Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum
Reduzieren einer unerwünschten Geräuscherzeugung in einer oder
mehreren Laufschaufelstufen.
Hintergrund
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Nach einer Reduzierung der Geräuscherzeugung in
Laufschaufelstufen ist durch Konstrukteure von Axialverdichtern und
Gasturbinentriebwerken lange gesucht worden. In einem
Axialverdichter strömt Luft sequentiell durch eine Vielzahl von
rotierenden und stationären Schaufeln, wo sie beschleunigt und
in Drehung versetzt wird zu dem Zweck, ihren Druck zu erhöhen.
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Der Luftstrom, der die rotierenden Schaufeln in einem
Axialverdichter verläßt, bildet eine Serie von rotierenden
Geschwindigkeitsschwankungen in der Eintrittsebene des
stromabwärtigen stationären Schaufelkranzes als Ergebnis der
sich bewegenden Wirbelschleppen, die durch die
stromaufwärtigen Schaufeln gebildet werden. Die
Wirbelschleppengeschwindigkeitsschwankungen, die die
stromabwärtigen stationären Schaufeln treffen, verursachen das
heulende, tonale Geräusch, welches insbesondere während des
Starts und des Landeanfluges bei Flugzeugen vorherrscht, die
von Gasturbinentriebwerken angetrieben werden. Strenge
Geräuschbeschränkungen für Flughäfen und ihre Umgebung haben zu
erhöhten Anstrengungen durch Triebwerks- und
Flugzeughersteller geführt, die Geräuscherzeugung durch ihre Produkte zu
reduzieren oder zu eliminieren.
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Eine Technik zur Geräuschunterdrückung ist die Verwendung
einer Antischallerzeugung, wodurch ungewolltes Geräusch durch
die Erzeugung eines unterdrückenden Schallprofils eliminiert
wird, welches gegenüber dem ungewollten Geräusch
phasenverschoben ist. Dieses Konzept hat sich als schwierig erwiesen,
um es in praktischer Anwendung zur Unterdrückung von komplexen
Geräuschsignaturen zu verwenden. In der GB-A-2 191 606 ist ein
System offenbart, welches wenigstens einen lästigen Modus
eines unstetigen Bewegungsphänomens in einer Strömungsmaschine
wie Laufschaufelflattern, Strömungsabriß, Pumpen, erzwungene
Vibration oder akustische Resonanz aktiv steuert. Eine
Sensoranordnung in der Turbomaschine erzeugt Sensorsignale, die in
Beziehung zu dem unstetigen Bewegungsphänomen stehen. Von dem
Sensor werden Steuersignale erzeugt und zu Stellantrieben in
einem Stellantriebsfeld gesendet, um physikalische Effekte in
der Turbomaschine zu erzeugen, die dem lästigen Modus
entgegenwirken. Die Sensoren und die Stellantriebe können an einer
Statorwand und/oder den Laufschaufeln angeordnet sein.
Verschiedene Arten von Sensoren und Stellantrieben sind
offenbart.
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Wegen der Stärke des
Schaufel-Wirbelschleppen-Wechselwirkungsgeräusches sowie wegen der Komplexität der vielen akustischen
Moden, welche durch diese Wechselwirkung erzeugt werden, ist
zu erwarten, daß bekannte Verfahren zur
Grobfeldgeräuschunterdrückung durch die Verwendung von Antischallgeneratoren
und - Wandlern schwerfällig und uneffektiv sein werden. Gebraucht
wird eine einfache Anordnung von Antischallgeneratoren
und - steuerungen.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung schafft eine Einrichtung zum Reduzieren oder
Eliminieren des tonalen Geräusches, das durch die
Wechselwirkung von Schaufeln und Wirbelschleppen in einer
Laufschaufelstufenströmungsanordnung erzeugt wird. Gemäß der
vorliegenden Erfindung, wie sie in dem unabhängigen Anspruch 1
angegeben ist, ist eine Vielzahl von aktiven Schallquellen an
der äußeren Oberfläche der Schaufeln angeordnet, die den
stromabwärtigen Kranz bilden. Die Schallquellen werden
betrieben, um einen Geräuschunterdrückungsschall zu erzeugen und
dadurch das tonale Geräusch durch unterdrückung desselben an
oder nahe seiner Quelle global zu dämpfen oder zu eliminieren.
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Die Schallquellen sind weiter so befestigt oder angeordnet,
daß die stromabwärtigen Schaufeln von mechanischer Vibration,
die durch die Quellen verursacht wird, isoliert sind. Nach der
mathematischen Nachbildung im Modell wird die maximale
Geräuschunterdrückung erreicht, wenn die Zahl der
Schallquellen an jeder stromabwärtigen Kaskadenschaufel gleich der Zahl
der einzelnen akustischen Moden ist, die in dem tonalen
Geräusch vorliegen.
