DE1572421B2

DE1572421B2 - Schalldämpfer für das Ansaug- oder Auspuffgeräusch bei unter Druck stehenden, strömenden Gasen

Info

Publication number: DE1572421B2
Application number: DE1572421A
Authority: DE
Inventors: Koichi Hiramatsu; Shunji Yokohama Kanagawa Kobayashi; Sathihiro Kuwabara; Isao Yoshihara
Original assignee: Chiyoda Corp
Current assignee: Chiyoda Corp
Priority date: 1966-08-05
Filing date: 1967-08-03
Publication date: 1975-07-24
Also published as: GB1192194A; GB1196176A; DE1572421A1; US3503465A

Description

Die Erfindung betrifft Schalldämpfer für das Ansaugoder Auspuffgeräusch bei unter Druck stehenden, strömenden Gasen mit einem Einlaßrohr für das Gas, das in einen Außenmantel in Form eines Hohlkegels übergeht, der auf seiner Innenfläche mit einer geräuschdämpfenden Schicht belegt ist, während wenigstens ein Innenkegelkörper koaxial im Außenmantel gehalten und wenigstens auf seiner Innenfläche mit einer geräuschdämpfenden Belagschicht bedeckt ist.

Derartige bekannte Schalldämpfer verwenden als Innenkegelkörper solche, deren Öffnungsrichtung der Öffnungsrichtung des Außenkegels entgegengesetzt ist, womit sich eine sehr starke Erweiterung des Ausströmkanals ergibt, wenn der Dämpfer als Auspuffgeräuschdämpfer verwendet wird. Die mit einer solchen Gestaltung erzielbaren Ergebnisse in der Geräuschdämpfung befriedigen jedoch nicht, wenngleich das bei Geräuschdämpfern ebenfalls angestrebte Ziel eines möglichst geringen Druckabfalls bei einem solchen Dämpfer erreicht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Schalldämpfer oben beschriebener Art mit günstigen Druckverhältnissen zwischen Austritt und Eintritt so weiterzubilden, daß ohne wesentliche Vergrößerung des Rückstaues eine wesentlich bessere Geräuschdämpfung erzielt wird, wobei der Dämpfer darüber hinaus sehr einfach und damit wirtschaftlich herstellbar aufgebaut sein soll. Auch vom Gesichtspunkt der Werkstoffauswahl sollen tunlichst keine besonderen Maßnahmen erforderlich sein.

Diese Aufgabe wird mit der Erfindung in der Weise gelöst, daß der Innenkegelkörper ein Zwischenhohlkegel ist, der die gleiche Öffnungsrichtung wie der Außenkegel hat sowie auch auf seiner Außenfläche einen geräuschdämpfenden Belag trägt und sich darin wiederum koaxial und mit gleicher Öffnungsrichtung ein abermals spitzwinkligerer, mit geräuschdämpfendem Material gefüllter Innenkegel befindet, und daß die Kegelbasisflächen schräg zur Schalldämpferachse verlaufen.

Mit dieser Gestaltung wird Turbulenz im Gasstrom weitgehend unterdrückt, wodurch auch nur ein geringer Druckabfall im Schalldämpfer entsteht bei jedoch infolge der energieabsorbierenden Flächen guter Schalldämpfung, zu welcher auch die schräg zur Dämpferachse verlaufende Abschlußfläche beiträgt.

Es sind zwar Rohrschalldämpfer mit mehreren ineinanderliegenden Hohlzylinder- und Zylinderkörpern großer Wandstärke aus geräuschdämpfendem Material bekannt, denen jedoch die sich durch die Möglichkeit zur Expansion einstellende Dämpferwirkung des erfindungsgemäßen hohlkegelförmigen Schalldämpfers fehlt. Diese mit Schallschluckstoffen gefüllten, großvolumigen Dämpferzylinder sind insbesondere für crtsbewegliche Anlagen, für welche sich die Erfindung eignet, nicht zu gebrauchen.

Als besonders günstig haben sich öffnungswinkel der Kegelkörper zwischen 7 und 33° gezeigt, während eine Schrägneigung der Abschlußfläche von 30 bis 60° gegenüber der Schalldämpferachse gute Ergebnisse gebracht hat.

Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Schemadarstellung eines aus einem geraden Rohr unter Druck ausströmenden Gases in eine Umgebung mit niedrigem Druck,

F i g. 2 einen Längsschnitt, der die Grundform eines bekannten Schalldämpfers zeigt, dessen Außenhülle die Form eines Trichters mit bestimmter Auswärtsneigung aufweist, der an das in F i g. 1 gezeigte gerade Rohr angeschlossen ist und der durch die Erfindung v'erbessert werden soll,

F i g. 3 eine perspektivische Ansicht eines Schalldämpfers nach der Erfindung,

F i g. 4 einen Längsschnitt durch den Schalldämpfer nach F i g. 3,

F i g. 5 einen Ausschnitt in Vergrößerung aus dem Schalldämpfer nach F i g. 4,

F i g. 6 einen Querschnitt nach Schnitt VI-VI in F i g. 6,

F i g. 7 eine graphische Darstellung der Schalldämpfurig des erfindungsgemäßen Dämpfers.

Wird eine Gasmenge unter einem bestimmten ersten Druck durch ein gerades Rohr frei in eine unter einem zweiten Druck stehende Atmosphäre ausgestoßen, deren Druck geringer ist als der erste Druck, so breitet sich die Gasmenge etwa unter einem Kegelwinkel α aus, welcher durch die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck bestimmt ist und der etwa zwischen 10 und 40° liegt. Mit zunehmendem Abstand des Gases von der Ausstoßöffnung nimmt die Gasgeschwindigkeit ab, bis sie schließlich Null ist.

Ein derartiger Gasausstoß ist von starkem Geräusch begleitet, das durch die bei der Gasabgabe entstehende Turbulenz hervorgerufen wird. Genauer gesagt wird die Turbulenz oder werden die Wirbel durch die Geschwindigkeitsdifferenz an der Grenzfläche des ausströmenden Gases und der umgebenden, ruhenden Gasmenge und durch Geschwindigkeitsdifferenzen in der strömenden Gasmenge selbst hervorgerufen. Die

Umwandlung dieser turbulenten Strömung in Schwingungsenergie ist für die hohe Geräuschentwicklung maßgebend. Es kann deshalb eine Maßnahme, die die mögliche turbulente Strömung an der Grenzfläche und innerhalb des ausströmenden Gases unterdrückt, mit Erfolg für die Geräuschdämpfung angewendet werden.

Der Schalldämpfer, an dem die Erfindung verwirklicht wird, weist eine äußere Umhüllung auf, die so geformt ist, daß der Querschnitt des Gasstromes in der Strömungsrichtung in dem Maße zunimmt, wie der durch den öffnungswinkel des Ausströmkegels des unter Druck aus einem Rohr ausströmenden Gases vorgegeben ist, wobei die Innenfläche dieses Mantels, also die Fläche, mit der das Gas, dessen Geräusch gedämpft werden soll, in Verbindung steht, mit einem geräuschdämpfenden Belag beschichtet ist und in sich aufgenommen ein oder mehrere kegelförmige Leitelemente trägt, die den Gasstrom in mehrere konzentrische Ströme unterteilen.

Der Grundgedanke der Erfindung soll zunächst an Hand der F i g. 1 erläutert werden. Wird ein Gas unter Druck aus einem geraden Rohr 1 ausgestoßen, so breitet es sich unter einem Strömungswinkel <x aus, und die Geschwindigkeitsverteilung auf den einzelnen Querschnitten senkrecht zur Strömungsrichtung ist durch die unterbrochenen Linien 5 angedeutet. Der Geschwindigkeitsgradient im Gasstrom nimmt mit fortschreitender Entfernung von der Ausströmöffnung ab und wird an der Stelle, wo sich das Gas vollkommen mit der umgebenden Atmosphäre vermischt hat, Null.

