DE2010607A1

DE2010607A1 - Flugzeugstrahltriebwerk

Info

Publication number: DE2010607A1
Application number: DE19702010607
Authority: DE
Inventors: Filton Bristol Denningj Ralph Murch (Großbritannien)
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1969-03-08
Filing date: 1970-03-06
Publication date: 1970-09-24
Also published as: US3677501A; FR2044695A1; JPS4829360B1; FR2044695B1

Description

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ing« Ii. HOIjSEB 89 AUOSHtTTiO

JHIUFPINB -WBtSKTS -ST11A8SB 1* t M374

201Q607

R. 770

Augsburg, den 5, März 1970

Rolls-Royce Limited, Moor Lane, Derby, England

fflugzeugstrahltriebwerk

Die Erfindung "betrifft ITlugzeugstrahltriebwerke mit einem Hauptkanal, in welcliem ein Verdichter, ein Brenner und eine den Verdichter antreibende und mit diesem verbundene OPurbine in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind, und welcher eine Hauptdüse.und einen Beipaßkanal aufweist, welch letzterer mit dem Hauptkanal in Verbindung steht sowie mit Druckmittel aus dem Haupt-

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kanal gespeist wird und welcher in einer Vielzahl von Beipaßdüsen endigt.

Die Schallfrequenz des Ausstoßstrahles von Strahltriebwerken ist eine !funktion der Strahlgeschwindigkeit und der Querschnittsfläche der Düse, durch welche hindurch der Strahl austritt. Die Schallfrequenz erhöht sich mit wachsender Geschwindigkeit und nimmt mit größerwerdender Düsenquerschnittsfläche ab. Je höher diese Schallfrequenz ist, umso stärker ist die Lärmvenninderung durch umgebende Konstruktionsteile und umso mehr nähert sich der L= πα don Grenzen der Hörbarkeit,

Es sind bisher zahlreiche Versuche zur Verminderung des von Strahltriebwerken erzeugten Lärmes unternommen worden, indem beispielsweise die Düse derart verändert worden ist, daß die Lärm- bzw. Schallfrequenz auf einen Wert ansteigt., bei welchem eine starke Schallminderung auftritt oder bei welchem der Schall sogar unhorbar ist. ΙΟ.?.π erreicht man dadurch, daß man die Strahlströmung, welche ηοττ:\°Ί (:-rveizä aus einer einzigen Däse austritt, durch eine Vielzahl von Iiiiseu ,jeweils geringeren Querf!!V..r <i. L-t'-ii- MrK¹OT ■:■';.;. antreten laUt. Es hat sic;h d.abcd jedoch c y-~:.V ... <";/■'■ <■'■-■ 'ι;.'. ;?t;jBr-i-va^v.1 von ?>tr:i'c.'\ ί ri f-,1-.", ^cI; cn

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herkömmlicher Bauart, d.h. von Triebwerken, welche mit einem Verdichter, einem Brenner, einer Turbine und einer Schubdüse in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet, versehen sind, keinen derart hohen Druck aufweist, daß es möglich ist, die Strömung mit ausreichend hohen Geschwindigkeiten durch eine Vielzahl von Düsen von jeweils genügend kleinem Querschnitt hindurchzutreiben und damit eine gute Lärmminderung* zu erzielen, ohne daß beträchtliche Leistungsverluste in Kauf genommen bzw. große Änderungen der Triebwerksabmessungen vorgenommen werden müssen.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, Gerauschdämpfungseinrichtungen von Strahltriebwerken derart zu verbessern, daß ohne nennenswerte Veränderung der Triebwerksabmessungen und ohne nennenswerte Leistungsverluste des betreffenden Triebwerks eine wirksame Geräuschdämpfung erzielt wird.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die Erfindung ein Flugzeugstrahltriebwerk mit einem Hauptkanal, in welchem ein Verdichter, ein Brenner und eine den Verdichter antreibende und mit diesem verbundene Turbine in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet

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BAD ORIGINAL

sind, und welcher eine Haupt düse -and- einen Beipaßkanal aufweist, welch letzterer mit dem Hauptkanal in Verbindung steht sowie mit Druckmittel aus dem Hauptkanal gespeist wird und welcher· in einer Vielzahl. von Beipaßdusen endigt, welches gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß der Beipaßkanal an derjenigen Stelle mit dem Hauptkanal Verbindung hat, an welcher ein in "bezug auf die- einzelnen Beipaßdusen derart hoher Druck hex-i-soht, daß an den Beipaßdusen eine Strahlströmung evzen^G kj. rri, deren ßcliallspektrum sein Kaximuni im Ultrai=ehaXjJ>eqa<ün2"berGich hat.

