DE2157959A1 - Einrichtung zur Lärmdämpfung an Schubdüsen von Strahltriebwerken - Google Patents

Description

PATH	KTASWAlT
)IPL·. TNG.	TE? TTiT* ^xTT I1SrICnX?
no A	υ o a β tr ι? β
iHitipPXsrK-	V/KLS Hit-STIlASSB 1«
	ωηιΐ, «137S
i.L ·	Bio

ugsburg, den 19· November 1971

./V //ί-> /JS/'A-'SsSs,- _t-

■Ie ■ärft-^eg- etei .von—Cfjpoi^bClAg-LaBd^——

-'gtä

iCLuriohtung sur Lärmdärnpfung an Schubdüsen von

Strahltriebwerken

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Lärmdämpfung ar> Schubdüsen von Strahltriebwerken.

l'/äürend des- Startens von Diisenfluy:-:eugen stört,

209834/0591

während sich das Flugzeug noch auf dem Boden befindet, nur der in Richtung parallel zum Boden ausgesandte StrahLlarm Menschen, die sich in der Hähe des Plugzeuges befinden. In der vertikalen Richtung ausgesa.ndter Lärm ist in diesem Pail von wesentlich geringerer Bedeutung.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine verbesserte Einrichtung zur Lärmdämpfung an Schubdüsen von Strahltriebwerken zu schaffen, und zwar zur Dämpfung des Düsenlärms in einer bestimmten Axialebene der Schubdüse.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die Erfindung eine Einrichtung zur Lärmdämpfung an Schubdüsen von Strahltriebwerken, welche gemäß der Erfindung durch einen Abgaskanal gekennzeichnet ist, dessen Austrittsöffnung durch einen Rand begrenzt ist, der hauptsächlich in einer Querebene zur Kanallängsachse liegt und an beiderseits der Kanallängsachse einander gegenüberliegenden Stellen mit Aussparungen versehen ist, so daß an diesen Stellen der Kanal in Querrichtung zu seiner Längsachse gegenüber der Umgebung

209834/0 591

BAD ORIGINAL

'-ffen ist.

VJenn die Düse mit einem Lj ■ ";!o/3rhältnis grö3er als 1:1, vorzugsweise größer als 2:1 betrieben v.'ird, bewirkt das Vorhandensein dsr Aussparungen, daß sich die Strahlströmung auf den einander gegenüberliegenden Seiten der Kanallängsachse verbreitert, ^- während sie an den übrigen Seiten verhältnismäßig ungestört bleibt. . ~ _

Ein sich den Rändern des verbreiterten Strahles gegenüber befindlicher Beobachter stellt fest, daß der Sahaildruckpegel geringer ist als bei Miien Strahl au:; einer vergleichbaren Düse ohne

Mehrere AusfUhrangsbeispiele der Erfindung sind in el«3xi Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden nähe:* oescnrieben. E^ seigen:

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung

eine bevorzugte AusfUhrungsforn einer Schubdüse nach der Erfindung,

0 9 8 3 4/0591 bad original

Pig. 2 eine Seitenansicht der in Fig.

dargestellten Schubdüse nach der Erfindung,

Fig. 3 eine Endansicht der Schubdüse

in Fig. 2,

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der

Geräuschmessung an dem aus der Schubdüse austretenden Strahl,

Fig. 5 in einem Diagramm Strahllärm

kennlinien von Schubdüsen,

Fig. 6 in Seitenansicht eine weitere

bevorzugte Ausführungsform der Schubdüse nach der Erfindung,

Fig. 7 eine Endansicht der in Fig. β

dargestellten Schubdüse,

Fig. 8 teilweise im Längsschnitt nochmals

eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Schubdüse nach der Erfindung., und

Fig. 9 einen Schnitt auf der Linie IX-IX

in Fig. 8,

209834/0591

Pig. 1 zeigt eine Schubdüse 10 für ein nicht dargestelltes Gasturbinentriebwerk.. Die Schubdüse weist einen konvergenten, ringförmigen Abgaskanal auf, welcher in einem die Düsenaustrittsöffnung festlegenden Rand 12 endigt. Teile IJ des Randes liegen in einer Ebene 15, welche rechtwinkelig zu einer Achse 11 des Kanales verläuft. Die Achse entspricht der mittleren Strömungsrichtung durch f

die Düse. Der Rand 12 weist außerdem Teile l8 in Form von Aussparungen 16 auf, welche auf einander gegenüberliegenden Seiten der Achse 11 liegen und in-deren Bereich der Kanal 14 gegenüber der Umgebungsluft geöffnet ist. Wenn die Schubdüse 10 die übliche kreisförmige Austrittsöffnung hat, so behält ein aus ihr austretender Strahlstrom 20 einen etwa kreisförmigen Querschnitt 21 bei. Das Vorhandensein der Aussparungen hat jedoch zur Folge, daß der Strahl von der Achse 11 ^

weggerichtete und einer Ebene 26 des Durchmessers, auf welchem sich die Aussparungen befinden, gelegene Bewegungskomponenten 22, 2j5 aufweist. Der Strahl wird demzufolge deformiert, d.h. er weicht von der Kreisform ab und nimmt eine Gestalt 23 an, in

