DE2242219C2 - Vortriebsgebläse - Google Patents
VortriebsgebläseInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Vortriebsgebläse der im
Oberbegriff des ."itentanspruchs 1 angegebenen ArL
Mantelstromtti€bwerke mit Fans, die viele Schaufeln
mit festem Anstellwinkel aufweisen, wie beispielsweise das 5 :1 -Mantelstromtriebwerk JT9D der Firma Pratt
& Whitney Aircraft oder das 6 :1 -Mantelstromtriebwerk TF-34 der Firma General Electric sind Beispiele
für den Stand der Technik im Bereich der Vortriebsgebläse. Die Fans dieser Gebläse arbeiten mit Fandruckverhältnissen von 1.4 bis 1,5 und erfordern bei diesen
Belastungen eine hohe Schaufelfestigkeit und müssen sich mit hohen Schaufelspitzengeschwindigkeiten drehen, damit eine gu'e Leistung erzielt wird. Infolgedessen
erzeugen solche Fans hohe Lärmpegel. Es ist außerdem üblich, zum Erzielen niedrigerer Lärmpegel, insbesondere bei der Verwendung bei Verkehrsflugzeugen, bei
diesen Fans von Lärmminderungsv rrichtungen, wie beispielsweise langen Ummantelungen mit schallschlukkenden Auskleidungen und Ringen, übermäßigen
Gebrauch zu machen. Diese Lärmminderungsmethoden haben sich jedoch als ziemlich kostspielig erwiesen, weil
sie das Gewicht erhöhen und die Leistungsfähigkeit des Flugzeugs verringern.
Es ist weiter bekannt (DE-OS 19 11 076 und 19 64 057
sowie US-PS 33 30475), daß bei solchen Vortriebsgebläsen die Fanschaufelspitzen eine Umfangsgcschwin-
digkeit besitzen, die größer als die Schallgeschwindigkeit ist, und ferner ist es zwar bekannt (»Maschinenbautechnik«. 7. Jahrgang. Heft II. 1958). daß der Lärm
durch Senken der Umfangsgeschwindigkeit der Fanschaufein gemindert werden kann, bei der Konstruktion so
von Gebläsestufen in Gasturbinentriebwerken, die ein gutes Leistungsvermögen aufweisen, wurde jedoch
weiterhin stets davon ausgegangen, daß die Fanschaufelspitzenumfangsgeschwindigkeit bei großer Fanschaufelzahl oberhalb der Schallgeschwindigkeit liegen
muß. Dadurch ergeben sich die oben beschriebenen Triebwerke, die besonders laut sind und besondere
Einrichtungen, wie schalldämpfende Wände, zur Lärmminderung benötigen, was mit den ebenfalls vorher
erwähnten Nachteilen verbunden ist. Es ist weiter allgemein bekannt, daß das menschliche Ohr in einem
Frequenzbereich, der kleiner als 2500 Hz ist, weniger empfindlich reagiert, weshalb es wünschenswert erscheint, daß bei einem Vortriebsgebläse die Schaufelstörgrundfrequenz und deren hervortretende Vielfache
unterhalb dieses Frequenzbereiches liegen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Vortriebsgebläse der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art
so zu verbessern, daß die Lärmminderung ohne gewichtserhöhende Schalldämpfungsvorrichtungen erzielt wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen
Merkmale gelöst
Durch das gemäß der Erfindung vorgenommene Verringern der Spitzengeschwindigkeit der Fanschaufeln unter die Schallgeschwindigkeit ergibt sich zwar ein
Vortriebsgebläse mit etwas geringerem Leistungsvermögen, jedoch mit wesentlich geringerer Lärmentwicklung, so daß auf besondere Dämpfungsvorrichtungen,
die das Gewicht des Vortriebsgebläses vergrößern würden, verzichtet werden kann. Die Erfindung beruht
weiter auf der Erkenntnis, daß eine Lärmminderung eHelt wird, wenn zum Erreichen einer vorbestimmten
