DE2404001C2

DE2404001C2 - Schallunterdrückungsverkleidung für Strömungskanäle von Gasturbinentriebwerken

Info

Publication number: DE2404001C2
Application number: DE2404001A
Authority: DE
Inventors: Russell Emerson Cincinnati Ohio Motsinger
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-02-01
Filing date: 1974-01-29
Publication date: 1983-10-27
Also published as: DE2404001A1; JPS5723280B2; GB1462271A; FR2216445A1; FR2216445B1; IT1007136B; CA986735A; BE810492A; JPS49106111A; US3819009A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schallunterdrückungsverkleidung gemäß dem Oberbegriff des Pa- bo tentanspruches 1. Eine derartige Schallunterdrückungsverklcidung ist aus der FR-PS 11 66 394 bekannt.

Es wird zunehmend angeslrebl, den Schall zu unterdrücken, welcher im Innern von Gasturbinen-Triebwerken erzeugt wurde. Im allgemeinen wurde diese Schalldämpfung hauptsächlich auf hochfrequenten Lärm gerichtet. Gemäß der FR-PS Il 66 394 wird hierfür auch der an sich bekannte Helmholtz-Resonator verwendet.

welcher in großer Zahl im Innern einer Strömungskanalwand des Triebwerkes an; irdnet wurde. Dabei erstrecken sich Resonatoren jeweils bis zum Strömungskanal und sind mit diesem mit Hilfe \on Öffnungen verbunden, die Eintritlsöffnungen für die erzeugten Schallwelle" bilden.

Jeder einzelne Hohlraum ist dabei in der Lage, die Schallwellenfortpflanzung in diskreten Frequenzbändern abzudämpfen durch Energieverbrauch im Innern des Hohlraumes, der aus Druckverlusten der in die Hohlräume ein- und austretenden Strömung resultiert. Dabei liegen die Frequenzbänder, in denen ein einzelner Hohlraum wirksam ist, in einem eng begrenzten Bereich um eine Resonanzfrequenz herum.

Um auch störenden Schall aus Gasturbinen-Triebwerken wirksam zu unterdrücken, ist eine Schallunterdrückung bezüglich hoher und niedriger Frequenzen erwünscht. Bisher versuchte Lösungswege, die nicht auf die Helmholtz-Resonaloren beruhen, verwenden eine dünne poröse Schicht über einem unterteilten Luftraum, wie es in der US-PS 3439 774 beschrieben ist. Bei einem anderen Lösungsweg wird eine feste Decke aus porösem Material über die Kanalwände gezogen. Bei diesen beiden Lösungswegen wird der Schall in Abhängigkeit von der Materialdicke unterdrückt, so daß eine Dämpfung niedriger Frequenzen eine große Dicke erforderlich macht. Jedoch ist bei Gasturbinen-Triebwerken, welche zum Antrieb von Düsenflugzeugen verwendet werden, die Gesamtdicke der Gondel von überragender Bedeutung bezüglich des Verhaltens des Luftwiderstandes. Daher ist eine Schalldämpfung auf der Basis einer Vergrößerung der Wanddicke des Strömungskanals unerwünscht.

Die Strömungskanalwände wurden auch bereits mit diskreten Schichten von Helmholtz-Hohlräumen mit verschiedenartigen Abmessungen versehen, welche von dem Strömungskanal und untereinander durch dünne poröse Stirnplatten getrennt waren, so daß der Schall mit höherer Frequenz innerhalb der kleineren Hohlräume zurückgehalten wird, welche an den Kanal angrenzen, und der Schall mit niedriger Frequenz diese kleinen Hohlräume durchdringt und in radial außen gelegenen größeren Hohlräumen vernichtet wird. Auch dieser Lösungsweg beeinträchtigt jedoch die Gesamtdicke des Kanals

Ein weiterer Lösungsweg bestand darin, mehrere Verkleidungen aus Helmholtz-Resonatoren axial hintereinander anzuordnen, wobei jede Verkleidung Hohlräume verschiedener Größe aufnimmt. Damit kann zwar die Schallabstrahlung aus dem Strömungskanal vermindert werden. Es ergibt sich jedoch eine wesentliche Verlängerung des Strömungskanals. Die Kanallänge ist aber ein weiterer Parameter, welcher vorzugsweise bei den meisten Gasturbinen-Triebwerken auf einem Minimum gehalten wird. Daher ist auch diese Schallunterdrückungsmaßnahmc nur begrenzt brauchbar.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schallunterdrückungsverkleidung der eingangs genannten Gattung derart auszugestalten, daß ohne wesentliche Vergrößerung der Dicke oder Länge der Verkleidung eine Schalldämpfung über einen breiten Frequenzbereich erhalten wird.

