DE2620676A1

DE2620676A1 - Schalldaempfender einlasskanal

Info

Publication number: DE2620676A1
Application number: DE19762620676
Authority: DE
Inventors: Stephen Barry Kazin
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-05-14
Filing date: 1976-05-11
Publication date: 1976-12-02
Also published as: FR2311187A1; DE2620676C2; GB1545921A; IT1060613B; FR2311187B1; JPS5911734B2; CA1066517A; JPS51140012A; US4049074A

Description

Schalldämpfender Einlaßkanal

Der Lärm bzw. der Schall eines Gasturbinentriebwerkes wird von zwei Hauptquellen erzeugt. Die erste Quelle resultiert aus der viskosen Abscherung von sich schnell bewegenden Gasen, die in die umgebende Atmosphäre ausgestoßen werden. In Turbofan-Flugzeugtriebwerken werden diese Gase von den Fan- und Kerndüsen an der Rückseite des Triebwerkes emittiert. Es sind verschiedene Versuche unternommen worden, um diesen Scherungslärm zu vermindern, wobei meistens Mischer eingebaut wurden, um die Gebläse- und Austrittsgase miteinander und mit der Umgebung zu vermischen.

Die zweite Lärmquelle, auf die die vorliegende Erfindung gerichtet ist, wird durch die rotierende Turbomaschine selbst erzeugt. Sie

resultiert aus der Relativbewegung zwischen den schnell rotierenden Blattreihen und der über sie hinwegströmenden Gasströmung. Der Lärm bzw. der Schall wird beeinflußt durch Parameter wie Blattdrehgeschwindigkeiten, Abstand von Blatt-zu-Blatt, Blattgeometrie und durch die Nähe der stationären Hardware zu den rotierenden Blattreihen, wie im Falle einer Auslaß-Führungsschaufelanordnung. Ein weiteres Beispiel für den letztgenannten Zustand tritt in typischen Axialkompressoren mit zahlreichen Stufen aufj wo sich stationäre Blattreihen mit rotierenden Blattreihen abwechseln. Ein Teil des in dieser Weise erzeugten Schalls kann absorbiert und unterdrückt werden durch eine akustische oder geräusch..absorbierende Paneele bzw. Verkleidung, die um den Umfang der die rotierende Turbomaschine umschließenden Gondel herum angeordnet ist. Ein derartiges geräuchabsorbierendes Material ist an sich bekannt. Aufgrund der großen Nähe des Gebläses oder Kompressors im Verhältnis zur Frontebene des Einlasses und wegen des Fehlens einer akustischen Abschirmung in Vorwärtsrichtung breitet sich jedoch ein erheblicher prozentualer Anteil des Schalls von dem Einlaßkanal der Gasturbine nach vorne aus.

Bekannte Versuche zur Lösung dieses Problemes konzentrierten sich auf die Applikation eines geräuschabsorbierenden Materials auf die Innenwände des Einlaßkanals. Dies dämpft jedoch nur wenig den unreflektierten Schall, der sich in axialer Richtung nach vorne ausbreitet. Zusätzliche Vorteile wurden erhalten durch koaxiale Umfangsringe aus geräuschabsorbierendem Material innerhalb des Einlasses. Derartige Ringe erzeugen jedoch einen Verlust des Einlaßgesamtdruckes und bringen deshalb Wirkungsgradverluste mit sich, die über dem gesamten Betriebsbereich des~ Triebwerkes bestehen, selbst wenn die Lärmausbreitung keine Gefahr oder Belästigung für die Bewohner in den Flugzeugschneisen darstellt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß Maßnahmen gegen die Vereisung ergriffen sein müssen. Eine derartige Struktur vergrößert die mögliche Beschädigung durch Fremdteilchen,

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vermindert die Zugänglichkeit zum Gebläserotor auf der Pluglinie und erhöht das Gewicht.

