DE2410231B2 - Einrichtung zur Verhinderung von Strömungsgeräuschen in Rohrströmungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Verminderung von Strömungsgeräuschen in Rohrströmungen, mit einer in Höhe oder stromab einer Unstetigkeitsstelle, insbesondere einer Drosselstelle, angeordneten, beströmten, die Strömung laminarisierenden mechanischen Struktur, von welcher mehrere Strömungsquerschnitte durch zwischen diesen verlaufende Strukturelemente begrenzt sind. Die Geräuscheerzeugung durch Strömungsmaschinen, also insbesondere durch Ventile, Schieber und andere Drosselorgane, stellt ein derzeit stark beachtetes Problem dar. Bei bekannten Regel- und Drosselorganen in Strömungsmaschinen wird versucht, das strömungs mechanisch entstehende Geräusch durch Schalldäm mung oder Schalldämpfung zu vermindern. Solche Maßnahmen zur Schalldämmung und Schalldämpfung sind jedoch in den meisten Fällen zur wirksamen Herabsetzung des Geräusches nicht oder nur für enge Bereiche ganz bestimmter Strömungszustände geeignet

Es ist bekannt, daS insbesondere instationäre Zustände in Strömungen für die erzeugten Schwingungen, insbesondere Geräusche, verantwortlich sind. Mit

>o der Vermeidung von instationären Strömungszuständen können alle Nebeneffekte solcher Zustände, insbesondere die Anregung von Vibrationen, Schwingungen des Strömungsorgans, Körperschall und Geräuscherzeugung, ausgeschlossen werden. Die wichtigsten instatio- nären Strömungszustände sind Turbulenzen in Strömungsgrenzschichten und homogenen Strömungsfeldern oder an freien Oberflächen des Strömungsmediums, b?i Flüssigkeiten die Kavitation, welche im allgemeinen dann auftritt, wenn der statische Druck in

in der Flüssigkeit den Dampfdruck unterschreitet, und gesteuerte Strömungsinstabilitäten, d. h. Schwingungsund Schwankungsbewegungen, die durch im oder am Strömungsweg angeordnete Steuerungs- und Rückkopplungsmechanismen entstehen. Die gesteuerten Strömungsinstabilitäten sind meist an das Vorhandensein freier Grenzschichten (wie im Fall der periodischen Wirbelablösung, der Pfeifen- und Schneidentöne sowie der Oberflächenwellen) oder an andere Inhomogenitäten im Sfömungsfeld (wie z. B. Verdichtungsstößen in Überschallströmungen) gebunden. Durch die Kavitation — vor allem in Wandnähe — wird nicht nur selbst Geräusch erzeugt, sondern sie führt auch zu geräuscherzeugenden Nebeneffekten, vor allem zur Instabilität und damit zu Schwankungsbewegungen der Flüssigkeitsteil j chen in den freien Oberflächen an der Dampfblase sowie zu Druckwellen, die beim Zusammentreffen freier Flüssigkeitsoberflächen entstehen.

In diesem Zusammenhang ist ein Druck-Reduzierventil zur geräusch- und vibrationsarmen Drosselung strömender gasförmiger Medien bekannt (Sonderdruck aus »Mitteilungen der Vereinigung der Großkesselbesitzer«, Heft 41, April 1956; DE-PS 10 67 653), für dessen Gestaltung von der Überlegung ausgegangen wird, daß durch einen ungeregelten Zerfall von Freistrahlen und

j") durch eine Freistrahlvermischung Geräusche und Vibrationen hervorgerufen werden und daß eine Freistrahlbildung und Freistrahlvermischung vermieden werden kann, wenn die Druckentspannung des gasförmigen Mediums in einem labyrinthartigen Verzwei-

hi ι gungssystem unter ständigen Richtungs- und gegebenenfalls Geschwindigkeitsänderungen durch innere molekulare Reibung erfolgt. Hier wird somit die Verminderung von Strömungsgeräuschen durch zusätzliche Bildung von Turbulenzen erreicht.

Es ist jedoch auch bekannt eine Geräuschminderung durch Abschwächung oder Unterbindung von Wirbelbildungen zu erreichen, die Strömung also möglichst zu laminarisieren. Hierzu wird die Strömung durch

parallele Kanäle, schmale Spalte oder Schüttungen körniger Substanzen geleitet Durch solche im Strömungsweg angeordneten beströmten mechanischen Strukturen läßt sich ein gleichrichtender Einfluß auf die Strömung und die Umwandlung von kinetischer Strömungsenergie in Wärme durch Reibung an den beströmten Strukturelementen erreichen. Hierzu ist regelmäßig die Aufteilung der Strömung in möglichst viele kleine Zweigströme und die Länge der Slrömungswege in der Struktur von Bedeutung. Mit einer solchen Umwandlung von Strömungsenergie in Wärme ist jedoch stets ein verhältnismäßig hoher Verlust an Strömungsenergie verbunden.

Wenn es jedoch gelingt, eine sogenannte zähe Strömung zu erhalten, bei welcher durch die Zähigkeitskräfte des strömenden Mediums dessen instationären Schwankungsbewegungen unterdrückt werden, können auch ohne wesentliche Umwandlung von kinetischer Strömungsenergie in Wärme zur Geräusch- und Schwingungserzeugung führende instationäre Strömungszustände verhindert werden.

