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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinenmaschinen.
Genauer bezieht sich die Erfindung auf ein System zur verbesserten Dämpfung des
aus der Wechselwirkung zwischen Rotorschaufeln und stationären Leitschaufeln
in Gasturbinenmaschinen entstehenden Lärms.
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Hintergrund der Erfindung
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Lärm ist ein
erheblicher negativer Begleitfaktor des gewerblichen Luftverkehrs
seit der Einführung
von Flugzeuggasturbinenmaschinen. Zur Reduzierung des Lärms von
Flugzeugtriebwerken wurden bereits erhebliche Anstrengungen unternommen.
Die aerodynamische Wechselwirkung von Rotorschaufeln und Wirbelströmungen von
stationären
Leitschaufeln trägt
erheblich zu dem von einem Strahltriebwerk erzeugten Lärm bei.
Fans bzw. Bläser
und Verdichter weisen zumindest eine Reihe von einer Mehrzahl von
am Umfang verteilten, beabstandeten Rotorschaufeln auf, um durchgeleitete
Luft zu verdichten, und eine Reihe von am Umfang verteilten, beabstandeten
Statorschaufeln, die von den Rotorschaufeln axial beabstandet sind.
Die Rotorschaufeln drehen sich um eine längs angeordnete Mittelachse der
Maschine mit einer Drehzahl und erzeugen ein tonartiges Geräusch mit
einer Schaufeldurchlauffrequenz ("blade passign frequency", BPF). In dem Bereich
zwischen den Rotorschaufeln und den Statorschaufeln, innerhalb des
Ringkanals, der die Laufschaufeln und die Leitschaufeln umgibt,
werden Töne
durch Wechselwirkung erzeugt, die konventionell als drehende Moden
bekannt sind.
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Die
Rotorschaufelrotationswirbelströmungen der
durch die Fanschaufeln verdichteten Luft bilden drehende Druckfelder
und treffen auf die Statorschaufeln auf und erzeugen damit die Töne der drehenden
Mode. Die Töne
der drehenden Mode treten bei bestimmten Frequenzen auf, einschließlich der grundlegenden
Schaufeldurchlauffrequenz (BPF), die hier alternativ als die erste
Harmonische bezeichnet wird, und bei Frequenzen höherer Ordnung,
die die zweite, dritte und höhere
Harmonische beinhalten. Wenn die Rotationsgeschwindigkeit der drehenden
Mode hoch genug ist, dazu zu führen,
dass die örtliche
Machzahl größer als
ungefähr
1,1 ist, dann pflanzen sich die Töne der drehenden Mode nach
außen
fort, entweder entgegen der Strömungsrichtung durch
den Kanaleinlauf oder in Strömungsrichtung durch
den Kanalauslass oder beides, wobei sie die Stärke der BPF-Töne erhöhen, die
unmittelbar durch die Rotorschaufeln erzeugt werden.
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Um
die Geräusche
der drehenden Mode, z. B. beim Start oder beim Landeanflug, zu verringern, ist
es Stand der Technik, die Töne
der drehenden Mode so zu leiten, dass sie auf die inneren Wandungen
des Triebwerks auftreffen, das mit Schall absorbierendem Material
ausgekleidet ist. Diese Technik bewirkt ein Abklingen der Töne der drehenden
Mode, bevor sie aus dem Triebwerk austreten. Beispiele hierfür sind im
U.S. Patent 3,937,590 , erteilt
an Mani am 10. Februar 1976, und
U.S.
Patent 4,104,002 , erteilt an Ehrich am 1. August 1978,
beschrieben. Jedoch hat eine akustische Behandlung der Wände nur geringe
Verringerungen der Stärke
des Faneinlaufgeräuschs
bewirkt, und dies wird dadurch verstärkt, dass die Verhältnisse
von Einlauflänge
zu Einlaufradius kleiner werden.
