DE2950930A1

DE2950930A1 - Akustische auskleidung fuer stroemungskanaele, insbesondere bei gasturbinentriebwerken

Info

Publication number: DE2950930A1
Application number: DE19792950930
Authority: DE
Inventors: John Frederick Chapman
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1978-12-27
Filing date: 1979-12-18
Publication date: 1980-07-03
Also published as: IT7928001A0; GB2038410A; JPS5590791A; FR2445436A1; IT1127678B; US4298090A; GB2038410B

Description

295Ü93Ü

Patentanwälte Dip!. -Ing. Curt Wallach Dipl.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 18. Dezember 1979

Unser Zeichen: 16 765 - K/Ap

Anmelder: Rolls-Royce Limited

Buckingham Gate
London SWlE 6AT
England

Titel: Akustische Auskleidung für

Strömungskanäle, insbesondere bei Gasturbinentriebwerken

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Die Erfindung bezieht sich auf eine mehrschichtige akustische Auskleidung für Strömungskanäle, beispielsweise für den Einlaß-oder den Auslaßkanal von Gasturbinen-Flugtriebwerken. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf akustische Auskleidungen, die sowohl Helmholtz-Resonatoren als auch rohrförmige Resonatoren unter einem gemeinsamen schalldurchlässigen Blech aufweisen.

Der in Gasturbinen-Flugtriebwerken erzeugte und auf die Umgebung über ihre Einlaß- bzw. Auslaßkanäle abgestrahlte Lärm hat einen weiten Bereich von Frequenzen. Innerhalb der durch Volumen und Gewicht gegebenen Begrenzungen hinsichtlich der Auslegung von Flugtriebwerken ist es erwünscht, die Kanäle mit akustischen Auskleidungen zu versehen, die wirksam so viel Frequenzen als möglich abschwächen und dies geschieht am besten in Verbindung mit Helmholtz-Resonatoren für Frequenzen am unteren Ende des Frequenzbereiches und mit rohrförmigen Resonatoren für höhere Frequenzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine leicht und billig herzustellende akustische Auskleidung zu schaffen, die beide Typen von Resonatoren umfaßt und den zur Verfügung stehenden Raum optimal ausnutzt und ein gutes Frequenzansprechen besitzt.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe gelöst durch die folgenden Merkmale:

Eine undurchlässige Deckschicht; einen Luftraumkernaufbau aus Kammern zusammengesetzt, mit einer ersten Gruppe von Kammern, die als Helmholtz-Resonatoren wirken und mit einer zweiten Gruppe von Kammern, von denen wenigstens einige als Viertelwellenrohr-Resonatoren wirken; eine schalldurchlässige Schicht,

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durch die beide Gruppen von Kammern akustisch mit dem Kanal gekoppelt sind, wobei die Helmholtz-Resonatoren mit Resonator-Einschnürungen innerhalb des Kernaufbaus versehen sind, über welche sie akustisch gekoppelt sind, wobei die rohrförmigen Resonatoren an einem ihrer Enden akustisch gekoppelt sind und an ihrem anderen Ende akustisch von den Helmholtzresonator-Hohlräumen durch eine Scheidewand getrennt sind.

Durch diese Konstruktion wird es möglich, eine akustische Auskleidung zu schaffen, die wenigstens zwei weit auseinanderliegende Resonanzfrequenzen umfaßt, so daß die akustische Auskleidung in der Lage ist, den Lärm in einer entsprechenden Zahl schmaler Frequenzbänder zu absorbieren. Die Helmholtz-Resonatoren sind so konstruiert, daß sie bei wenigstens einer niedrigen Frequenz in Resonanz sind, und die rohrförmigen Resonatoren sind so konstruiert, daß sie bei wenigstens einer hohen Frequenz in Resonanz sind.

Vorzugsweise weist die erste Gruppe von Kammern oder die zweite Gruppe von Kammern oder es weisen beide Kammergruppen solche Abteile auf, die in ihrer Resonanzfrequenz von den anderen Kammern der gleichen Gruppe unterschieden sind. Hierdurch ergibt sich eine akustische Auskleidung, die in der Lage ist, Lärm mit einer größeren Zahl von Frequenzen zu absorbieren.

