Strömungsschall in der industriellen Praxis

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Ernst Giese
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1 Strömungsschall in der industriellen Praxis Erfahrungen und Problemlösungen DEGA Symposium Strömungsakustik , München Wilhelm von Heesen Müller-BBM GmbH Niederlassung Gelsenkirchen M88512

2 Einführung Strömungserregter Schall ist immer unerwünscht (Ausnahmen: Sirenen, Musikinstrumente) Beispiele für strömungserregte Schallerzeugung in Industrieanlagen und Maschinen und deren Beseitigung Kühler und Wärmetauscher Ventilatoren Einbauten in Strömungskanälen Ventile 2

3 Die singende Lokomotive Kühlervorbau 3

4 Störtöne im Bereich des Kühlervorbaus db(lin) m_ sec Ventilator-Drehklang Hz

5 Frequenzspektrum vs. Strömungsgeschwindigkeit 90 s m_008 Ventilatordrehzahl 610 bis 1380 min -1 db(lin) Hz Beobachtungen: Frequenzen springen in Stufen innerhalb einer Stufe nur geringe Zunahme der Frequenz (nicht proportional zur Strömungsgeschwindigkeit) 5

Kühlerbreite = N halbe Wellenlänge Frequenz 655 λ 0,52 N 2,6 / (λ/2) 10,0

6 Kühlerbreite = N halbe Wellenlänge Frequenz 655 λ 0,52 N 2,6 / (λ/2) 10, ,47 11, ,43 0,40 12,1 13,0 2,6 m 920 0,37 14, ,34 15,1 6

7 Parker-Resonanz v 26 m/s v 36 m/s flow velocity v Welsh, M. C., Stokes, A. N., and Parker, R., "Flow-Resonant Sound Interaction in a Duct Containing a Plate, Part I: Semi-Circular Leading Edge," Journal of Sound and Vibration, 95, pp ,

8 Plausibilitätsprüfung mit Strouhalzahl f d / U 0,2 (Strouhalzahl) f = Frequenz d = Querabmessung des umströmten Körpers U = Strömungsgeschwindigkeit aus den Messwerten: f = 857 Hz, U = 10 m/s ergibt sich d 2 mm (Dicke der "Röhrchen ") 8

9 Resonanzbedingung: stehende Welle in Querrichtung bei 875 Hz 13 Maxima entlang der Kühlerbreite 2,6 m db(lin) m_ sec Hypothese "Parker-Resonanz" ist damit experimentell erhärtet ,6 m s 9

10 Beseitigung der Störtöne Prinzipielle Ansatzpunkte: Verhinderung der periodischen Wirbelablösung Bedämpfung der akustischen Mode Unterdrückung der Synchronisation der Wirbelablösung mit der akustischen Mode 10

Erster Lösungsversuch Abkleben der beiden äußeren Kühlerelemente s 54790 m_017

11 Erster Lösungsversuch Abkleben der beiden äußeren Kühlerelemente s m_017 db(lin) Hz 11

seitlichen Schottblechen s 54790 m_028 db(lin)

12 Endgültige Lösung: Unterdrückung der Synchronisation neue Kühlerelemente mit seitlichen Schottblechen s m_028 db(lin) Hz 12

13 Störtöne bei Axialventilatoren Fan A Fan B A-w eighted Fan C 13

14 Identifikation der Frequenzen Alle Frequenzen sind durch - eine Hauptstörtonfrequenz und - die Schaufelpassierfrequenz zu erklären (Seitenbänder und Harmonische) 14 Amplitudenmodulation eines Erzeugungsmechanismus mit der Schaufelpassierfrequenz

15 Parker-Resonanzen Störton-Pegel Sound pressure level [db] Air flow [m 3/min] 1300 Störton-Frequenz ATN frequency f0 [Hz] Air flow [m 3/min]

