DE102004056889A1

DE102004056889A1 - Abgasschalldämpfer in der Art eines Helmholtz-Resonators

Info

Publication number: DE102004056889A1
Application number: DE200410056889
Authority: DE
Inventors: Ulrich Gaertner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-11-25
Filing date: 2004-11-25
Publication date: 2006-06-01

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schalldämpfer für eine Gasturbine (13) zur Geräuschdämpfung eines Abgasstromes (18) der Gasturbine (13), mit einem Abgaskanal (25), an dem eine Resonanzkammeranordnung (15, 16) angeordnet ist, deren Kammern (27-34) mit Ausnahme von Verbindungskanälen (35) zu dem Abgaskanal (25) geschlossen sind, so dass eine Fluid-Verbindung zwischen dem Abgaskanal (25) und den Kammern (27-34) besteht und durch die Kammern (27-34) Schallschwingungen des Abgases (18) in der Art eines Helmholtz-Resonators gedämpft werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schalldämpfer für eine Gasturbine zur Geräuschdämpfung eines Abgasstromes der Gasturbine.
Gasturbinen werden beispielsweise bei Blockheizkraftwerken oder Flugzeugen als Antriebe eingesetzt. Eine Gasturbine verursacht ein erhebliches Geräusch. Eine effektive Schalldämpfung ist daher die Voraussetzung für den Einsatz einer Gasturbine beispielsweise in Zusammenhang mit Blockheizkraftwerken oder Leichtflugzeugen, bei denen eine besondere Geräuscharmut gefordert ist. Die Gasturbine dient beispielsweise als Heimkehrhilfe für das Flugzeug, um zu einem Startplatz zurückzukehren. Auch auf dem Einsatzgebiet Blockheizkraftwerk ist eine geringe Geräuschabstrahlung der Gasturbine zweckmäßig, um die Umgebung, üblicherweise eine Wohnumgebung, nicht in zu großem Umfang mit Geräuschen der Gasturbine zu belasten.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schalldämpfer für eine Gasturbine mit einer effektiven Ge- räuschdämpfung vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird durch einen Schalldämpfer für eine Gasturbine gelöst, die einen Abgaskanal aufweist, an dem eine Resonatorkammeranordnung angeordnet ist, deren Kammern mit Ausnahme von Verbindungskanälen zu dem Abgaskanal geschlossen sind, so dass eine Fluid-Verbindung zwischen dem Abgaskanal und den Kammern besteht und durch die Kammern Schallschwingungen des Abgases in der Art eines Helmholtz-Resonators gedämpft werden.

Der erfindungsgemäße Schalldämpfer ist optimal auf die Geräuscheigenschaften der Gasturbine abstimmbar. Dadurch werden die Schalldrücke derjenigen Frequenzen, die als besonders störend empfunden werden, effektiv gedämpft, so dass das Schallabstrahlverhalten der Gasturbine gegenüber einer ungedämpften Gasturbine wesentlich verbessert ist.

Prinzipiell ist die Verwendung eines Helmholtz-Resonators bzw. mehrerer Helmholtz-Resonatoren zum Dämpfen von Ansauggeräuschen einer Brennkraftmaschine bekannt. Das deutsche Gebrauchsmuster DE 296 23 576 U1 beschreibt einen Ansaugschalldämpfer für eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug.

Bei Kraftfahrzeugen werden üblicherweise Otto- oder Dieselmotoren, das heißt Kolbenmotoren, verwendet. Zur Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine werden Turbolader eingesetzt, die jedoch erhebliche Geräusche verursachen können. Um diese Geräusche der Ansaugluft zu reduzieren, ist bei dem bekannten Ansaugschalldämpfer eine Resonatorkammeranordnung in der Art eines Helmholtz-Resonators vorgesehen.

Dieses an sich bekannte Prinzip der Schalldämpfung wird erfindungsgemäß für eine Gasturbine und bei dieser insbesondere zur Dämpfung des Abgasstromes verwendet. Dadurch erweitert sich der Einsatzbereich der Gasturbine erheblich. Beispielsweise kann sie bei Blockheizkraftwerken oder im Flugzeugbau zweckmäßig eingesetzt werden. Der Schalldämpfer erreicht derart gute Schalldämpfungswerte, dass sogar eine als Heimkehrhilfe eines Leichtflugzeuges verwendete Gasturbine die erforderlichen Schallwerte erreicht und unterschreitet.

