-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Fluidmischgeräte zum Kombinieren von zwei
oder mehreren Fluidströmen
und insbesondere ein geräuschunterdrückendes
Mischsystem zum Vermischen einer inneren und einer äußeren Fluidströmung in
einer Turbinenmaschine.
-
Geräuschemissionen
von Turbinenmaschinen, insbesondere solchen, die zum Antreiben von Flugzeugen
verwendet werden, sind ein wichtiger Umweltaspekt. Viele industrialisierte
Länder
haben den Turbinenmaschinen-Geräuschemissionen
bereits Beschränkungen
auferlegt, und es scheint wahrscheinlich, dass geräuschbeschränkende Vorschriften
in künftigen
Jahren zunehmend stringent und geografisch weiter verbreitet sein
werden. Maschinen der jüngsten
Generation beinhalten fortgeschrittene Geräuschunterdrückungstechnologien, um sicherzustellen,
dass deren Geräuschemissionen
in den vorgeschriebenen Grenzen sind. Maschinen älterer Generation wurden jedoch
in einer großzügigeren Ära konstruiert,
und es wurde erforderlich, diese Maschinen akustisch aufzubessern,
um sie in Übereinstimmung
mit den Vorschriften zu bringen. Jedoch sind die akustischen Aufbesserungen
aufwändig
und beeinträchtigen
fast unausweichlich die Maschineneffizienz. Außerdem kann es mit zunehmender
Verschärfung
der Vorschriften übermäßig schwierig
und prohibitiv aufwändig
werden, zusätzliche
akustische Verbesserungen in Maschinen älterer Generation einzubringen.
In der Folge müssen
viele dieser Maschinen aus dem Dienst genommen werden, obwohl sie
in sämtlichen
anderen Hinsichten tauglich sind.
-
Ein
Typ von Turbinenmaschine der älteren Generation,
der selbst heute noch populär
und weit verbreitet ist, ist eine Turbobläsermaschine mit vermischter
Strömung.
Akustisch verbesserte Versionen dieser Maschinen haben ein Ausströmsystem,
welches einen gerollten oder mit Ausbauchungen versehenen Mischer
aufweist. Der Mischer ist von einem Maschinengehäuse umgeben, welches sich in Längsrichtung
hinter den Mischer erstreckt. Bei Betrieb bewirkt der Mischer, dass
eine innere Strömung von
Kerngasen bei hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit sich mit
einer äußeren konzentrischen Strömung von
relativ kühler
Luft mit niedrigerer Geschwindigkeit vermischt. Der teilweise vermischte Gasstrom,
der eine Durchschnittsgeschwindigkeit zwischen der der inneren und
der der äußeren Strömung hat,
wird dann durch eine Ausströmdüse abgegeben.
Da die Ausströmdüsenemissionen
proportional zur achten Potenz der Geschwindigkeit sind, macht die
Fähigkeit
des Mischers, die Kerngase durch Vermischen dieser Gase mit dem
konzentrischen Luftstrom niedrigerer Geschwindigkeit zu verlangsamen,
den mit Ausbauchungen versehenen Mischer hoch effizient als einen
Abgasgeräuschunterdrücker.
-
Mit
der Einführung
zunehmend strenger Geräuschvorschriften
wurden verschiedene Verbesserungen an dem grundlegenden mit Ausbauchungen versehenen
Mischer angedacht. Unter diesen Verbesserungen sind Mischer mit
einer erhöhten
Anzahl von Ausbauchungen, und der einmalige doppelt-ausgebuchtete
Mischer, der dem US-Patent 5 638 675 an Zysman et al. und auf die
Anmelderin übertragen, beschrieben
ist. Wie effizient auch immer diese verbesserten Mischer sein mögen, sie
sind nicht ohne ihre speziellen Nachteile. Ihr größerer Oberflächen-Flächeninhalt,
verglichen mit dem des zugrunde liegenden ausgebauchten Mischers
führt zu
einer erhöhten
Wandreibung und zu aerodynamischem Widerstand, was zu einer verringerten
Maschineneffizienz und verschlechterter Flugzeugleistung führt. Die
geometrische Komplexität
der verbesserten Mischer steigert auch die mit ihrer Herstellung
verbundenen Kosten. Außerdem
können
Maschinen, die mit dem zugrunde liegenden ausgebauchten Mischer
ausgestattet wurden, von den Verbesserungen nur profitieren, wenn
der zugrunde liegende Mischer durch einen der verbesserten Mischer
ersetzt wird – eine
aufwändige
und deshalb wenig ansprechende Option.
