DE602004001934T2

DE602004001934T2 - Fluidisches Abströmelement und konfigurierbarer thermischer Schield zur Reduktion von Luftstrahllärm

Info

Publication number: DE602004001934T2
Application number: DE602004001934T
Authority: DE
Inventors: Paolo Graziosi; Kevin Kirtley; Ramani Mani
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2024-05-01
Also published as: CN1576560A; EP1493912B1; CA2464830C; CA2464830A1; BRPI0402648A; EP1493912A1; US7581692B2; BRPI0402648B1; CN100507252C; JP2005023929A; DE602004001934D1; US20040262447A1

Description

Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und System zum Reduzieren von Strahllärm, und insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und System einer Strahllärmreduzierung, die während lärmkritischer Abschnitte eines Fluges selektiv eingesetzt werden kann.
Austrittsstrahllärm ist angesichts der wachsenden Forderung nach einer Reduzierung des durch Flugzeugtriebwerke verursachten Lärmpegels in Wohngebieten ein großes Problem. Strahltriebwerke erzeugen Rückstoßschub, indem sie einen Gasstrom aus der Schubdüse oder dem Strahlrohr des Triebwerks mit hoher Geschwindigkeit nach hinten ausstoßen. Eines der Probleme im Zusammenhang mit Flugzeugen, die mit Strahltriebwerken ausgerüstet sind, besteht darin, dass der Austrittsstrom über einen großen Frequenzbereich einen sehr hohen Schallenergie- oder "Lärm"-Pegel erzeugt, und dass ein Teil dieses Lärms von niedrig fliegenden Flugzeugen ausgehend, beispielsweise während des Starts und des Steigflugs, den Boden mit einem für die Bevölkerung unannehmbaren Energiepegel erreicht.
In handelsüblichen Triebwerken werden mechanische Zickzackkerben (Chevrons) eingesetzt, um Mischvorgänge in der Austrittsstrahlscherschicht zu verbessern und den Strahllärm zu reduzieren, siehe beispielsweise das Dokument US 6 571 549 . Mechanische Zickzackkerben weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie Triebwerksverluste bewirken, die über die lärmkritischen Abschnitte des Flugs, beispielsweise Landung und Start, hinaus während der gesamten Dauer des Fluges andauern.
Die oben erörterten und weitere Nachteile und Mängel werden durch ein System zur Strahltriebwerk-Lärmsteuerung eines Strahltriebwerks beseitigt oder gelindert, das einen den Düsenaustritt verlassenden und entlang einer Strahlachse strömenden Hauptstrahl aufweist. Das System weist einen thermoakustischen Schild auf, der in einem Nicht-Null-Winkel zu der Strahlachse ausgerichtet ist.
In noch einem Ausführungsbeispiel enthält das System einen thermoakustischen Schild, der um den Hauptstrahl konfigurierbar ist.
In noch einem Ausführungsbeispiel enthält das System Fluid-Chevrons, die an einer auf den Düsenaustritt bezogenen Stelle injiziert werden, um Mischvorgänge in dem Hauptstrahl zu verbessern und einen nicht kreisförmigen Strahlstrom zu erzeugen, und einen thermoakustischen Schild, der unter einem geeigneten Winkel zur Strahlachse ausgerichtet wird, um Lärm selektiv zu reduzieren.
Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die Zeichnungen eingehender beschrieben:
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Strahl in einer Querströmung;
2 zeigt eine perspektivische Ansicht von durch Fluid-Chevrons erzeugten Abströmkantenwirbeln in einem Hauptstrahl;
3 zeigt in einer schematischen ebenen Seitenansicht Fluid-Chevrons und einen konfigurierbaren thermischen Schild, der benachbart zu einer Strahltriebwerksdüse eingesetzt wird;
4A–4C zeigt in schematischen ebenen Seitenansichten eine Schubdüse mit Injektionseinlasspositionen;
5 zeigt in einer schematischen ebenen Ansicht von vorne einen um einen Hauptstrahl angeordneten thermoakustischen Schild, der für eine Verringerung von Überfluglärm konfiguriert ist;
6 zeigt in einer schematischen ebenen Ansicht von vorne einen um einen Hauptstrahl angeordneten thermoakustischen Schild, der für eine seitliche Lärmreduzierung konfiguriert ist;
7 zeigt einen thermoakustischen Schild;
8 zeigt experimentelle Daten der Richtwirkung einer Lärmreduzierung (von Strahllärm), die mittels eines parallelen thermoakustischen Schildes (TAS) unter Winkeln von 40 bis 160 Grad gegenüber dem Triebwerkseinlass für Frequenzen von 250 bis 4000 Hz gewonnen wurden;
9 zeigt theoretische Berechnungen zum Abschätzen des Übertragungverlusts durch einen thermoakustischen Schild (TAS = Thermal Acoustic Shield) von 6-Zoll, der eine Temperatur von etwa 1000°F und eine Machzahl von 0,55 bei Frequenzen von 125 bis 500 Hz und unter Winkeln von 90 bis 125° gegenüber der Einlassachse aufweist;
10 zeigt einen Graph der wahrgenommenen Lärmpegel-(PNL)-Unterdrückung, die an einem Ringhalsdüsenstrahl mittels eines TAS erhalten wurde, als Funktion des Winkels gegenüber dem Einlass; und
11 zeigt einen Graph der wahrgenommenen Lärmpegel-(PNL)-Unterdrückung, die an einer mit einer mechanischen Unterdrückungseinrichtung ausgerüsteten Düse mittels eines TAS erhalten wurde, als Funktion des Winkels gegenüber dem Einlass.
Ein System zur Strahllärmreduzierung beinhaltet die synergetische Verwendung von Fluidwirbelerzeugern (Fluid-Chevrons) und einem konfigurierbaren thermischen Schild, um Austrittsstrahllärm zu reduzieren. Die Fluid-Chevrons dienen dazu, Mischvorgänge in der Strahlscherschicht zu verbessern und großräumige Strukturen aufzubrechen, die beträchtlich zu dem wahrgenommenen Lärmpegel beitragen. Ein thermischer Schild dient dazu, Lärm oberhalb eines gewissen Frequenzschwellwerts sowohl zu dämpfen als auch zu reflektieren. Der Schild ist vorzugsweise konfigurierbar, um in unterschiedlichen Stadien des Fluges den in spezielle Richtungen abgestrahlten Lärm zu reduzieren.
Indem nun auf 1 eingegangen wird, wird ein entlang einer Richtung 12 strömender Strahl 10 in eine Querströmung 14 injiziert, die sich in eine Richtung 16 bewegt, die beispielsweise als weitgehend senkrecht zu der Richtung 12 des Strahls 10 verlaufend dargestellt ist. Das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen dem Strahl 10 und der Querströmung 14 kann einige wirbelbehaftete Strukturen enthalten, zu denen Strahlscherschichtwirbel 18, hufeisenförmige Wirbel 20 und turbulente Nachströmungswirbel 22 gehören, wobei ein Wirbel als ein Fluidelement definiert ist, das eine wirbel- oder kreisförmige Bewegung in Bezug auf die Hauptströmung aufweist. Außerdem erzeugt die Wechselwirkung zwischen dem Strahl 10 und der Querströmung 14 ein gegenläufiges Wirbelpaar 24, das durch die Querströmung in eine nahe der Querströmungsrichtung 16 verlaufende Richtung gelenkt wird. Das gegenläufige Wirbelpaar 24 kann eine Verbesserung des Mischens zwischen dem Strahl 10 und der Querströmung 14 fördern.
Der Strahl 10 kann ein stetiger oder ein gepulster Wirbelerzeugerstrahl ("PVGJ = Pulsed Vortex Generator Jet") sein. Der eine Strahl 10 oder die mehreren Strahlen 10 werden um eine Flugzeugschubdüse herum injiziert, um, wie weiter unten näher erläutert, das Mischen in der Hauptauslassströmung zu verbessern und den Strahllärm zu reduzieren. Die Strahlen 10, wie sie beschrieben sind, erzeugen den Chevron-Effekt eher strömungstechnisch als mechanisch. Diese in Nachbarschaft einer Strahltriebwerksdüse 44 injizierten Strahlen erzeugen Längswirbel, die das Mischen in dem Hauptaustrittsstrom verbessern. 2 veranschaulicht die Längswirbel, die durch die Injektion von Strahlen 10 in dem Hauptaustrittsstrom erzeugt werden. Die Abströmkantenwirbel 34 entsprechen dem gegenläufigen Wirbelpaar 24 von 1.