Für die Feinabstimmung der Resonatorkammeranordnung sieht die Erfindung mehrere zweckmäßige Maßnahmen vor. Beispielsweise nimmt das Volumen der Kammern in Ausströmrichtung des Abgases stetig zu oder ab, so dass beispielsweise in Ausströmrichtung gesehen zunächst höhere Schallfrequenzen und dann niedrigere Schallfrequenzen des Abgases gedämpft werden oder umgekehrt. Zwar ist eine Kammer der Resonatorkammeranordnung jeweils op timiert auf eine bestimmte Schallfrequenz bzw. auf einen Abschnitt des Schall-Frequenzbandes des Abgasstromes. Zwischen benachbarten Kammern der Resonatorkammeranordnung besteht jedoch zweckmäßigerweise ein Überlappungsbereich von Schall-Frequenzen, die von den beiden Kammern jeweils gedämpft werden. Das Dämpfungsverhalten der jeweiligen Resonatorkammern kann durch vielfältige Maßnahmen eingestellt werden. Beispielsweise ist die Anzahl der Verbindungskanäle zwischen dem Abgaskanal und den Kammern variierbar. Ferner können geometrische Eigenschaften der Verbindungskanäle verändert werden, beispielsweise der jeweilige Querschnitt, die jeweilige Kontur und die jeweilige Länge der Verbindungskanäle. Zur Veränderung der Länge der Verbindungskanäle ist beispielsweise die Stärke einer Wandung zwischen dem Abgaskanal und der jeweiligen Resonatorkammer variierbar, z.B. in dem man dickeres oder dünneres Blech verwendet oder dergleichen.

Es ist bevorzugt, dass die von der Resonatorkammeranordnung zu dämpfenden Schallfrequenzen den Höreigenschaften eines menschlichen Ohres angepasst sind. Dabei werden insbesondere diejenigen Frequenzen, die von dem menschlichen Ohr in besonderem Maße wahrgenommen werden, stärker gedämpft, wohingegen Frequenzen, die vom menschlichen Ohr schlechter wahrgenommen werden, in geringerem Umfang gedämpft werden. Die Abstimmung der Resonatorkammeranordnung ist zweckmäßigerweise auf maxi malen Schalldruck optimiert, beispielsweise indem man die Gasturbine zur Abstimmung der Resonatorkammeranordnung unter Volllast betreibt, wobei die Resonatorkammeranordnung dann den Schall in optimaler Weise dämpfen sollte.

Die dämpfende Resonatorkammeranordnung kann nur an einer Seite des Abgaskanals angeordnet sein. Es ist aber auch möglich, dass der Abgaskanal die Resonatorkammeranordnung durchdringt, das heißt von der Resonatorkammeranordnung ganz oder fast vollständig umgeben ist.

Die Resonatorkammeranordnung umgibt einen Abgasauslass der Gasturbine bzw. schließt sich zweckmäßigerweise unmittelbar an den Abgasauslass an. Die Erfindung zeigt, dass ein Helmholtz-Resonator auch das mit annähernd Schallgeschwindigkeit aus der Gasturbine ausströmende Abgas effektiv nach dem Helmholtz-Resonator-Prinzip schalldämpft.

Zu einer weiteren Verringerung des Schallabstrahlens ist es zweckmäßig, dass ein Abgasauslass, an dem Abgas aus dem Abgaskanal in die Umwelt austritt, eine Vorderkante mit einer Zackenstruktur hat. Dadurch wird z.B. ein sogenannter Chevron gebildet, der die Kontaktfläche des Abgastromes mit der Umgebungsluft vergrößert und so den Schall verringert. Zweckmäßi gerweise sind die Zacken der Zackenstruktur nach innen gebogen.

Zur Anpassung an die jeweiligen Umgebungsbedingungen bzw. Einbaubedingungen weist die Resonatorkammeranordnung und/oder weist der Abgasauslass an der Auslassseite eine abgeschrägte Bauform auf. Diese Bauform ist insbesondere bei Flugzeugen bevorzugt, z.B. wenn sich die Gasturbine bzw. der Schalldämpfer in einem Gehäuseteil, z.B. dem Rumpf, des Flugzeugs befinden, dass eine schräge Außenkontur aufweist.

Eine besonders bevorzugte Variante der Erfindung sieht vor, dass der Schalldämpfer zusätzlich zu dem Abgas-Schalldämpferbereich einen Ansaugschalldämpfer umfasst, der den Schall einer Ansaugluft für die Gasturbine dämpft. Auf diese Weise wird sowohl die Ansaugluft als auch das Abgas der Gasturbine geräusch-gedämpft und somit das Schall-Abstrahlverhalten der Gasturbine optimiert.

An dieser Stelle sei betont, dass der zusätzliche Ansaugschalldämpfer bei dem erfindungsgemäßen Schalldämpfer optional ist.

