DE2720242A1

DE2720242A1 - Verfahren und einrichtung zum verringern des laermpegels eines zweistrom-turboluftstrahltriebwerkes

Info

Publication number: DE2720242A1
Application number: DE19772720242
Authority: DE
Inventors: Hilary Kozlowski; Allan Bruce Packman
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1976-05-13
Filing date: 1977-05-05
Publication date: 1977-11-24
Also published as: JPS52137524A; IT1085131B; GB1553012A; FR2351265A1

Description

Verfahren und Einrichtung zum Verringern des Lärmpegels eines Zweistrom-TurboluftStrahltriebwerkes

Die Erfindung betrifft Turbofan- oder Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerke und insbesondere eine Einrichtung zum Umkehren des äußeren Sekundärstroms und des koaxialen inneren Primärstroms, so daß der Strom mit der höheren Geschwindigkeit sich in dem äußeren Ringkanal befindet, um die Strahllärmerzeugung zu verringern.

Die Geräuscherzeugung im Innern eines Strahltriebwerkes oder durch das Strahltriebwerk ist, gelinde gesagt, komplex. Lärm

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wird von zahlreichen Quellen geliefert, beispielsweise von den rotierenden Teilen oder durch die Wirkung des Stroms innerhalb seines Gasweges, insbesondere beim Durchströmen von Düsen und des Triebwerkseinlasses, sowie durch Schwingungen und dgl. Die Erfindung befaßt sich lediglich mit dem Lärm, der infolge von Scherung der Luftteilchen erzeugt wird, zu der es kommt, wenn die Abgasströme und die Umgebungsluft mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aufeinandertreffen, und der als Strahllärm bezeichnet wird. Dieser Lärm ist als ein Beispiel besonders in einem Zweistrom-Düsentriebwerk vorherrschend, in welchem die austretenden Sekundär- und Primärströme und die Umgebungsluft mit Relativgeschwindigkeiten aufeinandertreffen.

Da die Geschwindigkeiten der aus einem Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerk austretenden Gase,für äquivalente Schubkräfte, geringer sind als bei einem Einstrom-Turboluftstrahl-Triebwerk, wird der Lärm eines mit Unterschallgeschwindigkeit fliegenden Flugzeuges ausreichend verringert. Betrachtet man jedoch ein solches Triebwerk für ein Überschallflugzeug, so ist der Strahllärm, der sich aus den hohen Geschwindigkeiten ergibt, mit welchen die Ströme austreten, nicht akzeptabel.

Gegenwärtig werden Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerke so konstruiert, daß die die niedrige Geschwindigkeit aufweisenden Sekundär- oder Kaltluftströme den inneren Primärabgasstrom, der eine hohe Geschwindigkeit und eine hohe Temperatur aufweist, umschließen. Es gilt in der Gasturbinentriebwerkstechnik als gesichert, daß der Strahllärm, der bei einem

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Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerk durch die S ehe rungs turbulenzverursacht wird, welche auf tritt ,wenn der Primär-und der Sekundärst rom auf einander und außerdem auf die Umgebungsluft treffen, beträchtlich reduziert werden könnte, wenn die Geschwindigkeiten beider Ströme, die aus der Auslaßdüse austreten, gleich gehalten werden könnten. Typischerweise wird ein mechanischer Geräuschunterdrücker benutzt, der die beiden Ströme kräftig vermischt, so daß beide Ströme vor dem Austritt aus dem Triebwerksstrahlrohr sorgfältig vermischt sind, was eine insgesamt verringerte Geschwindigkeit ergibt.

Ein weiteres Verfahren zur Strahllärmverringerung ist in der US-Patentanmeldung, SN 476 127,vom 3. Juni 1974 vorgeschlagen. Gemäß diesem älteren Vorschlag wird der Triebwerksbetrieb bei gewissen Flugzuständen des Flugzeuges variiert und im wesentlichen wird der geräuschvollere Gasstrom auf der Außenseite der koaxialen Ströme angeordnet, um die Behandlung desselben mit mechanischen Geräuschunterdrückern zu erleichtern. Das erfolgt durch Kontrollieren des Gebläsedruckverhältnisses, des Bypass-Verhältnisses und der Leistung des Gaserzeugers.

