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Vorrichtung zur Verhinderung des Heulens an einem Strahltriebwerk
mit einem Brenner im Ausströmrohr Die Erfindung bezieht sich auf die Beseitigung
des Heulens an einem Strahltriebwerk mit einem Brenner im Ausströmrohr.
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Der Ausdruck »Heulen« wird nachstehend zur Bezeichnung von starken
hochfrequenten Druckschwingungen verwendet, die unter gewissen Voraussetzungen eine
Begleiterscheinung des Verbrennungsvorganges bei im Ausströmrohr angeordneten Brennern
darstellen, insbesondere bei Hochleistungsbrennern, wie z. B. von Rückstoßdüsen
oder Raketen, und bei Zusatz- oder Nachbrennern. Das Heulen, das durch Frequenzen
von mehreren tausend Schwingungen/ Sekunde oder mehr gekennzeichnet ist, kann an
Lautstärke die sogenannte »Fühlschwelle« (i2o Phon) weit überschreiten. Die Lautstärke
wurde in einer Entfernung von 3o m von einem heulenden Brenner z. B. zu
130 Phon gemessen.
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Abgesehen von dem Unbehagen, welches das Heulen dein Bedienungspersonal
bereitet, stellt es wegen der an den Ausrüstungsteilen verursachten Schäden ein
sehr ernstes Problem dar. Das Heulen tritt manchmal in einer sanften Form, und zwar
unterbrochen oder stetig auf, kann aber an Stärke zunehmen, wenn die Betriebsbedingungen
verändert werden. Ein anderes Mal tritt es plötzlich mit großer Lautstärke auf.
Das Heulen ist keine vorübergehende Erscheinung, sondern dauert an, bis irgendein
Wechsel der veränderlichen Charakteristiken der Strömung oder der Verbrennung oder
beider erfolgt. Die große Frequenzhöhe dieser Schwingungen kann z. B. den Zusatzbrenner
eines Strahltriebwerks durch Versagen von Teilen in wenigen Sekunden betriebsunfähig
machen.
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Das Problem wird dadurch noch schwieriger, daß die Strömungs- und
Verbrennungsbedingungen, unter denen das Heulen in einem bestimmten System auftritt,
nicht in vollem Umfang vorherbestimmt werden können. Diese Bedingungen bleiben auch
nicht für einen bestimmten Zeitraum oder von einem bestimmten System zu einem anderen
ähnlichen System konstant. Mit anderen Worten., wenn die Strömungs- oder Verbrennungsbedingungen
so eingestellt sind, daß das Heulen beseitigt ist, kann der Brenner später im Betrieb
heulen, wenn sich von einer Reihe von Bedingungen nur eine ändert.
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Versuche haben ergeben, daß das Heulen nicht auftritt, wenn keine
Verbrennung erfolgt. Es hat sich ferner gezeigt, daß das Heulen nicht durch mechanische
Resonanz eines Brenners oder irgendeines körperlichen Bestandteiles des ganzen Systems
verursacht wird, obwohl mechanische Resonanz die Lautstärke des Heulens beeinflussen
kann.
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Die Stärke des Heulens ist von den Querschnittsabmessungen und der
Form des Aussträmrohres und nur in sehr geringem Maße oder überhaupt nicht von seiner
Länge abhängig. Es wurde ferner gefunden, daß das Heulen in jedem Ausströmrohr auftritt,
das infolge seiner geotnetrischen Gestaltung oder wegen anderer Faktoren zum Heulen
neigt, wenn seine Länge etwa doppelt so groß ist als der Durchmesser seines kreisförmigen
Querschnitts.
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Schalldämpfende Einbauten in Ausströmrohren von Strahltriebwerksprüfständen
in Form von gelochten geschlossenen Rohren mit Schallschluckstofffüllung, gelochten
Trichterwänden und quer zur Gasströmungsrichtung angeordneten gelochten Rohren sind
bekannt. Für die besonderen akustischen Verhältnisse bei Verwendung von Brennern
im Ausströmrohr sind diese Vorrichtungen jedoch weder bestimmt noch geeignet.
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Gemäß der Erfindung sollen zur Verhinderung des Heulens an einem Strahltriebwerk
mit einem Brenner im Ausströmrohr im Innern des Ausströmrohres Einbauteile, wie
ein gelochtes offenes Rohr, sich von der Wand des Ausströmrohres nach innen erstreckende
Längsrippen oder ein durch solche Rippen gehaltenes gelochtes offenes Rohr angeordnet
sein.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die `Fand des Ausströmrohres
in Längsrichtung mit Wellungen versehen sein, die nicht bis zum Austrittsquerschnitt
reichen. Bei einer abgeänderten Ausführungsform ist ferner das gelochte offene Rohr
mit innen angeordneten Längsrippen versehen.
