DE1944812A1

DE1944812A1 - Schalldaempfung von Kompressoren von Gasturbinentriebwerken

Info

Publication number: DE1944812A1
Application number: DE19691944812
Authority: DE
Inventors: Martenson Alfred Johannes
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-09-16
Filing date: 1969-09-04
Publication date: 1970-03-26
Also published as: BE737649A; FR2018209A1; US3508838A; GB1236854A

Description

Dipl.-Ing. Egon Prinz _{8000 Müneh#n 60} ρ p AU9, 1969

Dr. Gertrud HaUSer Ernsbergerstrassei?

Dipl.-Ing. Gottfried Leiser

Patentanwälte

" _T..._a_, io_byrin,h Monch.„ GEEfEIlAL ELEOTHIO COMPANY

^ 117078 Schenectady, New York / V.St.A.

Unser Zeichen: G 1202

Schalldämpfung von Kompressoren von Gasturbinentriebwerken.

Die Erfindung bezieht sioh auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf Verbesserungen der Dämpfung des störenden Geräusches, das in derartigen Triebwerken erzeugt wird.

Das Aufkommen von zunehmend größeren Plugzeugen und die größere Anzahl von Flugzeugen im Luftverkehr hat immer mehr die Beaohtung auf die störenden Schallwellen gelenkt, die duroh Fliegen in geringen höhen, insbesondere in der Nähe von Flugplätzen, entstehen« Früher wurden die störenden Geräusche hauptsächlich duroh das Ausstoßen eines heißen Gasstromes aus einer Antriebsdüse erzeugt. Die gegenwärtig verwendeten Flugzeugtriebwerke und die, die für die unmittelbare Zukunft geplant sind, leiten einen Hauptanteil ihrer Antriebskraft aus einem hochenergetischen Gebläsestromab, der durch einen Axialatrömungakompreasor komprimiert ist, wobei dieser Axialströmungakompreaaor üblicherweise ale Gebläse oder Bläser bezeichnet wird. Die Bläserdurohmeaser aind verhältnismäßig groß und dieae Bläaer weisen ferner aehr hohe lineare Sohaufelspitzengeaohwindigkeiten auf.Wenn die luft im Bläser komprimiert wird, werden atörende Schallwellen hauptaäohlioh an den äußeren Abachnitten der Bläaeraohaufeln erzeugt.

•Die Techniken, die bisher zum Dämpfen des Sohallea entwickelt wurden, den ein heißer Gasstrom erzeugt, wenn er aus einer Gei/R. 009813/1 1 84

Antriebsdüse austritt, aind im allgemeinen nicht zum Dämpfen von Geräuschen geeignet, die duroh derartige Bläser erzeugt werden» Es wurden bereits zahlreiche Vorschläge gemaoht, um die Geräusche zu dämpfen oder in anderer Weise zu beherrschen, die von Gasturbinenbläsern erzeugt werden, jedoch hatten diese Vorschläge entweder eine minimale Wirkung oder sie führten zu Verlusten der Triebwerksleistung und zwar üblicherweise wegen zu großer Gewichte. Es sei bemerkt, daß derartige Bläser praktisch Axialströmungskompressoren sind und daß ähnliche Geräuschprobleme auch bei den Kompressoren von Turbinenstrahltriebwerken auftreten können.

Es ist ein Ziel der Erfindung, eine verbesserte Einrichtung zur Beherrschung des Schales vorzusehen, der von Kompressoren oder Bläsern von Gasturbinentriebwerken erzeugt wird, ohne daß dabei die Naohteile der früheren Vorschläge auftreten· ■

In breitestem Sinne gesagt, werden erfindungsgemäß die Ziele dadurch erreicht, daß Einrichtungen vorgesehen sind, um den Schall, der in einem Kompressorkanal erzeugt wird, zu fokussieren, so daß dieser Schall entweder innerhalb des Kanals mit größerer Wirksamkeit absorbiert werden kann oder daß dessen Ausbreitung aus dem Kanal derart beherrscht werden kann, daß dieser Schall einen minimalen störenden Effekt hat, wenn das Flugzeug in der Nähe von besiedelten Bereichen fliegt.

Erfindungsgemäß weist also das Gasturbinentriebwerk Fokussienmgs einrichtungen in der Bläserkanalwandung auf, um die Ausbreitung des Schallea in einer Richtung nach vorn und nach hinten zu behsprsohen.

Die im vorstehenden aufgeführten und weitere Ziele und' Merkmale der Erfindung sollen in der folgenden Besohreibung unterBezugnahme auf die figuren der Zeichnung erläutert wer-

flg. 1

Pig. 1 eine vereinfachte Darstellung des Bläserabschnittes eines Zweikreistriebwerkes, bei dem die Erfindung vorgesehen ist,

Pig. 2 eine vergrößerte Aneioht eines Teiles der Bläserkanalwandung und

Pig. 3 eine vergrößerte Ansioht eines Teiles der Bläserkanalwandung, wobei eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist.

