DE2539297A1

DE2539297A1 - Gasturbinentriebwerk-schallabschirmung

Info

Publication number: DE2539297A1
Application number: DE19752539297
Authority: DE
Inventors: Gerhard Neumann
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-09-06
Filing date: 1975-09-04
Publication date: 1976-03-18
Also published as: FR2284036A1; JPS5153109A; US3964569A; IT1042130B

Description

Dr. Horst Schüler 3. September 1975

Patentanwalt Schu/Vo/Rg

6 Frankfurt/Main 1

Niddastr. 52

37O9-13DV-6483

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
SCHENECTADY, N.Y./U.S.A.

Gasturbinentriebwerk-Schallabschirmung

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinentriebwerk-Schallabschirmung. In der heutigen Zeit eines erhöhten Umweltbewußtseins steht der Konstrukteur von Gasturbinentriebwerken und insbesondere von solchen für einen Flugzeugantrieb dem Problem gegenüber, mit nur minimalem Verlust an Triebwerksleistungsfähigkeit die Verunreinigungen und schädlichen Einflüsse derselben zu vermindern. Eine Art von schädlichen Einflüssen, die seit einiger Zeit besonders beachtet wurden, ist der Schall.

Der Schall von Gasturbinentriebwerken wird durch zwei Hauptquellen erzeugt: Die erste Schallquelle beruht auf den viskosen Schervorgängen von sich schnell bewegenden Gasen, die in die relativ ruhende Umgebungsluft ausgestoßen werden. Bei Turbogebläse-Flugzeugtriebwerken werden solche Gase am rückwärtigen Ende des Triebwerks aus den Gebläse- und Kerntriebwerken ausgestoßen. Verschiedene Lösungen wurden zum Vermindern dieser 'Scher'-Geräusche benutzt, und zwar zumeist unter Anwendung von Mischern, um die Gebläse- und Ausstoßgase miteinander und mit der Umgebungsluft zu mischen.

Die zweite Schallquelle, mit der sich auch die Erfindung befaßt,

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stellt die sich drehende Turbomaschine selbst dar, wobei der Schall das Ergebnis von sich schnell drehenden und im Gasstrom angeordneten Schaufelreihen ist. Die Schallentwicklung wird durch Parameter beeinflußt, wie durch die Schaufeldrehzahl, den Schaufel-Schaufel-Abstand, die Schaufelgeometrie und auch durch nahe an den sich drehenden Schaufelreihen angeordnete stationäre Metallteile, wie im Fall einer Auslaßführungsflügelanordnung und von typischen Mehrstufen-Axialverdichtern, wobei sich stationäre Schaufelreihen mit sich drehenden Schaufelreihen abwechseln. Ein Teil des auf diese Weise erzeugten Schalls kann absorbiert und unterdrückt werden, und zwar mittels einer akustischen oder Schallabsorptionsverkleidung, die um den Umfang des die sich drehende Turbomaschine einschließenden Rumpfes angeordnet ist. Ein solches schallabsorbierendes Material ist bekannt. Ein bedeutender Prozentsatz des Schalls breitet sich jedoch aufgrund der Nähe des Gebläses oder Kompressors von der Einlaßstirnfläche und aufgrund des Mangels einer nach vorne gerichteten Abschirmung vom Gasturbineneinlaßkanal nach vorne aus. Das sich dem Gasturbinenkonstrukteur entgegenstellende Problem besteht darin, Mittel zum Dämpfen dieses sich nach vorne ausbreitenden Schalls zu bilden, und zwar ohne ungünstige Beeinflussung der gesamten Leistungsfähigkeit.

Bekannte Versuche zum Lösen dieses Problems konzentrierten sich auf das Anbringen von schallabsorbierendem Material auf die Innenwandung des Einlaßkanals. Dies hatte praktisch keinen Einfluß auf das Dämpfen einer unreflektierten Schallausbreitung in axialer Vorwärt sr ichtung. Zusätzliche Vorteile wurden durch Anbringen koaxialer Umfangsringe aus schallabsorbierendem Material im Einlaß erzielt. Jedoch erzeugen solche Ringe einen Abfall des Einlaßgesamtdrucks und daher in der Arbeitsumhüllung des Triebwerks verbleibende Leistungsverluste, auch wenn die Schallausbreitung für die darunter befindlichen Bewohner keine Gefahr oder Belästigung bedeutet.

