EP0039459A1

EP0039459A1 - Geräuscharme Turbo-Arbeitsmaschine

Info

Publication number: EP0039459A1
Application number: EP19810103122
Authority: EP
Inventors: Wolfgang Dr. Ing. Neise; Gary H. Prof. Dr. Koopmann
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR; Koopmann Gary H
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Koopmann Gary H
Priority date: 1980-04-28
Filing date: 1981-04-25
Publication date: 1981-11-11
Also published as: WO1981003201A1; EP0039459B1; DE3161106D1; EP0050621A1

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Verminderung unerwünschter Druckimpulse in Turbo-Arbeitsmaschinen ist wenigstens ein Resonatormittel (30) zur selektiven Verminderung eines Teiles eines Schaufeltones der Maschine vorgesehen. Das Resonatormittel (30) ist an der Stelle (18) des kleinsten Abstandes zwischen dem Gehäuse (12) und dem Laufrad (14) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft die Konstruktion und Arbeitsweise von Turbo-Arbeitsmaschinen, z.B. Pumpen, Gebläsen, Kompressoren, Turbinen u.dgl., bei denen Fluid durch eine in dieses eingetauchte und auf es einwirkende sich bewegende Fläche beschleunigt wird. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Turbo-Arbeitsmaschinen, bei denen die Erzeugung unerwünschter Druckimpulse verringert oder aufgehoben ist. Solche Druckimpulse entstehen, wenn die sich bewegende Fläche oder die Flächen sich nahe an feststehenden Flächen auf oder innerhalb der Vorrichtung vorbeibewegen. Die unerwünschten Druckimpulse steigern den Leistungsbedarf der Vorrichtung zum Transport des Fluids beträchtlich. Durch Anordnung eines in geeigneter Weise abgestimmten akustischen Resonators an oder nahe der Zone der Vorrichtung in der die Wechselwirkung der bewegten und der feststehenden Fläche auftritt, lassen sich die unerwünschten Druckimpulse in dieser Zone vernichte, wodurch der Wirkungsgrad der Vorrichtung erhöht wird.
Auf der Erzeugung von unerwünschten Druckimpulsen beruhende überschußenergie ist bei Turbo-Arbeitsmaschinen im allgemeinen als Geräusch bekannt. Die Hauptkomponente des Geräuschspektrums bei Axial- oder Radialströmungsmaschinen enthält aerodynamisch oder hydrodynamisch erzeugte Geräusche. Dagegen spielen mechanische Geräuschquellen, z.B. Lager, Antriebe oder Transmissionen nur eine untergeordnete Rolle. Der aerodynamisch oder hydrodynamisch erzeugte Schall läßt sich in zwei Anteile aufspalten, und zwar die Schaufeltonfrequenz und das Rauschen. Die Schaufeltonfrequenz wird durch die Wechselwirkung zwischen dem stationären Maschinengehäuse und dem das Laufrad mit hoher Geschwindigkeit verlassenden Fluid hervorgerufen. Die Hauptquelle der durch solche Wechselwirkungen entstehenden Schwankungen der _Fluidgeschwindigkeit befindet sich an der den rotierenden _Laufradschaufeln nächst gelegenen Gehäusezunge. Bei Radial-Turbo-Arbeitsmaschinen mit beschaufelten Diffusoren sind die stationären Leitschaufeln hinter dem Laufrad die akustische Hauptquelle für die Schaufeltonfrequenz. Die feststehenden Leitschaufeln werden in dieser Anmeldung als Gehäusezungen bezeichnet. Das Spektrum der Schaufeltonfrequenz ist diskret. Es weist hohe Amplitudenspitzen bei der Schaufelfrequenz auf, die das Produkt aus Drehzahl und Schaufelanzahl ist. Zusätzliche akustische Energiespitzen treten bei Harmonischen der Schaufelfrequenz auf.
Die zufällige Geräuschkomponente des hörbaren Spektrums entsteht durch turbulente Strömung in der Nähe des Laufrades und des stationären Gehäuses. Ein weiterer Beitrag kommt von der Wirbelablösung an den Hinterkanten der Laufradschaufeln.
Eine Amplitudenverringerung der Schaufeltonfrequenz ist bei Turbo-Arbeitsmaschinen besonders wichtig, weil herkömmliche Geräuschminderungsvorrichtungen einen beträchtlichen Energieverlust mit sich bringen und weil tonhaltige Geräuschkomponenten für das menschliche Ohr viel unangenehmer sind als Geräusche mit einem breiten Frequenzsprektrum. Es sind viele Versuche gemacht worden, um die Geräuschabgabe bei Zentrifugalgebläsen zu verringern. Die grundlegenden physikalischen Prinzipien dieser Versuche sind für die verschiedenen Arten von Radial-Turbo-Maschinen, z.B. Gebläsen, Pumpen, Kompressoren, Turbinen u.dgl. im wesentlichen gleich. Es ist z.B. bekannt, den Abstand zwischen dem Laufrad und der Gehäusezünge zu vergrößern, um hierdurch die Tonintensität zu verringern. Das am häufigsten benutzte Verfahren erfordert jedoch ein kostspielig vergrößertes Gebläsegehäuse und ist daher auf Anwendungsfälle begrenzt, bei denen keine Platzbeschränkungen vorhanden sind.
Außerdem ist es bekannt, den Krümmungsradius der Gehäusezunge zu vergrößern, um den Anteil der Schaufeltonfrequenz des Geräuschspektrumszu_verringern. Die sich aus dieser Vergrößerung des Radius ergebende Verringerung des Schaufelfrequenz-Geräuschpegels ist jedoch für die meisten Laufraddrehzahlen auf etwa 3 - 5 dB beschränkt.
Ferner ist es bekannt, den Neigungswinkel zwischen den Laufradschaufeln und der Gehäusezunge zu verändern, um eine Tonintensitätsverringerung in der Größenordnung von 0 - 16 dB in Abhängigkeit von dem Gehäusezungenabstand zu erhalten. Schrägstehende Schaufeln lassen sich jedoch schwierig wirtschaftlich herstellen und eine schräge Gehäusezunge erfordert eine komplizierte Geometrie der Gebläseauslaßleitung, die Strömungsverluste nach sich zieht. Aus diesem Grunde haben frühere Versuche sich als nicht sehr praktisch, sowohl hinsichtlich der Gestaltung als auch der Wirkungsweise gezeigt.