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In
dem
U.S. Patent 4,300,656 ,
erteilt an Burcham am 17. November 1981, beschreibt Burcham eine
akustische Geräuscheliminationsanordnung,
die die Fähigkeit
aufweist, die Kontinuität von
rotierenden Schalldruckfeldern zu unterbrechen, die nach vorne von
Fans oder Rotoren der Art ausgehen, die üblicherweise vorne oder in
der ersten Verdichterstufe von luftatmenden Maschinen auftreten, wenn
diese mit Schaufelendbereichgeschwindigkeiten im Überschallbereich
betrieben werden. Die Anordnung enthält eine rohrförmige Gondel,
die einen Kanal bestimmt, um eine Luftströmung axial in den Einlauf eines
Strahltriebwerks zu liefern, und eine Schallsperre, die von einer
Mehrzahl von sich schneidenden flachen Platten oder Streben gebildet
wird, die eine mit der Längsachse
der rohrförmigen
Gondel übereinstimmende
Schnittlinie haben, was dazu dient, die Kontinui tät der Drehfelder
von mehreren Tonkomponenten des Geräuschs zu unterbrechen.
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Die
Verringerung des Lärms
der drehenden Mode kann durch die Verringerung der Entstehungsprozesse
an der Geräuschquelle
erreicht werden, was die entstehende aerodynamische Unstetigkeit oder
die Erzeugung der Mode aus solchen Wechselwirkungen verringert.
Es ist Stand der Technik, die Anzahl der Leitschaufeln und die Anzahl
der Laufschaufeln so auszuwählen,
dass ein Phänomen
des Abschniedens der Ausbreitung der drehenden Mode erzeugt wird.
Zum Beispiel beschreiben Gliebe et al. in ihrem
US Patent 5,169,288 , welches am 8.
Dezember 1992 erteilt wurde, eine Fananordnung mit geringer Geräuschentwicklung
und schlagen vor, dass die Anzahl der Leitschaufeln für eine vorbestimmte
Anzahl von Laufschaufeln ausgewählt
wird, um im Wesentlichen gleiche Werte eines Abschneideverhältnisses
für mindestens
zwei Harmonische von Schaufeldurchlauffrequenzen zu erreichen, um das
Geräusch
der drehenden Mode aus der Fananordnung zu verringern. In einer
praktischen Anwendung wird für
das Abschneiden der Ausbreitung der drehenden Mode eine Anzahl von
V Leitschaufeln, und eine Anzahl von B Laufschaufeln ausgewählt, um
V ≥ 2,3 B
zu erreichen. Bei einigen Konstruktionen, insbesondere jedoch bei
Turbofan-Maschinen mit hohem Nebenstromverhältnis, die eine vergleichsweise
hohe Anzahl von Rotorschaufeln benötigen, kann ein nicht abgeschnittener
Fan-Stator mit V < 2B
gewählt
werden, um einen Kompromiss mit anderen Auslegungskriterien zu finden.
In solchen Fällen
ist die drehende Mode immer nicht abgeschnitten, was eine Steigerung
der Stärke
des BPF-Tons bedingt. Daher gibt es einen Bedarf für eine alternative
Lösung,
um die Erzeugung der drehenden Mode zu verhindern.
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In
WO-A-01/46944 wird
das Fangeräusch durch
Erzeugen einer erregenden Schallwelle gedämpft, welche den Primärton des
Geräuschs
moduliert und dadurch die Schallenergie des Geräuschs von dem Primärton auf
einen breiten Bereich von Seitenbändern verteilt.
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In
US-A-6004095 wird
Fluid in die Wirbelströmung
einer drehenden Schaufel durch die Rotorschaufel eingebracht, um
das Momentumsdefizit der Wirbelströ mung zu verringern und damit
die turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen in der Wirbelströmung zu
verringern. In einer anderen Anordnung, die in diesem Dokument beschrieben
ist, wird Fluid aus der Grenzschicht in die Schaufel durch die Saugseite
der Schaufel gesaugt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu
stellen, um das aus der Wechselwirkung zwischen Rotor und Stator entstehende
Tongeräusch
bei Fans und Verdichtern zu verringern.
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Ein
anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur
Verfügung
zu stellen, um die Ausbreitung von Tönen der drehenden Mode zu verhindern,
um die Stärke
des Tongeräuschs
von Fans oder Verdichtern zu verringern.
