DE602004006673T2

DE602004006673T2 - Vorrichtung zur Minderung des Strömungslärms eines Triebwerkes

Info

Publication number: DE602004006673T2
Application number: DE602004006673T
Authority: DE
Inventors: Jackie Prouteau; Frederic Miroudot
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2003-07-09
Filing date: 2004-07-08
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2024-07-09
Also published as: FR2857416B1; DE602004006673D1; FR2857416A1; ATE363591T1; CA2472935C; US20050115245A1; ES2286571T3; JP2005030404A; US7310939B2; UA83992C2; CA2472935A1; EP1496238A1; EP1496238B1; RU2004121800A; JP4159519B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das allgemeine Gebiet der Düsen, mit denen Turbomaschinen ausgestattet sind. Ihre Aufgabe besteht insbesondere darin, das Strahlgeräusch, das am Ausgang von Düsen mit getrennten Strömen von Flugzeugturbomaschinen erzeugt wird, zu verringern, vor allem während der Phasen des Abhebens dieser Flugzeuge.
Die Düsen, mit denen Turbomaschinen von Zivilflugzeugen ausgestattet sind, bestehen im allgemeinen aus einem mittleren Körper, der von einer primären Verkleidung umgeben ist, zwischen denen ein erster ringförmiger Kanal für die Strömung eines primären Stroms gebildet wird. Eine sekundäre Verkleidung umgibt die primäre Verkleidung, um einen zweiten ringförmigen Kanal für die Strömung eines sekundären Stroms zu bilden. Die Einheit aus diesen Elementen der Düse weist im allgemeinen eine axialsymmetrische Form auf.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die ermöglicht, das Strahlgeräusch am Ausgang dieser Düsen zu verringern, vor allem während der Phasen des Abhebens, im Laufe derer die Ausstoßgeschwindigkeit des primären und des sekundären Stroms transsonisch ist (d.h. in der Größenordnung von 0,9 Mach liegt), ohne deswegen deren aerodynamische Leistungen zu verschlechtern.
Um das am Ausgang der Düsen erzeugte Strahlgeräusch zu verringern, ist bekannt, das Mischen des primären Stroms und des sekundären Stroms, die aus der Turbomaschine stammen, zu begünstigen. Es ist beispielsweise vorgeschlagen worden, die primäre Verkleidung der Düse mit Lappen zu versehen, die ermöglichen, eine radiale Scherung zwischen dem primären und dem sekundären Strom zu erzielen, um das Mischen dieser Ströme zu begünstigen. Jedoch hat diese Art der mit Lappen versehenen Düse nur wenig Wirkung auf die Verringerung des Strahlgeräuschs und ist für transsonische Strömungsgeschwindigkeiten der Ströme nicht geeignet. Denn die Neigungen der Lappen sind für derartige Geschwindigkeiten zu stark, was zu Ablösungen der Ströme führt, welche die aerodynamischen Leistungen der Düse verschlechtern.
Bekannt ist auch das Patent EP 1 160 439 , das vorsieht, die Verkleidungen der Düse mit Zickzack-Körpern zu versehen, um das Mischen des primären mit dem sekundären Strom zu begünstigen. Obwohl sich die Anordnung von Zickzack-Körpern strahlgeräuschmindernd auswirkt, neigt sie auch dazu, die aerodynamischen Leistungen der Düse zu verschlechtern. Das Dokument WO 00/40851 A beschreibt ebenfalls eine den Stand der Technik darstellende Düse.
AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, derartige Nachteile dadurch zu beheben, daß eine Vorrichtung für Turbomaschinendüsen vorgeschlagen wird, die ermöglicht, das Strahlgeräusch, insbesondere bei transsonischen Strömungsgeschwindigkeiten der Ströme erheblich zu verringern, ohne deswegen die aerodynamischen Leistungen der Düse zu verschlechtern.
Zu diesem Zweck ist eine Vorrichtung zur Verringerung des Strahlgeräuschs einer Turbomaschine gemäß Patentanspruch 1 vorgesehen.