16 Eigenformen im schallharten zylindr. Kanal ausbreitungsfähige und nicht-ausbreitungsfähige Moden 16

17 Beseitigung der Störtöne (1) 'Trippen' der Leitschaufeln Mechanismus: periodische Wirbelablösung an den Leitschaufelhinterkanten azimutale Synchronisation auf eine Kanalmode (2) scharfe Abströmkante Beseitigung: periodische Ablösung vermeiden (1, 2) Synchronisation verhindern (3) (3) Verlängern der Leitschaufeln 17

18 experimentelle Überprüfung (1) 'Trippen' der Leitschaufeln Ba s e line One stator vane tripped All stator vanes tripped (2) scharfe Abströmkante Ba s e line One stator vane sharp All stator vanes sharp (3) Verlängern der Leitschaufeln Ba s e line One st.v. increased chord length All st.vanes increased chord length 18

19 Windkanalgebläse Tonaufnahme mit Notebook-Mikrofon im Plenum s db(a) Hz 19

20 20 Beseitigung des Störtons

21 21 Kesselbrummen (1)

Kesselbrummen (2) 150 Hz 140 130 120 m_001 10:04:58

22 Kesselbrummen (2) 150 Hz m_001 10:04:58 db(linear) s 60

23 23 Kesselbrummen (3)

Kesselbrummen (4) 145 Hz m_001 10:12:14 db(linear) 90 140 80 135 70 130

24 Kesselbrummen (4) 145 Hz m_001 10:12:14 db(linear) Rauchgasvolumenstrom s 24

25 Kesselbrummen (5) Beseitigung: Unterteilung des Kanals durch Schallbleche 25

26 seltsame Geräusche an einem Windkanalgebläse Fan at 210 rpm Fan at 270 rpm sound pressure level [db] frequency [Hz]

27 27 Sondenträger in der Meßstrecke

28 28 Hinterkante des Sondenträgers

29 Frequenz und Pegel vs. Windgeschwindigkeit frequency for St = 0.16 frequency observed sound pressure level frequency [Hz] sound pressure level [db] flow speed [m/s] 29

30 30 Flexible Hinterkante

31 Gemessene Schalldruckspektren (Meßstrecke) 120 sound pressure level [db] as found floppy trailing edge tripped frequency [Hz] 31

32 Frequenz in Hz Störgeräusch aus Kraftwerkskamin Messung Nr: m_03 db(a)

33 zwei Kraftwerkblöcke auf einen Kamin gemauerter Außenkamin Stahlkaminröhre Kamin 160 m hoch Durchmesser 4,8 m Mannloch Gitter 33 Rauchgase Block 4 Block 3 Probleme immer nur dann, wenn - Block 3 Stillstand - Block 4 hohe Rauchgasmenge

34 Messung außen am Mannloch gemauerter Außenkamin Stahlkaminröhre 100 db(a) re db [2e-5Pa] m_11 außen am Mannloch oben m_12 außen am Mannloch mittig m_13 außen am Mannloch unten Kamin 160m hoch Durchmesser 4,8m Hz Beobachtung: unten geringste Pegel Geräusch kommt von unten mögliche Ursachen: - Übergeschwindigkeiten an der Schneide - Schräganströmung des Gitters Rauchgase Block 4 Block 3

35 Maßnahmen Seiferth-Flüge an der Schneide brachten 10 db Minderung (war aber nicht ausreichend) Gitter raus Störgeräusch weg 35

36 Pfeifendes Dampfventil im Kraftwerk s am Sicherheitsventil db(a) 100 Leitung DUS db(a) 90 Leitung Schwachlast DUS db(a) Hz Hz Hz m_001; Beginn 13:37:59.2 Uhr 36

37 37 Ursache: Eigenform des zylindrischen Raums

38 38 Schlitzrohrsonde (Brüel&Kjaer)

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Müller-BBM GmbH Robert-Koch-Straße 11 82152 Planegg / München

39 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Müller-BBM GmbH Robert-Koch-Straße Planegg / München Berlin Dresden Frankfurt Gelsenkirchen Hamburg Karlsruhe Köln Nürnberg Stuttgart Weimar 39

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