DE602006000051T2

DE602006000051T2 - Triebwerkslärm

Info

Publication number: DE602006000051T2
Application number: DE602006000051T
Authority: DE
Inventors: Rory Douglas Stieger; Kevin Mark Loughborough Britchford; Paul Jonathan Railton Duffield Strange
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2005-03-15
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2026-03-03
Also published as: US7735601B1; EP1703114B1; US20100170261A1; GB0505246D0; DE602006000051D1; EP1703114A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den von Gasturbinentriebwerken verursachten Lärm und insbesondere auf den Düsenlärm unter Reisebedingungen.
Die allgemeinen Stufen der Arbeitsweise von Gasturbinentriebwerken sind bekannt. Insbesondere ist es bekannt, dass ein Düsenlärm stromab dort erzeugt wird, wo verschiedene Gasströme aus dem Triebwerk ausgestoßen werden, um einen Vorschub zu erzielen. Derartige Strahlströmungen erzeugen unvermeidbar einen Lärm, wenn die Strahlscherschicht zusammenbricht. Dieses Zusammenbrechen der Scherschicht erzeugt zusammen mit anderen Faktoren, beispielsweise in Verbindung mit Stoßwellen, Lärm.
Natürlich ist der Lärm ein nachteiliger Faktor in Bezug auf den Betrieb eines Gasturbinentriebwerks. Deshalb besteht eine ständige Aufgabe darin, den Triebwerkslärm in allen Phasen des Triebwerksbetriebes zu reduzieren, und zwar einschließlich von Betriebsbedingungen, bei denen ein Triebwerk ein Flugzeug in einer Reiseflughöhe antreibt.
Unter Reisebedingungen ist die Düse eines Strahltriebwerks nicht vollständig expandiert. Infolgedessen tritt im Strahl eine Schockzellenstruktur auf. Diese Schockzellenstruktur ist in der Nähe des Düsenaustritts am stärksten, aber sie erstreckt sich über mehrere Durchmesser stromab der Düse in einem sich wiederholenden, aber abschwächenden Schockzellenzellenmuster.
Der Schockzellenlärm wird als Turbulenz der Strahlscherschicht erzeugt, die durch die Schockzellenstruktur des Strahls hindurchläuft und mit dieser zusammenwirkt (vergleiche Harper-Bourne, M. and Fisher, M. J., 1973 „The Noise from Shock Waves in Supersonic Jets", Proceedings (Nr. 131) of the AGARD Conference on Noise Mechanisms, Brüssel, Belgien). Wenn man sich einen Querschnitt durch die Hälfte eines typischen hohen Mantelstromverhältnisses von zivilen Triebwerksdüsensystemen vorstellt, bei denen der Mantelstromstrahl unvollständig expandiert, ergibt sich eine Schockzellenstruktur, die im Mantelstrom aufgebaut wird. Die Scherschicht zwischen der Flugströmung und dem Mantelstrom wird bei der Entwicklung turbulent, und die Turbulenz, die sich hieraus ergibt, wird durch die Schockzellenstruktur mitgeführt und erzeugt Lärm. Der Bereich, in dem der Schockzellenlärm erzeugt wird, kann bis zu mehreren Düsendurchmessern stromab der Düsenaustrittsebene erzeugt werden.
Der Schockzellenlärm kann durch Verzahnungen am Düsenausgang reduziert werden, wodurch die Vermischung der Scherschicht verbessert wird, so dass die Turbulenzintensität in den Bereichen niedriger wird, wo die Turbulenz mit der Schockzellenstruktur zusammenwirkt.
Eine Lärmunterdrückung durch Verzahnungen und Düsenmischvorrichtungen wurde verschiedentlich demonstriert (z.B. US 6082635 , US 2005/0138915, EP 0999358 , EP 1482159 , US 3611724 ), aber diese Lärmunterdrückung war zur Unterdrückung des Lärms beim Start oder der Landung vorgesehen.
Im Allgemeinen bestehen gezahnte Düsen aus Lappen oder Laschen, die an eine Düse angesetzt oder in diese eingeschnitten sind, so dass in Umfangsrichtung ungleichmäßige Strömungen erzeugt werden. Die Ungleichförmigkeiten in der Umgebungsströmung verbessern eine Vermischung des Strahls, wodurch kohärente Strukturen aufgebrochen werden, was zu einer Verminderung des Lärms führt.
Damit durch die Verzahnungen der Lärm der Düse vermindert wird, ergibt sich notwendigerweise eine Störung der Düsenströmung. Dies erfordert im typischen Falle, dass die Verzahnungen die Strömung ablenken, indem sie in der Strömung auftreten oder in die Strömung einstehen. Dies führt zu einem erhöhten Luftwiderstand und einem daraus resultierenden Verlust an Wirkungsgrad. Der Wirkungsgradverlust und die Lärmverminderung sind unvermeidbar mit diesen Verzahnungen verknüpft.
Der vergrößerte Oberflächenbereich der Verzahnungen erhöht ebenfalls den Widerstand. Der vergrößerte Oberflächenbereich erhöht auch das Gesamtgewicht.
Gemäß der Erfindung betrifft diese eine Düse für ein Gasturbinentriebwerk, und die Düse umfasst eine Düsenoberfläche mit mehreren Wellungen, um den verfügbaren Querschnittsbereich über der Düse zwischen der Düsenoberfläche und einer gegenüberliegenden Oberfläche der Düse über einen gewünschten Bereich des Konvergent-Divergent-Verhältnisses zur Lärmsteuerung des Strahls zu verändern, der im Betrieb die Düse durchströmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellungen eine Amplitude in dem Bereich zwischen 0,1 bis 2,0% des Düsenaustrittsdurchmessers aufweisen.
Außerdem liefern die Wellungen eine Veränderung in dem Strömungswinkel des die Düse durchströmenden Strahls.
Im Allgemeinen wird die Veränderung im Querschnittsbereich so eingestellt, dass eine Stimulierung bei der Vermischung einer Scherschicht des Strahls für eine relative Lärmverminderung erreicht wird im Vergleich mit einer Anordnung ohne Vermischung der Scherschicht des Strahls. Außerdem verändern die Wellungen den Wiederholungszyklus und/oder sie ergeben Veränderungen der Intensität der Schockzellen, die durch den Strahl erzeugt werden.
Im Allgemeinen umfassen die Wellungen Wölbungen, die in der Düsenoberfläche ausgebildet sind.
Die Wellungen können sinusförmig in Umfangsrichtung oder in einer Ebene senkrecht zur Richtung des Strahls im Betrieb verlaufen.
Vorzugsweise umfassen die Wellungen jeweils eine maximale Amplitude, und die maximale Amplitude liegt in einem Abstand zwischen 2% und 15% des Düsendurchmessers entlang der Düsenoberfläche stromauf der Düsenaustrittsebene.
Vorzugsweise liegt die maximale Amplitude in einem Abstand äquivalent zu 6% des Düsendurchmessers stromauf der Düsenaustrittsebene.
Stattdessen können die Wellungen jeweils eine maximale Amplitude aufweisen, und die maximale Amplitude liegt innerhalb eines Abstandes von +/– 2% des Düsendurchmessers entlang der Düsenoberfläche von der Düseneinschnürungsebene entfernt.
Vorzugsweise ist die Querschnittsgestalt der Wellungen dreieckig oder trapezförmig oder teilkreisförmig oder sinusförmig oder asymmetrisch-sinusförmig.
Stattdessen können die Wellungen eine aerodynamisch glatte graduelle Keilform in Axialrichtung der Strahlströmung im Betrieb aufweisen. Im typischen Fall liegt die aerodynamisch glatte Keilform zwischen Radien an drei festen axialen Stellen längs der Düsenoberfläche von der Düsenaustrittsebene entfernt, wobei ein Radius innerhalb eines Abstandes stromauf äquivalent zu 20% des Düsendurchmessers liegt, und ein Radius an einer Stelle maximaler Wellungsamplitude innerhalb eines stromaufwärtigen Abstandes äquivalent zu 15% des Durchmessers liegt, und ein Radius innerhalb von 10% des Durchmessers der Düsenaustrittsebene angeordnet ist.
Im Allgemeinen liegt das Konvergent-Divergent-Verhältnis in einem Bereich zwischen 1 und 1,01, und vorzugsweise bei 1,008.
Im typischen Fall ist die Düse eine Mantelstromdüse eines Gasturbinentriebwerks mit Wellungen an einer inneren Oberfläche der Außenwand und/oder der äußeren Oberfläche einer inneren Wand der Mantelstromdüse.
