DE102010025014B4 - Vorrichtung zur Reduzierung von Strahllärm - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Reduzierung von durch eine Düse ( 10 ) erzeugtem Strahllärm, die an der Düseninnenwand ( 14 ) angeordnete, am Umfang verteilte oszillierbare Ringsegmente ( 18 ) umfasst, wobei zur Erzeugung der oszillierenden Bewegung der Ringsegmente ( 18 ) ein radial außerhalb der Düse ( 10 ) angeordneter, drehbarer Betätigungsring ( 24 ) vorgesehen ist, dessen Innenseite ( 26 ) eine sinoidale Kontur aufweist und die Ringsegmente ( 18 ) nach außen gerichtete Betätigungsstützen ( 22 ) umfassen, deren freie Enden auf der sinoidalen Innenkontur ( 26 ) des Betätigungsrings ( 24 ) laufen, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsring (24) pneumatisch antreibbar ist, und wobei der Betätigungsring (24) mittels eines Turbinenrades antreibbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung von durch eine Düse, insbesondere durch eine Gasturbinendüse, erzeugtem Strahllärm, die an der Düseninnenwand angeordnete, am Umfang verteilte oszillierende Ringsegmente umfasst, wobei zur Erzeugung einer oszillierende Bewegung der Ringsegmente ein radial außerhalb der Düse angeordneter, drehbarer Betätigungsring vorgesehen ist, dessen Innenkontur eine sinoidale Kontur aufweist und die Ringsegmente nach außen gerichtete Betätigungsstützen umfassen, deren freie Enden auf der sinoidalen Innenkontur des Betätigungsrings laufenDüsenströmungen weisen im Allgemeinen einen zweigeteilten Aufbau auf. Dies resultiert aus der Tatsache, dass im Allgemeinen das aus einer Düse austretende Fluid, beispielsweise Verbrennungsgase, eine andere Geschwindigkeit als das die Düse umgebende Fluid, insbesondere Umgebungsluft, besitzt, so dass sich dementsprechend eine Grenzschicht in Form einer ringförmigen konischen Scherschicht bildet, welche sich um eine engere Kernströmung legt. Diese Scherschicht besitzt die Eigenschaften einer freien anisotropischen turbulenten Strömung, deren Ablösung von der Kernströmung der Grund für eine erhebliche Geräuschentwicklung von Gasturbinendtriebwerken darstellt. Im zunehmenden Abstand vom Düsenausgang nimmt der Durchmesser der Kernströmung ab, bis sich der Freistrahl vollständig entwickelt hat.
• Eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Reduzierung des Düsenlärmes ist aus der DE 10 2008 025 826 A1 bekannt, bei der axial oder radial bewegbare Randelemente auf der Düseninnenseite angeordnet sind, die oszillierend bewegbar sind. Diese dienen dazu, den Düsenquerschnitt oszillierend zu verändern, so dass mit der Querschnittsveränderung eine Beeinflussung der Turbulenz in der Grenzschichtströmung einhergeht. Durch die oszillierend bewegbaren Randelemente erfolgt eine Beeinflussung der turbulenten Düsenströmung, insbesondere desjenigen Teils der Düsenströmung, der in der Grenz- oder Scherschicht strömt. Somit ist es möglich, Druckschwankungen zu erzeugen, welche geeignet sind, eine Überlagerung mit den Druckschwankungen in der turbulenten Grenz- oder Scherschicht hervorzurufen, was zu einer weitgehenden Reduzierung oder sogar Auslöschung der Druckschwankungen führen kann. Aus einer solchen Reduzierung bzw. Auslöschung der Druckschwankungen resultiert zwangsläufig eine deutlich verminderte Geräuschentwicklung. Ferner kann nicht nur eine Auslöschung sondern auch eine Verschiebung der akustischen Energie in einen für die Abstrahlung in die Umgebung weniger kritischen Frequenzbereich bewirkt werden, was ebenfalls zu einer Geräuschreduzierung in der Umgebung führt. Ausserdem ist durch entsprechend phasengesteuerte Ansteuerung der Randelemente eine Beeinflussung der Richtcharachteristik des abgestrahlten Schalls möglich.
• Angesicht der im Düsenbereich herrschenden hohen Temperaturen ist die technische Gestaltung einer derartigen Vorrichtung zur Strahllärmreduzierung jedoch schwierig zu realisieren. Ansätze mit elektronischer Betätigung, beispielsweise über Piezoeinrichtungen, sind daher problematisch.
• ist eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Vorrichtung bereit zu stellen, die eine Reduzierung von Strahllärm ermöglicht, rein mechanisch aufgebaut ist, baulich einfach und gleichzeitig im Betrieb wenig anfällig ist und auch den im Düsenbereich herrschenden hohen Gastemperaturen langfristig ausgesetzt werden kann.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der eines Turbinenrades antreibbar ist.
