用於徑流式壓縮機的諧振消音器的製作方法與工藝

2023-05-30 10:19:31 1

本發明涉及一種用於徑流式壓縮機的擴壓器，所述擴壓器具有基本上環形的空腔，所述空腔至少由第一徑向側面限界。

背景技術：
徑流式壓縮機例如從EP1356168B1或者EP1602810A1中是已知的。這樣的徑流式壓縮機由形成壓縮機級的、圍繞旋轉軸旋轉的、具有——關於葉輪的旋轉軸的——軸向的入口和徑向的出口的葉輪或者葉片輪形成。待壓縮的氣體軸向地流入壓縮機級的葉輪中並且隨後向外(徑向地，徑向方向)偏轉，其中它以高的速度離開葉輪。以高的速度離開的並且待壓縮的氣體的動能隨後在擴壓器中轉化為壓力形式的勢能。這樣的擴壓器通常通過兩個不旋轉的構成環形的空腔或者環形腔的環形成，所述環形腔徑向地連接在葉輪出口上或者所述環或者環形的壁/側面徑向地連接在所述葉輪出口上並且垂直於旋轉軸或者與所述旋轉軸成鈍角(徑向的環形腔壁/或徑向側面)。從葉輪中離開的氣體在這兩個環形的壁之間的這個環形腔中被徑向地向外引導並且到達收集器。通常擴壓器具有翼，也就是說葉片組，用於指揮和更好地控制氣流的放慢。此外已知的是，這樣的徑流式壓縮機導致相對高的聲音排放或噪聲級，所述聲音排放或噪聲級描述了徑流式壓縮機周圍環境的(噪音)幹擾。聲音排放除此之外也能夠觸發振動和與結構相關的故障。例如徑流式壓縮機中主要的聲音源典型地在葉片輪的和擴壓器入口的位置上或者在任何擴壓器葉片的位置上由流經這個區域的流體的高的速度以及通過轉子部件和定子部件的互相作用而產生。在這裡特別已知的是，徑流式壓縮機在離開所述徑流式壓縮機的出口上(壓力側)，例如在該處的壓力接頭上，產生複雜的、短暫的、三維的、旋轉的和/或脈動的壓力場或者聲音場，所述壓力場或者聲音場的聲波不受幹擾地傳播到在連接在壓力接頭上的管道中。在這裡——除了所提到的噪聲負荷、振動和與結構相關的故障——也導致管道振動，所述管道振動能夠導致管道的損傷直至導致徑流式壓縮機或者上一級的具有所述徑流式壓縮機的系統發生故障。這樣複雜的、短暫的、三維的、旋轉的和/或脈動的壓力場或者聲音場的衰減在技術上是困難的。由此為前提，對於這樣的產生聲音排放的徑流式壓縮機而言有效的消音措施是必要的。不同的限制聲音排放的、「外部的」措施，如殼體或者包裝是已知的。這種降噪技術能夠是相對昂貴的，特別是如果它作為「後續的」附加產品被提供。此外用於限制徑流式壓縮機中的聲音排放的「內部的」消音器是已知的。消音器一般是用於減少聲音排放的裝置。可以區分消音器的不同的構型，所述不同的構型根據不同的作用機制降低所產生的聲功率。例如區分吸收消音器和反射消音器/諧振器消音器。例如從EP1602810A1中已知用於徑流式壓縮機的吸收消音器，該吸收消音器包含多孔的(吸收)材料，通常是巖棉、玻璃棉或者玻璃纖維，所述多孔的(吸收)材料部分地吸收聲能，也就是說，轉化為熱能。通過吸收，在消音器中主要衰減了聲音介質的高頻。相應的空腔的同一種填充物也在DE60310663T2、DE60120769T2和US2009/229280A1中被提出。DE60114484T2公開了一種周向槽，所述周向槽的深度被擴大到大於壓縮機-輪的凹陷部段的軸向寬度的1.5倍。吸收消音器具有如下缺陷，即它們通常不適合於高壓，因為——與高壓結合的——高的能量投入可作用在吸收材料上或者高的熱量投入可被吸收材料吸收，這會導致多孔的材料的損傷，如吸收材料的分解。使用聲反射的原理的諧振器消音器或者反射消音器為此通常包含多個空腔或者室，聲音介質途徑所述空腔或者室，其中它導致反射。在被聲音介質多次途徑的室的內腔時，這導致不同頻率的聲壓峰值的降低。這種反射——在結構方面——通過衝擊壁、橫截面加寬和變窄來產生。