Es ist auch möglich, dass der Schalldämpfer neben einem Abgas-Schalldämmabschnitt einen zusätzlichen, vorzugsweise einen Helmholtz-Resonator enthaltenden Schalldämmabschnitt auf weist, der neben der Gasturbine angeordnet ist und deren Schallabstrahlung, z.B. durch deren Gehäuse, zur Umgebung hin dämpft. Es kann ein eventuell zusätzlicher, zweckmäßigerweise einen Helmholtz-Resonator enthaltender Schalldämmabschnitt vorgesehen sein, der Schallabstrahlung von Kühlluft zur Kühlung der Gasturbine dämpft.

Für den Ansaugschalldämpfer kann ein konventioneller Schalldämpfer zum Einsatz kommen, der beispielsweise schalldämpfende Fasern und/oder Wolle oder dergleichen enthält. Besonders bevorzugt ist jedoch auch beim Ansaugschalldämpfer ein Funktionsprinzip als Helmholtz-Resonator. Für den Ansaugschalldämpfer kann eine zweite Resonatorkammeranordnung vorgesehen sein, die von der ersten, für das Abgas vorgesehenen Resonatorkammeranordnung separat ist. Eine besonders bevorzugte Variante der Erfindung sieht jedoch vor, dass eine einzige Resonatorkammeranordnung vorhanden ist, die sowohl die Ansaugluft als auch das Abgas in der Art eines Helmholtz-Resonators dämpft.

Der erfindungsgemäße Schalldämpfer umfasst oder bildet vorteilhafterweise ein die Gasturbine zumindest teilweise umgebendes Gehäuse. Besonders bevorzugt ist, dass der Schalldämpfer die Gasturbine vollständig kapselt, so dass er eine Art Schalldämpfer-Kapsel oder einen Schalldämpfer-Mantel für die Gasturbine bildet, die bzw. der zumindest teil- oder abschnittsweise als ein Helmholtz-Resonator ausgestaltet ist. Der Schalldämpfer entfaltet zusätzlich zur optimierten Schalldämpfung eine Funktion als Splitterschutz, das heißt bei einer Beschädigung oder einer Zerstörung der Gasturbine treten Splitter nicht in die Umgebung aus, sondern werden durch den Schalldämpfer sozusagen gefangen. Zudem ermöglicht diese Bauart eine vorteilhafte integrale Schall- oder Lärmdämpfung der Gasturbine. Es versteht sich, dass der erfindungsgemäße Schalldämpfer auch an eine Gasturbine angebaut sein kann, beispielsweise an einen Abgasauslass oder -kanal der Gasturbine angeordnet sein kann.

Vorteilhafterweise wird dem Abgasstrom Frischluft zugeführt bzw. beigemischt, der z.B. durch einen Einlass in den Schalldämpfer eintritt und dem Abgasstrom beigemischt wird. Die Frischluft kann auch ein Kühlluftstrom zur Kühlung der Gasturbine sein.

Bei der vorgenannten integralen Bauweise des Schalldämpfers ist es beispielsweise zweckmäßig, dass zwischen der Gasturbine und dem Schalldämpfer ein Zwischenraum vorhanden ist, das heißt, dass die beiden Bauteile voneinander beabstandet sind. Somit kann eine die Gasturbine kühlender Kühlluftstrom an der Gasturbine vorbei zum Abgasstrom hin und/oder an einem separaten Auslass in die Umgebung hinaus strömen.

Der erfindungsgemäße Schalldämpfer kann ein von der Gasturbine separates oder separierbares Bauteil sein. Es ist aber auch möglich, dass der Schalldämpfer einen Bestandteil eines Gehäuses der Gasturbine bildet.

Zweckmäßigerweise ist an der Außenseite des Schalldämpfers zumindest teil- oder abschnittsweise eine Wärmeisolation vorhanden. Dadurch wird beispielsweise die Umgebung der Gasturbine bzw. des Schalldämpfers nicht in unerwünschtem Maße durch Abstrahl-Wärme belastet. Dies ist insbesondere für das Einsatzgebiet bei Flugzeugen zweckmäßig. Die Wärmeisolation kann zusätzlich Eigenschaften einer Schalldämpfung aufweisen, beispielsweise in dem man Glaswolle oder dergleichen verwendet, die Schalldruck mindert.

Der erfindungsgemäße Schalldämpfer bzw. die Kombination aus Schalldämpfer und Gasturbine bilden vorteilhafterweise einen Bestandteil eines Flugzeuges, das durch diese Gasturbine antreibbar ist. Die Gasturbine bzw. der Schalldämpfer können beispielsweise am und/oder im Rumpf des Flugzeuges angeordnet sein. Auch eine Anordnung an einem Flugzeug-Flügel ist möglich.

