DE102009037956A1

DE102009037956A1 - Turbinenaustrittsgehäuse

Info

Publication number: DE102009037956A1
Application number: DE200910037956
Authority: DE
Inventors: Dominik Dr. Broszat; Fritz Kennepohl
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2009-08-18
Filing date: 2009-08-18
Publication date: 2009-12-31

Abstract

Ein Turbinenaustrittsgehäuse (10), insbesondere für eine Niederdruckturbine eines Flugtriebwerks, umfasst schallabsorbierende Elemente (20). Die schallabsorbierenden Elemente (20) stehen in Kontakt mit einem durch das Turbinenaustrittsgehäuse (10) durchtretenden Gasstrom. Dadurch kann der von einer Niederdruckturbine eines Flugtriebwerks abgestrahlte Schall signifikant reduziert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Turbinenaustrittsgehäuse, insbesondere für eine Niederdruckturbine eines Flugtriebwerks.
Es werden zunehmend höhere Anforderungen gestellt, die durch Flugtriebwerke verursachte Lärmbelästigung zu reduzieren. Zur Dämpfung des von einem Triebwerk abgestrahlten Schalls kommen akustische Auskleidungen, sogenannte Liner, zum Einsatz. Üblicherweise sind die Liner im Abgaskanal des Triebwerks zwischen der Niederdruckturbine und der Primärdüse angeordnet. Die Anordnungsmöglichkeiten im Austrittskanal des Kernstroms des Triebwerks sind jedoch durch die Baulänge des Triebwerks und weitere geometrische Beschränkungen (z. B. minimale Bautiefe) begrenzt. Damit ist die maximal erreichbare Schallabsorption insgesamt limitiert.
Die DE 10 2004 056889 A1 zeigt einen Schalldämpfer für eine Gasturbine, die einen Abgaskanal aufweist. Am Abgaskanal sind Resonatorkammern angeordnet, die mit Ausnahme von Verbindungskanälen zu dem Abgaskanal geschlossen sind, so dass eine Fluidverbindung zwischen dem Abgaskanal und den Kammern besteht und durch die Kammern Schallschwingungen des Abgases in der Art eines Helmholtz-Resonators gedämpft werden.
Aus der US 2007/0272477 A1 ist ein Strahltriebwerk bekannt, bei dem in der Mitte des Austrittskanals ein inneres Gehäuse mit einer Außenwand aus Metall und einer als flexiblen Hülle ausgebildeten Innenwand angeordnet ist. Zwischen den beiden Wänden befindet sich ein Hohlraum. Die äußere Wand ist in einem dem Kernstrom des Triebwerks zugewandten Abschnitt durchlöchert und bildet so zusammen mit dem Hohlraum einen Helmholtz-Resonator, der die Schallleistung des Triebwerks verringert.
In der US 6 609 592 B2 ist ein schalldämpfendes Element für ein Flugtriebwerk gezeigt, das eine Grundplatte, einen zellenartig aufgebauten Kern sowie eine Deckplatte umfasst. Der Kern weist eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Zellen mit hexagonalem Querschnitt auf, die eine Wabenstruktur bilden. Eine Vielzahl von Öffnungen in der Deckplatte des schalldämpfenden Elements sorgt für Strömungsverbindungen zwischen den Zellen und der von den Zellen abgewandten Seite der Deckplatte.
Die DE 10 2005 021781 A1 schlägt vor, im Bereich des Austrittsgehäuses einer Niederdruckturbine schwingungsfähige Elemente zu positionieren. Das Austrittsgehäuse definiert einen Strömungskanal für eine die Niederdruckturbine verlassende Gasströmung, wobei sich innerhalb des durch das Austrittsgehäuse definierten Strömungskanals in radialer Richtung Streben bzw. Schaufeln erstrecken. Die schwingungsfähigen Elemente sind einer radial außen liegenden Wand des Austrittsgehäuses zugeordnet und benachbart zu den Streben positioniert. Durch aktive Ansteuerung bzw. Regelung sollen die Elemente derart zu Schwingungen angeregt werden, dass von der Niederdruckturbine