DE4228918A1 - Fananordnung mit niedrigem laermpegel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinen­ triebwerke und insbesondere auf verbesserte Fananordnungen und Verdichter davon mit vermindertem Schall- bzw. Lärmpegel.

Ein Gasturbinentriebwerk, wie beispielsweise ein Turbojet- oder Turbofan-Triebwerk, das ein Flugzeug vom Start durch den Flug, den Landeanflug und den Landevorgang antreibt, erzeugt Schall (Lärm) von der Luft, die darin verdichtet wird, und von der Luft und den Verbrennungsgasen, die vom Triebwerk ausgestoßen werden. Fans (Bläser) und Kompressoren (Verdichter) enthalten wenigstens eine Reihe von mehreren in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten Lauf- oder Rotorschaufeln, die hindurchgeleitete Luft verdichten, an die sich eine Reihe von in Umfangsrichtung im Abstand angeordnete Stator- bzw. Leitschaufeln anschließen. Die Laufschaufeln rotieren um eine longitudinale Mittelachse des Triebwerks mit einer Drehzahl N und bewirken eine Schaufeldurchlauffrequenz (blade passing frequency BPF), die das Produkt der Drehzahl N und der Laufschaufelzahl B ist. Die Luft, die zwischen den Lauf- und Leitschaufeln und innerhalb des Kanales geleitet wird, der die Lauf- und Leitschaufeln umgibt, erzeugt bekanntlich eine diskrete Frequenz aufweisende Spinmodentöne oder -geräusche innerhalb des Kanales.

Spinmodenschall enthält bekanntlich umlaufende Druckfelder, die sowohl durch die Rotation der Laufschaufeln selbst als auch durch Wechselwirkung der Laufschaufeln mit benachbarten Leitschaufeln hervorgerufen werden. Die Spinmodentöne werden von dem Triebwerk entweder stromaufwärts durch die Kanaleinströmung oder stromabwärts durch den Kanalauslaß oder beide abgegeben und werden beim Starten oder Landen eines Flugzeuges, das durch das Triebwerk angetrieben wird, in Richtung auf die Erde abgestrahlt. Die Spinmodentöne treten an diskreten Frequenzen einschließlich der Schaufeldurchlauf- Grundfrequenz BPF auf, auf die hier alternativ auch als die erste Harmonische oder Frequenzen höherer Ordnung einschließlich der zweiten, dritten oder höheren Harmonischen Bezug genommen wird.

Um den Spinmodenschall zu vermindern, beispielsweise beim Starten oder Landen, ist es bekannt, selektiv die Anzahl der Leitschaufeln relativ zur Anzahl der Laufschaufeln zu ermitteln, vorzugsweise die Leitschaufeln im Abstand von den Laufschaufeln anzuordnen und Schalldämmungsauskleidungen entlang der Innenwand des Kanals vorzusehen, die die Laufschaufeln und Leitschaufeln umgibt. Diese Lösungen verkleinern die Größe der Spinmodengeräusche entweder bei ihrer Entstehung oder nachdem sie erzeugt sind, indem sie in geeigneter Weise in der Dämmungsauskleidung absorbiert werden. Um den Schall bzw. Lärm an seiner Quelle zu reduzieren, wird ein bekannter kritischer oder Grenzparameter (Cut-off-Parameter) oder -verhältnis verwendet, wobei dessen Werte kleiner als 1,0 ein Abfall des Schalls bewirken und Werte von 1 oder größer eine Ausbreitung des Schalls über die Länge des Kanals mit im wesentlichen unverminderter Intensität bewirken, der deshalb von dem Kanal in die Umgebungsluft und in Richtung auf die Erde abgestrahlt wird und deshalb als allgemeiner Lärm in Erscheinung tritt.

Um den Abfall des Spinmodenschalls sicherzustellen, ist es allgemein bekannt, die Leitschaufelzahl V größer als oder gleich dem doppelten Produkt der Laufschaufelzahl B und der Zahl (n) der Harmonischen der Schaufeldurchlauffrequenz zu machen. Um beispielsweise einen Abfall des Spinmodentons sicherzustellen, der der Grundfrequenz der Schaufeldurchlauffrequenz BPF, d. h. Harmonischenzahl n = 1, zugeordnet ist, sollte die Leitschaufelzahl V größer als oder gleich der zweifachen Laufschaufelzahl B sein. Um auch einen Abfall der Spinmodentöne für die Grundfrequenz und die zweite Harmonische sicherzustellen, sollte die Leitschaufelzahl V größer als oder gleich der vierfachen Leitschaufelzahl B sein.

Für moderne Turbofantriebwerke mit hohem Bypassverhältnis, die eine relativ große Zahl von Laufschaufeln erfordern, wird jedoch die dabei entstehende Zahl von Leitschaufeln unpraktikabel hoch. Deshalb ist es allgemeine Praxis, die Anzahl der Stator- bzw. Leitschaufeln so zu wählen, daß der Spinmoden-Grundschall bei der Grundfrequenz der Schaufeldurchlauffrequenz BPF allein abgeschnitten (cutoff) wird. Zwar werden die BPF Tonpegel verkleinert, aber die Tonpegel der höheren Harmonischen sind relativ hoch und die konventionellen Schalldämmungsauskleidungen sind weniger effektiv bei der Dämpfung dieser Töne, da ihre Energie überwiegend entlang der Längsachse des Triebwerkes gerichtet ist.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine neue und verbesserte Fananordnung zu schaffen, die zum Vermindern von Spinmodenschallpegel bei Harmonischen oberhalb der Grundfrequenz der Schaufeldurchlauffrequenz wirksam ist. Ferner soll diese neue und verbesserte Fananordnung zum Verkleinern von Spinmodenschall wirksam sein, ohne die Leitschaufelzahl im Vergleich zur Laufschaufelzahl in signifikanter Weise zu vergrößern. Es soll auch eine neue und verbesserte Fananordnung geschaffen werden, die ein optimales Verhältnis der Anzahl von Leitschaufeln zu Laufschaufeln hat zum Verkleinern des Spinmodenschalls.

Erfindungsgemäß enthält eine Rotoranordnung für ein Gasturbinentriebwerk, wie beispielweise ein Fan oder Verdichter, mehrere Rotor- bzw. Leitschaufeln, die mit axialem Abstand von den Stator- bzw. Leitschaufeln innerhalb eines Ringkanals angeordnet sind. Die Anzahl der Leitschaufeln wird für eine vorbestimmte Anzahl von Laufschaufeln gewählt, um im wesentlichen gleiche Werte eines kritischen oder Grenzverhältnisses (Cut-off- Verhältnis) für wenigstens zwei Harmonische der Schaufeldurchlauffrequenz zu erhalten, um den Spinmodenschall aus dem Kanal zu verkleinern.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine longitudinal geschnittene, schematische Darstellung von einem ein hohes Bypassverhältnis aufweisenden Turbofan-Gasturbinentriebwerk mit einer Fananordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 ist ein radiales Schnittbild von einem Teil der in Fig. 1 dargestellten Fananordnung entlang der Linie 2-2.