Eine besonders bevorzugte Bauform für den Flugzeugbetrieb sieht vor, dass eine Baueinheit aus Gasturbine und Schalldämpfer zwischen einer Ruhestellung und einer Gebrauchsstellung verschwenkbar ist. In der Ruhestellung befindet sich die Baueinheit zumindest teilweise in einem Rumpf des Flugzeugs, wohingegen sie in der Gebrauchsstellung aus dem Rumpf herausgeschwenkt ist und das Flugzeug antreiben kann, z.B. um das Flugzeug bei einem Flug zurück zum Flugplatz anzutreiben.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schalldämpfers mit einer integrierten Gasturbine, mit einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse des Schalldämpfers,
2 eine schematische Querschnittsansicht eines 2. Ausführungsbeispiels, d.h. einer Variante des Ausführungsbeispiels gemäß 1, wobei der Schalldämpfer ausgangsseitig bzw. ausströmseitig abgeschrägt ist,
3 eine schematische Querschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schall dämpfers, der an eine Gasturbine angebaut ist bzw. einen Bestandteil von deren Gehäuse bildet,
4 ein Frequenz-Dämpfungdiagramm in schematischer Darstellung eines erfindungsgemäßen Schalldämpfers,
5 eine Verbindungskanalanordnung von Verbindungskanälen zwischen einem Abgaskanal und einer Resonatorkammeranordnung eines erfindungsgemäßen Schalldämpfers gemäß 1–3,
6 eine schematische Darstellung eines Flugzeuges mit einer Baueinheit aus Schalldämpfer und Gasturbine gemäß 1, die aus einem Rumpf des Flugzeuges aus einer Ruhestellung heraus in eine Gebrauchsstellung herausschwenkbar ist, und
7 eine schematische Querschnittsansicht eines vierten Ausführungsbeispiels als eine Bauvariante des ersten Ausführungsbeispiels ohne Ansaugschalldämpfung.
Nachfolgend werden drei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Schalldämpfers vorgestellt, wobei die beiden in den 1 und 2 dargestellten Schalldämpfer 10 und 100 teilweise identische oder funktionsgleiche Komponenten auf weisen, z.B. jeweils einen Ansaugschalldämpferbereich oder – teil 11 und einen Abgasschalldämpferteil 12, die zur Vereinfachung teilweise mit denselben Bezugszeichen versehen sind oder die in 2 um die Zahl 100 vergrößerte Bezugszeichen haben. Hingegen ist in 3 eine abweichende Bauart eines erfindungsgemäßen Schalldämpfers dargestellt, nämlich eine Baueinheit 300, bei der ein erfindungsgemäßer Abgasschalldämpfer 301 an einer Gasturbine 302 angeordnet ist.
Bei den Schalldämpfern 10, 100 ist eine Gasturbine 13 im Bereich eines Ansaugschalldämpferteils 11 in Gehäusen 14, 114 der Schalldämpfer 10, 100 angeordnet. Die Gehäuse 14, 114 sind z.B. im wesentlichen zylindrisch. Die Gasturbinen 13 sind von den Schalldämpfern 10, 100 vollständig umgeben, so dass eine optimale Schalldämpfung und zusätzlich ein mechanischer Schutz gebildet ist, beispielsweise wenn die Gasturbine 13 beschädigt ist und wegfliegende Teile der Gasturbine 13 von den Gehäusen 14, 114 sozusagen abgefangen werden. Eine erste Resonatorkammeranordnung 15, 115 im jeweiligen Ansaugschalldämpferteil 11 sowie eine zweite Resonatorkammeranordnung 16, 116 im jeweiligen Abgasschalldämpferteil 12 dämpfen Schallschwingungen von Ansaugluft 17, die der Gasturbine 13 als Verbrennungsluft zugeführt wird, und Abgas 18, das die Gasturbine 13 abstrahlt.
Die Resonatorkammeranordnungen 15, 115 begrenzen einen Ansaugkanal 19, der zugleich einen Gasturbinen-Aufnahmeraum 20 bildet. Die Gasturbine 13 ist in dem Aufnahmeraum 20 angeordnet, das heißt sie ist beim Ausführungsbeispiel von der jeweiligen Resonatorkammeranordnung 15, 115 vollständig umgeben. Der Ansaugkanal 19 bzw. Aufnahmeraum 20 ist beispielsweise rohrartig ausgestaltet. Zwischen der Gasturbine 13 und einer Innenwandung 21 ist zweckmäßigerweise ein Abstand oder Strömungskanal 22 vorhanden, durch den Kühlluft 23 von einem Einlass 24 des Ansaugkanals 29 her an der Gasturbine 13 vorbei in einen Abgaskanal 25 einströmen kann, durch den das Abgas 18 an der Resonatorkammeranordnung 16, 116 vorbei zu einem Abgasauslass 26 strömt. Die Resonatorkammeranordnung ist nahe bei einem Abgasauslass 51 der Gasturbine 13 angeordnet bzw. schließt sich an den Abgasauslass 51 an, so dass eine kompakte Bauweise erzielt und der Schall des Abgases 18 optimal gedämpft wird. Der Abgasauslass 51 mündet in den Abgaskanal 25. Somit dämpfen die Resonatorkammeranordnungen 15, 115 Schall sowohl der Ansaugluft 17 als auch der Kühlluft 23. Die Resonatorkammeranordnungen 16, 116 dämpfen den Schall des Abgases 18.