-
Ein
weiterer potenzieller Nachteil von mit Ausbauchungen versehenen
Mischern ergibt sich aus der Fluidscherung, die an dem Übergang
der Strömung
mit hoher Geschwindigkeit und der Strömung mit niedriger Geschwindigkeit
auftritt. Obwohl dieses Zumischen der Fluidströmungen die akustischen Energieamplituden
bei dem niederfrequenten Ende des Geräuschspektrums verringert, kann
die Fluidscherung die Energieamplituden bei höheren Frequenzen erhöhen. Regelmäßig breiten
sich die höherfrequenten
Spektralkomponenten weniger schnell aus als die niederfrequenten
Komponenten, aber sie sind auch störender und deshalb besonders unerwünscht. Die
Formel der US-Regierung zum Quantifizieren der Turbinenmaschinengeräuschemissionen
bestraft die Anwesenheit von höherfrequenten
Komponenten, indem sie diesen Komponenten höhere Gewichtungsfaktoren zuweist.
Bestehende mit Ausbauchungen versehene Mischer (einschließlich dem
zugrunde liegenden mit Ausbauchungen versehenen Mischer und den
vorangehend beschriebenen verbesserten Versionen) sind sorgfältig konstruiert,
um die Vorteile der niederfrequenten Geräuschreduktion einzufangen und
dabei nicht die höheren
Frequenzen so weit zu verstärkten,
dass die Vorschriftsschwellenwerte überschritten werden. Dennoch
trägt jede
Modifikation eines existierenden Mischers mit der Absicht, seine
akustischen Eigenschaften zu verbessern, das Risiko in sich, dieses vorsichtig
abgestimmte Gleichgewicht zu zerstören.
-
US-A-4
226 084 beschreibt ein Fluidmischsystem, welches einen mit Ausbauchungen
versehenen Mischerkörper
aufweist zum Ineinanderlegen von zwei Fluidströmungen vor dem Abgeben dieser Strömungen in
eine Hauptmischzone, und einen Fluidverbindungsweg zum Induzieren
einer Menge an Fluid, so dass dieses von einer der Strömungen in
die andere der Strömungen
vor der Hauptmischzone strömt.
-
US-A-4
819 425 beschreibt ein geräuschunterdrückendes
Mischsystem zum Vermischen einer ersten und einer zweiten Fluidströmung, aufweisend:
einen
Mischerkörper,
der eine Grenze zwischen der ersten und der zweiten Fluidströmung definiert;
wobei
der Mischerkörper
einen vorderen Rand und einen hinteren Rand hat, wobei der hintere
Rand den strömungsaufwärtigen Extrembereich
der Hauptmischzone definiert, wobei der Mischerkörper eine Mehrzahl von alternierenden
Ausbauchungen und Trögen
hat, wobei jede Ausbauchung und jeder Trog einen Ursprung hat und
sich in Längsrichtung
von dem Ursprung zu dem hinte ren Rand erstreckt, wobei die Ursprünge der
Ausbauchungen und der Tröge kollektiv
eine Ursprungsposition definieren;
wobei das Mischsystem einen
Fluidverbindungsweg zwischen der ersten und der zweiten Strömung hat.
-
Die
vorliegende Erfindung ist gegenüber US-A-4
819 425 dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidverbindungsweg so
angeordnet ist, dass er eine Menge an Fluid veranlasst, von einer
der Strömungen
in die andere der Strömungen
an einem Ort zu strömen,
der in Längsrichtung
strömungsaufwärts von
der Ursprungsposition angeordnet ist, um so die Geräuschemissionen
des Mischsystems zu verringern.
-
Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ist der Fluidverbindungsweg eine Reihe von Querverbindungsöffnungen,
und gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung ist der Fluidverbindungsweg ein im wesentlichen nicht
unterbrochener Querverbindungsschlitz.
-
Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung, die insbesondere zur Verwendung in einem Flugzeugturbinentriebwerk
angepasst ist, weist das Mischsystem einen Mischerkörper auf,
der eine Grenze zwischen einer radial inneren und einer radial äußeren Fluidströmung etabliert.
