DE2333903A1

DE2333903A1 - Verfahren und konstruktion zur verringerung der geraeuscherzeugung in stroemungssystemen fluessiger und gasfoermiger medien einschliesslich metallblattkonstruktionen und dergleichen

Info

Publication number: DE2333903A1
Application number: DE19732333903
Authority: DE
Inventors: Robert Charles Chanaud; Richard Earle Hayden
Original assignee: Bolt Beranek and Newman Inc
Current assignee: Bolt Beranek and Newman Inc
Priority date: 1973-06-29
Filing date: 1973-06-29
Publication date: 1975-01-30
Also published as: DE2333903B2

Description

Berlin, den 29. Juni 1973

Bolt, Beranek and
Newman, Inc·

Verfahren und Konstruktion zur Verringerung der Geräuscherzeugung in Strömungssystemen flüssiger und gasförmiger Medien einschliesslich Metallblattkonetruktionen und dergl,

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Konstruktion zur Verringerung der Geräuscherzeugung in Strö· mungsaystemen flüssiger und fester Medien einschliesslich Metallblattkonstruktionen und dergleichen, insbesondere bezüglich der Geräusche, die durch das Zusammenwirken solcher Konstruktionen mit der Strömung flüssiger oder gasförmiger Medien, z.B. Düsenmotoren, hubverstärkende Systeme für Senkrechtstarter, Kompressoren und dergleichen (sowohl

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bei Rotor- als auch bei Statorflügeln), in Propellerblättern für Luftfahrt und Marine und in Propellerflügel- und Ventilatorsystemen, einschiiesslich Ventilatoren geringer Geschwindigkeit, wo ruhiger Lauf erwünscht wird, erzeugt werden. All diese und ähnliche Konstruktionen werden als Gattungsbezeichnung hiernach als Blätter bezeichnet,

Viele Verfahren und Konstruktionen sind im Laufe der Zeit vorgeschlagen und verwendet worden, um die Geräusche zu verringern, die durch die relativ bewegte Luft oder durch andere Medien um die Fläche eines solchen Blattes herum erzeugte werden. So wurden z.B. Auskleidungen der Leitwege verwendet, um solche Geräusche zun dämp fen, wie es in den US-Patenten 2.759.554, 2.759.555, 2.759.556 beschrieben ist, erteilt an Bolt Beranek und Newman Inc. ,auf die die vorliegende Erfindung übertragen worden ist. Aktive und passive Dämpfungssysteme sind ebenfalls verwendet worden, wie es z.B. in den US-Patenten 2.893.506 und 3.132.717 besxhbieben worden ist.

Gemäss der vorliegenden Erfindung und den Entdeckungen, auf denen dieselbe beruht, ist jedoch als möglich gefunden worden, dass die tatsächliche Erzeugung der Geräusche in erster Linie reduziert werden kann, als vielmehr zu erlauben, dass das Geräusch erzeugt und dann dasselbe absorbiert wird. Diese Annäherung an das Problem macht tatsächlich die Erfordernisse einer Dämpfung oder Absorbierung überflüssig oder weniger wichtig.

Ein Gegenstand der Erfindung ist demgemäss die Schaffung

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eines neuen und verbesserten Verfahrens und einer Konstruktion zur Verringerung der Geräuscherzeugung in Strömungesystemen flüssiger und gasförmiger Medien einschliesslich Metallblätter und dergleichen, wobei die Erzeugung von Strömungskräften um Blattoberflächen herum verringert und auf diese Weise in erster Linie die Geräuscherzeugung verhindert wird, so dass das Erfordernis umfangreicher Absorbierungekonstruktionen, wie oben beschrieben, überflüssig wird.

Ein weiterer Gegefinstand ist ebenfalls die Schaffung eines neuen Blattgebildes für den Strömungsfluss und dergleichen bei allgemeiner Anwendung.

Andere und weitere Ziele werden weiter unten erklärt und insbesondere in den Ansprüchen auseinandergesetzt. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die neuen Ergebnisse der Erfindung erreicht werden, indem die Strömungskräfte flüssiger oder gasförmiger Medien verringert wurden, die mit Metallblattoberflächen in kontrollierter Weise zusammenwirken, indem der Strömungswiderstand an den Blattoberflächen selbst durch verschiedene Porositätsgrad· der Blattabschnitte verringert wurde, insbesondere im Bereich der Kanten. Weitere Einzelheiten werden weiter unten gezeigt.

Die Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die beigegebene Zeichnung beschrieben, worin Fig. 1 den Querschnitt eines Rotor- oder Statorblattes oder ein hubverstärkendes

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Klappenblatt zeigt, das gemäss dem Verfahren konstruiert wurde, welches Grundlage vorliegender Erfindung ist.

