DE2133378A1

DE2133378A1 - Laermminderung bei rotoren

Info

Publication number: DE2133378A1
Application number: DE19712133378
Authority: DE
Inventors: Oskar Dipl-Ing Dr Bschorr
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1971-07-05
Filing date: 1971-07-05
Publication date: 1973-01-18

Description

MESSERSCHMITT-BOLKOW-BLOHM

GESELLSCHAFT
MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG

8 München, 30. Juni 1971 Frc/Ke

Lärmminderung bei Rotoren

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lärmminderung von Rotoren, insbesondere von Flug·- und Schiffspropellern, 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Rotorlärm in einem interessierenden Bereich auszulöschen. Im besonderen soll eine Rundum-Auslöschung erreicht werden. Für eine Reihe von Anwendungefällen, z. B. bei Hubschrauberrotoren, Ventilatoren usw. genügt es, gegebenenfalls nur eine Halbbreite bzw. einen kegelförmigen Bereich auszulöschen.

Der Rotorlärm entsteht dadurch, daß durch den Rotor örtlich wechselnde Kräfte auf das Arbeitsmedium, ζ. Β. Luft oder Wasser,

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eingeleitet werden. Dies sind die in Propellerachse wirkende Schubkraft, die in Umfangsrichtung wirkende Momentenkraft und die radial nach außen wirkende Zentrifugalkraft. Eine weitere Lärmart ist der sogenannte Verdrängerlärm, der durch die Blattdicke des Rotors verursacht wird.

Akustisch gesehen stellen die angeführten Entstehungsmechanismen Dipole dar. Für ein Rotorsegment lassen sich die verschiedenen Dipolkomponenten zu einem Gesamtdipol addieren. Nach einem Merkmal der Erfindung wird der negative Wert dieses Gesamtdipols

W durch eine Quellen- und Senkenströmung nachgebildet. Quelle und Senke liegen dabei auf der Dipolachse und zwar zu beiden Seiten in gleichem Abstand des Rotorsegments. Zur Verkleinerung der Quellen- bzw. Senkenstärke wird der Abstand von Quelle und Senke möglichst groß gemacht. Die Größe des Abstandes ist aber bedingt durch die Wellenlänge des noch auszulöschenden Rotorlärms. Quelle und Senke stellen rotorfeste Öffnungen dar aus denen ein Medium z. B. Luft, Wasser ausströmt bzw. einströmt. Bei Propellern handelt es sich hierbei im wesentlichen um eine kontinuierliche Ausströmung, bei zyklisch verstellbaren Rotorblättern und/oder bei asymmetrischer Ausströmung ändert sich der Ausströmfluß und die Orientierung von Quelle und Senke entsprechend der radialen Änderung des Gesamtdipols zyklisch. - Zur einfacheren Beschreibung war bis jetzt lediglich ein bestimmtes Rotorsegment berücksichtigt worden. Um das Lärmfeld des gesamten Rotors auszulöschen, ist das Verfahren identisch zu wiederholen.

Wenn es genügt, nur eine Seite - beim Hubschrauber die Unterseite - auszulöschen, vereinfacht sich der Aufwand der negativen Nachbildung der lokalen Dipolverteilung wesentlich. Dabei kann das Lärmfeld der betreffenden Seite, bzw. in einem interessierenden kegelförmigen Bereich dadurch approximiert werden, daß am Rotor selbst oder an einem mitrotierenden zweiten, eventuell verkürzten Arm Quellen und/oder Senken angeordnet sind. Da es sich hierbei um keine identische Nachbildung handelt, kann die

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Stärke und die Lage der Quellen bzw. Senken im wesentlichen durch Vergleichsrechnungen, bei denen die einzelnen Parameter bis zum Optimum durchvariiert werden, bestimmt werden. Zweckmäßigerweise erfolgt dies auf einem Rechner, der die einzelnen Kombinationen durchvariiert und das Auslöschmaximum festhält.

Zur Erzeugung der geforderten Quellen- bzw. Senkenströmung können verschiedene Energieträger benützt werden. Die Quellenströmung kann z. B. mittels Abgasen erzeugt werden. Zweckmäßigerweise erfolgt dabei die Ausströmung entgegen der Umfangsgeschwindigkeit, so daß die Reaktionskräfte für den Rotorantrieb ausgenützt werden können. Vorteilhafterweise erfolgt die Ausströmung an der Rotorhinterkante. Bekanntlich kann dadurch die Aerodynamik des Rotors verbessert werden. Weiter kann die Rotation der Quellen bzw. Senken als Antriebsmechanismus benützt werden. In Umfangsrichtung wirkt der Staudruck (statischer Druck und Geschwindigkeitsdruck), senkrecht zur Umfangsgeschwindigkeit wirkt lediglich der statische Druck. Ein solches Druckgefälle kann für eine Quellen/Senken-Strömung herangezogen werden. Weiter kann auch die Zentrifugalkraftwirkung der Rotation als Antriebseffekt für eine Quellen/ Senken-Strömung benützt werden.