Die Düse kann eine Kerndüse eines Gasturbinentriebwerks sein, wobei sich Wellungen auf einer inneren Oberfläche der Außenwand und/oder der äußeren Oberfläche der Innenwand der Kerndüse erstrecken.
Die Wellungen können symmetrisch regelmäßig in Umfangsrichtung über die Düsenoberfläche verteilt angeordnet sein. Stattdessen können die Wellungen auch asymmetrisch und/oder unregelmäßig in Umfangsrichtung über die Düsenoberfläche verteilt sein. Weiter können die Wellungen an unterschiedlichen axialen Stellen relativ zu einer Austrittsebene der Düse angeordnet sein. Die Wellungen können Gruppen unterschiedlicher Amplitude aufweisen, die sich in Umfangsrichtung und/oder axial zur Düsenoberfläche erstrecken. Außerdem können die Wellungen unterschiedliche Gruppen in Axiallänge und/oder Breite relativ zueinander aufweisen.
Die Düsenoberfläche kann einen Rand mit Verzahnungen oder Laschen aufweisen. Außerdem können die Wellungen abwechselnd mit den Zähnen der Verzahnungen angeordnet sein, um eine zusätzliche Veränderung des Konvergent-Divergent-Verhältnisbereichs zu erzielen.
Stattdessen können die Laschen zur Lärmverminderung ausfahrbar sein. Jede zweite Lasche kann zur Lärmverminderung ausfahrbar sein, und die Wellungen können jeweils auf einer oder mehreren der Laschen angeordnet sein. Vorzugsweise sind die Wellungen zwischen einer ausgefahrenen Stellung und einer nicht ausgefahrenen Stellung überführbar, und in der nicht ausgefahrenen Stellung besteht ein geringerer aerodynamischer Widerstand als in der ausgefahrenen Stellung. Außerdem können die Wellungen auf eine zweite ausgefahrene Stellung zwischen der ausgefahrenen und der nicht ausgefahrenen Stellung überführt werden.
Die Wellungen können aus einem Material mit Formgedächtnis bestehen. Stattdessen kann das Material mit Formgedächtnis zwei Schichten mit Formgedächtnis aufweisen, und jede Schicht kann dabei eine andere Schalttemperatur aufweisen und kann so in eine erste Form und eine zweite Form ausgefahren werden, wobei die zweite Form eine größere Amplitude hat als die erste Form. Stattdessen kann das Element mit Formgedächtnis zwei Schichten aufweisen, wobei eine Schicht aus Formgedächtnismaterial und die andere Schicht aus einem federelastischen Material besteht, so dass eine Federkraft auf das Element ausgeübt wird.
Vorzugsweise sind die Wellungen integral mit der Düse hergestellt. Stattdessen können die Wellungen auch durch angefügte Elemente erzeugt werden, und zwar individuell oder als Teil eines Aufbaus, der an der Düsenoberfläche angeordnet ist.
Stattdessen können die Wellungen in Bezug auf Amplitude und/oder Stellung und/oder Verteilung in der Düsenoberfläche veränderbar sein.
Stattdessen können diese Veränderungen erreicht werden durch Benutzung aufblasbarer Merkmale in der Düsenoberfläche oder entfaltbarer mechanischer Abschnitte in der Düsenoberfläche.
Vorzugsweise liegt die Zahl der Wellungen in dem Bereich zwischen eins und zweiundvierzig, und vorzugsweise werden zwanzig Wellungen über die Düsenoberfläche verteilt.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 ist ein schematischer Halbschnitt einer typischen Turbinentriebwerksdüse;
2 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer bekannten Turbinentriebwerksdüse mit Verzahnungen;
3 ist eine graphische Darstellung, die die verfügbare Strömungsquerschnittsfläche in Abhängigkeit vom axialen Abstand für eine Konvergentdüse und eine Konvergent-Divergent-Düse gemäß 1 veranschaulicht;
4 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Düse mit Wellungen gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine schematische vergrößerte Ansicht eines Teils einer Düsenoberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung;
5a ist ein Schnitt längs der Linie A-A durch eine Düse gemäß 5;
5b ist ein Schnitt längs der Linie A-A durch eine Düse gemäß 5, der alternative Ausführungsbeispiele gegenüber 5a zeigt;
6 ist eine schematische Schnittansicht, die die Veränderung in der Querschnittsfläche zwischen einer Düsenoberfläche und einer gegenüberliegenden Oberfläche in einer Düse gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ist eine graphische Darstellung der Veränderung der verfügbaren Strömungsfläche über einer Düse in Abhängigkeit von dem axialen Abstand gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 zeigt eine graphische Darstellung in Bezug auf die Veränderung des Konvergent-Divergent-Verhältnisses und der verfügbaren Strömungsfläche gegen den Azimuthwinkel (Umfangsrichtung) für eine Wellung gemäß der vorliegenden Erfindung;
9 zeigt eine graphische Darstellung des Gesamtschalldruckpegels in Abhängigkeit von der Mach-Zahl des Strahls;
10 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten abgewandelten Wellungsverteilung gemäß der vorliegenden Erfindung;
11 zeigt eine perspektivische schematische Ansicht einer zweiten abgewandelten Wellungsverteilung gemäß der vorliegenden Erfindung;
12 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer dritten abgewandelten Wellungsverteilung gemäß der vorliegenden Erfindung;
13 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer vierten abgewandelten Wellungsverteilung gemäß der vorliegenden Erfindung;
13a und 13b zeigen schematische perspektivische Ansichten von abgewandelten Ausführungsbeispielen der vierten Ausführungsform gemäß 13 gemäß der vorliegenden Erfindung;
14 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer fünften abgewandelten Ausführungsform der Wellungsverteilung gemäß der vorliegenden Erfindung;
15 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer sechsten abgewandelten Ausführungsform der Wellungsverteilung gemäß der vorliegenden Erfindung;
16 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer siebenten abgewandelten Ausführungsform der Wellungsverteilung gemäß der vorliegenden Erfindung;
17 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer achten abgewandelten Ausführungsform der Wellungsverteilung gemäß der vorliegenden Erfindung;
18 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer neunten abgewandelten Ausführungsform der Wellungsverteilung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
19 zeigt eine schematische Schnittansicht, die die Lage von Wellungen gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
20 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer zehnten abgewandelten Ausführungsform der Wellungsverteilung, kombiniert mit einer Düse, die entfaltbare Laschen gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist;
21 ist eine Ansicht in Richtung des Pfeiles A gemäß 20;
22 und 22A sind Teilschnitte nach der Linie A-A gemäß 5, welche ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Düse gemäß 5 zeigen.
1 zeigt einen Halbschnitt durch eine typische Abgasdüse 1 eines zivilen Flugzeug-Gasturbinentriebwerks mit hohem Mantelstromverhältnis. Der Mantelstrom, d.h. der äußere Strom, der nur durch den Fan hindurchtritt, besitzt eine Düsenaustrittsfläche 2. Jene Fläche 2 ist demgemäß zum Durchtritt einer Strömung verfügbar, die über eine Düse 3 abströmt. In der Düse 3 befindet sich eine Düseneinschnürungsfläche 4, die die minimale Fläche für die an jeder Stelle durch die Mantelstromdüse 1 hindurchfließenden Strömung bildet. Dies begrenzt die Massenströmungsrate, so dass eine Einschnürung der Strömung und eine Expansion nach Durchlaufen der Einschnürungsfläche 4 erfolgt.
Die Einschnürungsfläche 4 und die Austrittsfläche 2 können unterschiedliche Größen haben, und sie können an axial getrennten Stellen vorhanden sein. Eine Konvergentdüse ist eine, bei der die Strömungsfläche 5 kontinuierlich in Richtung der Strömung A (oder in Axialrichtung) abnimmt, und daher ist es eine, bei der die Austrittsfläche 2 die minimale Fläche ist und demgemäß ebenso die Einschnürungsfläche 4. Eine Konvergent-Divergent-Düse (1) ist eine, bei der die Einschnürungsfläche 4 stromauf der Austrittsfläche 2 liegt, so dass die Strömungsquerschnittsfläche 2 in Richtung A der Strömung abnimmt, bis ein minimaler Punkt an der Einschnürungsfläche 4 erreicht wird, und dann erfolgt eine Erweiterung nach der Austrittsfläche 2.