I/" ■ r-e:ipdßdilDexi sxitc. ,-vr/\ i^weise In mindestens einer Keihe ih. ....-.-ne:i r:;"^::.:der nsw, hintc^eln-ar^eT angeordnet, wodurch der Zi:tr.v*:t- ■·!<;:? <m£?b■■:■.·"-■ .:/>;.:"1 zu diesen Düsen ermöglicht wird und ^onx.'-ch :.i\ ~" a:'.....c VerisxnaHr-uiig o,er Prontfläche des St rah.l trie".-Werkes ο χ ^i ^v .

Das iätrshltrieuwerk o.ac.h der Erfindmig ist sowohl für FeB-krech'v^tarterde Flugzeuge als auch für Flugzeuge mit .!vur-r.vi-Λ £-"■ - ::t- u'ii. L-.r. ' ,yir_;f; _:-;·^:^ ;;·;,.:■.et. In. diesem Zusaauri'iiii.i-jip: j =t; eine Ii-?.i.be ?uü a"^:. .;-.-.",:■ L;3 gerichteten Beipaßdiir-en c-ver^::, a: .."-cor.; -'.-^ ..\.:^; :.i - .l .: Si-jJ-iLang der Achse dee Vr-r.^;:!..\o1:tr: '.]⁷id c'.ei ;''.;:;.-;.·5..ΐ:..ί ".";:■...", ■'Lf^:'o:i cle'K an. einer

Stelle stromabwärts von der Hauptaüse und gegenüber der Strombahn des Strahles versetzt liegt.

Ein Beispiel eines Strahltriebwerkes nach der ■ Erfindung ist im folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben, welche im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Flug

zeug _T welches vier Strahltriebwerke nach.der Erfindung aufweist,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung

eines Schnittes längs der Linie II-II in Jig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht in Richtung des

- Pfeiles III in Pig. 2, ·

Pig. 4 eine weitere Ansicht in Richtung

des Pfeiles IV in Pig. 2,

Pig. 5 eine vergrößerte Darstellung eines ·

Schnittes längs der Linie V-V in Pig. 2,

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Fig. 6 einen Schnitt längs der

Linie VI-VI in Pig. 5,·

i'ig. 7 eine perspektivische Darstellung

einer Einzelheit gemäß der Darstellung in den S¹Ig. 5 und 6,

Ji¹Ig. 8 in einem Diagramm das Düsenstrahl-

schallspektrum unter verschiedenen Bedingungen, und

Fig. 9 in einem weiteren Diagramm die

jeweils bei verschiedenen Druckverhältnissen erzeugten Schallpegel.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 1 bis 7 weisen allgemein mit F bezeichnete Triebwerksanlagen jeweils ein Triebwerk E auf, welches mit einem Hauptströmungskanal 10 versehen ist, in welchem ein Verdichter 11, ein Brenner 12, eine den Verdichter antreibende und mit diesem verbundene Turbine 13 sowie eine Hauptstrahldüse N1 angeordnet sind. y Die Hauptdüse N1 ist mit Bezug auf ein Flugzeug 15 (Fig. 1), welches mit den Triebwerksanlagen P versehen ist, nach

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hinten gerichtet und zum "bedarfsweisen Ablenken
des aus der Hauptdüse ausgestoßenen Strahles in
Abwärtsrichtung dient eine Haube 16.