Bei kleinen Gebläsen, bei denen die beiden Hälften eines Doppeleinlaßgebläses getrennt hergestellt und nachträglich zusammengebaut werden, wird eine Staffelung der Schaufeln von Doppeleinlaß- oder Doppelreihenlaufrädern manchmal zur Verringerung der Tonintensität herangezogen. Bei großenzusammengeschweißten Gebläseeinheiten verursacht diese Art der asymmetrischen Konstruktion allerding_sthermische Spannungen und Verformungen in der Rückplatte des Laufrades.
Die Einführung von übergangsgittern an der vorderen und hinteren Kante des Laufrades verringert nicht nur die Tonintensität, sondern auch den auf zufälligen Schwankungen beruhenden Teil des Spektrums. Es ergibt sich jedoch durch das Vorhandensein der Gitter ein Druckabfall, der eine beträchtliche Senkung der Gebläseleistung zur Folge hat.
Durch unregelmäßige Anordnung der Schaufeln um die Nabe läßt sich das der Schaufelfrequenz zugeordnete Geräuschspektrum verbreitern. Obwohl dies aus einer subjektiven Einschätzung des Geräusches wünschenswert ist, wird durch diese Gestaltung die von dem Gebläse insgesamt erzeugte akustische Energie nicht verringert.
Die Anbringung eines _Keilriemens um das Laufrad verringert die Tonintensität in ähnlicher Weise wie die schräge Gestaltung der Gehäusezunge. Der das Laufrad umgebende dreieckige Riemen verursacht jedoch Reibungsverluste und senkt die Gebläseleistung.
Wenn ein herkömmliches Spiralgehäuse durch ein rechteckiges Gehäuse ersetzt und die _Gehäusezunge vollständig weggelassen wird, ergibt sich eine Verringerung der Tonintensität. Aufgrund der ungenügenden Strömungsführung verschlechtert diese Konstruktion aber den aerodynamischen Wirkungsgrad des Gebläses.
Die Anbringung einer akustischen Auskleidung des Inneren des Gebläsegehäuses reduziert sowohl die Tonintensität als auch zufälliges Geräusch wirksam. Dieses Vorgehen hat jedoch den gleichen Nachteil wie herkömmliche absorptionsfähige Dämpfungsmittel. Nach einer gewissen Betriebszeit wird das akustische Material häufig von der Strömung weggerissen. Wenn im übrigen mit Flüssigkeit oder Feststoffen beladene Medien gefördert werden, wird die proröse Oberfläche der Auskleidung schließlich zugesetzt.
Auch ist eine Fehlanpassung zwischen der akustischen Impedanz des Gebläse- und Leitungssystems z.B. durch Verstellung der Länge der Gebläseauslaßleitung mit dem Zweck einer beträchtlichen Verringerung der in die Einlaßleitung abgegebenen Schaufeltonfrequenz bekannt. Dieses Vorgehen ist jedoch auf ein vorhandenes Gebläse nicht ohne weiteres anwendbar, weil der Einfluß irgendwelcher Abwandlungen, z.B. des Gebläseeinlasses,auch von der akustischen Impedanz des vorhandenen Leitungssystems an dem Gebläseauslaß abhängt.
Schließlich beschreibt US-PS 2 160 666 (McMahon) ein "Luftkissen" hinter der Gehäusezunge als Mittel zur Geräuschminderung. McMahon offenbart jedoch nicht,daß eine maximale Geräuschverminderung durch Abstimmung des Hohlraumes auf die Schaufeltonfrequenz und/oder durch geeignete Wahl der perforierten Abdeckung der Resonatormündung erzielbar ist.
Alle vorstehend erwähnten Maßnahmen basieren darauf, daß es bekannt ist, daß die Erzeugung des Tones im Innern eines konzentrierten Bereiches um die Gehäusezunge des Gebläsegehäuses stattfindet. Diese Erscheinung macht die Änderung des Tonerzeugungsmechanismus direkt an der Quelle zu einer aussichtsreichen Möglichkeit. Der Ton wird durch die Wechselwirkung des das Laufrad verlassenden Luftstromes mit dem die Gehäusezunge aufweisenden asymmetrischen Teil des Gebläsegehäuses hervorgerufen. Es ist bekannt, daß diese Tonerzeugung auf Änderungen der Geometrie der Gehäusezunge oder des Laufrades extrem empfindlich reagiert.
Die Erfindung verhindert die Notwendigkeit der Änderung der Geometrie des Gebläses und vermeidet daher mechani- ^sche Beschränkungen, Schwierigkeiten und Wirkungsgradverringerungen. Das Prinzip der Erfindung besteht in der Verminderung der Tonintensität durch Anbringung eines a/4- oder Helmholtz-Resonators derart, daß die Mündung des Resonators die Gehäusezunge des Zentrifugalgebläses oder Kompressors bildet. Wenn der Resonator auf die Schaufelfrequenz oder ihre Harmonischen abgestimmt ist, werden die von der Strömung in der Gehäusezungenzone bei dieser Frequenz erzeugten Drücke wesentlich verringert. Für die Hinzufügung des Resonators wird nicht wesentlich mehr Platz benötigt. Die Geometrie der Gehäusezunge und des Gebläsegehäuses bleiben gleich.
Aufgabe der Erfindung ist die Verringerung des Pegels der Schaufeltonfrequenz bei Turbo-Arbeitsmaschinen ohne negative Beeinflussung der Kennlinie, des Wirkungsgrades oder der Größe der Vorrichtungen. In Verbindung mit und teilweise als Ergebnis eines niedrigeren Pegels der Schaufeltonfrequenz wird eine Gesamtverminderung des Geräuschpegels erreicht, insbesondere in bezug auf solche Töne, die für das menschliche Ohr besonders störend sind. Ein Gebläsesystem, bei dem die Erfindung angewendet wird, hat eine höhere Gesamtleistung als ein ähnliches Gebläsesystem mit .üblichen Dämpfern oder dergleichen.
