DE2404001C2 - Schallunterdrückungsverkleidung für Strömungskanäle von Gasturbinentriebwerken - Google Patents
Schallunterdrückungsverkleidung für Strömungskanäle von GasturbinentriebwerkenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schallunterdrückungsverkleidung
gemäß dem Oberbegriff des Pa- bo tentanspruches 1. Eine derartige Schallunterdrückungsverklcidung
ist aus der FR-PS 11 66 394 bekannt.
Es wird zunehmend angeslrebl, den Schall zu unterdrücken, welcher im Innern von Gasturbinen-Triebwerken
erzeugt wurde. Im allgemeinen wurde diese Schalldämpfung
hauptsächlich auf hochfrequenten Lärm gerichtet. Gemäß der FR-PS Il 66 394 wird hierfür auch
der an sich bekannte Helmholtz-Resonator verwendet.
welcher in großer Zahl im Innern einer Strömungskanalwand des Triebwerkes an; irdnet wurde. Dabei erstrecken
sich Resonatoren jeweils bis zum Strömungskanal und sind mit diesem mit Hilfe \on Öffnungen verbunden,
die Eintritlsöffnungen für die erzeugten Schallwelle"
bilden.
Jeder einzelne Hohlraum ist dabei in der Lage, die Schallwellenfortpflanzung in diskreten Frequenzbändern
abzudämpfen durch Energieverbrauch im Innern des Hohlraumes, der aus Druckverlusten der in die Hohlräume
ein- und austretenden Strömung resultiert. Dabei liegen die Frequenzbänder, in denen ein einzelner Hohlraum
wirksam ist, in einem eng begrenzten Bereich um eine Resonanzfrequenz herum.
Um auch störenden Schall aus Gasturbinen-Triebwerken wirksam zu unterdrücken, ist eine Schallunterdrückung
bezüglich hoher und niedriger Frequenzen erwünscht. Bisher versuchte Lösungswege, die nicht auf die
Helmholtz-Resonaloren beruhen, verwenden eine dünne poröse Schicht über einem unterteilten Luftraum, wie es
in der US-PS 3439 774 beschrieben ist. Bei einem anderen
Lösungsweg wird eine feste Decke aus porösem Material über die Kanalwände gezogen. Bei diesen beiden Lösungswegen
wird der Schall in Abhängigkeit von der Materialdicke unterdrückt, so daß eine Dämpfung niedriger
Frequenzen eine große Dicke erforderlich macht. Jedoch ist bei Gasturbinen-Triebwerken, welche zum
Antrieb von Düsenflugzeugen verwendet werden, die Gesamtdicke der Gondel von überragender Bedeutung bezüglich
des Verhaltens des Luftwiderstandes. Daher ist eine Schalldämpfung auf der Basis einer Vergrößerung
der Wanddicke des Strömungskanals unerwünscht.
Die Strömungskanalwände wurden auch bereits mit diskreten Schichten von Helmholtz-Hohlräumen mit
verschiedenartigen Abmessungen versehen, welche von dem Strömungskanal und untereinander durch dünne
poröse Stirnplatten getrennt waren, so daß der Schall mit höherer Frequenz innerhalb der kleineren Hohlräume
zurückgehalten wird, welche an den Kanal angrenzen, und der Schall mit niedriger Frequenz diese kleinen
Hohlräume durchdringt und in radial außen gelegenen größeren Hohlräumen vernichtet wird. Auch dieser Lösungsweg
beeinträchtigt jedoch die Gesamtdicke des Kanals
Ein weiterer Lösungsweg bestand darin, mehrere Verkleidungen
aus Helmholtz-Resonatoren axial hintereinander anzuordnen, wobei jede Verkleidung Hohlräume
verschiedener Größe aufnimmt. Damit kann zwar die Schallabstrahlung aus dem Strömungskanal vermindert
werden. Es ergibt sich jedoch eine wesentliche Verlängerung des Strömungskanals. Die Kanallänge ist aber ein
weiterer Parameter, welcher vorzugsweise bei den meisten Gasturbinen-Triebwerken auf einem Minimum gehalten
wird. Daher ist auch diese Schallunterdrückungsmaßnahmc
nur begrenzt brauchbar.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schallunterdrückungsverkleidung
der eingangs genannten Gattung derart auszugestalten, daß ohne wesentliche Vergrößerung
der Dicke oder Länge der Verkleidung eine Schalldämpfung über einen breiten Frequenzbereich erhalten
wird.
