gasstromes auf die zwei Fluten des Rotors vorgesehen sind.

7. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine flächengleiche Aufteilung des freien Rotordurchströmquerschnittes auf die Fluten des Rotors.

8. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Höhen der Fluten gleich sind.

9. Druckwellenmaschine nach den Ansprüchen 7 und 8, mit Gas- und Lufttaschen im Gas- bzw. Luftgehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas- und Lufttaschen entsprechend der Unterteilung des Rotors durch Stege (35) in radialer Richtung unterteilt sind.

10. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der quer zur Umfangsrichtung verlaufenden Steuerkanten (23,27) von Öffnungen im Gas- und/ oder Luftgehäuse auf einer Tangente liegen, die einen gedachten, zum Rotor konzentrischen Hilfskreis (26) berührt (Fig. 4).

11. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die quer zur Umfangsrichtung verlaufenden Steuerkanten des Gas- und des Luftgehäuses im Bereich jeder der Fluten S-förmig sind.

12. Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen sich allmählich verbreiternden Querschnitt der Zellenwände (15,16) des Rotors an ihren Übergängen zum Deckband (11), Nabenrohr (10) und Zwischenrohr (12).