Quellen/Senken-Strömungen können auch durch Verdrängerkörper dargestellt werden. Durch die endlichen Abmessungen des Verdrängungskörpers wird an der Vorderseite bei Bewegung Medium verdrängt und an der Rückseite Mediumvolumen freigemacht. Durch die Lage und die Formgebung des Verdrängungskörpers lassen sich dadurch allgemeine, auch flächenhafte Quellen/Senkenverteilungen verifizieren. Wegen des Luftwiderstandes sind natürlich nur strömungsgünstige Formen sinnvoll.

In den Abbildungen sind verschiedene Ausführungsformen der Erfindung dargestellt; es zeigen:

Fig. 1 a: Ausführungsbeispiel mit Quellen/Senken; Fig. 1 b: Schnitt durch Senkenöffnung;

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Flg. 1 c: Schnitt durch Quellenöffnung:

Fig. 2 : Ausführungsbeispiel mit Quellenströmung:

Fig. 3 ' Ausführungsbeispiel mit verkürztem Arm; Fig. 4 : Ausführungsbeispiel mit Zentrifugalkraft getriebener

Quellen/Senkenströmung;
Fig. 5 : Ausführungsbeispiel mit Verdrängerkörper.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel mit identischer negativer Nachbildung der Dipolverteilung dargestellt. Dem Propellerblatt 1 sind zwei mitrotierende Arme 3 und 4 zugeordnet. Der Arm 3,

^ " in Fig. 1 b im Querschnitt dargestellt, hat strömungsgünstige Form, ist hohl und weist an der Vorderkante eine Öffnung 5 auf um damit eine Senkenströmung zu verifizieren. Das eintretende Strömungsmedium, z. B. Luft, wird in dem hohlen Innenquerschnitt abgesaugt. Der Arm 4 für eine Quellenströmung ist analog aufgebaut. Fig. 1 c stellt einen Cuerschnitt durch den Arm 4 dar. Durch den hohlen Innenquerschnitt wird das Ausströmmedium zugeführt um durch die an der Hinterkante befindliche Öffnung 6 auszuströmen. Die Stärke der Quellen- bzw. Senkenströmung und die ■Orientierung der Einström- und Ausströmungsöffnungen 5i 6 richtet sich nach der Dipolverteilung am Propeller. Die Dipolverteilungen von Propeller und Arm 3» 4 sind jeweils entgegengesetzt gleich. Die Verteilung des Dipolmoments und Umfangsrichtung, die bekanntlich die spektrale Zusammensetzung des Rotorlärms bestimmt, ■wird durch eine entsprechende Gestaltung der Breite der Einlaßöffnung 5 bzw. Auslaßöffnung 6 nachgebildet.

Bei Verstellung des Propellerblattes 1 bzw. bei Drehzahländerung aw. ändert sich die Momentenverteilung des Propellers. Diese Änderung wird durch die Stärke der Quell- bzw. Senkenströmung bzw.. durch Verdrehung oder Verschieben der Arme 3 bzw. 4 nachgestellt.

Sas Ausführungsbeispiel in Fig. 2 ist in der Konzeption identisch dem der Fig. 1. Einem Rotorblatt 11 sind zwei mitrotierende Arme ■£3d l4 zugeordnet» Da bei einer Senkenströmung Sauggebläse not-

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wendig wären, wird die Senkenströmung durch eine in der Phase um l80 versetzte Quellenströmung ersetzt. Gegenüber Fig* I ist dabei der für die Senkenströmung vorgesehene Arm 3 in Fig. 2 der Arm 13 (bei einem zvreiblättrigem Propeller) um 90 gedreht.

l80° Bei einem η-blättrigen Rotor beträgt die Winkelversetzung Die Querschnitte der Arme 13» l4 sind identisch zu Fig 1 c. Formal läßt sich Aufbau, Funktion und Verstellung des Beispiels der Fig. 2 an die Ausführungen für Fig. 1 anschließen, wenn die Quellenströmung des Armes 13 in eine um l80 in der Phase gedrehte Senkenströmung entsprechend dem Arm 3 zurückgeführt wird.

Die Quellenströmung läßt sich auf verschiedene Weisen betreiben. Einmal kann Abgas über die Welle 12 in die Arme 13» 14 geleitet werden. Zum anderen kann Luft durch die Öffnung in der Welle eingesaugt werden, die durch die Zentrifugalkraftwirkung nach außen beschleunigt wird, so daß die Strömung aufrechterhalten wird.

