DE2248638A1

DE2248638A1 - Resonatorkammerschalldaempfer fuer gasturbine

Info

Publication number: DE2248638A1
Application number: DE19722248638
Authority: DE
Inventors: John Francis Lawyer; David Keats Prugger
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-10-06
Filing date: 1972-10-04
Publication date: 1973-04-12
Also published as: JPS4844612A; GB1375600A; US3709319A

Description

6 Prankfurt/Main Ί, 6.10.72

WK./es.

Dr. Horst Schüler

Patentanwalt

6Frankfurt/Main1

Niddastr.52

2177-51-GA-2024

GENERAL ALECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y., U.S.A.

Resonatorkammer-Schalldämpfer für Gasturbine

Die Erfindung betrifft allgemein einen Abgasschalldämpfer für eine Gasturbine zur Dämpfung des Schalls für hohe und niedrige Frequenz und bezieht sich insbesondere auf einen Abgasschalldämpfer für Gasturbinen mit einer zusätzlichen Kapazität zur Dämpfung von Niederfrequenzschall, wobei der Druckabfall in dem Strömungsweg für das Abgas auf ein Minimum gebracht ist.

Die Technik der Schalldämpfung für das Abgas von Gasturbinen war größtenteils gerichtet auf die Abschwächung oder Dämpfung des Hochfrequenzschalls. Dies führte zu der Verwendung relativ dünner akustisch absorbierender paralleler Schallbretter, von denen gewöhnlich eine Anzahl über die Breite des Abzugskanals für die heißen Abgase angeordnet waren. Es wurden jedoch sehr geringe Anstrengungen auf die Schalldämpfung für den niederfrequenten Abgasschall gerichtet.

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In der deutschen Patentanmeldung P 22 44 123.2 der Anmelderin
wurde eine Anordnung zur Dämpfung von hochfrequentem und niederfrequentem Abgasschall angegeben. In einer Ausführungsform wird dort ein freistehender Strukturrahmen benachbart zum Auslaßende einer Gasturbine angeordnet. In dem Rahmen sind zwei Abschnitte für Niederfrequenz-Schalldämpfer und ein Abschnitt für die Dämpfung hochfrequenten Schalls vorgesehen. Jeder Niederfrequenz-Schalldämpferabschnitt enthält eine Reihe von großen akustisch
absorbierenden Kästen, an die sich ein Expansionsabschnitt anschließt. Der Hochfrequenzabschnitt umfaßt eine Anzahl paralleler Schallbretter, welche relativ dünn und in einem höheren Frequenzbereich akustisch absorbierend sind. Die akustisch absorbierenden Kastenabschnitte tragen jeweils einen Expansionsabschnitt und in einer Ausführungsform trägt der akustisch absorbierende Kastenabschnitt sowohl einen Expansionsabschnitt als
auch einen Abschnitt mit parallelen Schallbrettern. Die akustisch absorbierenden Kastenabschnitte und der Abschnitt mit parallelen Schallbrettern dämpfen den Schall durch Absorption des Schalls in einer akustischen Füllung in den jeweiligen Abschnitten. Die Expansionsabschnitte sind lediglich große eingeschlossene Volumina, welche auf den Innenwänden isoliert sind und den Schall dämpfen im Ergebnis der Verminderung der Gasenergie infolge der Verminderung des Gasdruckes.

Diese Anordnung stellt an sich eine sehr zufriedenstellende Anordnung dar. Es ist jedoch auch bekannt, daß Verminderungen des Gasdruckes in dem Strömungsweg des Abgases zu einem Aufbau von zurückwirkenden Staudrücken führen können, welche den Wirkungsgrad einer Gasturbine nachteilig beeinflussen können. Weiterhin kann es erwünscht sein, in dem Niederfrequenz-Schalldämpferabschnitt eine gewisse "Abstimmungsfähigkeit*¹ vorzusehen, so daß weitere Bestrebungen zur Schalldämpfung auf Anteile des Schalls mit kritischen Frequenzen gerichtet werden können.

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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Schalldämpfer am Gasauslaß einer Gasturbine zu schaffen, welcher sowohl hochfrequenten als auch niederfrequenten
Schall dämpft.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Schalldämpfer am Abgasauslaß einer Gasturbine zu schaffen, welcher die Druckverluste in dem Strömungsweg der heißen Abgase auf ein Minimum bringt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Schalldämpfer für den Gasauslaß einer Gasturbine zu erhalten, welcher "abgestimmt" werden kann, um die Dämpfung bestimmter Schallfrequenzen zu steigern.

Weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung sind ersichtlich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung einer Ausführungsform im Zusammenhang mit den Abbildungen.

Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene isometrische Darstellung einer Ausführungsform eines Schalldämpfers für den Abgasauslaß einer Gasturbine.