Dichte der Statorbeschaufelung, das heißt deren Dichte in der Axialprojektion, und bei gleichem Abstand
zwischen dem Fan und der Statorbeschaufelung die Anzahl der Statorschaufeln herabgesetzt wird. Zum
Erreichen einer konstanten Statorschaufeldichte mit weniger Statorschaufeln ist nämlich die Sehnenlänge
der Statorschaufeln zu erhöhen. Dadurch wird die Stelle des Aufeinandertreffens der Fanschaufelschallwellen
und der Statorschaufelschallwellen von einer fannahen Stellung zu einer fanfernen Stellung verlegt was den
erstrebten günstigen Einfluß auf die Lärmentwicklung hat
In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2
wird der Fan des Vortriebsgebläses in einem Druckverhältnisbereich betrieben, der für die Lärmminderung
mittels geringer Anzahl der Statorschaufeln und mittels unter der Schallgeschwindigkeit liegender Spitzengeschwindigkeit der Fanschaufeln besonders günstig ist
Anders als bei den bekannten Vortriebsgebläsen, die ein hohes Druckverhältnis und eine große Fanschaufelspitzengeschwindigkeit aufweisen und bei denen das
Geräuschspektrum vom Fan bestimmt wird, wird bei dem Vortriebsgebläse nach der Erfindung das Geräuschspektrum von der Statorbeschar'elung bestimmt
Ein Ausführungsbetspiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 eine perspektivische Schnittdarstellung eines Vortriebsgebläses nach der Erfindung und
F i g. 2 Geräuschspektren eines bekannten Vortriebsgebläses bzw. des Vortriebsgebläses nach der Erfindung.
F i g. 1 zeigt ein Vortriebsgebläse mit einem Fan 10. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Fan 10 an
einem Spantring 12 befestigt und wird durch eine Welle 14 eines insgesamt mit 16 bezeichneten Gasturbinentriebwerks angetrieben. Der Fan könnte auch integraler
Bestandteil einer Turbinenlage sein und entweder durch den Verdichter oder die Turbine direkt vorderhalb des
Verdichters oder mit Abstand von diesem angetrieben werden.
Die Fanschaufeln 18 sind an einer nicht dargestellten Nabe befestigt und innerhalb eines Mantelstromkanals
22 um eine Fandrehachse 20 drehbar, um Schub zu erzeugen.
Der Mantelstromkanal 22 reicht über den Triebwerkseinlaß 24 hinaus, so daß ein Hauptteil der aus dem Pan
austretenden Luft das Triebwerk umgeht, während der relativ geringe verbleibende Teil in das Triebwerk
einströmt. Statorschaufeln 26, die axial hinter dem Fan 10 und zwischen dem Innenumfang des Mantelstromkanals 22 und einer Triebwerksverkleidung 28 angeordnet
sind, dienen zum Glätten der wirbelnden Luft, die aus
dem Fan austritt, \xrA -T.m Abstützen des Mantelstromkanals
2Z
Der Lärm, der durch den Fan 10 und die Statorschaufein 26 erzeugt wird, wird an seiner Quelle
vermindert, statt daß Zusatzvorrichtungen zum Unterdrücken
des Lärms benutzt werden. Zu diesem Zweck wird der Fan 10 mit einer Spitzengeschwindigkeit cbr
Fanschaufeln, die kleiner als die Schallgeschwindigkeit ist, und innerhalb eines Druckbereiches zwischen 1,05
und unter 1,30 betrieben. Darüber hinaus ist die Anzahl
der Statorschaufeln 26 kleiner als die Anzahl der Fa-i-t-räufeln S8 und vorzugsweise etwa halb so groß,
und der axiale Abstand zwischen den Fanschaufeln und den Statorschaufeln sollte zwei Fanschaufelbreiten
betragen.