Da der Geschwindigkeitsgradient an der Trennschicht 2 zwischen dem ausströmenden Gas und der Außenluft 3 in jedem Querschnitt ein Maximum ist, entstehen in dieser Schicht 2 Wirbel von besonders großer Intensität. Die Energie dieser Wirbel nimmt mit zunehmendem Abstand von der Ausstoßöffnung des geraden Rohres 1 ab, bis auch die Wirbel schließlich vollkommen verschwunden sind.

In einem Schalldämpfer gemäß der in der F i g. 2 gezeigten Grundform ist ein Außenmantel 7 mit dem geraden Rohr 1 an seiner engsten Stelle verbunden und stellt einen auswärts sich unter bestimmtem Winkel öffnenden Trichter dar. Wird der öffnungswinkel gleich dem Strömungsöffnungswinkel α gewählt, der sich bei der offenen Ausströmung des Gases aus dem Rohr 1 ergibt, so fällt die Innenfläche des Trichters 7 mit der Trennfläche 2 bei der offenen Ausströmung zusammen. Es wird dadurch die direkte Berührung zwischen dem ausströmenden Gas und der umgebenden Luft 3 verhindert, da die Mantelfläche 7 des Trichters eine Trennung darstellt, so daß keine Zone von turbulenter Strömung im Grenzbereich entstehen kann.

Es wird auf diese Weise die Geräuschentwicklung gemindert. Außerdem wird dadurch, daß die Mantelfläche 7 dem öffnungswinkel des ausströmenden Gases gleich oder etwa gleich ist, verhindert, daß in dem ausströmenden Gas ein Rückstau auftritt.

Das ausströmende Gas strömt durch den Trichter 7, und seine Geschwindigkeit nimmt langsam so weit ab, daß sie an der Austrittsstelle 8 des Trichters 7 erheblich vermindert ist und dadurch das an dieser Stelle entstehende Geräusch sehr schwach wird.

Der Geschwindigkeitsgradient an der Innenfläche des Außenmantels 7 ist immer noch sehr groß und erzeugt Lärm von hoher Intensität. Folglich wird als Geräuschdämpfung die gesamte Innenfläche des Mantels 7 mit einem geräuschschluckenden Belag 9 bestimmter Dicke ausgelegt, wie bereits an früherer Stelle erwähnt.

Der geräuschschluckende Belag 9 nimmt den überwiegenden Teil des an der bereits genannten Trennfläche entstehenden Lärms auf und dient zugleich dazu, das Geräusch zu schlucken, das durch den Geschwindigkeitsgradienten im Gasstrom selbst entsteht. Die Geschwindigkeitsverteilung über einen Querschnitt im Innern des Schalldämpfers ist in der Fi g. 2 durch die gestrichelt gezeichnete Linie 5a wiedergegeben, die die Hüllkurve der einzelnen Geschwindigkeitskomponenten 10—1,10—2 usw. über den Querschnitt darstellt.

Der verhältnismäßig einfach aufgebaute Schalldämpfer nach F i g. 2 erbringt jedoch noch keine zufriedenstellende Geräuschdämpfung. Dies kann mit Hilfe der Erfindung erreicht werden.

Bei einem in den F i g. 3 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung weist der Schalldämpfer ein Einlaßrohr 15 zur Aufnahme eines komprimierten Gases oder Dampfes, also allgemein einer Flude, auf, das in die äußere Mantelfläche 7 übergeht, die den gesamten Schalldämpfer umgibt. Das Einlaßrohr 15 ist mit einem Flansch 15a an seinem Einlaßende versehen, mit dem es am (nicht gezeigten) Auslaßrohr für die Flude befestigt wird.

Das Einlaßrohr 15 nimmt an Durchmesser geringfügig zu, so daß das Flächenverhältnis zwischen Einlaßende und Auslaßende etwa zwischen 1 :1 und 1 :2 liegt. Der geräuschdämpfende Aufbau ist konzentrisch und setzt sich aus einem zentralen Rohr 7c, einem Zwischenrohr Tb und einem äußeren Mantelrohr 7 zusammen, wobei das Innenrohr und das Zwischenrohr Tc bzw. Tb im Außenrohr 7 koaxial mittels Streben 14 gehalten werden. Das Ausströmende 16 des Schalldämpfers ist schräg abgeschnitten, und die Endfläche bildet mit der Längsachse der Anordnung einen Winkel zwischen 30 und 60°.