通過反射，聲音介質的任意頻率能夠在消音器中被衰減。這樣的基於赫姆霍茲-諧振器原理的用於徑流式壓縮機的諧振器消音器從EP1356168B1或者EP1443217A2中已知。在該徑流式壓縮機中，此處的擴壓器具有呈場的形式的聲學襯板，所述襯板具有大量的孔，所述孔作用為赫姆霍茲-諧振器。除了這樣的徑流式壓縮機，作為徑流式流體機械的其它形式，已知了徑流式渦輪機。這樣的徑流式渦輪機，例如從DE4438611C1中已知的，以徑流式壓縮機的物理原理的反推為基礎，並且與此相應地——如在徑流式壓縮機中相應的部件情況下——在與徑流式壓縮機相反的流動方向上被流經。在徑流式渦輪機中所描述的排放問題也以相應的方式出現。例如徑流式渦輪機中的主要的聲音源典型地在葉片輪或者渦輪(這兩者在下文中也簡寫為葉輪)的位置上和在位於渦輪上遊的渦輪導向環的位置上或者在可能的導向環葉片的位置上產生。在這裡在抽吸側上，也就是說在徑流式渦輪機中的入口上，例如在此處的抽吸接頭上，也能夠產生複雜的、短暫的、三維的、旋轉的和/或脈動的壓力場或者聲音場，所述壓力場或者聲音場的聲波不受幹擾地傳播到位於抽吸接頭上遊的管道中。由此為前提，在這裡有效的消音措施對於這樣的產生聲音排放的徑流式渦輪機而言也是必要的。

技術實現要素：
本發明基於如下目的，即提出一種消音器，所述消音器改善了現有技術中的缺陷，能簡單地實現並且也能簡單地安裝在排放噪聲的設備或者裝置中如徑流式流體機械中以及所述消音器特別是適合於在徑流式壓縮機或者徑流式渦輪機中衰減噪聲排放。所述目的通過根據本發明的用於徑流式流體機械特別是徑流式壓縮機的擴壓器來實現，所述擴壓器具有基本上環形的空腔，所述空腔至少由第一徑向側面限界，其中至少一個所述第一徑向側面具有至少一個基本上環形環繞的、空的周向槽，所述周向槽構成聲學的諧振器，其中所述至少一個基本上環形環繞的、空的周向槽的尺寸確定所述基本上環形環繞的、空的周向槽的固有頻率和/或本徵模式並且所述至少一個基本上環形環繞的、空的周向槽的固有頻率和/或本徵模式匹配於待反射的頻率和/或待反射的聲波。這種擴壓器具有基本上環形的空腔即環形腔，所述環形腔至少通過第一徑向側面來限界。根據本發明，在這個側面中構成至少一個基本上環形環繞的槽。至少一個基本上環形環繞的朝向環形腔經由槽出口開啟的(槽出口開口)所述槽由此作用為聲學的諧振器，特別是λ/4諧振器，——在下文中也簡寫為僅是諧振器——，以至於途徑槽的具有與這個槽的(聲學的)固有頻率或者諧振頻率相同的頻率的聲波在槽出口的區域中被反射並且因此聲音傳播通過槽或者諧振器被降低。因此聲音傳播在環形腔中能夠被降低並且能夠實現在擴壓器——和徑流式流體機械或者徑流式壓縮機——中有效地消音。通過基本上環形環繞的槽的所選擇的幾何結構或者尺寸，特別是通過槽的深度，通過槽的或者槽出口的寬度/高度，通過槽在徑向側面中的徑向的位置，確定槽的本徵模式(Eigenmode)或波節直徑和固有頻率或諧振頻率。周向槽的設計方案或者(三維的)幾何結構——自身——只要不設置任何限界，那麼腔體或者空腔通過環繞的槽構成，所述腔體或者空腔作用為聲學的諧振器。因此例如能夠實現具有任意的槽形狀的周向槽如具有矩形的、V形的或者梯形的橫截面的周向槽，具有向外傾斜的壁的周向槽和/或作為燕尾槽的周向槽和/或具有部分地或者完全地光滑的和/或彎曲的壁的周向槽和/或具有底切和/或室的周向槽。波浪狀的周向槽或者具有階梯狀的槽底的周向槽也是可能的。如果途徑槽的聲波因此具有與諧振器或者槽中的聲學的本徵模式相同的本徵模式或者相同的波節直徑，和/或如果途徑所述槽的聲波具有與槽的固有頻率一樣的固有頻率，那麼反射是尤其有效的。