Nur ein Teil der Fördermenge des Verdichters 11
wird dem Brenner 12 zugeführt. Der übrige Teil dieser Fördermenge wird durch einen Strömungsteiler 20 in
einen Beipaßkanal 21 abgeleitet, welcher durch Ventile 22, beispielsweise Klappenventile, wahlweise entweder mit einem Abzweigkanal 23, der in einer mit Bezug auf das Flugzeug nach hinten gerichteten Düse 24 endigt, oder mit einem Abzweigkanal 25 verbindbar ist, der in einer Vielzahl von mit Bezug auf das Flugzeug abwärts gerichteten Beipaßdüsen N2 endigt.

Die Düsen N2 sind gemäß der Darstellung in Pig. in zwei Heihen angeordnet, welche zur Achse des Verdichters und der Turbine parallel verlaufen sowie hinter und oberhalb der Hauptdüse N1 angeordnet sind. Durch eine derartige Anordnung ergibt sich für das Triebwerk nur eine kleine irontfläche und allgemein ergibt sich die Köglichkeit, daß die große Anzahl von Düsen N2 derart anbringbar ist, daß die umgebende Luft Zutritt zu den einzelnen Düsen erhält bzw. in die Strahlströmungen

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eingeleitet wird und damit zu dem Geräuschverminderungsvorgang beiträgt.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 5 und 6 weist die Strömungsverbindung zwischen dem Abzweigkanal 25 und den Düsen N2 jeweils mit BrennstoffVersorgungseinrichtungen 28 versehene Brennkammern 27 auf, in welchen die Strömung zu den Düsen N2. hin aufgeheizt wird. Die jeweils aus den Brennkammern 27 zu rechteckigen öffnungen 29 hin austretende Strömung wird durch einen im Querschnitt rechteckförmigen Mittelkörper 31 unterteilt. Die öffnungen 29 sind durch Strömungsteiler 30 unterteilt und der tatsächliche Austrittsquerschnitt einer einzelnen Düse 26 wird von der Fläche einer öffnung 29 zwischen zwei derartigen Strömungsteilern JO bzw. zwischen dem Ende der öffnung 29 und dem ihr am nächsten gelegenen Strömungsteiler gebildet.

Die Mibtelkßrper sind jeweils hohl ausgebildet und legen jev/eils eine öffnung 32 für das Einströmen der umgebend;-.- ■- Luft fest, was d;u._rch Pfeile 33 in Fig, angedeutet i.ßt

De:^r lura:. ■. ."^x·,.:..:,".·";■ ■■i.y Vhe:■*·-< ;■■·;, ±e*j durch verstellbare e. Ζ^ΐΛ- .v^:- ■:"", 'hj:·... t. :^ne ueräuschausbreitung

von der ziemlich breiten Geräuschfront aus, welche die Düsenanordnung gemäß Fig. 2 darstellt, nicht stattfinden kann. .

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 ist das Flugzeug 15 mit vier Triebwerksanlagen P ausgestattet,· weiche mit Bezug auf die Längsachse des Flugzeuges in räumlichem Abstand voneinander angeordnet sind. Die Abzweigkanäle 25 der einzelnen Triebwerke sind untereinander derart durch einen Kanal 35 verbunden, daß bei Verwendung der Beipaßdüsen N2 der Ausfall des Triebwerkes E in einer der Triebwerksanlagen P keine Unterbrechung der Druckversorgung der Beipaßdüsen Ή2 der betreffenden Triebwerksanlage zur Folge hat.

Während des Flugbetriebes, d.h. beim Senkrechtstarten, sind die Haube 16, die Ventile 22 und die Klappen 34- durch geeignete Stellmittel in diejenigen Stellungen gebracht, welche in den Zeichnungen jeweils mit ausgezogenen Linien dargestellt sind. Für den Übergang in den Vorwärts- bzw. Horizontalflug wird die Haube 16 zurückgezogen und werden die Ventile 22 derart verstellt, daß die Beipaßströmung durch den Abzweigkanal 23 hindurchgeht .

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Das Triebwerk kann ein- bzw. mehrstufig sein und die Verbindung mit dem Beipaßkanal 21 kann längs des Verdichters bzw. der Verdichter dort angeordnet sein, wo es zur Erzielung des gewünschten Druckverhältnisses für den Beipaßkanal 21 erforderlich ist.

