DE2103397A1

DE2103397A1 - Einrichtung zur Lärmunterdrückung

Info

Publication number: DE2103397A1
Application number: DE19712103397
Authority: DE
Inventors: Donald James Fairfield Ohio Hoerst (V.StA.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-04-27
Filing date: 1971-01-26
Publication date: 1971-11-11
Also published as: FR2086366A1; US3648800A; CA927613A; BE761976A; FR2086366B1; GB1335724A

Description

MtINZ LiNSER PArENIANWALT · PHYSIKER 2103397

6072 D R E I E I CH EN H A I N BERLINER RING 170 RUF (06I 03) 81813

17O1-13D-4819

General Electric Company

1 River Road Schenectady, N.r./USA

Einrichtung zur Lärmunterdrückung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Lärmunterdrückung bei Abgasdüsen für Flugzeuggasturbinen, welche eine Schubgasströmung erzeugen.

In den letzten Jahren hat der von den Flugzeuggasturbinen erzeugte Lärm für diejenigen Personen, die dichtgenug an Plugplätzen wohnen, um davon betroffen zu werden, erhebliche Probleme aufgeworfen, desgleichen auch für die Luftfahrtindustrie im allgemeinen und insbesondere für die Hersteller von Gasturbinen, die bemüht sind, diese Probleme zu beseitigen. Die Verwendung von turbinenangetriebenen Flugzeugen ist bereits derart verbreitet, daß einige Regierungen bereits Lärmstandardwerte erlassen haben, die von den Herstellern von Flugzeugen und Gasturbinen erfüllt werden müssen, bevor ein

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durch Gasturbinen angetriebenes Flugzeug zugelassen wird. Aus diesen Gründen müssen erhebliche Arbeiten durchgeführt werden, um die Geräuschpegel, die bei mit Gasturbinen angetriebenen Flugzeugen auftreten, zu verringern. Trotz dieses erheblichen Aufwandes an Zeit und Arbeit,der bereits unternommen worden ist, um dieses Problem zu lösen, bleibt ein Lärmpegel jedoch unvermeidbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Abgasdüse für ein großes Abgasdruckverhältnis einer Hochtemperatur-Gasturbine vorzuschlagen, welche verbesserte akustische Eigenschaften aufweist, während andererseits die Kosten verringert und die Leistung bei den z.Zt. bekannten Düsen verbessert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß eine Einrichtung zur Lärmunterdrückung bei Abgasdüsen für Plugzeuggasturbinen, welche eine Schubgasströmung erzeugen, vorgeschlagen wird, bei der die Abgasdüse mit mehreren Geschwindigkeitskegeln oder -hülsen versehen ist, die um deren Umfang angeordnet sind. Die

Kegel variieren hinsichtlich ihrer nge, wobei die längsten

am oberen Teil der Düse angeordnet sindj um für die Düsenabströmung eine akustische Linse zu bilden, die bewirkt, daß die Richtwirkung des Winkels maximalen Lärms sich mit dem hochintensiven nach oben konzentrierten Lärm ändert. Mindestens einer der Kegel ist axial versetzbar, um die Unterdrückungseigenschaften zu optimieren, während die Einstellung des Abgasdruckverhältnisses über die Abgasdüse möglich ist.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird diese anhand einiger in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben. Hierbei zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Gasturbine einer üblichen Ausführung,anhand derer der sich von ihr ausbreitende Lärm veranschaulicht ist;

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Figur 2 eine schematische Ansicht einer Gasturbine, anhand derer die Wirkung einer geringen Änderung des Lärmausbreitungswinkels dargestellt ist;

Pigur 3 eine schematische Ansicht einer Gasturbine mit einer Abgasdüse gemäß vorliegender Erfindung und eine schematische Veranschaulichung der Art und Weise, in der die von ihr ausgehende Lärmausbreitung sich ändert;

Pigur 4 eine vergrößerte Seitenansicht einer Abgasdüse gemäß vorliegender Erfindung;

Pigur 5 die Rückansicht der Abgasdüse nach Pigur 4;

Pigur 6 eine schematische Darstellung einer rechtwinkligen Abgasdüse gemäß vorliegender Erfindung;

Pigur 7 die Rückansicht der Abgasdüse nach Pigur 6 und

Pigur 8 eine schematische Ansicht einer Maschine mit einem vornliegenden Propeller und einem Nebenstromkanal mit einer Einrichtung zur Lärmunterdrückung gemäß vorliegender Erfindung.