Diese Aufgaben werden dadurch gelöst, daß die Mündung eines akustischen Resonators an oder nahe dem Bereich der Vorrichtung angeordnet wird, an dem die Wechselwirkung zwischen bewegten und feststehenden Flächenteilen zur Erzeugung der unerwünschten Druckimpulse auftritt. Durch geeignete Abstimmung des Resonators können sehr unerwünschte Druckimpulse in dieser Zone durch die Druckimpulse vernichtet werden, die an der Mündung des Resonators entstehen. Konstruktionsmäßig werden die hauptsächlichen Quellregionen des Schaufeltons in dem Gehäuse als Resonatoren ausgebildet. Diese Resonatoren werden auf die Schaufelfrequenz der Vorrichtung oder ihrer Harmonischen abgestimmt. Hierdurch können die von dem das Laufrad oder die Gebläseschaufeln verlassenden Strom erzeugten Druckschwankungen direkt an ihrer Quelle vernichtet oder verringert werden. Die Hauptquellen für den Schaufelton sind die Gehäusezungen bei schaufellosen Diffusoren und die Leitschaufeln bei Vorrichtungen mit beschaufelten Diffusoren. Im Rahmen dieser Anmeldung werden diese beiden Quellen als "Gehäusezungen" bezeichnet, weil sie beide in das Innere des Maschinengehäuses vorstehen.
Der Grundgedanke der Geräuschminderung gemäß der Erfindung ist auf Lüfter, Gebläse, Pumpen, Turbinen und Kompressoren in Radial- oder Axialbauweise anwendbar. Versuche mit Zentrifugalgebläsen haben gezeigt, daß durch Anbringung eines Resonators oder mehrerer Resonatoren an oder in der Gehäusezunge der Geräuschpegel bei der Schaufelfrequenz oder ihren Harmonischen sehr effektiv verringert werden kann. Experimentelle Senkungen bis zu 28 dB im Höhrbereich bei der Schaufelfrequenz wurden erzielt.
Einer der Hauptvorteile der Erfindung besteht darin, daß sie keinen Eingriff in die Strömungsgeometrie und das optimale Strömungsbild erfordert. Die Geometrie des Gehäuseinnenraumes muß nicht geändert werden, so daß die mechanische Kennlinie und der Wirkungsgrad der Vorrichtung durch das Vorhandensein der Resonatoren an der Gehäusezunge nicht nachteilig beeinflußt werden. Nur die innere Geometrie des Resonators selbst muß veränderlich sein, wenn abstimmbare Resonatoren gewünscht werden.
Die Abstimmung auf verschiedene Frequenzen ist zum Beispiel durch Änderung des Hohlraumvolumens mittels wenigstens einer bewegbaren Seiten- oder Rückwand möglich. So kann der Resonator als Helmholtz-Resonator ausgebildet sein, dessen Resonanzfrequenz vom Volumen des Hohlraumes abhängt oder er kann ein A/4-Resonator sein, dessen Resonanzfrequenz wesentlich von der Tiefe des Hohlraumes beeinflußt wird.
Da die Grundfrequenz des Schaufeltons der Drehzahl des Laufrades direkt proportional ist, kann bei einer Ausführungsform der Erfindung eine auf die Drehzahl des Laufrades ansprechende Steuereinrichtung vorgesehen sein, die das Volumen bzw. die Tiefe des Hohlraumes als direkte Funktion der Drehzahl des Laufrades ändert. Dadurch wird erreicht, daß der Resonator immer auf die besondere Frequenz "abgestimmt" ist, die den Hauptanteil des Geräuschspektrums der Maschine bildet.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Resonatoren nebeneinander angeordnet, wobei jeder Resonator auf eine andere Frequenz abgestimmt ist. Zum Beispiel können der eine Resonator auf die Frequenz der Grundschwingung und die anderen Resonatoren auf Harmonische der Grundschwingungsfrequenz abgestimmt sein.
Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt eines Zentrifugalgebläses mit einem an der Gehäusezunge angeordneten λ/4-Resonator,
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht der Gehäusezunge mit einem λ/4-Resonator zur Veranschaulichung von Einzelheiten einer Ausführungsform der Resonatormündunq,
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Geräuschminderung, die mit dem Resonator erzielbar ist, der abgestimmt wurde, um eine maximale Verringerung der Schaufelfrequenz bie 7500 Upm, d.h. 750 Hz zu vermitteln,
Fig. 4 eine ähnliche graphische Darstellung, wobei der Resonator abgestimmt ist, um eine maximale Verringerung der Schaufelfrequenz bei 6000 Upm, das heißt 600 Hz hervorzubringen,
Fig. 5 ein Diagramm des Niveaus der Schaufelfrequenz als Funktion der Gebläsedrehzahl,
Fig. 6 die Wirkung des auf 600 Hz abgestimmten λ/4-Resonators auf das gesamte Geräuschdruckniveau, das A-gewichtete Geräuschdruckniveau und die zweite _H.armonische der Schaufelfrequenz,
Fig. 7 bis 12 eine Reihe von Versuchsdaten ähnlich denen gemäß Figur 5, jedoch mit dem Unterschied, daß die Resonatormündung mit einer perforierten Abdeckung versehen ist. Figur 7 zeigt zum Beispiel das Niveau der Schaufelfrequenz in bezug auf die Gebläsedrehzahl für verschiedene Resonatorzeiteinstellungen, wobei die Resonatormündung mit einer 20 % perforierten Abdeckung versehen ist, die mehrere Löcher mit 2,6 mm Durchmesser aufweist. Für das Diagramm nach Figur 8 wurde eine Resonatormündung mit 42 % Öffnungsbereich verwendet, der aus Löchern von 3,8 mm Durchmesser besteht, während gemäß Figur 9 die perforierte Resonatorabdeckung 58 % Öffnungsbereich mit einzelnen Lochgrößen von 4,4 mm Durchmesser aufweist. In jedem Falle war die Gesamtanzahl der Löcher in dem für die Figuren 7 bis 9 verwendeten Perforierungskörper konstant,
Figuren 10 und 11 die Wirkung von Änderungen der Rate des öffnungsbereiches in dem Perforierungskörper bei Aufrechterhaltung eines konstanten Lochdurchmessers von 3,8 mm. Gemäß Figur 10 waren 5 von 43 Löchern geschlossen, während Figur 11 die Schaufeltonverminderung für den gleichen Perforierungskörper mit 16 geschlossenen von 43 Löchern zeigt,
Figur 12 die Schaufeltonverminderung als Funktion der Gebläsedrehzahl für zwei Perforierungskörper der gleichen Rate des Öffnungsbereiches, jedoch mit verschiedenen Durchmessern und Anzahlen von Löchern,
Fig. 13,14,15 Querschnittsansichten von Radialgebläsen mit verschiedenen Ausführungsformen eines abstimmbaren Resonators an der Gehäusezunge,
Fig. 16 einen schematischen Querschnitt eines Axialgebläses mit einem abstimmbaren A/4-Resonator in einer Leitschaufel hinter den Gebläseschaufeln, und
Fig. 17 eine Ansicht längs der Schnittlinien A-A in Figur 16.