Es ist von größter Bedeutung, daß die Schaufelstörgrundfrequenz,
d. h. die Fanschaufeldurchlaufgrundfrequenz,
die das Produkt aus der Fandrehzahl und der Fanschaufelzahl darstellt, und ihre hervorstehenden
Vielfachen unterhalb des Bereiches liegen, in welchem das menschliche Ohr am empfindlichsten ist, d. h.
unterhalb des Bereiches zwischen 2500 und 5500 Hz, der in F i g. 2 dargestellt ist Das Beispiel in F i g. 2 *eigt daß
im Falle eines Turbofans zwar die Schaufelstörgrundfrequenz BPF und ihre Vielfachen außerhalb des Bereiches
maximaler Empfindlichkeit liegen, daß es aber eine große Menge an breitbandiger Lärrnenergie gibt, die
ebenfalls vom Fan bestimmt wird und in diesen Bereich maximaler Empfindlichkeit fällt. Es ist deshalb ein sehr
wichtiges Merkmal des hier beschriebenen Vortriebsgebläses, daß bei ihm die Betriebsparameter, nämlich die
Fanschaufelspitzengeschwindigkeit und die Fandruckverhältnisse, so gewählt werden, daß die hervorstehenden
Schallfrequenzen des Fans unterhalb des Bereiches maximaler Empfindlichkeit liegen, d. h. einen Wert
haben, der kleiner als 2500 Hz ist, und daß die breitbandige Lärmenergie in dem Bereich maximaler
Empfindlichkeit einen wesentlich niedrigeren Pegel hat Die Diagramme in Fig.2 stellen Ergebnisse von
Tests dar, die an dem Vortriebsgebläse nach der Erfindung und an bekannicm Tu)W.«>s durchgeführt
worden sind. Vortriebsgebiase, die gemäß den folgerden
Konfigurationen ausgelegt und betrieben wurden, ergaben wahrgenommene Geräuschpegel, die im
wesentlichen um 15 bis 2OdB niedriger warea ils bei
herkömmlichen Turbofans.
Fandruckverhältnis
Anzahl der Fanschaufeln
Fanschaufelspitzengeschwindigkeit
Fan/Stator-Abstand
Anzahl der Fanschaufeln
Fanschaufelspitzengeschwindigkeit
Fan/Stator-Abstand
1,05 bis UO
6 bis 13
6 bis 13
184 bis 244 m/s
größer als 2 Fanschaufelbreiten
größer als 2 Fanschaufelbreiten
Anzahl der Statorschaufein 3 bis 7
Trotz der bemerkenswerten Lärmminderung an der Quelle, die auf die oben beschriebene Weise erreichbar
ist, sind in vielen Fällen die Vorschriften, die ein Minimum an Fanlärmerzeugung verlangen, wie beispielsweise
bei Senkrecht- und Kurzstartflugzeugen, so streng, daß eine zusätzliche Schailscr .ickbehandlung an
der Fanummanteiung erforderlich sein sann. Bei den stark verminderten Quellenlärmpegeln des hier beschriebenen
Fans sind jedoch die erforderliche Menge an Schallschluckmaterial und die erforderliche Länge
der Uirrniantelung viel kleiner als bei den lauteren
herkömmlichen Fans, die ein hohes Druckverhältnis und eine hohe Fanschaufelspitzengeschwindigkeit aufweisen.
Das bedeutet geringeres Gewicht und geringeren Luftwiderstand beim Reisefiug.
Der oben beschriebene Fan kann außer zum Erzielen eines ruhigen Flugzeugantriebes überall dort verwendet
werden, wo wenig Lärm erzeugende Hochleistungsfans benötigt werden, wie beispielsweise Hubfans für
Senkrecht- und Kurzstartflugzeuge, Vortriebs- und Hubgebläse für Hochgeschwindigkeitszüge bzw.
Schwebefahrzeuge, und Lüftungsventilatoren.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Vortriebsgebläse mit einem Fan mi' zur Lärmminderung verminderter Umfangsgeschwindigkeit, und mit einer stromabwärts angeordneten
Statorbeschaufelung, wobei die Schaufeistörgrundfrequenz und ihre hervortretenden Vielfachen
kleiner als 2500Hz sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzengeschwindigkeit der
Fanschaufeln (18) kleiner als die Schallgeschwindigkeit ist und die Anzahl der Statorschaufeln (26) etwa
halb so groß ist wie die Anzahl der Fanschaufeln.
2. Gebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckverhältnis des Fans zwischen
1,05 und unter 130 liegt
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