Die auch in 3 schematisch dargestellten Fluid-Chevrons 40 (die auf Strahlen 10 basieren) können geringe stetige/gepulste Wirbelerzeugerstrahlen beinhalten, die unter einem geeigneten Winkel bezüglich der Austrittsstrahlachse in die Hauptstömungsscherschicht injiziert werden. Der Injektionswinkel kann zwischen 0 und 60° variieren. Eine Anzahl von Strahlen, vorzugsweise zwischen 16 und 32, können gleichmäßig beabstandet um den Außenumfang des Strahlauslasses angeordnet sein. Weiter können die Injektionseinlässe des Wirbelerzeugerstrahls ("VGJ = Vortex Generator Jet"), wie in 4A–4C gezeigt, (intern und/oder extern) an dem Schubdüsenankippelement und/oder an der Innenwand der Schubdüse stromaufwärts von dem Düsenaustritt angeordnet sein. Die Fluid-Chevrons 40 sind in der Lage, das Mischens durch die Scherschicht des Strahls 32 zu verbessern, indem sie eine Längswirbelbildung einführen. Diese Eigenschaft der Fluid-Chevrons 40 kann eine erhebliche Verringerung des wahrgenommenen Lärms bewirken.
Die Fluid-Chevrons 40 können ferner genutzt werden, um in unterschiedlichen Stadien des Einsatzes mehrere verschiedene Strahltriebwerkskonfigurationen zu erzeugen, um die Vorteile einer Gesamtlärmreduzierung zu maximieren. Beispielsweise ergibt ein nicht-einheitlicher Einsatz der Fluid-Chevrons um die Strahltriebwerksdüse herum nicht-kreisförmige Austrittsstrahlkonfigurationen, um während des Rollens zum Abheben und während des Steigflugbeginns einen maximalen Vorteil in seitlicher Richtung zu erzielen.
Außerdem ist in 3 ein konfigurierbarer thermischer Schild 42 gezeigt, der benachbart zu der Strahltriebwerksdüse 44 erzeugt wird. Der thermoakustische Schild 42 basiert auf einer dünnen Strömungsschicht, die den Hauptstrahl 32 teilweise umgibt und durch eine angemessene Kombination von Geschwindigkeit und Schallgeschwindigkeit gekennzeichnet ist. Die Machzahl der Schildströmung ist geringer als die Machzahl der Hauptströmung und kann zwischen 0,2 und 1,1 und vorzugsweise im Bereich von 0,4 zu 0,9 liegen, und die Schallgeschwindigkeit in der Schildströmung kann im Bereich des 1,0- bis 2,5-fachen der Schallgeschwindigkeit in der umgebenden Atmosphäre liegen, und liegt vorzugsweise im Bereich der 1,25-fachen bis doppelten Schallgeschwindigkeit in der umgebenden Atmosphäre. Es ist selbstverständlich, dass, obwohl bevorzugte Bereiche vorgeschlagen sind, andere, außerhalb der Bereiche liegende Werte brauchbar sein können, falls andere maßgebende Faktoren verändert werden, um die gewünschten Ergebnisse hervorzubringen. Der Lärm wird oberhalb eines gewissen Frequenzschwellwerts durch den Schild 42 sowohl gedämpft als auch reflektiert.
Wie in 5 und 6 gezeigt, wird der Schild 42 nicht achsensymmetrisch sondern entlang von Teilabschnitten des Strahldüsenaustrittsumfangs aktiviert, so dass das abgestrahlte akustische Signal mit einem minimalen Einsatz von Schildmassenströmung und einer minimalen Beeinträchtigung der Turbinenleistung gedämpft und in spezielle Richtungen reflektiert werden kann. Der thermische Schild 42 kann so eingesetzt werden, dass er, wie in 5 gezeigt, den in Richtung des Erdbodens abgestrahlten Lärm ablenkt, oder kann eingesetzt werden, um, wie in 6 gezeigt, den in Richtung der Triebwerksseiten abgestrahlten Lärm auf ein Minimum zu reduzieren (konfigurierbarer thermischer Schild). Die geeignete Schildkonfiguration hängt von dem Stadium des Fluges ab. Eine Veränderung des Ausmaßes in Umfangsrichtung und der Orientierung wird strömungstechnisch bewirkt. Eine Veränderung des Winkels des Schildes kann durch ein Verfahren verwirklicht werden, das zum Steuern einer Strömung Strömungstechnik verwendet. In noch einem Ausführungsbeispiel kann eine feststehende Orientierung, die unter einem spitzen Winkel relativ zu der Hauptstrahlachse verläuft, verwendet werden.