Die Aufgabe wird crllndungsgemäß durch die im Palentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestallungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schallunterdrückungsverklcidung läßt sich anhand der HcImholtz'schen Resonatorglcichung verdeutlichen.

■^s- Ir ν

darin ist

cj„ die Resonanzfrequenz in H.. c die Schallgeschwindigkeit im Medin.n in cm pro sek, j die Fläche des Resonatorhalses in cm²,
/' die effektive Länge des Resonatorhalses einschließlich einer Endkorrektur ir m und V das in de; ι Resonalorhohlraum eingeschlossene Volumen in cm'¹.

Aus dem Nenner der Wurzelgröße geht hervor, daß die Resonanzfrequenz Ci₀ umgekehrt proportional dem Produkt der effektiven Länge /' des Resonatorhalses und des Resonatorvolumens ['ist. Daher gestattet eine Verlängerung des Resonatorhalses eine Verminderung des Hohlraunivolumens ohne Beeinträchtigung der erzielbaren Resonanzfrequenz. Dies wird bei der erfindungsgemäßen Schallunterdrückungsverkleidung dadurch ausgenutzt, daß mehrere Verbindungshälse in einer Verkleidung in einer solchen Weise angeordnet werden, daß sie mehrere Hohlräume mit einem relativ großen Volumen für die Unterdrückung von niederfrequentem Schall zusammen mit Hohlräumen mit kleinerem Volumen bilden, ohne daß die Verkleidung allzu sehr verlängert oder verdickt werden muß. Dies wird vielmehr dadurch erreicht, daß bereits in der Verkleidung vorhandene Strukturen dazu benutzt werden, um verschiedenartige Hohlräume und Verbindungshälse zu bilden.

Somit wird also durch die gegenseitige Verschachtelung der Resonator-Hohlräume und ihrer Verbindungshälse eine kompakte Verkleidung erhalten, die trotzdem eine Schalldämpfung über einem breiten Frequenzband vornimmt. Durch die Zuordnung einzelner Wandteile zu verschiedenen Hohlräumen und/oder Verbindungshälsen wird eine Verminderung des Gewichts und Verkleinerung der Abmessungen erreicht.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispiclcn näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt eines vereinfachten Gasturbinrn-Triebwerkes.

Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt eines Teils der Strömungskanalwand nach Fig. 1 mit einer Schallunterdrückungsverkleidung gemäß einem Ausrührungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 3 ist eine vergrößerte Schnittansicht ähnlich der Ansicht nach Fig. 2 für ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Gasturbinen-Triebwerk 10, das einen kreisringförmigen Kanaleinlaß 12. ein mit Laufschaufeln versehenes Gebläse 14. einen Verdichter 16. Brennkammern 18. eine Turbine 20 und eine Schubdüse 22 aufweist. Das Triebwerk arbeitet ähnlich wie die typischen Triebwerke dieser Bauform. Luft tritt in den Einlaß 12 auf der linken Seite von Fig. 1 ein, wird durch das Gebläse 14 und den Verdichter 16 verdichtet, ein Teil der Strömung durchsetzt einen Gebläsekanu! 24 und die übrige Strömung durchläuft den Verdichter 16 zu den M) Brennern 18. Im Brenner wird die Luft mit Brennstoff durchmischt und gezündet und es erfolgt eine rasche Ausdehnung des Gemisches, und ein Strom von Vcrbrennungsprodukten tritt mit hoher Geschwindigkeit aus den Brennkammern nach rechts aus und (reibt die verschiedenen Stufen der Turbine 20 und somit das Gebläse 14 und den Verdichter K) an. ()er aus der Turbine 20 austretende Gasstrom wird im G^bläsckanal 24 mit dem Gebläsestrom vereinigt und tritt durch die Schubdüse 22 aus. um einen beträchtlichen Schub zu liefern.