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Noch
ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren
zur Verfügung
zu stellen, um die Erzeugung einer drehenden Mode in Fans und Verdichtern
zu verhindern, um die Stärke
ihres Tongeräuschs
zu verringern.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte
Fan- oder Verdichteranordnung zur Verfügung zu stellen, welche wirksam
ist, um BPF-Töne
und Harmonische zu verringern.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt,
um aus der Wechselwirkung zwischen Rotor und Stator entstehende
Töne in
einem Ringkanal zu verringern, der eine Mehrzahl von am Umfang verteilten,
beabstandeten Rotorschaufeln und eine Mehrzahl von am Umfang verteilten,
beabstandeten Statorschaufeln aufweist, die axial von den Rotorschaufeln
einen Abstand haben, wobei der Ringkanal einen Einlass zum Aufnehmen
von Luft und einen Auslass zum Abgeben von mindestens einem Teil
der von den Rotorschaufeln verdichteten Luft aufweist. Das Verfahren weist
einen Schritt des Einblasens einer Luftströmung in eine Richtung, die
der Drehung der Rotorschaufelwirbelströmungen entgegengesetzt ist,
in den Ringkanal zwischen den Rotor schaufeln und den Statorschaufeln
auf, um ein entgegengesetztes drehendes Momentum mit Bezug auf die
durch die Rotorschaufeln verdichtete Luft aufzubringen, wodurch die
Stärke
einer drehenden Mode verringert wird, die von einem symmetrischen
Muster der Rotorschaufelrotationswirbelströmungen der verdichteten Luft
erzeugt wird.
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Es
ist vorzuziehen, eine Heißluftströmung einzublasen,
um die Temperatur der verdichteten Luft zu erhöhen und damit örtlich die
Schallgeschwindigkeit zu erhöhen,
wenn sich Schallwellen in dem Luftmedium fortpflanzen. Es ist auch
vorzuziehen, die Luftströmung
asymmetrisch in den Ringkanal einzublasen, um das symmetrische Muster
der Rotorschaufelrotationswirbelströmungen aufzuheben und damit
die Erzeugung der drehenden Mode zu verhindern.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Fananordnung
einer Gasturbinenmaschine eine Mehrzahl von am Umfang verteilten,
beabstandeten Rotorschaufeln und eine Mehrzahl von am Umfang verteilten,
beabstandeten Statorschaufeln auf, die axial von den Rotorschaufeln
einen Abstand haben. Ein Ringkanal umgibt die Rotorschaufeln und
die Statorschaufeln und weist einen Einlauf zum Aufnehmen von Luft,
und einen Auslass zum Abgeben von zumindest einem Teil der Luft
nach Verdichtung durch die Schaufeln auf. Eine Einrichtung wird
zur Verfügung
gestellt, um einen Luftströmung
in einer Richtung entgegen der Drehung der Rotorschaufelwirbelströmungen in
den Ringkanal zwischen den Rotorschaufeln und den Statorschaufeln
einzublasen, um ein entgegengesetztes drehendes Momentum mit Bezug
auf die durch die Rotorschaufeln verdichtete Luft aufzubringen und
damit die Stärke
einer drehenden Mode, die von einem symmetrischen Muster der Rotorschaufelrotationswirbelströmungen der
verdichteten Luft erzeugt wird, zu verringern.
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Die
Einrichtung enthält
vorzugsweise eine Mehrzahl von Düsen
in einer Außenwand
des Ringkanals, und die Düsen
sind mit einer Druckluftquelle des Turbinentriebwerks verbunden,
um die Luftströmung
steuerbar einzublasen. Vorzugsweise sind die Düsen am Umfang verteilt in einer
asymmetrischen Anordnung beabstandet, um die Luftströmung asymmetrisch
in den Ringkanal einzublasen, um das symmetrische Muster der Rotorschaufelrotationswirbelströmungen aufzuheben
und damit die Erzeugung der drehenden Mode zu verhindern. Es ist
auch vorzuziehen, dass jede der Düsen in einem Querschnitt im
Winkel mit Bezug auf eine diametrale Linie des Ringkanals angeordnet
ist, der an der Düse
vorbeiführt,
so dass die Luftströmung
angepasst ist, über eine
radiale Entfernung von 5% bis 20% der Länge des Fanradius einzudringen,
wenn die Einrichtung in Betrieb ist.