Pig· 1 zeigt den Bläserabsohnitt eines Zweikreistriebwerkes, welohes eine Verkleidung 10 aufweist, in der ein Bläterrotor 12 angeordnet ist. Der Bläserrotor weist eine Anzahl von radial sioh erstreckenden Schaufeln auf, welohe die luft komprimieren» die am Verkleidungseinlaß eintritt· Die komprimierte Luft wird in eine Aacialströmungeriohtung duroh Leitschaufein 16 gebracht. Ein Teil der komprimierten Luft tritt in einen zentralen Triebwerkseinlaß 18 ein und trägt zur Verbrennung dee Brennstoffes bei, woduroh ein heißer Grasstrom erzeugt wird» der zum Antrieb des Bläserrotors dient. Der übrige Teil des Luftstromes wird duroh eine Antriebsdüse 20 abgegeben, die von dem stromab gelegenen Ende der Verkleidung 10 und der Triebwerksgondel 22 gebildet wird·

Das Sohallfeld, welohes duroh die hoohtourige Drehung der Bläsersohaufeln 14 beim Komprimieren des Luftstromes erzeugt wird, ist außerordentlich komplett. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache soll zum Zweoke der Darstellung angenommen werden, daß der Schall von einer sogenannten Punktquelle am äußeren Ende der Vorderkante einer jeden Schaufel 14 erzeugt wird· Bei Bläsern, die keinerlei Schalldämpfung aufweisen, breitet sioh der erzeugte Schall unter verhältnismäßig breiten Winkeln vom Bläsereinlaß und von der Bläserdüse aus τ Der große Ausbreitungswinkel wird wenigstens.teilweise dadurch erzeugt, daß der Schall von einer Seite des Kanals unter einem Winkel reflektiert wird und zwar derart, daß

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der Schall an der anderen Seite vorbeigeht. Auch mit der Verwendung von Schallschluckmaterialien oder Schalldämpfungsmaterialien als Auskleidung für die Gebläsekanalwandung wird der Ausbreitungswinkel nicht wesentlich geändert, wobei lediglich der Intensitätspegel verringert sein kanne

Durch die Erfindung wird ganz allgemein die Anordnung von Fokussierungsvorrichtungen 24 vorgeschlagen, welche die Schallwellen im allgemeinen radial nach innen richten und vorzugsweise vom benachbarten Ende des Blaserkanals fort. Dadurch ist es möglich^ die Sohallenergie so auszurichten, daß deren Maximum in der Nähe der !Driebwerkaaohse auftritt, damit man die Menge des Schallschluckmaterials verringern kann und damit man dieses Sohallschluckmaterial wirksamer ausnützen kann und damit man den Sohallpegel vermindern kann, der sich vom Gebläse ausbreitet.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer derartigen Fokusaierungseinrichtung dargestellt· Die fokussierungseinrichtung 24 weist alternierende in Umfangsrichtung verlaufende Oberflächen 28, 30 auf, die dadurch gekennzeichnet sind, daß sie verschiedene Schallreflektionaeigenschaften aufweisen, wobei an die bekannte Tatsaohe erinnert wird, daß Schall von einer Oberfläche reflektiert werden kann. Durch die unterschiedlichen ReflektiOnseigenschaften dieser Oberfläche besteht eine Phasenbeziehung oder eine Zwischenwirkung zwischen den reflektierten Schallwellen, die auf diese Flächen auffallen und es erfolgt eine Summation von zwei einfallenden Wellen, die zu einer kombinierten reflektierten Welle führen, die einen Reflektierungswinkel hat, der eingestellt oder beherrsoht werden kann. Die beschriebene Erscheinung wird durch zahlreiche Paramdter beeinflußt und ganz allgemein gesagt, ist diese Ersoheinung allein bei einer einzelnen Schallfrequenz wirksam. Im Fall eines GrasturbinentriebwerkakOBipressors und des dargestellten Bläsera insbesondere ist im ;

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allgemeinen

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allgemeinen eine dominante Frequenz vorhanden, welohe die Hauptquelle dea atörenden Geräuschs iat. Bei Kenntnis dieser Frequenz iat ea dann möglich, die axialen Längen der Oberflächen 28 und 30 für eine wirksame Fokussierung zu bemeaaen· Um die beachriebene Fokusaierungswirkung zu erhalten, sollten"diese längen ein Bruchteil einer Wellenlänge der dominanten Schallfrequenz sein, die gedämpft werden aolle

