DE2009105A1 - Larmminderung bei Propellertriebwerken - Google Patents

Larmminderung bei Propellertriebwerken

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DE2009105A1
DE2009105A1 DE19702009105 DE2009105A DE2009105A1 DE 2009105 A1 DE2009105 A1 DE 2009105A1 DE 19702009105 DE19702009105 DE 19702009105 DE 2009105 A DE2009105 A DE 2009105A DE 2009105 A1 DE2009105 A1 DE 2009105A1
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Oskar Dipl Ing Dr 8000 München Bschorr
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Airbus Defence and Space GmbH
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Description

MESSERSCHMITT-BÖLKOW-BLOHM GmbH
MÜNCHEN 17· Februar 1970
Lärmminderung bei Propellertriebwerken
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lärmminderung von Rotoren, insbesondere für Flug- und Schiffspropeller, Hubschrauberrotoren und Ventilatoren.
Es ist bekannt, zur Verringerung der Lärmabstrahlung bei Rotoren die Blattspitzengeschwindigkeit und die Flächenbelastung möglichst klein zu halten. Nachteilig hierbei ist, daß bei ' gleichen Abmessungen auch die Leistung«» des Rotors entsprechend verringert wird. Beim Propellertriebwerk z.B. lassen sich dadurch nur kleinere Schubkräfte und kleinere Fluggeschwindigkeiten erzielen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ohne Beeinträchtigung der Rotorleistung den Rotorlärm in einem interessierenden Bereich zu vermindern. Diese Aufgabe wird im wesentlichen dadurch gelöst, daß das Rotorschallfeld durch Superposition der Schallfelder von Anti-Schallgebern n.-ter Ordnung, die gegenüber der Rotorachse feststehend angeordnet sind, antiphas,in Wellengeometrie,
in
und/spektraler Richtungsverteilung nachgebildet und dadurch ausgelöscht wird. Die Auslöschung kann-teilweise oder über den Gesamtbereich erfolgen.
Abgesehen von den turbulenten Wirbelgeräuschen ist Rotorenlärm periodisch mit einer Periodendauer., die sich umgekehrt proportional zur Rotordrehzahl und zur Rotorblattzahl verhält. Das Schallsignal ist durch die Rotorgeometrie und durch den Be-Lastuiigsaus tand gegeben. Mit diesen Werten und mit Kenntnis der Phasenlage des Rotors ist das verursachte Schallsignal bestimmt. Mit diesem Eingangsgrößen v/lrd der Antl-Schallgeber gesteuert, um ein antiphases Schallsignal -zu erzeugen. Die von di'U\ !■!•■■fihendeu Rotor auü^iilnsittlon !-lölbin aiad spiralförmig, B^i ■;■ 1 -sieht* ö ; ,1 χ v-·; «.ι"· Drenun^ ] i »g^ji äis; kcmphi,i>*ui Zuet-K^dy -v> £' £.U-;·**·· cli.vjui Archir^ .k-i± Jpiralp a Soil üie -'-^ ?iallai:is ' e .:!;! up ;■] in
8 i o / 1 i ij B BAD ORIGINAL
7013 - 2 -
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— -ψ-t Ψ
einer bestimmten Richtung ausgelöscht werden - wie z.B. bei einem Propellerflugzeug nach unten - so werden erfindungsgemäß die SpiralSegmente in der Auelöschrichtung durch oskulierende Phasenflächen von flugzeugfesten Anti-Schallgebern angenähert. Mathematisch gesehen handelt es sich hier tun
des Rotorschalles/ die bekannte Aufgabe, Phasenfläche und Intensitatsveriaui/iü
Phasen-/
der Auelöschrichtung in/flächen und Intensitätsverläufe von Strahlern n.ter Ordnung zu entwickeln.