Während hier ein einziges Innenrohr Tc und ein einziges Zwischenrohr Tb gezeigt sind, können auch zwei oder mehrere Zwischenrohre verwendet werden, was ganz von dem geforderten Dämpfungseffekt abhängig ist.

Wie die F i g. 5 zeigt, ist die Außenfläche 7 ein aus einem mechanisch sehr festen Material wie Stahl bestehender Trichter, dessen gesamte Innenfläche mit einem geräuschdämpfenden Belag 12 wie etwa Glasfiber oder Asbest belegt ist. Die Innenfläche des Dämpfungsbelages 12 ist außerdem mit einem Schutzbelag 13 aus durchlöchertem Blech od. dgl. versehen, die den geräuschdämpfenden Belag 12 gegen Erosion schützt.

Das Zwischenrohr Tb ist ein ähnlicher Trichter aus Stahl und weist auf der gesamten Innen- und Außenfläche einen geräuschdämpfenden Belag 12 ähnlich dem Belag des Außentrichters 7 auf, wobei auch der Belag 12 des Zwischenrohres mit Schutzschichten 13 überzogen ist

Das Innenrohr Tc besteht aus einem Außenmantel 13a aus durchlässigem Plattenmaterial, das einen sehr spitzen Trichter bildet, der mit einem geräuschdämpfenden Werkstoff 12a angefüllt ist.

Das Ausstoßende 16 des Geräuschdämpfers ist schräg unter einem Winkel von 30 bis 60° zur Geräuschdämpferachse abgeschnitten, so daß dadurch Resonanzeffekte einzelner Frequenzen innerhalb der Trichterschalen vermieden werden, und die dadurch erreichte Vergrößerung des Austrittsquerschnittes macht es möglich, daß die Austrittsgeschwindigkeit des Gases am Schalldämpfer weiter sinkt Außerdem braucht der Fludenstrom im Schalldämpfer selbst nirgends umgelenkt zu werden, so daß dadurch keine Reaktionskräfte

auftreten.

Bei dem beschriebenen Schalldämpfer tritt das unter Druck stehende Gas über das Eintrittsrohr 15 zu und in die Geräuschdämpfungsanordnung hinein. Das Gas strömt dann durch den Schalldämpfer, wobei seine Geschwindigkeit allmählich abnimmt. Dabei wird das Gas der Dämpfungswirkung unterworfen, wobei es, wenn es das Ausströmende 16 erreicht hat, seine kinetische Energie verloren hat und der entstandene Lärm sehr gemindert ist.

Die Hauptabmessungen und Gestaltungen des oben beschriebenen Schalldämpfers sind etwa in der folgenden Weise bestimmt. Der öffnungswinkel der einzelnen Trichter liegt im Bereich zwischen 7 und 33°, also um 3 bis 10° kleiner als der Gasstrom-Öffnungswinkel bei dem bestimmten Druckunterschied, der etwa 10 bis 40° betrug. Der Querschnitt am Abgabeende 16 ist so bemessen, daß die Geschwindigkeit des ausströmenden Gases unter dem Wert von 6 m/sec liegt. Die Länge L des Schalldämpfers wird ebenfalls nach dem Grad der Geräuschdämpfung ausgewählt, von dem auch die Zahl der ineinanderliegenden Trichter abhängt.

Die Wirksamkeit in der Geräuschdämpfung bei einem Schalldämpfer nach der Erfindung wird durch die Ergebnisse nach F i g. 7 wiedergegeben. Die Linie A ist eine der Linien einer Linienschar, die Punkte gleichen Schalldruckes miteinander verbindet und die bei verschiedenen Frequenzen dem menschlichen Ohr als gleich laut erscheinen. Sie geben also den Lärmpegel wieder. Die mit NRN bezeichnete Ziffer ist der Wert des Schalldruckes bei einer Frequenz von 1000 Hz.