Ein anderer Vorschlag beinhaltet einen axial umsetzenden Schalldeflektor auf der Unterseite des Einlaßkanales, um die Lärmtransmission von dem Einlaß nach unten zu vermindern. Diese Konfiguration ist jedoch aus zwei Gründen nachteilig. Erstens hat sich gezeigt, daß ein Einlaß mit einem derartigen Deflektor eine schlechte Druckrückgewinnungs-Charakteristik (d. h. es ist von Natur aus ein System mit hohen Verlusten) haben kann, was von seiner Form abhängt. Zweitens, und dies steht in einem gewissen Zusammenhang mit den vorgenannten Problemen, kann der gesamte Druckverlauf stark gestört werden, beispielsweise in der Ebene der in dem Kanal angeordneten Gebläsestufe der Gasturbine. Während die schlechte Druckrückgewinnung zu einem verschlechterten Wirkungsgrad des Triebwerkes führt, kann der gestörte Strömungsverlauf unter bestimmten Bedingungen überhöhte Fangebläsebeanspruchungen und möglicherweise eine Zerstörung der rotierenden Turbomaschine bewirken.

Ein weiterer, kürzlich unternommener Versuch besteht darin, die Einlaßströmung zu beschleunigen, so daß die mittlere Machzahl am Hals 1 beträgt. Das angewendete Prinzip besteht darin, daß eine akustische Welle sich nicht entgegen einer Strömung mit der Machzahl 1 stromaufwärts ausbreiten kann, da die Welle selbst nur mit Mach 1 wandern kann. Dies stellt jedoch gewisse Probleme bezüglich der Leistungsfähigkeit dar. Für eine Anwendung dieses Konzeptes auf ein übliches Flugzeug erfordert eine beträchtliche Größe der Änderung des Einlaßstromungsquerschnittes wegen der großen Änderung der Luftströmung bei den verschiedenen Triebwerksleistungen. Weiterhin muß die Einlaßlänge wesentlich vergrößert werden aufgrund der erforderlichen Streuung von Mach auf eine angemessene Machzahl an der Gebläserotorebene ohne eine Abtrennung der Grenzschicht im Einlaß. Zusätzlich haben kürzliche Versuche gezeigt, daß ein ernsthafter Verlust an Lärmunterdrückung besteht, wenn ein gedrosselter bzw. gestauter Einlaß

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einer Einströmung unter verschiedenen Angriffswinkeln innerhalb des normalen Start- und Landebereiches unterworfen ist.

Bekannte Versuche, die akustischen Vorteile eines gestauten oder nahezu gestauten Einlasses mit denjenigen des geräuschabsorbierenden Materials zu kombinieren sind enttäuschend gewesen, da das System nicht wirksamer war als der gestaute Einlaß alleine.

Das sich dem Gasturbinen-Konstrukteur stellende Problem besteht deshalb darin, Mittel zur Dämpfung des aus dem Kanal austretenden Lärms zu schaffen, ohne für eine übermäßige Komplexität, erhöhte Kosten und Nachteile bezüglich der Leistungsfähigkeit zu sorgen.

Es ist deshalb eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, den aus' einem Kanal austretenden Lärm zu vermindern, ohne die Gesamtleistungsfähigkeit zu beeinträchtigen. Dabei sollen die akustischen Vorteile einer hohen Unterschall-Machzahl am

der Einlaßhals mit den lärmunterdrückenden Eigenschaften/bekannten lärmabsorbierenden Materialien in wirksamer Weise kombiniert werden.

Weiterhin soll ein verbessertes Verfahren geschaffen werden, um den· aus dem Gasturbinentriebwerk austretenden Lärm zu vermindern .

Diese Aufgaben werden, kurz gesagt, durch einen Einlaßkanal mit einem Hals, einem Diffusor und einem zylindrischen Abschnitt gelöst, die strömungsmäßig vor dem Gebläserotor angeordnet sind. Auf den Wänden von wenigstens dem zylindrischen -Abschnitt ist geräuschabsorbierendes Material angeordnet. Ein erster Teil der akustischen Dämpfung wird durch die Beschleunigung der Strömung auf eine hohe Unterschallgeschwindigkeit am Kais erreicht. Ein zweiter Teil der akustischen Dämpfung wird dadurch erhalten, daß das strömende Medium in der Nähe des Äkustikmaterials lokal beschleunigt wird, so daß den akustischen Wellen eine Geschwindigkeitskomponente gegeben wird, die senkrecht zu dem

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akustischen Material verläuft und dadurch die Absorption verstärkt. Durch Bemessung der verschiedenen Abschnitte des Einlaßkanales in einer vorteilhaften, vorbestimmten Relation können sich die Wirkungen der zwei Quellen für die akustische Dämpfung addieren.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Lärm am Einlaß unterdrückt wird und daß diese Unterdrückung erreicht wird, ohne daß die Leistungsfähigkeit verschlechtert wird, ohne daß sich bewegende Teile benötigt werden und ohne daß die Kosten wesentlich gesteigert weraen.