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Die
vorliegende Erfindung liefert eine Lösung, die für die Quellreduzierung von
aus der Wechselwirkung von Rotor und Stator einer Fananordnung einer
Gasturbinenmaschine entstehenden Tongeräuschen wirksam ist, um die
Tonstärke
des Fans erheblich zu verringern. Andere Vorzüge und Merkmale der Erfindung
werden besser mit Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform verständlich,
die im Folgenden beschrieben wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachdem
nun die Art der Erfindung allgemein beschrieben wurde, wird jetzt
auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die die bevorzugten
Ausführungsformen
zur Veranschaulichung zeigen, worin:
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1 ist
eine schematische Längsschnittansicht
einer beispielhaften Gasturbinenmaschine, die eine Fananordnung
aufweist, die die vorliegende Erfindung beinhaltet;
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2a ist
eine radiale Schnittsansicht eines Teils der in 1 dargestellten
Fananordnung, welche entlang der Linie 2-2 durchgeführt wurde
und eine Anordnung von Düsen
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2b ist
eine ähnliche
Ansicht wie 2a, welche eine Düsenanordnung
gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 ist
eine Querschnittsansicht von 1, welche
entlang der Linie 3-3 durchgeführt wurde
und die Düsen
in der Außenwand
des Ringkanals der Fananordnung zeigt; und
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4 ist
eine schematische Ansicht, die die drehende Mode zeigt, die von
dem Rotorschaufelrotationswirbelströmungsmuster in der Fananordnung erzeugt
wird.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Wenn
man nun auf die Zeichnungen Bezug nimmt, insbesondere auf 1,
dann enthält
eine beispielhafte Gasturbinenmaschine 10 in serieller Strömungsverbindung
um eine Längsmittelachse 12 herum
einen Fan bzw. Bläser,
der eine Mehrzahl von am Umfang mit Abstand angeordneten Fan- oder
Rotorschaufeln 14 aufweist, einen herkömmlichen Niederdruckverdichter 16,
einen herkömmlichen
Hochdruckverdichter 18, eine herkömmliche ringförmige Verbrennungseinrichtung 20,
eine herkömmliche Hochdruckturbine 22 und
eine herkömmliche
Niederdruckturbine 24. Die Niederdruckturbine 24 ist
sowohl mit dem Niederdruckverdichter 16 als auch mit den
Fanschaufeln 14 durch eine erste Rotorwelle 26 sicher
verbunden, und die Hochdruckturbine 22 ist mit dem Hochdruckverdichter 18 durch
eine zweite Rotorwelle 28 sicher verbunden. Eine herkömmliche Brennstoffeinspritzeinrichtung 30 wird
zur Verfügung gestellt,
um wahlweise Brennstoff in die Verbrennungseinrichtung 20 einzuspritzen,
um die Maschine 10 anzutreiben.
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Ein
herkömmliches
ringförmiges
Gehäuse 32 umgibt
die Maschine 10 vom Niederdruckverdichter 16 zu
der Niederdruckturbine 24 und bildet mit dem Niederdruckverdichter 16 einen
Niederdruckverdichtereinlauf 34, um einen Teil seiner Umgebungsluft 36 aufzunehmen.
Das stromabwärts
befindliche Ende des Gehäuses 32 bildet
mit einem konventionellen ringförmigen
Auslasseinsatz 40 einen ringförmigen Abgasauslass 42.
Ein Teil der von den Fanschaufeln 14 verdichteten Luft 36,
benachbart den Blattwurzeln 38, wird von dem Niederdruckverdichter 16 und
dem Hochdruckverdichter 18 weiter verdichtet und in die
Verbrennungseinrichtung 20 gedrückt. Die Mischung aus der verdichteten
Luft 36 und dem Brennstoff, der durch die Brennstoffeinspritzeinrichtung 30 eingespritzt
wird, er zeugt Verbrennungsgase 52. Die Verbrennungsgase 52 bringen
die Hochdruckturbine 22 und die Niederdruckturbine 24 jeweils
zur Drehung, um den Hochdruckverdichter 18, den Niederdruckverdichter 16 und
die Fanschaufeln 14 anzutreiben.
