DE1247750B

DE1247750B - Silencer for high-speed exhaust gas flows, especially for the exhaust gas flow of jet engines

Info

Publication number: DE1247750B
Application number: DEB76421A
Authority: DE
Original assignee: OSKAR BSCHORR DIPL ING
Current assignee: OSKAR BSCHORR DIPL ING
Priority date: 1964-04-20
Filing date: 1964-04-20
Publication date: 1967-08-17

Description

Schalldämpfer für Abgasströme hoher Geschwindigkeit, insbesondere für den Abgasstrom von Strahltriebwerken Die, Erfindung betrifft einen Schalldämpfer für Abgasströme hoher Geschwindigkeit, insbesondere für den Abgasstrom von Strahltriebwerken, bestehend aus einem Abgaskanal und in Verlängerung seiner Wandung angebrachten stromabwärts in radialer Richtung sich vergrößernden Streben, die durch wenigstens einen Ring gegeneinander abgestützt und versteift sind. - Zweck eines solchen Schalldämpfers ist die Verminderung des Turbulenzlärms und des sogenannten shock-cell-noise bei Äbgasströmen. Es ist bereits bekanntgeworden, Größe und Gestalt der Abgasdüsen von Strahltriebwerken zu verändern, den Endquerschnitt wellen- oder sternförmig auszubilden oder mehrere röhrenförmige Kanäle zu verwenden. Es ist auch bekannt,- zu diesem Zweck die endseitige Begrenzung nicht glatt, sondern mit Unterbrechungen, insbesondere Zähnen, zu versehen. Bekannt sind auch Ejektoranordnungen.Silencer for high-speed exhaust gas flows, in particular for the exhaust gas flow of jet engines The invention relates to a silencer for high-speed exhaust gas flows, in particular for the exhaust gas flow of jet engines, consisting of an exhaust gas duct and struts which expand in the radial direction downstream and which are attached as an extension of its wall at least one ring are supported and stiffened against each other. - The purpose of such a silencer is to reduce the turbulence noise and the so-called shock-cell noise in exhaust gas flows. It has already become known to change the size and shape of the exhaust nozzles of jet engines, to make the end cross-section wave-shaped or star-shaped, or to use several tubular channels. It is also known - for this purpose to provide the end-side boundary not smooth, but with interruptions, in particular teeth. Ejector arrangements are also known.

Diese bekannten Schalldämpfer haben den Nachteil, daß sie wegen der vergrößerten strahlfährenden Oberfläche einen merklichen Schubverlust für das Strahltriebwerk ergeben. Außerdem ist die beabsichtigte Schalldämpfung nicht befriedigend.These known mufflers have the disadvantage that they because of the enlarged jet-guiding surface a noticeable loss of thrust for the jet engine result. In addition, the intended sound attenuation is not satisfactory.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schalldämpfer so auszubilden, daß sowohl der Schall bei geringem Schubverlust in möglichst großem Umfang, gedämpft wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,--.daß der Querschnitt der Streben von der dem Abgaskanal zugewandten Seite aus keilförn-iigzunimmt. --:-Derartige Schalldämpfungseinrichtungen mit keilförmigen Absorbem sind zur Auskleidung reflexionsarmer Räume als sogenannte 1/4-Keile bekannt. Dabei ist jedoch der Qeerschnitt der Keile über die ganze Länge etwa konstant. Die keilförmigen Streben gemäß der Erfindung vergrößern sich dagegen stromabwärts in radialer Richtung.The invention is based on the object of designing a silencer in such a way that that both the sound attenuated to the greatest possible extent with little loss of thrust will. This object is achieved according to the invention in that the cross section of the Strut from the side facing the exhaust duct increases wedge-shaped. -: - Such Soundproofing devices with wedge-shaped absorbers are less reflective for lining Spaces known as so-called 1/4 wedges. However, this is the cross section of the wedges approximately constant over the entire length. The wedge-shaped struts according to the invention on the other hand, increase in the radial direction downstream.

