DE60300589T2

DE60300589T2 - Gasverdichter mit akustischen Resonatoren

Info

Publication number: DE60300589T2
Application number: DE60300589T
Authority: DE
Inventors: Zheji Olean Liu
Original assignee: Dresser Rand Co
Current assignee: Dresser Rand Co
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2023-02-15
Also published as: DE60300589D1; AU2002317526B2; US20030161717A1; US6669436B2; CA2413497A1; NZ523006A; CA2413497C; AU2002317526A1; EP1340920A1; JP2003254299A; EP1340920B1; JP4489361B2

Description

Hintergrund
Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasverdichter und ein Verfahren, bei dem die durch ein rotierendes Laufrad erzeugte akustische Energie gedämpft wird.
Gasverdichter, wie Zentrifugalkompressoren, werden in verschiedenen Industrien für eine Vielzahl von Anwendungen breit verwendet, die die Kompression oder Druckbeaufschlagung eines Gases beinhalten. Diese Arten von Kompressoren verwenden ein Laufrad, welches angepasst ist, in einem Gehäuse bei relativ hohen Geschwindigkeitsraten zu rotieren, um das Gas zu verdichten. Jedoch erzeugt ein typischer Kompressor dieser Art einen relativ hohen Lärmgrad, der zumindest teilweise durch das rotierende Laufrad erzeugt wird, was ein offensichtliches Ärgernis ist, und das Vibrationen und strukturelles Versagen herbeiführen kann. DE 100 00 418 A offenbart eine Gasturbine, die eine akustische Dämpfung, angeordnet zwischen dem Rotor und Stator, aufweist.
Angabe der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Gasverdichter bereitgestellt, der ein Gehäuse aufweist, das einen Einlass zum Aufnehmen von Gas aufweist; ein Laufrad angeordnet in dem Gehäuse zum Aufnehmen von Gas von dem Einlass und zum Komprimieren des Gases; eine Platte angeordnet in einer Wand des Gehäuses; eine Mehrzahl von Diffusorleitschaufeln, die sich von der Platte erstrecken; und eine Mehrzahl von Zellen, die in der Platte gebildet sind, um ein Feld von Resonatoren zu bilden, um die akustische Energie zu dämpfen, die durch das Laufrad erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen auf der Platte zwischen den benachbarten Diffusorleitschaufelpaaren verteilt sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zum besseren Verständnis der Erfindung, und um zu zeigen, wie dieselbe in Effekt gebracht werden kann, wird jetzt Bezug genommen, nur auf beispielhafte Weise, auf die begleitenden Zeichnungen, bei denen:
1 eine Querschnittsansicht eines Abschnittes eines Gasverdichters zeigt, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine akustische Dämpfung eingearbeitet hat.
2 eine isometrische Ansicht einer Grundplatte mit einer Mehrzahl von Diffusorleitschaufeln zeigt, die in der Vorrichtung von 1 verwendet wird.
3 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der Vorrichtung von 1 zeigt.
Detaillierte Beschreibung
1 beschreibt einen Abschnitt eines Hochdruckgasverdichters, wie ein Zentrifugalkompressor, der ein Gehäuse 10 beinhaltet, das einen Einlass 10a zum Aufnehmen eines Fluids, das komprimiert werden soll, aufweist, und eine Laufradöffnung 10b zum Aufnehmen eines Laufrades 12, welches zum Rotieren in der Öffnung befestigt ist. Es wird verstanden, dass eine kraftangetriebene Welle (nicht dargestellt) das Laufrad 12 mit einer hohen Geschwindigkeit rotiert, ausreichend, um einen dynamischen Druck auf das Gas, welches in das Gehäuse 10 über einen Einlass 10a eingesogen wurde, zu verleihen. Das Gehäuse 10 erstreckt sich vollständig um die Welle und nur der obere Abschnitt des Gehäuses ist in 1 dargestellt.