Die jeweiligen Veränderungen in dem verfügbaren Strömungsquerschnitt sind graphisch in Abhängigkeit vom axialen Abstand in Strömungsrichtung A in 3 dargestellt. Demgemäß ist ersichtlich, dass bei einer Konvergentdüse die Beziehung durch die Linie 10 gegeben ist, während bei einer Konvergent-Divergent-Düse die Beziehung durch die Linie 11 gegeben ist. Das Konvergent-Divergent-Verhältnis einer Düse ist daher gegeben durch das Verhältnis der Austrittsfläche 2 im Vergleich mit der Einschnürungsfläche 4 (1). Die Konvergentdüse hat ein Konvergent-Divergent-Verhältnis der Einheit (1), während im Allgemeinen eine Konvergent-Divergent-Düse ein Konvergent-Divergent-Verhältnis von größer als 1 hat. Bei einem typischen Triebwerk, das für ein Flugzeug benutzt wird, hat die Düsenkonfiguration ein Konvergent-Divergent-Verhältnis in dem Bereich zwischen 1,00 und 1,02, und für die Triebwerke, die von der Anmelderin kommerziell hergestellt werden, liegt das Verhältnis im typischen Fall zwischen 1,00 und 1,01.
Die 2 wurde aufgenommen, um eine Darstellung einer typischen gezahnten Düse zu zeigen, die Stand der Technik ist und die geschaffen wurde, um eine Lärmunterdrückung herbeizuführen. Wie ersichtlich, besitzt die Düse zwanzig Verzahnungen 21, die die Form von Lappen oder Laschen haben können, die an die Düse angesetzt oder aus dieser ausgeschnitten sind, um in Umfangsrichtung eine ungleichförmige Strömung zu erzeugen, die, wie oben erwähnt, kohärente Strukturen in der Strahlströmung aufbricht, um eine Lärmunterdrückung zu bewirken. Die Verzahnungen 21 lenken die Strömung so ab, dass eine turbulente Vermischung verbessert wird, wodurch eine Lärmunterdrückung erzielt wird. Die Verzahnungen können, wie oben erwähnt, jedoch beträchtlich die Kosten, das Gewicht und den Luftwiderstand erhöhen, wodurch die Wirksamkeit des Triebwerks vermindert wird.
Die erfindungsgemäße Düse ist eine sich in Umfangsrichtung verändernde Konvergent-Divergent-Düse, die eine Anzahl von Wellungen oder Wölbungen in wenigstens einer Düsenoberfläche aufweist. Im typischen Fall sind zwanzig sinusförmige und im gleichen Abstand angeordnete Wölbungen in einer inneren Oberfläche der Außenwand einer Mantelstromdüse ausgearbeitet, und zwar derart, dass sich der Radius über die Teilung der sinusförmigen Wölbungen ändert. Wie weiter unten beschrieben, gibt es eine Anzahl verschiedener abgewandelter Ausführungsbeispiele, die Wellungen und Wölbungen in unterschiedlichen Mustern aufweisen und gemäß speziellen Betriebserfordernissen verteilt sind. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel sind sinusförmige Schwingungen in Form von Wölbungen in Umfangsrichtung über die Düse verteilt.
Im Folgenden wird wiederum auf 1 Bezug genommen, und, wie aus 6 ersichtlich, umfassen die Wölbungen 40 eine stromaufwärtige Oberfläche 37, einen Punkt maximaler Amplitude 38 und eine stromabwärtige Oberfläche 39. Die Wellungen oder Wölbungen 40 haben in Axialrichtung allgemein eine glatte Keilform mit unterschiedlichen Radien an drei festen axialen Stellen längs der Düsenoberfläche. Die stromaufwärtige Oberfläche 37 wird durch einen ersten festen axialen Radius gebildet, der an einer Stelle bis zu 20%, aber im bevorzugten Ausführungsbeispiel bis zu 10% des Durchmessers 2 an der Düsenaustrittsebene stromauf der Düseneinschnürungsstelle 4 liegt. Ein zweiter fester Radius liegt zwischen der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Oberfläche 37 bzw. 39 und definiert die maximale Wölbungsamplitude 38. Der zweite feste Radius liegt etwa um 6% stromauf des Düsenaustrittsebenen-Durchmessers der Düsenaustrittsstelle, aber er kann bei anderen Ausführungsbeispielen zwischen 2% und 15% stromauf des Austrittsebenen-Durchmessers der Düsenaustrittsstelle liegen. Ein dritter fester Radius liegt vorzugsweise in der Düsenaustrittsebene selbst, aber er kann bis zu 10% stromauf des Düsenaustrittsebenen-Durchmessers der Austrittsebene liegen.
Wie oben erwähnt, sind bei einem ersten Ausführungsbeispiel die Düsenwellungen oder Wölbungen in Umfangsrichtung in einem regelmäßigen Muster angeordnet. Die 4 und 5 veranschaulichen das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei 4 eine schematische perspektivische Darstellung einer Düse ist, während 5 eine vergrößerte Ansicht eines Schnitts der inneren Wandoberfläche des Düsenmantelstroms ist.
Die Wellungen oder Wölbungen 40 sind regelmäßig in Umfangsrichtung über eine innere Oberfläche 41 der Außenwand 42 einer Mantelstromdüse des Triebwerks 43 verteilt. Wie aus den 4 und 5 ersichtlich, besteht die Wirkung der Wellungen oder Wölbungen 40 darin, eine Konvergent-Divergent-Düse über die axiale Länge der Wellungen oder Wölbungen 40 zu schaffen, wobei im Allgemeinen die Bereiche zwischen den Wellungen oder Wölbungen 40 flacher sind und daher ein konvergentes Düsenformat erzeugen. Unter derartigen Umständen wird, wie oben erwähnt, eine Lärmunterdrückung durch Vermischung der Scherschicht erreicht, so dass die Turbulenzintensität niedriger in jenen Bereichen ist, wo die Turbulenz mit der Schockzellenstruktur von der Düse zusammentrifft. Außerdem ändert sich das Wiederholungsmuster der Schockzelle über die Wellungen wiederum, und dies führt zu einer Lärmunterdrückung.
Nunmehr wird auf 5a Bezug genommen, die das erste Ausführungsbeispiel im Einzelnen zeigt. Im Allgemeinen sind die Wellungen 40 sinusförmig ausgebildet und besitzen eine Amplitude 39 in dem Bereich zwischen 0,1 bis 3,0% des Düsenaustrittsdurchmessers stromauf, aber sie liegen jedoch vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,3% und 1,5%. Im typischen Fall haben die Wellungen einen maximalen Amplitudenpunkt 38, der innerhalb von +/– 2% des Düsenaustrittsdurchmessers der Düseneinschnürungsstelle 4 liegt. Die Umfangserstreckung 26 der Wellungen 40 wird durch ein Längenäquivalent zwischen 1° und 45° definiert, und der Winkelabstand 27 zwischen den Punkten 38 maximaler Amplitude liegt zwischen 2° und 90°, d.h. die Gesamtzahl der Wölbungen liegt zwischen 180 und 4, jedoch liegt eine bevorzugte Zahl von maximalen Amplitudenpunkten zwischen 12 und 45.
In 5b sind abgewandelte Formen von Wölbungen 40a bis 40e dargestellt. Diese abgewandelt geformten Wölbungen 40a bis 40e können entweder durch geeignete Mittel an einer bestehenden glatten Düsenoberfläche festgelegt werden, oder sie können spanabhebend in die Düsenwandung eingearbeitet werden. Wenn die Wölbungen in die Düsenwandung eingearbeitet werden, können sie entweder wie dargestellt aus der Wandoberfläche 23 vorstehen, oder sie sind so eingearbeitet, dass die sinusförmige Wellenform Spitzenwerte 38 und Vertiefungen 49 aufweist, die durch die inverse Wölbungsform definiert sind. Hier sind die Wellungen 40 vorzugsweise im Querschnitt so gestaltet, wie durch die Wölbungen 40a angedeutet, wo die maximale Amplitude 38 durch einen Radius 24 und einen Übergangsradius 25 definiert wird, der glatt in ein Umfangsprofil 23 der Düsenwand 42 übergeht. Die maximale Amplitude 38 ist in diesem Fall die radiale Höhe über der existierenden oder ursprünglichen Wandoberfläche 23.