Der Ansaugkanal 19 bzw. der Gasturbinenaufnahmeraum 20 weisen zweckmäßigerweise einen größeren Querschnitt als der Abgaskanal 25 auf, um die Gasturbine 13 aufnehmen zu können. Die Re sonatorkammeranordnungen 15, 115 dämpfen zudem seitlich von der Gasturbine 13 abstrahlenden Schall.
Die Gasturbine 13 ist gegenüber dem Einlass 24 in das Gehäuse 14, 114 nach innen versetzt, so dass die Resonatorkammeranordnungen 15, 115 Schallschwingungen der Ansaugluft 17 dämpfen können.
Die Resonatorkammeranordnungen 15, 115, 16, 116 enthalten Kammern 27 bis 34 bzw. 27' bis 34', die an den Kanälen 19, 25 entlang angeordnet sind. Die Kammern 27 bis 34 bzw. 27' bis 34' sind mit Ausnahme von Verbindungskanälen 35, mit denen sie mit dem Ansaugkanal 19 bzw. dem Abgaskanal 25 verbunden sind, vollständig geschlossen, so dass Schallwellen der Ansaugluft 17, der Kühlluft 23, des Abgases 18 sowie der Gasturbine 13 zwar durch die Verbindungskanäle in die jeweilige Kammer 27 bis 34 bzw. 27' bis 34' eindringen kann, jedoch nicht von einer Kammer 27 bis 34, 27' bis 34' zur jeweils benachbarten Kammer 27 bis 34, 27' bis 34'. Die Kammern 27 bis 34, 27', 34' sind gegeneinander sozusagen schalldicht oder im wesentlichen schalldicht, wobei man auch von einer hermetischen Trennung sprechen kann.
Jede der Kammern 27 bis 34, 27' bis 34' ist für eine Dämpfung einer individuellen Schallfrequenz bzw. eines Schallfrequenz bandes vorgesehen bzw. auf diese Frequenz oder das Frequenzband abgestimmt. Hierzu nimmt das Volumen der Kammern 27 bis 29, 27' bis 29' beispielsweise stetig zu, was auch für die Kammern 31 bis 34, 31' bis 34' zutrifft. Auf diese Weise werden zunächst höhere Frequenzen und anschließend niedrigere Frequenzen gedämpft.
Die Kammern 27 bis 34 erstrecken sich beispielsweise über einen halben Umfang des jeweiligen Gehäuses 14, 114, die Kammern 27' bis 34' um die andere Hälfte des Umfangs. Prinzipiell wäre es aber auch denkbar, dass sich eine jeweilige Kammer 27 bis 34 um den gesamten Umfang des Gehäuses 14, 114 erstreckt. Zweckmäßigerweise können auch weitere Segmentierungen der Kammern der Resonatorkammeranordnungen 15, 115, 16, 116 in Umfangsrichtung und/oder in Längsrichtung vorgesehen sein.
In einem beispielsweise konischen Verengungsabschnitt 36, der in Strömungsrichtung hinten liegt, verengt sich der Ansaugkanal 19 auf den Durchmesser des Abgaskanals 25. In diesem Verengungsabschnitt 36 sind die Kammern 30, 30' angeordnet und bewirken auch dort eine Schalldämpfung in der Art von Helmholtz-Resonatorkammern. Insofern könnte man an Stelle der separaten Resonatorkammeranordnungen 15, 115 bzw. 16, 116 auch von einer einzigen, durchgehenden Resonatoranordnung spre chen, die Schallschwingungen von Gasen dämpft, die der Gasturbine 13 zuströmen bzw. die von der Gasturbine 13 austreten oder an dieser vorbeiströmen.
Die Kammern 27–34, 27'–34' werden beispielsweise radial innen von der Wandung 21 und radial außen von einer Außenwand 38 des Gehäuses 14, 114 im Bereich des Ansaugschalldämpferteils 11 sowie von einer Zwischenwandung 39 im Bereich des Abgasschalldämpferteils 12 begrenzt. Ferner sind Zwischenwandungen zwischen den jeweiligen Kammern vorgesehen, die nicht näher bezeichnet sind. Das Gehäuse 14, das heißt die vorgenannten Wandungen 21, 37, 38, 39 besteht beispielsweise aus Aluminiumblech oder einem sonstigen Metallblech, das miteinander verlötet, vernietet, verschweißt oder in sonstiger Weise miteinander verbunden ist. Ferner ist auch eine zumindest teilweise Herstellung des Gehäuses im Gußverfahren 14 vorteilhaft, um eine hohe Struktursteifigkeit zu erzielen.