Figur 1 zeigt ein Zentrifugalgebläse 10,bestehend aus einem Gebläsegehäuse 12 und einem in diesem untergebrachten Schaufelrad 14. Bei der bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung, die zur Durchführung der in den Figuren 3 bis 12 graphisch veranschaulichten Versuche verwendet wurde, ist das Schaufelrad 14 mit sechs rückwärtsgekrümmten Schaufeln 17 versehen und weist einen Durchmesser von 140 mm auf. Das Gebläsegehäuse 12 ist als logarithmische Spirale mit einem sehr kleinen Abstand der Gehäusezunge zwischen dem Schaufelrad 14 und dem Gehäuse 12 in dem Gehäusezungenbereich 18 ausgebildet. Der Gehäusezungenabstand 18 beträgt nur 4,4 mm,und der Gehäusezungenradius 20 des für die Versuche benutzten Modellgebläses 10 ist nur 10 mm.
An der Stelle 20 der Gehäusezunge ist gemäß Figur 1 ein X/4-Resonator 30 angeordnet. Ein innerhalb des Resonators 30 kolbenartig verschiebbarer Stopfen 32 wird zur Abstimmung des Resonators für verschiedene Frequenzen benutzt.
Die Geräuschminderungswirkung verschiedener Gestaltungen des Resonators 30 wurde durch Anordnung eines Mikrophons in der Gebläseauslaßleitung 22 gemessen. Das Mikrophon in der Leitung war zur Verringerung des Einflusses von turbulenten Druckschwankungen auf das Mikrophon mit einem Schlitzrohr versehen worden. Die Mikrophonsignale wurden mittels eines Schmalbandfilters analysiert, das mit Hilfe einer Gleichlaufeinrichtung auf die Schaufelfrequenz oder vielfache Harmonische dieser abgestimmt werden konnte. Zur Aufnahme des Frequenzspektrums des Geräuschdrucks in der Leitung wurde ein Realzeitanalysator benutzt.
Figur 2 zeigt einen vergrößerten Querschnitt der Gehäusezunge mit dem Resonator 30, wobei die Mündung 34 an der Gehäusezunge als perforierte Abdeckung an dem Resonatoreingang dargestellt ist. Die perforierte Abdeckung 34 besteht aus 1 mm dickem Metallblech, das im Verlauf der Versuche für verschiedene Ausgestaltungen mit unterschiedlicher Anordnung,Größe und Anzahl der Öffnungen 36 ausgetauscht wurde. Der Querschnittsbereich des Resonators 30 ist rechteckig und seine größte Seitenabmessung entspricht der Breite des Gebläsegehäuses. Die obere Resonatorwand 38 mit einer Breite von 46,1 mm befindet sich 16,5 mm oberhalb einer unteren Resonatorwand 41 gleicher Breite.
Zur Abstimmung des Resonators 30 wurde die Länge des Resonators über einen beweglichen Teflonstopfen 32 verändert, der einen luftdichten Abschluß mit den Resonatorwänden bildete. Eine optimale Abstimmung, das heißt maximale Lärmverminderung bei einer gegebenen,Frequenz wurde einfach durch Beobachtung der Amplitude des Tons auf den Realzeitanalysator erhalten. Alle Geräuschmessungen wurden an nur einer Betriebsstelle des Gebläses durchgeführt, die sich auf der rechten Seite der Druckkopf-Volumenströmungscharakteristik befand, das heißt beinaheam freien Auslaß. Zur Erzielung von Bezugsdaten für Vergleichszwecke wurde der Resonator 30 bei einigen Versuchen ersetzt durch ein massives Holzstück mit dem gleichen Krümmungsradius 20 und dem gleichen Abstand vom Schaufelrad 14.
Figuren 3 und 4 zeigen Vergleiche zwischen dem Geräuschdruckspektrum, das in der Gebläseauslaßleitung für das Gebläse mit einer üblichen Gehäusezungengestaltung und mit eingebautem X/4-Resonator gemessen wurde. Die perforierte Abdeckplatte 34 besteht aus 1 mm dickem Metallblech, dessen Löcher 36 einen Durchmesser von 3,1 mm haben und insgesamt einen öffnungsbereich von 29 % ausmachen.Für das in Figur 3 gezeigte Spektrum wurde der Resonator so abgestimmt, daß er eine maximale Verringerung der Schaufelfrequenz bei 7500 Upm, das heißt 750 Hz und entsprechend 6000 .Upm in Fig. 4 hervorruft. In beiden Figuren 3 und 4 veranschaulichen die durchgezogenen Pfeile die Geräuschpegel der Schaufeltonharmonischen ohne einen Resonator, das heißt der Resonator 30 wurde durch ein massives Holzstück ersetzt. Die gestrichelten Pfeile zeigen die Geräuschpegel der Schaufeltonharmonischen, die mit dem X/4-Resonator 30 gemessen wurden.
Eine richtige Abstimmung des Resonators verringert nicht nur die Schaufelfrequenz, sondern auch ihre höheren Harmonischen. Sie kann jedoch auch zu einer Verstärkung führen, wie in Figur 4 gezeigt ist, wo die dritte Harmonische um 8 dB erhöht wurde.