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Es ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, die
Unterdrückung des tonalen Geräusches ohne bedeutende Variation oder
Vibration der physikalischen Konfiguration der Schaufeln zu
erreichen. Außerdem ist es ein weiteres Merkmal der vorliegenden
Erfindung, die Geräuschunterdrückung ohne bedeutende
Beeinflussung der Strömung des Fluids in und durch die
stromabwärtige Kaskade zu erreichen. Es ist noch ein weiteres Merkmal
der vorliegenden Erfindung, daß jede physikalische Verlagerung
einer vibrierenden Oberfläche der Schallquellen auf einen sehr
schmalen Bereich begrenzt wird.
Kurzbeßchreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 zeigt einen Teilquerschnitt eines Verdichterabschnittes
eines Gasturbinentriebwerks.
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Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Teils einer
Laufschaufelstufe mit zwei sequentiellen Schaufelkränzen.
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Fig. 3 zeigt die Variation in der Geschwindigkeit, die aus dem
Vorbeigang der Wirbelschleppen resultiert, welche durch die
stromaufwärtige Schaufel nach Fig. 2 erzeugt wird.
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Fig. 4 zeigt eine Ansicht einer einzelnen Schaufel mit einer
Vielzahl von Schallquellen, die über Oberfläche der Schaufel
verteilt sind.
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Fig. 5 zeigt eine Querschnittansicht eines Teils eines
Schaufelkranzes, wobei jede Schaufel eine Vielzahl von
Schallquellen umfaßt.
Detaillierte Beschreibung
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In den Zeichnungsfiguren und insbesondere in Fig. 1 ist eine
schematische Teilansicht eines Gasturbinentriebwerks 10
gezeigt. Ankommende Luft 12 tritt durch die
Triebwerkseinlaßöffnung 14 ein und geht sequentiell durch alternierende Lauf- und
Leitschaufeln 16, 18, 20, 22 usw. hindurch. Die Laufschaufeln
16, 20 werden durch den stromabwärtigen Turbinenabschnitt
(nicht gezeigt) angetrieben, wogegen die Leitschaufeln 18, 22
an dem Triebwerksgehäuse 24 oder an einem anderen
nichtrotierenden Gebilde angebracht sind.
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In der Praxis können die rotierenden und stationären Schaufeln
16-22 zweidimensional durch mehrere Schaufelkränze 16, 18
dargestellt werden, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Der drehende
Kranz 16, der den Rotorverdichter darstellt, ist sich vertikal
bewegend, 26, relativ zu dem stationären Statorkranz 18
gezeigt. Der Luft- oder Gasstrom 28, der in die Rotorstufe 16
eintritt, wird durch die sich bewegenden Laufschaufeln 30, 32,
34 beschleunigt, tritt dann in den sich nichtbewegenden
Statorkranz 18 ein, in dem der Luftstrom gedreht und durch die
Statorschaufeln 36, 38, 40, 42 verlangsamt wird. Das Drehen
und Verlangsamen des Luftstroms erhöht den statischen
Luftdruck.
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Fig. 3 zeigt die Variation in der Luftströmungsgeschwindigkeit
in bezug auf eine laterale Verlagerung d in der Nähe der
Hinterkante 44 der Schaufel 30, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.
Wie es klar in Fig. 3 zu erkennen ist, erfahren die
Geschwindigkeitsvektoren 46 eine Größeneinbuße 48 unmittelbar
stromabwärts der Hinterkante 44. Wenn sich der Kranz 16
bewegt, 26, werden die Geschwindigkeitsvariationen 48 der
einzelnen Schaufeln 30 eine periodische Druckschwankung an den
Vorderkanten 50 der stromabwärtigen Schaufeln 36-42
verursachen.
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Eine periodische Schwankung der Geschwindigkeit über dem
stromabwärtigen Kranz 18 führt zu der Erzeugung eines
unerwünschten Geräuschmusters, das üblicherweise eine Vielzahl von
tonalen Moden hat, welche ein Vielfaches der
Schaufelvorbeigangsfrequenz sind. Ziel der Erfindung ist die Unterdrückung
des akustischen Geräusches und der Moden.
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Der Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß die
Unterdrückung von unerwünschtem Geräusch durch die Verwendung
von Antischall am besten erreicht werden kann durch Plazieren
der Schallquellen, die die Unterdrückungsgeräuschenergie
erzeugen, eng benachbart zu dem Ort der Schallquelle. Da das
Geräusch durch die Wechselwirkung des stromabwärtigen
Schaufelkranzes 18 mit den Geschwindigkeitsschwankungen 48 der durch
ihn hindurchgehenden Wirbelschleppen erzeugt wird, wird gemäß
der Erfindung eine Vielzahl von Schallquellen 52 auf der
äußeren Oberfläche 53 der stromabwärtigen Schaufeln 36 angeordnet.
