Vorrichtung zur Schalldämpfung in einem Rohrkanal

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schalldämpfung eines durch einen Rohrkanal strömenden, pulsierende Druckdichteunterschiede aufweisenden und mindestens abschnittsweise einen um die Längsachse des Rohrkanals rotierenden Anteil aufweisenden Mediums, wobei die Rotationsgeschwindigkeit des Mediums vom Zentrum der Rotation radial nach Außen zum radialen Abstand vom Rotationszentrum proportional ist.

Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise in Abgasrohrleitungen von Verbrennungsmotoren oder Klimaleitungen von Kfz-Klimaanlagen eingesetzt. Durch pulsierende Druckerzeugung entstehen in derartigen Systemen Schwingungen im Medium, die Druckdichteunterschiede hervorrufen und sich als unerwünschte Schallemissionen bemerkbar machen. Durch Verwirbelungselemente, beispielsweise Leitschaufeln oder gewendelte Rohre wird dabei mindestens ein Teil des Mediums gezwungen, einen längeren Weg im Rohrkanal zurückzulegen als der übrige, nicht oder mit geringerer Rotationsgeschwindigkeit rotierende Teil des Mediums. Dadurch werden beim Zusammenwirken der Teile des Mediums Wellentäler und Wellenberge der Druckdichteunterschiede gegeneinander verschoben. Die dadurch entstehende überlagerungsschwingung ist gegenüber der ursprünglichen Schwingung geglättet, die Schallemission reduziert.

Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise aus der DE 103 281 44 Al oder der DE 101 63 812 Al bekannt. Nachteilig bei diesen Lösungen ist jedoch, dass die Auswirkungen der Vorrichtungen nur sehr schwer im Vorfeld berechenbar und auslegbar sind und daher in der Praxis für jedes System durch Versuche ermittelt werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art zu schaffen, die bei unterschiedlichen Schwingungsverhältnissen auch ohne aufwendige individuelle Anpassungen die Schallemissionen wirksam dämpft.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Rohrkanal mindestens zwei Rohrkanalabschnitte aufweist, wobei der erste Rohrkanalabschnitt in Strömungsrichtung vor dem zweiten Rohrkanalabschnitt angeordnet ist und der erste Rohrkanalabschnitt eine vorbestimmte Strömungsquerschnittsfläche aufweist, die größer als die Strömungsquerschnittsfläche des zweiten Rohrkanalabschnitts ist und das Verhältnis aus Strömungsquerschnittsfläche des ersten Rohrkanalabschnitts und Strömungsquerschnittsfläche des zweiten Rohrkanalabschnitts so gewählt ist, dass das rotierende Medium beim übergang vom ersten Rohrkanalabschnitt in den zweiten Rohrkanalabschnitt in Rotationsrichtung proportional zur Rotationsgeschwindigkeit beschleunigbar ist und dabei die axiale Geschwindigkeit des rotierenden Mediums proportional zur rotatorischen Beschleunigung des Mediums reduzierbar ist.

Tritt das rotierende Medium aus dem ersten Rohrkanalabschnitt aus, weist es einen bestimmten Drehungsimpuls auf. Abgesehen von geringen Reibungsverlusten, die an der Wandung des Rohrkanals auftreten, bleibt nach dem Drallsatz der Mechanik der Drehimpuls auch beim übergang des Mediums in die kleinere Strömungsquerschnittsfläche erhal- ten. Das hat zur Folge, dass sich die Winkelgeschwindigkeit des rotierenden Mediums erhöht, das Medium also in Drehrichtung beschleunigt wird.

Das Medium wird während dieser änderung der Rotationsgeschwindigkeit von der Corio- lis-Beschleunigung in axialer Richtung abgebremst, da die Coriolis-Beschleunigung senk- recht zur Bewegungsrichtung des Mediums wirkt. Die Coriolis-Beschleunigung erzeugt also eine auch in axialer Richtung wirksame Kraft, wobei der Energiebetrag, der durch diese Kraft längs des Weges des Mediums beim übergang in die kleinere Strömungsquerschnittsfläche benötigt wird, der axialen kinetischen Energie des Mediums entzogen, das Medium also in axialer Richtung verlangsamt wird.

Die Coriolis-Beschleunigung ist außerdem von der Rotationsgeschwindigkeit des Mediums abhängig, so dass die Bremswirkung auf die Bereiche des Mediums am größten ist, die während des übergangs von der ersten Strömungsquerschnittsfläche in die zweite Strömungsquerschnittsfläche am stärksten rotatorisch beschleunigt werden.

Die axiale Geschwindigkeit des Mediums nimmt also vom Zentrum des Rohrkanals bis in die am stärksten rotierenden Bereiche an der Innenwandung des Rohrkanals kontinuierlich ab.