Das Laufrad 12 beinhaltet eine Mehrzahl von Laufradschaufeln 12a, die achsensymmetrisch um die Welle angeordnet sind und eine Mehrzahl von Passagen 12b definieren. Das Laufrad 12 gibt das druckbeaufschlagte Gas in eine Diffusorpassage oder Kanal 14 ab, der zwischen zwei ringförmig sich gegenüberliegenden inneren Wänden 10c und 10d in dem Gehäuse 10 definiert wird. Der Kanal 14 erstreckt sich radial nach außen von dem Laufrad 12 und nimmt das Hochdruckgas von dem Laufrad 12 auf, bevor das Gas zu einem Diffusor oder Sammler 16 übergeben wird, der auch in dem Gehäuse 10 gebildet ist und sich in Verbindung mit dem Kanal befindet. Der Kanal 14 funktioniert, den dynamischen Druck des Gases in statischen Druck umzuwandeln und der Diffusor 16 verbindet das komprimierte Gas an einen Auslass (nicht dargestellt) des Gehäuses.
Durch die zentrifugale Bewegung der Laufradschaufeln 12a und der Ausführung des Gehäuses 10 wird ein Gas, das in die Laufradpassagen 12b von dem Einlass 10a eintritt, zu einem relativ hohen Druck komprimiert. Es wird verstanden, dass konventionelle Labyrinthdichtungen, Axiallager, Kippsegmentlager und andere Ausführungen auch in dem Gehäuse 10 vorgesehen sein können, die bekannt sind und daher nicht gezeigt oder beschrieben werden.
Eine ringförmige Platte 20 ist in einer Vertiefung oder einer Nut befestigt, die auf der inneren Wand 10a gebildet ist, von der nur der obere Abschnitt der Platte gezeigt wird, wie in 1 dargestellt. Wie besser dargestellt in 2 ist, sind eine Mehrzahl von Diffusorleitschaufeln 24 ringförmig beabstandet um die Platte 20 angeordnet, wobei sich jede Leitschaufel von der Platte erstreckt und einen Winkel zu dem entsprechenden Radius der Platte aufweist. Die Platte 20 und die Leitschaufeln 24 können von dem selben Ausgangsmaterial gebildet werden oder separat gebildet werden. Die Leitschaufeln 24 vergrößern die Effizienz der Vorrichtung durch Verbessern der Rückgewinnung des statischen Druckes in dem Diffusorkanal 14 und da ihr spezifischer Aufbau und Funktion bekannt sind, werden sie nicht in weiterem Detail beschrieben.
Wie besser in 2 und 3 dargestellt ist, sind eine Serie von relativ großen Zellen oder Öffnungen 34 durch eine Oberfläche der Platte 20 zwischen jedem Paar benachbarter Leitschaufeln 24 gebildet. Die Zellen 34 erstrecken sich durch eine Mehrheit der Dicke der Platte 20, aber nicht durch die gesamte Dicke. Wie dargestellt in 3, erstreckt sich eine Serie von relativ kleinen Zellen oder Öffnungen 36 von der Unterseite jeder Zelle 34 zu der gegenüberliegenden Oberfläche der Platte 20. Jede Zelle 34 ist in der Form einer Bohrung ausgeführt, die einen relativ großen Durchmesserquerschnitt aufweist und jede Zelle 36 ist in der Form einer Bohrung ausgeführt, die einen relativ kleinen Durchmesserquerschnitt aufweist, wobei es verstanden wird, dass die Formen der Zellen 34 und 36 innerhalb des Umfangs der Erfindung abweichen können. Die Zellen 34 und 36 können auf jede konventionelle Art und Weise ausgeführt werden, wie durch Bohren von Gegenbohrungen durch die entsprechende Oberfläche der Platte 20. Die Zellen 34 sind gedeckelt durch die darunter liegende Wand der Platte 20 und die offenen Enden der Zellen 36 sind in Verbindung mit dem Diffusorkanal 14.
Bevorzugt sind die Zellen 34 mit einer Mehrzahl von ringförmig erstreckenden Reihen zwischen benachbarten Paaren von Diffusorleitschaufeln ausgeführt, wobei die Zellen 34 einer bestimmten Reihe verschoben oder versetzt von den Zellen der benachbarten Reihe/Reihen sind. Die Zellen 36 können mit Bezug auf ihre übereinstimmenden Zellen 34 willkürlich angeordnet sein oder können alternativ in jedem Muster gleichförmiger Verteilung gebildet sein.