Fig. 3 ist ein Kurvenbild und zeigt das kritische bzw. Grenzverhältnis K über der Leitschaufelzahl V für sechs Spinmodenharmonische für 34 Laufschaufeln.

Fig. 4 ist ein Kurvenbild und zeigt das kritische bzw. Grenzverhältnis K über der Leitschaufelzahl V für sechs Spinmodenharmonische für 22 Laufschaufeln.

In Fig. 1 ist als Beispiel ein Gasturbinentriebwerk 10 gezeigt, wie beispielsweise ein Turbofantriebwerk mit hohem Bypassverhältnis, das für einen Antrieb eines Flugzeuges (nicht gezeigt) im Fluge vom Starten über den Reiseflug, den Landeanflug und das Landen geeignet ist. Das Triebwerk 10 enthält in einer Reihenströmungsanordnung um eine longitudinale Mittelachse 12 einen Fan bzw. Bläser mit auf dem Umfang im Abstand angeordneten Fan- oder Laufschaufeln 14, einen üblichen Niederdruckverdichter (NDV) 16, einen üblichen Hochdruckverdichter (HDV) 18, eine übliche ringförmige Brennkammer 20, eine übliche Hochdruckturbine (HDT) 22 und eine übliche Niederdruckturbine (NDT) 24. Die Niederdruckturbine 24 ist durch eine erste Rotorwelle 26 sowohl mit dem Niederdruckverdichter 16 als auch den Fanschaufeln 14 fest verbunden, und die Hochdruckturbine 22 ist durch eine zweite Rotorwelle 28 fest mit dem Hochdruckverdichter 18 verbunden. Es sind übliche Brennstoffeinspritzeinrichtungen 30 vorgesehen, um selektiv Brennstoff in die Brennkammer 20 einzuspritzen für eine Schuberzeugung des Triebwerks 10.

Ein üblicher Ringmantel 32 umgibt das Triebwerk 10 von dem NDV 16 bis zur NDT 24 und bildet mit dem NDV 16 einen NDV Einlaß 34 zur Aufnahme von einem Teil der Umgebungsluft 36 von den Laufschaufeln 14 neben deren Schaufelfüßen 38. Das stromabwärtige Ende des Mantels 32 bildet mit einem üblichen ringförmigen Abgaseinsatz 40 einen ringförmigen Abgasauslaß 42.

Ein üblicher Ringkanal oder eine Gondel 44 umgibt die Laufschaufeln 14 und den stromaufwärtigen Abschnitt des Mantels 32. Die Gondel 44 ist üblicherweise im Abstand radial außen von dem Mantel 32 angeordnet, damit der radial äußere Teil der Luft 36, die durch die Laufschaufeln 14 kanalisiert wird, hindurchströmen kann. Mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete Auslaßleitschaufeln oder Statorschaufeln 46 erstrecken sich radial zwischen dem Mantel 32 und der Gondel 44 und sind in einem axialem Abstand S stromabwärts von den Laufschaufeln 14 angeordnet, wie es noch deutlicher in Fig. 2 gezeigt ist. Die Gondel 44 enthält eine Einströmung 48 an ihrem stromaufwärtigen Ende, um Umgebungsluft 36 aufzunehmen, und einen Auslaß 50 zum Ausstoßen desjenigen Teils der Luft 36, die von den Laufschaufeln 14 abgegeben und über die Leitschaufeln 46 geleitet worden ist, um einen Hauptteil des Schubes von dem Triebwerk 10 für einen Antrieb des Flugzeuges zu liefern.

Während eines Betriebes des Triebwerkes 10 werden die Fanlaufschaufeln 14 und die Laufschaufeln des Niederdruckverdichters 16 (nicht gezeigt) angetrieben für eine Rotation mit einer Drehzahl N um die Mittelachse 12 durch die Niederdruckturbine 24. Ein Teil der Luft 36 strömt durch die Fanlaufschaufeln 14 nahe deren Füßen 38 und in den NDV Einlaß 34, um durch den NDV 16 weiter verdichtet und um noch weiter verdichtet zu werden durch den HDV 18 und zur Brennkammer 20 geleitet zu werden. Durch die Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 wird der verdichteten Luft 36 in der Brennkammer 20 Brennstoff zugesetzt und in üblicher Weise gezündet, um Verbrennungsgase 52 zu erzeugen. Die Verbrennungsgase 52 werden von der Brennkammer 20 zur HDT 22 geleitet, um den HDV 18 anzutreiben, und sie werden dann zur NDT 24 geleitet, um die Fanlaufschaufeln 14 und den NDV 16 anzutreiben. Die Gase 52 werden dann aus dem Abgasauslaß 42 ausgestoßen. Der radial äußere Teil der Luft 36, der nicht in den NDV Einlaß 34 eintritt, wird durch die Fanlaufschaufeln 14 verdichtet und über die Leitschaufeln 46 innerhalb der Gondel 44 geleitet und aus dem Auslaß 50 ausgestoßen, um Schub zum Antrieb des Flugzeuges zu liefern.

Es ist allgemein bekannt, daß die umlaufenden Laufschaufeln des Fans oder Verdichters eines Gasturbinentriebwerkes Schall bzw. Lärm erzeugen, der sich entweder stromaufwärts oder stromabwärts davon oder beides ausbreitet und der insbesondere beim Starten oder Landeanflug des Triebwerkes 10 genügend laut sein kann, um störend zu sein. Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Einrichtung angegeben zum Vermindern des durch die Laufschaufeln erzeugten Lärms, der von dem Triebwerk abgegeben wird, wie beispielsweise von den Fanlaufschaufeln 14 oder den Laufschaufeln des NDV 16. Zwar wird die Erfindung insbesondere in Verbindung mit den Fanlaufschaufeln 14 beschrieben, es sei jedoch darauf hingewiesen, daß der Fachmann die erfindungsgemäßen Lehren auch bei anderen Typen und Konfigurationen von Rotorschaufeln mit benachbarten Statorschaufeln, wie beispielsweise Fananordnungen und Verdichtern, anwenden kann.

Die von den Fanlaufschaufeln 14 erzeugten Geräusche, auf die sich die Erfindung insbesondere beziehen, sind bekannt als diskrete Frequenzen aufweisende Spinmodengeräusche oder -Töne, die umlaufende Druckfelder oder -schleppen sind, die durch die umlaufenden Fanschaufeln 14 selbst und zusätzlich durch ihre Wechselwirkung mit den stromabwärtig benachbarten Auslaßleitschaufeln 46 hervorgerufen werden. Der Spinmodenschall enthält im allgemeinen sowohl die Grundwelle als auch Harmonische bzw. Oberwellen davon. Insbesondere wird der Spinmodenschall durch die Fanlaufschaufeln 14 bei der Grundfrequenz der Schaufeldurchlauffrequenz BPF und den höheren Harmonischen davon erzeugt. Es ist bei der Gestaltung eines Gasturbinentriebwerks allgemein bekannt, zunächst eine Zahl B, die die Gesamtzahl von Fanschaufeln 14 darstellt, und dann eine Zahl V, die die Gesamtzahl von Auslaßleitschaufeln 46 darstellt, auf der Basis konventioneller Kriterien zu wählen, um die Spinmodenschall zu vermindern. Wenn die Zahl B der Fanschaufeln 14 gegeben ist, ist die Schaufeldurchlauffrequenz BPF einfach das Produkt der Laufschaufelzahl B und der Drehzahl N der Laufschaufeln 14 um die Mittelachse 12, d. h. B×N. Die Harmonischen davon werden durch eine ganze Zahl n = 1, 2, 3... dargestellt, wobei die erste Harmonische (n = 1) die gleiche ist für die Schaufeldurchlauf-Grundfrequenz BPF, die zweite Harmonische (n = 2) die doppelte Frequenz davon hat und so weiter für die Harmonischen höherer Ordnung.