Der eingangs geschilderte Effekt, dass durch die Verschiebung der Druckdichteunterschiede über den Strömungsquerschnitt Amplitudenmaxima und Amplitudenminima gegeneinander ausgeglichen und dadurch die Schallemissionen reduziert werden, ist also durch die erfindungsgemäße Vorrichtung noch zu verbessern, wobei eine besondere Berechnung nicht erforderlich ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind im ersten Rohrkanalabschnitt Verwirbelungs- körper mit einem Anströmende und einem Abströmende angeordnet, durch die die Rotation des Mediums beeinfiussbar ist.

Reicht beispielsweise die Rotation des durch den ersten Rohrkanalabschnitt strömenden Mediums beim übergang in den zweiten Rohrkanalabschnitt zur Erzielung des gewünschten Effektes nicht aus, lässt sich mit den genannten Verwirbelungskörpern die Rotation des Mediums erhöhen.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Abströmenden der Verwirbelungskörper von dem übergang vom ersten Rohrkanalabschnitt zum zweiten Rohrkanalabschnitt um ein vorbestimmtes Maß beabstandet.

über einen derartigen Abstand sind die rotatorische Beschleunigung und damit verbundene axiale Verzögerung des Mediums beeinflussbar. Bei großem Abstand sind die Beschleu-

nigungen kleiner, bei kleinem Abstand größer. Damit ist auch eine einfache Feinabstimmung der Vorrichtung möglich.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Verwirbelungskörper gewendel- te Leitschaufeln, die um die Mittelachse des Rohrkanalabschnittes verdreht angeordnet sind und die auf einer zu den Leitschaufeln koaxialen Röhre fest und unlösbar angebracht sind und mit der Röhre einen Verwirbelungseinsatz bilden, der innerhalb des ersten Rohr- kanalabschnittes koaxial zum Rohrkanal angeordnet ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Verwirbelungseinsatz ein im Strangpressverfahren hergestellter Profilabschnitt.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Verwirbelungseinsatz ein Kunststoffspritzgussteil.

Die erfindungsgemäße Geometrie des Verwirbelungseinsatzes ermöglicht eine einfache und sichere Montage im Rohrkanal. Außerdem ist ein derart gestalteter Verwirbelungseinsatz auf die genannten Arten kostengünstig herstellbar.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Verwirbelungskörper durch radial nach innen weisende in axialer Richtung gewendelte Vorsprünge der Wandung des ersten Rohrkanalabschnittes gebildet, die eine vorbestimmte, mit dem ersten Rohrkanalabschnitt und dem übergangsbereich abgestimmte Länge und Steigung aufweisen.

Derartige Vorsprünge lassen sich beispielsweise durch plastische Verformung der Rohrkanalwandung erzeugen. Dadurch ist kein separater Einsatz notwendig.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die erste Strömungsquerschnittsfläche im ersten Rohrkanalabschnitt größer als die Strömungsquerschnittsfläche eines dritten, an den ersten Rohrkanalabschnitt in Strömungsrichtung des Mediums vor dem ersten

Rohrkanalabschnitt angeordneten Rohrkanalabschnitts, wobei der übergang von der Strö-

mungsquerschnittsfläche des dritten Rohrkanalabschnitts in die Strömungsquerschnittsfläche des ersten Rohrkanalabschnitts von dem dem dritten Rohrkanalabschnitt zugeordneten Ende der Verwirbelungskörper um ein vorbestimmtes Maß beabstandet ist.

Die Verwirbelungskörper reduzieren die freie Strömungsquerschnittsfläche um das Maß ihrer Stirnflächen, so dass es beim Auftreffen des Mediums auf die Verwirbelungskörper zu einem Staudruck und damit zu einer unerwünschten Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit kommen kann. Das durch die erfindungsgemäße Anordnung vor den Ver- wirbelungskörpern gebildete Entspannungsvolumen erlaubt dem Medium, den Staudruck auf die Stirnflächen der Verwirbelungskörper zu verteilen. Dadurch wird der Strömungswiderstand im ersten Rohrkanalabschnitt wieder reduziert.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der erste Rohrkanalabschnitt durch einen Aufweitvorgang aus dem Rohrkanal gebildet.

Das Aufweiten, beispielsweise durch Innenhochdruckumformung oder Aufdornen, hat den Vorteil, dass kein zusätzliches Material für den vergrößerten Durchmesser erforderlich ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Durchmesser des zweiten Rohrkanalabschnitts durch Einziehen gegenüber dem Durchmesser des ersten Rohrkanalabschnittes verringert.