Durch die Erfindung wird daher die Aufgabe gelöst, eine Einrichtung zur Verminderung von Strömungsgeräuschen durch Verhinderung von Strömungsturbulenzen und dergleichen instationären Strömungszuständen durch Ausbildung einer zähen Strömung zu schaffen.

Dies wird erfindungsgemäß bei einer Einrichtung der eingangs erwähnten Art dadurch erreicht, daß als Struktur eine Struktur kleiner Reynoldszahl vorgesehen ist, welche durch die quer zur Strömungsrichtung gemessenen Minimalabmessungen ihrer quer angjströmten Strukturelemente oder ihrer Strömungsquerschnitte den laminaren Strömungszustand einer Reynoldszahl kleiner 10³, vorzugsweise im Bereich von eins, erzwingt

Im Sinne der Erfindung werden somit die mit der Rohrströmung in Berührung kommenden mechanischen Strukturen, wie Drosselstrukturen, mit solchen Abmessungen ausgestattet, daß für diese Strukturen die Reynoldszahl, gebildet aus der Strömungsgeschwindigkeit in der Struktur, die für die Strömung charakteristische Abmessung der Strukturelemente oder der durch diese gebildeten Strömungskanäle, und der kinematischen Zähigkeit, möglichst klein ist. Durch eine kleine Reynoldszahl, die bestimmte typische Werte unterschreitet, lassen sich laminare Strömungszustande in der Struktur und die Erzeugung des Widerstandes der Struktur durch eine zähe Durchströmung der Struktur erreichen. Diese zähe Durchströmung der Struktur ist dadurch gekennzeichnet, daß instationäre Strömungsvorgänge in der Struktur nicht auftreten können und damit eine Geräuscherzeugung nicht stattfindet. Die Reynoldszahl soll möglichst in der Größenordnung von eins liegen. Aber auch bei größeren Werten — etwa bei 100 oder 1000 — lassen sich störende Strömungsgeräusche noch wirksam vermeiden.

Für die erfindungsgemäß erzielte Laminarisierung der Strömung ist daher nicht die Länge von in der beströmten Struktur gebildeten Strömungskanälen primär verantwortlich, sondern die quer zur Strömungsrichtung gemessene, für den Strömungszustand charakteristische Abmessung, nämlich die Querschnittsweite von Durchtrittsöffnungen in der Struktur bzw. die Querschnittsdicke der quer angeströmten, beidseitig umströmten Strukturelemente, jenachdem, ob die Querschnittsweite der Durchtrittsöffnungen oder die Querschnittsdicke der StrukUirelemente die kleinere Abmessung ist

Die Erfindung läßt sich somit z. B. in Teilen einer Strömungsmaschine anwenden, wo hohe ReynoJdszahlen erreicht werden und damit die Strömung nach einer gewissen Lauflänge anfängt, turbulent zu werdea in diesem Fall kann im Sinne der Erfindung die Strömung mit hoher Reynoldszahl — also z. B. ein Freistrahl oder eine schnelle Kanalströmung — mit Strukturen, deren Umströmung eine kleine Reynoldszahl zuzuordnen ist, in Berührung gebracht werden. Dm ch geeignete

iü Anordnung und räumliche Dichte dieser Slrukturelemente läßt sich ein Zähigkeitseinfluß in die Strömung einbringen, der die Nebenbewegung der Strömung stark dämpft und damit die Entstehung von Turbulenz verhindern kann oder, falls bereits Turbulenzfelder gebildet sind, diese wieder verschwinden läßt Ein zusätzlicher Widerstand für die Grundströmung muß hier zwar in Kauf genommen werden, jedoch hat sich in der Praxis gezeigt daß oft schon mit verhältnismäßig geringen Dichten der eingelagerten Struktur kleiner Reynoldszahl ein Verschwinden des Turbulenzfeldes erreicht werden kann, ohne daß der Widerstand für die Grundströmung große Werte erreicht

Um etwa in einer Rohrströmung einen kleinen Strömungswiderstand zu erzeugen, kann man einen

>~> hinreichend dünnen zylindrischen Faden oder Draht verwenden, der quer zur Strömungsrichtung ausgespannt ist Die charakteristische Abmessung für die Reynoldszahl ist hierbei der Durchmesser des Drahtes oder Fadens. Zur Regelung und Erhöhung des in die

in Strömung eingebrachten Widerstandes kann die Anzahl der ausgespannten Drähte vermehrt werden, wobei die Reynoldszahl, gebildet mit dem Drahtdurchmesser und der Geschwindigkeit im Bereich der Drahtstruktur, durch geeignete Maßnahmen, wie räumlich gestaffelte

Γ) Anordnung der Drähte oder Erweiterung des Rohrquerschnittes, auf einem geeigneten Wert gehalten ist. Erzielt man schließlich einen Drosselzustand, bei dem der Abstand der Drähte voneinander kleiner als ihr Durchmesser wird, ist die Reynoldszahl mit der Weite

m der zwischen den Drähten verbleibenden Kanäle zu bilden. Den Extremfall sehr großen Strömungswiderstandes mit laminarer zäher Durchströmung bildet in diesem Beispiel ein Faservlies, welches in den Rohrquerschnitt eingespannt ist.

