DE2539362A1

DE2539362A1 - Einlasskanal

Info

Publication number: DE2539362A1
Application number: DE19752539362
Authority: DE
Inventors: John Thomas Kutney; Rodger Bruce Mishler
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: FR2284035A1; JPS5854247B2; GB1499574A; DE2539362C2; IT1042131B; FR2284035B1; JPS5153111A; US3946830A

Description

Dr. Horst Schüler 2. September 1975

Patentanwalt Schu/Vo/Rg

6 Franklurt/Main 1 *
Niddastr. 52

3718-13DV-u4oo

GENERAL ELECTRIC COMPANY

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

Einlaßkanal

Die Erfindung betrifft einen Einlaßkanal zum selektiven Vermindern einer von diesem Kanal ausgehenden Schallausbreitung.

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.

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Die zweite Schallquelle, mit der sich auch die Erfindung befaßt, 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 Auslaßführungsi!ügelanordnung 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 Schallabsoprtionsverkleidung, 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.

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 Vorwärtsrichtung. 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 einer anderen Ausbildung wird ein axial bewegbarer, keilförmiger Aufnehmer bzw. eine Schaufel am Boden des Einlaßkanals benutzt, um die nach unten gerichtete Schallausbreitung vom Einlaß selektiv zu vermindern. Diese Konfiguration ist jedoch aus zwei Gründen unzulänglich. Zum einen hat es sich gezeigt, daß ein Einlaß mit einem solchen Aufnehmer eine schlechte Druckrückgewinnungs- bzw. -ausbeutecharakteristik hat (dieses System ist mit einem großen Verlust

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behaftet). Der zweite und mit dem vorstehenden Problem in Beziehung stehende Grund ist der, daß die gesamte Druckverteilung bzw. das Druckmuster stark gestört wird, beispielsweise in der Ebene einer im Kanal angeordneten Gasturbinengebläsestufe. Während die obige Charakteristik zu einer verschlechterten Triebwerkswirksamkeit führt, können hierdurch unter bestimmten Bedingungen übermäßige Gebläseschaufelbelastungen und eine mögliche Zerstörung der sich drehenden Turbomschine begründet werden.

Ein weiteres Vorgehen bestand darin, die untere zylindrische Hälfte des Einlaßkanals axial nach vorne zu verlängern. Im Seitenprofil führte dieses zu einem abgestuften Kanalwandungsumriß. Während diese Ausbildung zwar zum Vermindern des Schallpegels neigt, ist sie bezüglich der oben erörterten Gesichtspunkte der Einlaßrückgewinnung bzw. -ausbeute und -störung aerodynamisch unerwünscht. Das sich dem Gasturbinenkonstrukteur entgegenstellende Problem besteht somit darin, Mittel zum Dämpfen des vom Kanal herrührenden Schalls ohne schädliche Beeinflussung der Gesamtwirksamkeit zu bilden.

Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ohne Benachteiligung der Gesamtwirksanike.it den aus einem Kanal austretenden Schall zu vermindern.

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

Zusammengefaßt wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem vorbestimmten Sektor des Kanaleinlasses ein axial stromaufwärts vorstehender Ablenker vorgesehen wird. Das Übergangsprofil zwischen dem verlängerten Ablenker und dem stromabwärts gelegenen Einlaßkanalsektor gegenüber dem Ablenker ist gewölbt und hat keine scharfen Ecken an der Einlaßlippe. Ferner hat die der Einlaßlippe erteilte Kurvenform einen Wendepunkt, wodurch der Krümmungsradius im Verlauf des Übergangs eine Vorzeichenänderung .erfährt.

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Während die-vorliegende Erfindung eine Einlaßschallunterdrückung unterstützt, ist es besonders wesentlich, daß diese Unterdrückung im Vergleich zu eine» idealen Einlaß, bei dem die Einlaßebene im wesentlichen senkrecht zur Einlaßlängsachse verläuft, praktisch ohne Wirksamkeitsverlust erreicht wird.