5b zeigt außerdem abgewandelte Formen der Wellungen oder Wölbungen, die benutzt werden können, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen. Die Wölbung 40b ist allgemein im Querschnitt trapezförmig; die Wölbung 40c ist dreieckig; die Wölbung 40d wird durch einen konstanten Radius (teilkreisförmig) definiert, und die Wölbung 40e ist eine asymmetrische Version der Wölbung 40a und wird in ähnlicher Weise durch drei Radien definiert, wobei jedoch der Radius 25' größer ist als der Radius 25''.
Jede Wölbung 40a bis 40e ist in dem jeweiligen Feld von Wölbungen im Winkelabstand um einen entsprechenden Abstand 27 von Spitze zu Spitze 38 angeordnet, je nach der Zahl, die über den Umfang der Düse angeordnet ist.
Bei einer rechteckigen Düse oder einer anderen von der Kreisform abweichenden Düse entspricht der Abstand der Wölbungsspitzen oder des maximalen Amplitudenpunktes 38 der Gesamtlänge einer Seite, dividiert durch die Zahl der Wölbungen.
Unter solchen Umständen betrug bei einem maßstäblichen Modell, das durch die Anmelderin getestet wurde, der Düsenaustrittsdurchmesser 58 Millimeter, und der erste Radius lag bei etwa 11,2 Millimeter; der zweite Radius lag bei etwa 3,6 Millimeter stromauf der Düsenaustrittsebene, und der Endradius befand sich an der Austrittsebene selbst. Bei dieser Ausbildung liegt die Amplitude der Wellungen oder Wölbungen in der Größenordnung von 0,8 mm (1,8% des Düsenaustrittsdurchmessers), wobei eine axiale Position der maximalen Amplitude 3,6 mm stromauf der Düsenaustrittsebene liegt (6% des Düsendurchmessers). Das maßstäbliche Modell umfasste zwanzig Wölbungen 40 (5a), die im gleichen Abstand in Intervallen von 18° angeordnet wurden. Es wurde eine Lärmverminderung gegenüber einer ähnlichen Düse ohne Wölbungen von 2 db erreicht.
Unter diesen Umständen hat bei der Herstellung eines Gasturbinentriebwerks der Anmelderin der Düsendurchmesser eine Abmessung von 1450 Millimetern und eine Wölbungsamplitude in der Größenordnung von 4,5 Millimetern (0,31% des maximalen Düsendurchmessers), wobei der erste Radius etwa 280 Millimeter stromauf der Düsenaustrittsebene liegt und der zweite Radius etwa 90 Millimeter stromauf der Düsenaustrittsebene befindlich ist, und der dritte Radius in der Austrittsebene der Düse liegt. Diese Düse umfasst zwanzig sinusförmige Wölbungen 40a (5a), die im gleichen Abstand in Intervallen von 18° angeordnet sind.
Für andere Anwendungen und in Abhängigkeit von den jeweiligen Triebwerks-Arbeitsbedingungen können unterschiedliche Verteilungen, Amplituden und axiale Längen innerhalb der in der Beschreibung angegebenen Bereiche und in Abhängigkeit von den speziellen Lärmunterdrückungsbedingungen benutzt werden.
Die 6 und 7 veranschaulichen einen schematischen Schnitt durch eine der Wellungen oder Wölbungen 40 auf der inneren Düsenoberfläche 41 einer Außenwand einer Mantelstromdüse 42 in Bezug auf eine gegenüberliegende Oberfläche 44 der Düse (6), und in 7 ist eine graphische Darstellung gezeigt, die die Unterschiede in der verfügbaren Düsenströmungsfläche relativ zu dem axialen Abstand längs der Wölbungen 40 veranschaulicht. Daraus ist ersichtlich, dass die verfügbare Strömungsfläche 45 zwischen der Düsenoberfläche 41 und der gegenüberliegenden Oberfläche 44 in Umfangsrichtung über die Wölbungen und Abstände in der Fläche 41 zwischen den Wölbungen 40 verändert wird. Dies wird in 7 durch die repräsentativen Beziehungslinien 46 veranschaulicht, die die Veränderung in der verfügbaren Strömungsfläche 45 zeigen, bei einem unterschiedlichen Abstand in Richtung 46 an unterschiedlichen Umfangsstellungen entlang der einen Wölbung.
Die in Umfangsrichtung verlaufende Veränderung der verfügbaren Fläche 45 ist weiter über der Düse in 8 veranschaulicht, d.h. in Umfangsrichtung um die Düse herum, wobei Veränderungen in dem Konvergent-Divergent-Verhältnis sowie die verfügbare Fläche 45 relativ zu dem Azimuthwinkel über der Wellung oder der Wölbung 40 dargestellt sind. Wie ersichtlich, ist bei der sinusförmigen Wellung oder Wölbung 40 eine ähnliche sinusförmige Beziehung in der graphischen Darstellung gemäß 8 dargestellt. In 8a ist das Konvergent-Divergent-Verhältnis in Abhängigkeit von dem Umfangswinkel über einer Wellung oder Wölbung dargestellt, ohne einen flachen Abstandsabschnitt zwischen den Wellungen, so dass eine kontinuierliche sinusförmige Veränderung von einer Wölbung nach der nächsten erfolgt, so dass das Konvergent-Divergent-Verhältnis sinusförmig um einen Durchschnittswert 47 schwingt. Es ist jedoch klar, dass dann, wenn eine Wellung oder eine Wölbung mit relativ flachen Zwischenräumen gebildet ist, jede Seite mit einer halben sinusförmigen Beziehung in Ausdrücken der Veränderungen in der konvergent-divergenten Form im Verhältnis vorhanden ist, wenn die Wölbungsamplitude oder die Wellungsamplitude sich in die Düse und aus dieser heraus über den Umfang der Wölbung oder der Wellung erstreckt. In ähnlicher Weise ändert sich die verfügbare Strömungsfläche 46 sinusförmig über die Umfangsbreite der Wölbung oder der Wellung und relativ zu einer maximalen Austrittsfläche 48, die an der Austrittsebene der Düse definiert wird.
Gemäß 9 ist der Gesamtschalldruckpegel 50 abhängig von der Mach-Zahl 51 des Strahls. Eine voll expandierte Düse ergibt einen minimalen Schallpegel 52, wobei eine überexpandierte und eine unterexpandierte Düse einen höheren Lärmpegel oder Schallpegel haben (Tam, C. K. W. Und Tanna, H. K., Journal of Sound and Vibration, 1982, 81(3), 337–358), wie dies in 9 dargestellt ist.
Bei einem gegebenen Druckverhältnis besteht ein Konvergent-Divergent-Verhältnis, das einen voll (in perfekter Weise) expandierten Strahl liefert, und dies ergibt einen minimalen Lärm, da hier keine Schockzellenstruktur auftritt. Eine voll expandierte Düse erfüllt nicht notwendigerweise sämtliche Betriebserfordernisse, und so ist sie im Hinblick auf eine Düse fester Geometrie unzweckmäßig, um einen voll expandierten Strahl bei Reisebedingungen zu erreichen. Zur Information zeigt die voll ausgezogene Linie 53 die Wirkung einer Konvergent-Divergent-Düse, während die punktierte Linie 54 eine einfache Konvergentdüse zeigt.
Wenn einige Sektoren der Düse unter perfekt expandierten Bedingungen arbeiten, dann wird in jenen Sektoren keine Schockzellenstruktur erzeugt, und der Mechanismus zur Erzeugung des Schockzellenlärms verschwindet örtlich. Je dichter ein Sektor der Düse sich einer perfekten Expandierung nähert, desto schwächer wird die Schockzellenstruktur und desto weniger Schockzellenlärm wird erzeugt. Die Wellungen erzeugen einen Bereich verfügbarer Strömungsflächen, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer perfekten oder nahezu perfekten Expansion zur Lärmunterdrückung erhöht wird.
Bei einem nicht perfekt expandierten Überschallstrahl aus einer Düse fester Geometrie ist der Winkel der Strömung relativ zur Achse des Strahles in dem Bereich kurz hinter dem Düsenaustritt eine Funktion des Düsendruckverhältnisses. Dies ist ein Ergebnis der Strömung, die aus der Düse austritt und expandiert, um eine Anpassung an die Bedingungen außerhalb der Düse zu erreichen. Außerdem ist die Massenströmung des Strahls durch die Fläche der Düseneinschnürung fixiert. Die Endströmungsfläche des Strahls (außerhalb der Düse) ist abhängig von der Massenströmung und den Freiströmungsbedingungen. Die Freiströmungsbedingungen sind in Umfangsrichtung fast gleichförmig, und so ist die Strömungsfläche des Strahls proportional zur Einschnürungsfläche, und diese wird durch die Massenströmung beeinflusst. Eine Veränderung in der Einschnürungsfläche in Umfangsrichtung führt demgemäß zu einer Verändung in der Endströmungsfläche des Strahls in Umfangsrichtung. Dies imitiert die Wirkungen von Verzahnungen und erzeugt ein in Umfangsrichtung ungleichförmiges Strömungsfeld.