Um eine akustische Auskleidung zu schaffen, die in der Lage ist, eine Vielzahl hoher Frequenzbänder zu absorbieren, ist die Scheidewand stufenweise zwischen der Innenseite und der Deckschicht angeordnet, und die rohrförmigen Resonatoren unterscheiden sich demgemäß in ihrer Länge und Resonanzfrequenz entsprechend den Stufen in der Scheidewand, durch die eine akustische Unterteilung gegenüber dem Helmholtz-Resonatorvolumen erfolgt.

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Um eine akustische Auskleidung zu schaffen, die in der Lage ist, breite Frequenzbänder zu absorbieren, kann stattdessen die Scheidewand auch schräg gegenüber der Deckschicht und der Innenseite angeordnet werden, und dadurch wird bewirkt, daß sich die rohrförmigen Resonatoren in ihrer Länge und Resonanzfrequenz gemäß der Neigung der Scheidewand unterscheiden, die akustisch die rohrförmigen Resonatoren von den Helmholtzresonatoren trennt.

Die gegenüberliegenden Seiten der Helmholtz-Resonatorkammern umfassen zweckmäßigerweise die gestufte oder geneigte Scheidewand. Weitere Seiten dieser Kammern werden von Wänden gebildet, die quer zur Scheidewand und senkrecht zur Deckschicht bzw. Innenschicht angeordnet sind.

Um eine akustische Auskleidung zu schaffen, die in der Lage ist mehrere niedrige Frequenzbänder zu absorbieren, sind die Helmholtz-Resonatoren so konstruiert, daß sie sich in ihrer Resonanzfrequenz voneinander unterscheiden. Dies kann entweder dadurch erreicht werden, daß sie ein unterschiedliches Resonanzvolumen oder ein unterschiedliches Einschnürungsvolumen erhalten. Um eine akustische Auskleidung zu schaffen, die in der Lage ist ein breites Band von niedrigen Frequenzen zu absorbieren, sind die Helmholtz-Resonatoren in entsprechender Weise hinsichtlich der Resonanzfrequenz abgestimmt.

Die zweite Gruppe von Kammern, von denen wenigstens einige als rohrförmige Resonatoren wirken, umfassen zweckmäßigerweise einen Zellaufbau der Honigwabenbauart.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind einige Kammern der zweiten Gruppe akustisch mit den Helmholtz-Resonatorvolumina über die Scheidewand akustisch gekoppelt, wodurch

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sie nicht nur als rohrförmige Resonatoren wirken, sondern als Resonator-Einschnürungen für die Helmholtz-Resonatoren.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind sämtliche Kammern der zweiten Gruppe akustisch von den Helmholtz-Resonatoren durch die Scheidewand unterteilt und Abschnitte der Scheidewand bilden ebenfalls Resonator-Einschnürungen für die Helmholtz-Resonatoren.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine aufgebrochene perspektivische Ansicht des Aufbaus einer akustischen Auskleidung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt der Auskleidung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine der Figur 1 entsprechende perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäß ausgebildeten akustischen Auskleidung;

Fig. 4 in einer Querschnittsansicht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schalldämpfungsauskleidung.

Die Zeichnungen sind nicht maßstäblich.

Gemäß Fig. 1 und 2 besteht die mehrschichtige Schalldämpfungsauskleidung für den Einlaß-oder Auslaßkanal eines Gasturbinen-Flugtriebwerkes aus einer undurchlässigen Trägerschicht 1, einen in Kammern aufgeteilten Luftraum bzw. Kernaufbau 3 und einer

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schalldurchlässigen Oberflächenschicht 5 in Form eines perforierten Bleches, wobei eine Anzahl von Löchern bei 7 angedeutet ist. In Fig. 1 sind Teile des Kernaufbaus 3 und der Oberflächenschicht 5 abgebrochen dargestellt, um die übrigen Teile deutlicher erkennen zu lassen.

Der Kernaufbau 3 ist aus drei Grundtypen von Bauteilen zusammengesetzt, d.h. annähernd V-förmig gestalteten Kanälen 2, Wandabschnitten 4 und einem Honigwaben-Zellaufbau 6.