Ferner wurden Grenzen für die L·änge des Deflektors ^¹¹^ für den Krümjnungsradius des Übergangpestgelegt, wobei sich innerhalb der Grenzen eine maximale Schalldämpfung ergibt und wobei jenseits der Grenzen die Schalldämpfungsverbesserung von der vergrößerten Kanallänge und dem vergrößerten Gewicht kondensiert wird.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem zeichnerisch dargestellten Äusführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen;

Figur 1 - in einer scheraiatischen Ansicht ein erfindungsgemäßes Gasturbinentriebwerk,

Figur 2 - in einer vergrößerten Ansicht den erfindungsgemäßen Einlaßteil aus Figur 1,

Figur 3 - in scheaia ti scher Weise eine Vielzahl bekannter Gasturbineneinlässe,

Figur 4 - in einer graphischen Darstellung die festgestellte Schallpegel verhinderung nach der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu derjenigen von bekannten Einlassen als Funktion der Winkellage gegenüber dem Einlaß und

Figur 5 - in einer graphischen Darstellung die festgestellte Schallpegelvenainderung nach der vorliegenden Erfindung als Funktion der Länge des Ablenkers, wobei die optimale Länge des Äblenkers dargestellt ist.

In den Zeichnungen sind ähnliche Elemente mit ähnlichen Hinweiszahlen belegt. Es wird zunächst auf Figur 1 Bezug genosajnen, die ein allgemein mit Io bezeichnetes und schematisch dargestelltes Triebwerk nach der vorliegenden Erfindung zeigt. Dieses Triebwerk kann allgemein als aus eine» Kerntriebwerk 11, einem Gebläseaufbau 12 und einer Gebläseturbine 14 bestehend angesehen werden, die über eine Welle 16 mit dem Gebläseaufbau 12 verbunden ist. Das Kerntriebwerk 11 enthält einen Axialstromverdichter bzw. -kompressor 18 mit

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einem Rotor .2o. Die Luft tritt in einen Einlaßaufbau 22 ein und wird anfänglich vom Gebläseaufbau 12 verdichtet. Ein erster Teil dieser komprimierten Luft gelangt in einen Gebläsebypasskanal 24, um dann durch eine Gebläsedüse 25 ausgestoßen zu werden. Ein zweiter Teil der komprimierten Luft tritt in einen Einlaß 26 ein, wird dann durch den Axialstromverdichter 18 komprimiert und dann an ein Verbrennungsglied 28 abgegeben, 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 einer für ein Gasturbinentriebwerk üblichen Weise. Die heißen Verbrennungsgase gelangen dann zur Gebläseturbine 14, um diese anzutreiben, und die Gebläseturbine 14 treibt ihrerseits den Gebläseaufbau 12. Eine Vorschubkraft wird daher durch die Wirkung des Gebläseaufbaus 12, der Luft vom Gebläsebypasskanal 24 durch die Gebläsedüse 25 ausstößt, und durch das Ausstoßen der Verbrennungsgase aus einer Kerntriebwerksdüse 36 gebildet, die teilweise von einem Einsatz 38 begrenzt wird.

Die obige Beschreibung ist typisch für viele heutige Triebwerke und soll nicht beschränkend wirken. Aus der folgenden Beschreibung ist es ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung auf jeden Kanal mit einer Schallausbreitung aus dem Inneren anwendbar ist. Die Erfindung soll keineswegs auf die Anwendung bei Gasturbinentriebwerken beschränkt sein. Die obige Beschreibung des Triebwerks aus Figur 1 hat deshalb nur beispielhaften Charakter für eine Anwendungsart.