Indem nun auf 7 eingegangen wird, ist ein exemplarischer thermoakustischer Schild 42 gezeigt, der einen Bogen von 180° aufweist.
8, 9 und 10 zeigen gemeinsam, wie ein im Winkel angeordneter thermoakustischer Schild in Zusammenwirken mit Fluid-Chevrons wirkungsvoll Lärm reduziert und die Richtwirkung der Lärmreduzierung verbreitert.
8 zeigt in dB die empirisch ermittelte Veränderung der Richtwirkung und Dämpfung von Lärm mit ansteigender Frequenz, wenn ein parallel zu der Strahlachse angeordneter thermoakustischer Schild verwendet wird. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel nutzt die stärkere Dämpfung bei großen (sich der Strahlachse bei 180 Grad nähernden) Winkeln. Durch Verwenden des Schildes unter einem nicht zu der Strahlachse parallelen Winkel verschiebt sich der Bereich großer Dämpfung um einen Betrag zu geringeren Winkeln, der proportional zu dem Winkel des Schildes relativ zu der Strahlachse ist. Da das Strahltriebwerk einen stationären Beobachter passiert, würde die Lärmunterdrückung in diesem Fall früher erfasst werden. Darüber hinaus ist die Dämpfung für Lärm höherer Frequenz größer. Folglich sorgt die Verschiebung in Richtung höherer Frequenz, die bei Verwendung von Zickzackkerben/Chevrons ohnehin auftritt, für eine hohe Effizienz des thermoakustischen Schilds.
Indem nun auf 9 eingegangen wird, ist in einem Graph der Übertragungverlust 52 in Dezibel gegenüber dem Winkel zum Einlass in Grad 50 abgetragen. Es ist gezeigt, dass die natürliche Dämpfung von Lärm, der einen thermoakustischen Schild durchquert in hohem Maße von dem Winkel der Schildachse zu der Wellenausbreitungsrichtung abhängt. Ein senkrecht zu dem Schild abgestrahlter Lärm wird nicht gedämpft, während ein unter einem Winkel von 30 bis 60° relativ zu dem Schild abgestrahlter Lärm eine beträchtliche Dämpfung erfährt. Es zeigt sich also, dass der Einsatz eines thermoakustischen Schildes unter einem Winkel im Bereich von ungefähr 5 bis 60°, und insbesondere zwischen 15 bis 45°, gegenüber der Strahlachse (bzw. 135 bis 165° gegenüber der Einlassachse) die Dämpfung des Lärms verbessert.
10 und 11 zeigen den Einfluss des thermoakustischen Schildes 42 auf die Richtwirkung des wahrgenommenen Lärmpegels von nicht gedämpften Ringhals- bzw. gedämpften 32-Kanal-Düsen bei einem Teilzyklus. Das Ergebnis zeigt die Verringerung von wahrgenommenem Lärm im Falle einer alleinigen Verwendung des thermoakustischen Schilds (10). Wenn ein 32-Kanal-Mischer verwendet wird, der den Strahllärm, wie es die Fluid-Chevrons tun, zu höheren Frequenzen verschiebt, weist der parallele thermoakustische Schild für sämtliche Winkel gegenüber der Strahlachse (wobei der Winkel Null der Flugrichtung entspricht) eine erheblich bessere Leistung auf (11). Lediglich im Kern des Strahls direkt hinter dem Triebwerk reduziert der TAS den Lärm nicht wirkungsvoll. Die Graphen zeigen, dass der Lärm Maxima bei Winkeln zwischen 120 und 130° gegenüber dem Einlass aufweist.
Gegenüber mechanischen Systemen, z.B. mechanischen Zickzackkerben/Chevrons, weist die vorgeschlagene strömungstechnische Technologie den Vorteil auf, dass sie sich auf Verlangen aktivieren lässt, um den Strahllärm zu reduzieren, und genutzt werden kann, um in unterschiedlichen Stadien des Einsatzes mehrere unterschiedliche Austrittsstrahlkonfigurationen zu schaffen, um die Vorteile einer Gesamtlärmreduzierung zu maximieren. Der Schild 42 kann rekonfiguriert werden, um während des Rollens zum Abheben seitlich gerichteten Lärm zu reduzieren (6), um anschließend, wenn das Flugzeug die Flughafengrenze überquert, neu konfiguriert zu werden, um abwärts gerichteten Lärm zu reduzieren (5). Anders als im Falle mechanischer Systeme beschränkt das strömungstechnische System eine zusätzliche Beeinträchtigung des Triebswerkszyklus auf die lärmkritischen Phasen des Fluges, beispielsweise auf Start und Landung, ohne die Turbinenleistung während des übrigen Flugs zu beeinträchtigen.