2 09834/0591

welcher er in der Ebene 26 erweitert und in geringerem Maße in einer dazu senkrechten Ebene 27 abgeflacht ist. Der Grad der Deformation steigt mit der Entfernung von der Austrittsöffnung.

Die Strahldeforraation hat zur Folge, daß der Düsenlärm in der Ebene 26 geringer ist als der von einem Strahl aus einer vergleichbaren Schubdüse mit einer Austrittsöffnung ohne Aussparungen ausgehende Lärm. Allgemein kann man sagen, daß mit zunehmender Strahldeformation die Geräuschdämpfung besser wird. Die Deformation steigt mit der Größe der Aussparungen und mit dem Druckverhältnis der Schubdüse, d.h. mit dem Druckabfall an der von dem Rand 12 begrenzten Fläche an. Dieser Druckabfall ist für die Ausbildung der seitlichen Bewegungskomponenten erforderlich, wofür ein Druckverhältnis von 1 : 1 nicht ausreichend ist. Die Deformation des Strahles ist von einem Schubverlust des Triebwerkes begleitet. Bezüglich der Größe der Aussparungen muß deshalb ein Kompromiß zwischen Geräuschdämpfung und Schubverlust gefunden ■ werden.

- 6 209834/0591

Als Ergebnis eines Versuches wurde eine Geräuschminderung um etwa 10 PNdB (bewerteter Schallpegel) gegenüber einem Schubverlust von etx?a fünf Prozent erreicht. Die in den Pig. 2 und 3 dargestellte Versuchsschubdüse wies dabei die in Fig. 2 angegebenen Abmessungen auf und wurde bei einem Druckverhältnis von 3,25 : 1 und einer Gastemperatur von 1100 °K betrieben. Das Geräusch wurde in der üblichen Weise an, einen bestimmten Abstand voneinander aufweisenden Punkten längs einer Linie D parallel zur Schubdüsenachse gemessen, wie in Fig. 4 dargestellt, wobei der Abstand eines beliebigen dieser Punkte von der Schubdüse durch einen V/inkel χ. gegeben ist. Die Ergebnisse der Geräuschmessungen sind in Fig. 5 aufgezeichnet, wobei sich die Kurven A, B und C jeweils auf die Geräuschpegel in den Ebenen 26 hzw. 27 und auf den Geräuschpegel einer vergleichbaren Bezugεεchubdüse %

beziehen, deren Austrittsöffnung keine Aussparungen aufweist. Die Bezugsschubdüse, deren Austrittsöffnung in Fig. 3 bei 1OA dargestellt ist, war "vergleichbar" in dem Sinne, daß sie die gleiche Massenströmung, das gleiche Druckverhältnis und die gleiche Gastemperatur wie die Schubdüse 10 hatte. Eine derartige Äquivalenz liegt vor, wenn die Austrittsfläche der Bezugsschubdüse

20983^/0591 bad original

angenähert gleich der projizierten Fläche der Schubdüse 10 ist, wie in Fig. J5 dargestellt.

Es zeigt sich, daß der höchste Lärmpegel in der Ebene 26 (Kurve A) beträchtlich geringer war als der höchste Lärmpegel der Bezugsschubdüse. Die höchsten Lärmpegel in der Ebene 27 (Kurve B) lagen verhältnismäßig hoch und können tatsächlich oberhalb der Kurve C liegen, so daß man sa.gen kann, daß die insgesamt abgestrahlte Schalleistung der Schubdüse 10 sich nlGht wesentlich von der von der Bezugsschubdüse abgestrahlten Gesamtschalleistung unterscheidet. Die Ausbreitung des Strahls erfolgte unter einem /iinkel β (Fig. 4) von 40° bis 45°.

In den Fig. 6. und 7 ist eine Schubdüse 110 dargestellt, welche einen in einem Rand 112A endigenden Kanalteil 114A und einen in einem Rand 112B endigenden weiteren Kanalteil 114B aufweist. Der Rand 112B liegt stromauf des Randes 112A und vollständig in einer Ebene II5B quer zu einer Achse 111 der Schubdüse. Teile Ilj5 des Randes 112A liegen in einer Ebene

209834/0591

quer zu der Achse 111. Teile 118 des Randes 112A bilden zwei diametral einander gegenüberliegende Aussparungen 116, welche den Aussparungen 16 der Schubdüse 10 entsprechen.