Die V-förmigen Kanäle 2 liegen seitlich neben dem Kernaufbau 3 und sind mit der Trägerschicht 1 über kleine flache Basisabschnitte 8 verbunden und mit der Deckschicht 5 stehen sie über die Flansche 10 am Ende jedes Schenkels 12 der V-Gestalt in Verbindung. Die Schenkel 12 wirken als geneigte Scheidewände innerhalb des Kernaufbaus und werden nachstehend als solche identifiziert.

Die Schultern 14 der Wände 4 tragen geneigte Scheidewände und sind daran befestigt. Die Basen 16 der Wände 4 sind an der Trägerschicht 1 festgelegt. Es ist ersichtlich, daß die Wände 4 rechtwinklig zu dem Längsverlauf der Kanäle 2 angeordnet sind und das Volumen des Raumes zwischen benachbarten Kanälen 2 in Kammern 9 unterteilen. Jede Wand 4 weist einen zungenartigen Abschnitt 18 auf, der zwischen den Flanschpaaren 10 verläuft und an den darüberliegenden Abschnitten 13 des Deckbleches 5 anstoßen, und die Wände 4 sind vorzugsweise sowohl an den Flanschen als auch an dem Deckblatt festgelegt.

Der Honigwaben-Zellaufbau 6 nimmt den gesamten verfügbaren Raum innerhalb des Kanals 2 unter den darüberliegenden Abschnitten 15 des Deckblechs 5 ein. Der Zellaufbau 6 ist sowohl mit der Unterseite des Deckblechs 5 als auch mit den oberen

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Oberflächen der Kanäle 2 verbunden, und demgemäß definiert jeder Honigwaben-Zellaufbau eine Kammer 19» die zwischen dem Deckblech 5 und einem Abschnitt eines der Kanäle 2 verläuft.

Aus Vorstehendem ist ersichtlich, daß der Kernaufbau 3 zwei Typen von Kammern 9 bzw. 19 aufweist. Diese Kammern sind so ausgebildet, daß sie Resonanzfrequenzen aufweisen, die bewirken, daß die Schalldämmungsausicleidung auf niedrige Frequenzen und ein breites Band hoher Frequenzen anspricht.

Das Ansprechen auf niedrige Frequenz wird durch die Kammern 9 gewährleistet, die als Helmholtz-Resonator wirken. Wie ersichtlich sind zwei gegenüberliegende Seiten einer jeden Kammer 9 durch die geneigten Scheidewände 10 gebildet, während die anderen Seiten durch die Wände 4 definiert sind. Die Kammern 9 besitzen Resonanzeinschnürungen 11, die innerhalb des Kernaufbaus 3 liegen und durch Flanschpaare 10 und dazwischen liegende Zungen 18 definiert sind. Die Einschnürungen 11 empfangen die Schallenergie über Löcher 17 in den übereinander liegenden Abschnitten 13 des Deckbleches 5 und bewirken eine akustische Massen-Reaktanz, die die Resonanzfrequenz in den Kammern 9 beeinflußt.

Das Hochfrequenzansprechen wird durch den Honigwaben-Zellaufbau mit den Kammern I9 gewährleistet, die als Viertelwellen-Rohr-Resonator wirken. Sie sind akustisch an einem Ende mit dem Triebwerkskanal über Löcher 12 gekoppelt, die über die Abschnitte 15 des Bleches 5 verteilt sind. An ihren anderen Enden sind die Kammern I9 akustisch von den Kammern 9 durch geneigte Scheidewände 12 unterteilt. Die Scheidewände 12 sind bei dieser Ausführungsform der Erfindung undurchlässig, und daher wirksam von den Enden der Kammern I9 abgeschlossen. In gewissen Fällen kann

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-lies jedoch vorteilhaft sein, einen Kompromiß im Hinblick auf das Verhalten der Kammer 19 als Viertelwellen-Resonator zu schaffen, indem eine gewisse akustische Kopplung durch die Scheidewände 12 wenigstens zwischen einem Teil der Kammern 19 und den Kammern 9 bewirkt wird. Eine solche Kopplung könnte durch geeignete Perforation der Scheidewände 12 erreicht werden. Jene Kammern I9, die auf diese Weise mit den Kammern 9 verbunden sind, wirken dann als zusätzliche Helmholtζ-Resonatoreinschnürungen für die Kammern 9 und als rohrförmige Resonatoren, wodurch die akustische Auskleidung 1 ein breiteres Gesamtfrequenzansprechen erhält^ jedoch auf Kosten einer gewissen Lärmabsorptionsfähigkeit.