Die Verringerung der Schaufelfrequenz ist in den Figuren 4 und 5 ungleich,und das bei anderen Gebläsedrehzahlen gemessene Frequenzspektrum zeigte, daß die maximal mögliche Verminderung,die durch sorgfältige Abstimmung des Resonators für jeden Fall erzielbar ist, mit der Frequenz zunimmt.
Dieser Effekt wird in Figur 5 deutlicher, in der das Niveau der Schaufelfrequenz als Funktion der Gebläsedrehzahl aufgetragen ist. Die durchgezogene Kurve A gilt für das Gebläse mit der üblichen Gehäusezungenform. Die anderen Linien in Figur 5 wurden mit dem auf die Gebläsefrequenzen, das heißt 450, 500, 550, 600, 650,700 bzw. 750 Hz abgestimmten X/4-Resonator gemessen. Die maximal mögliche Verminderung steigt mit der Frequenz in Figur 5 an und weitere Versuche haben gezeigt, daß dies durch Verwendung eines anderen Perforationskörpers für die Resonatormündung geändert werden kann. Für die in Figur 5 gezeigten Daten wurde der gleiche Perforationskörper wie für Figuren 3 und 4 verwendet. Für eine gegebene Resonanzfrequenz ist der Dämpfungseffekt nicht nur bei dieser besonderen Frequenz oder innerhalb eines sehr schmalen Frequenzbandes vorhanden, sondern er erstreckt sich über einen recht breiten Frequenzbereich. Dies ist wichtig wegen der praktischen Anwendung der Geräuschkontrollmethode, da es zeigt, daß eine wesentliche Verminderung des Schaufeltons sogar dann erreichbar ist, wenn der Resonator nicht richtig abgestimmt ist, sei es aufgrund anfänglicher Fehlabstimmung oder aufgrund einer Änderung der Gebläsedrezahl infolge der Gebläsebelastung oder aufgrund einer Änderung der Fluidtemperatur, die einer Änderung der Geschwindigkeit des Geräusches in dem bewegten Fluid entspricht.
Figur 6 zeigt die Wirkung des a/4-Resonators, der auf 600 Hz über das gesamte Geräuschdruckniveau "A",das A-gewichtete Geräuschdruckniveau B und die zweite Harmonische der Schaufelfrequenz C abgestimmt wurde. Die Wirksamkeit des X/4-Resonators in bezug auf die gesamten oder A-gewichteten Geräuschpegel hängt im allgemeinen von der jeweiligen Bedeutung des Schaufeltons ab. Bei dem für Versuchszwecke benutzten Modellgebläse war das gesamte Geräuschdruckniveau um 3,5 dB verringert und das A-gewichtete Niveau um 7 dB.
Ein anderes interessantes Ergebnis der Figur 6 ist,daß die zweite Harmonische meistens bei 3000 Upm, die 600 Hz entsprechen, verringert wurde. Die Verminderung ist jedoch kleiner als die der Schaufelfrequenz bei gleicher Resonanzfrequenz, das heißt 6000 Upm (vergleiche Figuren 4 oder 5). Dies zeigt, daß die Impedanz des λ/4-Resonators sich infolge der Strömungsgeschwindigkeit längs der Gehäusezunge ändert.
Figuren 7 bis 12 zeigen eine Reihe von Versuchsdaten ähnlich denjenigen nach Figur 5, wobei der einzige Unterschied der zur Abdeckung der Resonatormündung verwendete Perforierungskörper 34 ist. Gemäß Fig. 7 bis 9 wurde die Perforationsrate innerhalb von 20 % bis 58 % geändert, indem der Durchmesser der Löcher 36 vergrößert wurde, das heißt die Gesamtanzahl der Löcher ist die gleiche in den Figuren 5 und 7 bis 11. Es gibt Anzeichen, daß die Zunahme der Rate des öffnungsbereiches den Bereich maximaler Verminderung der Schaufelfrequenz gegen einen niedrigeren Frequenzbereich verschiebt.
Eine physikalische Erklärung der Dämpfungserscheinung bei der Frequenzverschiebung läßt sich auf folgende Weise entwickeln. Wenn der Durchmesser der Löcher.36 groß ist, wird die Oszillation der Luft durch die Löcher nur wenig gedämpft, weshalb die Verminderung der Tonamplitude groß ist. Es ist jedoch zu beachten, daß diese Verminderung nur über eine schmalere Bandbreite als in Figur 9 gezeigt auftritt. Wenn umgekehrt die Löcher 36 klein sind, nimmt die Dämpfungsrate des Resonators 30 zu, mit dem Ergebnis einer tieferen Verringerung der Tonamplitude, jedoch über einen breiteren Frequenzbereich als in Figur 7 gezeigt.
In den Figuren 10 und 11 wurde versucht, die Rate des öffnungsbereiches zu verändern und dabei die gleichen Durchmesser der Löcher 36 wie in Figur 8, das heißt 3,8 mm beizubehalten. Zu diesem Zweck wurden einige Löcher 36 mit Kitt verschlossen. Figur 10 scheint den gleichen Trend wie vorher anzuzeigen, das heißt die Verminderung der Rate des Öffnungsbereiches verschiebt den wirksamen Bereich zu höheren Frequenzen. Eine weitere Reduzierung der Lochanzahl wie in Figur 11 stützt diese Beobachtung jedoch nicht.