Der Einfallwinkel iat ebenfalls ein Faktor, der berücksichtigt werden muß und deshalb werden die axialen längen der Oberflächen 28 und 30 -vorzugsweise über die Länge der Kanalwandung hinweg -verändert, um den in Figo 1 dargestellten Fokusaierungseffekt zu erzielen·

Die Beschreibung bezieht sioh bis zu dieser Stelle auf die Fokuaaierung von Schallenergie, um deren Auabreitung aua dem Triebwerkeeinlaß heraus auf ein Minimum herabzusetzen und um deren Ausbreitung zu ateuern oder zu beterrsohen. Die gleichen Prinzipien können auch bei der Ausbildung der Fokusaierungaeinriohtung 24 verwendet werden, die in Fig· 1 stromab von den aioh drehenden Sohaufeln 14 an der Düae dargestellt ist. Es sei bemerkt, daß Geräusch oder Schall auoh erzeugt werden kann, wenn die Luft durch die Führungasohaufeln 16 abgelenkt wird und daß die Eigenschaften der Oberflächen 28 und 30 der stromab gelegenen Fokussierungeeinrichtung duroh die Frequenz und duroh die Primärquelle der Sohallerzeugung bestimmt wird, um die gleichen guten Ergebnisse zu erzielen, die in Verbindung mit der Pokueaierungseinrichtung am Einlaßende des Kanals beschrieben wurde·

Derartige Fokusaierungseinriohtungen können sehr gute Ergebnisse erzielene Der Zweok einer derartigen Pokuseierungaeinrichtung iat es, die Schallenergie derart auszurichten, daß sie sioh nioht vom Bläserkanal aus ausbreitet sondern

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stattdessen in diesem Kanal abgesohwächt wird· Wegen der komplexen liatur dieser Sohallenergie ist es bevorzugt, weitere Einrichtungen zur Dämpfung des Schalles sowie zur Fokussierung des Schalles vorzusehen« Zu diesem Zweck kann die Kanalwandung durch alternierende, in ümfangsriohtung verlaufende Mantelbänder 32, 34 gebildet sein. Diese Mantelbänder 32,können auch einem glatt bearbeiteten Metall hergestellt sein, beispielsweise aus Aluminium oder Magnesium, während die Mantelbänder 54 aus einem Schallsohluckwandungsmaterial bestehen können. Sohallsohluokwandungsmaterialien können unterschiedliche Formen haben, es können beispielsweise faserförmige Materialien vorgesehen sein oder Materialien, die Resonanzkammern aufweisen. In jedem Pail sind jedoch die RefIektionseigenschaften der Mantelbänder 34 von den Reflektionseigensehaften der Mantelbänder 32 verschieden, wobei diese noch eine gewisse Schalldämpfung erzeugen.

Alternierend oder zusätzlich kann die fokuesierte Sohallenergie daduroh gedämpft werden, daß eine verhältnismäßig geringe Menge eines Sohalldämpfungsmaterials in der Umgebung des Fokus verwendet wird. Es sei noohmals auf Pig* 1 Bezug genommen. Es ist zu erkennen, daß die Einlaufnase 36 mit einem Schallschluckmaterial bedeckt ist, welohes in der Nähe des Brennpunktes am Einlaßende des Bläsers vorgesehen ist. In gleicher Weise kann ein Ümfangsaband aus einem Schallsohluckmaterial 38 an der Triebwerksgondel 22 vorgesehen sein und zwar in der Nähe des Brennpunktes der stromab gelegenen Fokussierungseinrichtung 24· Ganz, allgemein gesagt erhöht das Sohallschluckmaterial das Gewicht. Dadurch, daß die Sohallenergie zuerst auf einen verhältnismäßig kleinen Bereich fokuisiert wird, ist es möglich, eine wirksame Schalldämpfung duroh die Verwendung von erheblich geringeren ^ an Sohallschluokmaterial zu erzielen.

Pig, 3 zeigt eine andere Aueführungsform einer Fokuseierungs-

einrichtung 009813/1184

einrichtung 24'. Auoh hier bilden wiederum in Umfangsrioh-"fcung verlaufende Elemente die Fökusaierungseinrichtung«, Bei der Darstellung in Pig. 3 haben diese Elemente die Form von Absohnitten· Es sind Bänder 40 vorgesehen, deren Oberfläohen unter einem Winkel relativ zum theoretischen Punkt der Sohallerzeugung angeordnet sind» um die Sohallenergie radial nach innen zu einem Mittelpunkt oder Mittelbereioh hin zu .fokussieren. Jeder Abschnitt 40 ist vorzugsweise als Element einer Ellipse ausgebildet, so daß alle Reflektionswinkel die Sohallenergie im allgemeinen zu einem gemeinsamen Brennpunkt hin riohten. Damit die Kanalwand aerodynamisch glatt gestaltet werden kann, ist ein sohalldurohlässiges Material 42 vorgesehen, welohes die inneren Teile der elliptischen Profile ausfüllt.