Weiterhin werden Grenzen angegeben für die Geometrie des Einlasses, in denen eine maximale Lärmdämpfung erzielt v/erden kann und außerhalb derer die Verbesserung bezüglich der Lärmdämpfung durch eine erhöhte Länge und vergrößertes Gewicht des Einlaßkanales ausgeglichen wird.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Figur 1 ist ein Seitenschnitt des Gasturbinentriebwerkes mit dem lärmdämpfenden Einlaßkanal gemäß der Erfindung.

Figur 2 ist eine schematische Schnittdarstellung eines bekannten Gasturbinen-Einlaßkanales mit geräuschabsorbierendem Material.

Figur 3 ist eine grafische Darstellung der akustischen Effektivität des geräuschabsorbierenden Materials gemäß Figur als Funktion der mittleren Machzahl am Hals.

Figur 4 ist eine vergrößerte Ansicht ähnlich wie Figur 2 von dem Einlaßabschnitt des Gasturbinentriebwerkes gemäß Figur und zeigt verschiedene geometrische Charakteristiken.

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Figur 5 ist eine grafische Darstellung der akustischen Effektivität von verschiedenen Einlaßkanalkonfigurationen.

Figur 6 ist eine schematische Darstellung des Mechanismus der akustischen Wellendrehung.

In Figur 1 ist ein die Erfindung umfassendes Triebwerk schematisch gezeigt und insgesamt mit 10 bezeichnet. Dieses Triebwerk umfaßt ein Kerntriebwerk 12, eine Gebläseanordnung 14 mit einer Stufe von Gebläseblättern 15 und eine Gebläseturbine 16, die durch eine Welle 18 mit der Gebläseanordnung 14 verbunden ist. Das Kerntriebwerk 12 weist einen Axialstromungskompressor 20 mit einem Rotor 22 auf. Die Luft tritt am Einlaß ein und wird zunächst durch die Gebläseanordnung 14 komprimiert. Ein erster Teil dieser komprimierten Luft tritt in den Gebläsebypaßkanal ein, der teilweise durch das Kerntriebwerk 12 und eine auf dem Umfang herum führende Gebläsegondel 26 gebildet wird, und tritt dann durch eine Gebläsedüse 30 hindurch aus. Ein zweiter Teil der komprimierten Luft tritt in den Einlaß 32 ein und wird durch den Axialströmungsverdichter 20 weiter komprimiert und tritt dann in einen Brenner 34 ein, wo Brennstoff verbrannt wird, um hochenergetische Verbrennungsgase zu bilden, die eine Turbine 36 antreiben. Die Turbine 36 treibt ihrerseits über eine Welle in üblicher Weise den Rotor 22 an. Die heißen Verbrennungsgase strömen dann in die Gebläseturbine Ib ein und treiben diese an, die ihrerseits die Gebläseanordnung 14 antreibt. Eine Antriebskraft wird somit durch die Wirkung der Gebläseanordnung 14, die Luft aus dem Gebläsebypaßkanal 28 durch die Gebläsedüse 30 hindurch aufstößt, und durch den Ausstoß der Verbrennungsgase aus der Kerntriebwerksdüse 4o erhalten, die teilweise durch einen Strömungseinsatz 42 gebildet ist. Die vorstehende Beschreibung ist typisch für viele derzeitig bekannte Gasturbinentriebwerke und soll in keiner Weise die Erfindung einschränken, da es aus der folgenden Beschreibung deutlich wird, daß die vorliegende Erfindung auf jede Einrichtung angewendet werden kann, durch die eine Strömung hindurch tritt und aus der Lärm austritt.

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Die vorstehende Beschreibung des Triebwerkbetriebes in Verbindung mit Figur 1 ist deshalb lediglich zu Darstellungszwecken für eine Anwendungsart gedacht.

