DE2351093A1

DE2351093A1 - Breitband-schallschutz

Info

Publication number: DE2351093A1
Application number: DE19732351093
Authority: DE
Inventors: Robert Clayton Evans; Horst Wilhelm Hehmann
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-10-19
Filing date: 1973-10-11
Publication date: 1974-05-02
Also published as: FR2203936A1; JPS4993713A; IT995569B; US3819008A; BE806107A; GB1441404A

Description

Dr. Horst Schüler

Patentanwalt

6 Frankfurt/Main 1 Niddastr. 52

10. Oktober 1973 Vo/ro

2483-13DV-6O4O

GENERAL ELECTRIC COMPANY

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

Breitband-Schallschutz

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf die Schallunterdrückung bei diesen Triebwerken.

Auf dem Gebiet der Gasturbinentriebwerke hat die Hinzufügung von Lüftern bzw. Gebläsen zur Erzeugung einer neuen Lärmquelle geführt. Es sind effektive Schritte unternommen worden, um aus dem hinteren Abschnitt der Triebwerke austretenden Lärm wesentlich zu reduzieren, der seinen Ursprung sowohl in den Core- als auch Fan-Elementen hat, jedoch bleibt die vordere Lärmemission ein Problem» Charakteristisch für solchen in den vorderes Triebwerksabschnitten auftretenden Lärm sind Gefoläsetöae, breitbandiger Lärm ■ uad mehrfache reine Töne (eia Modislationsphäaomea, das durch Lüfterspitzen erseugt wird, die mähe b©± Had über Mach I rotieren).

Ein bisher versuchtes Gegenmittel für diese Situation ist die Erzeugung einer Verengung im Gebläseksna leinlaß, die zu einer Geschwindigkeit der Einlaßluft nahe Mach I führt. Dieses Konzept hat sich als wirkungsvoll erwiesen, da der Ton eine Mach I-Grenze nicht durchdringen kann; es hat sich jedoch gezeigt, daß derartige Vorrichtungen den Wirkungsgrad der zugehörigen Triebwerke verkleinern, ganz abgesehen von der Schwierigkeit» eine Mach I-Grenze bei kleinen Luftgeschwindigkeiten aufrechtzuerhalten.

Eine andere bekannte Maßnahme ist die Anordnung eines ringförmigen Zerteilers aus akustischem Absorptionsmaterial im Gebläseeinlaßkanal. Solche Vorrichtungen sind sehr wirkungsvoll bei der Verminderung des Austrittes von gewissen erzeugten Geräuscharten. Neuere Experimente haben jedoch die Tatsache offenbart, daß gewisse Arten dieses Lärmes (und insbesondere die Vielfachen von reinen Tönen und gewisse breitbandige Geräusche) in einer Spiralwellenform austreten, wobei sich die stärksten Konzentrationen nahe der Kanalwand befinden. Dies würde bedeuten, daß ein derartiges Lärmphänomen durch ringförmige Verteiler nicht wirkungsvoll beeinflußt werden würde, da die besondere Art von Lärmausbreitung in einer zu solchen Zerteilern koaxialen Spirale auftritt und somit die Zerteiler umgeht.

Es ist deshalb eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Lärmunterdrückung für Gasturbinentriebwerke zu schaffen, die eine Vielfalt von Lärmsusbreitungen auf wirkungsvolle Weise vermindert, während gleichzeitig nachteilige Auswirkungen auf den Wirkungsgrad des Triebwerkes vermieden werden.

Die vorliegende Erfindung schafft eine effektive Lösung für diese und andere Lärmprobleme, indem in einem Kanaleinlaß zahlreiche radial verlaufende Barrieren oder Vorsprünge angeordnet werden, die von der Kanalwand in der Weise auskragen, daß sie die sich spiralförmig ausbreitenden Lärmwellen- schneiden, wenn diese von dem Gebläse stromaufwärts in Richtung auf den Einlaß fortschreiten. Es wurde gefunden, daß diese Streben den Lärm um etwa 90% der damit verbundenen Energie vermindern.