Die Aufgabe wird crllndungsgemäß durch die im Palentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestallungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schallunterdrückungsverklcidung
läßt sich anhand der HcImholtz'schen Resonatorglcichung verdeutlichen.
■s-
Ir ν
darin ist
cj„ die Resonanzfrequenz in H..
c die Schallgeschwindigkeit im Medin.n in cm pro sek,
j die Fläche des Resonatorhalses in cm2,
/' die effektive Länge des Resonatorhalses einschließlich einer Endkorrektur ir m und V das in de; ι Resonalorhohlraum eingeschlossene Volumen in cm'1.
/' die effektive Länge des Resonatorhalses einschließlich einer Endkorrektur ir m und V das in de; ι Resonalorhohlraum eingeschlossene Volumen in cm'1.
Aus dem Nenner der Wurzelgröße geht hervor, daß die Resonanzfrequenz Ci0 umgekehrt proportional dem Produkt
der effektiven Länge /' des Resonatorhalses und des Resonatorvolumens ['ist. Daher gestattet eine Verlängerung
des Resonatorhalses eine Verminderung des Hohlraunivolumens
ohne Beeinträchtigung der erzielbaren Resonanzfrequenz. Dies wird bei der erfindungsgemäßen
Schallunterdrückungsverkleidung dadurch ausgenutzt, daß mehrere Verbindungshälse in einer Verkleidung in
einer solchen Weise angeordnet werden, daß sie mehrere Hohlräume mit einem relativ großen Volumen für die
Unterdrückung von niederfrequentem Schall zusammen mit Hohlräumen mit kleinerem Volumen bilden, ohne
daß die Verkleidung allzu sehr verlängert oder verdickt werden muß. Dies wird vielmehr dadurch erreicht, daß
bereits in der Verkleidung vorhandene Strukturen dazu benutzt werden, um verschiedenartige Hohlräume und
Verbindungshälse zu bilden.
Somit wird also durch die gegenseitige Verschachtelung
der Resonator-Hohlräume und ihrer Verbindungshälse eine kompakte Verkleidung erhalten, die trotzdem
eine Schalldämpfung über einem breiten Frequenzband vornimmt. Durch die Zuordnung einzelner Wandteile zu
verschiedenen Hohlräumen und/oder Verbindungshälsen wird eine Verminderung des Gewichts und Verkleinerung
der Abmessungen erreicht.
Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispiclcn näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt eines vereinfachten Gasturbinrn-Triebwerkes.
Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt eines Teils der Strömungskanalwand nach Fig. 1 mit einer Schallunterdrückungsverkleidung
gemäß einem Ausrührungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 3 ist eine vergrößerte Schnittansicht ähnlich der Ansicht nach Fig. 2 für ein anderes Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Gasturbinen-Triebwerk
10, das einen kreisringförmigen Kanaleinlaß 12. ein mit Laufschaufeln versehenes Gebläse 14. einen Verdichter
16. Brennkammern 18. eine Turbine 20 und eine Schubdüse 22 aufweist. Das Triebwerk arbeitet ähnlich wie die
typischen Triebwerke dieser Bauform. Luft tritt in den Einlaß 12 auf der linken Seite von Fig. 1 ein, wird durch
das Gebläse 14 und den Verdichter 16 verdichtet, ein Teil der Strömung durchsetzt einen Gebläsekanu! 24 und die
übrige Strömung durchläuft den Verdichter 16 zu den M) Brennern 18. Im Brenner wird die Luft mit Brennstoff
durchmischt und gezündet und es erfolgt eine rasche Ausdehnung des Gemisches, und ein Strom von Vcrbrennungsprodukten
tritt mit hoher Geschwindigkeit aus den Brennkammern nach rechts aus und (reibt die verschiedenen
Stufen der Turbine 20 und somit das Gebläse 14 und den Verdichter K) an. ()er aus der Turbine 20 austretende
Gasstrom wird im G^bläsckanal 24 mit dem Gebläsestrom vereinigt und tritt durch die Schubdüse 22 aus.
um einen beträchtlichen Schub zu liefern.