Wie bereits erwähnt wurde, besteht ein Verfahren zur Verminderung der Lärmausbreitung von dem Einlaß aus nach vorne bei beispielsweise einem Gasturbinentriebwerk darin, die Einlaßströmung derart zu beschleunigen, daß die mittlere Machzahl am Hals etwa 1 (Schallgeschwindigkeit) beträgt. Ein derartiges Verfahren ist in der US-PS 3 611 72¹I näher erläutert. Demzufolge ist eine aufblasbare Membran am Einlaßhals vorgesehen, um die Querschnittsfläche am Hals als eine Punktion der Betriebsart des Triebwerkes zu verändern. Die Hinzufügung der variablen Geometrie zum Triebwerks einlaß löst zwar einige der eingangs erwähnten Probleme, sorgt aber für erhöhtes Gewicht und erhöhte' Kosten und kompliziert den Triebwerkaufbau.

Ein zweites bereits erwähntes Verfahren der Verminderung des Triebwerklärms ist die Anbringung von geräuschabsorbierendem Material an den Innenwänden des Einlaßkanales. Diese Technik ist in der Akustik allgemein bekannt und ein derartiges Verfahren ist in der US-PS 3 542 152 näher erläutert.

Die Ideen der Beschleunigung der Einlaßströmung auf Schall- oder nahezu Schallgeschwindigkeiten und die Behandlung des Einlasses mit geräuschabsorbierendem Material sind zwar bisher einzeln für wirksam befunden worden, aber die Kombinierung der zwei Effekte hat eine Lärmverminderung mit einem Wert erzeugt, der wesentlich kleiner als die Summe der Anteile ist. Mit anderen Worten wurden die zwei Effekte nicht akustisch addiert. Figur 2 zeigt schematisch einen typischen bekannten Gasturbineneinlaßkanal 44 mit einem Hals 46, der an dem einzelnen Punkt der minimalen Querschnittsfläche gebildet wird, wobei der Querschnitt der Strömungsbahn 47 zu der durch die Vorderkante der Gebläseblätter 15 gebildeten Ebene sich ausbreitet oder vergrößert. Geräuschabsorbierendes Material 48 bekannter Art ist auf der Innenwand 50

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des Strömungskanales angeordnet. Dieser Aufbau führt jedoch zu einer wesentlichen Verschlechterung der Unterdrückungswirkung des geräuschabsorbierenden Materials. Figur 3 ist typisch für die Ergebnisse der Strömungen, die durch einen derartigen Einlaß beschleunigt werden, und sie stellt grafisch die Verminderung des wahrgenommenen Lärmpegels (Δ PNL) als eine Funktion der mittleren Machzahl am Hals dar. Die schraffierte Fläche 52 stellt die Verkleinerung der Wirksamkeit des Systems dar, wenn die mittlere Machzahl am Hals über einen Wert von etwa 0,^5 erhöht wird.

Dieser Nachteil wird vermieden, wenn ein Einlaßkanal 2k verwendet wird, wie er in Figur k gezeigt ist. In diesem Einlaß ist der Hals 54 verlängert. Mit anderen Worten behält die Gehäusewand 55 einen konstanten Durchmesser für eine vorbestimmte axiale Länge L. bei, die, wie im folgenden noch näher erläutert werden wird, vorteilhafterweise eine Funktion der mittleren Machzahl am Hals ist. Die Diffusion wird so schnell wie möglich durch einen Diffusor 56 mit einer axialen Länge L, erreicht, die ebenfalls eine Funktion der mittleren Machzahl am Hals ist, und ein zylindrischer Abschnitt 58 mit der axialen Länge L schließt sich vor den Gebläseblättern 15 an.

Die Einfügung von geräuschabsorbierendem Material 60 in diesem Einlaß in Verbindung mit den hohen mittleren Machzahlen bewirkt einen nützlichen und hervorragenden hybriden Einlaß, die eine Eigenschaften von beiden Bestandteilen und bestimmte eigene Charakteristiken hat.

