DE2539362C2

DE2539362C2 - Einrichtung zum Vermindern der Ausbreitung des aus dem rohrförmigen Lufteinlaßkanal eines Gasturbinentriebwerks austretenden Schalls in einer bestimmten Richtung

Info

Publication number: DE2539362C2
Application number: DE2539362A
Authority: DE
Inventors: John Thomas Cincinnati Ohio Kutney; Rodger Bruce West Chester Ohio Mishler
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-09-06
Filing date: 1975-09-04
Publication date: 1984-05-17
Also published as: US3946830A; JPS5153111A; FR2284035B1; JPS5854247B2; GB1499574A; DE2539362A1; FR2284035A1; IT1042131B

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Vermindern der Ausbreitung des aus dem rohrförmigen Lufteinlaßkanal eines Gasturbinentriebwerks austretenden Schalls in einer bestimmten Richtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Einrichtung ist in der US-PS 35 45 464 beschrieben.

In der heutigen Zeit eines erhöhten Umweltbewußtseins steht der Konstrukteur von Gasturbinentriebwerken und insbesondere von solchen für einen Flugzeugantrieb dem Problem gegenüber, mit nur minimalem Verlust an Triebwerksleistung die Verunreinigungen und schädlichen Einflüsse derselben zu vermindern. Eine Art von schädlichen Einflüssen, die seit einiger Zeit besonders beachtet wurden, ist der Schall.

Der Schall von Gasturbinentriebwerken wird durch zwei Hauptquellen erzeugt: Die erste Schallquelle beruht auf den viskosen Schervorgängen von sich schnell bewegenden Gasen, die in die relativ ruhende Umgebungsluft ausgestoßen werden. Bei Turbogebläse-Flugzeugtriebwerken werden solche Gase am rückwärtigen Ende des Triebwerks aus den Gebläse- und Kerntriebwerken ausgestoßen. Verschiedene Lösungen wurden zum Vermindern dieser 'Scher'-Geräusche benutzt, und zwar zumeist unter Anwendung von Mischern, um die Gebläse- und Ausstoßgase miteinander und mit der Umgebungsluft zu mischen

Die zweite Schallquelle, mit der sich auch die Erfindung befaßt, stellt die sich drehende Turbomaschine selbst dar, wobei der Schall das Ergebnis von sich schnell drehenden und im Gasstrom angeordneten Schaufeireihen ist Die Schallentwicklung wird durch Parameter beeinflußt, wie durch die Schaufeldrehzahl, den Schaufel-Schaufel-Abstand, die Schaufelgeometrie und auch durch nahe an den Laufschaufelreihen angeordnete stationäre Teile, wie Auslaß-Führungsschaufeln. Dies gilt auch für vielstufige Axialverdichter, wo Leitschaufelreihen sich mit Laufschaufelreihen abwechseln. Ein Teil des auf diese Weise erzeugten Schalls kann absorbiert und unterdrückt werden, und zwar mittels einer akustischen oder Schallabsorptionsverkleidung, die um den Umfang des die umlaufenden Maschinenteile umschließenden Rumpfes angeordnet ist Ein solches schallabsorbierendes Material ist bekannt Ein bedeutender Prozentsatz des Schalls breitet sich jedoch aufgrund des nahe der Einlaß-Frontfläche gelegenen Gebläses oder Verdichters und aufgrund einer fehlenden nach vorn gerichteten Abschirmung vom Gasturbiiieneinlaßkanal nach vorne aus.

Bekannte Versuche zum Lösen ditjeä Problems konzentrierten sich auf das Anbringen von schallabsorbierendem Material auf die Innenwandung des Einlaßkanals. Dies hatte praktisch keinen Einfluß auf das Dämpfen einer unreflektierten Schallausbreitung in axialer Vorwärtsrichtung. Zusätzliche Vorteile wurden durch Anbringen koaxialer Umfangsringe aus schallabsorbierendem Material im Einlaß erzielt. Jedoch erzeugen solche Ringe einen Abfall des Einlaßgesamtdrucks und daher Leistungsverluste im Arbeitsbereich des Triebwerks, auch wenn die Schallausbreitung für die darunter befindlichen Bewohner keine Gefahr oder Belästigung bedeutet.