Während in den Beispielen der Fig. 1 und 2 die Dipolverteilung gleich aber entgegengesetzt nachgebildet wurde, "so waren dadurch auch automatisch die Schallfelder von Rotor und Arm entgegengesetzt gleich und löschten sich aus. Bei dieser Auslegung waren die Auslöschungsbedingungen Antiphase und gleiche Phasenfrontgeometrie identisch erfüllt.. Bei dieser Auslegung war es notwendig, die Arme im wesentlichen so lang zu machen wie die Rotorblätter. Verzichtet man auf eine allzeitige Auslöschung zugunsten einer Auslöschung auf nur einer Seite, so ergeben sich vereinfachte Ausführungen. Diese sind in den Fig. 3 bis 5 näher dargestellt.

In Fig. 3 drehen die Arme 23 und 24 zusammen mit dem Rotor 21, angetrieben über die Rotorwelle 22. Der Arm 23 weist entsprechend Fig. 1 b an der Vorderseite Eintrittsöffnungen und der Arm 24 entsprechend Fig. 1 c Austrittsöffnungen auf. Die Arme 23 und 24 sind innen hohl und durch eine Schlaufe 27 miteinander verbunden. Dadurch gelingt es, eine Quellen/Senkenströmung aufrechtzuerhalten. Das notwendige Druckgefälle ergibt sich aus dem Unterschied von Staudruck und statischem Druck. Wird der

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Luftströmung in der Schlaufe 27 Wärme zugeführt, so kann damit die Strömungsgeschwindigkeit weiter erhöht werden.

In dem dargestellten Beispiel befinden sich die Arme 23 und oberhalb am Rotor 21. Damit gelingt es, die Phasenflächenfront auf der Unterseite besser anzunähern: In Rotorebene bilden die Phasenflächen Archimedische Spiralen. Senkrecht zur Propellerebene bilden die Phasenflächen ellipsenähnliche Kurven, deren Achsen größenordnungsmäßig um die Rotorlänge differieren. Der exakte Kurvenverlauf ergibt sich aus Superposition der Dipolquellverteilung über dem Rotor. Durch die Versetzung der Arme " 23 und 24 nach oben ergibt sich dadurch eine bessere Anpassung der Phasenfronten. Bei Verkürzung der Arme 23 und 24 gegenüber dem Rotor 21 ergibt sich keine direkte Regel zur Festlegung der Quell- bzw. Senkenstärke bzw. der Orientierung von Quelle und Senke. Die günstigste Kombination ist jeweils durch Variation der Einflußparameter zu bestimmen. - Für bestimmte Anwendungsfälle, z. B. bei Start und Landung von Hubschraubern, ist es ausreichend, nicht ständig den gesamten unteren Halbraum auszulöschen sondern unmittelbar bei Start und Landung einen Bereich in der Rotorebene und in größerer Höhe einen nach unten gerichteten Kegel.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel mit weiterer Reduzierung des Aufwandes dargestellt. Im wesentlichen starr zum Rotor Jl dreht ein Arm 3² mit. Im Arm 3² sind in Umfangsrichtung Eintritt soffnungen 35 und entgegen der Umfangerichtung Austrittsöffnungen 36. Jeweils eine Eintrittsöffnung 35 und eine Austrittsöffnung sind durch einen radial nach außen führenden Kanal miteinander verbunden. Durch die Zentrifugalwirkung wird dadurch eine Quellen/Senkenströmung aufrechterhalten. Durch die Abwechslung von Quelle und Senke in radialer Richtung gelingt es, die notwendige Armlänge weiter zu verkürzen, da sich dadurch eine Richtcharakteristik mit höherer Nullstellenzahl ergibt. Die Anpassung an das auszulöschende Rotorfeld ergibt sich wiederum durch Variation.

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In Fig. 5 wird eine Quelle/Senkenströmung durch Verdrängerkörper k3 verifiziert. Diese befinden sich fest am Propeller kl oder an einem speziellen Arm. Eine Querschnittszunahme in Umfangsrichtung entspricht einer Volumenquelle, während eine Querschnittsabnahme einer Volumensenke entspricht. Durch die Querschnittsgebung kann damit weitgehend jede geforderte Quelle-Senkenverteilung erzeugt werden. Diese wird durch Variation der Einflußparameter so gewählt, daß sich in einem gewünschten Bereich Lärmauslöschung ergibt.