Im Betrieb wird ein Gas durch den Einlass 10a des Gehäuses 10 zugeführt und das Laufrad 12 wird mit einer relativ hohen Rotationsgeschwindigkeit angetrieben, um das Gas durch den Einlass 10a, die Laufradpassage und den Kanal 14 zu zwingen, wie durch die Pfeile in 1 dargestellt. Durch die Zentrifugalbewegung der Laufradschaufeln 12a kann das Gas zu einem relativ hohen Druck komprimiert werden. Der Kanal 14 funktioniert, um den dynamischen Druck des Gases in einen statischen Druck umzuwandeln, wobei die Leitschaufeln 24 die Effizienz des Betriebes verbessern, durch Erhöhen der statischen Druckrückgewinnung in dem Diffusor. Das komprimierte Gas tritt durch den Kanal 14 und den Diffusor 16 zu dem Gehäuseauslass zur Abgabe.
Durch die Tatsache, dass die Zellen 36 die Zellen 34 mit dem Diffusorkanal 14 verbinden, wirken die Zellen als ein Feld von akustischen Resonatoren, die entweder Helmholzresonatoren oder Viertelwellenresonatoren in Übereinstimmung mit einer konventionellen Resonatortheorie sind. Dieses dämpft signifikant Geräuschwellen, die in dem Gehäuse 10 in dem Gebiet der Diffusorleitschaufeln 24 erzeugt werden, hervorgerufen durch die schnelle Rotation des Laufrades 12 und durch seine Wechselwirkung mit den Diffusorleitschaufeln, und eliminiert oder zumindest minimiert die Möglichkeit, dass der Lärm die Platte 20 umgeht und auf einem anderen Weg hindurch gelangt.
Darüber hinaus kann der dominante Lärmanteil, der gewöhnlich an der Vorbeifahrtsfrequenz der Laufradschaufeln 12a auftritt oder an anderen hohen Frequenzen, effektiv gesenkt werden durch das Anpassen der Zellen 34 und 36, so dass die maximale Geräuschdämpfung um diese Frequenz auftritt. Dieses kann durch das Variieren des Volumens der Zellen 34 und/oder der Querschnittsfläche, der Anzahl und der Tiefe der Zellen 36 erreicht werden. Auch können die Anzahl der kleineren Zellen 36 pro größerer Zelle 34 räumlich über die Platte 20 variiert werden, so dass ein Lärm in einem breiteren Frequenzband gedämpft wird, da die Frequenz des dominanten Lärmanteils mit der Geschwindigkeit des Laufrades 12 variiert. Folglich kann Lärm effizient und effektiv gedämpft werden, nicht nur in Vorrichtungen mit konstanter Geschwindigkeit, aber auch in Vorrichtungen mit variabler Geschwindigkeit.
Die Anwendung der akustischen Resonatoren in der Platte als eine einheitliche Anordnung erhält zusätzlich oder stellt bereit eine relativ starke Struktur, die wenige oder keine Verformung aufweist, wenn sie mit mechanischen oder thermischen Belastungen beaufschlagt wird. Als ein Ergebnis haben die akustischen Resonatoren, die durch die Zellen 34 und 36 gebildet sind, keinen gegenteiligen Effekt auf die aerodynamische Leistung der Gasverdichter.
Variationen und Äquivalente
Die spezifische Technik zum Bilden der Zellen 34 und 36 kann von der zuvor dargestellten abweichen. Beispielsweise kann ein einteiliger Einsatz gebildet werden, in dem die Zellen auf den entsprechenden Schaufeln gebildet sind.
Die Leitschaufeln 24 können einstückig mit oder befestigt an den Platten 20 sein.
Die relativen Dimensionen, Formen, Anzahlen und Muster der Zellen 34 und 36 können abweichen.
Das zuvor dargelegte Design ist nicht beschränkt auf die Verwendung in einem Zentrifugalverdichter, sondern gleichfalls anwendbar auf andere Gasverdichter in denen aerodynamische Effekte mit beweglichen Schaufeln erreicht werden.
Die Platte 20 kann sich für 360° um die Achse des Laufrades, wie zuvor offenbart, erstrecken oder es kann in Abschnitten gebildet sein, von denen sich jeder in einem Winkelabstand von weniger als 360° erstreckt.
Die räumlichen Bezüge, die zuvor verwendet wurden, wie „Boden", „innen", „außen", „Seite" usw. sind nur zum Zweck der Darstellung und begrenzen nicht die spezifische Ausrichtung oder Anordnung der Struktur.