Um z.B. im Fernfeld eine optimale Anschmiegung an das Spiralfeld zu erhalten( wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung der Anti-Schallgeber in oder nahe der Rotorebene im Abstand a von der Rotorachse angebracht. Dabei ist der Abstand a
= Winkelgeschwindigkeit des Rotors, c = Schallgeschwindig keit des Mediums in dem der Rotor rotiert) Der Vektor a liegt dabei von der Auslöschrichtung im Propellerdrehsinn um 3/2 Tf gedreht. Bei dieser Anordnung haben die Wellenfronten des spiralförmigen Rotorschalls und des Anti-Schallgebers in Auslöschrichtung dieselbe Tangente, so daß sich auch im Nachbarbereich noch eine gute Interferenzauslöschung ergibt.
Um z.B. bei einem Propellerflugzeug in den waagrechten Richtungen und nach unten Auslöschungen zu erhalten, ergibt sich
für den Abetand a des Anti-Schallgebers von der Propellorachse
a =■
Jn nach den geforderten Bedingungen läßt sich die dazu notv.'fUülLgo La^e de.η Antl-Schal.Lgi.bers berechnen (Fi&. 4).
F ι; I « t Grundsatz !ich zweckni^ßifr, den An ti-Schnllgnber raö·;-
I i , . s t nah.; üjt.\ LU-Ijv im'ut»x !.liCfi, Dadurch sintl liij Lauiwc^ >· . < ι ii.ii.fc sli« ti, '■ , η j ntiiiibi.i:· (; ....ι Io lot <> hct 1 1 und An 11-i > ■ *. 1 I .·' ·,. l ;< .'■ - : c :i, &<.> u.xi nch iinabh:üi^L χ ν >n dor Eii t ■
ti J o . ' ■ J υ
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fernung eine maximale Interferenz-Auslöschung ergibt. Wenn dies z.B. im Nahbereich nicht gegeben ist, ao 'wird die Intensität des Anti-Schallgebers so ausgelegt, daß sich in der infragekommenden Entfernung die Intensität von Rotor und Anti-Schallgeber dem Betrag© nach gleich sind.
Soll der Winkelbereich in dem eine Interferenzauslöschung verlangt wird, vergrößert werden, so werden nach einem weiteren Merkmal der Erfindung mehrere Anti-Schallgeber auf einem Kreisbogen mit Radius a angebracht. Bei Rundumauslöschung ist entsprechend ein geschlossener -Kreisring mit Anti-Schallgebern j£ notwendig. ,^
Int allgemeinen Fall ist die Winkelgeschwindigkeit des Rotors nicht konstant, sondern verändert sich auf—grund der Betriebserfordernisse. Un jeweils den optimalen Abstand a der Anti-Schallgeber von der Drehachse zu erhalten, wird entweder der Abstand mechanisch verstellt oder nach einem weiteren Erfindungsmerkmal zwei Anti-Schallgeber bzw. Anti-Schallgeber-Kränze in verschiedenen Abständen angebracht. Durch Variation des Stärkeverhältnisses der beiden Anti-Schallgeber kann damit als Resultierende Jeder Zwischenabstand erzeugt werden.
Während beim starren Rotor das Schallfeld zur Drehachse rota- J& tionssynunetrisch ist, ist in azimutaler Richtung entsprechend W der Rotorart jede azimutale Richtungsverteilung möglich. Um eine beliebige vorgegebene azimutale Richtungsverteilung zu verifizieren, werden erfindungsgemäß zwei oder mehrere Anti-Schallgeber hintereinander im wesentlichen auf einer Parallelen zur Drehachse verwendet. Durc*i ei ie Phasenverschiebung der Anti-Schallgeber untereinander kann eine vorgegebene Richtungsverteilung nachgebildet werden. Im allgemeinen Fall ist dabei die Phasenverschiebung der einzelnen Harmonischen verschieden.
Bei zyklisch verstellbaren Rotorblättern und bei nicht symmetrischen Anströmung ergibt sich sowohl in azimutaler als auch in sagittaler Richtung eine allgemeine Intensitatsverteilung.
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Bei vorgegebenem Ort der Anti-Schallgeber - dieser ist beetimmt durch die Bedingung die Laufwegdifferenz Δ r zu minimieren - handelt es sich hierbei um die bekannte Aufgabe, den Intensitütsverlauf als Superposition von Schallgebern t 0. ter und/oder höherer Ordnung nachzubilden.