ι ί Durch Anwendung des Prinzips der kleinen Reynoidzahl wird in den meisten Fällen auch ein kavitationsfreier Beirieb des Drosselorgans gewährleistet, weil durch die Anwendung des Prinzips hohe Übergeschwindigkeiten, die zur Absenkung des statischen Druckes unter den

ίο der Abströmung führen, mit Sicherheit vermieden werden können. Dadurch unterbleibt die Schwingungsund Geräuscherzeugung durch Kavitation, die mit den instationären Zerfallerscheinungen der Kavitationsblasen gekoppelt ist.

r> Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Struktur kleiner Reynoldszahl läßt sich in großer Anwendungsbreite verwenden. Sie kann insbesondere selbst als Drosselorgan verwendet werden, kann jedoch auch allein zu dem Zweck angewendet werden, das instationäre Strömungsverhalten in einer Strömungsmaschine von vornherein zu verhindern oder durch nachträglichen Einbau nachträglich zu beseitigen. Hier dient somit die Struktur kleiner Reynoldszahl lediglich der Stabilisierung des Strömungsverhaltens. Oft ist es hierzu zweckmäßig, die in Strömungsrichtung gemessenen Abmessungen der Struktur kleiner Reynoldszahl groß zu machen und diese aus Fasern, Fäden oder Drähten herzustellen, bei denen sich kleine Durchmesser der

Strukturelemenie leicht mit kleinen Strukturdichten kombinieren lassen. Diese Strukturen werden dabei vorzugsweise in den Gebieten, die von der Strömungsinstabilität besonders betroffen sind, angeordnet, z. B. hinter dem Austrittspalt eines Schiebers, und zwar besonders in dem Bereich, in dem der Schieber mit kleinen Austrittsspalten arbeitet, in und an der Grenze von Ablösungsgebieten der Strömung sowie an Stellen in Gasströmungen, an denen instationäre Verdichtungsstöße Schwankungsenergie erzeugen. Oft kann es dabei zweckmäßig sein, die Struktur kleiner Reynoldszahl nicht unmittelbar in die Gebiete mit größter Strömungsgeschwindigkeit einzubringen, weil die Struktur dort durch die Reibungskräfte zu stark belastet würde, sondern die Struktur kleiner Reynoldszahl in dem eigentlichen Vermischungsgebiet von Haupt- und Nebenströmung anzuordnen, welches im allgemeinen nicht mit den Gebieten größter Strömungsgeschwindigkeit zusammenfällt, denn in diesen Vermischungsgebieten gerade werden die größten Schwankungsenergien erzeugt, so daß gerade hier eine Struktur kleiner Reynoldszahl zu wirksamer Absenkung des Geräuschpegels führt. Es ist aus obigem ersichtlich, daß die Struktur kleiner Reynoldszahl nicht immer den gesamten Strömungsquerschnitt ausfüllen muß, sondern daß auch eine Anordnung der Struktur in Teilen des Strömungsquerschnittes vorteilhaft sein kann.

Die Erfindung ist für die Geräuschminderung strömender Gase und Flüssigkeiten gleichermaßen gut geeignet. Durch Anwendung der Erfindung läßt sich die erzeugte Geräuschleistung bei geringfügigen Änderungen bekannter Strömungsorgane auf ein Zehntel bis ein Tausendstel vermindern. Die Erfindung erlaubt darüberhinaus den geräuscharmen Betrieb von Strömungsorganen, insbesondere Drosselorganen, bei stark veränderbaren Strömungsdurchsätzen.

Durch die Anordnung der Struktur kleiner Reynoldszahl können nicht nur störende Geräusche, sondern insbesondere auch schädliche oder störende Schwingungen und Vibrationen von vornherein ausgeschaltet oder nachträglich beseitigt werden, wobei sich der Erfolg in manchen Fällen durch eine Vielfachanordnung von Strukturen kleiner Reynoidszahi verbessern läßt. Ein weiteres bevorzugtes Anwendungsgebiet ist der Einbau erfindungsgemäßer Strukturen in Mehrwegventile oder dergleichen.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand jeweils der Ansprüche 2 bis 9.

Wenn gemäß der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 eine Regelöffnung, die als Unstetigkeitsstel-Ie für die Strömung wirkt, in einen sich stromab verengenden Keilspalt innerhalb der Struktur kleiner Reynoldszahl übergeht, sind für die Austrittsströmung aus der Regelöffnung die Grenzschichten am Stromumfang durch die Begrenzung des Keilspaltes gebunden, so daß hier freie Grenzschichten und damit Rückströmgebiete und Unstegigkeitsflächen vermieden werden, welche generell zum instabilen Verhalten der Strömung und daher zur Geräuscherzeugung neigen. Die Austrittsströmung wird durch die umgebende Struktur kleiner Reynoldszahl praktisch abgesaugt und beim Durchgang durch die Struktur laminarisiert und somit turbulenzfrei abgeführt

Die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 erbringt die zusätzliche Wirkung, daß durch den gezackten Verlauf der Regelöffnung das Strömungsfeld fächerartig ausgebreitet wird. Die von instationären Strömungen erzeugte Leistung der Schwankungsbewegung der Strömung, also insbesondere die abgegebene Schwingungs- und Schalleistung, ist bei geeigneter Wah von Ähnlichkeitsparametern dem Volumen des ^stationären Strömungsfeldcs proportional. Da die Frequenzen, bei denen die Schwankungsbewegung abstrahlt umgekehrt proportional zu einer charakteristischen Abmessung des instationären Strömungsgebietes sind kann man durch Verkleinern der charakteristischen Abmessungen des instationären Strömungsgebietes durch dessen Aufteilung in kleinere Strömungen die abgestrahlte Gesamtleistung verkleinern und zugleich in den Bereich höherer Frequenzen verlagern, die unter Umständen nicht mehr höhrbar sind oder subjektiv weniger stark gehört werden. Überdies werden in der Regel höhere Schwingungs- und Schallfrequenzen im Strömungsorgan besser gedampft bzw. lassen sich durch höhere Schwingungs- und Schallfrequenzen in der Regel auch Anregungen mechanischer Resonanzen in Strömungsmaschinen vermeiden. Durch die Aufteilung der Strömung in kleine Strömungszweige wird außerdem eine gegenseitige Abschirmwirkung der Strö mungszweige erzielt, wodurch häufig die Schwingungsund Geräuscherzeugung noch wirksamer als durch Verlagerung der Geräuschfrequenzen vermieden wird.

