DE3937703C2 - Gasdynamische Druckwellenmaschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mehrflutige gasdyna­ mische Druckwellenmaschine nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Die DE 36 06 554 zeigt eine gasdynamische Druckwellenmaschine mit einem Rotor, der in drei konzentrische Fluten unterteilt ist. Die radial gerichteten Zellenwände der Fluten sind in Umfangsrichtung gegeneinander um 1/3 Zellenteilung versetzt.

Einflutige Druckwellenmaschinen verursachen Lärmbelästigun­ gen, die man mit Rücksicht auf die sich ständig verschärfen­ den Forderungen der Umweltschützer, aber auch im berechtig­ ten Interesse der Öffentlichkeit zu verringern trachtet.

Zu diesem Zweck sind schon verschiedene Lösungen vorgeschla­ gen worden. Einer dieser Vorschläge (CH-PS 398 184) sieht vor, die Höhe der Zellen des Rotors, in denen der Druckaus­ tausch zwischen den gasförmigen Arbeitsmitteln stattfindet, in radialer Richtung durch kreisringzylindrische Zwischen­ rohre in mehrere kreisförmige Fluten zu unterteilen, um die Grundfrequenz der Schallschwingungen über die obere Hör­ schwelle des menschlichen Ohres zu legen. Bei einer ersten Ausführungsform eines solchen Rotors sind die Teilungen be­ nachbarter Zellen regellos verschieden, aber in allen Fluten gleich, so dass alle Zellenwände der einander in radialer Richtung benachbarten Zellen in gemeinsamen Radialebenen liegen, wogegen bei einer zweiten Ausführungsform die Zel­ lenwände einander radial benachbarter Fluten in Umfangsrich­ tung regellos gegeneinander versetzt sind. Bei einer weite­ ren Ausführungsform ist nur eine Flut vorgesehen, wobei die Zellenwände aus bogenförmig gekrümmten Blechen mit hakenför­ mig abgebogenen Enden bestehen, welch letztere im Nabenrohr bzw. im Aussenmantel des Rotors eingegossen sein können. Der beabsichtigte Effekt wird bei allen diesen Ausführungen da­ durch allerdings nicht erzielt, da sich dabei bloss mehrere Schwingungen der gleichen Frequenz überlagern und die Grund­ frequenz erhalten bleibt.

Die beschriebene Bauart weist ferner festigkeitsmässige Nachteile auf. Infolge des kreisringförmigen Querschnitts der Zwischenrohre, der gleichmässig dicken und zueinander versetzten Zellenwände sowie der unterschiedlich grossen Zellenteilungen kommt es zu Wärme- und Fliehkraftspannungen, die Verformungen und Überbeanspruchungen der Rotorstruktur verursachen. Bei der letztgenannten Variante treten wegen der grossen Elastizität der Zellenwände, insbesondere bei Drehzahländerungen, auch mit Bestimmtheit Torsionsschwingun­ gen derselben auf, die den Druckwellenprozess stören können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden, und zwar hinsichtlich der Lärmminderung, haupt­ sächlich, indem durch Interferenz die Amplitude der Grund­ frequenz reduziert wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser stellt dar:

Fig. 1 eine erfindungsgemässe vierflutige Druckwellenma­ schine im Längsschnitt,

Fig. 2 die Abgas- und Luftkanäle in einem Gehäuseseiten­ teil,

Fig. 3 den Rotor der Maschine nach Fig. 1 in einem teil­ weisen Seitenriss,

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

Fig. 2 zeigt die Draufsicht auf die Flanschseite des Gasge­ häuses 8 entsprechend dem in Fig. 1 angedeuteten Schnittver­ lauf II-II. In dieser Fig. 2 bezeichnet 19 die zwei Ein­ trittskanäle für das Hochdruckgas, 20 die Gastaschen, die den Betriebsbereich der Druckwellenmaschine in bekannter Weise vergrössern, sowie 21 die Austrittskanäle für das ent­ spannte Auspuffgas. Entsprechende Kanäle für die angesaugte bzw. verdichtete Luft sowie Taschen sind auch an der Flanschseite des Luftgehäuses 22 (siehe Fig. 1) vorgesehen.

Die aus einem nicht gezeigten Verbrennungsmotor kommenden Gase treten am Eintrittsstutzen 7 in das Gasgehäuse 8 ein. Der Rotor 2 weist ein Nabenrohr 10, ein Deckband 11 sowie drei Zwischenrohre 12 auf, die vier Fluten 9, 9', 9", 9''' begrenzen.