Im Bereich des Ansaugschalldämpferteils 12 ist ferner eine Wärmeisolation 40 vorhanden, die die Resonatorkammeranordnungen 16, 116 ganz oder teilweise außenseitig umgibt. Die Wärmeisolation 40 erstreckt sich vorliegend über den gesamten Außenumfang des Gehäuses 14 im Bereich der Resonatorkammeranordnungen 16, 116, um die Wärmeabstrahlung des Abgases 18 in diesem Bereich zu vermindern. Die Wärmeisolation 40 enthält beispielsweise Dämmmaterial 41, das zwischen der Außenwandung 38 und der Zwischenwandung 39 angeordnet ist, beispielsweise Glaswolle, Steinwolle oder dergleichen.
Die Abstimmung der Kammern 27 bis 34, 27'–34' auf die jeweiligen Schallfrequenzen kann einerseits durch die Dimensionierung des Volumens der jeweiligen Kammer geschehen, andererseits sind Geometrie und Anzahl der Verbindungskanäle 35 hierbei Einflußgrößen. Beispielsweise kann durch die Stärke der Wandungen 21, 34 die Länge der Verbindungskanäle 35 beeinflusst werden. In 5 sind z.B. Abschnitte 42, 43 der Wandung 37 gezeigt, die die Kammern 31, 32 begrenzen. Im Abschnitt 42 weisen die Verbindungskanäle 35 beispielsweise einen kleineren Durchmesser auf als im Abschnitt 34. Ferner ist die Anzahl der Verbindungskanäle 35 in den jeweiligen Abschnitten 42, 43 in Abhängigkeit von der gewünschten Schalldämpfeigenschaft der zugeordneten Kammern 31, 32 an die jeweiligen Erfordernisse anpassbar.
In 4 ist schematisch das Schalldämpfverhalten der Resonatorkammeranordnung 16 dargestellt. Die Kammern 33, 32, 31 weisen beispielsweise durch Kurven K33, K32, K31 dargestellte Schalldämpfeigenschaften auf. Die Kammer dämpft beispielsweise maximal bei einer Frequenz f0, die Kammer 32 bei einer Frequenz f1, die größer ist als die Frequenz f0 und die Kam mer 31 bei einer Frequenz f2. Die insgesamt an die Höreigenschaften des menschlichen Ohres angepasste Schalldämpfung der Resonatorkammeranordnungen 16, 116 wird durch eine umhüllende Schalldämpfkurve KU repräsentiert, die auf den Volllastbetrieb der Gasturbine 13 abgestimmt ist.
Am Abgas-Auslass 26 des Schalldämpfers 10 ist vorteilhafterweise eine Schalldämpfeinrichtung 44 angeordnet. Die Schalldämpfanordnung 44, die prinzipiell auch einen integralen Bestandteil des Auslasses 26 bilden kann, das heißt beispielsweise durch das Gehäuse 34 gebildet sein kann, hat eine gezackte Vorderkante 45, deren Zacken zweckmäßigerweise nach innen in Richtung des Innenquerschnitts des Abgaskanals 25 gebogen sind. Jedenfalls vergrößert diese Zackenstruktur die Kontaktfläche des Abgasstromes mit der Umgebungsluft, was eine weitere Schalldämpfung bewirkt. Die Schalldämpfeinrichtung 34 ist vorliegend in der Art einer Rosette an den Abgasauslass 26 angesteckt, angeschweißt oder dergleichen.
Die Baueinheit aus Gasturbine 13 und Schalldämpfer 10 ist zweckmäßigerweise Bestandteil eines Flugzeuges 46. Mittels einer Schwenkeinrichtung 48 kann der Schalldämpfer 10 mit der integrierten Gasturbine 13 aus einem Rumpf 47 des Flugzeuges 46 herausgeschwenkt werden, um das Flugzeug 46 anzutreiben. Das Flugzeug 46 wird zweckmäßigerweise mittels eines separa ten Antriebsmittels, beispielsweise eines Zugseils, eines Schleppflugzeugs oder dergleichen beim Start angetrieben. Zur Rückkehr zum Startplatz dient die Gasturbine 13, deren Schall durch den Schalldämpfer 10 effektiv gedämpft wird. Das Flugzeug 46 ist beispielsweise ein Leichtflugzeug, so dass eine Leistung der Gasturbine 13 im Bereich von etwa 10 bis 30 kW als Rückkehr-Antrieb ausreichend ist.
Für eine ortsfeste Montage im Rumpf eines Flugzeuges ist der Schalldämpfer 100 gemäß 2 vorgesehen. Beispielsweise ist der Schalldämpfer 100 im hinteren Bereich eines Flugzeuges 49 angeordnet, das einen hinten abgeschrägten Rumpf 50 hat. Zur Anpassung an die Geometrie des Rumpfes 50 ist der hintere Bereich des Schalldämpfers 100 abgeschrägt, so dass beispielsweise die Kammern 133', 134 ebenfalls eine schräge Gestalt aufweisen. Um beispielsweise das Schalldämpfverhalten der Kammer 133' ähnlich zu dem Schalldämpfverhalten der Kammer 33' auszugestalten, sind die Verbindungskanäle 35 beispielsweise länger, kürzer, zahlreicher oder dergleichen.