Die in Umfangsrichtung verlaufenden Veränderungen des Konvergent-Divergent-Verhältnisses als Ergebnis der in Umfangsrichtung verlaufenden Veränderung der Einschnürungsfläche erzeugen demgemäß ein in Umfangsrichtung ungleichförmiges Strömungsfeld stromab des Düsenaustritts. Dies verbessert die Vermischung der Scherschicht und vermindert das Ausmaß der turbulenten Strömung. Das Zusammenwirken der Turbulenz und der Schockzellenstruktur, die für den Schockzellenlärm verantwortlich sind, wird demgemäß weiter vermindert, wenn die Turbulenz verringert wird.
In Fällen, wo die Veränderung des Konvergent-Divergent-Verhältnisses in Umfangsrichtung mit einer in Umfangsrichtung konstanten Einschnürungsfläche erreicht wird (d.h. kreisförmige Einschnürung und sinusförmige Veränderung der Austrittsfläche), würde die in Umfangsrichtung verlaufende Ungleichförmigkeit der Strömung vermindert, aber die Veränderung der Schockstärke würde in Umfangsrichtung fortdauern, und dies würde immer noch den Schockzellenlärm vermindern.
Im Gegensatz zu Verzahnungen vermeidet die Veränderung des Konvergent-Divergent-Verhältnisses in Umfangsrichtung eine Verschlechterung infolge von Laschen, die in die Strömung eingesetzt werden, da dies den Widerstand an den Verzahnungen erhöht. Die Verzahnungen und die Laschen besitzen einen erhöhten Oberflächenbereich, der der Strömung ausgesetzt ist, und dies erhöht den Widerstand. Die Länge (Perimeter) des Hinterrandes der Düse beträgt ein Minimum für eine kreisförmige Düse in einer Ebene senkrecht zur Triebwerksachse. Die Anwendung von Verzahnungen oder Laschen erhöht die Länge des Düsennachlaufrandes und erhöht so den Basiswiderstand.
Die Vermischung, die durch Veränderung der Einschnürungsfläche in Umfangsrichtung durch die Wellungen erreicht wird, wirkt wie eine Manipulation der Stoßwellen und nicht als Ablenkung der Strömung. Eine Manipulation der Stoßwellen zur Veränderung der Strömungsrichtungen ist ein nahezu verlustloses Verfahren im Gegensatz zur Ablenkung der Strömung.
Die Verzahnungen bewirken notwendigerweise ein zusätzliches Gewicht der Konstruktion. Der kreisförmige ebene Düsenaustritt, der durch die Erfindung ermöglicht wird, ist eine Konstruktion mit minimalem Gewicht. Eine mechanische Überforderung der Laschen und der zugeordneten Beanspruchungskonzentration wird vermieden. Jedoch unterdrücken die Verzahnungslaschen den Schockzellenlärm durch verbesserte Vermischung der Scherschicht.
Es können zahlreiche andere Ausführungsbeispiele anstelle der regelmäßigen sinusförmigen oder anders gestalteten Wellungen in Umfangsrichtung über die Düse gemäß der Erfindung vorgesehen werden. So können die Wellungen oder Wölbungen auf einer inneren Oberfläche der Außenwand einer Mantelstromdüse wie oben erwähnt angeordnet werden, oder stattdessen können die Wellungen oder Wölbungen an der äußeren Oberfläche einer Innenwand einer Mantelstromdüse vorgesehen werden, oder es können Wölbungen oder Wellungen an der inneren Oberfläche der Außenwand der Kerndüse vorgesehen werden, oder es können Wölbungen und Wellungen an der äußeren Oberfläche der Innenwand der Kerndüse vorgesehen werden, oder es können Kombinationen dieser Konstruktionen benutzt werden. Bei dem speziellen oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ergibt sich ein kreisförmiger Düsenaustritt mit sinusförmiger Veränderung der verfügbaren Einschnürungsströmungsfläche, aber stattdessen könnte auch eine kreisförmige Einschnürungsfläche vorgesehen werden mit Veränderungen in der Austrittsfläche durch Wellung des Düsenaustrittsflächenrandes zur Erzeugung einer wellenförmigen Beziehung. Außerdem kann eine Veränderung in der verfügbaren Einschnürungsströmungsfläche und eine Veränderung in der Austrittsfläche in der Weise vorgenommen werden, dass dies zu Wellungen führt, die die Scherschichtturbulenz und Vermischung verbessern, wie dies oben zur Lärmverminderung beschrieben wurde. Obgleich vorstehend ein regelmäßiger Abstand der sinusförmigen Wölbungen oder Wellungen bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen erwähnt wurde, kann die Verteilung der verschiedenen Wölbungen oder Wellungen, wie weiter unten beschrieben, in einer Zahl unterschiedlicher Ausführungsbeispiele angeordnet werden.
Die spezielle Kombination von Wölbungs- oder Wellungsstellungen in Bezug auf die Verteilung sowie eine Austrittsebenenfläche hängt von speziellen Triebwerkskonstruktionsbedingungen ab.
10 veranschaulicht ein erstes abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer Düse, bei der die Wölbungen 140 in regelmäßiger Verteilung um eine innere Düsenoberfläche 141 einer Außenwand einer Mantelstromdüse angeordnet sind. Die Wölbungen haben ungestörte Bereiche 143 dazwischen, in denen die Düse daher als einfache Konvergentdüse in diesen Bereichen arbeitet, wobei die Wölbungen 140 die Konvergent-Divergent-Veränderung in der verfügbaren Strömungseinschnürungsfläche bilden, wie dies zur Lärmunterdrückung erforderlich ist. Es ist klar, dass eine nicht dargestellte gegenüberliegende Oberfläche der Düse selbst Wellungen oder Wölbungen aufweisen kann, die direkt gegenüber den Wölbungen 140 angeordnet sind oder die zwischen jenen Wölbungen 140 liegen, so dass diese Wölbungen in der gegenüberliegenden Oberfläche direkt gegenüber den ungestörten Bereichen 143 liegen.
11 veranschaulicht ein zweites abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer Düse. So sind Wölbungen 240 mit unregelmäßigem Abstand auf einer inneren Düsenoberfläche 241 einer Außenwand 242 einer Mantelstromdüse angeordnet. Durch solche unregelmäßigen Abstände der Wölbungen 240 wird es möglich, dass weitere Störungen in Bezug auf umfängliche Moden für Scherschichtturbulenz erreicht werden, oder es kann eine Veränderung im Lärmunterdrückungspegel unter gewissen Richtungen der Düse im Vergleich mit anderen erreicht werden, in Abhängigkeit von den Betriebserfordernissen.
12 veranschaulicht ein drittes alternatives Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Düse. So sind hier die Wölbungen 340 in Gruppen oder individuell in einer inneren Düsenoberfläche 341 ausgebildet. Es erfolgt in ähnlicher Weise wie bei dem zweiten abgewandelten Ausführungsbeispiel nach 11 eine Veränderung der Verteilung der Wölbungen 340a in Umfangsrichtung im Vergleich mit Wölbungen 340b, um wiederum die umfänglichen Moden zu stören und die Lärmunterdrückungspegel unter verschiedenen Richtungen der Düse zu verändern.
13 veranschaulicht ein viertes abgewandeltes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Düse, bei der die Wellungen oder Wölbungen an verschiedenen axialen Stellen angeordnet sind, anstelle der umfänglichen Bedingungen bei den vorherigen Ausführungsbeispielen. Demgemäß sind Wölbungen 440 in einer inneren Düsenoberfläche 441 einer Außenwand 442 einer Mantelstromdüse ausgebildet. Die Wellungen oder Wölbungen 440a basieren im Wesentlichen auf einem Austrittsebenenrand 443 der Düse, während die Wölbungen oder Wellungen 440b etwas von dem Austrittsrand 443 versetzt sind, während die Wellungen oder Wölbungen 440c weiter von dem Rand 443 versetzt sind. Eine derartige Anordnung ergibt eine Veränderung in dem Konvergent-Divergent-Verhältnis über eine breitere axiale Länge der Düse und bewirkt daher einen unterschiedlichen Betrieb im Vergleich mit den vorherigen Ausführungsbeispielen.
