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Schalldämpfereinrichtung für Düsenstrahlgeräte, insbesondere Flugzeug-Strahltriebwerke
Die Erfindung betrifft das Geräuschunterdrücken bzw. Schalldämpfen von Düsenaus@trittsstrahlen.
Der Ausdruck »Düsenstrahlen« soll weitgehend ausgelegt werden und umfaßt auch solche
Beispiele, wie Dampfstrahlen, Luftstrahlen aus Sicherheitsventilen von Hochdruckbehältern
sowie Vortriebsstrahlen für Fahrzeuge, Flugzeuge und Schiffe.
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Besonders fallen Geräusche, die durch den Vortriebsstrahl einer Flugzeugrakete,
eines Staustrahltriebwerks oder eines Gasturbinentriebwerks hervorgerufen werden,
in den obigen Bereich. Ein solcher Strahl divergiert beim Mischen mit der Atmosphäre,
wobei der Divergenz- oder Ausströmwinkel von dem zwischen Diisenaustritt und Atmosphäre
herrschenden Druckverhältnis abhängt. Wenn die Strahlaustrittsgeschwindigkeit größer
ist als die Schallgeschwindigkeit, tritt eine Reihe von Verdichtungsstoßwellen (l#-Iachsche
Wellen) im Strahl auf. Die Schalldämpfereinrichtung, die den Gegenstand der Erfindung
bildet, kann unabhängig davon angewandt werden, ob solche Stoßwellen im Strahl auftreten
oder nicht.
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Beim Austritt eines Strahles aus einem Flugzeug-Strahltriebwerk in
die Atmosphäre fällt die Geschwindigkeit quer zur Grenzschicht des Strahles steil
ab. Dies ist jedoch nur ein extremes Beispiel für das Austreten eines Strahles in
ein umgebendes Mittel.
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Es kann theoretisch gezeigt werden, daß die durch einen Strahl hervorgerufene
Schallheftigkeit eng mit diesem Geschwindigkeitsgefälle zusammenhängt. Wenn die
Geschwindigkeit eines ein Strahltriebwerk verlassenden Gases wesentlich herabgesetzt
wird, so kann man deshalb erwarten, daß der hervorgerufene Lärm Bedeutung geringer
ist, als dies bei einem Triebwerk mit relativ größerer Strahlgeschwindigkeit der
Fall ist. Das Geschwindigkeitsgefälle kann also dadurch herabgesetzt werden, daß
ein Strahl schneller ausgedehnt wird, d. h. durch Vergrößerung der Mischzone zwischen
dem austretenden Strahl und dem umgebenden Mittel.
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Zahlreiche Versuche haben nun erwiesen, d.aß diesen theoretischen
Ableitungen praktische Bedeutung zukommt. So hat sich gezeigt, daß das Schallfeld,
das durch einen Strahl hervorgerufen wird, größtenteils durch die starke Verwirbelung
erzeugt wird, die sich in der Strömung nahe oder hinter dem Diicenaustritt einstellt.
Auch hat sich ergeben, daß die Verbindung von Wirbelströmungen und großen Geschwindigkeitsgefällen,
die sowohl seitlich im Mischgebiet des Strahles als auch in Längsrichtung, quer
zu den Stoßwellen, auftreten, die Ursache für den heftigen Lärm bilden. Das Schallfeld
zeigt Richteigenschaften bzw. Richtungseigentümlichkeiten, die sich mit der Frequenz
des erzeugten Geräusches und der Strahlgeschwindigkeit am Düsenaustritt ändern.
Es hat sich als möglich erwiesen, die Strahlgeräuschheftigkei:t merklich herabzusetzen,
ohne daß nachteilige Sekundärerscheinungen, wie z. B. ein beträchtlicher Schubverlust
an einer Flugzeugstrahldüse, eintraten, obwohl dies durchaus zu erwarten war.