Auch die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 8 macht durch die Durchtrittsspalte an den Scheiteln dei von den Scheibenfedern im Anschluß an die Struktui kleiner Reynoldszahl gebildeten Keilräume von derr Prinzip der Strahlaufteilung Gebrauch, wobei die vor den Durchtrittsspalten gebildeten feinen Strahlen sich an die Begrenzungsflächen der Keilräume anleger können und so Unstetigkeitsflächen, welche Vermi schungsturbulenz erzeugen, vermieden werden können.

Die Erfindung wird anhand einiger ausgewählte! Ausführungsformen erläutert, welche schematisch au· der Zeichnung ersichtlich sind. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 bis 3 ein Drosselventil, bei welchem irr Drosselquerschniit eine Struktur kleiner Reynoldszah vorhanden ist,

F i g. 4 eine Ausführungsform in Art eines Durch gangsventils,

F i g. 5 und 6 eine Ausführungsform in Art eines axia durchströmten Tellerventils,

F i g. 7 und 8 eine weitere Ausführungsform eine: Durchgangsventils,

F i g. 9 eine Ausführungsform eines Doppelschieber ventils,

Fi g. 10 eine Überschallregeldüse mit nachgeschalte ter Struktur kleiner Reynoldszahl,

Fig. 11 bis 13 eine weitere Ausführungsform eine: Doppelschieberventils mit nachgeschalteter Struktui kleiner Reynoldszahl und

F i g. 14 und 15 ein Drosselventil mit einer Blendenöff nung und in diese eingreifendem Regeldorn.

Die Ausführungsform nach den F i g. 1 und 2 is exemplarisch für solche Anordnungen, bei denen dei volle Rohrquerschnitt in der Drosselstrecke erhaltei bleibt Derartige Anordnungen haben den Vorzug, dal bei inkompressiblen Medien, z.B. Flüssigkeiten, ai keiner Stelle die Strömungsgeschwindigkeit wesentlich abgeändert wird und bei kompressiblen Medien ein( stetige und monotone Anpaßung des Eintrittszustande: an den Austrittszustand bewirkt wird.

Bei konstantem Widerstandsvolumen in der Drossel strecke kann nach den F i g. 1 und 2 die Veränderung de! Widerstands zur Regelung des Durchflusses in Drosselorgan dadurch erreicht werden, daß eine poröse aber kompressible Struktur 1 kleiner Reynolszahl durch

eine geeignete Druckvorrichtung 2 zusammengepreßt wird, so daß die in der porösen Struktur 1 vorhandenen Kanäle je nach Stellung der Druckvorrichtung unterschiedliche Weite haben. Sind die Elemente der Struktur 1 bzw. die von der Struktur t gebildeten Kanäle — je nachdem, welche ihrer Abmessungen die kleinere ist — hinreichend klein gewählt, so kann für alle gewünschten Durchflußgeschwindigkeiten das Prinzip der kleinen Reynoldszahl gewährleistet sein.

In der Ausführungsform nach Fig. 1 ist das das Strömungsmedium führende Rohr 4 von einer rechtekkigen Kammer 5 unterbrochen, in welcher eine plattenförmige Struktur 1 kleiner Reynoldszahl geführt ist. Die Struktur 1 durchquert das Rohr 4 und kann mittels der in der Kammer 5 geführten, als Schieber ausgebildeten Druckvorrichtung 2 quer zum Rohr zusammengepreßt oder ausgedehnt werden. Beidseitig der Struktur I sind im Rohr Stützstrukturen 3 angeordnet, welche die Struktur 1 auf gleicher Dicke halten. Diese Stützvorrichtungen bestehen vorzugsweise aus wabenförmigen Blech- oder Kunststoffstrukturen ähnlich den bekannten Strömungsgleichrichtern, aus Gitterrosten oder Sintermaterialien.

Als Materialien für die Struktur 1 kleiner Reynoldszahl sind beispielsweise Haar- oder Drahtfilze, Gummi- kugeln, offenporige Schaumstrukturen oder sonstige kompressible gepackte Strukturen, wie in F i g. 1 durch die Schraffur angedeutet, oder plattenförmige Stapel aus federnden und begrenzenden Elementen, wie Gitter aus dünnen, miteinander verbundenen gewellten Blechstreifen wie nach F i g. 3 geeignet. Die Materialien für die Struktur 1 sind vorzugsweise so gewählt, daß die Poren der Struktur völlig geschlossen sind, wenn die Druckvorrichtung 2 den Rohrquerschnitt erreicht hat. Die Stützstrukturen 3 können gegebenenfalls entfallen, wenn die Struktur 1 eine ausreichende Eigensteifigkeit hat

In Abwandlung der Ausführungsform nach F i g. 1 können anstelle der die Struktur 1 quer zur Rohrachse verformenden Druckvorrichtung 2 auch eine oder beide der Stützstrukturen 3 als Druckvorrichtungen verwendet werden, so daß die Struktur 1 dann in Strömungsrichtung zusammengedrückt oder gedehnt wird und damit die Durchströmdicke und gegebenenfalls gleichzeitig der freie Durchgangsquerschnitt der Struktur 1 verstellt wird.