Die Brennkammern 27 sind dann nicht erforderlich, wenn ein hohes Druckverhältnis zur Verfügung steht und wenn nur ein relativ geringer Schub erforderlich ist bzw. wenn eine Verschlechterung des Verhältnisses Leistung/Gewicht des Triebwerkes zulässig ist.

Es ist bemerkenswert, daß bei der Triebwerksanlage nach der Erfindung ein einziges Triebwerk Horizontal- und Vertikalschubfähigkeiten in sich vereinigt und Geräuschdämpfungseigenschaften aufweist, welche beim Vertikalschubbetrieb von größter Wichtigkeit sind.

Die Unterteilung der Triebwerksanlage, derart, daß die Gasströmung durch eine relativ große Hauptdüse N1 und durch eine Vielzahl von kleinen Beipaßdüsen N2 ausgestoßen wird, ermöglicht die Erzielung einer Gesamt- / gerauschverminderung, welche dann nicht erreichbar ist, wenn der Gesamtausstoß der Triebwerksanlage durch die

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Hauptdüse N1 hindurchgeleitet wird. Es zeigt sich. einerseits, daß das relativ große Turbinendruckverhältnis, welches zum Antrieb des Verdichters erforderlich ist, der in der Lage sein muß, sowohl den Brenner 12 als auch den Beipaßkanal 21 zu speisen, eine Verminderung der ßtrahlgeschwindigkeit und damit des Geräusches an der Hauptdüse N1 ermöglicht _f und es zeigt sich andererseits, daß das hohe Druckverhältnis, mit welchem der Beipaßkanal 21. versorgt wird, eine Erhöhung des Verhältnisses Geschwindigkeit/Fläche und damit eine Erhöhung der Frequenz des Strah.lgerausch.es an den Düsen N2 auf einen Wert ermöglicht, bei welchem ein beträchtlicher Anteil des Geräusches entweder atmosphärisch vermindert oder aber unhörbar wird. Die Berechnungen, welche zur Erzeugung derartiger Bedingungen erforderlich sind, sind dem Fachmann im wesentlichen bekannt und es ist an dieser Stelle lediglich erforderlich, diejenigen Berechnungsschritte aufzuzeigen, welche einen besonderen Anteil an der Erfindung haben.

Die Berechnungen gehen von einem bekannten, erforder- liehen Gesamtschub in vertikaler Richtung aus und beginnen mit Annahmen in bezug auf die erforderliche Gesamtmassenströmung, das BeipaßverMltnis (doh. das Verhältnis der

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Massenströmungen jeweils durch den. Haupt- und durch den Beipaßkanal), die Druck- und lemperaturverhältnisse für den Hauptkanal, die Druck- und Temperaturverhältnisee für den Beipaßkanal usw.

Es sind sodann gesonderte Berechnungen jeweils für den Haupt- und den Beipaßkanal zur Bestimmung der Strahlgeschwindigkeiten, des-Gesamtschubes, des spezifischen Schubes, des spezifischen Brennstoffverbrauches und der Geräuschpegel erforderlich. Die Ergebnisse dieser beiden Rechenvorgänge werden anschließend miteinander verglichen, und, wenn notwendig, so oft wiederholt, bis sich der beste Kompromiß zwischen Gesamtbrennstoffverbrauch, Schub, Gewicht usw. ergibt. Dieses iterative Berechnungsverfahren ist an sich bestens bekannt.

Bei den Berechnungen für den Hauptkanal wird die Strahlgeschwindigkeit derart niedrig angenommen, daß zu hohe Geräuschpegel vermieden werden. Wenn sich jedoch bei der Anfangsberechnung mit dem für den Hauptkanal gewählten Druck eine zu hohe Strahlgeschwindigkeit ergibt, so wird das Beipaßverhältnis und damit die Strahlgeschwindigkeit im Hauptkanal verringert. Durch diese Betrachtung wird diejenige Stellung längs des Hauptkanales festgelegt,

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an welcher die Strömung geteilt wird, d.h., wenn für den Hauptkanal ein niedriges Dru.ckverhältnis gefordert wird, so wird die Verbindung mit dem Beipaßkanal derart gewählt, daß sie längs .des Verdichters weiter stromaufwärts liegt "bzw. umgekehrt.