Figur 5 stellt grafisch die Verminderung des wahrnehmbaren Geräuschpegels dar als eine Funktion der mittleren Machzahl am Hals für einen beschleunigenden Einlaß₃ wie er in Figur ¹J gezeigt ist. Ohne geräuschabsorbierendes Material 60 auf den Innenwänden des Kanals (Kurve A) ist die Lärmverminderung klein aufgrund der Beschleunigung der Einlaßströmung auf Werte unter-

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halb von Machzahlen von etwa 0,6, während bei Machzahlen oberhalb 0,6 Kurve A die Lärmdämpfung aufgrund der Beschleunlgungswirkungen alleine zeigt. Die Streuung der Versuchsergebnisse ist durch die schraffierte Fläche um die Kurve A herum dargestellt.

Wenn jedoch das geräuschabsorbierende Material 50 hinzugefügt ist, besteht eine zusätzliche akustische Dämpfungswirkung bei allen Machzahlen (Kurve B) bis zu einer Machzahl von etwa 0,8, wo sich die Streuungsbereiche der Kurven A und B zu überlappen scheinen. Die Differenz der Lärmdämpfung zwischen den Kurven A una B stellt die Unterdrückungswirkung. des absorbierenden Materials dar und hat im Kurvenbild einen ähnlichen Trend, wie er in Figur 3 dargestellt ist. Mit anderen Worten gehen bei höheren Machzahlen die Kurven A und B ineinander über aufgrund des Verlustes an Wirksamkeit des geräuschabsorbierenden Materials, und die akustische Leistungsfähigkeit des Einlasses nähert sich derjenigen eines überhaupt nicht behandelten beschleunigenden Einlasses. Bei kleineren Machzahlen hat jedoch der Einlaß gemäß Figur 4 als hauptsächliche Unterdrückungswirkungen diejenigen eines beschleunigenden Einlasses mit der zusätzlichen Wirkung der mit geräuschabsorbierenden Material behandelten Wände.

Der Grund für das besondere Leistungsvermögen des Einlasses gemäß Figur H ist eine sorgfältige Kombination der vergrößerten

Welle in dem Resonanzzeit der akustischen y Einlaßkanal mit der Beugung der akustischen Energie an dem schallabsorbierenden Material.

Die Resonanzzeit besteht in Zusammenhang mit der erhöhten Zahl von Wellenlängen, über die die akustische Energie wandern muß, bevor der Schall aus dem Einlaß austritt. Es entstehen verkürzte Wellenlängen, da die Einströmung gegen die akustische Ausbreitung das Fortschreiten der akustischen Wellen verzögert. Wenn, mit anderen Worten^ die durch den Vektor 62 in Figur 4 darge-

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stellte Strömung gegen die Richtung der Ausbreitung der akustischen Welle, die durch den Vektor 64 dargestellt ist, beschleunigt wird., nimmt die effektive Wellenlänge um den Faktor c^u ab, wobei c die Schallgeschwindigkeit und u die Strömungs-^C geschwindigkeit ist. Somit hat das schallabsorbierende Material eine längere Zeit, um auf die akustische Energie einzuwirken. Weiterhin ist es wichtig, die axiale und radiale Ausdehnung des beschleunigten Strömungsbereiches im Einlaß zu betrachten, wobei die Aufrechterhaltung der internen aerodynamischen Stabilität besonders zu berücksichtigen ist. Bei kleineren Machzahlen ist es also vorteilhaft, die axiale Ausdehnung des beschleunigten Strömungsbereiches zu vergrößern, während bei höheren Machzahlen die axiale Ausdehnung des Halses noch vermindert werden kann.

Die zweite zu betrachtende Erscheinung ist die Beugung der akustischen Wellen im Einlaß aufgrund der radialen Geschwindigkeitsgradienten der Strömung. Wenn die Geometrie der Einlaßwand sorgfältig gewählt ist, ist die axiale Strömungsgeschwindigkeit an der Wand (etwa Schallgeschwindigkeit) größer als diejenige an der Mittellinie des Einlasses. Somit wandern die akustischen