Dadurch, daß die geneigten Scheidewände 12 die Kammern I9 begrenzen, haben diese eine unterschiedliche Länge und demgemäß eine unterschiedliche Resonanzfrequenz, wodurch die Kammern I9 von den Kammern 9 getrennt werden. Die Kammern sind in ihrer Länge gemäß dem erforderlichen Frequenzansprechen abgestuft und es ist klar, daß eine derartige Anordnung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, den Lärm über ein breiteres Frequenzband absorbiert als eine Gruppe gleicher Kammern konstanter Länge.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 haben die Helmholtz-Resonatorkammern 9 sämtlich das gleiche Volumen und daher tritt eine Resonanz bei der gleichen Frequenz ein. Dies ergibt eine gute Absorption von Lärm über ein schmales niederfrequentes Band. Um das Niederfrequenzansprechen der Schalldämpfungsauskleidung zu verbessern, wäre es möglich den Abstand der Wände 4 und dadurch die Helmholtz-Resonanzfrequenzen der Kammern 9 von Kammer zu Kammer in jeder erwünschten Weise zu ändern. Abgesehen von einer Veränderung des Volumens der Kammern 9 verändert auch eine unterschiedliche Gestaltung des

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Abstandes zwischen den Wänden 4 das Volumen der Einschnürungen 11,und beide Volumen beeinträchtigen die Helmholtz-Resonanzfrequenz. Das Einschnürungsvolumen kann ebenfalls durch Änderung der Abmessungen der Flansche 10 und Zungen 18 verändert werden. Diese Faktoren müssen bei der Berechnung der akustischen Auskleidung in Betracht gezogen werden. Für eine breitbandige Absorption müssen die Kammern 9 in geeigneter Weise in ihrer Resonanzfrequenz abgestimmt sein.

Bei den Abschnitten 13 des Blechs 5 gemäß Fig. 1 bilden die Perforationen 17 einen größeren Anteil des Gesamtbereichs eines jeden Abschnitts 13, als die Perforationen zum Gesamtbereich eines jeden Abschnitts 15 beitragen, d.h. die Abschnitte 13 haben einen geringeren akustischen Widerstand als die Abschnitte I5. Dies kann notwendig sein, um eine günstige akustische Kopplung der Kammern 9 mit dem Triebwerkskanal zu gewährleisten.

Fig. 3 zeigt eine akustische Auskleidung, die im allgemeinen derjenigen nach Fig. 1 entspricht. Einzelheiten des Aufbaus gemäß Fig. 3, die äquivalent dem Aufbau nach Fig. 1 sind, besitzen gleiche Bezugszeichen und werden nicht nochmals erläutert. Der Unterschied der sich ergibt, liegt in den Einschnürungen der Helmholtz-Resonator-Kammern 9. Anstatt daß die Flansche 10 mit den Zungen 18 gemäß Fig. 1 zusammenwirken, werden die Kammern nach Fig. 3 durch jeweils einige Honigwaben-Zellkammern 15 unterteilt. Demgemäß sind bei dem Aufbau gemäß Fig. 3 die geneigten Scheidewände 12' ohne Flansche ausgebildet, und die Wände 4' sind ohne Zungen 18 ausgebildet. Weder die Scheidewände 12' noch die Wände 4' sind direkt am Deekblech 5 befestigt, und es besteht ein Spalt zwischen den Jeweiligen freien Enden 30, 3I und der Unterseite des Deckblechs 5. Anstatt daß der Honigwaben-Zellaufbau innerhalb der Begrenzungen der

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V-förmig gestalteten Kanäle 2' liegt, überbrückt er die Spalte 32 zwischen benachbarten Kanälen 2'. Daher erfolgt die akustische Unterteilung von den Kammern 9¹ nicht durch Scheidewände 12, sondern durch Honigwaben-Zellenkammern 19, die sich über die Spalte 32 erstrecken und akustisch mit den Kammern 9 verbunden sind, und demgemäß ihre Einschnürungen bilden.