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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Lärmenergie vermindernde Barriere oder Sperre zur Verwendung in einem Kanal geschaffen, wobei die Barriere eine erste Fläche, die sich in dem Kanal von der Kanalwand im wesentlichen radial erstreckt, eine zweite Fläche, die in dem Kanal im wesentlichen radial verläuft und in Richtung auf die erste Fläche geneigt ist, so daß sich der Abstand zwischen den ersten und zweiten Flächen in radialer Richtung von einem Maximum nahe den radial äußeren Flächenenden an der Kanalwand auf ein Minimum nahe dem inneren Ende der zwei Flächen verändert, wo eine gemeinsame Verbindung der Flächen hergestellt ist, und ein Lärm absorbierendes Material aufweist, das zwischen den ersten und zweiten Flächen angeordnet ist. Dieses Material ist ein honigwabenartiges oder andersartiges Material, dessen Lärmabsorptionsvermögen sich als eine Funktion der Länge ändert (die Länge ist in diesem Fall ein Äquivalent zur Umfangsweite des Materials, das zwischen den Flächen der Barriere angeordnet ist). Die Barriere ist mit einer widerstandsbehafteten Frontplatte (Widerstandsplatte) versehen, die mit einer der Flächen zusammenarbeitet. Die Barriere verläuft in axialer Richtung an der Kanalwand entlang und ist im allgemeinen stromlinienförmig, um die Sog- bzw. Wirbelwirkung auf ©in Minimum z«a reduzieren, die in einem durch den Kanal hindurchströmenden Strömungsmittel erzeugt wird.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den verschiedenen Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszahlen versehen.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht von einem Teil eines die Erfindung verkörpernden Gasturbinentriebwerkes.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht von dem Triebwerk gemäß Fig. 1 nach einem Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1.

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Fig. 3 ist eine vergrößerte Ansicht von einer einzelnen erfindungsgemäßen, die Lärmenergie vermindernden Barriere.

Fig. 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Barriere.

In Fig. 1 ist ein Turbofan-Triebwerk 10 mit einer äußeren Verkleidung 12 gezeigt, die eine Kanalwand 13 aufweist, welche die äußeren Grenzen des Strömungsverlaufes von in einen Einlaß 14 eintretender Luft bildet. Auf diese Weise in die Strömungsbahn eintretende Luft wird durch einen Niederdruck-Kompressor oder Fan komprimiert. Die Strömungsbshn umfaßt einen Kanal oder Durchlaß 18, der von der Kanalwand 13 umgeben ist. Der radial äußere Teil der komprimierten Luft wird durch eine Eingdüse 20 hindurch ausgestoßen, die durch das stromabwärts liegende Ende der Verkleidung 12 und eine innere Gondel 22 gebildet ist. Der innere Teil der durch das Fan 16 komprimierten Luft tritt an einem Einlaß 24 in ein Kerntriebwerk ein, das insgesamt mit der Bezugszahl 26 versehen ist. Die in den Einlaß 24 eintretende Luft wird in bekannter V/eise weiter komprimiert, um die Verbrennung eines Treibstoffes zur Erzeugung eines heißen Gasstromes zu unterhalten. Dieser heiße Gasstrom liefert seinerseits die Antriebsleistung für das Fan 16.

Das Fan 16 weist zahlreiche drehbare Blätter 28 auf, die auf einem Fanrotor 30 radial angebracht sind. Der Fanrotor 30 wird durch eine nicht gezeigte Turbine angetrieben, die einen Teil des Kerntriebwerkes 26 bildet. Der Betrieb des Kerntriebwerkes 26 bildet eine Quelle für Schallenergie oder Lärm, der stromaufwärts durch den Kanal 18 hindurch und aus dem Einlaß 14 austritt, wenn er nicht in gewisser Weise aufgehalten wird. In ähnlicher Weise dient die Rotation des Fan 16 dazu, Schallenergie stromaufwärts durch den Kanal 18 hindurch auszubreiten. Der Lärm, der somit

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durch das Kerntriebwerk 26 und das Gebläse 16 erzeugt wird, hat die Form einer Zusammenfassung oder eines Gemisches von Tonfrequenzen. Zusätzlich führt die Rotation der radial äußeren Spitzen der Fanblätter 28 bei einer Geschwindigkeit nahe und über einfacher Schallgeschwindigkeit zur Erzeugung von aus mehrfachen reinen Tönen zusammengesetztem Lärm, der, wie gefunden wurde, den Kanal 18 in einer spiralförmigen Bahn durchquert, wobei sich die größte Konzentration nahe der Kanalwand 13 befindet.