Nach einem anderen Prinzip wird ein axial bewegbarer Aufnehmer bzw. eine Schaufel (scoop) am Boden des Einlaßkanals benutzt, um selektiv die vom Einlaß nach unten gerichtete Schallübertragung zu vermindern. Dieses nutzt jedoch wenig, um einen Schutz gegen die

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Schallbelästigung in einer der besonders kritischen Triebwerksbetriebsbedingungen zu bilden, die dann vorliegen, wenn sich das Triebwerk auf Bodenhöhe befindet. Die hierbei nach unten gerichtete Schallausbreitung wird durch den Boden selbst abgeschirmt, während eine seitliche Schallausbreitung ungedämpft bleibt.

Daher ist es die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, die aerodynamisch erzeugte Schallausbreitung vom Einlaß eines Gasturbinentriebwerks selektiv ohne ungünstige Beeinflussung der Gesamtleistungsfähigkeit des Triebwerks zu vermindern.

Diese und weitere Ziele sowie Vorteile ergeben sich klar aus der folgenden detaillierten Beschreibung, den Zeichnungen und den speziellen Ausführungsformen, die nur beispielhaften Charakter haben und die vorliegende Erfindung nicht beschränken sollen.

Zusammengefaßt wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß um den Einlaßkanal· herum ein bewegiicher Schallablenker bzw. -deflektor angeordnet und die Veränderung der Axial- und Umfangsposition des Ablenkers' in Abhängigkeit von der Betriebsumgebung des Triebwerks über eine Betätigungseinrichtung gesteuert werden. Da sich die Flughöhe und die Betriebsumgebung des Triebwerks ändern, kann der Ablenker bezüglich seiner Stellung so programmiert werden, daß er den Schall in den für besonders kritisch behaltenen Richtungen abschirmt. In einer alternativen Ausführungsform ist eine Vielzahl von Ablenkgliedern um die Peripherie des Einlaßkanals angeordnet, wobei diese Glieder in bezug auf den festen Einlaßkanal axial verschiebbar sind. Vorbestimmte dieser Glieder können gegenüber der festen Einlaßstirnebene nach vorne bewegt werden, um wiederum eine Richtungsschal!abschirmung zu bilden. Während nach der vorliegenden Erfindung eine Einlaßschallunterdrückung unterstützt wird, ist es von besonderer Bedeutung, daß diese Unterdrückung ohne ungünstige Beeinflussung der Gesamtwirksamkeit des Triebwerks erfolgt, da kein Beeinträchtigen des in das Triebwerk eintretenden Luftstroms auftritt.

Die Erfindung wird nachfolgend an zeichnerisch dargestellten Aus-

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führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 - ein erfindungsgemäß ausgebildetes Gasturbinentriebwerk in schematischer Darstellung,

Figur 2 - in einer vergrößerten perspektivischen Ansicht den Einlaß des erfindungsgemäßen Gasturbinentriebwerks nach Figur 1,

Figur 3 - in einer schematischen Darstellung die Anwendung der vorliegenden Erfindung zur Schallunterdrückung/-ablenkung in einer vorbestimmten Umfangsrichtung,

Figur 4 - eine Figur 3 ähnelnde Ansicht zur Darstellung der vorliegenden Erfindung bei einer Anwendung in einer alternativen Ausführungsform,

Figur 5 - in einer schematischen Ansicht die Anwendung der vorliegenden Erfindung zum Ablenken des Schalls in axialer Richtung und

Figur 6 - eine Figur 2 ähnelnde Ansicht zur Darstellung einer alternativen Ausführungsform dor vorliegenden Erfindung.

In den Zeichnungen bezeichnen ähnliche Hinweiszahlen ähnliche Elemente. Zunächst wird auf Figur 1 Bezug genommen, in der ein mit bezeichnetes Triebwerk nach der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt ist. Dieses Triebwerk kann allgemein als aus einem Kerntriebwerk 11, einem Gebläseaufbau 12 und einer Gebläseturbine 14 bestehend angesehen werden, die mit dem Gebläseaufbau 12 über eine Welle 16 verbunden ist. Das Kerntriebwerk 11 enthält einen Axialstromverdichter bzw. -kompressor 18 mit einem Rotor 2o. Die Luft tritt in einen Einlaßaufbau 22 ein und wird zunächst durch den Gebläseaufbau 12 verdichtet. Ein erster Teil dieser komprimierten Luft tritt in einen Gebläse-Bypasskanal 2 4 ein und dann aus einer Gebläsedüse 25 "aus. Ein zweiter Teil der komprimierten Luft gelangt in einen Einlaß 26, wird dann durch den Axialstromverdichter 18 komprimiert und wird schließlich zu einer Verbrennungseinrichtung 28 geführt, wo Brennstoff verbrannt wird, um eine Turbine 3o antreibende hochenergetische Verbrennungsgase zu bilden. Die Turbine 3o treibt ihrerseits über eine Welle 32 den Rotor 2o in der für ein Gasturbinentriebwerk üblichen Weise an. Die heißen Verbrennungsgase gelangen dann zur Gebläseturbine 14 und treiben diese an, wobei die