Es wurde festgestellt, daß der störende Triebwerkslärm in mehreren Teilen des Triebwerkes erzeugt wird: Die Gebläselaufschaufeln. welche mit hoher Geschwindigkeit der Enden drehen, erzeugen ein breites Spektrum von Schallfrequenzen, die Verdichter und die Turbinen erzeugen im allgemeinen einen hochfrequenten Schall und die Brenner sind ebenfalls eine Schallquelle. Als eine Einrichtung zur Verminderung des von dem Triebwerk abgegebenen Schalls dient die Schallunterdrückungsverkleidungfürdie Wand 26, welche den Strömungskanul 12 (oder ähnliche Kanaloberflächen im gesamten Bereich des Triebwerkes) bildet.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Anwendung auf die Wand 26 als Beispiel für typische Anwendungen solcher Wände. Aufder Kanalwand 26 ist eine Verkleidung 27 angeordnet, welche eine Vielzahl von Helmholtz-Resonator-Hohlräumen aufweist. Die kleinen Hohlräume 30 besitzen ein erstes vorbestimmtes Volumen und sind unmittelbar angrenzend an den Kanal 12 angeordnet und werden teilweise durch eine Anzahl von radial verlaufenden Scitenwänden 32 und eine axial verlaufende Rückwand 34 gebildet. Jeder der ersten Hohlräume 30 ist von dem Kanal durch die Dicke der axial \ erlaufenden Kanalwand 26 getrennt, in der eine Vielzahl von Öffnungen 36 angeordnet ist. Jeder der kleinen Hohlräume 30 mündet unmittelbar in den Kanal 12 mit Hilfe einer der Öffnungen 36. (Jeder Hohlraum kann mit mehr als einer Öffnung verbunden sein; zur Vereinfachung wird jedoch nachstehend nur eine Öffnung für jeden Hohlraum erläutert.) Weiterhin sind mehrere Hohlräume 40 in der Verkleidung 27 enthalten. Diese Hohlräume 40 besitzen ein zweites vorgegebenes Volumen, welches größer ist als das Volumen der Hohlräume 30. Jeder Hohlraum 40 ist teilweise durch eine axial verlaufende Wand 44 zusammen mit Wänden 34 (diese begrenzen auch, wie ausgeführt, die Hohlräume 30) gebildet. Es wird deutlich, daß die zuvor erwähnten Wände 32 und die radial verlaufenden Wände 42 (durch welche die Hohlräume 40 noch weiter definiert sind) über die Länge der Wände 32 gemeinsame Wände darstellen. Eine solche doppelte Verwendung von Wänden führt zu einer beträchtlichen Gewichlscrsparnis. da überflüssige Wände wegfallen.

Jeder Hohlraum 40 ist mit dem Kanal 12 durch einen oder mehrere radial verlaufende Verbindungshälse 46 verbunden, welche eine im wesentlichen unmittelbare Strömungsmitlelverbindung zwischen dem Hohlraum 40 und dem Kanal 12 schaffen. Diese Verbindungshülse 46 werden durch gegenüberstehende Paare der Wände 32 benachbart zu den ersten Hohlräumen 30 gebildet. Hierdurch ergibt sich eine weitere Gewichtseinsparung.

Die Wechselbeziehung zwischen den ersten und zweiten Hohlräumen 30 und 40 ist so beschaffen, daß die Hohlräume 30 allgemein in einer Schicht angeordnet sind (infolge der axialen Flucht der Wände 34). wobei diese Schicht radial innen von einer zweiten Schicht von Hohlräumen 40 angeordnet ist (diese wird durch eine ähnliche Flucht von Wänden 44 erzeugt). Jeder Hohlraum 40 dieser ersten Ausführungsform umschließt im wesentlichen mindestens ein Paar von Hohlräumen 30. Weiterhin liegen die Hohlräume 30 im wesentlichen zwischen dem Kanal 12 und den Hohlräumen 40.

Die richtige Funktionsfähigkeii der Hohlräume als Heliiiholtz-Resonatoren erfordert, daß ein Einlaß für die Schallwellen zu jedem Hohlraum vorhanden ist. Der Einlaßbezüglich jedes der Hohlräume 30 ist eine Öffnung36.

Die Einlasse zu den Hohlräumen 40 sind die Verbindungshalse 46. Es ist ersichtlich, daß in axialer Richtung die Öffnungen 36 und Verbindungshälse 46 im wesentlichen ineinandergeschachtelt angeordnet sind, so daß die in einer gegebenen Länge des Kanals auftretenden Schallwellen auf beide Einlaßarten treffen und in beide Hohlraumformen eintreten.