Gemäß Figur 2 enthält der dargestellte Einlaßaufbau aus Figur 1 eine im wesentlichen zylindrische Kanalwandung 39 mit einer Lippe

oder JJeflektor

41. Ein AblenkgiieaY4o 1st Tiber einen vorbestimmten Sektor des Kanalaufbaus angeordnet und weist eine Verlängerung der Lippe 41 in axialer Stromaufwärtsrichtung auf. Der am weitesten hinten liegende Abschnitt der Einlaßlippe befindet sich bei 42. Obwohl dieser Abschnitt in Figur 2 als der am weitesten vorne liegenden Verlange-, rung des Ablenkers 4o diametral gegenüberliegend dargestellt ist, ist es möglich, daß der Abschnitt 42 und der Ablenker 4o in einer Vielzahl von gegenseitigen ümfangslagen angeordnet sind. Die Lippe

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des Ablenkers- 4o 'ist gemäß Darstellung bei 44 in axialer Richtung mit einer Kontur bzw. einem Profil versehen, und zwar mit einem allgemein doppelt gewölbten Profil (das heißt eine leichte bzw. weiche Kurve mit einem Biege- oder Wendepunkt 46). Der Durchmesser des Einlaßkanals 22 ist mit D bezeichnet/ während die Länge des Ablenkgliedes 4o als L dargestellt ist. Eine sich drehende Stufe von Gasturbinengebläseschaufeln 48 ist im Kanal angeordnet, um den hindurchgelangenden Luftstrom unter Druck zu setzen. Auf den Wandungen kann eine akustische Verkleidung 4 9 vom bekannten Wabentyp angeordnet werden, um die Schallunterdrückung zu verstärken.

Die Figuren 3a, 3b und 3c zeigen bekannte und für eine Gasturbinenanwendung geeignete Einlasse. Figur 3a zeigt einen typischen idealen, achsensymmetrischen, festen Lippeneinlaß (nachfolgend als herkömmlicher Einlaß bezeichnet), wobei die Einlaßstirnebene im wesentlichen rechtwinklig zur Kanallängsachse verläuft. Die Figuren 3b und 3c zeigen Versuche zum axialen Verlängern der unteren Lippe in Vorwärtsrichtung, um den Schall in Abwärtsrichtung abzuschirmen. Während zwar der Einlaß aus Figur 3a zur Erzielung einer verbesserten Schallunterdrückung nach vorne verlängert werden könnte, führt ein im Bereich von 36o verlängerter Aufbau zu einer beträchtlichen Gewichtsvergrößerung, die bei Anwendungen auf dem Flugzeugsektor unerwünscht ist. Bei solchen Anwendungen ist es besonders erwünscht, den Schall während der Flugzeugannäherung oder -landung im wesentlichen in dem unteren I8o°-Abschnitt abzuschirmen. Es ist erwünscht, den Abschirmungsbereich im unteren Einlaßquadrant und daher.die Schalldämpfung in dieser Richtung zu vergrößern, und zwar wegen des sich auf dem Boden befindlichen menschlichen Beobachters.

Früher wurde die Konfiguration aus Figur 3b als für eine Schalldämpfung optimal angesehen, da sich hierdurch für eine vorgegebene axiale sowie nach vorne gerichtete Verlängerung L der unteren Hälfte des im wesentlichen zylindrischen Einlaßkanals 5o ein maximaler Abschirmungsbereich ergibt. Der Aufbau 3b ist besser als derjenige aus Figur 3c mit dem keilförmigen Ablenkglied 52, da der abgeschirmte Bereich im unteren Quadranten beträchtlich größer ist.

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Der schraffierte Bereich 54 aus Figur 3c zeigt aus einer Überlagerung den gegenüber dem Einlaß 3c vergrößerten Abschirnibereich des Einlasses 3b- Jede der bekannten Konfigurationen aus Figur 3 hat sich jedoch als mangelhaft herausgestellt, und zwar bezüglich der Einlaßgesamtdruckrückgewinnung {Verhältnis des Gesamtdrucks an der Ebene der Gebläseschaufeln 48 zu demjenigen des freien Stroms vor dem Gebläse) und/oder bezüglich der im Vergleich zur vorliegenden Erfindung verminderten Schalldämpfung. In unerwarteter Weise erzeugt der Kanaleinlaß aus Figur 2 eine günstigere Schalldämpfung als der Einlaß aus Figur 3b, von dem bisher angenommen wurde, daß er in akustischer Hinsicht einen optimalen Ablenker bildet.