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Bei einer bekannten Vorrichtung ist eine Anzahl von z. B. kegelstumpfförmigen
Leitflächen mit Abstand ineinander und hintereinander angeordnet, deren erste die
Strahldüse überlappt. Die innere Durchgangsfläche dieser Leitkörper nimmt in Strömungsrichtung
zu. Das bei dieser Vorrichtung benutzte Prinzip ist das der Schallabsorption; daher
sind die Leitflächen besonders stark ausgebildet. Diese Eigentümlichkeit schließt
die Anwendung dieser Art von Schalldämpfern bei Strahltriebwerken in Luftfahrzeugen
aus, und zwar erstens auf Grund des Gewichtes und zweitens aus naheliegenden aerodynamischen
Erwägungen heraus. Die Anwendung solcher Anordnungen ist daher auf das Schalldämpfen
von auf dem Erdboden laufenden Strahltriebwerken beschränkt. Zweck der mit Abstand
voneinander
angeordneten Leitflächen ist, zwischen ihnen eine sekundäre
Kaltluftströmung zum Zurückwerfen der entstehenden Schallwellen in Richtung auf
die absorbierenden Staukörper hin zu verwenden, während die Querschnittsfläche der
Strahlhülle durch die Staukörper kaum beeinflußt wird. Somit wird auch die Divergenz
des austretenden Strahles durch die Staukörper nicht wesentlich beeinflußt und die
Mischzone zwischen dem austretenden Strahl und der umgebenden Atmosphäre nicht wirksam
vergrößert.
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Üblicherweise gelangt bei einem Strahltriebwerk der Gasstrom durch
eine konviergierende Strahldüse mit einem glatten kreisförmigen Auslaß ins Freie.
Gelegentlich werden Strahldüsen mit veränderlichem Anlaßquerschnitt verwendet, jedoch
nicht zum Zwecke der Schalldämpfung, sondern zur Angleichung an veränderte Betriebsbedingungen.
Bei einer derartigen Ausführung ist das Ende der Düsenwand in einzelne Ringsegmente
aufgeteilt, die nach außen gespreizt werden können. Da die zwischen den Segmenten
auftretenden Lücken durch nachgiebige U-Profil-Verbindungsstücke überbrückt werden,
bekommt der vorher glatte kreisförmige Auslaß nun Wellenform. Die radiale Tiefe
dieser nachgiebigen U-Profil-Verbindungen im Vergleich zum Auslaßha.lbmesser und
ihre Umfangsweite im Vergleich zum Auslaßumfang ist jedoch sehr gering. Diese Anordnung
des Auslasses vergrößert den Divergenzwinkel des austretenden Strahles daher nur
ganz geringfügig und ist somit als Schalldämpferdüse beinahe wirkungslos.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Strahldüse, welche insbesondere
für die Schalldämpfung entworfen worden ist und eine schnelle Zunahme des Divergenzwinkels
des austretenden Strahles und folglich eine Vergrößerung der Mischzone zwischen
dem austretenden Strahl und der Atmosphäre bewirkt.
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Die Geräuschdämpfung ist sowohl am Modell als auch an einem ausgeführten
Gasturbinentriebwerk bei voller Leistung .erprobt worden, wobei am letzteren eine
durchschnittliche Verminderung um nahezu 10 Phon über den hörbaren Frequenzbereich
hinweg erzielt werden konnte. Bei einem Triebwerk, daß ein Geräusch von etwa 130
Phon über der Hörschwelle erzeugt, bringt diese Verminderung beträchtliche Vorteile.
Über die außerordentliche Geräuschbelästigung für Lebewesen hinaus können an Bauteilen
durch Schwingungen hervorgerufene Ermüdungsbrüche auftreten. Bei Anwendung der in
der Erfindung genannten Mittel treten derartige Belästigungen nicht mehr auf; auch
ist das Problem des Auftretens von Schwingungsermüdungsbrüchen als gelöst anzusehen.
Die Vergrößerung der Mischzone wird erfindungsgemäß dadurch bewirkt, daß die endseitige
Begrenzung der Strahldüse nicht glatt ausgeführt, sondern mit Unterbrechungen und
Vorsprüngen, insbesondere Zähnen u. dgl., versehen wird. Es hat sich dabei als vorteilhaft
erwiesen, einen oder mehrere solcher Zähne z. B. um einen Winkel von annähernd 30°
gegen die Strahlrichtung in den Strahl hineinragen zu lassen.