Bei dem Durchgangsventil nach F i g. 4 sind auf den Ventilsitz Ringe aus Sintermaterial zur Ausbildung der Struktur 1 kleiner Reynoldszahl aufgestapelt. Der Ventilstößel ist als Kolben 22 ausgebildet der in der Ringbohrung der Sintermaterialringe geführt ist Ein Sintermaterial zur Bildung der Struktur 1 kleiner Reynoldszahl ist hier besonders gut geeignet weil hier wegen der Feinkömigkeit des Materials die Bedingung der kleinen Reynoldszahl leicht erfüllt werden kana Die mit einem Kondensatormikrofon bei Luftdurchströmung des Ventils gemessenen Geräuschspektren zeigen deutlich, daß über den gesamten Frequenzbereich hin eine deutliche Minderung der Schallpegel eintritt Eine Abstufung der Charakteristik der Struktur 1 erfolgt bei diesem Ventil dadurch, daß die übereinandergestapelten Ringe aus Sintermaterialien unterschiedlichen spezifischen Strömungswiderstandes bestehen. Die Ringe sind so zusammengesetzt, daß bei kleinen Ventilöffnungen die Materialien großen Widerstandes wirksam werden. Die Struktur 1 ist auf dem Ventilsitz fest eingespannt gehalten. Der Kolben 22 gibt in jeder Stellung unterschiedliche zylindrische Eintrittsflächen für das Strömungsmedium frei. In der Schließstellung bewirkt der Kolben durch eine an seiner Bodenfläche angebrachte Dichtung eine völlig dichte Schließung des Ventils.

Das Durchgangsventil nach Fig.4 kann ohne wesentliche Nachteile in beiden Strömungsrichtungen verwendet werden. Anstelle des Sintermaterials für die Struktur 1 kleiner Reynoldszahl können auch andere geeignete Materialien, wie z. B. Faservlies aus Kunststoff bzw. Metallfäden oder eine Schichtung aus geeigneten prismatischen, flächigen oder fadenförmigen Strukturelementen verwendet werden. Bedingung ist lediglich, daß der durch die Struktur 1 gebildete regulierbare Strömungswiderstand den erforderlichen Widerstandsbereich abdeckt und für alle dabei auftretenden Strömungsgeschwindigkeiten die Bedingung der kleinen Reynoldszahl möglichst gut erfüllt ist.

Bei der Ausführungsform aus Fig.5 ist bei einem axial durchströmten Tellerventil zwischen dem Ventilteller und dem Ventilsitz eine Struktur 1 kleiner Reynoldszahl wie die in F i g. 3 aus an den Knotenstellen miteinander verschweißten gewellten Bändern eingesetzt. Eine solche Struktur 1 kann wie auch das aus F i g. 6 ersichtliche Gitter aus abwechselnd aufeinander gelegten und miteinander verbundenen glatten und gewellten Bändern so fein ausgeführt werden, daß eine Strömung kleiner Reynoldszahl erzwungen wird.

Eine andere Ausführungsform eines Durchgangsventils ist aus den F i g. 7 und 8 ersichtlich. Bei dieser Ausführungsform sind zwischen dem Ventilteller 37 und dem Ventilsitz 38 des Ventils abwechselnd umgekehrt aufeinandergelegte Tellerfedern aneinander gestapelt, von denen jeweils benachbarte Tellerfedern an ihren Innenrändern bzw. Außenrändern aneinander anliegen. Die Tellerfedern 39 sind jeweils, wie in F i g. 8 gezeigt, am Innenumfang zahnscheibenähnlich geschlitzt, so daß zwischen den benachbarten Tellerfedern am Innenumfang Durchtrittsspalte gebildet sind, welche die hindurchtretende Strömung in einzelne Strömungszweige aufteilen. Die von den Tellerfedern 39 in Strömungsrichtung hinter den Durchtrittsspalten gebildeten Keilräume wirken zur Vermeidung von Unstetigkeitsflächen in der Austrittsströmung und damit zur Vermeidung von Vermischungsturbulenzen, weil die aus den Durchtrittsspalten austretenden feinen Strahlen sich in den Keilräumen an die Flächen der Tellerfedern anlegen können. Im Inneren des Federstapels ist ein Hohlzylinder aus einer Struktur 1 kleiner Reynoldszahl angeordnet welcher an der Unterseite des Ventiltellers 37 befestigt ist Dadurch wird die ankommende Strömung zunächst durch Erzwingung einer kleinen Reynoldszahl stabilisiert Die Durchtrittsspalte zwischen den Innenrändern der Tellerfedern können durch Verstellen des Ventiltellers gegen den Ventilsitz in der Spaltweite verändert werden. Wesentlicher erscheint jedoch, daß durch die Verstellung des Ventiitellers 37 die Öffnungsweite der Keilräume hinter den Durchtrittsspalten eingestellt werden kann.