Figur 4 zeigt eine graphische Darstellung der beim erfindungsgemaßen Einlaß und bei dem Einlaß aus Figur 3b erzielten Schallpege!verminderung in bezug auf einen herkömmlichen Einlaß als Funktion der Winkellage gegenüber dem Einlaß. Die Charakteristik des Ablenkers aus Figur 3b ist als Kurve A bezeichnet, während die Kurve B die Charakteristik nach der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Winkel θ ist als der Winkel zwischen der Einlaßkanallängsachse und einer Linie definiert, welche vom Betrachter zur Einlaßkanalschallquelle verläuft, und zwar in einer von der Einlaßkanallängsachse und der Mittellinie des Ablenkers definierten Ebene, wie es in Figur 3b dargestellt ist. Es ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung über den ganzen interessierenden Winkelbereich zu einer günstigeren Schallunterdrückung als der bekannte Einlaß führt. Dies wird der Tatsache zugeschrieben, daß die Ecke 56 des Ablenkers 5o (Figur 3b) entfällt. Es wird angenommen, daß diese bekannte Ecke zu einer Wirbelablösung der wirbelnden Luft führt, die auf das Gebläse auftrifft und ihre eigene Schallquelle bildet. Obwohl der erfindungsgemäße Ablenker einen kleineren vorstehenden Bereich als der bekannte Ablenker hat, weist er infolge Ausschaltung von Wirbeln eine günstigere Schallunterdrückung auf. Ferner führt die erfindungsgemäße Ausbildung zu einem leichteren Einlaß, was für Anwendungen bei Flugzeuggasturbinen von besonderer Wichtigkeit ist. Ferner wurde festgestellt, daß aufgrund des Wegfallens scharfer Ecken die Einlaßdruckrückgewinnung bzw. -ausbeute nach der vorliegenden Erfindung besser als bei den bekannten Vorrichtungen ist.

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Die vorliegende Erfindung führt gemäß Erprobung zu einem Aufbau, bei dem der gewölbte Übergang 44 des sich axial nach vorne erstreckenden Ablenkers 4o aus zwei sich tangierenden und im wesent-

mit
liehen kreisförmigen Bögen entgegengesetzten Wölbungen und KrUmmungs·

radien R₁ und R₂ gemäß Figur 2 besteht. - -- - Obwohl

die Verhältniswerte R₁/D und R₉/D im wesentlichen o,4 und o,6 betragen, wird davon ausgegangen, daß Werte von R,/D zwischen im wesentlichen o,3 und o,5 und Werte von R_?/D zwischen o,5 und o,7 ebenfalls zu einer annehmbaren Wirksamkeit führen. In ähnlicher Weise könnte eine sinusförmige Kurve angewendet werden.

Durch Parameterstudien ist festgestellt worden, daß bei einem L/D Verhältnis von größer als o,4 keine weitere Schallverminderung auftritt, obwohl die Länge des Ablenkers beträchtlich vergrößert ist. Dieses ist graphisch in Figur 5 dargestellt, wobei die Schallpegelverminderung als Funktion des Verhältnisses L/D aufgetragen ist. Es ist klar ersichtlich, daß die verbesserte Ausbildung beginnend bei einem Verhältnis L/D zwischen o,3 und o,4 eine günstige Dämpfung aufweist, wobei die Kurve bei einem Wert von größer als o,5 im wesentlichen flach verläuft. Daher wählt der das Gewicht berücksichtigende Konstrukteur des Einlasses ein Verhältnis L/D zwischen im wesentlichen o,3 und o,5 für eine optimale Schallverminderung bei minimaler Kanallänge und minimalem Gewicht.