Die Fluid-Chevrons 40 und der konfigurierbare thermoakustische Schild 42 können auf Verlangen während der lärmkritischen Abschnitte des Fluges, beispielsweise während des in Bezug zu dem Flughafen stehenden Betriebes, in dem das Anheben, der Steigflugbeginn, die Landungsvorbereitung und die Landung das Flugzeug über lärmkritische Bereiche bewegt, aktiviert und danach für den übrigen Flug abgeschaltet werden. Dieses Merkmal reduziert die mit der Lärmreduzierungstechnologie verbundenen Beeinträchtigung des Triebwerkszyklus auf ein Minimum und beschränkt jeden für den Wirkungsgrad nachteiligen Einfluss auf den Start- und Landebetrieb.
Damit ist die synergetische Verwendung von Fluid-Chevrons 40 und einem thermoakustischen Schild 42 beschrieben, die sich auf Abruf zur Reduzierung von Strahllärm aktivieren lassen. Die Fluid-Chevrons reduzieren den Lärmpegel und verschieben die übrige Schallenergie zu höheren Frequenzen. Wenn der thermoakustische Schild in einem Winkel zu der Strahlachse ausgerichtet wird, verbessert er die Richtwirkung der Lärmreduzierung und dämpft auf effiziente Weise den hochfrequenten Lärm. Die Kombination verbessert daher den Gesamtlärmpegel gegenüber einer unabhängigen Nutzung jedes einzelnen Elements erheblich. Darüber hinaus gestattet die Verwendung von Fluid-Technologie mehrere optimale Strahltriebwerkskonfigurationen hinsichtlich einer Maximierung der Lärmreduzierung und einer Minimierung der Nachteile für den Triebwerkszyklus in unterschiedlichen Stadien des Fluges und in unterschiedlichen Umgebungen.

Claims

System zur Strahltriebwerk-Lärmsteuerung eines Strahltriebwerkes mit einem einen Düsenaustritt (44) verlassenden und entlang einer Strahlachse (30) strömenden Hauptstrahl (32), wobei das System aufweist: ein Fluid-Chevron (40), das an einer auf den Düsenaustritt (44) bezogenen Stelle injiziert wird, um einen nicht kreisförmigen Strahlstrom zu erzeugen; und dadurch gekennzeichnet, dass es einen thermoakustischen Schild (42) aufweist, der in einem Nicht-Null-Winkel zu der Strahlachse für eine selektive Lärmreduzierung ausgerichtet ist.
System nach Anspruch 1, welcher ferner mehrere Strömungsketten (40) aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei das Fluid-Chevron (40) in einem Winkel zwischen 0 und 60° in Bezug auf die Strahlachse (30) injiziert wird.
System nach Anspruch 1, wobei der Düsenaustritt (44) eine Ankippelement aufweist und das Fluid-Chevron (40) innerhalb des Düsenankippelementes injiziert wird.
System nach Anspruch 1, wobei der Düsenaustritt (44) ein Ankippelement aufweist und das Fluid-Chevron (40) außerhalb des Düsenankippelementes injiziert wird.
System nach Anspruch 1, wobei das Fluid-Chevron (40) stromaufwärts von dem Düsenaustritt (44) injiziert wird.
System nach Anspruch 1, wobei das Fluid-Chevron (40) in einem nicht-parallelen Winkel zu der Strahlachse (30) injiziert wird.
System nach Anspruch 1, welches ferner ein Paar thermoakustischer Schilde (42) zur seitlichen Lärmreduzierung aufweist.
System nach Anspruch 1, welcher ferner einen einzelnen thermoakustischen Schild (42) zur Überfluglärmreduktion aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei das Fluid-Chevron (40) und der thermoakustische Schild (42) während Start und Landung eines Flugmoduls eingeschaltet und während aller anderen Abschnitte des Fluges ausgeschaltet werden.