Cei einem anderen bekannten Lufteinlaßkanal gemäß der zuvor genannten US-PS 35 45 464, wird ein axial bewegbarer, keilförmiger Aufnehmer bzw. eine Schaufel am Boden des Einlaßkanals benutzt, um die nach unten gerichtete Schallausbreitung vom Einlaß selektiv zu vermindern. Diese Konfiguration ist jedoch aus zwei Gründen unzulänglich. Zum einen hat es sich gezeigt, daß ein Einlaß mit einem solchen Aufnehmer eine schlechte Druckrückgewinnungs-Charakteristik hat (dieses System ist mit einem großen Verlust behaftet). Der zweite und mit dem vorstehenden Problem in Beziehung stehende Grund ist der, daß die gesamte Druckverteilung bzw. das Druckmuster stark gestört wird, beispielsweise in der Ebene einer im Kanal angeordneten Gasturbinengebläsestufe. Während der erste Lösungsversuch zu einer verschlechterten Triebwerkslei-

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stung führt, kann der zweite Lösungsversuch unter bestimmten Bedingungen übermäßige Gebläseschaufelbelastungen und eine mögliche Zerstörung der umlaufenden Maschinenteile zur Folge haben.

Es ist auch versucht worden, die untere zylindrische Hälfte des Einlaßkanals axial nach vorne zu verlängern. Im Axialschnitt führte dieses zu einem abgestuften Kanalwandungsumriß während diese Ausbildung zwar zum Vermindern des Schallpegels neigt, ist sie bezüglich der oben erörterten Gesichtspunkte der Druckrückgewinnungs- und Störungseigenschaften unerwünscht

Es ist Aufgabe der Erfindung, ohne Beeinträchtigung der Gesamtleitung den aus dem Einlaßkanal austretenden Schall zu vermindern.

Die Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine wesentlich verbesserte Schallunterdrückung erhalten wird gegenüber bekannten Formen, die als optimal angesehen wurden. Zusätzlich können noch die räumlichen Abmessungen und somit das Gewicht verkleinert werden, was insbesondere für Flugzeugantriebe wichtig ist.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 in einer schematischen Ansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einer Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 2 in einer vergrößerten Ansicht den Einlaßteil der in F i g. t gezeigten Gasturbine,

Fig.3 in schematischer Weise mehrere bekannte Gasturbineneinlässe,

Fig.4 in einer graphischen Darstellung die festgestellte Schallpegelverminderung nach der Erfindung im Vergleich zu derjenigen von bekannten Einlassen als Funktion der Winkellage gegenüber dem Einlaß, und

Fig.5 in einer graphischen Darstellung die festgestellte Schallpegelverminderung nach der Erfindung als Funktion der Länge des Deflektors, wobei die optimale Länge des Deflektors dargestellt ist.

Fig. 1 zeigt ein Triebwerk 10 mit einem Kerntriebwerk 11, einem Gebläse 12 und einer Gebläseturbine 14, die über eine Welle 16 mit dem Gebläse 12 verbunden ist. Das Kerntriebwerk 11 enthält einen Axialstromverdichter 18 mit einem Rotor 20. Die Luft tritt in einen Einlaß 22 ein und wird zunächst vom Gebläse 12 verdichtet Ein erster Teil dieser verdichteten Luft gelangt in einen Gebläsebypasskanal 24, um dann durch eine Gebläsedüse 25 ausgestoßen zu werden. Ein zweiter Teil der verdichteten Luft tritt in einen weiteren Einlaß 26 ein, wird danr durch den Axialstromverdichter 18 verdichtet und dann in eine Brennkammer 28 geleitet, wo Brennstoff verbrannt wird, um eine Turbine 30 anzutreiben. Die Turbine 30 treibt ihrerseits über eine Welle 32 den Rotor 20 in einer für ein Gasturbinentriebwerk üblichen Weise an. Die heißen Verbrennungsgase gelangen dann zur Gebläseturbine 14, um diese und das Gebläse 12 anzutreiben. Eine Schubkraft wird daher durch das Gebläse 12, das Luft vom Gebläsebypasskanal 24 durch die Gebläsedüse 25 ausstößt, und durch das Ausstoßen der Verbrennungsgase aus einer Kerntriebswerksdüse 36 gebildet, die teilweise von einem Einsatz 38 begrenzt wird.