Die Grundprinzipien, auf denen die Erfindung basiert, sind diejenigen, die die Ausbreitung und Abstrahlung von Schall diskreter Töne, wie beispielsweise den Spinmodenschall in einem Ringkanal bestimmen, wie beispielsweise der Gondel 44. Für die Zahlen V der Auslaßleitschaufeln 46 und B der Fanlaufschaufeln 14 enthält der Schall diskreter Töne von Interesse die Überlagerung von Druckmustern, die durch eine Spinmodenzahl m dargestellt ist, d. h.

m = nB - kV (1)

wobei n die ganze Zahl für die Harmonische der Schaufeldurchlauffrequenz ist, die 1, 2, 3... beträgt, und k eine Indexzahl ist, die jede positive oder negative ganze Zahl sein kann, beispielsweise plus oder minus 1, 2, 3...

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, enthalten die Fanlaufschaufeln 14 eine radial äußere Spitze 54, die an einem Spitzenradius R_t von der Mittelachse 12 angeordnet ist und die bei einer Rotation bei der Drehzahl N eine Spitzengeschwindigkeit- Machzahl Mt hat, die wie folgt dargestellt werden kann:

M_t = 2 πNR_t/60 A_o (2)

wobei A_o einen Konstante ist, die die konventionell ermittelte Schallgeschwindigkeit der Luft 36 in der Gondel 44 ist.

Die Strömung der Luft 36 durch die Gondel 44 von der Einströmung 48 zum Auslaß 50 hat eine Geschwindigkeit bei gegebenen Betriebsbedingungen des Triebwerkes von Interesse, wie beispielsweise Start- oder Landeanflug- Leistungseinstellungen des Triebwerks 10, die durch ihre Machzahl M_a wie folgt dargestellt werden können:

M_a = V_a/A_o (3)

wobei V_a die gegebene Geschwindigkeit der Luft 36 ist, die von der Einströmung 48 zum Auslaß 50 durch die Gondel 44 strömt.

Gemäß allgemeiner Praxis ist die Zahl V der Auslaßleitschaufeln 46 relativ zu einer vorbestimmten Zahl B der Fanlaufschaufeln 14 gewählt, um ein allgemein bekanntes Abschneiden (Cut-off) des Spinmodenschalls, der von den Fanlaufschaufeln 14 erzeugt wird, bei dem interessierenden Betriebszustand zu erhalten. Cut-off ist ein allgemein bekanntes Konzept, das einen Punkt darstellt, unter dem ein diskreter Spinmodenton oder Schall bei einer spezifischen Frequenz abfällt und bei dem oder oberhalb dessen der Spinmodenton sich über die Länge der Gondel 44 ausbreitet und von der Einströmung 48 oder dem Auslaß 50 oder beiden radial nach außen in die freie Luft ausbreitet, wobei dieser Schall während des Startens oder Landens des Flugzeuges für unbeteiligte Zuhörer unzulässig laut sein kann. Da der Spinmodenschall bei mehreren Harmonischen auftritt, ist jeder Harmonischen ein entsprechender Cut- off- bzw. Grenzpunkt zugeordnet. Es ist beispielsweise allgemein bekannt, daß zum Erhalten eines Cut-off von Spinmodenton-Harmonischen bis zur Harmonischen n hinauf die Zahl der Leitschaufeln V gleich oder größer als die doppelte Anzahl der Laufschaufeln B multipliziert mit der Zahl n der Harmonischen gewählt werden sollte. Für die Grundfrequenz der Schaufeldurchlauffrequenz BPF würde V mit 2B gewählt werden. Zum Erhalten von Cut-off durch die zweite Harmonische hindurch würde die Zahl der Schaufeln V gleich oder größer als 4B gewählt werden, usw. Für moderne Turbofan-Triebwerke mit hohem Bypassverhältnis ist die erforderliche Anzahl von Statorschaufeln V, d. h. 4B, jedoch eine unpraktikabel große Schaufelzahl und würde üblicherweise bei der Gestaltung von Triebwerken nicht verwendet werden.

Somit berücksichtigt die Auswahl der Zahl erforderlicher Schaufeln V allein zum Erhalten von Cut-off der Grundfrequenz BPF des Spinmodentones nicht die Spinmodentöne von höheren Harmonischen, die sich üblicherweise mit relativ hoher Energie und Amplitude von der Gondel 44 ausbreiten und von dieser abgestrahlt werden.

Obwohl die Gondel 44, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, typisch eine bekannte Schalldämpfungsauskleidung 56 aufweist, ist diese Auskleidung 56 typisch auf spezifische Töne abgestimmt und weniger wirksam bei der Dämpfung von Spinmodentönen von höheren Harmonischen, die Energie in axialer Richtung parallel zur Mittelachse 12 in allgemein bekannten Moden ebener Wellen ausbreiten. In dem Bestreben, diese Spinmodentonpegel höherer Harmonischer zu verkleinern und diese besser geeignet zu machen für eine Unterdrückung bzw. Dämpfung durch die Kanalauskleidung 56, wurde die erfindungsgemäße Fananordnung gefunden.

Das dabei verwendete Prinzip besteht darin, daß der Cut- off, wie er durch einen Cut-off-Parameter oder -Verhältnis K dargestellt ist, in besonderer Weise die Ausbreitungs- und Strahlungscharakteristik von jedem Spinmodenton definiert. Das Cut-off-Verhältnis K kann alternativ so betrachtet werden, daß es das Verhältnis einer Schallquellenfrequenz zu der Frequenz darstellt, die sich gerade in dem Kanal auszubreiten beginnt. Für bestimmte Spinmoden m mit einem Cut-off-Verhältnis K kleiner als 1,0 wird der Spinmodenton abfallen, und für Werte gleich oder größer als 1,0 wird sich der Spinmodenton durch die Gondel 44 hindurch ausbreiten und von dort nach außen abgestrahlt werden. Je größer der Wert von K ist, desto mehr wird die Schallausbreitungsrichtung mit der Mittellinie 12 ausgerichtet und desto kürzer wird die Verweilzeit der Schallwelle innerhalb der Gondel 44, bevor sie von der Gondel 44 abgestrahlt wird. Je größer ferner der Wert des Cut-off-Verhältnisses K ist, desto kleiner ist der Betrag der Dämpfung, die durch die Auskleidung 56 erzeugt wird.