Figur 4 zeigt eine akustische Auskleidung, die sich von der gemäß Fig. 1 und 2 nur dadurch unterscheidet, daß die Scheidewände 12" gestuft ausgebildet sind und nicht schräggestellt sind. Diese Konstruktion ergibt eine akustische Auskleidung, die in der Lage ist drei getrennte schmale Hochfrequenzbänder zu absorbieren und nicht ein breites Hochfrequenzband, weil der Honigwaben-Zellkammeraufbau Kammern mit drei unterschiedlichen Längen aufweist, nämlich mit den Längen L,, Lp und L·, entsprechend den Stufen S-,, Sp oder S^, der Scheidewände 12", die diese von den Kammern 9" trennen.

Die akustische Auskleidung gemäß Fig. 1 bis 4 kann aus Metallblech bestehen, die verklebt, verlötet oder verschweißt sind. Außerdem kann Plastikmaterial benutzt werden, wenn es die Betriebsbedingungen zulassen und vorzugsweise sind diese mit Glasfasern oder Graphitfasern zur Erhöhung der Festigkeit verstärkt.

Obgleich die Deckschicht 5 gemäß den dargestellten Ausführungsbeispielen als Einzelschicht aus perforiertem Blech besteht, kann eine aerodynamisch glatte Schicht von Web- oder Filzmaterial geeigneten akustischen Widerstandes über der Deckschicht liegen und mit dieser verbunden sein, um die aerodynamischen Charakteristiken der akustischen Auskleidung zu verbessern.

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Claims

Patentansprüche

Mehrschichtige akustische Auskleidung für einen Strömungskanal, bei welcher erste und zweite Kammergruppen, die jeweils Resonatoren vom HeImholtztyp bzw. rohrförmige Resonatoren bilden, schichtmäßig zwischen einer Deckschicht und einer schalldurchlässigen Oberfläche angeordnet sind, dadurch gekennze i ohne t, daß die Enden der rohrförmigen Resonatoren (I9) an den Helmholtz-Resonatoren (9) anstoßen und von diesen akustisch in der Weise getrennt sind, daß die rohrförmigen Resonatoren (I9) sich in ihrer Resonanzfrequenz voneinander unterscheiden.
2. Akustische Auskleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet, daß die akustische Unterteilung zwischen den beiden Typen von Resonatoren (I9, 9) aus einer Scheidewand (12") besteht, die stufenförmig zwischen der Oberfläche (5) und der Deckschicht (1) angeordnet ist, daß die rohrförmigen Resonatoren (I9) dadurch in ihrer Länge und Resonanzfrequenz gemäß der Stufe der Scheidewand (12) unterschieden sind, die eine akustische Unterteilung gegenüber den Helmholtz-Resonatoren (9) bewirkt.

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ORIGINAL INSPECTED
3. Akustische Auskleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Unterteilung zwischen den beiden Typen von Resonatoren (19,9) eine Scheidewand (12) aufweist, die schräg zwischen der Oberfläche (5) und der Deckschicht (1) verläuft, und daß sich hierdurch die rohrförmigen Resonatoren (I9) in Länge und Resonanzfrequenz gemäß jenem Teil der Scheidewand (12) unterscheiden, die sie akustisch von den Helmholtz-Resonatoren trennt.
4. Akustische Auskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der zweiten Gruppe von Kammern (I9) als Resonatoreinschnürung der Helmholtzresonatoren (9^f) dient.
5. Akustische Auskleidung nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Abschnitte (10) der Scheidewand (12) Einschnürungen (11) für die Helmholtzresonatoren (9) bilden.
6. Akustische Auskleidung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Unterteilung zwischen den beiden Resonatortypen (19,9) nicht absolut erfolgt, und daß wenigstens einige der rohrförmigen Resonatoren (19) akustisch mit den Helmholtzresonatoren (9) gekoppelt sind.

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7· Akustische Auskleidung nach den Ansprüchen 2,3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheidewand (12) gegenüberliegende Seiten von Helmholtzresonatorkammern (9) bildet, und daß die anderen Seiten von Wänden (4) gebildet sind, die schräg zu der Scheidewand (12) angeordnet sind.
8. Akustische Auskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Helmholtz-Resonatoren (9) unterschiedliche Resonanzvolumen haben.
9. Akustische Auskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Helmholtz-Resonatoren unterschiedliche Einschnürungsvolumina (11) besitzen.
10. Akustische Auskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 9* dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gruppe von Kammern (19) aus Zellen (6) mit Honigwabenaufbau besteht.

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