Es wurde festgestellt, daß der störende Triebwerkslärm in mehreren Teilen des Triebwerkes erzeugt wird: Die
Gebläselaufschaufeln. welche mit hoher Geschwindigkeit
der Enden drehen, erzeugen ein breites Spektrum von Schallfrequenzen, die Verdichter und die Turbinen
erzeugen im allgemeinen einen hochfrequenten Schall und die Brenner sind ebenfalls eine Schallquelle. Als eine
Einrichtung zur Verminderung des von dem Triebwerk abgegebenen Schalls dient die Schallunterdrückungsverkleidungfürdie
Wand 26, welche den Strömungskanul 12 (oder ähnliche Kanaloberflächen im gesamten Bereich
des Triebwerkes) bildet.
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung in Anwendung auf die Wand 26 als Beispiel für typische Anwendungen solcher Wände. Aufder
Kanalwand 26 ist eine Verkleidung 27 angeordnet, welche eine Vielzahl von Helmholtz-Resonator-Hohlräumen
aufweist. Die kleinen Hohlräume 30 besitzen ein erstes vorbestimmtes Volumen und sind unmittelbar angrenzend
an den Kanal 12 angeordnet und werden teilweise durch eine Anzahl von radial verlaufenden Scitenwänden
32 und eine axial verlaufende Rückwand 34 gebildet. Jeder der ersten Hohlräume 30 ist von dem Kanal
durch die Dicke der axial \ erlaufenden Kanalwand 26 getrennt, in der eine Vielzahl von Öffnungen 36 angeordnet
ist. Jeder der kleinen Hohlräume 30 mündet unmittelbar in den Kanal 12 mit Hilfe einer der Öffnungen 36.
(Jeder Hohlraum kann mit mehr als einer Öffnung verbunden sein; zur Vereinfachung wird jedoch nachstehend
nur eine Öffnung für jeden Hohlraum erläutert.) Weiterhin sind mehrere Hohlräume 40 in der Verkleidung
27 enthalten. Diese Hohlräume 40 besitzen ein zweites vorgegebenes Volumen, welches größer ist als das
Volumen der Hohlräume 30. Jeder Hohlraum 40 ist teilweise durch eine axial verlaufende Wand 44 zusammen
mit Wänden 34 (diese begrenzen auch, wie ausgeführt,
die Hohlräume 30) gebildet. Es wird deutlich, daß die zuvor erwähnten Wände 32 und die radial verlaufenden
Wände 42 (durch welche die Hohlräume 40 noch weiter definiert sind) über die Länge der Wände 32 gemeinsame
Wände darstellen. Eine solche doppelte Verwendung von Wänden führt zu einer beträchtlichen Gewichlscrsparnis.
da überflüssige Wände wegfallen.
Jeder Hohlraum 40 ist mit dem Kanal 12 durch einen oder mehrere radial verlaufende Verbindungshälse 46
verbunden, welche eine im wesentlichen unmittelbare Strömungsmitlelverbindung zwischen dem Hohlraum 40
und dem Kanal 12 schaffen. Diese Verbindungshülse 46 werden durch gegenüberstehende Paare der Wände 32
benachbart zu den ersten Hohlräumen 30 gebildet. Hierdurch ergibt sich eine weitere Gewichtseinsparung.
Die Wechselbeziehung zwischen den ersten und zweiten Hohlräumen 30 und 40 ist so beschaffen, daß die
Hohlräume 30 allgemein in einer Schicht angeordnet sind (infolge der axialen Flucht der Wände 34). wobei diese
Schicht radial innen von einer zweiten Schicht von Hohlräumen 40 angeordnet ist (diese wird durch eine ähnliche
Flucht von Wänden 44 erzeugt). Jeder Hohlraum 40 dieser ersten Ausführungsform umschließt im wesentlichen
mindestens ein Paar von Hohlräumen 30. Weiterhin liegen die Hohlräume 30 im wesentlichen zwischen dem
Kanal 12 und den Hohlräumen 40.
Die richtige Funktionsfähigkeii der Hohlräume als Heliiiholtz-Resonatoren erfordert, daß ein Einlaß für die
Schallwellen zu jedem Hohlraum vorhanden ist. Der Einlaßbezüglich jedes der Hohlräume 30 ist eine Öffnung36.
Die Einlasse zu den Hohlräumen 40 sind die Verbindungshalse
46. Es ist ersichtlich, daß in axialer Richtung die Öffnungen 36 und Verbindungshälse 46 im wesentlichen
ineinandergeschachtelt angeordnet sind, so daß die in einer gegebenen Länge des Kanals auftretenden
Schallwellen auf beide Einlaßarten treffen und in beide Hohlraumformen eintreten.