Aus der in Fig. 3 dargestellten Seitenansicht des Rotors ist zu erkennen, dass sowohl das Nabenrohr 10 und das Deckband 11 als auch die Zwischenrohre 12 kreisringzylindrisch ausge­ führt sind. Die vier Fluten sind in Umfangsrichtung durch radiale Zellenwände 15 in Zellen 16 unterteilt. Hierbei sind Zellenanzahlen zwischen dreissig (30) und achtzig (80) ange­ bracht. Massgebend ist, dass die in radialer Richtung be­ nachbarten Fluten - unabhängig von ihrer Anzahl - jeweils die gleiche Zellenanzahl aufweisen.

Massgebend ist ferner, dass die Zellen jeder Flut in an sich bekannter Weise (CH-PS 470 588) zur Erzielung eines gleich­ mässigeren und damit physiologisch besser erträglichen Geräuschspektrums verschieden breit (in Fig. 3 nicht winkel­ treu dargestellt) ausgeführt sind. Es wechseln sich dabei nach einem bestimmten berechenbaren Schema eine Anzahl schmälerer mit einer Anzahl breiterer Zellen ab. Massgebend ist schliesslich, dass dieses Verteilschema in jeder Flut verschieden ist.

Durch die Unterteilung der Zellen in vier Fluten erhöht sich die Anzahl der lärmerzeugenden Druckimpulse auf das Vierfa­ che gegenüber einem einflutigen Rotor. Durch das - infolge der unterschiedlichen Zellenbreiten sowie der verschiedenen Verteilschemen zwangsläufige - Versetzen der Zellwände innerhalb benachbarter Fluten, ergibt sich eine zeitliche Verschiebung der Druckimpulse zueinander. Durch die so ent­ stehende Interferenz wird die Amplitude der Grundfrequenz reduziert. Es entsteht somit Interferenz mit amplitudenab­ bauender Wirkung in der Grundfrequenz. Die Wirksamkeit die­ ser 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 verhältnsimäs­ sig 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 Grundfre­ quenz zu erreichen. Das wäre theoretisch nur bei unendlich kleinen Zellenhöhen möglich, denn es können nur in der un­ mittelbaren Umgebung des Zwischenrohres die Druckschwankun­ gen sich gegenseitig beeinflussen. Weit voneinander in radi­ aler 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 Vielfa­ chen reduziert werden, dominieren im verbleibenden Geräusch­ spektrum nur mehr die geradzahligen Vielfachen der Grundfre­ quenz.

Die von allen Zellen einschliesslich der Zellenwände einge­ nommene Kreisfläche ist höhengleich auf die vier Fluten auf­ geteilt. Diese höhengleiche Aufteilung ist thermodynamisch günstiger als eine flächengleiche Aufteilung.

Aus Fig. 2 ist erkennbar, 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 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 aller Fluten des Rotors gegenüber den feststehenden Kanälen im Luft- und Gasgehäuse abrupt öffnen und der freie Kanalquerschnitt danach stark anstei­ gend anwächst. Das durch diesen plötzlichen Querschnittsan­ stieg verursachte stossartige Einströmen von Gas bzw. Luft kann zu subjektiv unangenehmeren Geräuschen führen, da auf­ grund des Druckprofils höherfrequente Anteile erzeugt wer­ den, deren Beseitigung oder zumindest Milderung angestrebt wird.

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 in nicht dargestellter Weise in Richtung einer Sekante bzw. in Form einer sich im wesentlichen in radialer Richtung er­ streckenden Wellenlinie ausgeführt werden.

Claims (2)

1. Mehrflutige gasdynamische Druckwellenmaschine, mit einem Rotor, einem den Rotor umschliessenden Gehäuse sowie einem Luftgehäuse und einem Gasgehäuse mit Kanä­ len für die Zu- und Abfuhr der gasförmigen Arbeitsmit­ tel, wobei der Zellenring des Rotors durch mehrere zwi­ schen einem Nabenrohr und einem Deckband angeordnete Zwischenrohre in konzentrische Fluten unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluten die gleiche An­ zahl Zellen aufweisen, wobei in jeder Flut die Zellen eine unterschiedliche Teilung aufweisen und wobei das Verteilungsschema in jeder Flut verschieden ist.

2. Mehrflutige gasdynamische Druckwellenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluten in radialer Richtung höhengleich sind.