Ein typischer Wert für eine Strahlgeschwindigkeit des Hauptkanales "beträgt 290 m/s.

Die Berechnungen für den Beipaßkanal zielen nicht auf eine geringe sondern auf eine hohe Strahlgeschwindigkeit ab j als Beispiel ist dafür im folgenden eine Gruppe typischer Werte beschrieben.

Unter der Annahme eines Beipaßdruckverhältnisses von 15 ! 1 und einer Düseneintrittstemperatur von 1 000° K beträgt die berechenbare Strahlgeschwindigkeit ungefähr 1 069 m/s. Bei dieser Geschwindigkeit erfordert eine-Massenströmung, welche einen Schub von 9 072 kp ergibt, einen berechenbaren Gesamtdüsenquerschnitt

von 4-38,7 cm . Wenn angenommen wird, daß diese Fläche in 34-6 Düsen von jeweils 12,7 mm Durchmesser (ungefähr 1,3 cm pro Düsenfläche) unterteilt ist, so ist 'es möglich, die Frequenz des Maximums des Geräuschspektrums

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aus folgender einfacher Beziehung zu berechnen:

Frequenz - _{χ 8trouhal}__Zalll Düsendurchmesser

Die Größe der Strouhal-Zahl beträgt unter dem Winkel maximaler Schallabstrahlung ungefähr 0,8 und bei dem vorliegenden Beispiel beträgt die Frequenz ungefähr 16 kHz, was oberhalb des menschlichen Hörbereiches liegt.

Fig. 8 zeigt bei A das unkorrigierte Quellenschallspektrum für den Schalldruckpegel bei 346 Düsen in einer Entfernung von 457»2 m und bei B das gleiche Spektrum, welches jedoch mit Bezug auf die atmosphärische Schallminderung korrigiert ist. Die Kurven G und D zeigen jeweils das entsprechende Spektrum bei einer einzigen Düse mit

438,7 cm Düsenflache und veranschaulichen, daß der Maximalpegel des verminderten Schalles im Falle /on 346 Düsen beträchtlich niedriger ist als im Falle einer einzigen Düse, obwohl der unkorrigierte Schalldruckpegel in beiden Fällen, d.h. bei A und G, der gleiche ist.

In Fig. 9 sind anhand von Kurvenscharen die Einflüsse Wechselnder Druckverhältnisse auf den von 346 Düsen

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erzeugten Lärm zusammen mit den Einflüssen der Entfernung von der Schallquelle dargestellt. Es ist bemerkenswert, daß der Schalldruckpegel mit abnehmendem Druckrerhältnis ansteigt. Das heißt mit anderen Worten, wenn kein relativ hohes Druckverhältnis zur Verfügung steht, so ist wir Erzielung einer beträchtlichen Geräuschverminderung eine sehr große Zahl von jeweils sehr kleinen Düsen erforderlich. Es hat sich ergeben, daß es bei Druckverhältnissen unterhalb 5 · 1 und Düsenquerschnitts-

flächen kleiner als 1,3 cm nicht ratsam ist, eine V.erbesserung der Geräuschminderung durch eine Erhöhung der Schallfrequenz erzielen zu wollen. Der Grund dafür ist teilweise darin zu suchen, daß der Düsenwirkungsgrad selbst umso mehr absinkt, Je mehr die Grenzschichtströmling überwiegt, und teilweise darin, daß die praktische Ausführung einer großen Anzahl sehr kleiner Düsen große Konstruktionsprobleme aufwirft. Sogar Düsenquerschnitts-

flächen in der Größenordnung von 1,3 cm machen einen besonderen konstruktiven Aufbau erforderlich, was beispielsweise in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, damit die Düsen auch hinsichtlich des Einströmens der Umgebungsluft ihren Zweck erfüllen.