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In der Zeichnung sind mehrere beispielsweise Ausführungsformen des
Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Fig. i, 2 und 3 zeigen typische
Beispiele für die Ausbreitung der hochfrequenten Druckschwingungen im Querschnitt
des Ausströmrohres eines Strahltriebwerks mit Zusatzbrenner; Fig.4 ist ein senkrechter
Längsschnitt des Ausströmrohres eines Strahltriebwerks gemäß der Erfindung; Fig.
5 ist ein Querschnitt nach der Linie 5-5 der Fig. 4 ; Fig. 6, 8 und io zeigen im
teilweisen Längsschnitt abgeänderte Ausführungsformen der das Heulen verhindernden
Einbauteile; Fig. 7, 9 und i i sind Querschnitte nach den Linien 7-7, 9-9 und ii-ii
der Fig. 6, 8 und i o; Fig. 12 ist ein Diagramm, das die Wirkung der Anzahl der
Rippen und ihrer radialen Länge auf die Beseitigung des Heulens für einen bestimmten
Brenner zeigt.
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Die in Fig. i im Ausströmrohr 6 -durch die Linien i bis 5 dargestellten
Umfangs- und Radialschwingungen treten stromabwärts von einem trog- oder rinnenförmigen
Flammenschutz auf, der sich diametral zum Ausströmrohr erstreckt, wie etwa durch
die Linie i angedeutet ist.
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In Fig. 2 ist durch die Linien 7 bis io ein Schema für die Lage der
Heulschwingungen dargestellt, das typisch für einen stromaufwärts im Ausströmrohr
6 liegenden Flammenschutz ist, der im allgemeinen Kreisform aufweist.
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In Fig. 3 sind durch die Linien i i bis 18 reine Radialschwingungen
dargestellt, die ebenfalls von der Verwendung eines stromaufwärts liegenden kreisförmigen
Flammenschutzes herrühren können.
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Selbstverständlich werden die in den Fig. i bis 3 dargestellten Druckschwingungen
ein mechanisches Versagen des Ausströmrohres verursachen, in dem sie auftreten,
wenn sie nicht verhindert oder gedämpft werden, bevor sie eine große zerstörende
Stärke erreichen.
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In Fig. 4. ist das Ausströmrohr eines Strahltriebwerks dargestellt,
bei dem die Erfindung vorteilhaft zur Anwendung gelangen kann. Bei dieser Ausführungsform
ist ein Brennersystem i9 dort angeordnet, wo in einem gewöhnlichen Strahltriebwerk
der Hauptbrenner liegt. Den einzelnen Brennern zo dieses Systems wird durch nicht
dargestellte Mittel Brennstoff zugeführt, der mit Luft gemischt und in üblicher
Weise gezündet und verbrannt wird. Die Verbrennungsgase gelangen stromabwärts über
die Turbine 2i in das Ausströmrohr 22, aus dem sie bei einem gewöhnlichen Strahltriebwerk
über eine Düse 25 unmittelbar in die Außenluft entweichen. Bei dem im Ausströmrohr
eines gewöhnlichen Strahltriebwerks angeordneten Brennern tritt normalerweise kein
Heulen auf.
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Um den Schub eines gewöhnlichen Strahltriebwerks zu erhöhen, wird
zusätzlicher Brennstoff in einer Verlängerung des Ausströmrohres verbrannt, die
zwischen der Verbrennungskammer und Auspuffdüse 25 angeordnet ist. Diese Verlängerung
des Ausströmrohres ist in Fig. 4 mit 23 bezeichnet. Durch Einspritzdüsen 23b, die
rund um einen Verteiler 23d angeordnet sind, wird zusätzlicher Brennstoff in die
Verlängerung 23 eingeführt, der in üblicher Weise gezündet wird. Bei Zusatzbrennern
muß gewöhnlich stromabwärts von den Einspritzdüsen 23b ein sogenannter Flammen-Schutz
24 vorgesehen werden. Dieser bewirkt, daß die Flammen in der Verlängerung 23 des
Strömungsweges der Verbrennungsgase zurückgehalten und im Ausströmrohr zum Erlöschen
gebracht werden, so daß sie nicht durch die Düse 25 nach außen schlagen können.