Die Durchtrittsspalte wirken, wie weiter oben ausführlicher erläutert, zur Aufteilung der Strömung in feine Einzelstrahlen, so daß sich die erzeugten Geräuschfrequenzen zu höheren Werten hin verschieben und daher die subjektiv empfundene Stärke des Geräusches abnimmt

Bei einem Drosselorgan gemäß Fig.7 ist für die dadurch erzielte Geräuschminderung noch ein vierter Effekt beteiligt der bisher nicht diskutiert wurde und an diesem Beispiel erläutert wird. Die in den Keilräumen

zwischen den Tellerfedern 39 durch die feinen aus den Durchtrittsspalten austretenden Strahlen und durch Vermischungsturbulenz erzeugte Schwankungsenergie wird unmittelbar den angrenzenden Wänden, hier den Tellerfedern, mitgeteilt. Dadurch, daß das Material der Tellerfedern bzw. deren Abstützung und Lagerung mit einer gewissen Dämpfung ausgestattet wird, ist es möglich, die erzeugten Schwankungsenergien in einem recht frühen Zeitpunkt in Wärme zu überführen, so daß sie gar nicht erst in das angrenzende Flüssigkeitsvolumen und damit auf das Gehäuse des Drosselorgans übertragen werden. Hierzu können in manchen Fällen auch Reibungseffekte an der Oberfläche der Tellerfedern ausgenutzt werden. Außerdem tritt durch die Dichterunierschiede zwischen Strömungsmedium und uerändendern Tellerventil eine Reflexion der Sdiaiienergie ein, die einer Dämmung gleichkommt. Es wird hier also Schallenergie in Ausbreitungswege gezwungen, die bei ungehinderter Ausbreitung nicht durchlaufen würden. Diese Ausbreitungswege können insbesondere, wenn sie durch stark turbulente Strömungsgebiete führen, zusätzlicher Dämpfung und Streuung unterworfen sein. Dieses »Prinzip der erzeugungsnahen Dämpfung und Dämmung« korrespondiert zu dem Prinzip der kleinen Reynoidszahl.

Anstelle die Innenränder der Tellerfedern 39 wie gemäß F i g. 8 zu schlitzen, können die Innenränder der Tellerfedern 39 oder sonstiger vergleichbarer Elemente auch gelocht sein. Zusätzlich oder alternativ können die Tellerfedern 39 auch selbst aus einer Struktur 1 kleiner Reynoidszahl bestehen. In Abwandlung kann beispielsweise ein Drosselorgan erhalten werden, welche aus einem zieharmonikaartig gefalteten, zusammendrückbaren Band gebildet ist, welches aus einer Struktur kleiner Reynoidszahl besteht Hierbei kann es vorteilhaft sein, die Knickränder des Bandes undurchlässig zu gestalten. Vor und/oder insbesondere hinter dem Band kann eine zusätzliche Struktur kleiner Reynoidszahl angeordnet werden, um die ankommende oder ablaufende Strömung zusätzlich zu stabilisieren.

Bei den Ausführungsformen aus den F i g. 1 bis 6 ist das Prinzip der kleinen Reynoidszahl so angewendet, daß der eigentliche, zur Regelung des Durchflusses dienende Drosselwiderstand in der Struktur 1 kleiner Reynoidszahl selbst zu suchen ist Es ist jedoch auch möglich, den eigentlichen Drosselwiderstand oder die z. B. bei Gasen den Durchfluß bestimmende Querschnittsfläche selbst nicht als Struktur kleiner Reynoidszahl zu gestalten, sondern eine solche Struktur kleiner Reynoidszahl vorzugsweise auf der Abströmseite des eigentlichen Regelorgans anzuordnen, so daß durch diese Struktur ein Strömungswiderstand erzeugt wird, der eine Ausbildung von instationären Ströinungsvorgängen aufgrund der Regelmechanismen verhindern kann und Störbewegungen, soweit sie bereits in der Strömung vorhanden sind, durch Reibungseffekte verhindern und unter Umständen beseitigen kann. Bei solchen Anwendungsfällen ist daher die Struktur 1 kleiner Reynoidszahl derart ausgelegt, daß sie nicht den wesentlichen Strömungswiderstand des Drosselorgans ausmacht, und vorzugsweise an Stellen des Drosselorgans angeordnet, die Anlaß zur Ausbildung von Turbulenz, Unstetigkeitsflächen und anderem instationären Strömungsverhalten geben.

Ausfühningsformen, bei denen die Struktur 1 kleiner Reynoidszahl stromab eines Regel- oder Drosselquerschnittes angeordnet ist, sind aus den Fig.9 bis 15 ersichtlich. Hier wird das Strömungsmedium einer Regelöffnung 50 zugeführt und dann in einen sich verjüngenden Keilspalt 51 eingeleitet. Durch die Spaltwände 52 tritt das Strömungsmedium in eine Struktur 1 kleiner Reynoidszahl ein. Im Falle von Gasströmungen kann die Struktur t kleine Dichten und damit kleine spezifische Widerstände haben, da es lediglich einer turbulenzarmen Ableitung des Strömungsmediums aus dem Keilspalt 51 dient Die Regelung des Durchflusses erfolgt hier in der Regel bei

ίο entsprechenden Druckverhältnissen durch Veränderung des Querschnitts der Regelöffnung 50. Bei Flüssigkeiten hingegen kann kein wesentlicher Druckverlust im Querschnitt der Regelöffnung 50 auftreten, so daß hier das Prinzip der kleinen Reynoidszahl in der Weise angewendet werden kann, daß der Hauptwidersiaiid in der Struktur i liegt Damit ist aber in diesem Fall eine starke Einschränkung der Regelmöglichkeit gegeben, so daß die Drosselorgane nach den F i g. 9 und 10 vorzugsweise für Gase verwendet werden. Bei Anwendung des hier gezeigten Prinzips auf Flüssigkeiten ist eine Abwandlung zweckmäßig, bei der eine Mehrfachanordnung von Regelöffnungen von einer Struktur kleiner Reynoidszahl abgeschlossen wird. Dabei können durchaus hinter den Regelöffnungen keil- oder kegelförmige Bereiche in der Struktur kleiner Reynoidszahl ausgespalt werden, so daß dann das aus F i g. 9 ersichtliche Prinzip in vielfacher Wiederholung auftritt.