In Figur 12 werden schließlich zwei Perforationskörper 34 verglichen, deren öffnungsbereich gleich ist, bei denen jedoch die Durchmesser und die An- . zahl der Löcher 36 voneinander abweichen. Dies führt zu der Annahme, daß die Rate des öffnungsbereiches die Größe ist, die den Frequenzbereich der maximalen Geräuschverminderung bestimmt und nicht der Lochdurchmesser.
Einer der Hauptvorteile des Geräuschminderungsverfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß die Einführung des Resonators 30 nur geringe Änderungen der Gebläsegeometrie erforderlich macht. Deshalb sind die Leistung und Strömungsraten bei einem Gebläse 10 mit oder ohne Resonator 30 erwartungsgemäß sehr ähnlich, wenn nicht praktisch gleich. Um die Differenz der aerodynamischen Leistung dieser beiden Gestaltungen empirisch zu bestimmen, wurde der durch die Testleitung 22 gepumpte Volumenstrom gemessen. In Tabelle I ist das Verhältnis der Volumenströme mit und ohne X/4-Resonator 30 gegen die Gebläsedrehzahl aufgelistet und die Ergebnisse zeigen, daß der Volumenstrom um durchschnittlich 0,6 % abnimmt.
Die vorstehenden Versuchsergebnisse zeigen, daß eine wesentliche Verringerung der von Zentrifugalgebläsen abgegebenen Schaufel.tonfrequenz durch Einbau eines λ/4-Resonators an der Gehäusezunge erreicht werden kann.
Bei einer unveränderten Resonatorform, das heißt bei konstanter Länge und Mündungsgeometrie des Resonators 30, tritt eine maximale Dämpfung der Schaufelfrequenz bei einer Frequenz auf, bei der die Geräuschwellenlänge etwa gleich dem Vierfachen der Resonatorlänge ist. Eine Relation für die wirksame Länge des Resonators läßt sich wegen der gekrümmten Gestaltung und der das Mündungstück 34 bildenden Perforationen mit Konstruktionsparametern schwierig ausdrücken. Außerdem wirken die überströmlöcher 36 auch auf den Massezuschlag zu der effektiven Länge. Eine etwas geringere Dämpfung der Schaufelfrequenz ergibt sich innerhalb eines Frequenzbandes im Bereich der Resonanzfrequenz des Resonators. Die Breite dieses Frequenzbandes wird durch die Dämpfungsrate des Resonators bestimmt, die ihrerseits von der Größe und Anzahl der Löcher 36 in dem Mündungsstück 34 abhängt.
Wenn die Länge des Resonators 30 verändert wird, während die gleiche Resonatormündungsform 34 beibehalten bleibt, ändert sich die Resonanzfrequenz, und daher ist eine Verringerung der Schaufelfrequenz bei anderen Gebläsedrehzahlen erzielbar. Die maximal mögliche Verringerung ändert sich jedoch mit der Frequenz, was zeigt, daß dort eine optimale Impedanz des Resonators 30 als Gesamtheit herrscht, die eine maximale Dämpfung hervorruft. Die Gesamtimpedanz des Resonators 30 scheint sehr empfindlich auf Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit an der Resonatormündung 34 zu reagieren.und dies hilft bei der Erklärung,warum der Betrag,der durch richtige Abstimmung des Resonators für eine gegebene Gebläsedrehzahl erzielten Geräuschverminderung sich mit der Frequenz oder besser gesagt mit der Gebläsedrehzahl ändert. Versuche mit verschiedenen Abdeckplatten 34 an der Resonatormündung haben auch gezeigt, daß diese optimale Impedanz sich bei verschiedenen Frequenzen durch einfache Änderung der Perforationsrate an der Resonatormündung 34 erzeugen läßt.
Versuche mit den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung zeigten, daß ein X/4-Resonator an der Gehäusezunge eines Zentri- .fugalgebläses ein hochwirksames und extrem einfaches Mittel zur Verminderung des Schaufeltones ist. Dieses Verfahren kann zur Geräuschminderung sowohl bei neuen Gebläsekonstruktionen als auch bei bestehenden Anlagen benutzt werden. Da der Einsatz eines X/4-Resonators keine Änderung der Geometrie der Gehäusespirale verlangt, wird der aerodynamische Wirkungsgrad des Gebläses nicht beeinträchtigt.
Bei Gebläsen mit veränderlicher Drehzahl kann noch ein λ/4-Resonator benutzt werden, wenn die Länge des Resonators proportional zur Gebläsedrehzahl geändert wird, indem ein Kolbenkörper in dem Resonator verschoben wird,und bei einer etwas abgewandelten Version der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist deshalb der Kolbenkörper 32 über irgendeinen bekannten geeigneten Servomechanismus mit der Laufraddrehzahl gekoppelt.