Ein weiteres Verfahren zum Behandeln der Gebläselärmerzeugung' ist aus der US-PS 3 527 317 bekannt, die hier erwähnt wird, um eine Verwechselung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu vermeiden. Die US-PS 3 527 317 beschreibt koaxiale Ströme, von welchen die Gebläseauslaßluft den Primärluftstrom umschließt. Der Lärm, der ohne Behandlung von dem Gebläse an dessen Auslaßende ausgeht, wird radial ausgestrahlt, wo-

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durch ein unerwünschtes Seitenliniengeräusch erzeugt wird. Bei einer Durchführungsform des in der US-PS 3 527 317 beschriebenen Verfahrens wird ein getrennter, im Querschnitt ringförmiger Strom erzeugt, dessen Schallgeschwindigkeit höher ist als die des Gebläse- oder Sekundärstroms. Es ist zu beachten, daß die Schallgeschwindigkeit eine völlig andere physikalische Kenngröße als die wahre Geschwindigkeit ist. Die Schallgeschwindigkeit ist der Geschwindigkeitswert von durch ein besonderes Medium hindurchgehendem Schall. Die wahre Geschwindigkeit ist dagegen dieser Wert multipliziert mit der Mach-Zahl. Die Schallgeschwindigkeit eines Stroms kann daher größer sein als die des anderen, während die wahre Geschwindigkeit des erstgenannten Stroms niedriger ist, und umgekehrt. Bei einer weiteren Durchführungsform des aus der US-PS 3 527 317 bekannten Verfahrens wird zusätzlich die Geschwindigkeit des Mantelstroms gleich der des Gebläsestroms oder größer als die des Gebläsestroms gemacht. Es ist daher erforderlich, daß der Mantelstrom eine höhere Schallgeschwindigkeit sowie eine Geschwindigkeit hat, die gleich oder größer als die des Gebläsestroms ist. Ein Strom, der eine niedrigere Schallgeschwindigkeit hat, kann außerdem eine höhere Geschwindigkeit als ein Strom haben, mit weichem er verglichen wird.

Gemäß der Erfindung wird ein Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerk von Anfang an so ausgelegt, daß der äußere Strom, sei es der Gebläse- oder der Primärstrom, von koaxialen Strömen einen höheren Wert der wahren Geschwindigkeit als der innere Strom hat. Das steht in direktem Widerspruch zu dem anerkann-

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ten Prinzip der Erzeugung minimalen Strahllärms, nach dessen Theorie die wahre Geschwindigkeit des äußeren Stroms den gleichen Wert wie die des inneren Stroms haben sollte. Die Erfinder haben bei statischen Tests herausgefunden, daß entgegen dieser anerkannten Theorie eine unerwartete Lärmverringerung erzielt wird, wenn lediglich dem äußeren Strom eine höhere Geschwindigkeit als dem inneren Strom gegeben wird.

Es ist anzunehmen, daß mit einem Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerk ein Überschallflugzeug mit beträchtlich geringerer Lärmerzeugung angetrieben werden kann, indem der Zyklus so ausgelegt wird, daß der äußere Strom eine höhere Geschwindigkeit, wenigstens 60 m/s, gegenüber dem inneren Strom hat (im Vergleich zu einem Zyklus mit demselben Schub und derselben Strömung, bei welchem die Geschwindigkeiten dieser Ströme gleich sind oder bei welchem die Geschwindigkeit des äußeren Stroms kleiner ist als die des inneren Stroms).

Die Erfindung schafft ein Verfahren und eine Einrichtung für ein Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerk zur Verringerung der Strahllärmerzeugung durch Umkehren des Profils der wahren Geschwindigkeit, so. daß der Strom mit der höheren Geschwindigkeit in einer koaxialen Strömungsanordnung der äussere Strom statt des inneren Stroms ist.