schneller Wellen in der Mitte des EinlaßkanalesT^d. h. c-u ist ein größerer Wert) als an der Wand entlang. Die Wirkung ist dann eine Drehung der akustischen Wellen in Richtung auf die Gehäusewand 55, was einen senkrechtereren AufprallVwelle auf die Wand zur Folge hat. Der senkrechte Absorptionskoeffizient für die meisten schallabsorbierenden Materialien ist größer als der Koeffizient für eine entlangstreichende Strömung. Deshalb wird eine größere akustische Absorption erreicht. Die Wirkung der Drehung der akustischen Welle kann durch das folgende Beispiel in Verbindung mit den Figuren 6a und 6b verdeutlicht werden. Es seien die vier Punktquellen S., Sp, S, und S₁. gemäß Figur 6a betrachtet, die in stromauf wärt is;er Richtung in einen Kanal entgegen einer konstanten Einströmung mit der Geschwindigkeit u abstrahlen. Jede Quelle strahlt relativ zum Kanal mit einer Geschwindigkeit (c-u). Somit führt der jede Welle (gestrichelt dargestellt)

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verbindende geometrische Ort zu einer geraden Linie senkrecht zur Einströmung. Das bedeutet, daß sich die Wellenfront entlang dem Kanal mit einer Geschwindigkeit (c-u) ausbreitet.

In Figur 6b strahlen die gleichen vier Quellen entgegen einer nicht gleichförmigen Strömung ab, die für dieses Beispiel eine Punktion der Kanalhöhe y ist. Mit anderen Worten ist also u=f(y). Die Quelle S₁ strahlt langsamer ab als die übrigen Quellen, da (c-u) eine kleinere Größe ist. Somit ist der geometrische Ort der Wellenfronten eine Linie, die relativ zur Wellenfront gemäß Figur 6a geneigt ist. Wenn im Grenzfall die Geschwindigkeit an der Wand (y=b) gleich der Schallgeschwindigkeit c ist, würde die Wellenfront herum^geschwenkt und direkt in diese Wand gedreht werden. Im allgemeinen ist die Drehung jedoch graduell, wenn sich die Welle im Kanal entlang nach unten ausbreitet. Dies wird durch eine radiale Geschwindigkeitskomponente festgelegt, die einen senkrechten Aufprall und eine Absorption an der behandelten Wand bewirkt.

Um jedoch die vorgenannten Vorteile zu erhalten, muß die Strömungsbeschleunigung so schnell wie möglich aufhören, um einen Verlust-.der Wirksamkeit des schallabsorbierenden Materials zu vermeiden, wie er durch die Figur 3 dargestellt ist. Deshalb muß die Diffusion so schnell wie möglich erreicht werden, ohne eine Abtrennung der Einlaßströmung zu bewirken. Wenn also die mittlere Machzahl am Auslegungspunkt des Halses zunimmt, muß die Diffusorlänge L. ebenfalls zunehmen, um eine Strömungsablösung für eine gegebene Machzahl an der Ebene der Vorderkante des Gebläseblattes 15 zu vermeiden.

Durch Versuche wurde gefunden, daß die optimalen axialen Längen L^ und L_d für den Halsabschnitt 54 bzw. den Diffusorabschnitt 56 als eine Funktion des Blattspitzendurchmessers oder des Durchmessers des zylinderischen Abschnittes D und die mittlere Machzahl M des Halses wie folgt ausgedrückt werden können:

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^d = 2,6M - 1,12 und
D

^t = 1,28 - 1,6M
D

wobei 0,7^ M £/0,8.

Obwohl diese Gleichungen optimale Konfigurationen darstellen, würden Abweichungen von etwa 10 % von diesen Werten die akustische Leistungsfähigkeit nicht wesentlich beeinflussen.

Die Begrenzung der mittleren Machzahlen am Hals auf Werte im wesentlichen zwischen 0,7 und 0,8 basiert auf mehreren Paktoren. Wie in Figur 5 gezeigt ist, hat bei Machzahlen oberhalb etwa 0,8 die akustische Behandlung einen Großteil ihrer Wirksamkeit verloren und das System nähert sich einem lediglich beschleunigenden Einlaß. Bei Machzahlen unterhalb etwa 0,7 ist die Wirkung der Beschleunigung nicht besonders signifikant und es können auch andere Methoden verwendet werden, um den Lärmpegel zu senken. Deshalb ist der am stärksten interesssierende Bereich für die Anwendung der vorliegenden Erfindung der Machzahlenbereich im wesentlichen zwischen 0,7 und O₃8. Der allgemeine Gedanke ist auch auf kleine Machzahlen (Machzahlen von 0,6) anwendbar. Bei diesen kleinen Machzahlen würde jedoch die axiale Ausdehnung des Halses sehr klein sein. In der Tat könnte der Hals als ein einzelner Punkt minimaler Querschnittsfläche definiert sein und würde nicht mehr auf der obigen Gleichung (1) basieren.