Die besondere Geometrie der Wellen, die sowohl gekräuselt als auch dreidimensional sind und einen doppelten gegenläufigen Effekt aufweisen, ermöglicht durch Verstärken der Mischung der Ströme, eine effiziente Verringerung des Strahlgeräuschs zu erzielen, ohne daß die aerodynamischen Leistungen verschlechtert werden. Diese Geometrie ermöglicht nämlich, eine tangentiale Scherung zwischen den Strömen zu erzeugen, die zu der radialen Scherung hinzukommt, um das Mischen der Ströme zu verstärken.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Düse einer Turbomaschine, die eine primäre Verkleidung, welche sich entlang einer Längsachse der Düse erstreckt, einen mittleren Körper, der innerhalb der primären Verkleidung konzentrisch angeordnet ist, sowie eine sekundäre Verkleidung, welche die primäre Verkleidung konzentrisch umgibt, umfaßt und bei der die primäre Verkleidung und/oder die sekundäre Verkleidung eine Vorrichtung zur Verringerung des Strahlgeräuschs aufweist bzw. aufweisen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen hervorgehen, die hiervon ein in keiner Weise einschränkend zu verstehendes Ausführungsbeispiel darstellen. In den Figuren zeigen:
die 1A und 1B perspektivische Ansichten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verringerung des Strahlgeräuschs, mit der eine Düse einer Turbomaschine ausgestattet ist;
die 2A und 2B Ansichten, welche die Scherwirkungen sowie den doppelten gegenläufigen Effekt veranschaulichen, die durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verringerung des Strahlgeräuschs erzeugt werden;
die 3A, 3B und 3C Längsschnittansichten von Vorrichtungen zur Verringerung des Strahlgeräuschs nach weiteren Varianten der Erfindung; und
4 eine perspektivische Ansicht einer Turbomaschinendüse, die mit einer Vorrichtung zur Verringerung des Strahlgeräuschs nach einer Variante der Erfindung ausgestattet ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER AUSFÜHRUNGSFORM
1A zeigt in der Perspektive eine Düse 10 einer Turbomaschine, die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verringerung des Strahlgeräuschs 12 ausgestattet ist. Die Düse 10, die eine in bezug auf eine Längsachse X-X der Turbomaschine axialsymmetrische Form aufweist, ist typischerweise von einer primären Verkleidung 14, von einer sekundären Verkleidung 16 und von einem mittleren Körper 18 gebildet. Die primäre Verkleidung 14, die im wesentlichen zylindrisch oder kegelstumpfförmig ausgebildet ist, erstreckt sich entlang der Längsachse X-X. Der mittlere Körper 18 ist innerhalb der primären Verkleidung 14 konzentrisch angeordnet und läuft in einem im wesentlichen konischen Teil aus.
In 1 erstreckt sich das stromabwärtige Ende 14a der primären Verkleidung 14 über den konischen Teil des mittleren Körpers 18 hinaus. Die sekundäre Verkleidung 16, die ebenfalls im wesentlichen zylindrisch oder kegelstumpfförmig ist, umgibt die primäre Verkleidung 14 konzentrisch. Die so definierte Düse ist mittels eines Stützpfostens 20 unter einer (in den Figuren nicht dargestellten) Flugzeugtragfläche befestigt.
Die konzentrische Anordnung der Elemente der Düse 10 ermöglicht, folgendes zu definieren: Einerseits, zwischen der primären Verkleidung 14 und dem mittleren Körper 18, einen ersten ringförmigen Durchgang 22 für die Strömung eines aus der Turbomaschine stammenden Gasstroms (welcher als primärer Strom bezeichnet wird), und auf der anderen Seite, zwischen der primären Verkleidung 14 und der sekundären Verkleidung 16, einen zweiten ringförmigen Durchgang 24 für die Strömung der aus der Turbomaschine stammenden Luft (welche als sekundärer Strom bezeichnet wird). Die aus diesen zwei ringförmigen Durchgängen 22, 24 abströmenden Gasströme vermischen sich am stromabwärtigen Ende 14a der primären Verkleidung 14.
Man wird feststellen, daß in 1A der mittlere Körper 18 der Düse 10 innenliegender Art ist, d.h. daß sich das stromabwärtige Ende 14a der primären Verkleidung 14 in Längsrichtung über die Austrittskante des mittleren Körpers hinaus erstreckt. Jedoch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verringerung des Strahlgeräuschs auch auf eine Düse außenliegenden Typs angewandt werden, bei der sich die Austrittskante des mittleren Körpers über das stromabwärtige Ende der primären Verkleidung hinaus erstreckt.
Gemäß der Erfindung umfaßt die Düse 10 eine Vorrichtung zur Verringerung des Strahlgeräuschs 12, die von einer Vielzahl von Wellen 26, die in der Verlängerung des stromabwärtigen Endes 14a der primären Verkleidung 14 angeordnet sind, sowie von einer Vielzahl von Einbuchtungen 28, die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellen der Vielzahl von Wellen angeordnet sind, gebildet ist, so daß eine radiale Scherung und eine tangentiale Scherung zwischen dem primären und dem sekundären Strom, die aus der Turbomaschine austreten, erzeugt wird (1B).