Die Verdrängerkörper können starr oder in ihrer Form veränderbar sein. Dadurch ist es möglich, die Quelle/Senkenverteilung veränderten Zustandsbedingungen anzupassen. Weiter ist es zweckmäßig, in großen Flughöhen, wenn der Rotorlärm infolge der vergrößerten Entfernung nicht mehr störend wirkt, die Verdrängerkörper auf möglichst kleines Volumen zusammenzuklappen.

Sinngemäß ist es auch bei den übrigen Ausführungsbeispielen zweckmäßig, die Quellen/Senkenströmungen abzuschalten, wenn keine Lärmbelästigung mehr vorliegt. Dies kann in einfacher Weise durch Schließen der Eintritts- und Austrittsöffnungen erfolgen oder dadurch, daß die Arme entkoppelt werden und nicht weiter mitrotieren.

- Patentanspräche -

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Claims

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Pat entansprüche

1. yLärmauslöschung von Rotoren mittels Antischall, dadurch gekennzeichnet , daß die den Rotorlärm erzeugenden Dipolkräfte gleich aber entgegengesetzt durch eine Quellen- und Senkenströmung nachgebildet werden, wofe bei sich die Quellen- und Senkenöffnungen an synchron und konzentrisch zum Rotor mitdrehenden Armen (3» 4) befinden und die Zahl der Armpaare gleich der Zahl der Rotorblätter ist.

2. Lärmauslöschung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Senkenströmung durch eine Quellenströmung ersetzt wird, dergestalt, daß die Quellenöffnung in der Phase um l80 , was bei einem n-blättrigen

l80°
Propeller einer Drehung von — entspricht, gegenüber der

Senkenöffnung angebracht ist.

3» Lärmauslöschung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e - ψ kennzeichnet, daß zur halbseitigen kegelförmigen Rundumauslöschung ein Arm (23) mit Senken- oder Quellenöffnungen und ein Arm (24) mit Quellen- oder Senkenöffnungen durch eine Verbindungsschlaufe (27) miteinander verbunden sind, so daß eine Mediumströmung im Arm von den Senkenöffnungen zu den Quelleiröffnungen möglich ist und daß beide Arme konzentrisch zur Rotorachse mit der Rotordrehzahl rotieren.

%o Lärmauslöschung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet , daß zur

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halbseitigen oder kegelförmigen Rundumauslöschung pro Rotorblatt mindestens ein Arm (33) vorgesehen ist, der konzentrisch mit dem Rotor mitdreht, an dem in Umfangsrichtung gesehen sich an der Vorderseite Senkenöffnungen (35) und an der Rückseite Quellenöffnungen (36) befinden, dergestalt, daß jeweils im Arm ein Strömungskanal von der Senkenöffnung zu einer radial nach außen liegenden Quellenöffnung besteht und daß sich Senken und Quellenöffnungen jeweils abwechseln.

5· Lärmauslöschung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet , daß zur einseitigen oder kegelförmigen Rundumauslöschung strömungsgünstige Verdrängerkörper am Rotorblatt und/oder an speziellen mitrotierenden Armen vorgesehen sind, so daß durch eine Querschnittszunahme eine Quellenströmung und durch eine Querschnitt sabnahme eine Senkenströmung verifiziert wird.

6. Lärmauslöschung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet , daß bei Wegfall der Lärmstörung die Quellen- und/oder Senkenströmung abgeschaltet wird, dergestalt, daß durch eine Verstellung die Quellen- oder Senkenöffnungen geschlossen werden und/oder die mitrotierenden Arme entkoppelt und dadurch zum Stillstand kommen oder frei mitdrehen.

7· Lärmauslöschung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

6, dadurch gekennzeichnet , daß bei Wegfall der Lärmstörung die Verdrängerkörper zusammengeklappt bzw. eingezogen werden.

8. Lärmauslöschung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

7, dadurch gekennzeichnet , daß bei Veränderung des Betriebszustandes des Rotors die Quellen- und/oder Senkenströmung entsprechend dem Auslöschungsoptimum verstellt wird, durch Veränderung der Öffnungsfläche der Quellen- und/ oder Senkenöffnungen, durch Verschieben und/oder Verdrehen

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der Arme, wobei diese Verstellungen nach der an sich.bekannten Art der Propellerblattverstellung während der
Rotation erfolgt.

9. Lärmauslöschung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß bei zyklischer Rotorblattverstellung eine dem Auslöschungsoptimum analoge, zyklische Verstellung der Quellen- und/ oder Senkenströmung vorgenommen wird.

P 10. Lärmauslöschung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 91 dadurch gekennzeichnet , daß zur Auffindung der optimalen Ausloschungsbedingungen auf einem Rechner die verschiedenen Einflußparameter durchvariiert werden, um für die in Frage kommenden Betriebszustände
optimalen Einstellungen zu haben.

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