Drei verschiedene Versionen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind schematisch in den Figuren 13 bis 15 dargestellt. In Figur 13 ist zum Beispiel ein Zentrifugalkompressor 100, in dessen Gehäuse 112 ein Laufrad 116 untergebracht ist, anstatt mit einem X/4-Resonator mit einem Helmholtzresonator 130 ausgerüstet. Der Helmholtzresonator 130 besteht aus einer Frontwand 140, die im wesentlich tangential zu dem Gehäuse 112 verläuft, jedoch der Spiralform des Gehäuses in der Nähe der Gehäusezunge 120 folgen kann. Seine Rückwand besteht aus einem Hauptabschnitt 132, der im wesentlichen parallel zur Frontwand 140 ist und dessen unterer Teil hinter der Gehäusezunge 120 an einer Gelenkstelle 136 endet. Der Endteil 138 der Rückwand 132 ist unter der Gelenkstelle 136 gelenkig beweglich und daher innerhalb des Resonanzhohlraumes 142 über dem Gebläseauslaß 122 frei verstellbar. Der Resonanzhohlraum 142 ist seinerseits an dem Gehäusezungenende mittels einer perforierten Abdeckung 134 abgedeckt. Durch Bewegung der Endklappe 138 in dem Resonanzhohlraum 142 lassen sich das Volumen und damit die Resonanzfrequenz des Helmholtz- resonators 130 ändern, um auf maximale Schaufelfrequenz- Geräuschverminderung abgestimmt zu werden.
In Figur 14 ist der Helmholtzresonator 230 so gekrümmt, daß er im wesentlichen der Spiralform des Gehäuses 212 des Gebläses 200 entspricht. Neben der Gehäusezunge 220 des Laufrades 216 und des Gehäuses 212 wird ein Resonanzhohlraum 242 von einem perforierten Körper 234 an der Mündung des Resonators 230 abgedeckt. Die Frontwand 240 des Resonators stößt an das Gehäuse 212 an, während seine Rückwand 232 flexibel und elastisch genug ist, um an seinem unteren Rand in dem Resonanzhohlraum 242 beweglich zu sein. Auf diese Weise sind das Volumen und damit die Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators wiederum einstellbar auf Veränderungen der Gebläsedrehzahl und der Schaufelfrequenz.
Noch eine weitere Gestaltung eines Helmholtz- resonators ist in Figur 15 dargestellt. Der Helmholtzresonator 330 ist wieder so gekrümmt, daß seine Frontwand 340 an das Spiralgehäuse 312 anliegt und diesem entspricht. Die Mündung des Resonators 330 befindet sich in der Nähe der Gehäusezunge 320 des Laufrades 316 und des Gehäuses 312 und sie ist mit einem perforierten Metallblech 334 abgedeckt. Das Volumen des Resonanzhohlraums 342 oberhalb des Gebläseauslasses 322 ist wiederum veränderlich, da die Rückwand 332 entweder bei 336 an die Oberwand 338 angelenkt oder falls sie bei 338 starr befestigt ist, flexibel genug ist, um zur Erzielung einer maximalen Schaufelfrequenz-Geräuschverminderung eine Abstimmung des Resonators 330 zu ermöglichen.
Obwohl die Erfindung vorwiegend mit Bezug auf die Anwendung eines A/4-oder Helmholtzresonators innerhalb von Zentrifugalgebläsen beschrieben wurde, können die gleiche Vorrichtung und das Verfahren zur Verminderung des Geräuschpegels der Schaufelfrequenz von Axialgebläsen benutzt werden. Figur 16 zeigt zum Beispiel einen schematischen Querschnitt durch ein Axialgebläse 400, wobei ein a/4-Resonator 430 in Leitschaufeln 420 innerhalb des Gebläsegehäuses 410 und hinter dem Axialrotor 416 angeordnet ist. Ein Kolben 432 innerhalb der Leitschaufel . 420 erlaubt eine Abstimmung des λ/4-Resonators 430 auf veränderliche Gebläsedrehzahlen wie vorher beschrieben.
Figur 17, die eine Frontansicht des Axialgebläses 400 längs der Linien 17-17 der Figur 16 veranschaulicht, zeigt die perforierte Abdeckung 434 am vorderen Ende der Leitschaufel 420, die die Mündung des X/4-Resonators 430 bildet. Der Kolben 432 kann wieder über beliebige Servokontrollmittel direkt mit der Gebläsedrehzahl gekoppelt sein, wodurch seine automatische Abstimmung auf die richtige Resonanzfrequenz für einen maximalen Wirkungsgrad unter veränderlichen Belastungsbedingungen gewährleistet wird.
Verschiedene andere Ausführungsformen und Abwandlungen sind ebenfalls aus der vorangehenden Beschreibung ersichtlich. Die Erfindung ist deshalb nicht auf die offenbarten speziellen Ausführungsformen beschränkt, sondern erstreckt sich auf jede Ausführungsform im Rahmen der anschließenden Ansprüche.