Fig. 2 gibt eine isometrische Ansicht der erfindungsgemäßen Anordnung für eine Ausführungsform eines Schalldämpferabschnittes für Niederfrequenz.

In einem Schalldämpfer für das Abgas einer Gasturbine umfaßt ein Kiederfrequenz-Schalldämpferabschnitt eine Reihe von im Abstand voneinander angeordneten akustisch absorbierenden Kästen mit
,jeweils gegenüberstehenden benachbarten Seitenwänden, die eine
Vielzahl von Heißgaskanälen definieren. Weiterhin umfaßt dieser Abschnitt eine Reihe von im Abstand angeordneten hohlen Resona-

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torkästen, welche bezüglich der akustisch absorbierenden Kästen so ausgerichtet sind, daß sie eine Weiterführung der Heißgaskanäle ergeben. Die im Abstand voneinander angeordneten Resonatorkästen besitzen benachbarte gegenüberstehende Seitenwän de mit einer Vielzahl von Öffnungen und begrenzen und definieren die Ileißgaskanäle in einer solchen Weise, daß die Schallwel len in die Resonatorkästen eintreten und dann an den Innenwän den zur Aufhebung der hereinkommenden Schallwellen reflektiert werden. Der Schall wird durch diesen "Auslöschungsvorgang" für die Wellen selektiv gedämpft, wobei gleichzeitig die Druckver luste des Gases längs der Gaskanäle auf ein Minimum reduziert werden.

Fig. 1 zeigt einen Schalldämpfer 11 für den Abgasauslaß einer Gasturbine benachbart zum Auslaßende der nicht gezeigten in einem Turbinengehäuse eingeschlossenen Gasturbine. Der Abgasschall dämpfer steht mit der Gasturbine in Verbindung über einen Abgassammelraum und einen Abgasübergangsbereich.

Wie in der vorstehend erwähnten Patentanmeldung P 22 44 123.2 der Anmelderin beschrieben, kann der Abgasschalldämpfer durch einen skelettartigen Strukturrahmen 13 getragen werden, welcher einen Abgaskanal definiert und mit Flansch versehene Träger 21 enthält, die von mit Flansch ausgestatteten Säulen 27 getragen werden. Dies ist eine Ausführungsform eines Abgasschalldämpfers, auf welche die vorliegende Erfindung angewendet werden kann. Sie ist jedoch auch auf andere Ausführungsformen eines Schalldämpfers anwendbar.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind zwei Niederfrequenz-Schalldämpferabschnitte vorgesehen. Einer von diesen Niederfrequenzabschnitten enthält einen Abschnitt mit akustischen Kästen und einen Resonatorabschnitt. Der Abschnitt mit akustischen Kästen kann eine Reihe von Schall absorbierenden

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Kästen umfassen oder er "kann ähnlich sein dem Beschleunigungsabschnitt der vorgenannten deutschen Patentanmeldung. Diese letztere Anordnung sieht eine Reihe von großen hohlen Kästen 35 vor, welche mit einem geeigneten akustisch und thermisch isolierenden Material 47 gefüllt sind und besitzt einen Träger 45 in Form eines hohlen Kastens, der für Halterungs- und Ventilationszwecke durch diese Reihe verläuft. Der Kastenträger ruht durch den akustischen Kasten frei auf gegenüberstehenden Halteträgern, welche den Abgaskanal definieren.

Gemäß Fig. 2 sind die akustischen Kästen Seite an Seite in einer Reihe angeordnet und besitzen gelochte gegenüberstehende benachbarte Seitenwände 49 zur Bildung einer Vielzahl von GasstrÖmungskanälen 39. Der Schall wird in einer geeigneten akustischen, thermischen Isolation 47 durch die perforierten gegenüberstehenden benachbarten Seitenwände absorbiert, wobei die Isolation 47 beispielsweise aus Glasfasern bestehen kann. Andere einschliessende Teile 51 der akustischen Kästen werden allgemein aus nicht perforiertem Metallblech hergestellt.