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Gebläseturbine 14· ihrerseits den Gebläseaufbau 12 treibt. Die Schubkraft wird daher durch die Wirkung des Gebläseaufbaus 12, der Luft von dem Gebläse-Bypasskanal 24 durch die Gebläsedüse 34 treibt, und durch das Ausstoßen der Verbrennungsgase aus der Kerntriebwerksdüse 36 erzielt, die teilweise von einem Kegel (plug) 38 begrenzt wird.

Die obige Beschreibung ist typisch für zahlreiche heutige Triebwerke und soll die vorliegende Erfindung keineswegs beschränken. Wie es aus der folgenden Beschreibung leicht ersichtlich ist, kann die vorliegende Erfindung auf jedes Gasturbinentriebwerk mit oder ohne Gebläse angewendet und dazu benutzt werden, um von jeglicher Kanalart selektiv eine Schallausbreitung abzuschirmen. Die obige Beschreibung des Triebwerks aus Figur 1 hat daher nur beispielhaften Charakter für eine Anwendungsart.

In Figur 2 ist der Einlaßaufbau 22 aus Figur 1 dargestellt. Er enthält einen festen zylindrischen Kanal 4o, eine Kante oder Lippe 42 zur Begrenzung einer Einlaßstirnebene 44 und ein bewegliches gewölbtes Ablenkglied 46, das im wesentlichen koaxial mit der Längsachse des festen Kanals verläuft. Das Ablenkglied 46 ist betriebsmäßig über eines einer Vielzahl von bekannten BetätigungsgTiedern 47 (Figur 1) mit dem festen Einlaßkanal verbunden. Ein solches Betätigungsglied kann den Ablenker 46 von einer im wesentlichen mit der Einlaßstirnebene 44 fluchtenden Stauposition zu einer mit A-A bezeichneten ausgezogenen Position vor der Einlaßstirnebene bewegen. Ferner ist es hierdurch möglich, den Ablenker 46 von einer ersten vorbestimmten ümfangsposition A-A in eine zweite vorbestimmte Umfangsposition B-B zu drehen.

In typischer Weise wird der von einem Gasturbinentriebwerk erzeugte Schall gleichmäßig in alle Richtungen vor der Einlaßstirnebene 44 übertragen. Da Gasturbinentriebwerke vornehmlich für Flugzeugantriebe angewendet werden und da ein Flugzeug seine Höhe und Ausrichtung ändert, ist der feste Objekte (wie Türme, Personen, Häuser usw.) störende Schall derjenige, der sich von unterschiedlichen Einlaßumfangsstellen ausbreitet. Figur 3 zeigt beispielsweise ein an einem Flugzeug angebrachtes Gasturbinentriebwerk lo, wobei sich

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das Flugzeug in einem Betriebszustand relativ niedriger Höhe befindet, wie beim Abheben oder Landen. Bei einer solchen Ausrichtung ist der unerwünschte Schall derjenige, der im wesentlichen in Abwärtsrichtung in einem Umfangssektor 48 übertragen wird. Während des Bodenbetriebes ist jedoch der unerwü- sehte Schall typischerweise derjenige, der von der Seite des Triebwerkeinlasses (Sektor 5o, Figur 4) abgestrahlt wird, da der Boden selbst als Schallablenker in Abwärtsrichtung dient (und da sich kaum an dieser Stelle ein Objekt befindet, das einen Schallschutz erfordert, während sich das Flugzeug auf dem Boden befindet).