Claims

Gasverdichter umfassend ein Gehäuse (10), das einen Einlass (10a) zum Aufnehmen von Gas aufweist; ein Laufrad (12) angeordnet in dem Gehäuse zum Aufnehmen von Gas von dem Einlass und zum Komprimieren des Gases; eine Platte (20) angeordnet in einer Wand (10c) des Gehäuses; eine Mehrzahl von Diffusorleitschaufeln (24), die sich von der Platte erstrecken; und eine Mehrzahl von Zellen (34, 36), die in der Platte gebildet sind, um ein Feld von Resonatoren zu bilden, um die akustische Energie zu dämpfen, die durch das Laufrad erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (34, 36) auf der Platte (20) zwischen den benachbarten Diffusorleitschaufelpaaren (24) verteilt sind.
Gasverdichter nach Anspruch 1, wobei ein Diffusorkanal (14) in dem Gehäuse (10) ausgebildet ist, und wobei die Platte (20) in einer Wand (10c) in dem Gehäuse angeordnet ist, die den Diffusorkanal festlegt.
Gasverdichter nach Anspruch 2, wobei eine Spirale (16) in dem Gehäuse (10) in Verbindung mit dem Diffusorkanal (14) zum Aufnehmen des komprimierten Gases von dem Diffusorkanal ausgebildet ist.
Gasverdichter nach Anspruch 1, wobei eine erste Serie von Zellen (36) vorgesehen ist, die sich von einer Oberfläche der Platte erstrecken und eine zweite Serie von Zellen (34), die sich von der gegenüberliegenden Oberfläche der Platte in Richtung der ersten Serie der Zellen erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Größe jeder Zelle (36) der ersten Zellenserie kleiner ist als die Größe jeder Zelle (34) der zweiten Zellenserie.
Gasverdichter nach Anspruch 5, wobei die Zellen (34, 36) in der Form von Bohrungen in der Platte (20) ausgebildet sind, und wobei der Durchmesser jeder Bohrung der ersten Zellenserie kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung der zweiten Zellenserie.
Gasverdichter nach Anspruch 5, wobei ein Diffusorkanal (14) in dem Gehäuse (10) ausgebildet ist, und wobei die erste Zellenserie (36) sich von der Oberfläche der Platte, die dem Diffusorkanal gegenüberliegt, erstreckt.
Gasverdichter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Zellen (34, 36) gleichförmig in der Platte (20) zwischen den benachbarten Paaren von Diffusorleitschaufeln (24) verteilt sind.
Gasverdichter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Anzahl und Größe der Zellen (34, 36) konstruiert und angeordnet sind, um die hervortretenden Geräuschkomponenten der akustischen Energie, verbunden mit dem Gasverdichter, zudämpfen.
Gasverdichter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Resonatoren entweder Helmholzresonatoren oder Viertelwellenresonatoren sind.
Gasverdichter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Platte (20) und die Leitschaufeln (24) einstückig ausgebildet sind.
Verfahren zum Dämpfen von Geräuschen in einem Gasverdichter, in dem ein Laufrad (12) rotiert, um ein Fluid durch ein Gehäuse (10) fließen zu lassen, und eine Mehrzahl von Diffusorleitschaufeln (24) auf einer Platte (20) in dem Gehäuse befestigt sind, wobei das Verfahren das Bilden einer Mehrzahl von Zellen (34, 36) in der Platte beinhaltet, um ein Feld von Resonatoren zum Dämpfen der akustischen Energie erzeugt durch das Laufrad zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (34, 36) in der Platte (20) zwischen den benachbarten Paaren von Diffusorleitschaufeln (24) ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Bildens das Bilden einer ersten Serien von Zellen (36), die sich von einer Oberfläche der Platte (20) erstrecken, und das Bilden einer zweiten Serie von Zellen (34), die sich von der gegenüberliegenden Oberfläche der Platte (20) in Richtung der ersten Serie von Zellen erstrecken, beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Größe jeder Zelle (36) der ersten Zellenserie kleiner als die Größe jeder Zelle (34) der zweiten Zellenserie ist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Zellen (34, 36) in der Form von Bohrungen in der Platte ausgebildet sind, und wobei der Durchmesser jeder Bohrung der ersten Zellenserie (36) kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung der zweiten Zellenserie (34).
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei ein Diffusorkanal (14) in dem Gehäuse (10) ausgebildet ist, und wobei die erste Zellenserie (36) sich von der Oberfläche der Platte erstreckt, die dem Diffusorkanal gegenüberliegt.
Verfahren nach Anspruch 16, des weiteren beinhaltend den Schritt des Bildens einer Spirale (16) in dem Gehäuse (10) in Verbindung mit dem Diffusorkanal (14) zum Aufnehmen des komprimierten Gases von dem Diffusorkanal.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei die Zellen (34, 36) akustische Resonatoren bilden und des weiteren beinhaltend Abstimmen der Resonatoren auf die Laufradschaufelbetriebsdurchgangsfrequenz und/oder ihre Oberwellen, um die Dämpfung zu verstärken.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Schritte des Anpassens das Variieren der Anzahl, Größe und/oder Volumen der Zellen (34, 36) beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Resonatoren entweder Helmholzresonatoren oder Viertelwellenresonatoren sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, des weiteren beinhaltend die Schritte des gleichförmigen Anordnens der Zellen (34, 36) auf der Platte (20).