Die Kurve B in der F i g. 7 zeigt den Lärmpegel einer bestimmten Lärmquelle (hier die mit einer Durchflußmenge von 3 t/h aus einer etwa 5 cm im Durchmesser großen öffnung ausströmende Dampfmenge unter einem Druck von 10 kg/cm²), deren Lärm in 8 m Entfernung direkt vor der Ausströmöffnung gemessen wurde.

Auf die Ausströmöffnung wurde ein Schalldämpfer gemäß der Erfindung gesetzt. Der Schalldämpfer weist einen äußeren, einen zwischenliegenden und einen inneren Trichter auf und hat eine Gesamtlänge von 1,4 m. Der Durchmesser der Einlaßöffnung beträgt 5 cm, der Trichterwinkel 6° und das Schalldämpferende ist unter 45° zur Schalldämpferachse schräg abgeschnitten. Die Dampfausströmmenge entspricht derjenigen, unter der die Kurve B gemessen wurde, und das gemessene Geräusch, das am selben Aufnahmepunkt aufgenommen wurde, ergab eine wesentliche und zufriedenstellende Verminderung, die in der Kurve C wiedergegeben ist.

Während die Erfindung hier im Zusammenhang mit einem Gasausstoß betrachtet wurde, versteht es sich, daß sie gleichfalls angewendet werden kann, um das Ansauggeräusch eines Gases mit gleicher Wirksamkeit zu dämpfen.

Der Schalldämpfer nach der Erfindung hat die folgenden Vorteile:

1. Da die Strömungsrichtung der Flude sich nicht ändert, ist der Druckverlust im Schalldämpfer sehr gering. Wenn z. B. der Schalldämpfer dazu benutzt wird, das Geräusch beim Abblasen eines Sicherheitsventils zu mindern, wird die Einstellung des Abgabedrucks des Sicherheitsventils dadurch erleichtert.

2. Da während der Durchströmzeit des Gases keine Reaktionskraft erzeugt wird, können die Befestigungsteile des Schalldämpfers einfacher gestaltet werden, und die Handhabung des Schalldämpfers wird dadurch ebenfalls erleichtert.

3. Mit dem einfach aufgebauten und verhältnismäßig kleinen Schalldämpfer wird eine starke Geräuschunterdrückung erzielt.

4. Da der Aufbau einfach und die Gesamtabmessungen klein sind, kann der Schalldämpfer dem gewünschten Grad an Geräuschdämpfung sehr gut angepaßt werden.

Der erfindungsgemäße Schalldämpfer hat mit seinen verschiedenen Ausführungsformen ein sehr großes Anwendungsfeld. Ein typischer Anwendungsbereich ist die Geräuschdämpfung eines Axialgebläses bei einem luftgekühlten Wärmeaustauscher.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schalldämpfer für das Ansaug- oder Auspuffgeräusch bei unter Druck stehenden, strömenden Gasen mit einem Einlaßrohr für das Gas, das in einen Außenmantel in Form eines Hohlkegels übergeht, der auf seiner Innenfläche mit einer geräuschdämpfenden Schicht belegt ist, während wenigstens ein Innenkegelkörper koaxial im Außenmantel gehalten und wenigstens auf seiner Innenfläche mit einer geräuschdämpfenden Belagschicht bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkegelkörper ein Zwischenhohlkegel (7b) mit gegenüber dem Außenmantel kleinerem Scheitelwinkel ist, der die gleiche Öffnungsrichtung wie der Außenkegel (7) hat sowie auch auf seiner Außenfläche einen geräuschdämpfenden Belag (12) trägt und sich darin wiederum koaxial und mit gleicher Öffnungsrichtung ein abermals spitzwinkligerer, mit geräuschdämpfendem Material (12) gefüllter Innenkegel (7c) befindet, und daß die Kegelbasisflächen (16) schräg zur Schalldämpferachse verlaufen.

2. Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungswinkel des Außenkegels (7), der Zwischenkegel (7b) und des Innenkegels (7c) zwischen 33 und 7° betragen.

3. Schalldämpfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den schrägen Kegelbasisflächen (16) und der Schalldämpferachse eingeschlossene Winkel 30 bis 60° beträgt.