Dem Fachmann dürfte es offensichtlich sein, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung gewisse Veränderungen vorgenommen werden können. Beispielsweise kann, wie es bereits erwähnt wurde, der Ablenker bei irgendeinem Kanal mit einer darin erfolgenden Schallentwicklung angewendet werden, und die Anwendung ist nicht notwendigerweise auf Gasturbinentriebwerke beschränkt. Ferner könnte der Ablenker an anderen Stellen als am Boden des Einlaßkanals angeordnet und axial sowie in Umfangsrichtung verstellbar ausgebildet werden. Diese und alle vergleichbaren Änderungen sollen von der vorliegenden Erfindung umfaßt sein.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

Einlaßkanal zum selektiven Vermindern einer von seinem Inneren ausgehenden Schallausbreitung und zum Verbessern der Einlaßdruckrückgewinnung bzw. -ausbeute, wobei der Einlaßkanal eine begrenzende Lippe und stromaufwärts gelegene Ablenkmittel aufweist, die sich in einem ersten Umfangsabschnitt des Einlaßkanals befinden, und wobei der Ablenker eine Verlängerung der Lippe hat und von einem zweiten Umfangsabschnitt des Kanals in Axialrichtung nach vorne vorsteht, gekennzeichnet durch eine im wesentlichen gewölbte axiale Kontur (44) der Lippe (41) an den Ablenkmitteln (4o), wobei die Kontur bzw. der Umriß zumindest einen Kurvenbiege- bzw. -Wendepunkt (46) aufweist.
2. Einlaßkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist.
3. Einlaßkanal nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bogenkontur (44) weitgehend sinusförmig ist.
4. Einlaßkanal nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, da/5 die Bogenkontur (44) hauptsächlich einen ersten Kreisbogen (R ) und einen zweiten Kreisbogen (R?) aufweist, wobei sich die Bögen mit entgegengesetztem Krümmungssinn gegenseitig tangieren, wobei ferner der erste Bogen ein axial stromabwärts vom vordersten Vorsprung der Lippe (41) angeordnetes Kurvenzentrum hat und wobei das Kurvenzentrum des zweiten Bogens in Axialrichtung vor dem am weitesten hinten liegenden Vorsprung der Lippe liegt.
5. Einlaßkanal nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bogen (R,) den vordersten Vorsprung der Lippe (41) und der zweite Bogen (R ) den am weitesten hinten liegenden Vorsprung der Lippe tangieren φ
6. Einlaßkanal nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Bögen (Rw R~) so geformt sind, daß sie mit den am weitesten vorne und am weitesten hinten liegenden Vorsprüngen der Lippe (41) zusammenlaufen.

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7. Einlaßkao,al nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis L/D im wesentlichen zwischen o,3 und o,6 liegt, wobei D der Durchmesser des Einlaßkanals und L die Länge des Ablenkervorsprungs (4o) sind, der axial vor dem am weitesten hinten liegenden Vorsprung der Lippe (41) liegt.
8. Einlaßkanal nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von L/D im wesentlichen zwischen o,3 und o,6 und das Verhältnis von R /D im wesentlichen zwischen o,3 und o,5 liegen, wobei D der Durchmesser des Einlaßkanals, L die Länge des axial vor dem am weitesten hinten liegenden Vorsprung der Lippe (41) liegenden Ablenkervorsprungs und R der\ vradius des ersten Kreisbogens sind.
9, Einlaßkanal nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von R_?/D im wesentlichen zwischen o,5 und o,7 liegt,

wobei R^ def/ ^radius des zweiten Kreisbogens ist. ^{2 /}Krünununga'
10. Einlaßkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt im wesentlichen am Boden des Einlaßkanals liegt.
11. Einlaßkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er für eine Verwendung in Verbindung mit einem Gasturbinentriebwerk geeignet ausgebildet ist.

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