Die am stromabwärtigen Ende 14a der primären Verkleidung 14 ausgebildeten Wellen 26 erstrecken sich entlang der Längsachse X-X der Turbomaschine. Bei dem anhand von 1B dargestellten Ausführungsbeispiel sind sie jeweils zwischen ihrem stromaufwärtigen und ihrem stromabwärtigen Ende derart gekräuselt, daß sie sich in bezug auf das stromabwärtige Ende 14a der primären Verkleidung radial nach innen und nach außen erstrecken. Die Einbuchtungen 28 liegen in Form von Einkerbungen oder Ausschnitten vor, die sich im wesentlichen in Längsrichtung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellen 26 erstrecken.
Die Wellen 26 und die Einbuchtungen 28 ermöglichen somit, eine radiale Scherung und eine tangentiale Scherung zwischen dem primären und dem sekundären Strom zu erzeugen, um das Mischen der Ströme zu verstärken und um folglich das Strahlgeräusch zu verringern. Unter radialer Scherung ist zu verstehen, daß sich diese in bezug auf die im wesentlichen zylindrische Form der primären Verkleidung entlang einer radialen Richtung vollzieht. Ebenso ist unter tangentialer Scherung zu verstehen, daß diese in bezug auf die im wesentlichen zylindrische Form der primären Verkleidung entlang einer tangentialen Richtung erfolgt.
In 2A ist dieses Phänomen der radialen und tangentialen Scherung gut dargestellt. In dieser Figur ist eine Welle 26 und eine Einbuchtung 28 der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verringerung des Strahlgeräuschs 12, angewandt auf eine primäre Verkleidung 14 der Düse dargestellt. Die in durchgezogenen Linien gezeichneten Pfeile zeigen die Strömungsrichtung des Stroms innerhalb der Vorrichtung in der Nähe der Welle 26 und der Einbuchtung 28, während die in gestrichelten Linien gezeichneten Pfeile die Strömungsrichtung des Stroms außerhalb der Vorrichtung in der Nähe der gleichen Welle und Einbuchtung schematisch darstellen.
Im Bereich der Welle 26 wird der in ihrer Nähe strömende innere Strom, um mit dem äußeren Strom gemischt zu werden, sowohl entlang einer radialen Richtung (Pfeil F1) als auch entlang einer tangentialen Richtung (Pfeil F2) geleitet. Die radiale und die tangentiale Strömungsrichtung des inneren Stroms sind dadurch bedingt, daß die Welle in bezug auf die primäre Verkleidung 14 radial nach außen gekräuselt ist.
Ebenso wird im Bereich der Einbuchtung 28 der in ihrer Nähe strömende äußere Strom, um mit dem inneren Strom gemischt zu werden, sowohl entlang einer radialen Richtung (Pfeil F3) als auch entlang einer tangentialen Richtung (Pfeil F4) geleitet. Auf diese Weise vollzieht sich am stromabwärtigen Ende der primären Verkleidung zwischen dem inneren und dem äußeren Strom eine radiale Scherung zwischen den durch die Pfeile F1 und F3 schematisch dargestellten Strömungen sowie eine tangentiale Scherung zwischen den durch die Pfeile F2 und F4 schematisch dargestellten Strömungen.
Nach einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung sind die Vielzahl von Wellen 26 und die Vielzahl von Einbuchtungen 28 der Vorrichtung zur Verringerung des Strahlgeräuschs 12 in bezug auf wenigstens eine zur Längsachse X-X der Turbomaschine senkrechte Achse symmetrisch, so daß ein doppelter gegenläufiger Effekt zwischen dem innerhalb und dem außerhalb der Vorrichtung zur Verringerung des Strahlgeräuschs auftretenden Strom erzeugt wird.
So sind in 2B die Wellen 26 und die Einbuchtungen 28 der primären Verkleidung in bezug auf eine Querachse Y-Y symmetrisch. Diese Symmetrie hat zur Folge, daß ein doppelter gegenläufiger Effekt zwischen dem inneren und dem äußeren Strom erzeugt wird.
Was den „links" der Querachse Y-Y gelegenen Teil der Vorrichtung 12 anbelangt, mischt sich der innere Strom mit dem äußeren Strom in der durch die Pfeile 32a angezeigten Richtung. Diese Mischungsrichtung erzeugt für den inneren Strom eine allgemeine Drehung F5 entgegen dem Uhrzeigersinn. Ebenso mischt sich der äußere Strom mit dem inneren Strom in der durch die Pfeile 34a gezeigten Richtung. Diese Mischungsrichtung bewirkt für den äußeren Strom eine allgemeine Drehung F6 im Uhrzeigersinn. In dieser linken Hälfte der Vorrichtung zur Verringerung des Strahlgeräuschs 12, sind der innere und der äußere Strom folglich gegenläufig.