Im einzelnen ist gemäß Fig.9 der Querschnitt der Regelöffnung 50 zwischen zwei zur Strömungsrichtung verstellbaren Schieberplatten 24 gebildet Der Eintrittsquerschnitt des Keilspaltes 51 entspricht vorzugsweise der Größe der Regelöffnung 50. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die Spaltwände 52 aus einem geeigneten durchlässigen Materialband oder dergleichen gebildet und an der Austrittskante der zugeordneten Schieberplatte 24 befestigt werden, so daß die Spaltwände 52 der Bewegung der Schieberplatten 24 durch Schwenken um den Scheitel 53 des Keilspaltes 51 folgen. Im Scheitel 53 kann gegebenenfalls ein feststehender, die Schwenkachse bildender Zapfen oder dergleichen vorgesehen sein. Zusammen mit den Spaltwänden 52 wird dann auch die Struktur 1 kleiner Reynoidszahl aufgespreizt oder zusammengedrückt Auch hier kann durch entsprechende Ausbildung des an den Scheitel des Keilspaltes 51 anschließenden Teils der Struktur 1 für deren leichte Beweglichkeit gesorgt werden. Auch eine Herstellung der Struktur 1 aus verformbarem Material ist möglich. In Abwandlung kann die Struktur 1 auch an ihren in Strömungsrichtung vorn liegenden Stirnflächen an der Rückseite der Schieberplatte 24 befestigt sein. Gegebenenfalls können dann gesonderte Bänder oder Platten zur Bildung der Spaltwand 52 entfallen.

Gemäß Fig. 10 wird die Regelöffnung 50 vom engsten Querschnitt einer Oberschallregeldüse 54 gebildet Wenn bei schnell strömenden Gasen große Oberdrücke abgebaut werden müssen und vor allem zugleich eine Schallgeschwindigkeitsstrecke als Strom-

dichtemaximum zur exakten Durchflußregelung verwendet wird, sind Drosselorgane, bei denen die Regelöffnung selbst von einer Struktur kleiner Reynoidszahl gebildet ist, weniger gut geeignet Bei den letztgenannten Drosselorganen ist nämlich durch den

f>5 starken Einfluß der Zähigkeit des Strömungsmediums auf den Durchfluß bei festgehaltener Einstellung des Drosselorgans durch Wärmeaustausch zwischen der Drosselstruktur und dem Gas ein sehr langsames

Einschwingen auf Gleichgewichtswerte nach Einstellungsänderungen des Drosselorgans zu erwarten. Daher wird man etwa zur Durchflußregelung bei einem Windkanal, wo es auf exakte Einhaltung der vorgewählten Betriebsparameter ankommt, auf eine Schallgeschwindigkeitsstrecke zur Regelung des Durchflusses nicht verzichten. Die dabei entstehende Überschallabströmung vom engsten Regelquerschnitt ist dann häufig Anlaß für starke Geräuschentwicklung solcher Einrichtungen. Durch die Nachschaltung eines Keilspaltes 50 ι ο und einer Struktur I kleiner Reynoldszahl gemäß Fig. 10 wird hier die Entstehung eines Überschallfreistrahles mit seiner geräuscherzeugenden Vermischungsturbulenz hinter der Rcgeldüsc 54 verhindert. Durch eine Anordnung nach Fig. 10 konnte im I¹S Versuchsiäbur in i,5m Abstand von der Regeldüse ein Geräuschpegel von nur 58 dB über 2 χ 10~⁴ μbar bei einem Luftdurchsatz von etwa 0,5 kg/s erzielt werden. Die Minderung des Geräuschpegels gegenüber einer vergleichbaren Regelstrecke ohne Keilspalt 51 und Struktur I betrug mehr als 30 dB.

Für Anwendungsfälle, bei denen es nicht auf eine Weiterverwertung des Strömungsmedium.'; hinter dem Regelquerschnitt ankommt, kann, wie in Fig. 10 in ausgezogenen Linien gezeigt, das Strömungsmedium -"; aus der Struktur I zur Seite hin abgeleitet werden. Durch die in Fig. 10 gestrichelt dargestellte Verlängerung der gezeigten Vorrichtung läßt sich jedoch der Strömungsweg ähnlich wie F i g. 9 fortsetzen.

Die in den Fig. 11 bis 13 gezeigte Anordnung to entspricht grundsätzlich der Anordnung aus F i g. 9. Zusätzlich sind jedoch gemäß den F i g. 11 bis 13 Maßnahmen getroffen, das Strömungsmedium in der Regelöffnung 50 zur Erzielung einer Strahlaufteiiung aufzufächern. Dies wird dadurch erreicht, daß die J5 Schieberplatten 24 kammartig mit einer Vielzahl von keilförmigen Zähnen versehen sind, wobei die Zähne der einen Schieberplatte in die Zwischenräume zwischen den Zähnen der anderen Schieberplatte eingreifen können. Es ergibt sich dadurch eine w einstellbare Regelöffnung 50, welche quer zur Strömungsrichtung etwa mäanderförmig verläuft, so daß im Ergebnis ein Durchflußspalt großer Gesamtbreite vorhanden ist. Wenngleich bei einer derartigen Anordnung die Strömung nicht in einzelne Strahlen -ti aufgeteilt ist, ergibt sich dennoch eine wesentliche Veränderung der kritischen Abmessung des Strömungsfeldes bei gleichbleibendem Durchfluß, nämlich der Weite des Regelspaltes.