Das wird gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung in einem Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerk, bei welchem der Sekundärstrom eine niedrigere Geschwindigkeit als der Primärstrom

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hat, erreicht, indem die beiden Ströme in dem Auslaßabschnitt des Triebwerkes umgekehrt werden. Stattdessen kann auch eine Einrichtung zum Vergrößern der Geschwindigkeit des Sekundärstroms vorgesehen sein, so daß dessen Geschwindigkeit größer ist als die Geschwindigkeit des Primärstroms. In diesem Fall ist die Umkehrung der beiden Ströme nicht erforderlich.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines

Zweistrom-TurboluftStrahltriebwerkes,

Fig. 2 teilweise im Schnitt, eine Endan

sicht einer Einrichtung zum Umkehren der koaxialen Ströme, und

Fig. 3 .eine schematische Darstellung eines

Zweistrom-TurboluftStrahltriebwerkes mit einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Zur Erläuterungszwecken zeigt Fig. 1 als ein Beispiel ein Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerk mit koaxialen Strömen. Es ist klar, daß die Erfindung auch bei anderen Triebwerks-

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konfigurationen anwendbar ist. Die koaxialen Ströme des Triebwerkes sind der Gebläse- oder Sekundärstrom mit der Geschwindigkeit V_f und der Grundtriebwerke- oder Primärstrom mit der Geschwindigkeit V . Der Sekundärstrom stromaufwärts der Turbine ist der äußere Strom und wird stromabwärts der Turbine zu dem inneren Strom umgekehrt, während der Primärstrom stromaufwärts der Turbine der innere Strom und stromabwärts der Turbine der äußere Strom ist.

Das Turbofan-Triebwerk ist ein Zweikreis-Mantelstromtriebwerk mit einem Gebläseabschnitt 10, mit einem Verdichterabschnitt 16, mit einem Turbinenabschnitt 17 (in welchem die erste Turbine den Verdichter und die letztere Turbine das Gebläse antreibt) und mit einem Auslaßabschnitt 18. Ein Triebwerksgehäuse 20 umschließt den Grundtriebwerksabschnitt und begrenzt einen inneren Ringkanal 22, während ein äußeres Gehäuse 21, das das Gebläse 10 und das Triebwerksgehäuse umschließt, einen äußeren Ringkanal 24 umschließt. Kraftstoff wird, wie schematisch dargestellt, dem Brennerabschnitt durch einen geeigneten, im Handel erhältlichen Kraftstoffregler 26 geliefert.

Die Geschwindigkeit des Sekundärstroms ist kleiner als die Geschwindigkeit des Primärstroms und, um ein Geschwindigkeitsprofil zu erzeugen, welches das Aussehen des in Fig. 1 mit dem Bezugsbuchstaben A bezeichneten Profils hat, werden die Ströme durch die Stromumkehrvorrichtung umgekehrt, die in ihrer Gesamtheit mit der Bezugszahl 30 bezeichnet ist. Es kann zwar jede geeignete Vorrichtung zum Umkehren der Ströme

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benutzt werden, vorzugsweise wird jedoch ein modifizierter Mischer mit gelapptem Querschnitt benutzt, welcher symmetrische innere und äußere Bögen 31 bzw. 32 aufweist, welche mit Abstand um einen Innenkörper 36 herum angeordnet sind und mehrere Innenkanäle 38 und mit diesen abwechselnde äußere Kanäle 40 begrenzen, wie in Fig. 2 dargestellt. Der herkömmliche Mischer mit gelapptem Querschnitt richtet die Ströme so, daß sich der Primärluftstrom und der Sekundärluftstrom im wesentlichen axial mit einer etwas radial gerichteten Bewegung bewegen, um ein kräftiges und sorgfältiges Vermischen hervorzurufen. Der Mischer 30 ist in dieser Ausführungsform so ausgelegt, daß die radiale Richtung in dem Maße modifiziert wird, daß eine sehr geringe Vermischung erfolgt und daß der Strom so umgekehrt wird, daß der Primärluft strom r;ich in dem äußeren Ringkanal und der Sekundärluftstrom sich in dem inneren Ringkanal befindet, wie durch das Diagramm A angegeben. Ein herkömmlicher Mischer kann so abgeändert werden, daß dieses Merkmal erreicht wird, indem die Bögen so konstruiert werden, daß die Verbindungsstelle, an welcher die Ströme aus ihm austreten, mit der Triebwerksmittellinie einen Winkel bildet, welcher im wesentlichen gleich 0° ist. Daher beträgt der Winkel Θ, wie in Fig. 1 dargestellt, 0 .