In der Zeichnung sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugsziffern versehen. Zum besseren Verständnis der mit der Lärmausbreitung von einer Gasturbine im Zusammenhang stehenden Probleme wird auf Pigur 1 verwiesen, in der in vereinfachter Art eine Gasturbine 10 mit einem Kompressor 12, ein Verbrennungssystem 14 und eine Turbine 16 dargestellt ist, welche ein Rotorteil aufweist, das mit dem Kompressor 12 zum Antrieb desselben mechanisch verbunden ist. Wie auf diesem Gebiet allgemein bekannt ist, tritt die umgebende Luft in einen Einlass 13 ein, wird durch den Kompressor 12 verdichtet und in der Verbrennungskammer 14 zusammen mit einem Brennstoff hoher Temperatur gezündet und leistet Arbeit, indem es die Turbine 16 antreibt.

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Der übrige Gasstrom hoher Energie wird durch die Abgasdüse 20 expandiert, um eine Schubkraft für den Antrieb eines Flugzeuges zu erzeugen, an das die Gasturbine befestigt ist. Oftmals wird vor der Abgasdüse 20 mit Hilfe eines zusätzlichen Brennstoffsystems 21 weiterer Brennstoff zugeführt, um die Abgasgeschwindigkeit zu steigern und eine höhere Schubausgangsleistung aus der Maschine 10 zu gewinnen.

Ein Lärmpegel hoher Energie, der innerhalb eines Gehäuses oder eines Führungskanals 22, der die Maschine 10 umgibt, erzeugt wird, strahlt von der Abgasdüse 20 derart aus, daß der Winkel des maximalen Lärmpegels ein Kegel ist, der mit A bezeichnet ist, welcher einen relativ weiten Öffnungswinkel aufweist, wie in Figur 1 schematisch dargestellt ist. Wie leicht einzusehen ist, haben die Schallwellen bei einem so großen Öffnungswinkel nur einen sehr kurzen Weg zurückzulegen, um bewohnte Gebiete zu erreichen, über die ein Flugzeug hinwegfliegt, insbesondere dann, wenn sich das Flugzeug einem Flughafen nähert oder von ihm startet.

Aus Figur 2 kann nun entnommen werden, daß eine geringe Änderung der Richtwirkung eine relativ große Änderung des maximalen Lärmpegels und der Zeitspanne, in der er auf dem Boden vorhanden ist, bewirken kann. Ein Düsenlärmstrahl A, der z.B. einen Ausbreitungswinkel von Θ., hat, muss einen gewissen Weg zurücklegen,, um die Bodenhöhe zu erreichen. Wenn der Winkel auf θρ etwas vergrößert wird, besitzt der sich ergebende Düsenlärmstrahl B eine Weglänge, welche sich erheblich geändert hat, wobei sich eine entsprechende Verringerung der Lärmintensität, die sich auf dem Boden einstellt, ergibt. Die Verringerung der Intensität ist schematisch durch A pndb bezeichnet. Ferner ist angegeben, daß der Temperaturgradient zwischen einem Flugzeug und der Erde eine geringe Beugung des Winkels des maximalen Düsenlärms verursacht. Die Wirkungen des Temperaturgradienten sind in Figur 2 durch die gestrichelt gezeichneten Linien A¹ und B¹ dargestellt.