Die obige Beschreibwig ist typisch für viele heutige Triebwerke. Aus der folgenden Beschreibung wird deutlich, daß die beschriebene Einrichtung zum Vermindern der Schallausbreitung auf jeden Kanal mit einer Schallausbreitung aus dem Innern anwendbar ist Dies gilt nicht nur für die Anwendung bei Gasturbinentriebwerken.

Der in F i g. 2 dargestellte Einlaß enthält eine im wesentlichen zylindrische Kanalwandung 39 mit einer lippe 41. Ein Ablenkglied oder Deflektor 40 ist über einem vorbestimmten Sektor des Kanals angeordnet und weist eine Verlängerung der Lippe 41 in axialer Stromaufwärtsrichtung auf. Der am weitesten hinten liegende Abschnitt der Einlaßlippe befindet sich bei 42. Obwohl dieser Abschnitt in F i g. 2 als der am weitesten vorne liegenden Verlängerung des Deflektors 40 diametral gegenüberliegend dargestellt ist, ist es möglich, daß der Abschnitt 42 und der Deflektor 40 in einer Vielzahl von gegenseitigen Umfangslagen angeordnet sind. Die Lippe 41 des Deflektors bildet gemäß der dargestellten Verbindungslinie 44 m axialer Richtung eine zweifach gekrümmte Kurve, d. h. eine stetig» Kurve mit einem Wendepunkt 46. Der Durchmesser des Fjnlaßkana's 22 ist mit D bezeichnet, während die Länge des Deflektors 40 mit L dargestellt ist Eine Stufe von Gebläselaufschaufeln 48 ist im Kanal angeordnet, um den hindurchgelangtnden Luftstrom unter Druck zu setzen. Auf den Wandungen kann eine akustische Verkleidung 49 einer bekannten Wabenanordnung angeordnet werden, um die Schallunterdrückung zu verstärken.

Die F i g. 3A, 3B und 3C zeigen bekannte und für eine Gasturbinenanwendung geeignete Einlasse. F i g. 3A zeigt einen typischen idealen, achsensymmetrischen, festen Lippeneinlaß (nachfolgend als herkömmlicher Einlaß bezeichnet), wobei die Einlaßstirnebene im wesentlichen rechtwinklig zur Kanallängsachse verläuft. Die F i g. 3B und 3C zeigen Versuche zum axialen Verlängern der unteren Lippe in Vorwärtsrichtung, um den Schall nach unten abzuschirmen. Während zwar der Einlaß nach Fig.3A zur Erzielung einer verbesserten Schallunterdrückung nach vorne verlängert werdenkönnte, führt ein im Bereich von 360° verlängerter Aufbau zu einer beträchtlichen Gewichtsvergrößerung, die bei Anwendungen auf dem Flugzeugsektor unerwünscht ist Bei solchen Anwendungen ist ws besonders erwünscht, den Schall während des Landeanflugs im wesentlichen in dem unteren 180°-Abschnitt abzuschirmen. Es ist erwünscht den Abschirmungsbereich im unteren Einlaßquadrant und daher die Schalldämpfung in dieser Richtung- zu vergrößern wegen der am Boden befindlichen Menschen.