Ein Resonatorabschnitt gemäß der vorliegenden Erfindung kann aufgleicheWeise durch den Abschnitt mit akustischen Kästen getragen werden, wie dies in der vorstehend genannten Patentanmeldung für den Expansionsabschnitt beschrieben ist. Der Resonatorabschnitt enthält eine Reihe von Seite an Seite angeordneten hohlen Resonatorkästen 69. Diese sind quer über den durch den Strukturrahmen definierten Abgaskanal angeordnet und in einem solchen Abstand angebracht, daß sie in Ausrichtung mit den Gaskanälen 39 stehen, welche durch gegenüberstehende benachbarte Seitenwände 49 akustischer Kästen gebildet sind und verlängern daher effektiv die Gaskanäle. Die Resonatorkästen 69 besitzen gegenüberstehende benachbarte Seitenwände 71 aus Metallblech zur Fortsetzung der Gaskanäle. In diesen Seitenwänden 71 ist eine Vielzahl von Öffnungen 75 ausgebildet, welche in Strömungsraittelver-

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Minimi- mil <lon G.'ifikanfÜ en 39 stehen. Da die Gaskanäle 39 sich _ki;;rch den Resonatorabschnitt weiter fortsetzen und dieser den gleichen Querschnitt besitzt, erfolgt keine wesentliche Verringerung der Geschwindigkeit des Abgases und des Druckes und damit kein Aufbau eines zurückwirkenden Druckes oder Staudruckes. Die Endwände 79 der Resonatorkästen unterscheiden sich von den gegenüberstehenden benachbarten Seitenwänden und werden zur Vervollständigung der Hülle aus nicht-perforiertem Metallblech hergestellt.

Die Resonatorkästen 69 können für die Dämpfung verschiedener Schallfrequenzen abgestimmt werden durch Änderung der Durchmesser der Öffnungen der Seitenwände, des Mittenabstandes der Öffnungen und der Länge und Anzahl von Resonatoren in Richtung der Gasströmung.

Beispielsweise wird die Verwendung eines Resonators mit einer Länge von etwa 1,2 m (4 Fuß) in Richtung der Gasströmung zu einem bestimmten Maximalwert der Schalldämpfung für den Schalldämpfer führen (etwa 60 db). Wenn die Öffnungen einen Durchmesser von etwa 1,2 cm (1/2 Zoll) und einen Mittenabstand von etwa 14 cm (F, 5 Zoll) besitzen, dann liegt der Maximalwert der Schalldämpfung in der dritten Oktave mit einer Mittenfrequenz von 100 Hz. Wenn die Öffnungen einen Durchmesser von etwa 2,5 cm (1 Zoll) und Mittenabstände von etwa 23 cm (9 Zoll) besitzen, dann liegt das Maximum für die Schalldämpfung in der dritten Oktave mit einer Mittenfrequenz von 80 Hz.

Wenn zwei Resonatoren in Reihe angeordnet werden, wobei der erste Resonator eine Länge von etwa 60 cm (2 Fuß) in Richtung des Gasstroms, Öffnungen mit einem Durchmesser von etwa 2,5 cm (1 Zoll) und Mittenabstände der Öffnungen von etwa 23 cm (9 Zoll) besitzt und der zweite Resonator ebenfalls eine Länge von etwa 60 cm besitzt, aber Öffnungen mit einem Durchmesser von etwa

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1,2 cm (1/2 Zoll) und Mittenabstände von etwa 14 cm (5 1/2 Zoll) besitzt, dann wird eine maximale Dämpfung in einem breiteren Band und mit einem geringfügig kleineren Wert (58 db) für den Schalldämpfer erhalten. Diese liegt weiterhin auf einem Spitzenwert im Bereich der Frequenzen, welche die Bänder der dritten Oktave zwischen 80 und 100 Hz umfassen.

Oberhalb des Resonatorabschnittes kann ein weiterer Niederfrequenz-Schalldämpferabschnitt vorgesehen werden von dem Typ, wie er in der vorstehenden deutschen Patentanmeldung beschrieben ist. Es ist ein selbsttragender oberer Abschnitt mit akustischen Kästen vorgesehen, welche in Ausrichtung mit den Gaskanälen 39 des vorerwähnten Abschnittes mit akustischen Kästen und des Resonatorabschnittes steht. Daher werden diese Gaskanäle weiter fortgesetzt und besitzen einen praktisch konstanten Strömungsquerschnitt, wodurch Druckverluste auf ein Minimum reduziert sind. Oberhalb des oberen akustischen Kastenabschnittes und von diesem getragen, kann ein weiterer Resonatorabschnitt oder gemäß der bevorzugten Ausführungsform ein Expansionsabschnitt vorhanden sein. Wie bereits erwähnt, stellt der Expansionsabschnitt ein großes leeres Volumen dar, in dem eine Verringerung des Druckes und der Geschwindigkeit des Gases möglich ist mit einer entsprechenden Verminderung der Schallenergie.

Schließlich ist in der bevorzugten Ausführungsform ein Abschnitt mit parallelen Schallbrettern oberhalb des oberen Abschnittes mit akustischen Kästen und des Expansionsabschnittes gehaltert. Dieser Abschnitt mit parallelen Schallbrettern enthält eine Reihe von im Abstand angebrachten akustisch absorbierenden"parallelen Schallbrettern 29, welche in der Richtung senkrecht zur Gasströmung relativ dünn sind. Wegen der geringen Dickenabmessung der Schallbretter sind sie brauchbar für die Dämpfung von Hochfrequenzschall. Aus diesem Abschnitt mit parallelen Schallbrettern können die Heißgase dann in die Atmosphäre abgegeben werden.