In vorteilhafter Weise ist der gesamte Querschnitt der Streben stromlin enförinig, wobei die Profilspitze dem Abgaskanal zugewandt ist. Während dabei der dem Inneren zugewahdte Teil. der Strebe als Keil weiter die 2/4-Dämpfgng ermöglicht, ist nunmehr auch noch durch die bekannte Stromlinienform der Luftwiderstand des von der Luft durchströmten Teils der Strebe erheblich-> verringert. Damit ist also gleichzeitig eine, gute Schalldämpfung bei geringem Luftwiderstand gegeberii.The entire cross section of the struts is advantageously streamlined enförinig, with the profile tip facing the exhaust duct. While the part dedicated to the interior. the strut as a wedge further enables the 2/4 damping, is now also the air resistance of the due to the well-known streamline shape the part of the strut through which the air flows considerably-> reduced. So with that at the same time, good sound absorption with low air resistance.

Es kann weiterhin zWeck-mäßig sbin,- daß die Streben parallel oder ge#eigt zu der Achse des Abgaskanals verlaufen. An sich sind derartige Maßnahmen schon bei einer bekannten Schalldämpfereinrichtung für Düsentriebwerke -vorgenommen worden. Damit hat der Schalldämpfer nach der Erfindung auch noch den weiteren an sich bekannten Vorteil, daß die Mischungszone von Abgas- -und Umgebungsluft -in einzelne - Streifen aufgeteilt - wird, so daß die Ausbildung großer Wirbelballen verhindert wird. Bekanntlich kann dadurch der Schallpegel besonders im kritischen längwelligen Spektrum herabgesetzt CD werden' Es kann ferner vorteilhaft sein, daß der gegenseitige Abstand der Streben verschieden groß ist. Dies bringt den weiteren Vorteil mit sich, daß in den verschieden großen Zwischenräumen zwischen den einzelnen Streben unterschiedliche Mischungsverhältnisse von Abgas mit der Umgebungsluft und verschiedene Strömungsbedingungen vorliegen. Während bei überall gleichen Abständen zwischen den Streben die einzelnen Wirbelelemente gleich sind, sind bei verschiedenen Abständen die Wirbelelemente verschieden groß und bewegen sich mit verschiedenen GeschwindigNeiten fol-t. Dadurcli crgeben sich Phasenversetzungen, die bekanntlich eine teilweise Interferenzauslöschung ermöglichen.It can also be useful that the struts run parallel or at an angle to the axis of the exhaust duct. As such, measures of this kind have already been taken in a known silencer device for jet engines. Thus, the silencer according to the invention also has the further advantage known per se, that the mixture of exhaust zone -and ambient air -in single -, so that the formation of large eddy bale is prevented - divided strips. It is known that characterized the sound particularly in the critical range längwelligen be reduced CD 'It may be further advantageous that the mutual spacing of the struts of different size is. This has the further advantage that there are different mixing ratios of exhaust gas with the ambient air and different flow conditions in the different sized spaces between the individual struts. Whilst the individual vortex elements are the same when the distances between the struts are the same, the vortex elements are of different sizes at different distances and move at different speeds. This results in phase displacements which, as is known, allow partial interference cancellation.

Es kann weiterhin vorteilhaft sein, daß Bohrungen oder in Strömungsrichtung liegende Schlitze in den mit Schallschluckstoff gefüllten Streben vorgesehen sind. Derartige Maßnahmen sind -bereits bekannt. Der Schalldämpfer hat nunmehr wie die bekannte Anordnung den weiteren Vorteil,- daß Schall durch die Bohrungen oder Schlitze in das Innere gelangt und absorbiert wird.It can furthermore be advantageous that bores or slots lying in the direction of flow are provided in the struts filled with sound-absorbing substance. Such measures are already known. Like the known arrangement, the muffler now has the further advantage that sound enters the interior through the bores or slots and is absorbed.

Schließlich kann es vorteilhaft sein, daß. die Streben zur Gasströmungsrichtung parallele Wellungen aufweisen. Durch diese Maßnahme ist eine weitere Schallunterdrückung durch diffuse Reflexionen gegeben. Es ist zwar bereits ein Schalldämpfer bekannt, bei dem auch Wellungen vorgesehen sind. Diese sind aber in den Abgaskanälen vorgesehen, die also dem Abgaskanal beim Schalldämpfer der Erfindung entsprechen. Die Erfindung wird nun an Hand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung im folgenden näher beschrieben. Es zeigt Ab b. 1 einen Längsschnitt durch den Abgaskanal mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Schalldämpfer eines Strahltriebwerks, Ab b. 2 einen Querschnitt durch die in Verlängerung der Kanalwandung angeordneten, stromabwärts in radialer Richtung sich vergrößemden Streben, entlang A -A. Finally, it can be advantageous that. the struts have corrugations parallel to the direction of gas flow. This measure provides further noise suppression through diffuse reflections. A silencer is already known in which corrugations are also provided. However, these are provided in the exhaust ducts, which therefore correspond to the exhaust duct in the silencer of the invention. The invention will now be described in more detail below on the basis of an exemplary embodiment in the drawing. It shows Ab b. 1 shows a longitudinal section through the exhaust duct with the silencer of a jet engine designed according to the invention, from b. 2 shows a cross section through the struts which are arranged in the extension of the duct wall and increase in size downstream in the radial direction, along A -A.