Es wird nun die funkl ionalc Bedeutung dieser besonderen
Konfiguration beschrieben. Wie bereits ausgeführt, umfaßt der Lärm des Ciasturbinen-Triebwerkes, welcher
nach vorn aus dem Kiiiial 12 austritt, eine Vielzahl von
Frequenzen. Weiterhin ist die Fähigkeit zur Schallvernichtung für die einzelnen Helmholtz-Resonator-Hohlräume
eng begrenzt und liegt nahe bei vorgegebenen Resonanzfrequenzen, welche teilweise durch das Produkt
(/' V ) des Volumens des Hohlraumes und der Länge des Verbindungshalses bestimmt sind. Wenn Schallwellen
verschiedener Frequenzen nach vorn durch den Kanal 12 laufen und auf die Vielzahl von ineinandergeschachtelten
Einlassen 36, 46 treffen, dann treten in jedem Einlaß Teile der Schallwellen und der zugeordneten
.Schallenergie ein. Die Wellen mit höherer Frequenz werden im Innern der Hohlräume 30 wirksam vernichtet. Die
Wellen mit niedrigerer Frequenz werden im Innern der Hohlräume 40 vernichtet. Daher wird die bisher beschriebene
Ausgestaltung Schallenergie in den Bändern wirksam verbrauchen, welche in der Nähe von zwei diskreten
Resonanzfrequenzen liegen, von denen jede charakteristisch für jede Kombination von Hohlräumen 30,
40 und Einlassen 36, 46 gemäß der vorstehenden Beschreibung sind.
Zur weiteren Steigerung des Schalldämpfungsvermögens der Ausführungsform nach Fig. 2 ist eine Vielzahl
dritter Hohlräume 50 vorgesehen, die durch eine Anzahl von radial verlaufenden Wänden 52 und eine axial verlaufende
Wand 54gebi !det sind, wobei weiterhin noch die
Wände 44 zur zusätzlichen Gewichtseinsparung benutzt
werden Ein Verbindungshals 56 ist durch die Seitenwände 42 neben den Hohlräumen 40 gebildet. Das Volumen
der Hohlräume 50 ist größer als das Volumen der Hohlräume 40 (dieses ist wiederum größer als das Volumen
der Hohlräume 30). Weiterhin.ist die Länge der Verbindungshälse 56 größer als die Länge der Verbindungshälse
46 (diese ist wiederum länger als die Länge der Verbindungshälse
36). Daher ist das Produkt /' Γ am größten bezüglich der Hohlräume 50. kleiner bei den Hohlräumen
40 und am kleinsten bei den Hohlräumen 30. Weiterhin sind die Einlasse /u den Verbindungshälsen 36, 46
und 56 alle ineinandergeschachtelt angeordnet. Als Resultat ist die .Schallunterdrückungsverkleidung nach dem
beschriebenen Ausführungibeispiel in der Lage, die Schallenergie innerhalb dreier diskreter Frequenzbänder
zu verbrauchen, deren Mitte jeweils den drei verschiedenen Produkicn / I entspricht.
Als Ergebnis der Ir.einandersehachtelung der Stellen
für die VerhindungshäKe wird die Dämpfung von weiten
Schallfrequenzbereichen über ein einziges Längenstück der Verkleidung erreicht, ohne daß weitere Längenstücke
hinzugefügt werden müssen. Gleichzeitig führt die Benutzung der Hohlraumwände im Innern der Verkleidung
27 zur Bildung der einzelnen Hohlräume und auch der verschiedenen Wände und Verbindungshälse für andere
Hohlräume, um Gewicht zu sparen. Auch können dadurch, daß die Verbindungshülse für die Hohlräume für
niedrige Frequenz relativ lang sind, durch Hohlräume
ίο mit relativ kleinem Volumen niedrige Schallfrequenzen
gedämpft werden (da die Resonanzfrequenz eine Funktion des Produktes der Länge des Verbindungshalses und
des Hohlraumvolumens ist). Daher wird die Gesamtdicke der Verkleidung auf ein Minimum herabgesetzt.
Dabei sind vorgewählte längere Verbindungshälse Hohlräumen zugeordnet, die sich in einem relativ größeren
Abstand vom Kanal befinden, um ein Maximum für das Produkt /' I zu erhalten und damit eine wirksame Schalldämpfung
von Schallwellen niedriger Frequenz zu erzielen.
In Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt, das eine zusätzliche poröse Platte 58 aufweist. Die Platte 58 umgrenzt teilweise den Kanal 12
und steigert den aerodynamischen Wirkungsgrad des Kanals im Vergleich zu Fig. 2. In dieser Ausführungsform enden die Verbindungshälse 36,46 und 56 an dieser
Stirnplatte 58. die jedoch so gestaltet ist. daß die Schallwellen durch sie zum wirksamen Eintritt der Schallwellen
in die verschiedenen Hohlräume 30, 40 und 50 frei hindurchgehen. Mit anderen Worten ist trotz der Anwendung
der Stirnplatle 58 eine praktisch unmittelbare Strömungsmittelverbindung
zwischen dem Innern der einzelnen Hohlräume und dem Kanal beibehalten. Im Betrieb
arbeilet die Ausführungsform nach Fig. 3 im wesentlichen
ähnlich wie die Ausführungsform nach Fig. 2.
Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich, beispielsweise kann die Wechselbeziehung zwischen
den Hohlräumen, wie sie in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschrieben ist. abgeändert
werden. Weiterhin können für eine Erweiterung des Frequenzbereiches für die Schalldämpfung weitere
Hohlräume und zugeordnete Verbindungshälse eingefügt werden, welche verschiedene Produkte /' V und daher
verschiedene Frequenzbereichskurven besitzen. Eine weitere mögliche Abwandlung besteht darin, daß die relativen
Volumina der verschiedenen Hohlräume abgeändert werden können mit ähnlichen Abänderungen der
Länge der Verbindungshälse bei Aufrechterhaltung des charakteristischen Frequenzgangs für die Schallunterdrückung.
Die gestattet dann eine dünnere und verlängerte oder verkürzte und verdickte Ausgestaltung der
Vci kleidung in Abhängigkeit von geeigneten für die Anwendungsfälle
gegebenen Grenzwerte infolge der ausgleichenden Wechselwirkung zwischen der Länge der Verbindungshälse
und des Volumens in dem Produkt /' V.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Schallunterdrückungsverkleidung fur Strömungskanäle von Gasturbinentriebwerken, mit einer
Anzahl erster Hohlräume (30) mit einem vorbestimmten ersten Volumen, die mit dem Strömungskunal
über erste Verbindungshälse (36) in direkter Verbindung stehen, und mit einer Anzahl zweiter Hohlräume
(40) mit einem vorbestimmten zweiten VoIumen, die radial außen von den ersten Hohlräumen
(30) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Hohlräume (40) mit dem Strömungskanal (12) über zweite Verbindungshälse (46) in direkter
Strömungsverbindung stehen, die zwischen den ersten Hohlräumen (30) hindurchführen.
2. Schallunterdrückungsverkleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten
viohlräume (30) erste Wände (32) mit einer vorbestimmten ersten Länge aufweisen und zwei gegenüberliegende
erste Wände (32) benachbarter erster Hohlräume (30) teilweise die zweiten Verbindungshälse (46) bilden.
3. Schallunterdrückungsverkleidung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der
Strömungskanal (12) teilweise von einer porösen Platte (58) umgrenzt ist und die ersten und zweiten
Verbindungshälse (36,46) an dieser Platte (58) enden.
4. Schallunterdrückungsverkleidurig nach einem
der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß radial außen von den zweiten Hohlräumen (40) eine
Anzahl dritter oder weiterer Hohlräume (50) mit einem vorbestimmten dritten oder weiteren Volumen
angeordnet sind, die mit dem Strömungskanal (12) über dritte oder weitere Verbindungshälse (56) in direkter
Strömungsverbindung stehen.
5. Schallunterdrückungsverkleidung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten
Hohlräume (40) zweite Wände (42) mit vorgegebener zweiter Länge aufweisen und zwei gegenüberliegende
zweite Wände (42) teilweise die dritten Verbindungshälsc (56) bilden.
6. Schallunterdrückungsverkleidung nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
dritten I lohiräume (50) ein größeres Volumen als die zweiten Hohlräume (40) aufweisen, die ihrerseits ein
größeres Volumen als die erslen Hohlräume (30) besitzen.
7. Schallunterdrückungsverkleidung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ausgewählte
Paare der ersten Hohlräume (30) von ausgewählten einzelnen zweiten Hohlräumen (40) im wesentlichen
umschlossen sind.
30
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