Das Cut-off-Verhältnis K kann verschiedene Darstellungen haben, wobei die folgende Darstellung besonders brauchbar zur Offenbarung und Definition der vorliegenden Erfindung ist:

Gleichung (4) zeigt, daß das Cut-off-Verhältnis K proportional ist zur Zahl n der Harmonischen der Schaufeldurchlauffrequenz, der Schaufelzahl B, die auf der Basis konventioneller Gestaltungspraxis ermittelt ist, dem Absolutwert der Zahl m der Spinmode und der Geschwindigkeit der Schaufelspitzen 54 relativ zu der Geschwindigkeit der Strömung der Luft 36 durch die Gondel 44, die beispielsweise durch den Ausdruck M_t/(1-M_a ²)1/2 dargestellt ist.

Um die Signifikanz der Erfindung deutlich zu machen, wurde das Cut-off-Verhältnis K auf der Ordinate der Kurve in Fig. 3 über der Schaufelzahl V auf der Abszisse für eine Beispielszahl von Schaufeln B, d. h. 34, dargestellt. Dabei ist das Cut-off-Verhältnis K für jede der ersten sechs Zahlen n der BPF Harmonischen aufgetragen, die den entsprechenden Spinmodentönen zugeordnet sind, wobei die ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten Cut-off-Verhältniskurven 58, 60, 62, 64, 66 und 68 entstanden. Der Wert der ganzen Zahl k, die in der Spinmodenzahl verwendet ist, ist positiv 1 zum mathematischen Darstellen eines Ausführungsbeispiels unter Verwendung der Fanlaufschaufeln 14, denen die Auslaßleitschaufeln 46 folgen, wie es allgemein bekannt ist. Für andere Ausführungsbeispiele der Erfindung kann der Wert der ganzen Zahl k konventionell ausgewählt werden. Ferner wurden in dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel N = 2360 U/min., R_t = 3,05 m, A_o= 344 m/s und V_a = 172 m/s beim Auftragen der Cut-off- Verhältnisse K als Beispiel verwendet.

Zum Erzielen von Cut-off für die erste Harmonische des Spinmodentones bei der Schaufeldurchlauffrequenz BPF (d. h. n = 1) gibt das Kurvenbild an, daß die Leitschaufelzahl V größer sein sollte als etwa 76, was durch den Schnittpunkt der ersten Kurve 58 mit der Linie K = 1 dargestellt ist.

Jedoch ist bei V = 76 der Wert des Cut-off-Verhältnisses K für die zweite Harmonische, d. h. zweite Kurve 60, größer als 1 und sehr groß, womit eine wesentliche Ausbreitung des entsprechenden Spinmodentons angezeigt wird, der damit in Verbindung steht. Gemäß konventioneller Praxis sollte, um ein Cut-off der zweiten Harmonischen des Spinmodentons zu erhalten, die Zahl der Leitschaufeln V gleich oder größer 2nB (d. h. 2×2×34 = 136) sein, was eine unpraktikabel große Leitschaufelzahl V zur Verwendung mit 34 Laufschaufeln ist.

Gemäß der Erfindung kann die Zahl der Schaufeln V für eine vorbestimmte Anzahl von Schaufeln 3 aus einer Kurve gewählt werden, wie beispielsweise der in Fig. 3 gezeigten, um die Cut-off-Verhältnisse K für zwei oder mehr und, wenn möglich, alle Harmonische n zu minimieren. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die Leitschaufelzahl V so gewählt wird, daß die Cut-off- Verhältnisse K für wenigstens zwei harmonischen Zahlen n im wesentlichen gleich sind, was an dem Schnittpunkt von zwei der Cut-off-Verhältniskurven auftritt. Mit anderen Worten kann die Zahl der Leitschaufeln V relativ sein zu einer vorbestimmten Zahl von Laufschaufeln B, um gleichzeitig im wesentlichen gleiche Werte der Cut-off-Verhältnisse für wenigstens zwei der Harmonischenzahlen n zu erhalten.

Fig. 3 stellt beispielsweise dar, daß das Cut-off- Verhältnis K für die erste Harmonischenzahl n mit einem Wert von n = 1 auf einem Wert kleiner als 1,0 gehalten werden kann, um einen Cut-off der Grundfrequenz des Spinmodentons zu erhalten, während auch die Werte der Cut off-Verhältnisse K, die den höheren Harmonischen zugeordnet sind, verkleinert werden, um den gesamten Spinmodenschall zu senken, der durch die Fanschaufeln 14 erzeugt wird. Indem die Zahl der Leitschaufeln V = 82 gewählt wird, anstatt 76, hat die relativ kleine zusätzliche Anzahl von Schaufeln eine wesentliche Verkleinerung des Cut-off- Verhältnisses K der zweiten Harmonischen des Spinmodentones zur Folge, wie es durch die zweite Kurve 60 dargestellt ist, im Vergleich zum ansonsten auftretenden K-Wert, wenn 76 Auslaßleitschaufeln 46 verwendet werden würden. Als eine allgemeine Beobachtung kann gesagt werden, daß die relativen Beiträge zu den gesamten Spinmodengeräuschen, die durch die Fanschaufeln 14 und die Auslaßleitschaufeln 46 erzeugt werden, abnehmen für jede Harmonische höhere Ordnung des Spinmodentones. Dementsprechend steigen zwar die höheren Harmonischen der Spinmodentöne, die in den Fig. 3 durch die Kurven 62, 64, 66 und 68 gezeigt sind, in der Größe an, wenn die Anzahl der Leitschaufeln V von 76 ansteigt, aber das Cut-off-Verhältnis K und der entsprechende Spinmodenton für die zweite Harmonische, dargestellt durch die zweite Kurve 60, nimmt ab. Der Schnittpunkt der zweiten und dritten Kurve 60 und 62 für die zwei Harmonischenzahlen n = 2 und n = 3, dargestellt in Fig. 3 durch den Zustand A, stellt einen maximalen Wert der Cut-off-Verhältnisse K von allen Harmonischen der Spinmodentöne dar, die in Fig. 3 gezeigt sind (d. h. n = 1, 2, 3, 4, 5 und 6) für V = 82 Schaufeln. Dieses Beispiel zeigt, daß die Auswahl der Schaufelzahl V = 82 die kleinsten und gleiche Werte des Cut-off-Verhältnisses K für sowohl die zweite als auch dritte Harmonische (d. h. n = 2 und n = 3) ergibt, wobei alle höheren Harmonischen (d. h. n < 3) signifikant kleinere Werte des Cut-off-Verhältnisses K haben.