Bei dem 3. Ausführungsbeispiel gemäß 3 bildet ein erfindungsgemäßer Helmholtz-Resonator-Schalldämpfer 301 einen Bestandteil eines Gehäuses 303 einer Gasturbine 302. Die Gasturbine 302 treibt über ein Getriebe 304 einen Propeller 305 an, so dass sich ein nicht dargestelltes Flugzeug in ei ner Vorwärts-Bewegungsrichtung 306 vorwärtsbewegt. Frischgas bzw. Ansaugluft 307 strömt durch einen Einlaß 308 in das Gehäuse 303 entgegen der Vorwärts-Bewegungsrichtung 306 ein. Eine als Umlenkung des Frischgases 307 dienende Abdeckung 309 lenkt den Ansaugluftstrom 307 zu einem Einlaß 310 der Gasturbine 302 um, so dass die Ansaugluft 307 insgesamt eine Richtungsumkehr um etwa 180° erfährt und in Vorwärtsrichtung 306 auf ein Verdichterrad 311 auftrifft. Das Verdichterrad 311 fördert die Ansaugluft 307 in eine Brennerkammeranordnung 312, in der das Frischgas 307 mit einem Kraftstoff zu einem Abgas 313 verbrennt.
Das aus der Brennkammeranordnung 312 in Vorwärts-Bewegungsrichtung 306 ausströmende Abgas 313 treibt ein Turbinenrad 314 an, dass über eine welle 315 das Verdichterrad 311 und das Getriebe 304 antreibt. Das Verdichterrad 311 kann bei einer Bauvariante der Gasturbine 302 auch durch ein Turbinenrad 324 angetrieben sein, mit dem es über die Welle 315 gekoppelt ist. In diesem Fall ist das Turbinenrad 314 separat von den Rädern 311 und 324 drehbar gelagert.
Das Turbinenrad 314 bewirkt eine Richtungsumkehr des Abgases 313, so dass dieses etwa quer zur Vorwärtsrichtung 306 radial nach außen in einen Abgaskanal 316 des Gehäuses 303 einströmt. Im Abgaskanal 316 wird das Abgas 313 nach hinten, das heißt entgegen der Vorwärtsrichtung 306, umgelenkt und strömt an dem Schalldämpfer 301 vorbei zu einem Abgasauslass 317, wo das Abgas 313 in die Umgebung austritt.
Der Schalldämpfer 301 ist erfindungsgemäß in der Art eines Helmholtz-Resonators aufgebaut und enthält Kammern 318, 319 und 320 einer Resonanzkammeranordnung 323. Verbindungskanäle 321 stellen eine Fluidverbindung zwischen dem Abgaskanal 316 und den Kammern 318 bis 320 her, die ansonsten durch nicht näher bezeichnete Trennwände voneinander schall-getrennt sind. Eine optional außenseitig an dem Schalldämpfer 301 vorhandene Wärmeisolation 322 in der Art der Wärmeisolation 40 verringert eine Wärmeabstrahlung des Abgases 313 zur radial äußeren Umgebung des Schalldämpfers 301. Die Gasturbine 302 weist eine optimierte Energiebilanz, das heißt einen optimalen Wirkungsgrad auf, weil das durch den Abgaskanal 316 nach hinten ausströmende Abgas 313 an den Brennkammeranordnungen 312 vorbeigeführt wird, so dass das den Brennkammern zugeführte Frischgas bzw. die Ansaugluft vorgewärmt wird und optimal verbrennt.
In 7 ist ein Schalldämpfer 400 als viertes Ausführungsbeispiel dargestellt, der keine Ansaugschalldämpfung bewirkt und als im wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht. Daher sind für gleiche oder gleichartige Komponenten im wesentlichen dieselben Bezugszeichen wie in 1 verwendet. Der Schalldämpfer 400 kapselt eine Gasturbine 413, die sich im Gegensatz zur Gasturbine 13 bis zum Einlass 24 des Schalldämpfers 400 erstreckt oder vor den Einlass 24 nach außen vorsteht. Der Schalldämpfer 400 dämpft somit Schallabstrahlungen der Ansaugluft 17 nicht. Eine Resonanzkammeranordnung 415 ist analog zur Resonanzkammeranordnung 15 als Helmholtz-Resonator ausgestaltet und dämpft Schallabstrahlungen der Gasturbine 413, die z.B. von deren Gehäuse ausgehen, und/oder Schallabstrahlungen von Kühlluft 23, die am Einlass 14 in den Schalldämpfer 400 einströmt, an der an der Gasturbine 413 vorbeiströmt und im Bereich des Verengungsabschnitts 36 dem Abgas 18 beigemischt wird. Somit bildet die Resonanzkammeranordnung 415 einen Gasturbinendämpferteil oder -abschnitt und/oder Kühlluftdämpferteil/-abschnitt 411 des Schalldämpfers 400.