Für jede der Wölbungen 440a, b, c, d liegt ihr erster Radius, der ihre stromaufwärtige Oberfläche definiert, jeweils um 0%, 5%, 2,5% und 7,5% des Düsenaustrittsdurchmessers stromauf der Düseneinschnürung. Es ist jedoch klar, dass jede der Wölbungen 440a, b, c, d in den Bereichen angeordnet und bemessen ist, die vorstehend definiert wurden.
Die 13a und 13b zeigen abgewandelte Ausführungsbeispiele gegenüber dem in 13 dargestellten Ausführungsbeispiel, wobei die Zahl der benachbarten Wölbungen (440a, b, c, d in 13) in Umfangsrichtung ineinander übergehen, um eine oder mehrere größere und daher mehr komplexe Wellungen 443, 444 zu bilden. Für jedes dieser Ausführungsbeispiele sind die Wölbungen 443, 444 allgemein sinusförmig oder teilsinusförmig in Umfangsrichtung, und ihr erster Radius liegt axial zwischen 0% und 7,5% des Düsenaustrittsdurchmessers stromauf der Düseneinschnürung. Der zweite und der dritte Querschnittsradius liegt demgemäß relativ zum ersten Radius an irgendeiner gegebenen axialen Querschnittsfläche durch jede Wölbung 443, 444. Bei diesen Ausführungsbeispielen ist die maximale Amplitude konstant (d.h. sie formt eine Welle der maximalen Amplitude) außer an den umfänglichen Fortsätzen, wo jede Wölbung in die Düsenwand übergeht. Es ist klar, dass bei anderen Ausführungsbeispielen die maximale Amplitude in Umfangsrichtung längs der Wölbungen 443, 444 geändert werden könnte.
14 veranschaulicht ein fünftes abgewandeltes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Düse, bei welchem Wölbungen 540 vorgesehen sind, die unterschiedliche Amplituden an verschiedenen umfänglichen und axialen Stellen auf einer inneren Düsenoberfläche 541 einer Außenwand 542 aufweisen. Unter diesen Umständen können die unterschiedlichen Amplituden für die Wölbungen oder Wellungen 540 unterschiedliche Pegel der Lärmverminderung in verschiedenen Richtungen der Düse aufweisen, und durch Veränderung der verfügbaren Einschnürungsströmungsfläche kann eine Vermischung verbessert werden, um eine weitere Lärmsteuerung zu ermöglichen. Wie ersichtlich, haben die Wölbungen oder Wellungen 540b eine größere Amplitude als die Wölbungen oder Wellungen 540a, 540c, und sie besitzen eine größere axiale Länge, während die Wellungen 540b, 540c jeweils unterschiedliche Umfangsbreiten und Axiallängen im Vergleich miteinander und der Wellung 540a aufweisen.
15 veranschaulicht ein sechstes abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Düse, bei der Wölbungen oder Wellungen 640 in einer inneren Düsenoberfläche 641 einer Außenwand 642 einer Mantelstromdüse ausgebildet sind. Demgemäß sind die Wölbungen oder Wellungen 640 in Bereichen mit anderen ungestörten Bereichen zwischen sich gruppiert, derart, dass unterschiedliche Lärmpegelunterdrückungen erreicht werden und daher ruhigere Bereiche relativ zu einem normalen Düsenbetrieb. Derartige regionalisierte Wölbungen oder Wellungen ergeben einen ähnlichen Effekt wie bei dem regelmäßigen Abstand und den Wölbungen oder Wellungen, wie sie in Verbindung mit dem dritten abgewandelten Ausführungsbeispiel (12) beschrieben wurden.
16 veranschaulicht ein siebentes abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Düse. Demgemäß sind die Wellungen oder Wölbungen 740 in einer gezahnten Außenwand 742 der Mantelstromdüse angeordnet. Die Wölbungen oder Wellungen 740 werden wiederum auf einer inneren Düsenoberfläche 741 der Wand 742 präsentiert. Wie oben erwähnt, könnten die Wölbungen oder Wellungen in einer inneren oder einer äußeren Wand der Düse angeordnet werden, aber 16 zeigt nur die Anordnung der Wölbungen oder Wellungen 740 in der inneren Oberfläche 741 der Außenwand 742. Unter diesen Umständen werden die Wirkungen der Verzahnungen 743 durch diese Umfangsänderungen im Konvergent-Divergent-Verhältnis verbessert, das durch die Wölbungen und Wellungen 740 erzeugt wurde. Eine derartige Anordnung kann eine verbesserte Lärmunterdrückung schaffen, obgleich, wie oben erwähnt, die Anordnung der Verzahnung 743 den Luftwiderstand erhöhen und andere Faktoren in Bezug auf das Verhalten des Triebwerks beeinträchtigen könnten.
17 zeigt ein weiteres achtes abgewandeltes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Düse. Wie bei dem siebenten abgewandelten Ausführungsbeispiel gemäß 16 sind Wölbungen oder Wellungen 840 auf einer inneren Düsenoberfläche 841 der Außenwand 842 einer Mantelstromdüse angeordnet. Im Vergleich mit dem Ausführungsbeispiel nach 16 ändert sich bei den Wölbungen oder Wellungen 840 in Umfangsrichtung das Konvergent-Divergent-Verhältnis, aber es erstreckt sich nicht in die Laschen oder Verzahnungsabschnitte 843, sondern nur auf einen festen Abschnitt der Düse vor derartigen Verzahnungen 843. Wiederum schafft diese Ausbildung eine Alternative für spezielle Betriebserfordernisse im Hinblick auf eine Lärmunterdrückung und Scherschichtturbulenz.
18 zeigt ein weiteres neuntes abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Düse, Im Vergleich mit dem Ausführungsbeispiel nach 17 sind wieder Wölbungen oder Wellungen 940 in einer inneren Düsenoberfläche 941 einer Außenwand 942 einer Mantelstromdüse angeordnet. Jedoch bleiben die Wölbungen oder Wellungen 940 immer noch vor den Verzahnungen 942 in der Austrittsebene der Düse, und im Vergleich mit dem Ausführungsbeispiel nach 17 liegen die Wölbungen 940 außer Phase zu den Verzahnungen 943, um eine weitere Verbesserung oder Veränderung des Lärmunterdrückungsverhaltens in Abhängigkeit von betrieblichen Erfordernissen zu schaffen.
Es ist klar, dass Lärm und daher Lärmunterdrückungserfordernisse sich mit dem Betriebszustand des Triebwerks ändern. Unter derartigen Umständen können die Wölbungen oder Wellungen gemäß der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen oder den gewünschten Erfordernissen variabel sein. Unter diesen Umständen können die Wölbungen oder Wellungen eine Legierung mit Formgedächtnisfunktion aufweisen, und sie können sich demgemäß mit der Temperatur oder anderen Erfordernissen in Bezug auf Amplitude und Form ändern, um die Turbulenz zu verändern, die in der Scherschicht zur Lärmunterdrückung erzeugt wird. Wenn möglich, können die Wölbungen oder Wellungen elektrisch ausfahrbar gemacht werden, indem ausfahrbare oder zurückziehbare mechanische Laschen benutzt werden oder andere Maßnahmen getroffen werden, um ihre Amplitude sowohl im Hinblick auf die Auslenkung nach innen als auch bezüglich der axialen Länge und des Umfangsabstandes je nach Betriebserfordernissen zu ändern.
19 zeigt eine schematische Darstellung einer Triebwerksdüsenanordnung, bei der die jeweiligen Düsenoberflächen dargestellt sind. Demgemäß wird eine Mantelstromdüse durch eine Außenwand 1002 und eine Innenwand 1003 derart gebildet, dass die Oberflächen 1001 und 1004 Wölbungen oder Wellungen gemäß der vorliegenden Erfindung aufweisen, um das Konvergent-Divergent-Verhältnis über den Düsenoberflächen 1001, 10004 gemäß der vorliegenden Erfindung zu verändern. In ähnlicher Weise präsentieren Außenwand 1005 und Innenwand 1006 gegenüberliegende Oberflächen 1007, 1008 einer Kerndüse. Diese Düsenoberflächen 1007, 1008 können auch Wellungen oder Wölbungen gemäß der vorliegenden Erfindung aufweisen, um das Konvergent-Divergent-Verhältnis über der Kerndüse zu ändern. Unter diesen Umständen kann eine zusätzliche Lärmunterdrückung erfolgen, indem eine Turbulenz in der Scherschicht zwischen den Strahlen zur Lärmunterdrückung erzeugt wird, wie dies oben beschrieben wurde.