Dementsprechend besteht ein wesentliches Merkmal der Erfindung darin, die Zahl der Leitschaufeln V so zu wählen, daß gleichzeitig entweder gleiche oder im wesentlichen gleiche Werte der Cut-off-Verhältnisse K für wenigstens zwei der Harmonischenzahlen n erhalten werden, wobei die zwei Zahlen entweder aufeinanderfolgend, wie beispielsweise n = 2 und n = 3, wie oben beschrieben, sein können, oder nicht aufeinanderfolgend sind, wie es nachfolgend näher erläutert wird. In jedem Fall stellt die Auswahl den Schnitt von wenigstens zwei der Cut-off-Verhältniskurven dar, der notwendigerweise einen lokalen Minimalwert des Cut-off-Verhältnisses K darstellt, da die Auswahl von entweder einer kleineren Zahl oder einer größeren Zahl von Leitschaufeln V notwendigerweise eine Vergrößerung von wenigstens einer der Cut-off-Verhältnisse K zur Folge hat, die durch die zwei sich schneidenden Kurven dargestellt sind. Da eine ganze Zahl von Leitschaufeln V gewählt werden muß bei der Gestaltung des Triebwerkes 10, wird die Schaufelzahl V an dem Schnittpunkt der zwei Kurven gewählt, wie es beispielsweise durch den Zustand A in Fig. 3 dargestellt ist, oder so nahe daran wie möglich oder wünschenswert, um eine ganze Zahl von Schaufeln V zu erhalten, die vorzugsweise eine gerade ganze Zahl von Schaufeln V ist für eine einfache Fertigung gemäß der derzeit üblichen Gestaltungspraxis. Selbstverständlich könnte auch eine ungerade Zahl von Schaufeln V verwendet werden, wenn dies gewünscht wird.

Weiterhin wurde gemäß der Erfindung für den in Fig. 3 angegebenen Zustand A, der den Schnitt der Cut-off- Verhältnisse K für die zweite und dritte Harmonische (n = 2 und n = 3) darstellt, ein optimaler und besonders vorteilhafter Wert der Zahl der Schaufeln V gefunden. Der Wert ist optimal für den Zustand A, da der Wert des Cut- off-Verhältnisses K für die erste Harmonische des Spinmodentons für n = 1 unterhalb 1,0 ist und die Cut-off- Verhältnisse K (d. h. K = 6,4), wie sie dem Schnitt der zweiten und dritten Kurven 60 und 62 zugeordnet sind, einen maximalen Wert wenigstens der sechs Harmonischen, die in Fig. 3 dargestellt sind, bei der gewählten Schaufelzahl V = 82 darstellen, wobei darauf hingewiesen sei, daß die Cut-off-Verhältnisse K für die höheren Harmonischen (n < 6), die nicht gezeigt sind, typisch ebenfalls kleiner sind als dieser Maximalwert.

Der Wert der Schaufelzahl V für den Zustand A ist besonders vorteilhaft, da er analytisch ermittelt werden kann, indem die Cut-off-Verhältnisse K, die durch Gleichung 4 dargestellt sind, für die zwei Harmonischenzahlen n = 2 und n = 3 gleichgesetzt werden und das Leitschaufel- Laufschaufelverhältnis V/B wie folgt aufgelöst wird:

2 |3B - kV| = 3 |2B -kV| (6)

4 (9B² - 6BkV + K²V²) = 9 (4B²-4BkV + K²V²) (7)

36B² - 24BkV + 4K²V² = 36B² - 36BkV + 9K²V² (8)

V/B = 12/5k = 2,4 (9)

Aus einer Untersuchung der Gleichungen (5) bis (9) wird deutlich, daß der Schnittpunkt der zweiten und dritten Kurven 60 und 62 gemäß Fig. 3 nur eine Funktion der harmonischen Zahl n und der Spinmodenzahl m für eine gegebene Zahl der Leitschaufeln B ist und unabhängig ist von der absoluten Größe der Cut-off-Verhältnisse K und auch unabhängig ist von der Schaufelspitzengeschwindigkelt (M_t), der Strömungsgeschwindigkeit (M_a) , der Drehzahl N, dem Schaufelspitzenradius R_t und der Schallgeschwindigkeit A_o des Kanals. Das daraus entstehende Leitschaufel/Laufschaufel-Verhältnis V/B verkürzt sich einfach auf 12/5 k, wobei k konventionell gewählt wird, um gleich positiv 1 für die Fananordnung des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels ist, was ein besonderes Leitschaufel/Laufschaufel-Verhältnis V/B mit einem Wert von 2,4 zur Folge hat. Aus Fig. 3 geht hervor, daß der Schnitt der zweiten und dritten Kurven 60 und 62 sehr nahe an einer Schaufelzahl V = 82 auftritt, der, dividiert durch die Zahl der Laufschaufeln B = 34, wie er zur Herstellung der Kurve gemäß Fig. 3 verwendet ist, ein Leitschaufel/Laufschaufel- Verhältnis V/B von 2,41 zur Folge hat. Demzufolge kann das Leitschaufel/Laufschaufel-Verhältnis V/B für den Zustand A ermittelt werden, indem entweder die Kurve, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, aufgetragen wird, oder es kann analytisch ermittelt werden, wie es durch die Gleichungen (5)-(9) dargestellt ist, wobei seine analytische Ermittlung ergibt, daß der Wert besonders vorteilhaft ist.

Dementsprechend kann für den oben angegebenen Zustand A die Zahl der Leitschaufeln V aus der gegebenen vorbestimmten Zahl von Laufschaufeln B so gewählt werden, daß das Laufschaufel-Leitschaufelverhältnis V/B gleich oder im wesentlichen gleich 2,4 ist. Selbstverständlich muß in einer praktischen Anwendung die nächstliegende ganze Zahl von Leitschaufeln V gewählt werden, da Bruchteile von Schaufeln nicht ratsam sind, und in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die nächstliegende, gerade, ganze Zahl von Laufschaufeln B bevorzugt wegen einer einfachen Fertigung auf der Basis konventioneller Fertigungstechniken bei der Herstellung der Schaufeln, wie beispielsweise der Auslaßführungsschaufeln 46 in dem Triebwerk 10. Selbstverständlich könnten auch ungerade ganze Zahlen der Schaufeln V verwendet werden, wenn dies gewünscht wird.