Das Einziehen hat den Vorteil, dass keine thermischen Fügeverfahren verwendet werden müssen.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Verwirbelungseinsatz durch eine Presspassung im ersten Rohrkanalabschnitt festgelegt.

Durch Einpressen des Verwirbelungseinsatzes ist eine thermische Verbindung oder ein Einkleben des Einsatzes nicht erforderlich. Das anschließende Einziehen des zweiten Rohrkanalabschnittes sichert den Verwirbelungseinsatz zusätzlich.

Die erfindungsgemäße Lösung schafft eine kostengünstige, einfach zu montierende und effektive Vorrichtung zur Schalldämpfung in Rohrkanälen, mit der die Schallemission beliebiger gepulster Strömungen reduzierbar ist. Vorherige Versuchsphasen oder aufwendige Berechnungen können reduziert werden oder ganz entfallen.

Anhand der Zeichnung wird nachstehend ein Beispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Rohrkanalabschnitt mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 ein symbolisches Diagramm der Geschwindigkeitsverteilung des durch die erfindungsgemäße Vorrichtung strömenden Mediums und

Fig. 3 die durch die Geschwindigkeitsverteilung erreichbare Reduktion von Schwingungsamplituden des strömenden Mediums anhand von Amplitudenhüllkurven

Die Figur 1 zeigt einen Teil eines Rohrkanals mit einem ersten Rohrkanalabschnitt 1, einem zweiten Rohrkanalabschnitt 2 und einem dritten Rohrkanalabschnitt 3 im Längsschnitt. Ein nicht gezeigtes Medium durchströmt die drei Rohrkanalabschnitte 1, 2, 3 zunächst durch den Rohrkanalabschnitt 3, dann durch den Rohrkanalabschnitt 1 und dann durch den Rohrkanalabschnitt 2.

Im Inneren des Rohrkanalabschnittes 1 ist ein Verwirbelungseinsatz 4 koaxial zum Rohrkanalabschnitt 1 angeordnet. Der Verwirbelungseinsatz 4 weist ein rohrförmiges Zentralelement 5 auf, auf dessen Außenflächen auf dem Umfang des Zentralelementes 5 gleich- mäßig verteilt drei Leitschaufeln 6 angeordnet sind. Die Leitschaufeln 6 sind schraubenförmig gewendelt und mit dem Zentralelement 5 unlösbar und fest verbunden. Der Verwirbelungseinsatz weist eine axiale Stirnfläche 7 auf.

Der Außendurchmesser des Verwirbelungseinsatzes 4 ist so bemessen, dass er mit einer Presspassung in den inneren Durchmesser des Rohrkanalabschnittes 1 einpressbar ist. Die Presspassung sorgt für einen festen Sitz des Verwirbelungskörpers 4 im Rohrkanal 1. Ein

Teil des nicht gezeigten Mediums durchströmt den Verwirbelungseinsatz 4 durch das Rohr 5 und der übrige Teil des nicht gezeigten Mediums strömt außen um das Rohr 5 herum und wird von den Leitschaufeln 6 in Rotation versetzt. Der Rohrkanalabschnitt 1 weist eine Strömungsquerschnittsfläche 8 auf, wobei in der Figur der besseren übersichtlichkeit we- gen als äquivalent zu den Strömungsquerschnittsfiächen die korrespondierenden Durchmesser gezeigt sind. Der Rohrkanalabschnitt 3 weist eine Strömungsquerschnittsfläche 9 auf, wobei die Strömungsquerschnittsfläche 9 etwa so groß ist wie die Strömungsquerschnittsfläche 7, vermindert um die Stirnfläche 7 des Verwirbelungskörpers 4. Die für das Medium wirksame Strömungsquerschnittsfläche ist also im Rohrkanalabschnitt 1 etwa so groß wie im Rohrkanalabschnitt 3.

In einem vorbestimmten Abstand von dem dem Rohrkanalabschnitt 2 zugeordneten Ende des Verwirbelungselementes 4 weist der Rohrkanal einen übergangsbereich 10 auf, in dem der Rohrkanalabschnitt 1 mit der Strömungsquerschnittsfläche 8 in den Rohrkanalabschnitt 2 mit einer Strömungsquerschnittsfläche 11 übergeht. Der rotierende Teil des nicht gezeigten Mediums erfährt im übergangsbereich 10 aufgrund des Drallsatzes der Mechanik eine Erhöhung seiner Drehwinkelgeschwindigkeit bei gleichzeitiger, durch den Corioliseffekt bewirkter Reduktion seiner axialen Geschwindigkeit.

Der nicht rotierende Teil erfährt diese Beschleunigung dagegen nicht.