Claims

1. Geräuscharme Turbo- Arbeitsmaschine,bestehend aus einem stationären Gehäuse und einem in diesem untergebrachten rotierenden Zentrifugallaufrad, gekennzeichnet durch wenigstens ein Resonatormittel (30) zur selektiven Verminderung eines Teiles des Schaufeltonspektrums, wobei das Resonatormittel (30) an der Stelle (18) kleinster Trennung zwischen dem Gehäuse (12) und dem Laufrad (14) angeordnet ist.

2. Turbo- Arbeitsmaschine die in einem stationären Gehäuse mindestens ein rotierendes Axialschaufelrad und mindestens eine stationäre Leitschaufel hinter diesem aufweist, gekennzeichnet durch Resonatormittel (30) zur selektiven _Ver- minderung eines Teiles des Schaufeltonspektrums, wobei das Resonatormittel (30) innerhalb der stationären Leitschaufeln hinter dem Axialschaufelrad angeordnet ist.

3. Turbo- Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonatormittel (30) anstatt einer festen Rückwand einen beweglichen Kolbenkörper (32) in dem Resonatorhohlraum aufweist, wodurch der Resonator (30) auf ein Viertel der Schaufelfrequenz veränderlich abstimmbar ist.

4. Turbo- Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonatormittel (30) über seinem vorderen Ende mit einer perforierten Abdeckung (34) versehen ist.

5. Turbo- Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Resonatormittel Helmholtzresonatoren (130) mit wenigstens einer bewegbaren Wand (138) zur Vergrößerung oder Verkleinerung des Volumens des Resonatorhohlraumes (142) dienen, so daß er auf verschiedene Schaufeltonfrequenzen abstimmbar ist.

6. Turbo- Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwände der Resonatoren (30) mit schallabsorbierendem Material ausgekleidet sind.

7. Turbo- Arbeitsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonatormittel mehrere einzelne X/4-Resonatoren (30) mit beweglichen Kolbenkörpern (32) aufweist, von denen jeder für sich auf verschiedene Absorptionsmaxima des Schaufeltonspektrums abstimmbar ist.

8. Turbo- Arbeitsmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonatormittel mehrere Helmholtzresonatoren (130) mit beweglichen Wänden (138) aufweist, von denen jeder für sich auf verschiedene Absorptionsmaxima des Schaufeltonspektrums abstimmbar ist.

9. Verfahren zur Verminderung des Geräuschpegels von Radialgebläsen mit einem stationären Gehäuse und einem in diesem untergebrachten rotierenden Zentrifugallaufrad, dadurch gekennzeichnet, daß man zur selektiven Absorption eines Teiles des Schaufeltonspektrums an der Stelle kleinster Trennung zwischen dem Gehäuse und dem Laufrad ein Resonatormittel anbringt.

10. Verfahren zur Verminderung des Geräuschpegels von Axialgebläsen mit einem stationären Gehäuse, mindestens einem rotierenden Axialschaufelrad und mindestens einer stationären Leitschaufel hinter den beweglichen Rotorschaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß man zur selektiven Absorption eines Teiles des Schaufeltonspektrums innerhalb der stationären Leitschaufel ein Resonatormittel anbringt.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß man das Resonatormittel auf verschiedene Absorptionsmaxima des Schaufeltonspektrums abstimmt, wobei man eine bewegliche Einrichtung zur Veränderung des Volumens des Resonatormittels verwendet.

12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß man bei Einsatz mehrerer Resonatormittel jedes Resonatormittel für sich auf verschiedene Absorptionsmaxima des Schaufeltonspektrums abstimmt, um das Volumen jedes Resonatormittels für sich zu verändern.

13. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß man das Einlaßende des Resonatormittels mit Abdeckplatten abdeckt, die mehrere Löcher verschiedener Größe und Anordnung aufweisen.

14. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß man die Innenwände des Resonatormittels mit schallabsorbierendem Material auskleidet.