Wenn das Erfordernis zum Durchsetzen des Cut-off der Grundfrequenz des Spinmodentons BPF, d. h. K < 1,0 für n = 1, beseitigt ist, dann kann gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung auch ein anderes akustisch optimales und besonders vorteilhaftes Leitschaufel/Laufschaufel-Verhältnis V/B erhalten werden, das gleiche oder im wesentlichen gleiche Werte für die Cut-off -Verhältnisse K für sowohl die Grundfrequenz als auch die zweite Harmonische (n = 1 und n = 2) ergibt, wie es beim Zustand B in Fig. 3 gezeigt ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind die zwei aufeinanderfolgenden Harmonischenzahlen n = 1 und n = 2, die den entsprechenden ersten und zweiten Kurven 58 und 60 zugeordnet sind, die nicht nur ein lokales minimales oder kleinstes Cut-off-Verhältnis K für sowohl die ersten als auch zweiten Harmonischen-Spinmodentöne gleichzeitig zur Folge haben, sondern dieser Wert ist auch ein maximaler Wert von mehreren Cut-off-Verhältnissen K bei der zugeordneten Leitschaufelzahl V, d. h. 45 für die Laufschaufelzahl B = 34. Das entsprechende Leitschaufel/Laufschaufel-Verhältnis V/B ist besonders vorteilhaft und ist gleich 4/3 und kann auf ähnliche Weise erhalten werden, wie es vorstehend für die Gleichungen (5) -(9) beschrieben wurde, indem statt dessen das Cut-off- Verhältnis K von Gleichung (4) für die Harmonischenzahlen n = 1 und n = 2 gleichgesetzt und nach dem Leitschaufel/Laufschaufel-Verhältnis V/B aufgelöst wird, wobei wiederum ein Wert positiv 1 für die ganzzahlige Konstante k für die in Fig. 1 dargestellte Fananordnung verwendet wird. Wiederum ist dieses besonders vorteilhafte Leitschaufel/Laufschaufel-Verhältnis V/B allein abhängig von der Harmonischenzahl n und der Spinmodenzahl m für den gegebenen ganzen k-Wert von 1.

Obwohl das Cut-off-Verhältnis K für die Grundharmonische des Spinmodentons, dargestellt durch die erste Kurve 58, nicht mehr kleiner als 1,0 ist, hat es einen relativ minimalen Wert von etwa 3,8 für den Schnittpunkt der ersten und zweiten Kurven 58 und 60, wobei die entsprechenden Cut- off-Verhältnisse K für die höheren Harmonischen der Spinmodentöne, die durch Kurven 62, 64, 66 und 68 dargestellt sind, relativ dazu signifikant kleiner sind. Diese alternative Gestaltung kann in dem in Fig. 1 dargestellten Triebwerk 10 verwendet werden, wenn der axiale Rotor-Stator-Abstand S relativ groß ist, so daß genügend axiale Länge innerhalb der Gondel 44 vorgesehen ist, damit die Auskleidung 56 die sich darin ausbreitenden Spinmodengeräusche auf wirksame Weise dämpfen bzw. unterdrücken kann. Beispielsweise hat, wie in Fig. 2 gezeigt ist, jede Fanschaufel 14 eine Fußsehne oder Länge zwischen den Vorder- und Hinterkanten des Fußes 38, wobei die axiale Projektion davon mit C bezeichnet ist, und das Verhältnis des axialen Abstandes S zwischen den Hinterkanten der Laufschaufeln 14 und den Vorderkanten der Auslaßleitschaufeln 46, dividiert durch die axiale Projektion C der Fußsehne, d. h. S/C, ist vorzugsweise größer als etwa 1,5, um einen ausreichenden Schallschleppenabfall und eine effektive Dämpfung der Harmonischen der Spinmodentöne durch die Auskleidung 56 sicherzustellen.

Ein alternatives akustisch optimales und besonders vorteilhaftes Leitschaufel/Laufschaufel-Verhältnis V/B ist in Fig. 3 am Zustand C gezeigt, der den Schnittpunkt von zwei der Cut-off-Verhältniskurven darstellt, wobei die zwei Harmonischenzahlen n nicht aufeinanderfolgend sind, beispielsweise n = 1 und n = 3. Dieses Ausführungsbeispiel kann beispielsweise verwendet werden, wenn das Erfordernis zum Durchsetzen des Cut-off der ersten Harmonischen des Spinmodentons, d. h. K < 1,0 für die erste Kurve 58, beseitigt ist und die zweite Harmonische des Spinmodentons sich entweder analytisch oder durch Test sich nicht als starker Beitrag zu dem gesamten Fanlärmspektrum, das durch das Triebwerk 10 erzeugt wird, erwiesen hat. Gemäß Fig. 3 hat der Schnitt der ersten und dritten Kurven 58 und 62 ein Cut-off -Verhältnis K zur Folge, das kleiner als dasjenige ist, das dem zweiten Harmonischen-Spinmodenton gemäß der zweiten Kurve 60 zugeordnet ist. Der Zustand C tritt bei einer Leitschaufelzahl V von 51 auf, die in dem Triebwerk 10 gemäß Fig. 1 verwendet werden kann, vorausgesetzt, daß die zweite Harmonische des Spinmodentons kein starker Beitrag zu dem Gesamtschall ist und durch die Auskleidung 56 wirksam gedämpft werden kann.

Wiederum kann der besonders vorteilhafte Wert des Leitschaufel/Laufschaufel-Verhältnisses V/B erhalten werden, wie es vorstehend für die Gleichungen (5)-(9) getan wurde, indem die in Gleichung (4) enthaltenen Cut- off-Verhältnisse K gleichgesetzt werden, wobei die Harmonischenzahlen n = 1 und n = 3 verwendet werden und ein positiver Wert 1 für die ganze Zahl k gewählt wird. Dieses vorteilhafte Leitschaufel/Laufschaufel-Verhältnis V/B von 1,5 hat für die gegebenen 34 Laufschaufeln 51 Leitschaufeln zur Folge.

Die Auswahl des speziellen Leitschaufel/Laufschaufel- Verhältnisses V/B für eine bestimmte Gestaltungsanwendung auf der Basis von einem der Zustände A, B oder C, wie sie vorstehend als Beispiele beschrieben wurden, hängt von der relativen Größe oder Amplitude der entsprechenden Spinmodentöne ab, die der Grundfrequenz, zweiten und dritten Harmonischen relativ zu dem gesamten Fanschallspektrum zugeordnet sind, das sich von der Gondel 44 ausbreitet. Dementsprechend kann für irgendeine gegebene Gestaltungsanwendung ein geeignetes Leitschaufel/Laufschaufel-Verhältnis V/B gemäß der Erfindung an den Beispielszuständen A, B oder C oder an anderen Zuständen gewählt werden, die alle das gemeinsame erfindungsgemäße Merkmal haben, daß die Leitschaufelzahl V für eine gegebene Laufschaufelzahl B so gewählt wird, daß gleiche oder im wesentlichen gleiche Werte der Cut-off- Verhältnisse K für wenigstens zwei der Harmonischenzahlen n erhalten werden.