Fig. 2 ist ein Schaubild, bei dem der Strömungswiderstand als Funktion der Lage längs des Blattes nach Fig. 1 in Koordinaten aufgenommen ist.

Fig. 3 1st eine Ansicht ähnlich der Fig. 1, und Fig. k ist eine Teildraufsicht einer anderen Ausführungsform.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist ein Blattgebilde in der Form eines Blattes für Luftströmungen dargestellt, wie es in einer Anzahl Maschinen verwendet wird, einzeln oder in Kombination, wobei wie erklärt ernstliche unangenehme Geräusche durch das Zusammenwirken mit dem herumflies senden Strömungsmedium erzedugt werden. Propeller, Kompressoren, Turbinen, Düsen, Flügel und Steuerflächen erzeugen sämtlich ein derartiges Geräusch als Ergebnis der fluktuierenden Oberflächenkräfte, die durch das Zusammenwirken dieser Blätter mit nach oben strömender Turbulenz und durch den Turbulenzstrom erzeugt werden, der durch das Blatt selbst erz erjagt wird. Venn die akustische Wellenlänge grosser ist als die Bogensehne des Blattes unter Lufteinwirkung, dann wirkt das Blatt als eine einzige Quelle eines Dipolgeräusches; der ausgestrahlte Geräuschdruck steht in direkter Beziehung zur gleichlaufenden Phase fluktuierenden Hubs am Blatt.

FaIIi die akustische Wellenlänge viel geringer ist als die Sehnenlänge des Blattes können andererseits starke unab-

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hängige Dipolgeräuschquellen bestehen und zwar sowohl an den. vorlaufenden als auch an den nachlaufenden Oberflächenkanten des Blattes. Im System nach Fig. 1 sind diese fluktuierenden Drücke und die folgende Dnfbkerzeugung oder Ausstrahlung wirksam verringert, indem die vor- und nachlaufenden Xantenbereiche 1 und 1* relativ zum Strömungsmedium, z.B. Luft, porös sind. Solche porösen Blattoberflächen wurden als weitgehend zur Verringerung der Geräescherzeugung beitragend erkannt und zwar anscheinend der folgenden Erscheinungen wegen: Erstens können Schwingungen in der Strömung durch das poröse Oberflächenmaterial bei den Abschnitten 1 und 1* geleitet werden und zwar zwischen der oberen und unteren Oberfläche oder zwischen Punkten der gleichen Oberfläche, wobei wesentliche Druokschwankungen vermieden werden. Zweitens könnte die poröse Oberfläche selbst weniger in der Lage sein, eine Scherbelastung aufzunehmen als die übliche feste oder undurchdringliche Blattoberfläche, wobei die Entwicklung einer weniger intensiven Turbulenzgrenzschicht verursacht wird. Schliesslich ergibt die ständige Strömung in den porösen Blattabschnitten einen verstärkten Luftwirbel und verringerte Drtftekfluktuationen an den Blattabschnitten mit nach unten gerichteter Strömung, wie im Falle von Stator- oder Rotorblättern in Kompressoren und dergleichen.

Zn Fig. 2 ist in einem Koordinatensystem das Verhältnis <·■ Strömungswiderstandes pe (Dichte mal Geschwindigkeit)

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des Blattgebildes zur charakteristischen Impedanz der Luft selbst (oder eines anderen Strömungsmediums) als Punktion der horizontalen Entfernung längs der Blattfläche in Fig. 1 aufgetragen. Die poröse Struktur der vorlaufenden Kante 1 ergibt einen nach unten gekrümmten Abschnitt zur linken Hand im Verhältnis zur Einheit zu Strömungswiderstand Null im festen und undurchdringlichen Zwischenabschnitt 2 und ein sich nach oben krümmender Abschnitt zur rechten Hand über dem Bereich der porösen,vor Jau fenden Kante 1'. In einigen Fällen, wie bei gewissen Anwendungen von Turbulentströmungen, sollte die Porosität der vorlaufenden Kante grosser sein als die der nachlaufenden Kante, wie in Fig. 1 dargestellt ist, wodurch die rechtsseitige Kennlinie -in Strichlinien dargestellt- erzeugt wird, wie z.B. in Fig. 2. Zusätzlich funktionieren die porösen Abschnitte 1 und 1* auch als akustische Absorber von Geräusch, was sonst vor dem Zusammenwirken mit den Blattgebilden im Strömungssystem erzeugt wird.