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Die Keißgase aus dem Abgasende einer Gasturbine strömen durch den Abgassammei raum und den Auslaßübergang in einen Abschnitt mit akustischen Kästen. Die Reihe von im Abstand angeordneten akustischen Kästen ergibt Gaskanäle durch diesen Abschnitt hindurch. Die perforierten gegenüberstehenden benachbarten Seitenwände der akustischen Kästen, welche die Gaskanäle definieren, gestatten die Absorption von niederfrequentem Schall in die akustisch und thermisch isolierten Kästen.

Die heißen Gase strömen dann in den Resonatorabschnitt, welcher eine Reihe von hohlen im Abstand angeordneten Kästen umfaßt, die so zu den akustischen Kästen ausgerichtet sind, daß sie die Gaskanäle verlängern.

Die gegenüberstehenden benachbarten Seitenwände des Resonatorkastens besitzen Öffnungen, welche es gestatten, daß ausgewählte Frequenzen der Schallwellen in den Resonatorkasten eintreten, von den inneren Teilen des Kastens reflektiert werden und anschließend die hereinkommenden Schallwellen aufheben.

Der Abschnitt mit den akustischen Kästen und der Resonatorabschnitt sind brauchbar für die Dämpfung niederfrequenten Schalls wegen ihrer relativ großen Abmessungen in einer Richtung senkrecht zum Gasstrom. Ebenso kann der Resonatorabschnitt abgestimmt werden, um ausgewählte niederfrequente Schallwellen zu dämpfen.

An den Abschnitt mit den akustischen Kästen und an den Resonatorabschnitt kann sich ein weiterer Niederfrequenzabschnitt anschliessen, welcher die gleichen Elemente umfaßt oder alternativ hierzu einen Niederfrequenz-Schalldämpferabschnitt, welcher einen Abschnitt mit akustischen Kästen und einen hohlen Expansionsabschnitt umfaßt. Dieser weitere Niederfrequenzabschnitt kann entsprechend den Anforderungen an die Schalldämpfung gänzlich weggelassen werden und es kann bei jeder möglichen Anordnung der Niederfrequenz-Schalldämpferabschnitte ein Abschnitt mit parallelen Schallbrettern nachgeordnet werden.

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Claims

Patentansprüche

1./ Schalldämpfer für den Abgasauslaß einer Gasturbine mit Einrichtungen zur Schaffung eines Abgaskanals zur Ableitung der Abgase in die Atmosphäre mit einer Reihe von akustisch absorbierenden Kästen, die über den Abgaskanal angeordnet sind und mit akustisch und thermisch isolierendem Material gefüllt sind, wobei die akustisch absorbierenden Kästen in einem Abstand voneinander angeordnet sind zur Bildung einer Vielzahl von Gasdurchlaßkanälen in dem Abgaskanal, gekennzeichnet durch mindestens eine angrenzende Reihe von praktisch leeren Kästen (69) mit hohlem Inneren und aneinandergrenzenden gegenüberstehenden Seitenwänden (71), die so bezüglich der akustisch absorbierenden Kästen ausgerichtet sind, daß sie die Gaskanäle (39) verlängern, wobei die benachbarten gegenüberstehenden Seitenwände (71) mit Öffnungen (7?) ausgestattet sind, welche die Gaskanäle (39) mit dem Inneren jedes der Kästen (69) verbinden.

2, Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtungen zur Bildung eines Abgaskanales einen freistehenden selbsttragenden Struktürrahmen enthalten.

3. Schalldämpfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Abmessungen und der Mittenabstand der Öffnungen (75) variierbar sind.

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4. Schalldämpfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Länge und Anzahl der leeren Kästen (69) in Richtung der Gasströmung variierbar

Hl

sind.

5. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß angrenzend an die Reihe von praktisch leeren Kästen (69) und mit diesen ausgerichtet eine zweite Reihe akustisch absorbierender Kästen vorgesehen ist.zur weiteren Verlängerung der Gaskanäle (30) und ein Expansionsabschnitt durch eine große leere Kammer anschließend an die zweite Reihe von akustisch absorbierenden Kästen definiert ist, wobei diese Kammer im Innern des Abgaskanals angeordnet ist.

6. Schalldämpfer nach Anspruch P, dadurch gekenn zeichnet , daß anschließend an die Expansionskammer eine Vielzahl von relativ dünnen akustisch absorbierenden parallelen Schallbrettern (29) über dem Abgaskanal angeordnet ist.

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