In der Fig. 2 sind die Auswirkungen der genannten Beschleunigungen symbolisch durch ausgewählte Schwingungsamplituden 12 bis 16 und Geschwindigkeitspfeile 17 dargestellt. Die Schwingungsamplituden 12 bis 16 repräsentieren jeweils eine ausgewählte momentane axiale Position des strömenden Mediums, wobei die Schwingungsamplitude 12 den Zustand des Mediums in Strömungsrichtung vor Eintreten in den Bereich des Verwirbelungs- körper 4 darstellt. Die Schwingungsamplitude 13 repräsentiert den Zustand nach dem Eintreten des Mediums in den Bereich des Rohrkanalabschnitts 1 mit dem Durchmesser 7, die Schwingungsamplitude 14 nach dem Auftreffen des Mediums auf den Verwirbelungskör- per 4, die Schwingungsamplitude 15 unmittelbar beim Verlassen des Bereichs des Verwir-

belungskörpers 4 und die Schwingungsamplitude 16 nach dem Durchströmen des übergangsbereichs 10.

Der in jeder Schwingungsamplitude 12 bis 16 am weitesten unten gezeichnete Pfeil reprä- sentiert die axiale Geschwindigkeit im Zentrum der Strömung, der jeweils obere die axiale Geschwindigkeit des Mediums im Randbereich des Rohrkanalabschnitts 1. Bei der Schwingungsamplitude 12 strömen alle Bereiche des Mediums mit annähernd gleicher axialer Geschwindigkeit. Bei der Schwingungsamplitude 13 strömen ebenfalls alle Bereiche des Mediums mit annähernd gleicher axialer Geschwindigkeit. Die Schwingungsamplitude 13 ist jedoch wegen des größeren Durchmessers 7 an dieser Stelle des Rohrkanalabschnittes 1 etwas gedämpft. Bei der Schwingungsamplitude 14 beginnt nach dem Auftreffen des Mediums auf den Verwirbelungskörper 4 das Medium von innen nach außen zunehmend zu rotieren. Dadurch nimmt die axiale Geschwindigkeit vom Zentrum der Strömung zu Rand der Strömung kontinuierlich ab, was durch die versetzte Lage der Pfeil 17 zueinander deutlich wird. Der unterste Pfeil repräsentiert dabei die Geschwindigkeit des nicht rotierenden Mediums im Zentrum der Strömung. Durch zunehmende Rotationsgeschwindigkeit des Mediums längs der Umströmung des Verwirbelungskörpers 4 nimmt die axiale Geschwindigkeit des Mediums nach außen hin weiter ab, was bei der Schwingungsamplitude 15 deutlich wird. Bei der Schwingungsamplitude 16 kommt zusätzlich der Corioliseffekt zum Tragen, der die axiale Geschwindigkeit des Mediums nach dem Durchströmen des übergangsbereichs 10 des Rohrkanalabschnitts 1 noch weiter abbremst.

In Fig. 3 sind die Effekte der Geschwindigkeitsveränderungen aus Fig. 2 auf die Amplituden der Schwingungen anhand von fünf Amplitudenhüllkurven 18 bis 22 dargestellt, wobei die Hüllkurve 18 der Schwingungsamplitude 12 aus Fig. 2 zugeordnet ist und fortlaufend die Hüllkurven 19 bis 22 den Schwingungsamplituden 13 bis 17 aus Fig. 2 zugeordnet sind. Die durch die sinkende Axialgeschwindigkeit des rotierenden Mediums über dem Strömungsweg längs des Verwirbelungskörpers 4 und durch den übergangsbereich 10 ergibt sich eine Verschiebung der jeweiligen Amplitudenmaxima, so dass sich mit der Hüll- kurve 22 am Ende des genannten Strömungsweges eine besonders gut geglättete Schwin-

gungskurve ergibt. Dies führt zu einem deutlichen Absenken des Schallpegels im Rohrkanalabschnitt 1.

Bezugszeichenliste

(Teil der Beschreibung)

1 erster Rohrkanalabschnitt

2 zweiter Rohrkanalabschnitt

3 dritter Rohrkanalabschnitt

4 Verwirbelungseinsatz

5 Zentralelement 6 Leitschaufeln

7 Stirnfläche des Verwirbelungseinsatzes 4

8 Strömungsquerschnittsfläche des ersten Rohrkanalabschnittes 1

9 Strömungsquerschnittsfläche des dritten Rohrkanalabschnittes 3

10 übergangsbereich 11 Strömungsquerschnittsfläche des zweiten Rohrkanalabschnittes 2 12 - 16 Schwingungsamplituden

17 Geschwindigkeitspfeile

18 - 22 Amplitudenhüllkurven