In Fig. 4 ist ein weiteres Kurvenbild gezeigt, in dem das Cut-off-Verhältnis K über der Leitschaufelzahl V gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung aufgetragen ist, bei dem das in Fig. 1 dargestellte Triebwerk 10 22 Fanlaufschaufeln 14 aufweist. Fig. 4 stellt den Betrieb des Triebwerks 10 beim Start dar, wobei das Triebwerk 10 ein nicht gezeigtes Flugzeug antreibt, wobei die Start-Drehzahl N 2360 U/min. ist und die Schaufelspitzen-Machzahl M_t 1,093 beträgt für die Fanschaufeln 14 mit einem Radius R_t von 3,05 m, die Strömungs-Machzahl M_a 0,5 beträgt, die Fanluftströmungsgeschwindigkeit im Kanal V_a 172 m/s beträgt und die Schallgeschwindigkeit im Kanal A_o 344 m/s beträgt. Wiederum sind erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Kurven 70, 72, 74, 76, 78 und 80 in Fig. 4 dargestellt, wobei die entsprechenden Cut-off-Verhältnisse K den entsprechenden ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten Harmonischen der Spinmodentöne zugeordnet sind. Es ist der analoge Zustand A dargestellt, der den Schnitt der zweiten und dritten Kurven 72 und 74 darstellt, der bei einer Zahl der Leitschaufeln V bei etwa 52,8 für die Leitschaufelzahl B von 22 auftritt. Wie vorstehend beschrieben wurde ist das besonders vorteilhafte Leitschaufel/Laufschaufel-Verhältnis V/B für den Zustand A gleich 2,4. Da 52,8 keine ganze Zahl ist, kann eine nächste ganze Zahl von entweder 52 oder 53 gewählt werden. Vorzugsweise werden jedoch 54 Leitschaufeln 46 gewählt, um sicherzustellen, daß das Cut-off-Verhältnis K für die Grundharmonische des Spinmodentons, die der ersten Kurve 70 zugeordnet ist, kleiner ist als 1,0, und es wird eine gerade Anzahl von Leitschaufeln, d. h. Auslaßleitschaufeln 46, für eine einfache Fertigung gewählt. Auch sind in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, die Auslaßleitschaufeln 46 mit axialem Abstand stromabwärts von den Leitschaufeln in einem Abstand S angeordnet, so daß der axiale Abstand S dividiert durch die axiale Projektion der Fußsehne größer als etwa 1,5 und beispielsweise 2,0 ist, um dazu beizutragen, daß die höheren Harmonischen der Spinmodentöne merklich abfallen können innerhalb der Gondel 44 aufgrund der Schalldämpfungsauskleidung 56.

Indem somit das Leitschaufel-Laufschaufel-Verhältnis V/B gewählt wird, um ein relativ minimales Cut-off-Verhältnis K für beispielsweise die zweiten und dritten Harmonischen der Spinmodentöne zu erhalten, hat wenigstens eines der Harmonischen-Cut-off-Verhältnisse K einen Wert, der kleiner ist, als er anderenfalls sein würde, wenn die Anzahl der Leitschaufeln V an einem Punkt entfernt von dem Zustand A gewählt werden würde, der die Größe bzw. Amplitude des Harmonischen-Spinmodentons innerhalb des gesamten Schallspektrums verkleinert. Beispielsweise ist ein Minimum von etwa 50 Leitschaufeln erforderlich für 22 Laufschaufeln, um sicherzustellen, daß das Cut-off- Verhältnis K für die Grundharmonische des Spinmodentons, dargestellt durch die erste Kurve 70, unter 1,0 ist. Entsprechend hat das Cut-off -Verhältnis K für die zweite Harmonische, dargestellt durch die zweite Kurve 72, einen relativ hohen Wert von etwa 9,2, und das Cut-off-Verhältnis K für die dritte Harmonische hat einen kleineren Wert von etwa 5,2 für 50 Leitschaufeln. Da die Größe des Beitrages zu dem gesamten Schallspektrum abnimmt, wenn die Harmonischezahl ansteigt, ist der Schall bzw. Lärm, der der zweiten Harmonischen gemäß der zweiten Kurve 72 zugeordnet ist, wesentlich größer als der Lärm bzw. Schall, der von der dritten Harmonischen gemäß der dritten Kurve 74 beigetragen wird. Indem der Zustand A mit etwa 54 Leitschaufeln anstatt von nur 50 Leitschaufeln gewählt wird, verkleinert die kleine Vergrößerung in der Schaufelzahl wesentlich das Cut-off-Verhältnis K der zweiten Harmonischen von 9,2 auf 6,4, während der Wert des Cut-off-Verhältnisses K der dritten Harmonischen nur leicht von 5,2 auf 6,4 erhöht wird. Dies trägt zu einer Gesamtsenkung in dem Schallspektrum bei, das sich während des Betriebes von dem Triebwerk 10 ausbreitet.

Weiterhin kann durch Verkleinerung der Größe des Cut-off- Verhältnisses K der zweiten Harmonischen auf diejenige des Cut-off-Verhältnisses K der dritten Harmonischen die Schalldämpfungsauskleidung 56 so zugeschneidert werden, daß sowohl die zweiten als auch dritten Harmonischen der Spinmodentöne in gleicher Weise gut gedämpft werden, anstatt daß primär die eine oder die andere gedämpft wird.

Ferner werden relativ kleine (d. h. Werte nahe 0 der Spinmodenzahl m) Spinmoden-Wechselwirkungen vermieden, wodurch die Langzeit-Tonpegel verhindert werden, die anderenfalls auftreten würden und die durch die Auskleidung 56 nicht wirksam gedämpft werden. Für den Zustand A, wo sich die Kurven 72 und 74 der zweiten und dritten Harmonischen schneiden, sind die Spinmodenzahlen m der zweiten und dritten Harmonischen maximiert.

Darüberhinaus hält die Gestaltung der Fananordnung für einen Betrieb nahe dem Schnittpunkt von zwei der Kurven des Cut-off-Verhältnisses K den Cut-off, wenigstens für diese zwei Kurven, über einem relativ breiten Betriebsbereich der Fandrehzahl M.

Bezüglich Fig. 4 sei auch darauf hingewiesen, daß in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit 22 Fanlaufschaufeln 14 der Zustand B, wo sich die ersten und zweiten Kurven 70 und 72 für das Cut-off-Verhältnis schneiden, nicht unter 100 Leitschaufeln auftritt, und dies gilt auch für den Zustand C, wo sich die ersten und dritten Kurven 70 und 72 schneiden. Fig. 4 stellt jedoch sechs andere Schnittpunkte der Cut-off-Verhältnis-Kurven dar, wie beispielsweise die zweiten und vierten Kurven 72 und 76, die den Harmonischenzahlen n = 2 und n = 4 zugeordnet sind, d. h. Zustand D, der der nächste Schnittpunkt bei einer höheren Leitschaufelzahl V als derjenigen ist, die dem Zustand A zugeordnet ist, der bei V etwa gleich 59 auftritt.

Das besonders vorteilhafte Leitschaufel/Laufschaufel- Verhältnis V/B, das dem Schnittpunkt der zweiten und vierten Kurven 72 und 76 zugeordnet ist, kann wiederum erhalten werden, indem die Cut-off-Verhältnisse K von Gleichung (4) für die Harmonischenzahlen n = 2 und n = 4 gleichgesetzt werden und die dann aufgelöst werden, wie es für die Gleichungen (5)-(9) getan wurde, um das Verhältnis V/B = 8/3 = 2,667 für einen positiven Wert 1 der ganzen Zahl k zu erhalten.