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Die Zähne können verschieden geformt und angeordnet und auch einstellbar
ausgeführt werden.
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Statt der Zähne kann die endseitige Begrenzung der Strahldüse auch
eine Anzahl über den Umfang verteilter Öffnungen aufweisen. Eine abgeänderte Ausführungsform,
welche sich nach heutiger Erkenntnis besonders für den Fall von Drosseldüsen zu
eignen scheint, weist unmittelbar am Austritt gelochte Düsenwandungen auf. Für den
gleichen Fall eignet sich auch ein nachgeschalteter Diffusor, dessen endseitige
Begrenzung ebenfalls mit Zähnen versehen sein kann. Jede der beschriebenen Schalldämpfereinrichtungen
kann als selbständiges Bauteil getrennt angefertigt und an einer Strahldüse angebracht
werden.
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Die Erfindung soll nun beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben
werden, und zwar zeigt bzw. zeigen Fig. 1 bis 13 eine Anzahl von zahnförmigen Düsenaustritten
zur Vermeidung bzw. Verminderung des Geräusches, wie sie hauptsächlich an den Düsenenden
von Strahltriebwerken vorzusehen sind, Fig. 14 eine Zahnanordnung, die als selbständiges
Bauteil an die Strahldüse angebaut wird, Fig. 15 eine nach dem »Augenlid«-Bauprinzip
aufgebaute Schubdüse, F ig. 16 einen Zahnring zum Unterdrücken des Düsengeräusches
bei einer Strahldüse, Fig. 17 und 18 einen als selbständiges Bauteil an die Schubdüse
angebauten Geräuschdämpfer, Fig. 19 eine geöffnete Strahldüse mit einer verschiebbaren
Abdeckvorrichtung, Fig.20 die Ausbildung des Strahldüsenendes als feingelochte Wand,
Fig. 21 das zahnförmige Austrittsende einer konvergenten Düse, während die Fig.22
den Diffusoransatz an einer Strahldüse wiedergibt, welcher insbesondere zur Geräuschdämpfung
gedrosselter Düsen brauchbar ist.
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In Fig. 1 ist die endseitige Begrenzung der Strahldüse eines Gasturbinenstrahltriebwerks
dargestollt. Das Rohr 1 endet in einem konvergenten Teil 2 und einem Düsenaustritt
3, über dessen Umfang verteilt eine Anzahl von Zähnen 4 leicht nach innen gegen
die Achse des Strahles geneigt angeordnet ist. Hierdurch wird jedoch die Düsenaustrittsfläche
um ein geringes verkleinert, was eine unvorteilhafte Steigerung der Strahlrohrtemperatur
hervorrufen kann. Zum Ausgleich sind nach Fig. 2 nur einige der Zähne parallel zur
Strahlachse angeordnet, während andere, 5, ein wenig nach außen geneigt sind. Die
zwei Zahnarten wechseln auf den Umfang des Düsenaustritts ab. Bei der Ausführungsform
nach Fig. 3 sind alle Zähne parallel zu der Strahlachse gerichtet, jedoch haben
die Zähne 6 die doppelte Länge der restlichen Zähne 4. In den Fig. 4 und 5 sind
zwei Anordnungen gezeigt, bei welchen sechs Zähne in Richtung der Achse des ausströmenden
Strahles vorgesehen sind. Nach Fig. 5 sind die Zähne 4 durch einen übergeschobenen
Ring 7, der mit den Zahnlücken übereinstimmende Durchbrüche 8 aufweist, verstärkt.
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Nach Fig. 6 stehen drei mit 120°-Teilung am Umfang des Düsenaustritts
angeordnete Zähne 4 in Richtung der Strahlachse, während die symmetrisch angeordneten
restlichen Zähne 9 unter einem Winkel von annähernd 30° gegen die Strahlachse nach
innen geneigt sind.
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Fig.7 zeigt eine hinterschnittene Zahnform, die Zähne sind leicht
gegen die Strahlachse geneigt. Nach Fig. 8 sind die Zähne 11 in Längsrichtung kehlförmig
gestaltet. Die Zähne 12 nach Fig. 9 gehen in Strömungsrichtung in ein Winkelprofil
13 über.