Meßdaten, die durch statische Modelltests erhalten wurden, zeigen, daß der Strahllärm einer Zweistromdüse mit V_f> V im Vergleich zu dem Strahllärm eines völlig vermischten Strahls mit demselben Schub und demselben Luftstrom einen niedrigeren wahrgenommenen Lärmpegel aufweist. Der voll-

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kommen vermischte Einzelstrahl wird im Idealfall erzeugt, indem die Sekundär- und Primärströme der Zweistromdüse in einem gemeinsamen Strahlrohr vollständig vermischt werden. Diese Meßdaten zeigten, daß bei einer Sekundärstromtemperatur von 816 C und bei dem Spitzenwert des wahrgenommenen Lärmpegels, wenn dieser als Funktion der Sekundärstrahlgeschwindigkeit aufgetragen wird (in dem Fall des völlig vermischten Strahls ist die Sekundärstrahlgeschwindigkeit diejenige Geschwindigkeit, die der Sekundärstrom haben würde, wenn er ohne Vermischung auf Umgebungsdruck expandiert wür de), der vermischte Strahl um 3 dB geräuschvoller ist als der Strahl mit V,. > V bei V. - 570 m/s (d.h. wenn das Ver-

f ρ f

hältnis V_f/V =1,36 beträgt). Bei V_f - 840 m/s (V_f/V - 2,0) ist der völlig vermischte Strahl um 6 dB geräuschvoller als der Strahl mit V_f/V = 1. Vergleicht man einen niedrigeren Wert der Sekundärstrahltemperatur (621 C) bei den höheren Sekundärstromgeschwindigkeiten, so ist der Lärm des Strahls mit V /V = 1,0 ähnlich dem des in dem Diagramm für den Fall von 816 ⁰C gezeigten. Da jedoch die Sekundärstromgeschwindig keit zu niedrigeren Werten hin abnimmt, nimmt die Lärmverringerung ebenfalls ab. Tatsächlich ist bei V- ■ V « 420 m/s der Lärmpegel für den Fall von koaxialen Strömen und für den Fall von vermischten Strömen derselbe. Das bedeutet, daß die Zweistromdüse, die mit gleicher Geschwindigkeit jedes Stroms arbeitet, denselben Lärm wie ein einzelner, völlig vermisch ter Strahl mit derselben Geschwindigkeit erzeugt, und daß, wenn die Geschwindigkeit des Sekundärstroms höher ist, eine Lärmverringerung erhalten wird. Eine ausführlichere Erläuterung dieser Tests findet sich in American Institute of Aeronau-

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tics and Astronautics (AIAA), Nr. 76-149, veröffentlicht auf dem AIAA 14th Aerospace Science Meeting in Washington, D. C, im Januar 1976, und in dem NASA-Report CR 2628, der in dem vorgenannten Aufsatz erwähnt ist.