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Die Wirkungen des Temperaturgradienten sind deswegen dargestellt, um besonders zu "betonen, wie der Winkel θ ansteigt. Hierdurch ergibt sich eine weitere Verringerung der Lärmintensität am Boden.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich nun auf eine Abgasdüse, die eine Vergrößerung des Winkels aus "Of.". bewirkt, d.h. ein Ansteigen des Ausbreitungswinkels des maximalen Lärms von einer Gasturbine. In Figur 3 ist die Wirkung der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Umlenkung der Richtwirkung der Lärmausbreitung von der Abgasdiise einer Gasturbine schematisch dargestellt. Die dort dargestellte Gasturbine 10' ist der in Figur dargestellten Maschine 10 ähnlich, jedoch mit der Ausnahme, daß Einrichtungen vorgesehen sind, um den Schall hoher Intensität nach oben zu konzentrieren. Diese Einrichtungen erhöhen die Fläche der Strahlauffächerung mit einem Minimum an Turbulenz, wie sie von der "Greatrex"-Diise gebildet werden, welche seit einer Anzahl von Jahren verwendet werden. Wie bekannt ist, bewirken die gegenwärtig üblicherweise verwendeten "Greatrex"-Düsenformen eine Verringerung der Schubgröße, welche durch die Gasturbine erzeugt wird. Die vorgeschlagene Düse jedoch, die in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist, unterscheidet sich von den früher verwendeten "Greatrex"-Düsen, da die "Greatrex"-Düse die Abscherfläche der Abgasauffächerung dadurch vergrößert, daß gewisse Teile der Strömung durch einige Strukturelemente gebremst werden. Im Gegensatz dazu, erhöht die in den Figuren 3 und 4 dargestellte Abgasdüse die Abscherfläche der Abgasauffächerung mit Hilfe des Coanda-Effektes-r

Die Gasturbine 10' ist gemäß der Erfindung daher mit einem Coanda-Expansionsschalldämpfer versehen, der allgemein mit 24 bezeichnet ist und welcher mehrere Geschwindigkeitskegel oder -hülsen 26 aufweist, die um den Umfang einer Abgasdüse 20' angeordnet sind. Die Geschwindigkeitskegel oder -hülsen 26 sind kegelförmig ausgebildet, wobei ihre Spitzen abströmseitig zum Abströmende der Abgasdüse 20' angeordnet sind und ihre Basen aerodynamisch günstig mit der Wand der Abgasdüse verlau-

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"fen, um eine glatte Übergangsfläche zu erzielen. Die Geschwindigkeitskegel 26 variieren hinsichtlich ihrer Axiallänge, wobei der längste am oberen Teil der Abgasdüse 20* angeordnet ist, wie aus der Figur 4 deutlich zu entnehmen ist. Die Gesamtwirkung der Kegel mit unterschiedlichen Längen bildet für den Abgasstrahl eine akustische Linse, welche bewirkt, daß das Richtvermögen geändert wird, wodurch die Lärmintensität in Bodenhöhe verringert wird. Die Geschwindigkeitskegel 26 können eine feststehende Geometrie aufweisen, jedoch ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mindestens einer der Geschwindigkeitskegel 26 axial versetzbar, wodurch die Hichtwirkungsänderung optimiert wird. Die versetzbaren Kegel können zusätzlich preisgünstige Einrichtungen zur Einstellung des Druckverhältnisses über der Abgasdüse 20^f aufweisen.

Wie zuvor ausgeführt wurde, wird der Coanda-Effekt angewendet, um zur Erzielung der erwünschten akustischen Linsenwirkung die notwendigen Geschwindigkeitsgradienten zu erzeugen. Mit anderen Worten sind die Geschwindigkeitskegel 26 so ausgelegt, ά&3 der Abgasstrahl jeden Kegel berührt, wenn er den Führungskanal 22 verlässt. Die Gesamtwirkung besteht nun darin, daß die einzelne Strahlauffächerung in mehrere kleinere Strahlauffächerungen unterschiedlicher Größen aufgebrochen wird, wobei jede einander Geschwindigkeitskegel zugeordnet ist. Dieser Effekt bewirkt nun folgendes:

1. Die vielen kleineren Strahlauffächerungen verschieben das Lärmfrequenzspektrum nach oben, wodurch ein Teil der Lärmenergie aus dem hörbaren (Bereich gelangt, wodurch in vorteilhafter Weise von der größeren Luftdämpfung des Schalles bei höheren Frequenzen Gebrauch gemacht wird.

2. Es bewirkt die Vielfachauffächerung eine empfindliche Begrenzung für das nahe Druckschwankungsfeld und die Turbulenzen, welche die Erzeugung akustischer Wellen einschränken.

3. Es bewirkt die Vielfachauffächerung einen Zustand, bei dem

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Schall im Verhältnis von weniger als der sechsten Potenz der ^gasgeschwindigkeit erzeugt wii^d, wohingegen ein üblicher Schalldämpfer eine akustische Energieerzeugung zulässt, die der achten Potenz der Abgasgeschwindigkeit proportional ist.