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Um
die Schaufeln 14 und um den stromaufwärts befindlichen Teil des Gehäuses 32 befindet sich
eine Gondel 44, welche radial nach außen von dem Gehäuse 32 beabstandet
ist, um mit dem Gehäuse 32 einen
Ringkanal 55 zu bilden, um es dem radial außen liegenden
Teil der Luftströmung 36,
der durch die Schaufeln 14 verdichtet wird, zu ermöglichen,
an der Maschine vorbeizuströmen.
Zur Vereinfachung der Beschreibung wird dieser Bypass-Luftstrom
durch 36a bezeichnet, wie in 1 zu sehen ist.
Eine Mehrzahl von am Umfang verteilten, beabstandeten Statorschaufeln 46 erstreckt
sich in radialer Richtung zwischen dem Gehäuse 32 und der Gondel 44 und
ist axial in Strömungsrichtung
von den Laufschaufeln 14 beabstandet. Die Gondel 44 enthält einen
Einlass 48 an ihrem in Strömungsrichtung vorne befindlichen
Ende, um die Umgebungsluft 36 aufzunehmen, und einen Auslass 50,
um den Teil der Luft 36 abzugeben, der von den Laufschaufeln 14 verdichtet
wird und an den Statorschaufeln 46 vorbeiströmt, um einen
Teil des Schubes zu liefern.
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Während des
Betriebs der Maschine 10 tritt Luft 36 in den
Einlauf 48 ein und passiert die Fanschaufeln 14,
was sowohl durch die Bewegung des Flugzeugs als auch durch den Sog
der rotierenden Fanschaufeln 14 bedingt wird. Die Luftströmung 36a, die
die drehenden Fanschaufeln 14 passiert, bewirkt ein Geräusch mit
der Schaufeldurchlauffrequenz BPF, die ein Produkt der Drehzahl
Nb und der Anzahl B der Fanschaufeln 14 ist.
Die Luftströmung 36a,
die durch die Fanschaufeln 14 verdichtet wird und die Statorschaufeln 46 passiert,
erzeugt unter der strömungstechnischen
Wechselwirkung zwischen Fan und Stator Töne einer drehenden Mode, was
eine Erhöhung
der Stärke
des BPF-Tons und seiner höheren Harmonischen
bedingt. Um das BPF-Tonniveau und die höheren Harmonischen davon wesentlich
zu verringern, ist ein gesteuertes Luftblassystem vorgesehen, welches
eine Mehrzahl von Düsen 54 in
der Wandung der Gondel 44 aufweist, um eine Luftströmung 56 in
einer Richtung entgegengesetzt zu der Drehzahl Nb der Fanschaufeln 14 in
den Ringkanal 55 zwischen den Fanschaufeln 14 und
den Statorschaufeln 16 einzublasen, was in 2a bis 3 deutlicher
gezeigt wird, um ein entgegengesetztes drehendes Momentum mit Bezug
auf die von den Fanschaufeln 14 verdichtete Luft einzubringen
und damit die Rotationsgeschwindigkeit der Fanwirbelströmung zu
verringern, was eine Verringerung der Stärke der in 4 gezeigten
drehenden Mode bedingt, die von einer symmetrischen Rotorschaufelrotationswirbelströmung der
verdichteten Luft erzeugt wird.
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Die
Düsen 54 sind
mit einer Druckluftquelle der Gasturbinenmaschine verbunden, wie
z. B. Zapfluft von einem Zwischenstufenverdichter (nicht gezeigt)
und einem Steuermechanismus (nicht gezeigt), um die Luftströmung steuerbar
einzublasen. Die Düsen 54 sind
axial versetzt voneinander angeordnet, um Reihen zu bilden, die
sich axial von den Fanschaufeln 14 zu den Statorschaufeln 46 erstrecken.
Eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die in 2a gezeigt
ist, enthält
eine Anordnung der Düsen 54,
die am Umfang verteilte, beabstandete Reihen aufweist, die sich
zwischen den Fanschaufeln 14 und den Statorschaufeln 46 erstrecken,
wobei jede Reihe eine Anzahl von Düsen 54 aufweist, die
axial voneinander beabstandet angeordnet sind und entlang der gesamten
axialen Länge des
Raumes zwischen den Fanschaufeln 14 und den Statorschaufeln 46 angeordnet
sind. Die Düsenreihen
sind am Umfang ungleichmässig
versetzt voneinander in einem asymmetrischen Muster angeordnet,
so dass die Luftströmung 56,
die aus den Düsen 54 ausgeblasen
wird, in einem asymmetrischen Muster vorliegt.