Die Fig. 4 und 5 zeigen eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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Anhand der Fig. 4 und 5 ist zu ersehen, daß eine Vielzahl von
Schallquellen 52 an den äußeren druck- und saugseitigen
Oberflächen der einzelnen Schaufeln 36-40 angeordnet ist. Jede
Quelle 52 ist ein einzelner Generator von Schallwellen,
welcher selbst mechanisch isoliert ist von dem mechanischen
Gebilde der Schaufeln 36-40, wobei die Wirkung der Schallquellen
52 keine bedeutende Vibration hervorruft oder eine bedeutende
mechanische Wechselwirkung mit den sie tragenden Schaufeln
erzeugt. Der einzige Effekt des Betriebes der Schallquellen 52
ist es, akustische Schallwellen zu erzeugen zur Unterdrückung
des oben beschriebenen tonalen Geräusches. Die einzelnen
Quellen 52 werden durch einen Steuereinheitmodul 54 betätigt und
gesteuert, welcher ein Eingangssignal aus Mikrophonen 56, 58
empfangen kann, die stromaufwärts, stromabwärts oder an
verschiedenen
anderen optimalen Orten relativ zu den
Schaufelkränzen angeordnet sind.
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Die Steuereinheit 54 wertet durch ein oder mehrere Mikrophone
56, 58 ermitteltes akustisches Geräusch aus und erzeugt
Antigeräuschsignale 60, 62, mit denen die Schallquellen 52
angesteuert werden. Die Algorithmen und Komponenten, welche in
einer solchen Steuereinheit verwendet werden können, sind auf
dem Gebiet der Geräuschunterdrückung gut bekannt. Eine
besondere Steuereinheit 54 könnte auf Grund einer Vielfalt von
Parametern ausgewählt werden, die die Zahl der zu steuernden
Schallquellen, den Grad der zu erreichenden
Geräuschunterdrückung, die Kosten, die Größenbegrenzung usw. einschließen, aber
nicht darauf begrenzt sind.
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Für die Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist es
entscheidend zu beachten, daß die Schallquellen, die auf der
Oberfläche der stromabwärtigen Schaufeln angeordnet sind,
nicht so wirken, daß sie den Luftstrom über die stromabwärtige
Schaufelkaskade bedeutend unterbrechen oder anderweitig
verändem, noch daß sie eine bedeutende Vibration, Resonanz oder
jegliche andere Art von mechanischer Bewegung oder Aktivität
in den sie tragenden Schaufelgebilden hervorrufen. Die
Schallquellen bewirken nur, daß Antischallwellen in den
umgebenden Gas- oder Luftstrom abgestrahlt werden und dadurch
das tonale Geräusch unterdrückt wird, das durch die
Wechselwirkung zwischen Schaufeln und Wirbelschleppen an ihren oder
in der Nähe ihrer Quellen erzeugt wird.
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In bezug auf die besondere Anordnung der Quellen 52 auf der
Oberfläche der Schaufeln 36-40 haben Rechenstudien ergeben,
daß diese Effektivität der Geräuschunterdrückung bezüglich der
Anordnung der Quellen 52 relativ unempfindlich ist, obwohl die
Quellenoberflächenverlagerungen minimiert werden können, wenn
die Schallquellen an optimalen Orten auf der
Schaufeloberfläche angeordnet werden. Bei Bedarf ist es so möglich, diese
Schallquellen 52 aufgrund von Konstruktions-, Kühlungs-,
Resonanz-,
Herstellungs- oder anderen Parametern anzuordnen und
doch eine annähernd totale Geräuschunterdrückung zu erreichen.
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Die Rechenstudien haben auch gezeigt, daß es möglich ist, eine
vollständige Unterdrückung des tonalen Geräusches zu
erreichen, wenn die Anzahl der Schallquellen 52 gleich der Anzahl
der tonalen Geräuschmoden ist, die durch die Wechselwirkung
zwischen Schaufeln und Wirbelschleppen erzeugt werden. Obwohl
weniger akustische Quellen erfolgreich verwendet werden
können&sub1; ist der Grad der Dämpfung nicht so groß, wie wenn die
volle Anzahl verwendet wird.
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Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist bei
Schallquellen, die eine vibrierende Oberfläche 65 haben,
welche an der Schaufeloberfläche angeordnet ist, daß eine sehr
kleine Verlagerung der vibrierenden Oberfläche nötig ist, um
das erwünschte Antischallmuster zur Unterdrückung des
ungewollten tonalen Geräusches zu erzeugen. Bei Modellstudien
durch die Erfinder hat sich eine maximale periodische
Verlagerung in der Größenordnung von 100 Mikrometer als
ausreichend erwiesen, um ungewolltes tonales Geräusch in einer
typischen Gasturbinentriebwerksverdichteranordnung zu
unterdrücken.
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Typische Schallquellen 52, die durch eine breite Vielfalt von
Betätigungseinrichtungen angetrieben werden, können verwendet
werden, einschließlich, aber nicht begrenzt darauf, einer
piezoelektrischen, elektrostatischen, hydraulischen oder jeder
anderen hoch empfindlichen Geräuscherzeugungsanordnung.