Wenn die Abgase an den Geschwindigkeitskegeln 26 haften, bewirkt die Radialkomponente der Strömung aufgrund der Ooanda-Strömung, daß jeder der Kegel 26 eingehüllt wird. Wenn die Abgase im Bereich der Kegel strömen, wird somit eine Wirbelbewegung oder eine Wirbelkomponente um jedes Ende erzeugt. Hieraus folgt, daß die folgenden akustischen. Vorteile abgeleitet werden können.

Die Turbulenz, die sich aus der Strömung mit hoher Geschwindigkeit ergibt, welche den Geschwindigkeitskegeln 26 zugeordnet ist, wird zum Konvergieren gebracht, da sie sich unterhalb der Kegel 26 ausbreitet, welche sich im Durchmesser verringern. Die Wirbelgröße wird daher auf einen Minimalwert stabilisiert, die Begrenzung ist empfindlich, die akustischen Wellen geben einen gewissen Energiebetrag zur Erzeugung von Wärme ab und der Stoßverlauf wird gestört. All das ergibt eine Verringerung der Lärmintensität. Ferner stellt sich eine Verringerung der Stöße oder Impulse des Lärms niedriger Frequenz, bedingt durch das Hochlaufen des Triebwerkes ein, da die Geschwindigkeitskegel 26 die Abgasströmung viel wirksamer mit dem umgebenden Medium koppeln.

Ferner wird dadurch, daß die Geschwindigkeitskegel 26, die sich am oberen Teil der Düse befinden, länger sind als die am Boden befindlichen, die Geschwindigkeit der Strömung, die an den oberen Kegeln haften bleibt, größer als diejenige, die sich bereits von den unteren Kegeln der Düse gelöst hat. Dies bewirkt, daß die Richtwirkung der Strahlabströmung konvergiert. Da die Strahlauffächerung mit der geringeren Energie am meisten gebeugt wird, ergibt eine Düse, bei der die Konzentration der Strömung nach oben gerichtet ist, daß der maximale Intensitätswinkel des Schalles nach oben abgelenkt wird.

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In der Vergangenheit sind sogenannte "Daisy"-Düsen hergestellt worden, um den mit einer Gasturbine verbundenen Lärm zu'verringern. Der Hauptzweck der"DaisyJ*Düse bestand darin, die Stelle des Düsenaustrittsumfanges zu vergrößern, um dadurch die Schergradienten, die mit der Strömung aus der Düse verbunden" sind, zu verringern. Die Geschwindigkeitskegel 26 verringern ebenfalls die Schergradienten, jedoch, was noch viel wichtiger ist, verringern die Geschwindigkeitskegel 26 die Turbulenz abströmseitig zur Düse. Wie gezeigt wurde, ist der Düsenlärm sowohl eine Punktion der hohen Schergeschwindigkeit, als auch der hohen Turbulenz. Die Gesamtwirkung der Düse nach der Erfindung besteht somit darin, daß der Lärm im größeren Maße verringert wird, als bei der bekannten "Daisy-Düse.

Wie aus den Figuren 4 und 5 ersichtlich ist, können die Geschwindigkeitskegel 26 um den Umfang einer üblichen kreisförmigen Düse angeordnet sein. Es ist jedoch gezeigt worden, daß die wirksamste Schallverringerung dann zu erreichen ist, wenn die getrennten Strahlauffächerungen, die durch die Geschwinigkeitskegel 26 erzeugt werden, etwa einen Durchmesser voneinander getrennt sind. Aus diesem Grunde kann es auch vorteilhaft sein, eine rechtwinklige Düse ähnlich der in Figur 6 dargestellten zu verwenden. Hierdurch wird eine optimale Trennung der Geschwindigkeitskegel 26 erlaubt und es wird so eine maximale Schallunterdrückung erreicht. Ein derartiger Aufbau macht es auch möglich, eine vereinfachte Schubumkehrvorrichtung zu verwenden, wodurch die Gesamtkosten der Gasturbine verringert werden. Der dargestellte Aufbau besteht aus einem Rechteck, dessen lange Seite in Vertikalrichtung verläuft. Obwohl hier zwar acht Geschwindigkeitskegel 26 dargestellt sind, hängt die Zahl und Anordnung derselben von den Maschinenbetriebs- und den Lärmpegeleigenschaften ab.