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2b stellt
eine andere Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung dar, wobei die Anordnung der Düsen 54 Reihen
enthält,
die verschiedene Richtungen aufweisen. Zum Beispiel erstreckt sich
die dritte Reihe von Düsen 54,
gezeigt in 2b, gezählt von der Oberseite zur Unterseite,
in axialer Richtung und die erste und die vierte Reihe der Düsen 54 sind im
Winkel in einer Richtung mit Bezug auf die axiale Richtung angeordnet,
während
die zweite Düsenreihe
im Winkel in einer anderen Richtung mit Bezug auf die axiale Richtung
angeordnet ist. In einer solchen Anordnung wird die asymmetrische
Wirkung, die von der Luftströmung 56 erzeugt
wird, die von den Düsen 54 ausgeblasen
wird, verstärkt.
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In
allen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist jede der Düsen 54 in einem Querschnitt,
wie in 3 gezeigt, im Winkel zu einer Durchmesserlinie
der Gondel 44 angeordnet, die an der Düse vorbeiführt. Vorzugsweise ist jede
der Düsen
tangential mit Bezug auf einen imaginären Kreis 58 angeordnet,
der einen Radius aufweist, der ungefähr gleich 80% des Fanradius
Rt ist, der durch den Radius von der Mittelachse 12 bis
zum Fanschaufelendbereich 60 bestimmt ist, wie in 1 gezeigt,
so dass die Luftströmung
radial in einen äußeren Ringbereich
des Ringkanals 55 eindringt, bis zu etwa 20% des Fanradius
Rt. Natürlich
wird der äußere Ringbereich,
in den die Luftströmung 56 eindringt,
verringert, wenn die Geschwindigkeit der Luftströmung 56 verringert
wird. Nichtsdestoweniger wird vorgeschlagen, dass die Stärke der
Luftströmung
genügend
in einen äußeren Ringbereich
des Ringkanals 55 mit einer Erstreckung von mindestens
5% des Fanradius Rt eindringen soll, um
die BPF-Tonstärke
und die Harmonischen höherer
Ordnung wirksam zu verringern. In praktischen Anwendungen können die
Düsen 54 leicht
in einer axialen Richtung angewinkelt sein, entgegen der verdichteten
Luftströmung 36a.
Jedoch wird der Winkel in der axialen Richtung einen Schubverlust
verursachen, und daher sollte der Winkel auf ein kleines Maß beschränkt sein.
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Das
Prinzip der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden mit Einzelheiten
beschrieben. Eine beispielhafte drehende Mode ist schematisch in 4 dargestellt.
Die drehende Mode 62 repräsentiert ein drehendes und
fluktuierendes Druckfeld in einem symmetrischen Muster, welches
von der Wechselwirkung zwischen Fan und Stator erzeugt wird und
aus einer symmetrischen Rotationswirbelströmung der durch die Fanschaufeln 14 verdichteten
Luft entsteht, die auf die Statorschaufeln 46 auftrifft.
Die drehende Mode erzeugt ein Tongeräusch bei dem grundlegenden
BPF-Ton und bei höheren
Harmonischen. Wenn diese Drehzahl Nm der
drehende Mode ein bestimmtes Maß überschreitet
und die örtliche
Machzahl größer als
ungefähr
1,1 wird, dann pflanzt sich das Geräusch der drehenden Mode nach
außen
fort, sowohl an dem in Strömungsrichtung
vorne liegenden Einlauf 48 als auch dem in Strömungsrichtung
hinten liegenden Auslass 50. Die örtliche Machzahl M wird durch
die folgende Gleichung beschrieben: M = Vm/awobei:
a die Schallgeschwindigkeit
in dem örtlichen
Schallfortpflanzungsmedium ist, und
Vm die
maximale Tangentialgeschwindigkeit der drehenden Mode 62 ist
und proportional zur Drehzahl Nm der drehenden
Mode ist,
d.h. Vm = Rt·Nm.