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Die Zähne der bisher beschriebenen Formen liegen alle auf einer gemeinsamen
Fläche des Strahlrohres, dessen Fortsetzung sie bilden. Gemäß den Fig. 10 und 11
werden statt der Zähne radial stehende Schaufeln 14 verwendet, deren Enden abgebogen,
15, oder verdreht, 16, sind.
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Bei allen bisher gezeigten Ausführungsformen sind Zwischenräume zwischen
benachbarten Zähnen an der Grenzschicht des Düsenaustritts vorhanden. Bei den Ausführungsformen
nach Fig. 12 und 13 sind solche
Zwischenräume vermieden. Nach Fig.
12 ist der ganze Umfang des Düsenaustritts in Zähne aufgeteilt, die abwechselnd
nach außen, 17, und nach innen, 18, abgebogen sind.
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Durch Ausfüllen jedes radialen Spaltes zwischen benachbarten Zähnen
17 und 18 in Fig. 12 erhält man die in Fig.13 gezeigte Düsenendform. Beim Verlassen
des Strahlrohres 1 wird der Düsenstrahl in die Kanäle 19, deren Tiefenahmessung
in der Größenordnung eines Halbmessers des Strahlrohres 1 liegt, gedrängt. Aus diesen
tritt der Strahl mit einem im wesentlichen kreuzförmigen Querschnitt in die Atmosphäre
aus. Nimmt man an, daß die gezeigte Anordnung sich nach links (in der Figur) durch
die Atmosphäre hindurchbewegt, so strömt die atmosphärische Luft durch die Kanäle
20 zwischen den Zähnen 18 und den radialen Verbindungswänden 21 stromabwärts. Die
Mischzone zwischen austretendem Strahl und umgebendem Mittel wird also stark vergrößert.
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In Fig. 14 ist ein mit Abstand von dem Düsenaustritt 3 angeordneter,
durch Streben 23 gehaltener Ring 22 mit Zähnen 24 gezeigt, der ebenfalls die beschriebene
schalldämpfende Wirkung aufweist. Die Zähne können dabei auch auf der Eintrittsseite
des Ringes liegen.
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Fig. 15 zeigt die Anwendung der Erfindung bei einem Turbostrahltriebwerk,
die mit einer Verstelldüse der »Augenlid«-Bauart versehen ist. Das Rohr 1, an das
sich die verjüngte Schubdüse 2 mit den endseitig ausgebildeten Zähnen 4 anschließt,
wird von einer Haube 25 umhüllt. Dazwischen sind die in den Lagern 28 angelenkten
»Augenlid«-Verschlüsse 26 angeordnet, die ebenfalls endseitige Zähne 27 aufweisen.
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Fig. 16 zeigt eine als selbständiges Bauteil ausgebildete Schalldämpfereinri.chtung
nach der Erfindung, die an einer üblichen glatten Schubdüse nachträglich befestigt
werden kann; sie besteht zu diesem Zweck aus einem geschlitzten Ring 29, dessen
endseitige Begrenzung zu Zähnen 4 und 9 ausgeschnitten ist.
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Nach Fig. 17 und 18 sind in Fortsetzung der Düsenwandung mehrere Streifen
30 angeordnet und etwa in ihrer Mitte auf einem Ring 31, der von Streben 32 unabhängig
von der Strahldüse gehalten wird, gelenkig gelagert; sie können durch angelenkte
Gestänge 33 und 34 gleichartig oder wechselweise nach innen bzw. außen zur Strahlachs-e
geschwenkt werden.
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Nach Fi:g.19 ist die endseitige Begrenzung der Strahldüse mit einer
Anzahl von Öffnungen 35 versehen, die durch einen umhüllenden verschiebbaren Ring
36 teilweise oder ganz verschlossen werden können.