Der Kanalteil 114A besteht aus zwei an Armen zur Verschiebung zwischen einer in ausgezogenen

Linien dargestellten Betriebsstellung und einer in ^

strichpunktierten Linien dargestellten Nichtbetriebsstellung gehalterten Hälften II7. Diese Hälften sind, derart geformt, daß sie in der Betriebstellung den Rand 112A und außerdem zwischen sich die Aussparungen II6 bilden. In dieser Stellung bildet der Teil 114A stromab einen Ansatz an dem Teil 114-B und der Rand 112A bildet die Steueraustrittsöffnung der Schubdüse.

Die Verschiebung der Hälften II7 wird durch Pneumatikmotoren lj?0 bewirkt, von welchen nur einer dargestellt ist. Während der Verschiebung aus der Betriebsstellung bewirken die Arme 120, daß die Hälften II7 eine Bewepjung mit einer quer von der

20983 4/0591

2157958

Achse 111 v/egger Ichteten Komponente ausführen, um den Rand 112B freizugeben, damit die an diesem austretende Strömung nicht mehr beeinflußt wird.

Die genannte Bewegung hat außerdem eine Längskomponente.

Am Ende der Bewegung liegen die Randteile II3 in der Ebene 115B des Randes 112B, welch letzterer dann die steuernde Austrittsöffnung der Schubdüse bildet.

Die Michtbetriebsstellung wird eingestellt, wenn das Erzeugen eines starken Schubes wichtiger ist als die Lärmdämpfung, beispielsweise während des Reisefluges, im Unterschied zum Starten des Flugzeuges.

Die Strömungsquerschnittsflächen innerhalb der Ränder 112A und 112B sollten gleich groß sein, damit das Schubdüsendruckverhältnis beim Übergang von einer Betriebsart zur anderen nicht verändert wird. Aufgrund der Konvergenz der Kanäle ll4A, 114b ist es möglich, diese Bedingung zu erfüllen.

Eine in den Fig. 8 und 9 dargestellte Schubdüse weist einen Kanalteil 214A in Form eines Zylinders mit

- 10 -

2098 3 4/0591

einem Rand 212A auf, wobei Randteile 215 in einer Ebene 215 quer zur Achse 211 der Schubdüse liegen und wcoei Randteile 2lS zwei einander diametral gegenüberliegende Aussparungen 216 bilden. Der Kanalteil 21-1-A ist durch ein Teil 230 gehaltert, welches einen vreiteren Kanalteil 214B umschließt, der konvergent ist und zu dem Kanalteil 214A koaxial angeordnet ist. Der Teil 214B v/eist eine von einem Rand 212B gebildete I

Austrittsöffnung auf.

Der Teil 214A ist auf dem Teil 214B um die Achse drehbar gelagert, so daß die Aussparungen 216 zwischen Ebenen 226 und 227 (Fig. 9) in einem WinkeIbereich von 90 verstellt v/erden können, beispielsweise zum Umschalten von einer Lärmdämpfung in einer Horizontalebene während des Rollens des Flugzeuges auf dem Boden beim Starten auf eine Lärmdämpfung in einer Vertikal- λ

ebene während des Fliegens in geringer Höhe.über bebauten Gebieten in der Nähe des Flugplatzes.

Der Teil 214B weist zwei Ansätze 2^1 auf, welche derart angeordnet sind, daß sie die Aussparungen 216

- 11 -

209834/0591 BAD ORIGINAL

verschließen, wenn der Teil 2l4A über den genannten 90°-Bereich hinaus verstellt wird, um dadurch die Lärmdämpfungseinrichtung außer Betrieb zu setzen.

Die Austrittsöffnung der Schubdüse 210 wird im wesentlichen durch den Rand 212B gebildet. Es ist klar, ' daß sich die Querschnittsfläche dieser Öffnung während der Drehung des Teiles 2l4A zwischen Stellungen, in welchen die Aussparungen 216 jeweils geöffnet bzw. geschlossen sind, nicht ändert, weil der Durchmesser des Teiles 2l4A im Bereich von dessen gesamter Länge gleich ist.

Die Drehung des Teiles 21 4a bewirkt ein Seil 2j56, ;veiehes um den Teil 2JO herumgeschlungen und an einer Stelle an diesem befestigt ist. Die Enden des Seiles sind über Seilrollen 237 geführt und an Zahnstangen 2j58, 239 befestigt, welche mit einem von einem Pneumatikmotor 241 angetriebenen Zahnrad 240 kämmen. Die Seilscheiben, die Zahnstangen, das Zahnrad und der Motor sind jeweils an einem Strahlrohr 242 gehaltert, welches die Schubdüse mit einem nicht; dargestellten

- 12 -

BAD OBlQiNAL

Triebwerk verbindet.