Der zylindrische Abschnitt 58 vor den Gebläseblättern 15 ist mit schallabsorbierendem Material ausgekleidet, da dies derjenige Bereich ist, der die gebeugten akustischen Wellen absorbiert. Die Länge L dieses Abschnittes wird vom Standpunkt des Wirkungsgrades im Verhältnis zum Gewicht optimiert. Praktische Überlegungen diktieren, daß ein Einlaßkanal von einem am Plug-

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zeug montierten Gasturbinentriebwerk ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser hat, das nicht größer als 1 ist. Nach Ableitung dieser axialen Ausdehnung der Hals- und Diffusorabschnitte ist das verbleibende Verhältnis von Länge zu Durchmesser des zylindrischen Abschnittes nicht größer als 0,2. Wo jedoch das Gewicht keine Beschränkung darstellt, kann dieser Wert überschritten werden, da bekanntlich die Schalldämpfung desto besser ist, je langer der akustisch behandelte Abschnitt ist.

Wie bereits erwähnt wurde, sind bekannte Versuche, die akustischen Vorteile von schallabsorbierenden Materialien und einem beschleunigenden Einlaß zu kombinieren, nicht erfolgreich gewesen. Die Kurve C in Figur 5 stellt Versuchsergebnisse von bekannten beschleunigenden Einlassen verschiedener Arten mit schallabsorbierendem Material auf der Innenkanalwand dar. Es wird deutlich, daß bei kleinen Machzahlen wie beispielsweise 0,6 die Einlasse sich im wesentlichen wie Einlasse mit akustischem Material ohne die Vorteiüe der Beschleunigung verhalten. In dem Machzahlbereich von etwa 0,7 bis 0,8 verhalten sich die Einlasse jedoch wie rein beschleunigende Einlasse mit einem nahezu vollständigen Verlust der Wirksamkeit des schallabsorbierenden Materials. Somit ist also die Einlaßkonfiguration gemäß Figur 4, die gemäß den hier gegebenen Lehren bemessen ist und deren Ergebnisse durch die Kurve B in Figur 5 grafisch dargestellt sind, deutlich überlegen gegenüber der alleinigen Hinzufügung von schallabsorbierendem Material zu einem bekannten beschleunigenden Einlaß.

femäß
Tdem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel der

Erfindung hat einen weiteren Vorteil, da er das gleiche Lärmunterdrücksungsprinzip beim Start- und Landebetrieb des Triebwerkes ermöglicht. Beim Landeanflugbetrieb, wenn die Einlaßgeschwinäigkeiten klein sind im Vergleich zum Starterbetrieb, ist keine Strömungsbeschleunigung erforderlich, da die schallabsorbierenden Materialien enthalten sind. In der Tat würde

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bei diesen Geschwindigkeiten des Landeanfluges die Unterdrückung verstärkt werden durch Einfügung von schallabsorbierenden Materialien im Diffusorabschnitt 56 und desgleichen in dem zylindrischen Abschnitt 58, ohne die akustischen Eigenschaften

höheren

beiTMachzahlen zu beeinträchtigen. Wenn keine schallabsorbierende Behandlung verwendet werden würde, würde zur Erzielung irgendeiner akustischen Unterdrückung beim Anflug eine Plachenveränderung des Halses erforderlich sein, um die Strömung bei der geringen Strömungsgeschwindigkeit zu beschleunigen, und dies würde zu erhöhten Kosten und einer größeren Komplexität führen.

Schließlich vermindert die kleinere Machzahl beim Einlaßkanal gemäß der Erfindung (wesentlich weniger als 1) die Empfindlichkeit des Einlasses gegenüber einer Vernichtung der akustischen Unterdrückung, die durch eine Verformung des Einlasses hervorgerufen wird. Da ein Teil der Unterdrückung von der erhöhten Wirksamkeit der schallabsorbierenden Behandlung kommt, dämpft in der Tat die Behandlung die verzerrenden Wirkungen einer Angriffswinkeländerung.