abgestrahlter Lärm kompensiert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Schallreduktion eines Flugtriebwerks gegenüber bisherigen Maßnahmen weiter zu erhöhen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Turbinenaustrittsgehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Turbinenaustrittsgehäuse, das insbesondere für eine Niederdruckturbine eines Flugtriebwerks vorgesehen ist, ist gekennzeichnet durch schallabsorbierende Elemente, die in Kontakt mit einem durch das Turbinenaustrittsgehäuse durchtretenden Gasstrom stehen.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass in einem Gasturbinenflugtriebwerk der für akustische Auskleidungen (Liner) verfügbare Bauraum auf das Austrittsgehäuse in der Niederdruckturbine erweiterbar ist. Dadurch werden die Möglichkeiten, Schallminderungsmaßnahmen bei einem Flugtriebwerk vorzusehen, auf einen bislang schalltechnisch nicht berücksichtigten Bereich des Flugtriebwerks erweitert. Im Vergleich zu den bisher angewendeten Konfigurationen lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Turbinenaustrittsgehäuse eine deutliche Schallpegelreduktion erreichen, was durch entsprechende Versuche bestätigt wurde. Je nach Auslegung und konkreter Anordnung der schallabsorbierenden Elemente im Turbinenaustrittsgehäuse kann eine gewünschte Charakteristik erzielt werden, z. B. maximale schmalbandige oder breitbandige Absorption.
Gemäß dem typischen grundlegenden Design eines Turbinenaustrittsgehäuses definiert dieses einen ringförmigen Strömungskanal, der zwischen einer Innenwand und einer Außenwand gebildet ist. Bevorzugt sind die schallabsorbierenden Elemente dann an der Innenwand und/oder an der Außenwand des Turbinenaustrittsgehäuses angebracht.
Typischerweise erstrecken sich im Strömungskanal des Turbinenaustrittsgehäuses zwischen der Innenwand und der Außenwand in radialer Richtung Streben, die die Lagerkräfte übertragen und zudem eine aerodynamische Funktion, nämlich die Erzeugung eines definierten Restdralls nach Austritt aus der Turbine, übernehmen. Es ist dann zweckmäßig, die schallabsorbierenden Elemente zwischen den Streben anzuordnen.
Die schallabsorbierenden Elemente können Helmholtz-Resonatoren und/oder λ/4-Absorber mit einer schallharten Rückwand und einer Deckschicht mit Perforationslöchern bzw. einer porösen Deckschicht umfassen. Die Helmholtz-Resonatoren bzw. λ/4-Absorber sind so in das Turbinenaustrittsgehäuse integriert, dass deren Rückwand durch die Innenwand oder die Außenwand gebildet ist und die Deckschicht an den Strömungskanal angrenzt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
1 einen schematischen Ausschnitt einer Gasturbine im Bereich eines in Strömungsrichtung gesehen stromabwärts einer Niederdruckturbine positionierten erfindungsgemäßen Austrittsgehäuses in Umfangsblickrichtung;
2 den Ausschnitt der 1 in Axialblickrichtung;
3 eine schematische Darstellung eines Helmholtz-Resonators;
4 eine schematische Darstellung eines λ/4-Absorbers;
5 einen perspektivischen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Turbinenaustrittsgehäuses mit integrierten schallabsorbierenden Elementen an der Nabe des Gehäuses; und
6 eine perspektivischen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Turbinenaustrittsgehäuses mit integrierten schallabsorbierenden Elementen an der äußeren Gehäusewand.