Die axiale Länge des Teiles 2l4A sollte nicht größer sein, als es.für die Lage der Aussparungen stromab des Randes 212B erforderlich ist, da anderenfalls ein Abfall des für.die Wirksamkeit der Aussparungen 2ΐβ beim Abflachen des Strahles erforderlichen Gasdruckes ^

auftreten würde.

Die akustischen Vorgänge bei der Lärmdämpfung durch eine gemäß der Erfindung ausgebildete Schubdüse sind noch nicht völlig geklärt. Es scheint jedoch, daß nur ein verhältnismäßig geringer Anteil der Massenströmung des Strahles an dem Verbreiterungsvorgang desselben beteiligt ist. Das bedeutet, daß das Moment des Strahles in Richtung der Schubdüsenachse und deshalb der Triebwerksschub verhältnismäßig ungestört bleiben. Gleichzeitig scheint die gesamte abgestrahlte Schalleistung des Strahles gleich derjenigen Schalleistung zu sein, welche von einer vergleichbaren Schubdüse herkömmlicher Bauart abgestrahlt wird. Das legt nahe, daß die Lärmverminderung

209834/05 91

BAD ORIGINAL.

in der Ebene der Aussparungen von einer Verstärkung an anderer Stelle in dem Schallfeld un den Strahl herum begleitet ist, wodurch sich auch der verhältnismäßig geringe Schubverlus't erklärt.

-U-

209834/0591

BAD ORIGINAL

Claims (6)

1. Pat ent ans pr ü ehe

   1J Einrichtung zur Lärmdämpfung an Schubdüsen von Strahltriebvierken, gekennzeichnet durch einen Abgaskanal (14), dessen Austrittsöffnung durch einen Hand (12) begrenzt ist, der hauptsächlich in einer Querebene (15) zur Kanallängsachse liegt und an zwei beiderseits der Kanallängsachse (11) einander gegenüberliegenden Stellen (l8) mit Aussparungen (16) versehen ist, so daß an diesen Stellen der Kanal in Querrichtung zu seiner Längsachse gegenüber der Umgebung offen ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ersten Kanalteil (114A), welcher den Rand (112A) mit den Aussparungen (116) aufweist,

   ferner durch einen zweiten Kanalteil (114B), dessen \

   Rand (112B) eine vollständig in der Querebene (115B) zur Kanallängsachse (111) liegende Austrittsöffnung festlegt, und schließlich durch eine ■Verstellvorrichtung (1^0) zur Verschiebung des ersten Kanalteiles (114a) zwischen einer Betriebsstellung, in

   - 15 -

   209834/0591

   BAD ORiGINAL

   welcher er stromab einen Ansatz an dem zweiten Kanalteil (114b) bildet und der mit den Aussparungen versehene Rand (112A) die Austrittsöffnung des Abgaskanals begrenzt, und einer Nichtbetriebsstellung, in welcher der erste Kanalteil (114a) von der Austrittsöffnung des zweiten Kanalteils (114b) weggeschoben ist, so daß diese Austrittsöffnung die Austrittsöffnung des Abgaskanals bildet.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Verschließen der Aussparungen.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgaskanal einen den Rand (212A) mit den Aussparungen (216) aufweisenden ersten Kanalteil· (214a) und einen zweiten, koaxialen Kanalteil (214B) aufweist, auf welchem der erste Kanalteil zur Änderung der Winkellage der Aussparungen innerhalb eines bestimmten Bereiches um die Kanallängsachse (211) drehbar gelagert ist.
5. 5· Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

   209834/0591

   BAD ORIGINAL

   daß der erste Kanalteil (114a) aus mindestens zwei Teilen (117) besteht, welche bei in Betriebsstellung befindlichem ersten Kanalteil zwischen sich die Aussparungen (ll6) bilden, und außerdem Vorrichtungen (120) aufweist, mittels welchen diese Teile (11?)derart gehaltert sind, daß sie zwischen der Betriebs- und Nichtbetriebsstellung in Richtungen, Vielehe mindestens eine Querkomponente zur Kanallängsachse haben, verschiebbar sind. _ " ν
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kanalteil (214B) konvergent ist und an seinem Ende (212B) mit der kleineren Querschnittsfläche einen, eine Austrittsöffnung festlegenden Rand aufweist und daß der erste Kanalteil (214a) überall gleichen Strömungsquerschnitt

   aufweist und sich stromab der Ausstrittsöffnung fj

   des zweiten Kanalteils (214b) erstreckt«

   - 17 -

   209834/0591

   BAD

   Leerseite