Wie aus Figur 8 zu entnehmen ist, kann die vorliegende Erfindung auch bei einer Bypass-Propellermaschine Anwendung finden. Dieser Maschinentyp besteht aus einem Triebwerk, das allgemein mit 40 bezeichnet ist, und einen einen größeren Durchmesser - 9 -

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aufweisenden Propeller 42, der sich im allgemeinen vor dem Triebwerk 40 befindet. Der einen größeren Durchmesser aufweisenden Propeller 42 befindet sich innerhalb eines kurzen FUhrungskanals 43, der einen Einlass 44 und einen Auslass 46 besitzt. Der Propeller 42 wird üblicherweise von einer Niederdruckturbine und einem Kompressor angetrieben, die sich innerhalb des Triebwerks 40 befinden. Das Triebwerk 40 besitzt ebenfalls einen nicht näher dargestellten Einlass und einen Auslass 48.

Wie aus der Figur 8 zu entnehmen ist, können sowohl der Auslass 46 des Propellerführungskana]s 43 und der Auslass 48 des Triebwerks 40 mit Lärmunterdrückungseinrichtungen gemäß vorliegender Erfindung versehen sein. Der Auslass 46 weist daher mehrere Geschwindigkeitskegel 50 auf, die um den Umfang desselben angeordnet sind, während der Auslass 48 mehrere Geschwindigkeitskegel 42 besitzt, die um seinen Umfang angebracht sind. Die Gesamtwirkung der Geschwindigkeitskegel besteht wiederum darin, den äußeren Umfang der Abgasströmung in mehrere kleine Strahlauffächerungen aufzubrechen, wodurch die Breitbandlärmpegel verringert werden. Um die optimale Größe und den Aufbau der Geschwindigkeitskegel bestimmen zu können, müssen die Daten empirisch ermittelt werden. Es darf jedoch noch darauf hingewiesen werden, daß bei der Düse gemäß vorliegender Erfindung, die in der Lage ist, die Abgasströmung in einzelne Fächerungen aufzubrechen, keine bewegbaren Sperrklappen oder andere mechanische Einrichtungen verwendet werden. Hierdurch wird sowohl an Gewicht und Kosten eingespart, während eine größere Verringerung der Lärmpegel im Vergleich zu den bisher verwendeten Düsen erreicht wird.

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Claims

Patentansprüche

M.] Einrichtung zur Lärmunterdrückung bei Abgasdüsen für Flugzeuggasturbinen, welche eine Schubgasströmung erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Düse vorgesehen ist, die einen Führungskanal (22) mit einer inneren Viand aufweist, entlang der die Antriebsgase zur Atmosphäre geleitet werden, daß mehrere Geschwindigkeits-" hülsen (26) um den Umfang des Führungskanals (22) angeordnet sind und die Geschwindigkeitshülsen (26) ein strömungsaufwärts gelegenes Ende aufweisen, das aerodynamisch günstig zur inneren Wand verläuft, um so eine glatte Fläche zu erzielen und daß die Geschwindigkeitshülsen (26) für den Führungskanal eine Verlängerung darstellen, derart, daß die entlang der inneren Wand strömenden Antriebsgase an den Hülsen anhaften, so daß der Antriebsgasstrom, der aus der Düse austritt, in mehrere kleinere Strahlauffächerungen aufgebrochen wird, von denen jede einer Geschwindigkeitshülse zugeordnet ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwi;· 'igkeitshülsen (26) kegelförmig ausgebildet sind, deren Spitzen abströmseitig vom Abströmende des Führungskanals angeordnet sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 2,dadurch ge ken n ze ichne t, daß mindestens eine der Geschwindigkeitshülsen (26) langer als die übrigen ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die längere Hülse(26)am oberen Teil des Führungskanals angeordnet ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Hülsen (26) axial versetzbar ist und Mittel zur Durchführung der Versetzung aufweist.

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6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungskanal (22) rechteckig geformt ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lange Seite der rechteckig geformten Düse vertikal gerichtet ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7,dadurch g eke η η ζ e ic hn e t, daß die am oberen Teil des Rechtecks angeordneten Geschwindigkeitshülsen länger als die übrigen sind.
9. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungskanal einen Propellerkanal aufweist, der den Propellerteil der Turboprop-Maschine umgibt.

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