Wenn also gemäß der Erfindung das Triebwerk so ausgelegt wird, daß es ein Geschwindigkeitsprofil des Auslaßstroms erzeugt, welches mit dem Buchstaben A bezeichnet ist, indem der Sekundärstrom und der Primärstrom umgekehrt werden, kann eine beträchtliche Lärmverrinerung erzielt werden, ohne daß zusätzliche mechanische Lärmunterdrücker und dgl. benutzt werden. Es ist klar, daß durch die zusätzliche Verwendung von lärmabsorbierendem Futtermaterial und/oder von mechanischen Lärmunterdrückern die Lärmverringerung noch gesteigert werden kann.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher das Triebwerk im Grunde genommen denselben Aufbau wie bei der Ausführungsform von Fig. 1 und 2 hat, mit der Ausnahme, daß ein Bypasskanal-Brenner in dem Ringkanal 24 angeordnet ist und daß keine Stromumkehrvorrichtung benutzt wird.

Das Triebwerk von Fig. 3 weist koaxiale Ströme auf, die aus einem äußeren und einem inneren Strom bestehen, von denen bei einem Fan-Triebwerk mit Bypasskanal-Brenner der äußere Strom der Fan- oder Gebläsestrom mit der Geschwindigkeit V_f ist, während der innere Strom mit der Geschwindigkeit

V der Primär- oder Grundtriebwerksstrom ist, wobei der Strom

P
mit der höheren Geschwindigkeit aus dem äußeren Ringkanal

austritt.

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Das Turbofan-Triebwerk ist ein Zweikreis-Mantelstromtriebwerk mit einem Gebläseabschnitt 10, einem Verdichterabschnitt 16 (in welchem die erste Turbine den Verdichter und die letztere Turbine das Gebläse antreibt) und mit einem Auslaßabschnitt. 18. Das Triebwerksgehäuse 20 umgibt den Grundtriebwerksabschnitt und begrenzt den inneren Ringkanal 22, während das äußere Gehäuse 23, das das Gebläse 10 und das Triebwerksgehäuse 20 umschließt, einen äußeren Ringkanal 24 begrenzt. Kraftstoff wird, wie schematisch dargestellt, dem Brennerabschnitt durch einen geeigneten, im Handel erhältlichen Kraftstoffregler 26 zugeführt, der auch dazu benutzt werden kann, den Bypasskanal-Brenner, der in seiner Gesamtheit mit der Bezugszahl 40 bezeichnet ist, mit Kraftstoff zu versorgen.

Gemäß der Erfindung ist durch Anwendung der Bypasskanal-Verbrennung die Geschwindigkeit in dem Gebläse- oder äußeren Ringkanal größer als die Geschwindigkeit in dem Primär- oder inneren Ringkanal, wodurch ein Geschwindigkeitsprofil erzeugt wird, welches dem mit dem Bezugsbuchstaben A bezeichneten Geschwindigkeitsprofil entspricht.

Meßdaten, die durch statische Modelltests erhalten wurden, zeigen, daß der Strahllärm einer Zweistromdüse mit V- > V

^f P im Vergleich zu dem Strahllärm eines völlig vermischten Strahls mit demselben Schub und demselben Luftstrom einen niedrigeren wahrgenommenen Lärmpegel aufweist. Der vollkommen vermischte Einzelstrahl wird im Idealfall erzeugt, indem die Sekundär- und Primärströme der Zweistromdüse in

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einem gemeinsamen Strahlrohr vollständig vermischt werden. Diese Meßdaten zeigten, daß bei einer Sekundärstromtemperatur von 816 C und bei dem Spitzenwert des wahrgenommenen Lärmpegels, wenn dieser als Funktion der Sekundärstrahlgeschwindigkeit aufgetragen wird (in dem Fall des völlig vermischten Strahls ist die Sekundärstrahlgeschwindigkeit diejenige Geschwindigkeit, die der Sekundärstrom haben würde, wenn er ohne Vermischung auf Umgebungsdruck expandiert wür-. de), der vermischte Strahl um 3 dB geräuschvoller ist als der Strahl mit V, > V bei V, = 570 m/s (d.h. wenn das Ver-

f ρ f

hältnis V_f/V =1,36 beträgt). Bei V_f - 840 m/s (V_f/V =2,0) ist der völlig vermischte Strahl um 6 dB geräuschvoller als der Strahl mit V_/V = 1. Vergleicht man einen niedrigeren Wert der Sekundärstrahltemperatur (621 C) bei den höheren Sekundärstromgeschwindigkeiten, so ist der Lärm des Strahls mit V_f/V - 1,0 ähnlich dem des in dem Diagramm für den Fall