Was den anderen Teil der Vorrichtung anbelangt, so mischt sich der innere Strom mit dem äußeren Strom in der durch die Pfeile 32b angezeigten Richtung. Diese Mischungsrichtung erzeugt für den inneren Strom eine allgemeine Drehung F7 im Uhrzeigersinn. Was den äußeren Strom betrifft, so mischt sich dieser mit dem inneren Strom in Richtung der Pfeile 34b. Diese Mischungsrichtung bewirkt für diesen eine allgemeine Drehung F8 entgegen dem Uhrzeigersinn, d.h. in der umgekehrten Richtung der Drehung F7 des inneren Stroms. Diese umgekehrten Drehungen zwischen dem inneren und dem äußeren Strom in der zweiten Hälfte der Vorrichtung zur Verringerung des Strahlgeräuschs 12 stellen einen zweiten gegenläufigen Effekt dar.
Darüber hinaus wäre vorstellbar, daß die Wellen und die Einbuchtungen der Vorrichtung zur Verringerung des Strahlgeräuschs eine Vielzahl von Symmetrien in bezug auf mehrere zur Längsachse X-X der Düse senkrechte Achsen aufweisen, so daß die doppelten gegenläufigen Effekte zwischen dem inneren und dem äußeren Strom vervielfacht werden.
Des weiteren können die Form und die Anzahl der Wellen und der Einbuchtungen der erfindungsgemäßen Geräuschverringerungsvorrichtung variieren. Vor allem ist die Eindringhöhe der Wellen in den inneren und äußeren Strom nicht begrenzt.
Die 3A, 3B und 3C zeigen im Längsschnitt weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verringerung des Strahlgeräuschs. Allgemein wird man feststellen, daß – um die aerodynamischen Leistungen nicht zu verschlechtern – die Wellen 26 und die Einbuchtungen 28 der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verringerung des Strahlgeräuschs sanfte und abgerundete Formen wahren müssen und nicht zu stark in den inneren und den äußeren Strom eindringen sollen.
In 1A ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verringerung des Strahlgeräuschs auf die primäre Verkleidung 14 der Düse 10 angewandt. Jedoch ist eine andere Anordnung vorstellbar. 4 zeigt somit eine Düse 10 einer Turbomaschine, deren sekundäre Verkleidung 16 an ihrem stromabwärtigen Ende 16a mit einer Vorrichtung zur Verringerung des Strahlgeräuschs 12 ausgestattet ist.
Ebenso wie bei der Anwendung auf die primäre Verkleidung besteht diese Vorrichtung aus einer Vielzahl von Wellen 26, die in der Verlängerung des stromabwärtigen Endes 16a der sekundären Verkleidung 16 angeordnet sind, sowie aus einer Vielzahl von Einbuchtungen 28, die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellen angeordnet sind. Man wird jedoch feststellen, daß vorgesehen ist, im Bereich des Befestigungsbereichs des Pfostens 20 an der sekundären Verkleidung einen Zwischenraum 30 auszusparen, der weder Wellen noch Einbuchtungen aufweist, um die Befestigung des Pfostens 20 zu ermöglichen.
Nach dem gleichen Prinzip wie vorhergehend ermöglichen diese Wellen 26 und Einbuchtungen 28 die Erzeugung einer radialen Scherung und einer tangentialen Scherung zwischen dem aus der Turbomaschine austretenden sekundären Strom und dem entlang der Außenwand 16b der sekundären Verkleidung 16 strömenden Luftstrom, um die Mischung der Ströme zu verstärken und um folglich das Strahlgeräusch zu verringern.
Darüber hinaus kann nach einer noch weiteren (in den Figuren nicht dargestellten) Anwendungsvariante der Erfindung eine Vorrichtung zur Verringerung des Strahlgeräuschs sowohl an der primären Verkleidung als auch an der sekundären Verkleidung angeordnet sein. In diesem Fall ermöglichen diese Vorrichtungen, radiale und tangentiale Scherungen sowohl zwischen dem primären Strom und dem sekundären Strom als auch zwischen dem sekundären Strom und dem entlang der Außenwand der sekundären Verkleidung strömenden Luftstrom zu erzeugen.