Wenn die axiale Länge dieser elliptischen Profile größer ist als die Schallwelle der Sohallenergie, so erfolgt eine Reflektion der Sohallenergie in der beschriebenen Weise.

Es kann möglich sein, daß es aus Abmessungsgründen nicht geht, daß die elliptischen Profile eine derartige Länge haben , die größer ist als die der Niederfrequenzschallwellen, die der dominierende Faktor bei einem gegebenen Gebläse oder Kompressor sein können. In diesem Falle können die axialen Längen der Abschnitte 40 als eine gewünschte Funktion der Niederfrequenzsohallwellenlängen bemessen sein. Benachbarte Absohnitte haben durch die unterschiedlichen Winkel unterschiedliche Reflektionseigenschaften und wirken deshalb in der gleichen Weise wie es in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben wurde, um einen Niederfrequenzsohall zu fokussieren. Die elliptischen Abschnitte wirken in einer verschiedenen Weise, um den Hochfrequenzβohall zu fokussieren. Die in Fig. 3 dargestellte Fokuaaierungseinrichtung 24* kann deshalb in wirksamer Weise zur Fokussierung von Hochfrequenz schall und Hiederfrequenzschall verwendet werden, um die Torteile zu er- '■- ■

^r 0-09813/11 d4

zielen, die in Verbindung mit Fig« 2 beschrieben wurden.

Es können· zahlreiche Abänderungen der besohriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden, die im Rahmen der Erfindung liegen·

Patentansprüche 009813/1184

Claims

19U812 Patentanaprüohe

1. !Leitungskanal zur Führung einea Gasstromes, in dem Schall-..._-/ energie auftritt, gekennzeichnet durch Einrichtungen an einem Ende des Kanäle, um Schallenergie, die über einen weiten Bereich von Einfallwinkeln auf dieae Einriohtungen auftrifft, zu einem Bereich innerhalb dea Kanala hin zurüokzurichten, wodurch die Auabreitung dea Schallea aua dem Kanal beherrscht wird..

2ο Leitungskanal nach Anspruoh 1, daduroh gekennzeichnet, daß der Kanal den Strömungsweg duroh einen Axialatrömungakompressor hinduroh begrenzt und daß ein Sohaufelrotor den Gasstrom erzeugt·

3. Leitungskanal nach Anspruoh 2, dadurch gekennzeichnet, daß die.Sohallausrichtungseinrichtungen den an den äußeren Enden der Schaufeln erzeugten Schall im allgemeinen zu einer gemeinsamen Kreislinie hin fokussieren, die innerhalb der Axiallänge dea Kanales liegt,

4· Leitungekanal nach Anspruch 3, daduroh gekennzeichnet, daß ein Sohallaohluckmaterial im allgemeinen längs dieser Kreisfokussierungalinie angeordnet ist.

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5. Leitungskanal naoh Anspruoh 1, daduroh gekennzeichnet, daß die Ausriohtungseinrichtungen in Reihe angeordnete, in Umfangariohtung verlaufende Kanaloberfläohen aufweisen, die unterschiedliche Sohallreflektionseigenschaften haben.

6. Leitungskanal naoh Anspruch 5, daduroh gekennzeichnet, daß der Schall eine dominierende Frequenz hat und daß die axiale Länge dieser nebeneinander angeordneten Oberflächen geringer ist als die Wellenlänge dieser !Frequenz.

7. Leitungakanal naoh Anapruoh 5, daduroh gekennzeichnet," daß alternierende Abaohnitte der Kanalwandung, die dieae Oberflächen bilden, duroh schalldämpfende» Material gebildet sind.

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8β Leitungskanal naoh Anapruoh 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sohallstrahlungaeinriohtungen unter zunehmenden Winkeln angeordnete Reifenabaohnitte aufweiaen.

9. Leitungskanal naoh Anapruch 8, daduroh gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche dieaer Sohallauariehtungaeinrichtung mit einem sohalldurohläasigen Material ausgekleidet iat, welchea einen glatten Gaaatrö'mungaweg bildet.

10. Leitungekanal naoh Anapruch 8, daduroh, gekennzeichnet, daß ein vorherrschender Niederfrequenzachall vorhanden iat, und daß die Reifenabschnitte einen elliptiachen Queraohnitt haben und eine axiale Länge, die geringer ist, ala die der Wellenlänge der dominierenden Sohallfrequenz, ao daß die Schallrückstrahlungaeinrichtungen aowohl den Niederfrequenzaohall als auoh den Hoohfrequenzachall beherrschen.

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