Die Verwendung dieses vorteilhaften Wertes für das Verhältnis V/B für die 22 Laufschaufeln gemäß Fig. 4 hat eine Leitschaufelzahl V von 58,7 zur Folge. Dementsprechend könnte die Zahl der Leitschaufeln V, d. h. Auslaßleitschaufeln 56, die nächste, gerade, ganze Zahl 58 sein, die nur vier mehr als die 54 Laufschaufeln sind, die für den Zustand A gewählt wurden. Bei dem Zustand D sind alle in Fig. 4 dargestellten Cut-off-Verhältnisse K kleiner als diejenigen, die dem Zustand A zugeordnet sind, außer für das Cut-off-Verhältnis K der dritten Harmonischen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann entweder Zustand A mit 54 Auslaßleitschaufeln 46 oder der Zustand D mit 58 Auslaßleitschaufeln 46 in Abhängigkeit davon gewählt werden, was die kleinste Gesamtgröße des Lärms bzw. Schalls zur Folge hat, der sich während des interessierenden Betriebszustandes von der Gondel 44 ausbreitet.

Eine Analyse sagt vorher, daß das Ausführungsbeispiel gemäß Zustand A mit 54 Auslaßleitschaufeln 56 und 22 Fanlaufschaufeln 14 eine signifikante Senkung des Gesamtlärms von der Gondel 44 während eines Betriebes zur Folge hat im Vergleich zu einer konventionellen Fananordnung mit 38 Fanschaufeln und 80 Auslaßführungsschaufeln (V/B = 2, 1). Die analytischen Vorhersagen wurden bestätigt durch einen Windkanaltest mit einem Modell im Maßstab 1 : 5 der in Fig. 1 dargestellten Fananordnung, wobei der Lärm für alle Spinmoden-Harmonische bis zur Harmonischenzahl n = 6 gemessen wurde.

Da es auch allgemein bekannt ist, daß ein Leitschaufel- Laufschaufel-Verhältnis von 4/3 unter gewissen Bedingungen verwendet werden kann, schließt die vorliegende Erfindung ein V/B Verhältnis von 4/3 vorzugsweise aus, außer wie es vorstehend speziell beschrieben wurde. Deshalb sind die zwei Harmonischenzahlen n zum Erhalten im wesentlichen gleicher Werte der entsprechenden Cut-off-Verhältnisse diejenigen, die vorzugsweise dem Schnittpunkt von Cut-off- Verhältnis-Kurven für Harmonischen-Zahlpaaren ausschließlich n = 1 und n = 2 zugeordnet sind, die zu dem V/B Verhältnis 4/3 gehören. Diese Harmonischen-Zahlpaare werden vorzugsweise aus der Gruppe von Harmonischen- Zahlpaaren ausgewählt, die n = 1 und n = 3 entsprechend V/B = 1,5; n = 2 und n = 3 entsprechend V/B = 2,4; n = 2 und n = 4 entsprechend V/B 8/3 und andere Harmonischen-Zahlpaare enthalten, wobei das Produkt der Harmonischenzahlen n größer als 2 ist, d. h. größer als n = 1 multipliziert mit n = 2 (1×2), was V/B = 4/3 zugeordnet ist. Beispielsweise ist das Produkt der oben beschriebenen Harmonischen-Zahlpaare 3, 6 bzw. 8.

Somit schafft die Erfindung ein neues Verfahren zum Auswählen der Zahl von Leitschaufeln, die mit einer gegebenen Zahl von Laufschaufeln zu verwenden sind, um die Größe der während des Betriebs erzeugten Harmonischen der Spinmodentöne zu verkleinern und um sie besser geeignet zu machen für eine Dämpfung durch die Schalldämpfungsauskleidung 56, um deren Größe weiter zu verkleinern. Die Erfindung wurde zwar in Verbindung mit der in Fig. 1 dargestellten Fananordnung als Beispiel beschrieben, die die Fanschaufeln 14 und die Leitschaufeln 46 aufweist, die von der Gondel 44 umgeben sind, es können aber im Rahmen der hier gegebenen technischen Lehren auch noch andere Ausführungsbeispiele verwendet werden, beispielsweise andere Fananordnungen, die Verdichter mit Rotorschaufeln und Statorschaufeln aufweisen.

Claims (14)

1. Fananordnung für ein Gasturbinentriebwerk mit einer Zahl B von in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten Laufschaufeln, einer Zahl V von in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten Leitschaufeln, die mit axialem Abstand zu den Laufschaufeln angeordnet sind, und einem Ringkanal, der die Laufschaufeln und die Leitschaufeln umgibt und einen Einlaß zum Empfangen von Luft und einen Auslaß aufweist zum Ausstoßen von wenigstens einem Teil der Luft nach Verdichtung durch die Laufschaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß die verdichtete Luft Spinmodentöne erzeugt, die sich jeweils oberhalb eines entsprechenden Cut-off-Verhältnisses von 1,0 ausbreiten und unterhalb des Cut-off-Verhältnisses von 1,0 abfallen bei mehreren entsprechenden Harmonischenzahlen n der Schaufeldurchlauffrequenz, und daß die Leitschaufelzahl V relativ zur Laufschaufelzahl B wirksam ist zum Erhalten im wesentlichen gleicher Werte des Cut-off-Verhältnisses für wenigstens zwei der Harmonischenzahlen n, wobei die zwei Harmonischenzahlen n ein Produkt größer als 2 haben.

2. Fananordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Cut-off-Verhältnis bei den zwei Harmonischenzahlen n einen maximalen Wert hat.

3. Fananordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Harmonischenzahlen n aufeinanderfolgend sind.

4. Fananordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei aufeinanderfolgenden Harmonischenzahlen n = 2 und n = 3 sind.

5. Fananordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufelzahl V dividiert durch die Laufschaufelzahl B etwa 2,4 beträgt.

6. Fananordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Cut-off-Verhältnis bei der harmonischen Zahl n = 1 kleiner als 1,0 ist.

7. Fananordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufelzahl B 22 beträgt und die Leitschaufelzahl V 54 beträgt.

8. Fananordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Cut-off-Verhältnis proportional zu nB/|m| und der Spitzengeschwindigkeit-Machzahl der Fanlaufschaufeln relativ zu der Strömungsgeschwindigkeit-Machzahl der Luft durch den Kanal ist, wobei
m = nB-kV und
k eine positive oder negative ganze Zahl ist.

9. Fananordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Harmonischenzahlen n nicht aufeinanderfolgend sind.

10. Fananordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Harmonischenzahlen n = 1 und n = 3 sind.

11. Fananordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufelzahl V dividiert durch die Laufschaufelzahl B etwa 1,5 beträgt.

12. Fananordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Harmonischenzahlen n = 2 und n = 4 sind.

13. Fananordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufelzahl V dividiert durch die Laufschaufelzahl B etwa 8/3 beträgt.

14. Fananordnung für ein Gasturbinentriebwerk mit einer Zahl B von auf dem Umfang im Abstand angeordneten Laufschaufeln, einer Zahl V auf dem Umfang im Abstand angeordneter Leitschaufeln, die mit axialem Abstand von den Laufschaufeln angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis V/B der Leitschaufelzahl V dividiert durch die Laufschaufelzahl B aus 2,4, 1,5 oder 8/3 ausgewählt ist.