Im Rahmen der gegebenen Lehren sind selbstverständlich verschiedene Ausgestaltungen möglich. Beispielsweise ist die Erfindung nicht auf Gasturbinentriebwerke begrenzt, sondern kann bei jeder lärmerzeugenden Strömungsmaschine verwendet werden. Weiterhin kann es bei gewissen Applikationen von Gasturbinentriebwerken in Flugzeugen erforderlich sein, den Einlaßkanal gemäß der Erfindung mit variablen Abgas- bzw. Schubdüsen und sogar mit einem zusätzlichen^eine variable Strömungsfläche aufweisenden Einlaßkanal zu kombinieren, um den gewünschten Pegel der Lärmunterdrückung zu erhalten.

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Claims

Ansprüche

./Schalldämpfender Einlaßkanal zur Verminderung der Ausbreitung akustischer Wellen mit einem Gehäuse, dessen innere Oberfläche eine Strömungsmittelbahn zum Teil begrenzt und das an gegenüberliegenden Enden offen ist für den Durchtritt des Strömungsmittels, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (24) in Strömungsrichtung hintereinander ein Hals (46) mit minimaler Querschnittsfläche und vorbestimmter axialer Ausdehnung (L.), durch den das Strömungsmittel auf eine hohe Unterschallmachzahl beschleunigbar ist zur Erzielung eines ersten Anteiles der akustischen Dämpfung, einen relativ schnellen Difusor (56) und einen zylindrischen Abschnitt (58) bildet, wobei schallabsorbierendes Material (60) auf der den zylindrischen Abschnitt (58) bildenden inneren Gehäuseoberfläche (55) angeordnet ist, und der Diffusor (56) und der der zylindrische Abschnitt (58) zusammen das Strömungsmittel in der Nähe des schallabsorbierenden Materials (60) auf eine wesentlich höhere axiale Geschwindigkeit beschleunigen als die axiale Geschwindigkeit an der Längsachse des Einlaßkanales derart, daß die akustischen Wellen in Richtung auf das schallabsorbierende Material (60)gedreht sind und senkrecht auf das schallabsorbierende Material (60) auftreffen zur Erzielung eines zusätzlichen zweiten Anteiles der akustischen Dämpfung.

. Einlaßkanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hals (46) einen Durchmesser hat, der zur Erzeugung einer mittleren Machzahl im wesentlichen zwischen 0,7 und 0,8 bemessen ist, wobei der Halsdurchmesser für die vorbestimmte axiale Länge (L.) konstant 1st.

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3. Einlaßkanal nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Verhältnis der axialen Länge (L ) des zylindrischen Abschnittes (58) zum Durchmesser des zylindrischen Abschnittes nicht größer als 0,2 ist.

h. Einlaßkanal nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des schallabsorbierenden Materials (60) auf dem zylindrischen Abschnitt (58) angeordnet ist.

5. Einlaßkanal nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Ausdehnung L. des Difu~ sors (56) und die axiale Ausdehnung Lx. des Halses (46) durch die folgenden Beziehungen definiert sind:

0,9 (2,6m*- 1,12)< _^d^Ll,l (2,6M - 1,12)

^t^ 1,1 (1,28 - 1,6M), D

wobei

D = Durchmesser des zylindrischen Abschnittes (58), L,= axiale Ausdehnung des Diffusors (58) L. = axiale Ausdehnung des Halses (46) M = mittlere Machzahl am Hals.

6. Einlaßkanal nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5 dadurch gekennzeichnet, daß er zur Verminderung der aus einem Gasturbinentriebwerk austretenden akustischen Wellen verwendet ist.

7. Verfahren zur Verminderung des Lärms in einem Gasturbinentriebwerk, durch das ein Strömungsmittel hindurchströmt, dadurch gekennzeichnet, daß die akustischen Wellen in Richtung auf ein in dem Einlaßkanal des Triebwerkes angeordnetes schallabsorbierendes Material

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gedreht werden derart, daß die Wellen senkrechter auf das Material auftreffen, und das Strömungsmittel in dem Einlaßkanal auf eine hohe mittlere Unterschallgeschwindigkeit beschleunigt wird.

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