Claims

Schalldämpfer für eine Gasturbine (13; 302) zur Geräuschdämpfung eines Abgasstromes (18; 313) der Gasturbine (13; 302), mit einem Abgaskanal (25; 316), an dem eine Resonanzkammeranordnung (15, 16; 115, 116) angeordnet ist, deren Kammern (27–34) mit Ausnahme von Verbindungskanälen (35; 321) zu dem Abgaskanal (25; 316) geschlossen sind, so dass eine Fluid-Verbindung zwischen dem Abgaskanal (25; 316) und den Kammern (27–34) besteht und durch die Kammern (27–34) Schallschwingungen des Abgases (18; 313) in der Art eines Helmholtz-Resonators gedämpft werden.
Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Kammern (27–34) in Ausströmrichtung des Abgases (18; 313) stetig zunimmt oder abnimmt.
Schalldämpfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kammer (27–34) eine Schallfrequenz des Abgases (18; 313) zugeordnet ist, wobei die von der Resonanzkammeranordnung (15, 16; 115, 116) zu dämpfenden Schallfrequenzen den Höreigenschaften eines menschlichen Ohres entsprechen.
Schalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzkammeranordnung (15, 16; 115, 116) auf eine Dämpfung bei maximalem Schalldruck abgestimmt ist.
Schalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzkammeranordnung (16; 116) nahe oder unmittelbar an einem Abgasauslass (51) der Gasturbine (13) angeordnet ist.
Schalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einen Abgas-Auslass (26) enthält, an dem Abgas (18; 313) in die Umwelt austritt, und dass der Abgas-Auslass (26) eine Vorderkante (45) mit einer Zakkenstruktur hat.
Schalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzkammeranordnung und/oder der Abgas-Auslass (26) eine abgeschrägte Bauform aufweisen.
Schalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Ansaugschalldämpfer (11) umfasst, der Schall von Ansaugluft für die Gasturbine (13; 302) dämpft.
Schalldämpfer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansaugschalldämpfer (11) eine Resonanzkammeranordnung (15, 16; 115, 116) umfasst, der die Ansaugluft in der Art eines Helmholtz-Resonators dämpft.
Schalldämpfer nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Resonanzkammeranordnung (15, 16; 115, 116) in den Bereich des Ansaugschalldämpfers (11) erstreckt.
Schalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er ein die Gasturbine (13; 302) zumindest teilweise umgebendes Gehäuse (14; 114; 303) bildet oder enthält.
Schalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er die Gasturbine (13; 302) ganz oder im wesentlichen kapselt.
Schalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (13; 302) zumindest teilweise innerhalb des Schalldämpfers anordenbar oder angeordnet ist, und dass zwischen der Gasturbine (13; 302) zu dem Schalldämpfer (10) beabstandet ist, so dass zumindest ein die Gasturbine (13; 302) kühlender Kühlluftstrom (23) an der Gasturbine (13; 302) vorbei in Richtung des Abgasstromes strömen kann.
Schalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Bestandteil eines Gehäuses (14; 114; 303) der Gasturbine (13; 302) bildet.
Schalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er an seiner Außenseite zumindest teilweise oder abschnittsweise eine Wärmeisolation (40) aufweist.
Schalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einen Bestandteil eines Flugzeuges (46; 49) bildet, das durch die Gasturbine (13; 302) antreibbar ist.
Schalldämpfer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass er als Baueinheit mit der Gasturbine (13; 302) aus einer Ruhestellung, in der er zumindest teilweise in einem Rumpf (47) des Flugzeugs (46; 49) versenkt ist, in eine Gebrauchsstellung aus dem Rumpf (47) heraus schwenkbar ist.