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Die
Drehzahl Nm der drehenden Mode ist auch
proportional zur Drehzahl Nb der Fanschaufeln 14,
die auch durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden kann: Nm = (nB/m)Nb wobei:
B
die Anzahl der Fanschaufeln 14 ist,
n die ganzzahlige
Harmonische der Schaufeldurchlauffrequenz ist, und
m die Zahl
der drehenden Mode ist, die von der folgenden Gleichung bestimmt
wird: m = nB + kVwobei:
V die Anzahl
der Statorschaufeln 46 ist, und
k eine Indexzahl ist,
die alle positiven oder negativen ganzzahligen Werte einschließlich 0
annehmen kann.
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Aus
den obigen Gleichungen wird deutlich, dass, wenn die Maschinenbetriebsbedingung
bestimmt ist, d. h. Nb unverändert ist,
eine korrekte Auswahl der Zahlen B und V die Drehzahl Nm der
drehenden Mode beeinflusst, was eine Veränderung der örtlichen
Machzahl M bedingt. Gestützt
auf dieses Prinzip wurde die Abschneidetechnologie des Stands der Technik
für die
Fortpflanzung der drehenden Mode entwickelt. Jedoch ist diese Analyse
auf eine Vorbedingung gestützt,
wobei die Luftströmung 36a,
die durch die Fanschaufeln 14 verdichtet wird, nicht durch
die Luftströmung 56 beeinflusst
wird. Im Fall der Luftströmung 56,
die in den Ringkanal 55 zwischen den Fanschaufeln 14 und
den Statorschaufeln 46 in einer Richtung entgegen der Drehzahl
Nb der Fanschaufeln 14 eingeblasen
wird, bringt die Luftströmung 56 ein
entgegengesetztes drehendes Momentum auf die Luftströmung 36a auf,
die von den Fanschaufeln 14 verdichtet wurde, und verringert
damit direkt die Stärke
der drehenden Mode und verringert auch die örtliche Machzahl M. Wenn das
entgegengesetzte drehende Momentum, das von der Luftströmung 56 aufgebracht
wird, groß genug
ist, wird die Erzeugung der drehenden Mode verhindert.
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Wichtiger
noch, die Luftströmung 56 wird
in den Ringkanal 55 in einem asymmetrischen Muster eingeblasen,
welches das symmetrische Rotationswirbelströmungsmuster der Luftströmung 36a beeinflusst,
die von den Fanschaufeln verdichtet wird. Wenn das asymmetrische
Muster der Luftströmung 56 stark
genug ist, um das symmetrische Rotationswirbelströmungsmuster
aufzuheben, wird die Erzeugung der drehenden Mode 62 noch
wirksamer verhindert. Daher wird der BPF-Fan-Ton der Gasturbinenmaschine 10 wesentlich
verringert, da die Erzeugung des Tons aus der Wechselwirkung zwischen Fan
und Stator minimiert oder verhindert wird.
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Aus
der vorgenannten Analyse ist es weiterhin bekannt, dass die örtliche
Machzahl M absinken kann, wenn die örtliche Schallgeschwindigkeit „a" ansteigt. Es ist
auch bekannt, dass die Schallausbreitungsgeschwindigkeit „a" ansteigt, wenn die
Temperatur des Mediums zur Ausbreitung der Schallwellen ansteigt.
Daher ist es vorzuziehen, die Temperatur des örtlichen Mediums, d. h. der
Luft in dem Ringkanal 55, durch Einblasen einer Heißluftströmung 56 zu erhöhen, die
eine Temperatur aufweist, die wesentlich größer als die Temperatur der
umgebenden Luft 36 ist, und damit die örtliche Machzahl M auf einen Wert
zu reduzieren, der kleiner als ungefähr 1,1 ist, um die Fortpflanzung
des Fangeräuschs
abzuschneiden.
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Änderungen
und Verbesserungen an den oben beschrieben Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung sind für
Fachleute ersichtlich. Die vorgehende Beschreibung soll beispielhaft
und nicht einschränkend
sein. Der Umfang der vorliegenden Erfindung soll daher nur durch
den Umfang der beigefügten
Ansprüche
beschränkt
sein.