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Die in den Fig. 20 und 21 gezeigten Schalldämpfereinrichtungen sind
insbesondere für die Anwendung bei Drosseldüsen bestimmt, also solche, in denen
Überschall.austrittsgeschwindigkeiten auftreten. In einem solchen Fall ist zwischen
der Stelle des Düsenaustritts und dem umgebenden Medium, d. h. im Fall eines Strahltriebwerks
der Atmosphäre, eine Druckdifferenz vorhanden. Bei der Ausführungsform nach Fig.20
wird die Druckdifferenz dazu benutzt, die Grenzschicht des Strahles durch die am
Ende der Düst 3 feingelochte oder gazeartige Wand 38 hindurchtreten zu lassen. Durch
dieses Ausdehnen des Düsenstrahles nach außen wird sowohl die Druckdifferenz am
Düsenaustritt 3 vermindert als auch ein schnelles Mischen mit der Atmosphäre ermöglicht.
Die am Austritt 3 auftretenden Verdichtungswellen (Mach-Wellen) haben deshalb merklich
geringere Heftigkeit.
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Die in Fig.20 gezeigte Ausführungsform besitzt eine Abdeckbauteil
mit der Kante 40, das verschiebbar auf dem Ende des Strahlrohres sitzt. Das Abdeckbauteil
liegt normalerweise innerhalb der Haube 41. In seiner durch gestrichelte Linien
42 dargestellten,. voll ausgefahrenen Stellung deckt es die feingelochte Wand 38
ab.
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Eine häufig verwandte Überschalldüse hat eine konvergent/divergente
Form, welche durch gestrichelte Linie 43 innerhalb der Haube 44 in Fig. 21 angedeutet
isst. Das Auslaßende 3 dieser Düse ist mit schalldämpfenden Zähnen der vorstehend
beschriebenen Art versehen.
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Eine andere Düsenanordnung, welche sich für Überschallströmung eignet,
ist in Fig.22 gezeigt. Bei dieser ist einer konvergenten Schubdüse ein - in Strömungsrichtung
gesehen - kurz vor ihrem Austritt 3 angesetzter Diffus,or 48 mit Zähnen 4 an seiner
endseitigen Begrenzung nachgeschaltet; so daß zwischen dem Umfang des Düsenaustritts
3 und der inneren Wandung des Diffusors 48 in der Ebene des Düsenaustritts ein Ringspalt
46 bleibt. Die gedrosselte, aus der Düsenfläche 3 austretende Strömung sucht ihre
Grenzschicht auszudehnen, so da.ß sie sich sofort an die innere Wandung des Diffusars
anlegt. Wenn der Diffusor einen nicht zu großen Offnungsw inkel besitzt, dann bleibt
die Strömung an den Diffusorwänden haften. Die Machschen Wellen des austretenden
Strahles haben eine geringere Stärke, da die Strömung sich innerhalb der Erweiterung
ausdehnen kann.
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Die geräuschmindernde Wirkung kann durch zusätzliche Zähne 4a am Düsenaustritt
47 vergrößert werden. Außerdem kann die Diffusorwand fein gelocht und von einer
weiteren kegelförmigen Wand 45 umhüllt sein, wobei der Zwischenraum dieser Doppelwand
mit schalldämpfendem Stoff ausgefüllt ist.
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Wenn auch bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung
der Düsenaustritt einen kreisförmigen Querschnitt hat, so ist sie doch nicht darauf
beschränkt.
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Es ist bereits darauf hingewiesen worden, daß das Schallfeld ein Richtungsfeld
ist; in manchen Fällen kann daher die Sehalldämpfungseinrichtung absilch.tlich so
ausgebildet werden, daß sie eine unsymmetrische bzw. ungleichmäßige Wirkung hat.
Beispielsweise kann es erwünscht sein, Geräusche mit einer bestimmten Frequenz von
bestimmten Teilen einer Flugzeugzelle fernzuhalten. Dies kann durch die Erfindung
erreicht werden. Manche Ausführungsformen der Erfindung können den allgemeinen Geräuschpegel
im Hörfrequenzbereich herabsetzen, in einem anderen Frequenzbereich jedoch verstärken.
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Die erfindungsgemäßen Zähne haben gewöhnlich Rechteck-form. Es können
jedoch auch andere Zahnformen verwendet werden, falls sie nur die Mischzone zwischen
Düsenstrahl und umgebendem Medium in der gewünschten Weise vergrößern.