Um ein derartig weites Spektrum von Tonfrequenzen abzufangen und zu vermindern, wird erfindungsgemäß eine Vielzahl von Schallenergie vermindernden Barrieren 32 geschaffen, die im Abstand um den Umfang der Kanalwand 13 herum angeordnet sind. Die Figuren 1 bis 3 zeigen die Konfiguration und Ausrichtung der Barrieren 32, die im folgenden näher beschrieben werden. Jede Barriere bzw. Schutzwand weist eine erste Fläche 34 auf, die in dem Durchlaß oder Kanal 18 im wesentlichen radial verläuft und auskragend von der Kanalwand 13 ausgeht. Eine zweite Fläche 36 verläuft ebenfalls im wesentlichen radial in dem Kanal 18 und ist in Richtung auf die erste Fläche 34 schräg oder geneigt, und zwar von einem Ausgangspunkt an der Kanalwand 13 zu einem gemeinsamen Verbindungspunkt. Bei den hier gezeigten Ausführungsbeispielen ergibt sich eine geradlinige Schnittlinie bei 38. Infolgedessen ändert sich der Abstand (Umfangsabstand) zwischen den ersten und zweiten Flächen 34 und 36 in radialer Richtung in bezug auf den Kanal 18 von einem Maximum nahe den radial äußeren Enden der Flächen (und der Kanalwand 13) auf ein Minimum nahe den radial inneren Flächenenden.

Zwischen den Flächen 34 und 36 ist ein Schall absorbierendes Material 40 angeordnet, das durch seinen Aufbau derart abgestimmt ist, daß es Schall verschiedener Frequeazen als ein© Funktion der Länge des Materials absorbiert (in diesem Fall der ümfangsweite des Materisis zwischen den ersten und zweiten Fläefeea)„ Wie in

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Fig. 3 gezeigt ist, kann das Schallenergie absorbierende Material beispielsweise zahlreiche Resonanzkammern aus im wesentlichen parallelen und in Umfangsrichtung verlaufenden Paneelen und Räumen bilden, die der Reihe nach miteinander in Verbindung stehen. Die Paneelen sind mit 42 und die Räume mit 44 bezeichnet, wobei ,jeder Raum 44 von einer vorbestimmten Anzahl Paneelen 42 umgeben ist und ,jeder Raum am Ende offen ist. Die offenen Enden 44a und 44b arbeiten auf entsprechende Weise mit den Flächen 34 und 36 zusammen. Bekanntlich absorbiert und verbraucht ein derartiges Honigwabenmaterial, wenn es von der Umgebung auf geeignete Weise getrennt ist, Schallenergie in Frequenzbändern gemäß und als Funktion der Länge der Räume 44, In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel füllt das eine honigwabenartige Struktur aufweisende Füllmaterial den Raum zwischen den Flächen 34 und 36 im wesentlichen aus und es erstreckt sich von der ersten Fläche zur zweiten Fläche. Aufgrund der Anordnung des Honigwabenmaterials 40 zwischen den geneigten Flächen 34 und 36 werden Räume 44 verschiedener Länge gebildet. Somit enthält eine einzelne Barriere eine Vielzahl von Honigwabenräumen 44 unterschiedlicher Längen und verschiedener Scha1Ifrequenz-Absorptionscharakteristiken.

Wie bereits ausgeführt wurde, ist gefunden worden, daß Fan-Gasturbinentriebwerke viele Arten und Frequenzen von Tönen bzw. Lärm erzeugen. Insbesondere wurde gefunden, daß Vielfache der reinen Töne, die durch Fanspitzen erzeugt werden, die nahe bei einfacher Schallgeschwindigkeit rotieren, Schallwellen von vorwiegend 600 bis 800 Schwingungen pro Sekunde enthalten. Ferner wurde gefunden, daß diese mehrfachen reinenTöne von den Fanspitzen in einer Spirale austreten, die in der gleichen Richtung rotiert, wie die Fanblätter. Um einen wesentlichen Teil dieses Geräusches und desgleichen Lärm vom Kerntriebwerk und anderen Fanlärm zu eliminieren, wird erfindungsgemäß die maximale Breite des Lärm absorbierenden Materials 40 ia der Nähe der lanalwand 13 angeordnet* Zusätzliche Breiten der Honigwab@n?äum@ 44 werden pyramideoartig

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übereinander angeordnet und ragen in den Kanal 18 hinein, um nicht an der Kanalwand 13 anhaftende Lärmenergie und ferner Lärm von anderen Frequenzen als denjenigen aufzunehmen, die durch das übrige Honigwabenmaterial absorbiert werden.

Um Schallenergie in die Honigwabenräume 44 eintreten zu lassen und ferner deren Austritt aus den Honigwabenräumen zu verhindern, ist eine Widerstands-Frontplatte 46 vorgesehen, die Über der Fläche 36 der Barriere 32 liegt und mit dieser zusammenarbeitet. Für die Aufbringung der Frontplatte 46 ist die Fläche 34 ausgewählt, da sich der spiralförmig ausbreitende Lärm der Barriere 34 in Richtung der Rotation der Blätter 28 nähert und somit von der durch die Fläche 34 dargestellten Seite, Die verbleibende Fläche 36 ist mit einem massiven bzw. ungeteilten Frontblech 48 überdeckt, das den Eintritt oder Austritt von Schallenergie verhindert .