ο
von 816 C gezeigten. Da jedoch die Sekundärstromgeschwindigkeit zu niedrigeren Werten hin abnimmt, nimmt die Lärmverringerung ebenfalls ab. Tatsächlich ist bei V_f · V = 420 m/s der Lärmpegel für den Fall von koaxialen Strömen und für den Fall von vermischten Strömen derselbe. Das bedeutet, daß die Zweistromdüse, die mit gleicher Geschwindigkeit jedes Stroms arbeitet, denselben Lärm wie ein einzelner, völlig vermischter Strahl mit derselben Geschwindigkeit erzeugt, und daß, wenn die Geschwindigkeit des Sekundärstroms höher ist, eine Lärmverringerung erhalten wird.

Eine ausführlichere Erläuterung dieser Tests findet sich in der oben angegebenen Veröffentlichung des American Institute

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of Aeronautics and Astronautics (AIAA).

Wenn also gemäß der Erfindung der Triebwerkszyklus so ausgelegt wird, daß er das Geschwindigkeitsprofil A aufweist, kann eine beträchtliche Lärmverringerung ohne zusätzliche mechanische Lärmunterdrücker und dgl. erzielt werden. Wie oben bereits erwähnt, können selbstverständlich zusätzliche lännabsorbierende Auskleidungs- oder Verkleidungsmaterialien und/oder mechanische Lärmunterdrücker die Lärmverringerung noch steigern.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE;

1. Verfahren zum Verringern des Lärmpegels eines Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerkes, von dessen koaxialen Strömen einer aus dem Gebläse und der andere aus dem Grundtriebwerk stammt, dadurch gekennzeichnet, daß das Triebwerk so betrieben wird, daß die Geschwindigkeit des aus dem Auslaßabschnitt des Triebwerkes austretenden äußeren Stroms einen höheren Wert hat als die Geschwindigkeit des aus dem Auslaßabschnitt des Triebwerkes austretenden inneren Stroms.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des äußeren Stroms um wenigstens 60 m/s größer ist als die Geschwindigkeit des inneren Stroms.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem äußeren der koaxialen Ströme, welches der aus dem Gebläse des Triebwerkes stammende Strom ist, Wärme und Ener-

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ORIGINAL INSPECTED

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gie zugesetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Triebwerk derart betrieben wird, daß die Geschwindigkeit des Gebläsestroms stromaufwärts der Turbine des Triebwerkes einen niedrigeren Wert hat als die Geschwindigkeit des aus der Turbine austretenden Stroms, und daß die Gebläse- und Turbinenauslaßströme umgekehrt werden, so daß der Gebläsestrom nach dem Austritt aus dem Triebwerk der innere der koaxialen Ströme ist.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch

3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kanalbrenner in dem Gebläsestrom stromabwärts des Gebläses angeordnet ist und daß das Triebwerk so konstruiert ist, daß der aus dem Triebwerk austretende Gebläsestrom eine Geschwindigkeit hat, die grosser ist als die Geschwindigkeit des aus dem Grundtriebwerk austretenden Stroms,und daß der Gebläsestrom weiter von der Achse der koaxialen Ströme entfernt ist.

6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch

4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromumkehrer in dem Triebwerkauslaßabschnitt angeordnet ist, der den Gebläsestrom und den Turbinenauslaßstrom umkehrt, so daß das aus der Turbine austretende Arbeitsmittel mit der höheren Geschwindigkeit der äußere Strom ist und daß der aus dem Triebwerk austretende Gebläsestrom mit der niedrigeren Geschwindigkeit der innere Strom ist.

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