In den 1 und 2 ist ein Ausschnitt aus einem Gasturbinenflugtriebwerk im Bereich eines Turbinenaustrittsgehäuses 10 (TEC = engl. ”Turbine Exit Case” oder ”Turbine Exhaust Case”) dargestellt. Ein Gasturbinenflugtriebwerk umfasst als Hauptkomponenten in der Regel einen Niederdruckverdichter, einen Hochdruckverdichter, eine Brennkammer, eine Hochdruckturbine sowie eine Niederdruckturbine. Weiterhin sind Gasturbinenflugtriebwerke bekannt, die zusätzlich über einen Mitteldruckverdichter sowie eine Mitteldruckturbine verfügen.
Das ringförmige Austrittsgehäuse 10 definiert einen Strömungskanal 12 für eine die Niederdruckturbine verlassende Gasströmung, wobei der Strömungskanal 12 von einer radial innen liegenden Gehäuseinnenwand 14 (Nabe) und einer radial außen liegenden Gehäuseaußenwand 16 begrenzt wird. Die Strömungsrichtung der Gasströmung durch den Strömungskanal 12 des Austrittsgehäuses 10 ist in 1 durch einen Pfeil A angedeutet. Innerhalb des Strömungskanals 12 erstrecken sich in radialer Richtung Streben 18, die eine tragende Struktur bilden und der Versteifung des Austrittsgehäuses 10 dienen.
In das Austrittsgehäuse 10 sind schallabsorbierende Elemente 20 integriert, wie nachfolgend noch genauer erläutert wird. In den 3 und 4 sind beispielhaft zwei Schallabsorberstrukturen in Form eines Helmholtz-Resonators 22 bzw. eines λ/4-Absorbers 24 gezeigt, die für den Einsatz im Austrittsgehäuse 10 geeignet sind. Grundsätzlich bestehen die Schallabsorberstrukturen aus einer Kavität, 26 die zwischen einer schallharten Rückwand 28 und einer Deckschicht 30 bzw. 30' gebildet ist. Die Kavität 26 besitzt eine charakteristische Tiefe (Abstand zwischen Rückwand und Deckschicht), die auf die zu absorbierende(n) Frequenz(en) abgestimmt ist. Das Volumen der Kavität 26 ist durch z. B. eine Wabenstruktur mit einer Vielzahl von aneinandergrenzenden Zellen 32 partitioniert, um die Schallausbreitung darin zu kontrollieren. Die Strömungsverbindung zwischen der Wabenstruktur und der von der Wabenstruktur abgewandten Seite der Deckschicht 30 bzw. 30' ist im Falle des Helmholtz-Resonators (3) durch Perforationslöcher 34 in der Deckschicht 30, im Falle eines λ/4-Absorbers (4) durch Ausbildung der Deckschicht 30' als poröses Gewebe, (Draht-)Geflecht, oder mikroperforiertes Blech hergestellt.
Die oben beschriebenen Schallabsorberstrukturen können als separate Elemente 20 in Form von Absorber-Boxen (z. B. Taschen, in denen die Absorber sich befinden und die separat an den Innen- oder Außenring befestigt werden können.) ausgeführt und zwischen den Streben 18 (in Umfangsrichtung betrachtet) am Austrittsgehäuse 10 befestigt werden. Die Befestigung kann gemäß 5 an der Innenwand 14 (Nabe) und/oder gemäß 6 an der Innenseite der Außenwand 16 des ringförmigen Austrittsgehäuses 10 vorgesehen sein. Als schallharte Rückwand dient dementsprechend im einen Fall die Innenwand 14, im anderen Fall die Außenwand 16. Über die Perforationslöcher 34 bzw. die poröse Deckschicht 30' stehen die Zellen 32 der Wabenstruktur in Strömungsverbindung mit dem zwischen den Wänden 14, 16 gebildeten Strömungskanal 12 des Austrittsgehäuses 10.
Die beschriebene Anordnung der schallabsorbierenden Elemente 20, insbesondere wenn diese in die Innenwand 14 und/oder in die Außenwand 16 eingebettet sind, ist in vielerlei Hinsicht von Vorteil. Zunächst wird gemäß dem Hauptzweck der Erfindung die Schallleistung der Niederdruckturbine des Flugtriebwerks deutlich verringert. Durch die Integration der schallabsorbierenden Elemente 20 in die Nabe 14 bzw. in die Außenwand 16 werden die Streben 18, die die tragende Struktur des Austrittsgehäuses 10 bilden, nicht geschwächt. Weiterhin wird die Strömungsführung innerhalb des Strömungskanals 12 nicht beeinträchtigt.