Früher wurde die Konfiguration aus Fig.3B als für eine Schalldämpfung optimal angesehen, da sich hierdurch für eine vorgegebene axiale sowie nach vorne gerichtete Verlängerung L der unteren Hälfte des im wesentlichen zylindrischen Einlaßkanals 50 ein maximaler Abschirmungsbereich ergibt. Der A».\fbau nach F i g. 3B ist besser als derjenige nach F i g. 3C mit dem keilförmigen Ablenkglied 52, da der abgeschirmte Bereich im unteren Quadranten beträchtlich grö ßerist.

Der schraffierte BeFeich 54 in Fi g. 3C zeigt den gegenüber dem Einlaß nach Fig.3C vergrößerten Abschirmbereich. Jede der bekannten Konfigurationen gemäß Fi g. 3 hat sich jedoch als nachteilig herausgestellt, und zwar bezüglich der Einlaßgesamtdruckrückgewinnung (Verhältnis des Gesamtdrucks in der Ebene der Gebläseschaufeln 48 zu demjenigen des freien Stroms vor dem Gebläse) und/oder bezüglich einer unzurei-

chenden Schalldämpfung. Unerwarteter Weise erzeugt der Kanaleinlaß gemäß Fig. 2 eine günstigere Schalldämpfung als der Einlaß gemäß F i g. 3B, von dem bisher angenommen wurde, daß er in akustischer Hinsicht einen optimalen Deflektor bildet.

F i g. 4 zeigt eine graphische Darstellung der beim erfindungsgemäßen Einlaß und bei dem Einlaß nach F i g. 3B erzielten Schallpegelverminderung in bezug auf einen herkömmlichen Einlaß als Funktion der Winkellage gegenüber dem Einlaß. Die Charakteristik des Deflektors nach F i g. 3B ist als Kurve A bezeichnet, während die Kurve fldie Charakteristik von einem Ausführungsbeispiel darstellt. Der Winkel θκχ als der Winkel zwischen der Einlaßkanallängsachse und einer Linie definiert, welche vom Betrachter zur Einlaßkanalschallquelle verläuft, und zwar in einer von der Einlaßkanallängsachse und der Mittellinie des Deflektors definierten Ebene, wie es in F i g. 3B dargestellt ist. Es ist ersichtliCtt, UdU ein tiiFftuu gciTtau einem ÄüSiünrüngStsCiSpiCi der Erfindung über dem ganzen interessierenden Winkelbereich zu einer günstigeren Schallunterdrückung als der bekannte Einlaß führt. Dies wird der Tatsache zugeschrieben, daß die Ecke 56 des bekannten Ablenkers 30 (Fig. 3B) entfällt. Es wird angenommen, daß diese bekannte Ecke zu einer Wirbelablösung der wirbelnden Luft führt, die auf das Gebläse auftrifft und ihre eigene Schallquelle bildet. Obwohl der Deflektor gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel einen kleineren vorstehenden Bereich als der bekannte Ablenker hat, weist er infolge Ausschaltung von Wirbeln eine günstigere Schallunterdrückung auf. Ferner führt die erfindungsgemäße Einrichtung zu einem leichteren Einlaß, was für Anwendungen bei Flugzeuggasturbinen von besonderer Wichtigkeit ist Ferner wurde festgestellt, daß aufgrund des Wegfallens scharfer Ecken die Einlaßdruckrückgewinnung bzw. -ausbeute nach der vorliegenden Erfindung besser a!s bei den bekannten Vorrichtungen ist.

Bei der Einrichtung gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht die gekrümmte Verbindungslinie 44 des sich axial nach vorne erstreckenden Deflektors 40 aus zwei sich tangierenden und im wesentlichen kreisförmigen Bögen mit entgegengesetzten Krümmungen mit Radien /?i und R2 gemäß F i g. 2. Obwohl die Verhältniswerte /?,/Dund R₂!D\m wesentlichen 0,4 und 0, 6 betragen, wird davon ausgegangen, daß Werte von R]/D zwischen im wesentlichen 03 und 0,5 und Werte von RiID zwischen 03 und 0,7 ebenfalls zu einer annehmbaren Wirksamkeit führen. In ähnlicher Weise könnte eine sinusförmige Kurve angewendet werden.