也就是說，通過槽的適當的(三維的)尺寸，聲學的固有頻率以及槽的本徵模式能夠被匹配於待反射的聲波，也就是說匹配於其頻率和本徵模式並且因此有針對性地使得頻率——通過槽的尺寸——被衰減。換句話說，由於基本上環形環繞的槽(也僅寫作周向槽)的三維性，其本徵模式經由簡單的幾何參數這樣地被調節，使得途徑所述槽的聲學的壓力模型藉助確定的形狀特別有效地被反射。這個途徑的聲學的壓力模型的形狀例如能夠經由解析的關係，如根據Tyler&Sofrin公式被估計。周向槽的幾何形狀能容易地製成並且根據少量的自由參數如高度、寬度、深度或者形狀提供參與優化過程的可能性。此外本發明實現了一種強固的免維修的(消音)解決方案，所述解決方案即使在高壓和高溫下也沒有磨損。它因此相對於基於吸收材料的附加物提供了明顯的優勢。因為根據本發明的「消音器」被應用在聲音源(葉輪並且必要時裝有葉片組的擴壓器/必要時裝有葉片組的導向環)附近，所以在正確的尺寸情況下通過聲學的壓力模型也減小了葉輪的激勵。在環形腔中嵌入周向槽時，其它的聲音防護措施，特別是在管道 系統中，不是必要的。不僅噪聲輻射而且管道振動的激勵也能夠明顯地被降低。這相對於外部的消音器解決方案產生了明顯的成本優勢。預計的壓力損失是較低的，這不僅通過數值計算也通過實驗表現。本發明的優選的改進方案從下文中得出。在一個優選的設計方案中，至少一個第一徑向側面具有多個基本上環形環繞的，特別是彼此同心的槽。通過多個這樣的周向槽提高了消音器的效率。這些周向槽能夠尤其優選地構成，使得這些周向槽分別具有不同的尺寸，特別是不同的深度和/或寬度。例如在這裡能夠提出，隨著在環形的空腔或者環形腔中向外增大的徑向的距離，周向槽的深度和寬度分別變得更小。因此，也就是說通過多個周向槽，有針對性地衰減了多個頻率直至到對徑流式流體機械中聲音排放的寬頻的消音。例如能夠實現700赫茲至2000赫茲的、700赫茲至4000赫茲的或者700赫茲至6000赫茲的待衰減的頻率帶寬。「諧振器消音器」的效率能夠進一步被提高，如果環形的空腔由與第一徑向側面在軸向上相對置的第二徑向側面限界，所述第二徑向側面同樣具有基本上環形環繞的槽或者——在進一步提高效率時——具有多個基本上環形環繞的，特別是彼此位於同心的槽。由此為前提，根據另一個優選的改進方案能夠提出，第一徑向側面的所述一個基本上環形環繞的槽直接地也就是說在相同的徑向高度上在軸向上與第二徑向側面的所述一個基本上環形環繞的槽相對置。但是可替選地也能夠提出，第一徑向側面的所述一個基本上環形環繞的槽徑向錯開地也就是說以不同的徑向高度與第二徑向側面的所述一個基本上環形環繞的槽相對置。在此時可能特別有利的是，由於設置在環形的空腔或者環形腔中的元件例如葉片組，不提供用於周向槽的「直接在軸向上相對置的布置」的位置。在這兩個徑向側面中的多個分別基本上環形環繞的彼此同心的槽情況下也設置周向槽的這樣的直接在軸向上相對置的布置以及徑向上錯開的布置。在這裡環形腔(裝有葉片組的環形腔)中的位置情況也可能是起決定作用的，以便代替「直接在軸向上相對置的布置」設置徑向上錯開的周向槽。在另一個優選的改進方案中，至少一個基本上環形環繞的槽的固有頻率匹配於待反射的頻率。尤其優選地，待反射的頻率能夠是徑流式壓縮機的葉片通過頻率(「bladepassingfrequency」)或者是針對於徑流式壓縮機的葉片通過頻率的二次諧波或者三次諧波或者四次諧波。也優選的是，所述至少一個基本上環形環繞的槽的本徵模式可匹配於待反射的聲波的本徵模式。在另一個優選的設計方案中，基本上環形的空腔具有葉片組。因此能夠得出，所述至少一個基本上環形環繞的槽或者多個這樣的周向槽設置在環形腔中的葉片組的區域中。