Es wird nun die funkl ionalc Bedeutung dieser besonderen Konfiguration beschrieben. Wie bereits ausgeführt, umfaßt der Lärm des Ciasturbinen-Triebwerkes, welcher nach vorn aus dem Kiiiial 12 austritt, eine Vielzahl von Frequenzen. Weiterhin ist die Fähigkeit zur Schallvernichtung für die einzelnen Helmholtz-Resonator-Hohlräume eng begrenzt und liegt nahe bei vorgegebenen Resonanzfrequenzen, welche teilweise durch das Produkt (/' V ) des Volumens des Hohlraumes und der Länge des Verbindungshalses bestimmt sind. Wenn Schallwellen verschiedener Frequenzen nach vorn durch den Kanal 12 laufen und auf die Vielzahl von ineinandergeschachtelten Einlassen 36, 46 treffen, dann treten in jedem Einlaß Teile der Schallwellen und der zugeordneten .Schallenergie ein. Die Wellen mit höherer Frequenz werden im Innern der Hohlräume 30 wirksam vernichtet. Die Wellen mit niedrigerer Frequenz werden im Innern der Hohlräume 40 vernichtet. Daher wird die bisher beschriebene Ausgestaltung Schallenergie in den Bändern wirksam verbrauchen, welche in der Nähe von zwei diskreten Resonanzfrequenzen liegen, von denen jede charakteristisch für jede Kombination von Hohlräumen 30, 40 und Einlassen 36, 46 gemäß der vorstehenden Beschreibung sind.

Zur weiteren Steigerung des Schalldämpfungsvermögens der Ausführungsform nach Fig. 2 ist eine Vielzahl dritter Hohlräume 50 vorgesehen, die durch eine Anzahl von radial verlaufenden Wänden 52 und eine axial verlaufende Wand 54gebi !det sind, wobei weiterhin noch die Wände 44 zur zusätzlichen Gewichtseinsparung benutzt werden Ein Verbindungshals 56 ist durch die Seitenwände 42 neben den Hohlräumen 40 gebildet. Das Volumen der Hohlräume 50 ist größer als das Volumen der Hohlräume 40 (dieses ist wiederum größer als das Volumen der Hohlräume 30). Weiterhin.ist die Länge der Verbindungshälse 56 größer als die Länge der Verbindungshälse 46 (diese ist wiederum länger als die Länge der Verbindungshälse 36). Daher ist das Produkt /' Γ am größten bezüglich der Hohlräume 50. kleiner bei den Hohlräumen 40 und am kleinsten bei den Hohlräumen 30. Weiterhin sind die Einlasse /u den Verbindungshälsen 36, 46 und 56 alle ineinandergeschachtelt angeordnet. Als Resultat ist die .Schallunterdrückungsverkleidung nach dem beschriebenen Ausführungibeispiel in der Lage, die Schallenergie innerhalb dreier diskreter Frequenzbänder zu verbrauchen, deren Mitte jeweils den drei verschiedenen Produkicn / I entspricht.

Als Ergebnis der Ir.einandersehachtelung der Stellen für die VerhindungshäKe wird die Dämpfung von weiten Schallfrequenzbereichen über ein einziges Längenstück der Verkleidung erreicht, ohne daß weitere Längenstücke hinzugefügt werden müssen. Gleichzeitig führt die Benutzung der Hohlraumwände im Innern der Verkleidung 27 zur Bildung der einzelnen Hohlräume und auch der verschiedenen Wände und Verbindungshälse für andere Hohlräume, um Gewicht zu sparen. Auch können dadurch, daß die Verbindungshülse für die Hohlräume für niedrige Frequenz relativ lang sind, durch Hohlräume

ίο mit relativ kleinem Volumen niedrige Schallfrequenzen gedämpft werden (da die Resonanzfrequenz eine Funktion des Produktes der Länge des Verbindungshalses und des Hohlraumvolumens ist). Daher wird die Gesamtdicke der Verkleidung auf ein Minimum herabgesetzt.

Dabei sind vorgewählte längere Verbindungshälse Hohlräumen zugeordnet, die sich in einem relativ größeren Abstand vom Kanal befinden, um ein Maximum für das Produkt /' I zu erhalten und damit eine wirksame Schalldämpfung von Schallwellen niedriger Frequenz zu erzielen.

In Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das eine zusätzliche poröse Platte 58 aufweist. Die Platte 58 umgrenzt teilweise den Kanal 12 und steigert den aerodynamischen Wirkungsgrad des Kanals im Vergleich zu Fig. 2. In dieser Ausführungsform enden die Verbindungshälse 36,46 und 56 an dieser Stirnplatte 58. die jedoch so gestaltet ist. daß die Schallwellen durch sie zum wirksamen Eintritt der Schallwellen in die verschiedenen Hohlräume 30, 40 und 50 frei hindurchgehen. Mit anderen Worten ist trotz der Anwendung der Stirnplatle 58 eine praktisch unmittelbare Strömungsmittelverbindung zwischen dem Innern der einzelnen Hohlräume und dem Kanal beibehalten. Im Betrieb arbeilet die Ausführungsform nach Fig. 3 im wesentlichen ähnlich wie die Ausführungsform nach Fig. 2.

Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich, beispielsweise kann die Wechselbeziehung zwischen den Hohlräumen, wie sie in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschrieben ist. abgeändert werden. Weiterhin können für eine Erweiterung des Frequenzbereiches für die Schalldämpfung weitere Hohlräume und zugeordnete Verbindungshälse eingefügt werden, welche verschiedene Produkte /' V und daher verschiedene Frequenzbereichskurven besitzen. Eine weitere mögliche Abwandlung besteht darin, daß die relativen Volumina der verschiedenen Hohlräume abgeändert werden können mit ähnlichen Abänderungen der Länge der Verbindungshälse bei Aufrechterhaltung des charakteristischen Frequenzgangs für die Schallunterdrückung. Die gestattet dann eine dünnere und verlängerte oder verkürzte und verdickte Ausgestaltung der Vci kleidung in Abhängigkeit von geeigneten für die Anwendungsfälle gegebenen Grenzwerte infolge der ausgleichenden Wechselwirkung zwischen der Länge der Verbindungshälse und des Volumens in dem Produkt /' V.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

io Palentansprüche:

1. Schallunterdrückungsverkleidung fur Strömungskanäle von Gasturbinentriebwerken, mit einer Anzahl erster Hohlräume (30) mit einem vorbestimmten ersten Volumen, die mit dem Strömungskunal über erste Verbindungshälse (36) in direkter Verbindung stehen, und mit einer Anzahl zweiter Hohlräume (40) mit einem vorbestimmten zweiten VoIumen, die radial außen von den ersten Hohlräumen (30) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Hohlräume (40) mit dem Strömungskanal (12) über zweite Verbindungshälse (46) in direkter Strömungsverbindung stehen, die zwischen den ersten Hohlräumen (30) hindurchführen.

2. Schallunterdrückungsverkleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten viohlräume (30) erste Wände (32) mit einer vorbestimmten ersten Länge aufweisen und zwei gegenüberliegende erste Wände (32) benachbarter erster Hohlräume (30) teilweise die zweiten Verbindungshälse (46) bilden.

3. Schallunterdrückungsverkleidung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (12) teilweise von einer porösen Platte (58) umgrenzt ist und die ersten und zweiten Verbindungshälse (36,46) an dieser Platte (58) enden.

4. Schallunterdrückungsverkleidurig nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß radial außen von den zweiten Hohlräumen (40) eine Anzahl dritter oder weiterer Hohlräume (50) mit einem vorbestimmten dritten oder weiteren Volumen angeordnet sind, die mit dem Strömungskanal (12) über dritte oder weitere Verbindungshälse (56) in direkter Strömungsverbindung stehen.

5. Schallunterdrückungsverkleidung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Hohlräume (40) zweite Wände (42) mit vorgegebener zweiter Länge aufweisen und zwei gegenüberliegende zweite Wände (42) teilweise die dritten Verbindungshälsc (56) bilden.

6. Schallunterdrückungsverkleidung nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten I lohiräume (50) ein größeres Volumen als die zweiten Hohlräume (40) aufweisen, die ihrerseits ein größeres Volumen als die erslen Hohlräume (30) besitzen.

7. Schallunterdrückungsverkleidung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ausgewählte Paare der ersten Hohlräume (30) von ausgewählten einzelnen zweiten Hohlräumen (40) im wesentlichen umschlossen sind.

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