Durch Paramuerstudien ist festgestellt worden, daß bei einem UD-Verhältnis von größer als 0,4 keine weitere Schallverminderung auftritt, obwohl die Länge des Deflektors beträchtlich vergrößert ist. Dieses ist graphisch in F i g. 5 dargestellt, wobei die Schallpegelverminderung als Funktion des Verhältnisses UD aufgetragen ist. Es ist klar ersichtlich, daß die verbesserte Ausbildung beginnend bei einem Verhältnis UD zwischen 03 und 0,4 eine günstige Dämpfung aufweist, wobei die Kurve bei einem Wert von größer als Oj im wesentlichen flach verläuft. Daher wählt der das Gewicht berücksichtigende Konstrukteur des Einlasses ein Verhältnis UD zwischen im wesentlichen 03 und 0,5 für eine optimale Schallverminderung bei minimaler Kanallänge und minimalem Gewicht. β-.

Es sind noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Beispielsweise kann, wie es bereits erwähnt wurde, der Deflektor nicht nur bei Gasturbinentriebwerken, sondern bei irgendeinem Kanal mit einer darin erfolgenden Schallentwicklung angewendet werden. Ferner könnte der Deflektor an anderen Stellen als am Boden des Einlaßkanals angeordnet und axial sowie in Umfangsrichtung verstellbar ausgebildet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Vermindern der Ausbreitung des aus dem rohrförmigen Lufteinlaßkanal eines Gasturbinentriebwerks austretenden Schalls in einer bestimmten Richtung, wobei der Lufteinlaßkanal an seinem Eintritt eine sich über den Umfang erstreckende Lippe aufweist, die in einem Umfangsbereich entgegengesetzt zur Strömungsrichtung vorgeschoben ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Axialschnitt des Lufteinlaßkanals (22), der den vordersten und hintersten Punkt der Lippe (41) enthält, die den umfangsmäßigen Verlauf der Lippe (41) darstellende Verbindungslinie (44) der beiden Punkte als zweifach gekrümmte Kurve mit einem Wendepunkt (46) erscheint

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungslinie (44) bei den beiden Punkten einen bezüglich der Achse des Lufteinlaßkanals (Xc) etwa radialen Verlauf aufweist.

3. Einrichtung nach Ansprucn 1 öuct 2, u&uurcn gekennzeichnet, daß die Verbindungslinie (44) einen im wesentlichen sinusförmigen Verlauf hat

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungslinie (44) im wesentlichen einen ersten Kreisbogen (Rt) und einen zweiten Kreisbogen (R2) aufweist, die sich mit entgegengesetztem Krümmungssinn tangieren, wobei ferner der erste Bogen einen axial stromabwärts vom vordersten Punkt der Lippe (41) angeordneten Kreismittelpurkt hat und der Kreismittelpunkt des zweiten Bogens axial stromaufwärts von dem hintersten Punkt der Lippe liegt.

5. Einrichtung nach Anspruch-·'. dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Kreisbögen (R\, R2) so geformt sind, daß sie mit den vordersten und hintersten Punkten der Lippe (41) zusammenlaufen.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis L/D im wesentlichen zwischen 03 und 0,6 liegt, wobei D der Durchmesser und L die Länge des Deflektorvorsprungs (40) sind, der axial vor dem hintersten Punkt der Lippe (41) liegt.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von R\/D im wesentlichen zwischen 0,3 und 0,5 liegt, wobei R\ der Krümmungsradius des ersten Kreisbogens ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von R2ID im wesentlichen zwischen 0,5 und 0,7 liegt, wobei Ri der Krümmungsradius des zweiten Kreisbogens ist.