Gemäß der Erfindung nimmt dabei der Querschnitt der Streben von der dem Abgaskanal zugewandten Seite aus keilförmig zu. Zur Verringerung des Flugwiderstandes ist der gesamte Querschnitt der Streben stromlinienförmig ausgebildet, wobei die Profilspitze dem Abgaskanal zugewandt ist. Die Streben 1 verlaufen parallel oder schwach geneigt zur Düsenachse; ihre Neigung gegenüber der Strahlachse ist so ausgelegt, daß die Mischungszone von Abgas und Umgebungsluft in einzelne Streifen aufgeteilt wird. So wird die Ausbildung großer Wirbelballen verhindert. Bekanntlich kann durch eine solche Maßnahme der Schallpegel besonders im gefährlichen langwelligen Spektrum herabgesetzt werden.According to the invention, the cross section of the struts increases in a wedge shape from the side facing the exhaust gas duct. To reduce the flight resistance, the entire cross section of the struts is streamlined, with the profile tip facing the exhaust gas duct. The struts 1 run parallel or slightly inclined to the nozzle axis; their inclination with respect to the jet axis is designed so that the mixing zone of exhaust gas and ambient air is divided into individual strips. This prevents the formation of large vertebral balls. It is known that such a measure can reduce the sound level, particularly in the dangerous long-wave spectrum.

Zweckmäßig werden die gegenseitigen Abstände der Streben 1 verschieden groß gewählt, um in den einzelnen Streifensegmenten verschiedene Mischungs-und Strömungsbedingungen zu haben.. So können einmal synchrone Wirbelfelder vermieden werden, zum anderen wird dadurch eine durchgehende Wellenfront von der Strömung verschieden stark mitgeführt und erfährt so eine Phasenversetzung. Bekanntlich ergibt sich dadurch eine teilweise Interferenzauslöschung.The mutual spacing of the struts 1 is expediently selected to be of different sizes in order to have different mixing and flow conditions in the individual strip segments. Thus, synchronous vortex fields can be avoided on the one hand, and on the other hand, a continuous wave front is carried along by the flow to different degrees and experiences this a phase shift. As is known, this results in partial interference cancellation.

Durch die Sogwirkung des Abgasstrahls und im Flug zusätzlich durch die Relativgeschwindigkeit wird der Dämpfer von der Außenluft durchströmt. Da sich der Strömungsquerschnitt ändert, so erfährt die Luftströmung bekanntlich eine thermische Zustandsänderung. Unter anderem wird dadurch der Wellenwiderstand g oc und die örtliche Schallgeschwindigkeit a verkleinert. Diese Effekte werden erfindungsgemäß mit zur Verringerung der Schallbelastung herangezogen.The outside air flows through the damper due to the suction effect of the exhaust gas jet and, in flight, also due to the relative speed. As the flow cross-section changes, the air flow is known to experience a thermal change in state. Among other things, this reduces the wave resistance g oc and the local speed of sound a. According to the invention, these effects are also used to reduce the sound exposure.

Nach der Theorie der Reflexion hat eine Änderung des Wellenwiderstandes eine Reflexion zur Folge. Im vorliegenden Fall ist es günstig, daß die kontinuierliche Änderung von #a auch eine kontinuierliche Reflexion ergibt. Dadurch erhalten die zurückgeworfenen Teilwellen eine örtliche Versetzung. Bekanntlich ergibt dies, vor allem bei den hohen Frequenzen, eine teilweise Interferenzauslöschung.According to the theory of reflection, there is a change in the wave resistance a reflection. In the present case it is favorable that the continuous Changing #a also results in continuous reflection. This will give the reflected partial waves a local displacement. As is well known, this results before Especially at the high frequencies, a partial cancellation of the interference.