Wenn die geometrischen Gegebenheiten es erlauben, sollten die Kanten des Blattes gestreckt sein und so ein allmählic--heres Widerstandsgefälle erlauben. Die undurchdringlichen Zwischenblattabschnitte 2 können ausserdem vorteilhafter in Fällen eingesetzt werden, in welchen der etwas verringerte Hub auf dem Blatt, verursacht durch die poröse Natur der Abschnitte desselben, verstärkt werden muss. Die Anwendung einer undurchdringlichen Scheidewand 20, Fig. 3, zwi-

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sehen den unteren und oberen porösen Abschnitten 10 und 10·, wobei die Trennwand vorteilhafterweise kurz vor den vorderen und hinteren Kanten des Blattgebildes endet, kann auch in diesem besonderen Fall von Nutzen sein.

Die Grenzen der praktisch möglichen Porosität und die sich ergebende Verringerung des Strömungswiderstandes, die gemäss den Techniken der Erfindung als nützlich gefunden wurden, liegen zwischen etwa ρ c bis etwa 10 ρ c .

ο ο ο ο

Die Verringerung des dem Blatt eigenen Strömungswiderstandes, insbesondere an der vorlaufenden Kante, kann ebenso auf andere Arten bewirkt werden als durch die Porosität des Blattgebildes, wie z.B. durch dichte, vorlaufende, kammartige Vorsprünge 311 die sich von der vorlaufenden Kante 30' eines Blattes 30 erstrecken, wie es das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 zeigt. Die Dimensionierung und AbstandsSetzung der Kammzähne erlaubt die gewünschte Einstellung des Strömungswiderstandes; der Strömungswiderstand ist in der Nähe der Verbindungsstellen der Zähne hoch und in der Nähe der Spitzen niedrig. Dies ist nicht mit den Rifflungen der vorlaufenden Kante und dergleichen zu verwechseln, die an Flügeln oder ähnlichen Gebilden für den sehr unterschiedlichen Zweck und Funktion, die Grenzschicht zur Verhinderung von Wirbelbildung bei überkritischer Reynolds-Zahl auf bestimmter Frequenz auszuschalten, verwendet werden, die völlig unfähig sind, als ein Widerstandegefälle zu dienen und Vorrichtungen herzustellen, wie sie hierin erforderlich sind.

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Weitere Ausfühkmngsbeispiele werden möglich sein, jedoch können sie alle den Erfindungstanfang und den Geist der Erfindung nicht einschränken.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

u Verfahren zur Verringerung von Geräuschen in einem Strömungssystem für flüssige oder gasförmige Medien, worin das Strömungsmedium unter wesentlichen Drücken um Blattflächen und dergleichen fliesst, die normalerweise Strömungskräfte entstehen lassen und dadurch Geräusche erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen eines Blattes in solchen Strömungspfad und Verringerung der mit den Blattoberflächen zusammenwirkenden Strömungskräfte,durchgeführt wird, indem der Strömungswiderstand der Flächen, insbesondere in der Umgebung der Kanten derselben, verringert wird.
2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung bewirkt wird, indem die Oberflächen porös gemacht werden.
3. Verfahren gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der Porosität in unterschiedlichen Abschnitten des Blattes sich ändert.
k. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Abschnitt des Blattes fest ist.
5. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenabschnitt des Blattes undurchdringlich gehalten wird.
6. Blattgebilde zur Verwendung als Rotoren, Statoren, Klappen und dergleichen in Strömungssystemen, dadurch gekennzeichnet, dass es aus porösen Oberflächen besteht, die gegen flüssige und gasförmige Medien porös sind.

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7« Blattgebilde gemäes Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität verschiedener Abschnitte des Blattes unterschiedlich ist.
8. Blattgebilde gemäes Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Abschnitt des Blattes fest ist.
9. Blattgebilde gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenabschnitt des Blattes fest ist.
10. Blattgebilde gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität eingestellt wird, um einen Strömungswiderstand zu erzeugen, der im Bereich von im wesentlichen ρ c bis im wesentlichen 10 ρ c liegt.

O O O O
11· Blattgebilde zur Verwendung als Rotoren, Statoren, Klappen und dergleichen in Strömungssystemen, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Oberfläche mit einem Strömungswiderstand im Bereich von im wesentlichen ρ c bis 10 ρ co umfasst.

O O OO
12. Blattgebilde zur Verwendung als Rotoren, Statoren, Klappen und dergleichen in Strömungssystemen, dadurch gekennzeichnet, dass es eine kammähnliche Struktur aufweist, die aus der nachlaufenden Kante desselben herausragt.

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