• Sofern im Rahmen dieser Anmeldung von „sinoidal“ die Rede ist, wird darunter eine Kontur verstanden, die der Sinuskurve entspricht oder ähnelt. Es umfasst ausdrücklich auch Konturen, die von der reinen Sinusfunktion abweichen. Vorzugsweise entspricht die Kurve jedoch der reinen Sinusfunktion.
• Diese Ausbildung hat den Vorteil, dass eine wirksame Lärmreduzierung ohne zusätzliche elektrische Energie und damit verbundene Masse (z.B. Verstärker) erreichbar ist und keine baulich aufwändigen Regeleinrichtungen benötigt werden. Die Einrichtung ist baulich einfach gestaltet und Temperaturschwankungen oder hohe Temperaturen haben geringe Auswirkungen.
• Ferner wird kein merklicher Verlust von Massestrom durch das Triebwerk bzw. einen Bypass produziert, wie dies beispielsweise bei Vorrichtungen der Fall ist, die zur Geräuschreduzierung Gasströme injizieren (sog. micro jet injection). Daher hat die erfindungsgemäße Vorrichtung auch keinen merklichen Leistungsverlust des Triebwerks zur Folge. Darüber hinaus ist das System sehr robust gegenüber aggressiven Umgebungsbedingungen, insbesondere hohen Temperaturen.
• Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung entspricht die Anzahl der Maxima (bzw. Minima) der Sinuskontur des Betätigungsrings der Anzahl der Ringsegmente, so dass die Bestätigungsstützen jeweils auf nebeneinander liegenden Bereichen der sinoidalen Kontur, beispielsweise auf den Maxima bzw. in den Minima liegen.
• ist der Betätigungsring pneumatisch antreibbar. geschieht dies mittels eines Turbinenrades, das entweder vom Gasstrahl angetrieben werden kann oder vom umgebenden Luftstrom (Bypass-Strom). Alternativ ist es möglich, den Betätigungsring hydraulisch anzutreiben.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt:
• 1a: einen schematischen Längsschnitt durch einen Düsenbereich mit Ringsegmenten in einer ersten Stellung;
• 1b: einen schematischen Längsschnitt durch einen Düsenbereich mit Ringsegmenten in einer zweiten Stellung;
• 2: eine schematische Axialansicht des Betätigungsrings;
• 3: zwei schematische Axialansichten der Vorrichtung, links entsprechend der Stellung gemäß 1a und rechts gemäß der Stellung von 1b.
• In den 1a und 1b ist eine Düse 10 eines Gasturbinentriebwerks jeweils in einem schematischen Längsschnitt dargestellt. Die Düse 10 umfasst eine Düsenaußenwand 12 und eine Düseninnenwand 14 und mit dem Pfeil 16 ist die Gasströmungsrichtung in der Düse 10 dargestellt. In der Düse 10 sind über dem Umfang verteilt mehrere Ringsegmente 18 angeordnet, deren jeweils stromaufwärtige Enden im Bereich 20 gelenkig an der Düseninnenwand 14 befestigt sind und sich in radialer Richtung um die Schwenkachsen 20 nach innen verschwenken lassen. In 1a sind die Ringsegmente 18 in einer ersten Stellung dargestellt, bei der diese im wesentlichen an der Düseninnenwand 14 anliegen und somit der Querschnitt der Düse 10 weitgehend unverändert ist. In 1b sind die Ringsegmente 18 in ihrer jeweils radial inneren Endstellung dargestellt, wodurch der Strömungsquerschnitt der Düse 10 enger ist. Im Betrieb werden die Ringsegmente 18 zwischen den in den 1a und 1b dargestellten Endstellungen oszillieren. Die Oszillationsfrequenz hängt dabei vom Frequenzbereich der Lärmschwingungen und von der Größe der Düse ab und liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 400 Hz.
• Der Schwenkbereich der Ringsegmente 18 ist aus Gründen der Darstellbarkeit in allen Figuren stark vergrößert dargestellt, in Wirklichkeit liegt dieser Schwenkbereich der Ringsegmente 18 im Bereich weniger Grad.
• Um diese oszillierende Bewegung zu erzeugen, weisen die Ringsegmente 18 nach radial außen gerichtete Betätigungsstützen 22 auf, die besser in 3 zu erkennen sind. Die freien Enden der Betätigungsstützen 22 laufen auf der sinoidalen Innenkontur 26 eines Betätungsrings 24. Dieser Betätigungsring 24 ist in 2 vergrößert in einer axialen Ansicht dargestellt. Die sinusförmige Innenkontur 26 des Betätigungsrings 24 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel acht innere und äußere Umkehrpunkte bzw. Minima und Maxima auf und eignet sich insbesondere zum Antrieb der gleichen Anzahl - also acht - Ringsegmenten 18 (3). In 2 ist mit r der mittlere Radius und mit d der Hubbereich der durch den Betätigungsring 24 erzeugten Oszillationsbewegung bezeichnet, der bei der Rotation desselben auf die Betätigungsstützen 22 beim Ablaufen der sinoidalen Kontur übertragen wird. Das Verhältnis d/r liegt im Bereich von ca. 0,3 - 2%.