Die vorliegende Erfindung schafft Mittel zum selektiven Abschirmen des Schalls in vorbestimmten Richtungen, um einen ständigen Schallschutz zu bilden, wenn das Gasturbinentriebwerk und das Flugzeug ihre Betriebsausrichtung ändern. In der Ausführungsform aus Figur 2 ist das gebogene Ablenkglied 46 um den Umfang der Einlaßlippe positionierbar und auch in bezug auf den festen Einlaß 22 axial verschiebbar. Wie es in Figur 5 bei aus der Einlaßstirnebene zur Position A ausgezogenem Ablenkglied 46 gezeigt ist, ergibt sich eine Schallunterdrückung in einem Bereich hauptsächlich innerhalb des Winkels θ zwischen der Einlaßstirnebene 44 und einer Linie Die letztere ist von einem Punkt 54 an der Einlaßlippe gegenüber dem Ablenkglied 46 unter Berührung der am weitesten vorne liegenden Verlängerung des Ablenkgliedes 46 gezogen. Wenn das Ablenkglied zur Position A' zurückgeschoben wird, unterliegt nur der Bereich innerhalb des Winkels Θ¹ (zwischen der Ebene 44 und der Linie 52") dem Vorteil einer Schallunterdrückung. Daher kann durch Verändern der axialen Verlängerung des Ablenkgliedes 46 ein selektives Abschirmen in Axialrichtung erzielt werden. Bei vorbestimmten Höhen, oberhalb derer der Schall von Gasturbinentriebwerken nicht mehr die darunter befindlichen Bewohner stört, kann das Ablenkglied 46 bis zum Fluchten mit der Einlaßstirnebene zurückgezogen werden. Ferner kann durch Drehen des Abierikgliedes 46 um den Umfang des Einlasses die Schutzzone geändert werden, und zwar beispielsweise vom Sektor 48 zum Sektor 5o aus Figuren 3 und 4. Dabei kann die Schallunterdrückung durch Anbringen von schallabsorbierendem Material 56 auf die radial innenliegende Oberfläche des Ablenkgliedes 46 weiter verstärkt werden.

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Eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Figur 6 dargestellt. Dabei ist eine Vielzahl von beweglichen, gebogenen Ablenkgliedern 46 um den Umfang des Einlaßkanals 22 angeordnet, wobei jedes Ablenkglied in bezug auf den Einlaßkanal bewegbar und gegenüber der festen Einlaßstirnebene 44 nach vorne verlängerbar ist. Eine gerichtete Schallablenkung ist durch selektives axiales Positionieren einer vorbestimmten Anzahl von Ablenkgliedern 46 erreichbar. Und wiederum ist eines der Vielzahl der bekannten Betätigungsglieder für diesen Zweck anwendbar. Wie es leicht ersichtlich ist, ähneln die Ergebnisse der selektiven Schallunterdrückung der alternativen Ausführungsform aus Figur 6 den Ergebnissen, die mit der Ausführungsform aus Figur 2 erzielt sind. Es ist von grosser Bedeutung, daß in keiner der aufgeführten Ausfuhrungsformen irgendein Aufbau vorhanden ist, der sich in die Einlaßstirnebene i·. erstreckt, um den Luftstrom zu unterbrechen. Daher ergibt sich keine Verminderung des Einlaßgesamtdrucks, die zu einer Abnahme der gesamten Leistungsfähigkeit des Triebwerks führen würde.

Für den Fachmann dürfte es offensichtlich sein, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung gewisse Abwandlungen vorgenommen werden können. Beispielsweise könnte eine Vielzahl von axial und in Umfangsrichtung bewegbaren Ablenkgliedern in der Ausführungsform aus Figur 2 angewendet werden, um einen gleichzeitigen Schutz in mehrfachen Umfangssektoren zu erzeugen. Außerdem müssen der Einlaß nicht notwendigerweise zylindrisch und die Ablenkglieder nicht notwendigerweise gebogen bzw. gewölbt sein. Außerdem umfaßt die Erfindung auch die Verwendung von Ablenkgliedern zum Verhindern eines Ansaugens von Fremdkörpern in den Einlaß, wenn das Triebwerk in einem bodennahen Bereich arbeitet, wobei diese Anwendung in Verbindung mit einer Schallunterdrückung oder auch allein erfolgen kann, sofern die Schallunterdrückung unwichtig ist. Die Patentansprüche sollen diese und ähnliche Abwandlungen im Rahmen der Erfindung abdecken.