Es wurde gefunden, daß eine geeignete Lärmverminderung durch Verwendung von Barrieren der hier beschriebenen Art erzielt werden kann, die auch so dimensioniert und geformt sein können, daß sie beim Betrieb eines zugehörigen Trieb\?erkes bezüglich des Wirkungsgrades ein minimales Hindernis darstellen. Genauer gesagt, kann die radiale Höhe der einzelnen Barrieren 32 zwischen 15 und 20% des zugehörigen Kanalradius liegen und eine wesentliche Lärmreduktion herbeiführen, während ein geeigneter Wirkungsgrad beibehalten wird. Die Barrieren absorbieren geeignete Geräuschfrequenzen von 600 bis 800 Hz, wenn sie mit einer maximalen Breite , nahe der Kanalwand von etwa 10 bis 15 cm (4 bis 6 Zoll) versehen ist. Um eine strukturelle Integrität aufrechtzuerhalten und zugleich eine erwünschte Abschrägung der Schutzwand für eine breitbandige Lärmabsorption zu erzielen, kann die Schallschutzwand auf eine minimale Dicke von 1,25 cm (1/2 Zoll) nahe ihren radial inneren Ende konisch zulaufen.

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Es wurde gefunden, daß die Turbulenz, die in der durch den Kanal 18 strömenden Luft stromaufwärts von den Fanblättern 28 hervorgerufen wird, zu einer erhöhten Lärmausbreitung führt aufgrund des Aufpralles verschiedener Teile des turbulenten Strömungsmittels auf einzelne Fanblätter . Aus diesem Grunde sind die Barrieren 32 so angeordnet und geformt, daß innerhalb des Strömungsmittels im Kanal 18 erzeugte Wirbelschleppen auf einer minimalen Größe gehalten werden. Zugleich sind die Barrieren im Abstand zu den Fanblättern angeordnet, um deren Einfluß vor einer Wechselwirkung mit den Blättern zu dämpfen. Es wurde gefunden, daß diese wünschenswerten Ergebnisse auftreten, wenn die einzelnen Barrieren 32 mit einer im allgemeinen stromlinienförmigen Querschnittskonfiguration versehen sind, wobei die auflaufende und ablaufende Kante der Barrieren in axialer Richtung abgeschrägt bzw. konisch sind. Eine derartige Formgebung hat die Neigung, die Erzeugung von Wirbelschleppen auf ein Minimum zu reduzieren. Ferner hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, daß die Barrieren stromaufwärts von den Fanblättern im Abstand von wenigstens zwei Fantiefenlängen (entsprechend den einzelnen Sehnenlängen von jedem der im wesentlichen gleichförmigen Fanblätter) angeordnet sind. Bei diesem Abstand würde die Wirbelschleppe, wie sie auch immer durch die stromlinienförmige Barriere 32 ausgebildet sein mag, innerhalb des strömenden Mediums im wesentlichen verteilt sein und ihre Auswirkungen würden vor einer Wechselwirkung mit den Fanblättern 28 gedämpft sein.

Fig. 4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Barriere 32', wobei das ungeteilte bzw. massive Frontblech 48 gemäß Fig. 3 durch ein zweites widerstandsbehaftetes Frontblech 50 ersetzt ist. Dieses Frontblech 50 arbeitet mit der zweiten Fläche 36 der Barriere 32· zusammen. Die andere Fläche 34 der Barriere 32» ist ähnlich der in Fig. 3 gezeigten und arbeitet mit einer ebenfalls ähnlichen Frontplatte 46 zusammen. Ein zusätzlicher Unterschied ist die Anordnung einer Trennwand zwischen den

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Flächen 34 und 36, die in bezug auf die Barriere 32' radial und axial verläuft und die die Räume 44 Jeweils in zwei Teile 44c und 44d teilt. Diese Formgebung ist für Fälle geeignet, bei denen sich weniger als ein überwiegender Hauptteil des Lärms in einer einzigen Richtung innerhalb des Kanales 18 spiralförmig ausbreitet. Eine derartige Situation kann auftreten, wenn zahlreiche gegeneinander rotierende Gebläse in einem einzigen Kanal angeordnet sind, wobei jedes Gebläse sein eigenes Geräuschspektrum erzeugt. In einem derartigen Fall würde die Arbeitsweise jeder Umfangshälfte der Barriere 32* die gleiche sein, wie sie vorstehend anhand der Barriere 32 beschrieben wurde. Es kann notwendig sein, die Barriere nahe ihrer Verbindungsstelle mit der zugehörigen Kanalwand 13 zu verdicken, um die Räume 44c und 44d so abzustimmen, daß sie geeignete Geräuschfrequenzen absorbieren, da die Trennwand 52 die Resonanzkammerlänge von jedem Raum effektiv halbiert.