也能夠提出，所述至少一個基本上環形環繞的槽或者多個這樣的周向槽設置在環形腔中的葉片組的所述區域的外部。也能夠提出，所述至少一個基本上環形環繞的槽具有中斷部。這例如能夠在環形腔具有阻礙完全環繞的槽的葉片組時設置。根據另一個優選的改進方案提出，「(諧振器-)消音器」能夠——作為此處的擴壓器——應用在徑流式壓縮機中或在徑流式壓縮機中實現。「消音器」也能夠在渦輪導向環位於徑流式渦輪機的渦輪機葉輪上遊的情況下應用在徑流式渦輪機中或者在此處實現。也能夠提出，——在出現多個基本上環形環繞的槽的情況——這些槽構成為，使得設計用於徑流式流體機械或者徑流式壓縮機的額定轉速的例如50％至105％的大的轉速範圍的衰減。附圖說明在附圖中描述本發明的實施例，所述實施例在下文中被詳細闡述。附圖示出：圖1示出具有根據一個實施方式的諧振器消音器的徑流式流體機械的、徑流式壓縮機的剖視圖的草圖；圖2示出具有根據另一個實施方式的諧振器消音器的徑流式流體機械的、徑流式壓縮機的剖視圖的草圖；圖3示出具有根據又一個實施方式的諧振器消音器的徑流式流體機械的、徑流式壓縮機的剖視圖的草圖；圖4示例性地示出在根據一個實施方式的徑流式壓縮機情況下環形槽中的聲學的本徵模。具體實施方式在圖1至3中描述了分別具有在擴壓器中實現的或集成在擴壓器中的諧振器消音器1的徑流式壓縮機100的不同的設計方案。這樣的徑流式壓縮機100如所示出的一樣具有葉輪10，所述葉輪以高的轉速圍繞軸線11旋轉。葉輪10具有輪轂12並且具有從所述輪轂徑向凸出的葉片13。輪轂12具有第一區域12a，所述第一區域基本上是圓柱形的；過渡區域12b，在所述過渡區域中輪轂半徑擴大；和端部區域12c，所述端部區域基本上垂直於軸線11伸展。——以流動方向3——在軸向上入流的氣體2通過葉輪10處於旋轉中並且在相對於軸線11的徑向的流動方向3上並且相對於軸線11成鈍角地離開葉輪10。葉片13被固定在輪轂12的共同的背板14上。葉輪10位於殼體15中，所述殼體的壁16適配於葉輪的外輪廓。由葉輪10形成的鼓風機具有軸向的入口17和圍繞葉輪10的圓周延伸的徑向的出口18。擴壓器20連接在出口18上，所述擴壓器與殼體15牢固地連接並且不旋轉。擴壓器20具有基本上徑向的支撐壁21，在所述支撐壁上放置翼22(擴壓器葉片組)，所述翼引導經過出口18的流。另一個基本上徑向的壁23在軸向上以一定的間距對置於擴壓器20的徑向的支撐壁，因此擴壓器20構成環形的、被葉片組22佔據的空腔，即環形腔30。翼22相對於軸線11基本上徑向地伸展。在翼22之間形成擴壓器通道，所述擴壓器通道的橫截面積從內向外增加。擴壓器20的目的在於，減慢由葉輪10加速的具有高的動能的氣體並且將動能轉換為壓力。在擴壓器20的出口26上——更下遊地——連接有(未詳細描述的)管道系統29(壓力側27)，所述管道系統經由壓力接頭28與擴壓器20連接。這樣的徑流式壓縮機100如所示出的一樣導致高的聲音排放，所述聲音排放描述了徑流式壓縮機100周圍環境的(噪音)幹擾，能夠觸發振動、與結構相關的故障以及也能夠觸發管道系統中/上的管道振動，所述管道振動導致管道的損傷直至導致徑流式壓縮機100的故障。這樣的排放的主要的聲音源在葉片輪/葉輪10的位置上和擴壓器入口25的位置上或者可能的擴壓器葉片22的位置上因流經這些區域的流體的高的速度產生。特別是在壓力側27或者在此處的徑流式壓縮機100的壓力接頭28上產生複雜的、短暫的、三維的、旋轉的和/或脈動的壓力場或者聲音場，所述壓力場或者聲音場的聲波不受幹擾地傳播到連接在壓力接頭28上的管道29中並且在那引起所描述的損傷。為了避免這樣的損傷或者作為有效的聲音防護，徑流式壓縮機100——如在圖1至3中所示出的——分別設置在擴壓器或者在該處的環形腔30中實現的或者集成的諧振器消音器1。