Claims

Vorrichtung zur Verringerung des Strahlgeräuschs einer Turbomaschine, wobei die Turbomaschine eine Längsachse (X-X) hat und eine im wesentlichen zylindrische Düse (10) umfaßt, die sich entlang der Längsachse der Turbomaschine erstreckt und die ein stromabwärtiges Ende für das Mischen von innerhalb und außerhalb der Düse auftretenden Gasströmen aufweist, wobei die Vorrichtung eine Vielzahl von gekräuselten Wellen (26), die in der Verlängerung des stromabwärtigen Endes der Düse (10) angeordnet sind, sowie eine Vielzahl von Einbuchtungen (28) umfaßt, die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellen der Vielzahl von Wellen (26) angeordnet sind, so daß eine radiale Scherung und eine tangentiale Scherung zwischen den genannten Gasströmen erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Wellen und die Vielzahl von Einbuchtungen in bezug auf wenigstens eine zu der Längsachse der Turbomaschine senkrechte Achse (Y-Y) symmetrisch sind, so daß ein doppelter gegenläufiger Effekt zwischen den Gasströmen erzeugt wird, und daß jede Welle (26) und Einbuchtung (28) in bezug auf eine Radialebene, die durch die Längsachse (X-X) verläuft und die zu der betrachteten Welle oder der betrachteten Einbuchtung median ist, asymmetrisch ist.
Düse (10) einer Turbomaschine, umfassend: eine primäre Verkleidung (14), die sich entlang einer Längsachse (X-X) der Düse erstreckt, einen mittleren Körper (18), der innerhalb der primären Verkleidung (14) konzentrisch angeordnet ist, um zwischen der primären Verkleidung und dem mittleren Körper einen ersten ringförmigen Kanal (22) für die Strömung eines primären Stroms zu definieren, und eine sekundäre Verkleidung (16), welche die primäre Verkleidung (14) konzentrisch umgibt, um einen zweiten ringförmigen Kanal (24) für die Strömung eines sekundären Stroms zu definieren, dadurch gekennzeichnet, daß die primäre Verkleidung (14) an einem stromabwärtigen Ende (14a) eine Vorrichtung zur Geräuschverringerung (12) nach Anspruch 1 umfaßt, so daß eine radiale Scherung und eine tangentiale Scherung zwischen dem primären und dem sekundären Strom erzeugt werden.
Düse (10) einer Turbomaschine, umfassend: eine primäre Verkleidung (14), die sich entlang einer Längsachse (X-X) der Düse erstreckt, einen mittleren Körper (18), der innerhalb der primären Verkleidung (14) konzentrisch angeordnet ist, um zwischen der primären Verkleidung und dem mittleren Körper einen ersten ringförmigen Kanal (22) für die Strömung eines primären Stroms zu definieren, und eine sekundäre Verkleidung (16), welche die primäre Verkleidung (14) konzentrisch umgibt, um einen zweiten ringförmigen Kanal (24) für die Strömung eines sekundären Stroms zu definieren, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre Verkleidung (16) an ihrem stromabwärtigen Ende (16a) eine Vorrichtung zur Geräuschverringerung (12) nach Anspruch 1 umfaßt, so daß eine radiale Scherung und eine tangentiale Scherung zwischen dem sekundären Strom und einem entlang einer Außenwand (16b) der sekundären Verkleidung (16) strömenden Luftstrom erzeugt werden.
Düse (10) einer Turbomaschine, umfassend: eine primäre Verkleidung (14), die sich entlang einer Längsachse (X-X) der Düse erstreckt, einen mittleren Körper (18), der innerhalb der primären Verkleidung (14) konzentrisch angeordnet ist, um zwischen der primären Verkleidung und dem mittleren Körper einen ersten ringförmigen Kanal (22) für die Strömung eines primären Stroms zu definieren, und eine sekundäre Verkleidung (16), welche die primäre Verkleidung (14) konzentrisch umgibt, um einen zweiten ringförmigen Kanal (24) für die Strömung eines sekundären Stroms zu definieren, dadurch gekennzeichnet, daß die primäre Verkleidung (14) und die sekundäre Verkleidung (16) jeweils an einem stromabwärtigen Ende (14a, 16a) eine Vorrichtung zur Geräuschverringerung (12) nach Anspruch 1 umfassen, so daß eine radiale Scherung und eine tangentiale Scherung zwischen dem primären Strom und dem sekundären Strom sowie zwischen dem sekundären Strom und einem entlang einer Außenwand (16b) der sekundären Verkleidung (16) strömenden Luftstrom erzeugt werden.