Es sei darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäßen Barrieren und 32* und Abwandlungen davon auf Kanalwände angewendet werden können, die bereits scha11isoliert sind. Beispielsweise sind in den Figuren 3 und 4 Barrieren 32 und 32* gezeigt, die sich von der Eingriffsstelle mit der Kanalwand 13 radial nach innen erstrecken, wobei die Kanalwand honigwabenartige Resonanzkammerstrukturen 54 aufweist, die mit ringförmigen Widerstands-Frontblechen 56 überdeckt sind. In diesem Fall arbeitet der Honigwabenaufbau 54 der Kanalwand in bekannter Weise und absorbiert eine wesentliche Lärmmenge, um die Lärmunterdrilckung der Barrieren und 32' zu ergänzen.

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Claims

Ansprüche

Schalldämmende Barriere zur Verwendung in einem Strömungskanal, gekennzeichnet durch eine erste Fläche (34), die im wesentlichen radial in dem Kanal (13) verläuft, eine zweite Fläche (36), die im wesentlichen radial in dem Kanal (13) verläuft und in Richtung auf die erste Fläche (34) geneigt ist, so daß sich der Abstand zwischen den ersten und zweiten Flächen (34, 36) in radialer Richtung ändert, und ein Schall absorbierendes Material (40), das zwischen den ersten und zweiten Flächen (34, 36) angeordnet und aufgrund seines Aufbaues so abgestimmt ist, daß es Schall verschiedener Frequenzen als eine Funktion der Breite des Jiaterials zwischen den ersten und zweiten Flächen (34, 36) absorbiert.

Barriere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daßdie Neigung zwischen den ersten und zweiten Flächen (34, 36) derart gewählt ist, daß sich der dazwischen befindliche Abstand im allgemeinen konisch von einem Maximum nahe den radial äußersten Flächenenden auf entsprechende Weise auf ein Minimum ändert.

3. Barriere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß sich das Schall absorbierende Material (40) im wesentlichen von der ersten Fläche (34) zur zweiten Fläche (36) erstreckt.

4. Barriere nach Anspruch 3, dadurch "gekennzeichnet , daß das Schall absorbierende Material (40)

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den Raum zwischen den ersten und zweiten Flächen (34, 36) im wesentlichen ausfüllt.

5. Barriere nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß ein erstes Widerstands-Frontblech (46) vorgesehen ist, das mit der ersten Fläche (34) zusammenarbeitet.

6. Barriere nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Schall absorbiereade Material (40) eine honigwabenartige Struktur aufweist.

Barriere nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die honigwabenartige Struktur im wesentlichen parallele, in Umfangsrichtung verlaufende Paneelen (42) und Bäume (44) aufweist, dl® der leihe aach miteinander verschachtelt sind, wobei jeder Raum (44) durch eine vorbestimmte Anzahl von Paneelen (42) gebildet und am Ende offen ist und die offenen Enden der Räume (44) mit den ersten bzw. zweiten Flächen (34, 36) zusammenarbeiten.

8. Barriere nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß eine Trennwand (52) zwischen den ersten und zweiten Flächen (34, 36) angeordnet ist und jeden der Räume (44) in zwei Teile (44c, 44d) teilt, und ferner ein zweites Widerstands-Frontblech (50) vorgesehen ist, das mit der zweiten Fläche (36) zusammenarbeitet.

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9. Barriere nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten Flächen (34, 36) von einem Punkt nalie der Kanalwänd (13) im wesentlichen radial nach innen verlaufen.

10. Barriere nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten Flächen (34, 36) axial zum Kanal (13) verlaufen «ad eine im allgemeinen stromlinienförmige Konfiguration aufweisen.

11. Barriere nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß auf der Kanalwand (13) zahlreiche Barrieren (32) in Ümfangsrielitiiisg mit Abstand zueinander angeordnet sind.

12. Barriere nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Ksmalv;and (13) einen Durchlaß (18) bildet, in der eine Yielss&hl v&n drehbaren Blättern (28) angeordnet ist, die ein Strömungsmittel durch den Kanal (18) hindurchdrücken, wobei die Blätter (28) eine gleichförmige Blattiefe (Sehnenlänge) ata£w@äs®ii und stromabwärts von den Barrieren (32) im Abstand v©a T.?®nigst®ns zwei Blattiefen (Sehnenlängen) angeordnet siad_o

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