10: Turbinenaustrittsgehäuse
12: Strömungskanal
14: Innenwand (Nabe)
16: Außenwand
18: Streben
20: schallabsorbierende Elemente
22: Helmholtz-Resonator
24: λ/4-Absorber
26: Kavität
28: Rückwand
30: Deckschicht
30': poröse Deckschicht
32: Zellen
34: Perforationslöcher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004056889 A1 [0003]
- US 2007/0272477 A1 [0004]
- US 6609592 B2 [0005]
- DE 102005021781 A1 [0006]

Claims

Turbinenaustrittsgehäuse (10), insbesondere für eine Niederdruckturbine eines Flugtriebwerks, gekennzeichnet durch mindestens ein schallabsorbierendes Element (20), das in Kontakt mit einem durch das Turbinenaustrittsgehäuse (10) durchtretenden Gasstrom steht.
Turbinenaustrittsgehäuse (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenaustrittsgehäuse (10) einen ringförmigen Strömungskanal (12) definiert, der zwischen einer Innenwand (14) und einer Außenwand (16) gebildet ist, und dass das schallabsorbierende Elemente (20) an der Innenwand (14) und/oder an der Außenwand (16) angebracht ist.
Turbinenaustrittsgehäuse (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei schallabsorbierende Elemente (20) in die Innenwand (14) und/oder in die Außenwand (16) eingebettet sind.
Turbinenaustrittsgehäuse (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der Innenwand (14) und der Außenwand (16) in radialer Richtung Streben (18) erstrecken, zwischen denen die schallabsorbierenden Elemente (20) angeordnet sind.
Turbinenaustrittsgehäuse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schallabsorbierenden Elemente (20) Helmholtz-Resonatoren (22) mit einer schallharten Rückwand und einer Deckschicht (30) mit Perforationslöchern (34) umfassen, wobei die Rückwand durch die Innenwand (14) oder die Außenwand (16) gebildet ist und die Deckschicht (30) an den Strömungskanal (12) angrenzt.
Turbinenaustrittsgehäuse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schallabsorbierenden Elemente (20) λ/4-Absorber (24) mit einer schallharten Rückwand und einer porösen Deckschicht (30') umfassen, wobei die Rückwand durch die Innenwand (14) oder die Außenwand (16) gebildet ist und die Deckschicht (30') an den Strömungskanal (12) angrenzt.
Turbinenaustrittsgehäuse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schallabsorbierenden Elemente (20) als separate Absorber-Boxen ausgeführt sind.
Turbinenaustrittsgehäuse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schallabsorbierende Element (20) mit Schaum, insbesondere Metaschaum, ausgefüllt ist.
Turbinenaustrittsgehäuse (10) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe oder das Volumen schallabsorbierenden Elementes (20) auf die Blattfolgefrequenz eines bestimmten Rotor abgestimmt ist.
Turbinenaustrittsgehäuse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenaustrittsgehäuse (10) mindestens zwei schallabsorbierende Elemente (20) aufweist, die in radialer Richtung übereinander angeordnet sind, wobei die zwischen den beiden schallabsorbierende Elemente (20) angeordnete Zwischenwand schalldruchlässig ist.
Turbinenaustrittsgehäuse (10) nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die beiden schallabsorbierenden Elemente auf verschiedene Blattfolgefrequenzen abgestimmt sind.
Turbinenaustrittsgehäuse (10) nach einem der Ansprüche 10 und/oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenwand aus Blech und/oder Gewebe besteht.