- Patentansprüche -

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Claims

.. . > Patentansprüche

ίll Gasturbinentriebwerk-Einlaßaufbau zum selektiven Vermindern einer Schallausbreitung, gekennzeichnet durch einen Einlaßkanal (4o) und durch bewegliche Ablenkmittel (46), die betriebsmäßig mit Betätigungsmitteln (47) verbunden sind, so daß die Ablenkmittel axial an einer ersten wirksamen Betriebsposition in einem ersten Sektor (48) des Einlaßkanals und ferner axial in zumindest einer zweiten wirksamen Betriebsposition in einem zweiten Sektor (5o) des Einlaßkanals positionierbar sind, wobei der zweite Sektor gegenüber dem ersten Sektor in Umfangsrichtung verlagert ist.
2. Einlaßaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßkanal· im wesentlichen ein zylindrischer fester Einlaßkanal (4o) ist.
3. Einlaßaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Sektor (48) im wesentlichen am Boden des Einlaßkanals (4o) angeordnet ist.
4. Einlaßaufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkmittel zumindest ein in Umfangsrichtung gewölbtes Ablenkglied (46) aufweisen, das radial innenliegende und außenliegende Strömungspfadoberfiächen enthält, welche im wesentlichen koaxial zur Längsachse des Einlasses und über einen vorbestimmten Teil des Einlaßkanalumfangs verlaufen.
5. Einlaßaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßkanal (4o) eine Einlaßstirnebene (44) begrenzt, daß das Ablenkglied (46) in einer ersten vorbestimmten Axialposition im wesentlichen in Axialausrichtung mit der Stirnebene angeordnet ist und daß die Betätigungsmittel (47) axial positionierende Glieder enthalten, die betriebsmäßig mit dem Ablenkglied verbunden sind, um dieses von der ersten vorbestimmten Axialposition zu zumindest einer anderen vorbestimmten Axialposition vor der Einlaßstirnebene (44) axial zu bewegen und hierdurch eine nach vorne vorstehende Verlängerung des Einlaßkanals zu bilden.

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6. Einlaßaufbau nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die radial innenliegende Strömungspfadoberfläche des Ablenkgliedes ein schallabsorbierendes Material (56) aufweist.
7. Einlaßaufbau nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsmittel (47) ferner Glieder zum Drehen des Ablenkgliedes (46) vom ersten zu einem zweiten Sektor (48, 5o) des Einlaßkanals (4o) enthalten.
8. Einlaßaufbau nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch zumindest ein weiteres Ablenkglied (46).
9. Einlaßaufbau nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsmittel (47) mit den Ablenkgliedern (46) verbunden sind, so daß vorbestimmte Ablenkglieder von den ersten zu den zweiten vorbestimmten Axialpositionen bewegt werden.
10. Verfahren zum selektiven Vermindern einer Schallausbreitung von einem Gasturbinentriebwerkeinlaß, der einen festen Einlaßkanal und in diesem angeordnete, axial verstellbare Ablenkmittel aufweist, wobei die Ablenkmittel in bezu<j auf den festen Einlaßkanal axial bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkmittel von einem ersten zu einem zweiten vorbestimmten Umfangssektor des Einlaßkanals gedreht werden.
11. Verfahren nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßkanal hauptsächlich ein zylindrischer fester Einlaßkanal ist und eine Stirnebene begrenzt.
12. Verfahren nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß die Position der Ablenkmittel über Betätigungsmittel so festgesetzt bzw. eingestellt wird, daß bei Bodenhöhe der Ablenker gegenüber der festen Einlaßstirnebene axial nach vorne verlängert ist und sich zum Abschirmen einer seitlichen Schallausbreitung vom Ein- · laß in dem zweiten Sektor befindet, wobei der Ablenker bei Vergrößerung der Höhe zum ersten vorbestimmten Sektor gedreht wird, um eine Abschirmung der nach unten gerichteten Schallausbreitung zu erzielen.

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13. Verfahren·· nach' Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkmittel durch die Betätigungsmittel bei vorbestimmten Höhen zurückgezogen werden, so daß die Ablenkmittel mit der festen Einlaßstirnebene im wesentlichen bündig abschließen.
14. Verfahren zum selektiven Vermindern einer Schallausbreitung von

einem Gasturbinentriebwerkeinlaß, der einen eine Stirnebene begrenzenden festen Einlaßkanal und eine Vielzahl von axial einstellbaren und den Einlaßkanal im wesentlichen umschreibenden Ablenkgliedern enthält, dadurch gekennzeichnet, daß während eines ersten Betriebszustandes des Triebwerks zumindest eines der Ablenkglieder im wesentlichen mit der Stirnebene des festen Einlaßkanals fluchtend und zumindest eines der Ablenkglieder vor dieser Stirnebene liegend axial positioniert werden und daß während des zweiten Betriebszustandes des Triebwerks die vorher verlängerten Ablenkglieder zu einer im wesentlichen mit der Stirnebene fluchtenden Position zurückgezogen und gleichzeitig die sich axial erstreckenden anderen Ablenkglieder axial gegenüber der Stirnebene verlängert werden.

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