Wie auf Fig. 12 ersichtlich, ist bei dieser Ausführungsform der an die Regelöffnung 50 anschließende Keilspalt 51 entsprechend eier Kammartigen Ausbildung der Schieberplatten 24 in eine Vielzahl von Seitenspalten 54 aufgefächert, in welche die Lücken zwischen den Zähnen der Schieberplatten 24 einlaufen. Vorzugsweise sind auch hier wieder Maßnahmen getroffen, die Seitenspalte 54 zusammen mit den Schieberplatten 24 unter Verengung des Keilspaltes 51 zu bewegen.

Die Ausführungsform nach den Fig. 14 und 15 macht ebenfalls vom prinzipiellen Aufbau der Drosselstruktur nach den F i g. 9 und 10 Gebrauch. Gemäß den F i g. 14 und 15 ist die Regelöffnung 50 zwischen einer Blende 55 und einem in deren öffnung eingreifenden, sich in Strömungsrichtung verjüngenden Regeldorn 56 gebildet. Auf der anderen Seite der Blende 55 ist eine Struktur 1 kleiner Reynoldszahl angeordnet, welche auf der Blendenseite von einem an die Blendenöffnung anschließenden Keilspalt 51 begrenzt ist. Wie aus Fig. 15 ersichtlich, haben Regeldorn 56, Regelöffnung 50 der Blende 55 und Keilspalt 51 einen sternförmig gezackten Querschnitt, so daß auch hier der Regelquerschnitt aus einem verhältnismäßig engen Spalt großer Gesamtbreite gebildet ist.

Die Vergrößerung der Gesamtbreite des Regelspaltes und damit die Verringerung der charakteristischen Strahlabmessung bei festgehaltenem Durchfluß läßt sich durch Verfeinerung der in den F i g. 11 bis 15 gezeigten Konstruktion fortführen. Insbesondere kann auch hier durch Vervielfachung bei kleineren Ausführungen eine Verkleinerung der charakteristischen Abmessung der Strömungen erreicht werden Besonders günstig wirkt sich bei diesem Prinzip die Strömungsführung durch den Regeldorn 56 gemäß Fig. 14 und 15 aus. Eine Vervielfachung läßt sich hier dadurch erreichen, daß beispielsweise die Blende 55 eine Vielzahl von öffnungen hat, in welche jeweils ein zugehöriger Regeldorn 56 eingreift. Die Regeldorne werden dabei gemeinsam verschoben. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, einzelne oder sämtliche Regeldorne unabhängig voneinander verschiebbar auszubilden.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Verminderung von Strömungsgeräuschen in Rohrströmungen, mit einer in Höhe oder stromab einer Unstetigkeitsstelle, insbesondere einer Drosselstelle, angeordneten, beströmten, die Strömung laminarisierenden mechanischen Struktur, von welcher mehrere Strömungsquerschnitte durch zwischen diesen verlaufende Strukturelemente begrenztsind, dadurch gekennzeichnet, daß als Struktur eine Struktur (1) kleiner Reynoldszahl vorgesehen ist, welche durch die quer zur Strömungsrichtung gemessene Minimalabmeßung ihrer quer angeströmten Strukturelemente oder ihrer Strömungsquerschnitte den laminaren Strömungszustand einer Reynoldszahl kleiner 10³, vorzugsweise im Bereich von eins, erzwingt

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Strömungszustand in der Struktur (1) kleiner Reynoldszahl bestimmenden Abmessungen dieser Struktur einstellbar sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Unstetigkeitsstelle eine Regelöffnung ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelöffnung (50, 55) in einen sich stromab verengenden Keilspalt (511) innerhalb der Struktur (1) kleiner Reynoldszahl übergeht

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsquerschnitte der Regelöffnung (50,55) und des Keilspaltes (51), gesehen in Strömungsrichtung, gezackt verlaufend ausgebildet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsquerschnitt des Keilspaltes (51) mit der Verstellung der Regelöffnung (50,55) verstellbar ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelöffnung (55) von wenigstens einer Blendenöffnung mit in diese und den Keilspalt (51) eingreifendem Rejreldorn (56) gebildet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (1) kleiner Reynoldszahl als maschenartige, kompressible Gitterstruktur ausgebildet ist, die in einer Regelöffnung (50) mit dieser verstellbar angeordnet ist (F i g. 3,5,6).

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (1) kleiner Reynoldszahl als Lochplatte ausgebildet ist, an welche ein verstellbarer Stapel aus Scheibenfedern (39) angrenzt, die miteinander in Durchströmrichtung sich abwechselnd erweiternde und verengende Keilräume bilden, wobei wenigstens an den stromauf gelegenen Scheiteln der Keilräume Durchtrittsspalte gebildet sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilräume in einem radial durchströmten Ringstapel aus abwechselnd umgekehrt aufeinandergelegien Tellerfedern (39) gebildet sind.