• Der Schwingungswinkel der Ringsegmente 18 hängt zum einen von der Größe des Hubes d ab aber auch von der Entfernung der Betätigungsstützen 22 von den Anlenkpunkten 20. Mit λ ist die Wellenlänge der sinoidalen Kontur bezeichnet. Die Oszillationsfrequenz f der Ringsegmente ergibt sich aus der Umdrehungszahl U des Betätungsrings 24 gemäß folgender Gleichung $$\text{f}=\text{U}\times 60\times 2\times \mathrm{\pi }\times \text{r}/\mathrm{\lambda }.$$

  
• Allgemein ist die Umfangsentfernung 1 × π × r/n zwischen den Ringsegmenten gleich λ, wobei n die Anzahl der Ringsegmente 18 ist. Es ist auch möglich diese Entfernung 1 abweichend von λ zu wählen, wodurch besondere Phasenbeziehungen zwischen der Bewegung der einzelnen Ringsegmente 18 erzielbar sind.
• Im Betrieb wird der Betätigungsring 24 vorzugsweise hydraulisch oder pneumatisch in Rotation versetzt, so dass sich die Betätigungsstützen 22 entlang der sinusförmig gewellten Innenkontur 26 des Betätigungsrings 24 sinusförmig entlang bewegen und damit diese oszillierende Bewegung auf die Ringsegmente 18 übertragen. Im Ergebnis ändert sich der Düsenquerschnitt oszillierend mit der durch die Drehzahl des Betätigungsrings 24 vorgegebenen Drehzahl. Dabei erfolgt eine Änderung des Düsenquerschnitts im Bereich von wenigen Millimetern.
• Die freien Enden der Betätigungsstützen 22 werden bevorzugt über Luftlager auf der Innenkontur 26 des Betätigungsrings 24 geführt. Alternativ sind Gleit- oder Wälzlager anwendbar. Auch können (nicht dargestellte) Federelemente vorgesehen werden, um die Ringsegmente 18 in eine Ruhestellung zu bewegen, insbesondere um diese nach außen zur Düseninnenwand 14 hin zu drücken, wenn das Triebwerk nicht im Betrieb ist.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorzugsweise ohne geschlossenen Regelkreis betrieben werden. Vorzugsweise erfolgt eine Steuerung anhand der Drehzahl des Triebwerkes. Dazu wird vorzugsweise ein Lufteinlassventil einer Antriebsturbine für den Betätigungsring 24 anhand der Drehzahl, gegebenenfalls zusätzlich unter Berücksichtigung von Betriebszuständen wie „takeoff“, „cruise“, „approach“ zur Ansteuerung des Betätigungsrings 24 verwendet werden.
• Alternativ ist es auch möglich, einen oder mehrere Sensoren vorzusehen, welche die auftretenden Schallsignale erfassen und eine gezielte Ansteuerung des Betätigungsrings 24 im geschlossenen Regelkreis bewirken.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Reduzierung von durch eine Düse ( 10 ) erzeugtem Strahllärm, die an der Düseninnenwand ( 14 ) angeordnete, am Umfang verteilte oszillierbare Ringsegmente ( 18 ) umfasst, wobei zur Erzeugung der oszillierenden Bewegung der Ringsegmente ( 18 ) ein radial außerhalb der Düse ( 10 ) angeordneter, drehbarer Betätigungsring ( 24 ) vorgesehen ist, dessen Innenseite ( 26 ) eine sinoidale Kontur aufweist und die Ringsegmente ( 18 ) nach außen gerichtete Betätigungsstützen ( 22 ) umfassen, deren freie Enden auf der sinoidalen Innenkontur ( 26 ) des Betätigungsrings ( 24 ) laufen, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsring (24) pneumatisch antreibbar ist, und wobei der Betätigungsring (24) mittels eines Turbinenrades antreibbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Erhebungen bzw. Senken der sinoidalen Kontur ( 22 ) des Betätigungsrings ( 24 ) der Anzahl an Ringsegmenten ( 18 ) entspricht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad vom Gasstrahl antreibbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad vom umgebenden Luftstrom antreibbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringsegmente mit einer Frequenz von 10 bis 400 Hz oszillierbar sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Betätigungsrings ( 24 ) als Funktion der Triebwerksdrehzahl einstellbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis des Oszillationshubbereichs d zum mittleren Radius r des Oszillationsbereichs zwischen 0,3 und 2% liegt.

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