Es ist klar, dass die Wellungen, insbesondere in einer Kerndüse, einer Erosion bei den hohen Temperaturen unterworfen sind, und demgemäß kann Vorsorge dafür getroffen werden, dass die Wellungen als befestigbare Elemente oder in Form eines Aufbaus an einer Düsenoberfläche austauschbar sind.
Abgewandelte Ausführungsbeispiele und Modifikationen der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann von selbst. Demgemäß können anstelle von allmählichen Teilformen für Wellungen oder Wölbungen, wie oben beschrieben, Wölbungen oder Wellungen mit einem größeren Winkel benutzt werden. Beispielsweise kann eine im Querschnitt dreieckige Wölbung, die einen Scheitel an dem Punkt maximaler Amplitude aufweist, benutzt werden. Außerdem kann ein axialer Zyklus in den Amplituden der Wölbungen oder Wellungen in Axialrichtung oder in Umfangsrichtung erfolgen, falls dies erforderlich ist, um eine minimale Turbulenz in der Strahlströmung zur Lärmunterdrückung zu erzeugen.
In 20 umfasst die Düse 42 eine Anordnung von ausfahrbaren Lärmverminderungslaschen 80, 82, wie sie in der US 6813877 beschrieben sind, wobei deren Technik hiermit in die Beschreibung eingeführt wird. Kurz gesagt, sind die in Umfangsrichtung abwechselnden Laschen 80 starr in „ausgefahrener" Stellung angeordnet, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, wo sie mit den Gasströmen zusammenwirken, um die Vermischung aus der Lärm erzeugenden Scherschicht zwischen den Gasströmen zu verbessern. Die ausfahrbaren Laschen 82 bestehen aus einem Material mit Formgedächtnis, und sie sind zwischen einer ausgefahrenen Stellung, wie in 20 dargestellt, und einer nicht ausgefahrenen Stellung beweglich, wo sie ausgerichtete und aneinanderstoßende Laschen 80 bilden. Während des Starts und im Steigflug werden die Laschen 82 ausgefahren und radial im Winkel nach außen angestellt, um eine Lärmverminderung zu erzeugen, und dadurch wird die Austrittsfläche der Düse 12 vergrößert. Diese Vergrößerung vermindert die Geschwindigkeit des Gasstromes, der aus dem Mantelstromkanal 12 austritt, und dadurch wird mit Sicherheit der Abgaslärm vermindert. Im Reiseflug des Flugzeugs liegen die Laschen 82 in einer nicht ausgefahrenen Stellung, in der benachbarte Ränder 88, 90 der Laschen gegeneinander abgedichtet sind und wodurch demgemäß die Austrittsfläche vermindert wird. Diese Verminderung erhöht daher die Geschwindigkeit des Abgasstromes und verbessert den Wirkungsgrad des Triebwerks.
Da die Wölbungen 40 in erster Linie der Verminderung des Flugzeugkabinenlärms bei Reiseflug dienen, wird in diesem Fall die Abgasaustrittsebene 36 durch einen stromabwärtigen Rand 86 der Laschen 80, 82 gebildet, wenn sie in ihrer nicht ausgefahrenen Stellung befindlich sind. Die Wölbungen 40 sind immer noch innerhalb des Bereichs der Stellungen angeordnet, die vorstehend spezifiziert wurden, und sie können deshalb auf einer oder mehreren der Laschen auf deren radial innerer Oberfläche angeordnet werden, je nach der axialen Länge der Laschen und dem Konvergent-Divergent-Verhältnis.
21 zeigt eine Wölbung 40 auf jeder der Laschen 80, 82 rings um den Umfang der Düse 42. Die Form und die Gestalt der Wölbungen 40 ist wie oben beschrieben.
In weiteren Ausführungsbeispielen sind, wie in den 22, 22A und 23 gezeigt, die Wölbungen ausfahrbar, und sie bestehen aus einem Material mit Formgedächtnis als Mittel zur Betätigung der Wölbungen zwischen einer ausgefahrenen Stellung 40' und einer nicht ausgefahrenen Stellung 40''. Das Material mit Formgedächtnis (SMM) ist in der Industrie allgemein bekannt und wird daher nicht weiter beschrieben, außer dem Umstand, dass die Arbeitsweise ähnlich jener ist, wie sie benutzt wird für die entfaltbaren Düsenlaschen, wie sie in der US 6813877 der Anmelderin beschrieben sind. Die Lehren der Benutzung des Materials mit Formgedächtnis wird hiermit zur Erläuterung eingeführt. Der Hauptvorteil der Benutzung ausfahrbarer Wölbungen besteht darin, dass der aerodynamische Widerstand vermindert wird, wenn sie nicht erforderlich sind.
In der nicht ausgefahrenen Stellung 40'' wird der Gasstrom durch die Düse 42 durch keinerlei Wölbungen 40 gestört, wie es sonst der Fall ist, der vorstehend beschrieben wurde. In der ausgefahrenen Stellung 40', die insbesondere im Reiseflug des Flugzeugs benutzt wird, wirken die Wölbungen 40 mit dem Gasstrom zusammen und vermindern den Abgaslärm, wie vorstehend beschrieben.
In jeder Figur werden die Wölbungen 40 aus einem Materialelement 60 mit Formgedächtnis gebildet, das in eine bestimmte Form vorgespannt ist und die Form bei einer vorbestimmten Temperatur zwischen ausgefahrener und nicht ausgefahrener Stellung ändert. In 22 haltern Befestigungsmittel 61 einen kontinuierlichen Ring aus Formgedächtnismaterial, wodurch Wölbungselemente 60 gebildet werden. In gleicher Weise können jedoch einzelne Formgedächtniselemente benutzt und an der Düsenwand über Befestigungsmittel 61 angebracht werden. Die Befestigungsmittel 61 können als Bolzen und Mutter, als Verschweißung, als Verschraubung oder auf sonstige Weise ausgebildet sein. Die strichlierten Linien definieren die nicht ausgefahrene Stellung 40'' der Formgedächtniselemente 60. Im linken Teil der Figur definiert die Düsenwand 42 eine Wölbung 62, deren Amplitude zwischen einer maximalen Amplitude 38 und dem sonst „ursprünglichen" Düsenwandprofil schwankt, das durch die strichlierte Linie 63 angegeben ist. Diese Anordnung ist insofern vorteilhaft, als es zwei Wölbungsamplituden gibt, die den Kabinenlärm bei zwei unterschiedlichen Triebwerksarbeitsbedingungen abschwächen.
Die 22A zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Formgedächtniselementes 60, wo zwei Schichten aus Formgedächtnismaterial 64, 65 vorgesehen sind, die unterschiedliche Schalttemperaturen aufweisen. Bei einer ersten Temperatur schaltet das Element 64, und die Wölbung nimmt eine erste Form 40''' an, und bei einer zweiten Temperatur nimmt das Element 65 eine zweite Form an, und die zweite Form hat eine größere Amplitude als die erste Form.
Bei einem abgewandelten Ausführungsbeispiel nach 22A ist die Schicht 64 als Federelement ausgebildet, die aus Titan oder einem anderen geeigneten elastischen Material besteht, derart, dass das Federelement eine Kraft ausübt, um die Wölbung in einer nicht ausgefahrenen Stellung zu halten oder möglicherweise auch in der ausgefahrenen Stellung zu fixieren. Das Element 60 ist derart ausgebildet, dass die Änderung im Modul des Formgedächtniselementes 65 in der Lage ist, das Element 60 in die gewünschte Form zu biegen.
Bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen geht die stromabwärtige Oberfläche der Wölbungen in die Endaustrittsebene 36 über oder endet kurz davor in stromaufwärtiger Richtung. Demgemäß ist die Austrittsebene selbst glatt, und in diesen Fällen hat sie eine Kreisform. Es ist jedoch möglich, dass die stromabwärtige Oberfläche durch die Düsenaustrittsebene geschnitten wird, insbesondere dann, wenn die Konvergent-Divergent-Form 1,00 beträgt oder einen Wert sehr nahe hierzu hat.