Ebenso, wie es für die Verminderung der Düsenfläche

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praktische Grenzen gibt, so gibt es auch, praktische Grenzen iür eine Erhöhung des Druckverhältnisses, der Temperatur und der Strahlgeschwindigkeit. Die angegebenen Werte, d.h. 15 : 1 für das Druckverhältnis, 1 000° K für die Temperatur und 1 069 m/s für die Strahlgeschwindigkeit sind zwar mit den heute zur Verfügung stehenden technischen Mitteln realisierbar, es können jedoch noch höhere Werte dafür ins Auge gefaßt werden, wenn die Konstruktion der einzelnen Bauelemente und die Hitzebeständigkeit der verwendeten Materialien noch vorbessert werden.

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Claims

Patentansprüche

M J iTugzeugstrahltriebwerk mit einem Hauptkanal, in welchem ein Verdichter, ein Brenner und eine den Verdichter antreibende und mit diesem verbundene Turbine in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind, und welcher eine Hauptdüse und einen Beipaßkanal aufweist, welch letzterer mit dem Hauptkanal in Verbindung steht sowie mit Druckmittel aus dem Hauptkanal gespeist wird und welcher in einer Vielzahl von Beipaßdüsen endigt, dadurch gekennzeichnet, daß der Beipaßkanal (21) an derjenigen Stelle mit dem Hauptkanal (10) Verbindung hat, an welcher ein in bezug auf die einzelnen Beipaßdüsen (N2) derart hoher Druck herrscht, daß an den Beipaßdüsen eine Strahlströmung erzeugt wird, deren Schallspektrum sein Maximum im Ultraschallfrequenzbereich hat.
2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beipaßdüsen (ΪΓ2) in mindestens einer Reihe nebeneinander bzw. hintereinander (Fig. 3) angeordnet sind.
3. Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,"

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daß die Beipaßdüsen (N2) mit Bezug auf das betreffende Flugzeug (15) abwärts gerichtet sind und in einer Beine hintereinander liegen, welche in Richtung der Achse des Verdichters (1i)und der Turbine (13) verläuft und-welche stromabwärts mit Bezug auf die Hauptdüse (N1) und versetzt gegenüber der Strombahn des aus der Hauptdüse austretenden Strahles angeordnet ist.
4-. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3> gekennzeichnet durch eine Einrichtung (16) zum Ablenken des aus der Hauptdüse (N1) austretenden Strahles aus einer mit Bezug auf das Flugzeug (15) rückwärts verlaufenden Eichtung in eine Richtung-, welche eine Abwärtskomponente aufweist.
5. Triebwerk nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine verstellbare Klappe 34·j welche längs der Beipaßdüsenreihe zu dieser parallel und außerdem stromabwärts von den Beipaßdüsen (N2) derart angeordnet ist, daß eine mit Bezug auf die genannte Beipaßdüsenreihe seitliche Schallausbreitung des Düsenstrahles verhindert wird.
6. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5> gekennzeichnet durch einen weiteren Kanal (23), welcher

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an einer Stelle zwischen dem Hauptkanal (10) und den Beipaßdüsen (N2) mit dem Beipaßkanal (21) verbunden ist, ferner durch eine weitere Düse (24), welche mit dem weiteren Kanal verbunden ist, und schließlich durch eine Ventileinrichtung (22), welche die Strömung derart in den Beipaßkanal hinein ableitet, dad diese unter Umgehung der BeipaSdUsen durch die weitere Düse hindurch austritt.

7« Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dafl die Beipaßdüsen ^l(N2) jeweils zwei im Querschnitt rechteckige Düsen-Austrittsöffnungen (29) aufweisen, welche sich auf jeweils einander gegenüberliegenden Seiten eines Mittelkörpers (31) befinden, der im Querschnitt eine im wesentlichen rechteckige Form und eine öffnung (32) aufweist, welche mindestens eine seiner Übrigen Seiten mit seinem stromabwärts gelegenen Ende derart verbindet, daß eine Lüfteinst römung zu einer Stelle zwischen den Düsen-Austrittsöffnungen hin erfolgt.

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