Die Abnahme der effektiven Schallausbreitung, hervorgerufen durch die polytrope Temperaturabsenkung der Luftströmung beim Passieren der Strebenzwischenräume und durch die vergrößerte Gegenströmung verursacht eine Brechung der Schallwellen. Die sich nach hinten vergrößernde Strebentiefe bildet einen Prismenkeil, der den Schall zur Mittelachse hin bricht und ihn so von der geMrdeten Konstruktion ablenkt.The decrease in the effective sound propagation caused by the polytropic drop in temperature of the air flow when passing through the spaces between the struts and the increased counter-current causes the sound waves to break. The strut depth, which increases towards the rear, forms a prism wedge that forms the Sound breaks towards the central axis and thus distracts it from the earthed construction.

Es ist möglich, das Strebeninnere mit dämpfendem Werkstoff, wie z. B. Metallwolle, auszufüllen und durch Bohrungen oder in Strömungsrichtung verlaufende Schlitze eine akustische Verbindung herzustellen. Auf diese Weise wird eine ähnlich schalldämpfende Wirkung wie bei den bekannten #/4-Keilen erreicht.It is possible, the strut interior with damping material such. B. metal wool, to be filled and running through holes or in the direction of flow Slots to establish an acoustic connection. That way one becomes similar Sound-absorbing effect achieved as with the well-known # / 4 wedges.

Eine weitere Variationsmöglichkeit besteht darin, die Streben mit parallel zur Gasströmung gerichteten WeRunaen zu versehen. Dadurch wird durch eine diffuse Reflexion der den Dämpfer passierende Restschall weiter abgebaut.Another possible variation is to use the struts WeRunaen directed parallel to the gas flow. This will result in a diffuse reflection of the residual sound passing through the damper is further reduced.

Ein weiterer wesentlicher Effekt dieser Schalldämpferkonstruktion besteht darin, daß sie die Schallabsorption der Turbulenzzone benutzt. Es läßt sich nämlich zeigen, daß ein dem Kirchhoffschen Gesetz der Optik analoges Gesetz für den Turbulenzlärm gilt, das besagt: Das Verhältnis von Schallemissions- und Schallabsorptionsvermögen eines Turbulenzvolumens ist gleich der Schallstrahlungsflußdichte im anschließenden ruhenden Medium.Another essential effect of this silencer construction is that it uses the sound absorption of the turbulence zone. It can be namely show that a law analogous to Kirchhoff's law of optics for the turbulence noise applies, which says: The ratio of sound emission and sound absorption capacity of a turbulence volume is equal to the sound radiation flux density in the subsequent dormant medium.

Da durch die Wellenwiderstandsänderung und durch die Prismenwirkung der Schall zur turbulenten Mischzone hin gebrochen wird, so wird er darin absorbiert. Man kann diesen Effekt mit den Ab- sorptionslinien im Sonnenspektrum vergleichen, die dadurch entstehen, daß das Licht der heißen Sonnenoberfläche durch die kühlere Sonnenatmosphärenschicht wieder absorbiert wird.Since the change in wave resistance and the prism effect break the sound towards the turbulent mixing zone, it is absorbed in it. One can sorptionslinien in the solar spectrum compare this effect with the waste arising from the fact that the light of the hot surface of the sun is absorbed again by the cooler solar atmosphere layer.

Claims

Claims: 1. Silencer for high-speed exhaust gas flows, in particular for the exhaust gas flow from jet engines, consisting of an exhaust gas duct and struts which are attached in an extension of its wall and which enlarge in the radial direction downstream and which are supported and stiffened against one another by at least one ring, characterized that the cross section of the struts increases in a wedge shape from the side facing the exhaust gas duct.

2. Silencer according to claim 1, characterized in that the entire cross section of the struts (1) is streamlined, the profile tip facing the exhaust duct. 3. Silencer according to claims 1 and 2, characterized in that the mutual spacing of the struts (1) is of different sizes. 4. Silencer according to claims 1 to 3, characterized in that holes or slots lying in the direction of flow in the with the sound absorbing material, for. B. metal wool, filled struts - (1) are provided. 5. Silencer according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the struts (1) run parallel or inclined to the axis of the exhaust duct. 6. Silencer according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that the struts (1) have corrugations parallel to the gas flow direction. Considered pamphlets-. German Patent No. 1015 270; British Patent Nos. 654 904, 645 589; . USA. Patent No. 2,759,554; "Flight" magazine, vol. 73, no. 2376 (6. 6. 1958), p. 762 and vol. 74, no. 2595 (17. 10. 1958), p. 640.