為了防止聲波在擴壓器20的環形腔30中傳播，如圖1至3中所示出的，一個或多個環形的圍繞軸線11伸展的周向槽/環形槽50被放置在徑向的支撐壁21中和/或徑向壁23中，所述支撐壁和/或徑向壁作用為聲學的諧振器，特別是λ/4-諧振器。在此這些——環形的並且與軸線11同心地伸展的——周向槽50不僅在一側上被放置在環形腔30中，例如在徑向的支撐壁21上或者徑向壁23上，而且也在兩側上放置也就是說不僅在徑向的支撐壁21上也在徑向壁23上。這些周向槽50也能夠不僅只設置在擴壓器的葉片組22的區域中或者只設置在擴壓器20的葉片組22的外部的區域中而且也設置在擴壓器20的葉片組22的區域中和外部。經過環形腔30的或者途徑周向槽/環形槽50的聲波在諧振器出口51的區域中也就是說槽開口或者槽入口51的區域中被反射並且因此被衰減，所述聲波具有與這樣的周向槽/環形槽50的諧振頻率相同的頻率。圖1示出這個諧振器消音器1的一個設計方案，所述諧振器消音器具有兩個分別與軸線11同心的環形環繞的周向槽50。這兩個周向槽50中的一個設置在徑向的支撐壁21上。大約以到軸線11相同的間距將這兩個周向槽中的第二個設置在徑向壁23中。這兩個在形狀、寬度和深度上一樣的並且具有U形橫截面的周向槽50因此直接地也就是說在相同的徑向高度上在軸向上彼此對置。周向槽的到軸線11的徑向的間距或者其在環形腔30中的徑向的位置被設定為，使得這兩個周向槽50(徑向地)位於擴壓器20的或者環形腔30的裝有葉片組的區域22的外部。圖2示出擴壓器20中的諧振器消音器1的另一個設計方案，所述諧振器消音器具有多個分別與軸線11同心的環形環繞的周向槽50。這些周向槽50在這裡是四個周向槽50的第一部分設置在擴壓器20的葉片組22的區域中的徑向的支撐壁21上。直接在軸向上，也就是說分別在相同的徑向高度上或者以分別到軸線11相同的徑向的間距與這些周向槽50相對置地，周向槽50同樣是四個周向槽50的第二部分設置在徑向的壁23上——因此同樣設置在擴壓器20的或者環形腔30的裝有葉片組的區域22中。彼此直接相對置的周向槽50在此分別在形狀、寬度和深度上是一樣的。在此周向槽50的寬度以及深度隨著到軸線11的間距增大而減小。換句話說，隨著到軸線11增大的徑向的間距，周向槽50變得更狹窄或者更緊密和更淺。所有的周向槽50具有U形的橫截面。圖3示出擴壓器20中的諧振器消音器1的另一個設計方案，所述諧振器消音器同樣具有多個分別與軸線11同心的環形環繞的周向槽50。根據圖3的這個設計方案，所有的周向槽50，在這裡是四個周向槽50，彼此同心並且與軸線11同心地設置在擴壓器20的葉片組22的區域中的徑向壁23上。隨著到軸線11的徑向的間距增大，周向槽50的寬度以及深度減小。換句話說，隨著到軸線11的徑向的間距增大，周向槽50變得更狹窄或更緊密和更淺。所有的周向槽50在這裡也具有U形的橫截面。圖4示例性地示出作用為諧振器的這樣的環形槽50中的聲學的本徵型60。圖4示出24個壓力最大量61。此外這個本徵型或者聲學模式60的特徵在於12個所謂的波節直徑62和確定的固有頻率。途徑周向槽50的、特徵在於這個固有頻率的聲波被反射，並且聲音傳播通過周向槽50被降低或者途徑周向槽50被降低。如果途徑的聲波與周向槽50(諧振器)中的聲學的本徵模式60具有相同的波節直徑62，那麼反射過程是特別有效的。這樣的諧振器消音器1如所描述的極其有效地起作用，特別是因為它們被應用在聲音源、葉輪10和(必要時裝有葉片組22的)擴壓器20附近，以至於能夠放棄特別是用於徑流式壓縮機100的整個管道系統29的其它的耗費的聲音防護措施。