In den Abbildungen ist der Gegenstand der Erfindung an einigen Aueführungebeispielen dargestellt.
Fig. 1:Anti-Schallgeber im Abstand a
Fig. 2.'Mehrere Anti-Schallgeber im Abstand a
Fig. 3:Anti-Schallgeber in verschiedenen Abständen
Fig. 4;Phasenverhältnisse In der Propellerebene.
Fig. 1 zeigt die Wirkungsweise am Beispiel eines Propellertriebwerkes. Ein Propeller-Rotor 1 rotiert um eine Achse 2. Im Abstand a von der Ach-e 2 befindet sich ein Anti-Schallgeber 3· Dieser wird durch die Winkelstellung ^es Rotors so gesteuert, daß er bezogen auf die Richtung* 4 ein antizyklisches Schallsignal abgibt.
Fig. 2)dieses Ausführungsbeispiele* unterscheidet sich von Fig. dadurch, daß mehrere Anti-Schallgeber 13 im Abstand a von der Drehachse 12 des Propellers 11 angebracht sind. Dadurch ergibt eich in einem breiteren Winkelbereich l4 Auslöschung. '
Der Abstand der einzelnen Anti-Schallgeber untereinander muß klein gegenüber der Wellenlänge sein. Entsprechend der Winkelversetzung haben die einzelnen Anti-Schallgeber eine Phasenversetzung.
in ?ig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das erlaubt auch bei wechselnden Drehzahlen jeweils den optimalen Abstand m. der Anti-Schallgeber von der Drehachse einzustellen. Dabei sind zwei Anti-Schallgeber 23 und 24 in verschiedenen Abständen von der Drehachse 22 des Rotors 21 angebracht. Durch Änderung des Intensitätsverhältnisses kann ein bestimmter effektiver
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Abstand eingestellt werden. -Anstelle dieser "akustischen Verschiebung" kann auch eine mechanische Verschiebung eines Anti-Schallgebers vorgenommen werden.
In Fig. 4 sind die Phasenverhältnisse in der Ebene des Rotors demonstriert. In Polarkoordinaten (r, ψ ) mit Ursprung im Pro· pellennittelpunkt lautet die Gleichung der spiralförmigen Phasenlinie eines Rotorblattes
E in ff Anti-Schallgeber mit dem Koordinaten a, Oi hat kreisför-
mi ge Phasenlinien. In Polarkoordinaten lauten diese
+ α α>φ-ή
Ta der Richtung ty = ψο soll die Auslöschung erfolgen. A ff ist der Winkel von % aus gemessen. ^0 ist eine beliebige Entfernung in der Auslöschrichtung. Die Wegdifferenz & r von Kreis und Spirale ist
Für das Fernfeld (ra^ &) und Auslöschung nach unten ( ψο =%^ ergibt sich für OC a Oi
Ar w asii%äf - ^
Sind die Wellenlängen der einzelnen Harmonische» des Rotor1ärms Cn = Oi Ij Z\ 3) so ist bei einer
maximale erreichbare lokale Lärmminderm&g D für die n, t® Hartnonische; *
. « to ta U : sin τ
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Claims (1)

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Patentansprüche
1. Verfahren zur LKrmiainderung von Rotoren, insbesondere für Plug- und Schiffspropeller, Hubschrauberrotoren und Ventilatoren, durch Interferenzauslöschung Mittels Anti-Schall-
das/ geber, dadurch gekennzeichnet , dajyuotor echallfeld durch Superposition der Schallfelder von Anti-Schallgebern n.ter Ordnung^dle gegenüber der Rotorachse feststehend angeordnet sind, antiphas,in Wellengeoaetrie,
in und/spektraler Richtungsverteilung nachgebildet und dadurch
ausgelöscht wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. , daß zur Nachbildung der Wellengeometrie von Rotorlärm und Anti-Schall in einer vorgegebenen Richtung ( % ) und Entfernung ( T^ ) Anti-Schallgeber (3» 13) in» Abstand (a) von der Rotorachse und in einem Winkel (Oi ) ffj angeordnet sind, daß die Wegdifferenz ( Af ) von Rotorlärm und Anti-Schall gemäß der Gleichung:
in dem geforderten Bereich minimal wird.
J, Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß die Anti-Schsllgeber bei.Auslöschung n&ch unten ( 9»m V£^) in od*r nahe der Rotorebene unter dem Winkel ΟΙ*Ο und in der Entfernung CL» -^y angeordnet »ind.
k. Vorrichtung nach Anspruch 2t dadurch, gekennzeich net, daß die Anti-Schallgsber bei Auslöschung nach unten (&~ /& ^) «tf-d i» wr» igerecht&^ i^iohtu»g ΚΨ^Ο **nd ¥m * ^") in oder nahe amr Rotorebene unter deat Winkel oC» O und in der
Entfernung ££« rp f— angebracht «ind.
5. Vcririchtung »ach einem oder iaefcreren der vorhergehenden An- «prüch», eSasSarch g φ h ana s » i ;c h n_e t , daß zur
1 0 8 8 3 6 /; a S "3^ 0RIGINAL
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- ep - 7 -
Vergrößerung dee Winkelbereiches,in dem Auslöschung er- . folgen soll, auf einem Kreisbogen mit dem Radius (a) zur Drehachse in oder nahe der Rotoreb-ene mehrere Anti-Schallgeber benachbart angebracht sind, die entsprechend der Winke1-versetzung eine Phasenversetzung besitzen.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Anspruche« dadurch gekennzeichnet ,daß zur Rundumauslöschung auf einem Kreis im Abstand ta) um die Rotorachse in öder nahe der Rotorebene Anti-Schallgeber angebracht sind, die entsprechend der Winkelversetzung eine Phasenvereetzung besitzen. .
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet « daß zur kontinuierlichen Anpassung des optimalen Abstandes (a) an wechselnde Drehzahlen Anti-Schallgeber (23,24) mit verschiedenen Abständen von der Drehachse so angebracht sind, daß durch das Intensitätsverhältnis c-»r Anti-Schal !geber ein gewünschter resultierender Abstand eingestellt wird.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zur
- kontinuierlichen Anpassung des optimalen Abstandes (a) an wechselnde Drehzahlen der bzw. die Anti-Schallgeber mechanisch verschoben werden.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , daß zur Verifizierung der azimutalen Richtungsverteilung zwei oder mehrere Anti-Schallgeber hintereinander, im wesentlichen auf einer Parallelen zur Drehachse angebracht sind, deren gegenseitige Abstände und Phasenversetzungen in an sich aus der Antennentechnik bekannten Weise so abgestimmt sind, daß sich die geforderte Richtungsverteilung ergibt.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zur
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Nachbildung einer sagittalen Richtungsverteilung zwei oder mehr Anti-Schallgeber in radialer Richtung angebracht sind, deren gegenseitige Abstände und Phasenversetzungen in an sich aus der Antennentechnik bekannten Weise so abgestimmt sind, daß.sich die geforderte Richtungsverteilung ergibt. :
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zur Nachbildung von azimutaler und sagittaler Richtungsverteilung zwei oder mehr Anti-Schallgeber unter einem Winkel der entsprechend dem azimutalen und sagittalen Gradienten zwischen zur Rotorachse parallelen und radialen Richtung liegt, angeordnet sind.
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich ne t , daß die durch Änderung der Drehzahl bzwi der Belastung des Rotors bedingte Änderung des Rotorschallfeldea dem Steuersystem des Anti-Schallgebers eingeprägt ist und automatisch dem augenblicklichen Betriebszustand nachgestellt wird.
13· Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet ,..daß als Anti-Schallgeber eine druckluftbetriebene Sirene verwendet wird, wobei der Sirenen-Rotor synchron zu« Rotor läuft.
l4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß als Anti-Schallgeber ein Teil der Flügelbeplankung als Membran eines elektrodynamischen Lautsprechers ausgebildet ist.
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