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In dem Bereich stromabwärts vom Flammenschutz wird das Heulen eingeleitet
und aufrechterhalten. Wie oben auseinandergesetzt wurde, kann das Heulen mit den
damit verbundenen hochfrequenten Druckschwingungen, die neben den persönliches Unbehagen
erzeugenden Schallwirkungen ein sehr rasches Versagen des mechanischen Aufbaues
des Ausströmrohres oder des Teiles, in dem das Heulen auftritt, verursachen, durch
Veränderung der verschiedenen Charakteristiken der Strömung der Verbrennungsgase
gemildert oder verhindert werden. Die Veränderung dieser Charakteristiken bietet
jedoch keinen dauernden Schutz gegen das Heulen, weil sich die Charakteristiken
während des Betriebes des Strahltriebwerks von selbst ändern. Selbstverständlich
kann ein Pilot oder eine automatische Steuerung fünf oder mehr Veränderliche nicht
dauernd einstellen, um das Heulen zu verhindern, das ein Strahltriebwerk und das
Flugzeug innerhalb weniger Sekunden vernichten kann. Gewöhnlich wird es dem Piloten
oder der Steuerung nicht möglich sein, beim Auftreten des Heulens während des Fluges
herauszufinden oder zu bestimmen, ,velche Charakteristik einzustellen ist, bevor
das Flugzeug zerstört ist.
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Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, eine Vorrichtung zur Verhinderung
des Heulens anzuordnen. Die Dämpfung des gewöhnlichen Geräusches eines Strahltriebwerks
ist aber nicht Gegenstand der Erfindung.
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Gemäß der Erfindung sind verschiedene Einbauteile vorgesehen, durch
welche die Heulschwingungen verhindert oder gedämpft werden können. Die Fig. 4 bis
i i veranschaulichen beispielsweise Ausführungsformen dieser Einbauteile.
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Der in den Fig. 4 und 5 dargestellte Einbauteil zur Verhinderung des
Heulens besteht aus einem mit Löchern 27 versehenen Rohr 26, das innerhalb der zum
Heulen neigenden Verlängerung 23 des Ausströmrohres 22 in beliebiger Weise, z. B.
mittels kippen 28, befestigt ist. Das gelochte Rohr 26 muß nicht konzentrisch zur
Verlängerung 23 verlaufen, es wird aber zwecks bequemerer Herstellung und zwecks
geringster Einwirkung auf den Betrieb des Brenners gewöhnlich konzentrisch angeordnet.
Der Radialabstand des Rohres 26 von der Verlängerung 23 ist nicht wesentlich; ebenso
sind die Größe und der Abstand der Löcher 27 nicht von Bedeutung.
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Bei der in den Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsform der Erfindung
erstrecken sich Längsrippen 29 von der Wand der Verlängerung 23 radial nach innen
und sind z. B. durch Schweißen befestigt.
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Der in den Fig.6, 8 und io dargestellte Teil der Verlängerung 23 entspricht
dem in Fig. .4 stromabwärts vom Flammenschutz 24 liegenden Teil.
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Bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 8 und 9 sind in der Wand des
Ausströmrohres in Längsrichtung Wellungen 3o ausgebildet, die jedoch nicht bis zum
Austrittsquerschnitt reichen. Diese Wellungen verhindern die Entwicklung starker
Druckschwingungen durch diffuse Reflexion derselben von der unebenen Oberfläche
der Wellungen und durch Interferenz, wie sie auch durch die Längsrippen gemäß Fig.
6 bewirkt wird.
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Gemäß den Fig. io und ii wird ein dem gelochten Rohr 26 (Fig. 4) ähnliches
gelochtes Einbaurohr 34 verwendet, das mit innen angeordneten Längsrippen 35 versehen
ist, die den Rippen 29 (Fig. 7) entsprechen.
Die Einwirkung der
Rippen auf das Heulen ist in Fig. i a veranschaulicht, welche die relative Beseitigung
des Heulens und die relative Intensität des Heulens in Prozenten für eine bestimmte
Anzahl von Rippen in einem Ausströmrohr von 30 cm Durchmesser angibt. Es
ergibt sich, daß drei Rippen von Zo,8o/o radialer Länge oder vier Rippen von 16,7°/o
radialer Länge zur vollständigen Beseitigung des Heulens erforderlich sind. In diesem
Ausströmrohr würde ferner durch eine größere Anzahl von Rippen von geringerer radialer
Länge das Heulen vollständig beseitigt.