Claims

Düse (42) für ein Gasturbinentriebwerk, bei welchem die Düse (42) eine Düsenoberfläche (40) mit einer Mehrzahl von Wellungen (40, 140, 240, 340, 540, 640, 740, 840, 940) aufweist, um die verfügbare Querschnittsfläche über der Düse (42) zwischen der Düsenoberfläche (40) und einer gegenüberliegenden Oberfläche der Düse (42) über einen gewünschten Bereich des Konvergent-Divergent-Verhältnisses zur Lärmsteuerung eines Strahls zu verändern, der im Betrieb die Düse (42) durchströmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellungen eine Amplitude (39) im Bereich von 0,1 bis 2,0% des Austrittsdurchmessers der Düse (42) aufweisen, um den Schockzellenlärm abzuschwächen.
Düse (42) nach Anspruch 1, bei welcher außerdem die Wellungen eine Veränderung des Strömungswinkels des die Düse (42) durchströmenden Strahles bewirken.
Düse (42) nach Anspruch 1, bei welcher allgemein die Veränderung der Querschnittsfläche so eingestellt wird, dass eine Stimulierung der Vermischung einer Scherschicht des Strahles bewirkt wird, um eine relative Lärmverminderung im Vergleich mit einer Düsenanordnung zu erreichen, bei der die Scherschicht des Strahles nicht vermischt wird.
Düse (42) nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, bei welcher die Wellungen den Wiederholzyklus verändern und/oder eine Veränderung der Intensität der Schockzellen bewirken, die durch den Strahl erzeugt werden.
Düse (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Wellungen Wölbungen aufweisen, die in der Oberfläche der Düse (42) ausgebildet sind.
Düse (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Wellungen sinusförmig (40) in Umfangsrichtung oder in einer Ebene senkrecht zur Strahlströmungsrichtung im Betrieb verlaufen.
Düse (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Wellungen jeweils eine maximale Amplitude (38) aufweisen und die maximale Amplitude in einem Abstand zwischen 2% und 15% des Düsendurchmessers längs der Oberfläche der Düse (42) in Richtung stromauf von der Düsenaustrittsebene (36) entfernt liegt.
Düse (42) nach Anspruch 7, bei welcher die maximale Amplitude (38) in einem Abstand stromauf zur Düsenaustrittsebene (36) entfernt liegt und der Abstand äquivalent 6% des Durchmessers der Düse (42) ist.
Düse (42) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher die Wellungen jeweils eine maximale Amplitude (38) aufweisen und die maximale Amplitude in einem Abstand von +/– 2% des Durchmessers der Düse (42) längs der Oberfläche der Düse (42) von der Düseneinschnürungsebene (4) entfernt angeordnet ist.
Düse (42) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welcher die angenäherte Querschnittsform der Wellungen dreieckig (40c), trapezförmig (40b), teilkreisförmig (40d) oder asymmetrisch-sinusförmig (40e) ausgebildet ist.
Düse (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Wellungen eine aerodynamisch glatte graduelle Keilform in Axialrichtung der Strahlströmung im Betrieb haben.
Düse (42) nach Anspruch 11, bei welcher die aerodynamisch glatte Keilform zwischen dem Radius an drei festen axialen Stellen längs der Oberfläche der Düse (42) von der Austrittsebene der Düse (42) entfernt liegt, wobei ein Radius innerhalb eines Abstandes von 20% des Durchmessers der Düse (42) nach stromauf liegt, wobei ein weiterer Radius an einer Stelle der maximalen Wellungsamplitude innerhalb eines Abstandes liegt, der stromauf äquivalent zu 15% des Durchmessers der Düse (42) ist, und ein weiterer Radius innerhalb von 10% des Austrittsebenendurchmessers der Düse (42) entfernt ist.
Düse (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Konvergent-Divergent-Verhältnis in einem Bereich zwischen 1 und 1,01 und vorzugsweise bei 1,008 liegt.
Düse (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Düse (42) eine Mantelstromdüse (42) eines Gasturbinentriebwerks ist und die Wellungen auf einer inneren Oberfläche der Außenwand und/oder einer äußeren Oberfläche einer Innenwand der Mantelstromdüse (42) angeordnet sind.
Düse (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Düse (42) eine Kerndüse (42) in einem Gasturbinentriebwerk ist, wobei die Wellungen auf einer inneren Oberfläche der Außenwand und/oder einer äußeren Oberfläche der Innenwand der Kerndüse (42) liegen.
Düse (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Wellungen symmetrisch regelmäßig in Umfangsrichtung verteilt über die Oberfläche der Düse (42) angeordnet sind.
Düse (42) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei welcher die Wellungen symmetrisch und/oder unregelmäßig in Umfangsrichtung über die Oberfläche der Düse (42) herum verteilt angeordnet sind.
Düse (42) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei welcher die Wellungen an unterschiedlichen axialen Stellen relativ zur Austrittsebene der Düse (42) angeordnet sind.
Düse (42) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei welcher die Wellungen Gruppen unterschiedlicher Amplituden haben, die in Umfangsrichtung und/oder axial auf der Düsenoberfläche (40) verteilt sind.
Düse (42) nach Anspruch 16, bei welcher die Wellungen unterschiedliche Gruppen axialer Länge und/oder Breite relativ zueinander haben.
Düse (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Oberfläche der Düse (42) einen Rand mit einer Verzahnung oder mit Laschen (80, 82) aufweist.
Düse (42) nach Anspruch 21, bei welcher die Wellungen und die Verzahnungen abwechselnd angeordnet sind, um eine zusätzliche Veränderung des Konvergent-Divergent-Verhältnisbereichs zu erzielen.
Düse (42) nach Anspruch 21, bei welcher die Laschen (80, 82) zur Lärmverminderung ausfahrbar sind.
Düse (42) nach Anspruch 21, bei welcher alternierende Laschen (82) zur Lärmverminderung ausfahrbar sind.
Düse (42) nach einem der Ansprüche 23 bis 24, bei welcher die Wellungen auf einer oder mehreren der Laschen (80, 82) ausgebildet sind.
Düse (42) nach einem der Ansprüche 1 bis 25, bei welcher die Wellungen (40) zwischen einer ausgefahrenen Stellung (40') und einer nicht ausgefahrenen Stellung (40'') überführbar sind und diese Wellungen in der nicht ausgefahrenen Stellung einen geringeren aerodynamischen Widerstand haben als in der ausgefahrenen Stellung.
Düse (42) nach Anspruch 26, bei welcher die Wellungen in eine zweite ausgefahrene Stellung (40''') überführbar sind, die zwischen der ausgefahrenen und der nicht ausgefahrenen Stellung (40', 40'') liegt.
Düse (42) nach einem der Ansprüche 26 bis 27, bei welcher die Wellungen (40) ein Element (60) aus Formgedächtnismaterial aufweisen.
Düse (42) nach Anspruch 28, bei welcher das Element (60) aus Formgedächtnismaterial zwei Schichten aus Formgedächtnismaterial (64, 65,) aufweist und jede Schicht eine andere Schalttemperatur besitzt und in der Lage ist, in eine erste Form (40''') und eine zweite Form (40') ausgefahren zu werden, wobei die zweite Form eine größere Amplitude als die erste Form hat.
Düse (42) nach Anspruch 28, bei welcher das Element (60) aus Formgedächtnismaterial zwei Schichten umfasst, wobei die eine Schicht aus Formgedächtnismaterial (65) und die andere Schicht aus elastischem Material (64) besteht, um eine Federwirkung auf das Element (60) auszuüben.
Düse (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Wellungen integral mit der Düse (42) hergestellt sind.
Düse (42) nach einem der Ansprüche 1 bis 30, bei welcher die Wellungen durch festgelegte Elemente erzeugt werden, die individuell oder als Teil des Aufbaus auf der Oberfläche der Düse (42) angeordnet sind.
Düse (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Wellungen im Hinblick auf Amplitude und/oder Stellung und/oder Verteilung auf der Oberfläche der Düse (42) veränderbar sind.
Düse (42) nach einem der Ansprüche 26 bis 27, bei welcher die Veränderung durch Benutzung aufblasbarer Teile der Oberfläche der Düse (42) oder durch ausfahrbare mechanische Teile der Oberfläche der Düse (42) bewirkt wird.
Düse (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Zahl der Wellungen in einem Bereich zwischen eins und zweiundvierzig liegt und vorzugsweise zwanzig Wellungen über der Oberfläche der Düse (42) verteilt sind.
Gasturbinentriebwerk mit einer Düse (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.