Der Mischerkörper hat
einen vorderen Rand, einen hinteren Rand und eine Mehrzahl von umfangsmäßig alternierenden Ausbauchungen
und Trögen,
wobei jeder einen Ursprung hat und sich in Längsrichtung zu dem hinteren Rand
erstreckt. Querverbindungsöffnungen
sind in Längsrichtung
vor dem Mischerkörper
angeordnet, so dass ein Differenzdruck zwischen den Strömungen eine
Menge an Fluid veranlasst, von der inneren Strömung in die äußere Strömung zu
strömen
und so die Geräuschemissionen
der Maschine verringert.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zum Vermischen von einer ersten und einer zweiten in Längsrichtung
strömenden,
im wesentlichen gegenseitig isolierten Fluidströmung, aufweisend:
Einbringen
einer Menge von Fluid von einer der Strömungen in die andere der Strömungen und
so Verringern der Menge an Fluid in der einen Strömung und Erhöhen der
Menge an Fluid in der anderen Strömung,
Ineinanderlegen
der Strömungen;
und
Kombinieren der ineinander gelegten, verringerten und erhöhten Strömungen zu
einer vermischten Gesamtströmung;
dadurch
gekennzeichnet, dass das Einbringen des Fluids vor dem Ineinanderlegen
der Strömungen
erfolgt.
-
Der
Hauptvorteil des Verwendens der Erfindung zumindest in ihren bevorzugten
Ausführungsformen
ist das Realisieren von Geräuschniveaus,
die niedriger sind als die, die mit einem mit Ausbauchungen versehenen
Mischer des Stands der Technik erzielbar waren. Wenn die Erfindung
in das Ausströmsystem
einer Turbinenmaschine integriert ist, ist die Geräuschverringerung
besonders attraktiv, da sie auf akustische Frequenzen konzentriert
ist, die besonders störend
sind und deshalb in den Formeln besonders stark bestraft werden,
die zum Überprüfen der Übereinstimmung
mit den Vorschriften verwendet werden. Die Erfindung hat einen geringen
oder keinen negativen Effekt auf die Maschinenleistung, die Maschinenbetriebseigenschaften
oder die Komplexität
des Ausströmsystems.
Außerdem
kann die Erfindung einfach und wenig aufwändig in Maschinen inkorporiert
werden, die bereits mit Ausbauchungen versehen Mischer des Stands
der Technik haben.
-
Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nun nur beispielhaft und mit Bezugnahme auf
die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
-
1 ist eine Seitenansicht
des hinteren Endes bei der Turbobläsermaschine mit vermischer Strömung, die
teilweise weggeschnitten ist, um ein internes Fluidmischsystem zu
exponieren, welches einen Mischerkörper mit Reihen von umfangsmäßig alternierenden
Ausbauchungen und Trögen
zum Vermischen konzentrischer innerer Fluidströmung und äußerer Fluidströmung.
-
2 ist eine im wesentlichen
in der Richtung 2-2 von 1 genommene
Ansicht des Mischerkörpers.
-
3 ist eine vergrößerte Seitenansicht
eines Teils des Abgasmischsystems von 1,
die eine typische Ausbauchung und einen typischen Trog, einen Fluidverbindungsweg
zwischen der inneren und der äußeren Strömung und
eine Verkleidung zum Führen
der äußeren Strömung über die
Ausbauchungen und in die Tröge
zeigt.
-
4 ist eine Ansicht ähnlich der
von 3, die eine alternative
Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
-
5 ist eine perspektivische
Ansicht eines sich umfangsmäßig erstreckenden
Segments der Verkleidung der 3 und 4.
-
6 ist eine vergrößerte Ansicht
eines in 3 sichtbaren
Führungsrings.
-
7 ist eine vergrößerte Ansicht
des Führungsrings,
die im wesentlichen in der Richtung 7-7 von 6 genommen ist.
-
8 ist eine schematisch abgewickelte
Ansicht eines Teils des Mischsystems der vorliegenden Erfindung,
die den Fluidverbindungsweg zeigt, wie er durch Querverbindungsöffnungen,
die selektiv angeordnet sind, dass sie in umfangsmäßiger Ausrichtung mit
den Trögen
des Mischerkörpers
sind, beispielhaft dargestellt ist.
-
9 bis 11 sind grafische Darstellungen der Maschinentestdaten
bei jedem der drei Maschinenleistungsniveaus, welche die akustische
Leistung eines Mischsystems des Stands der Technik mit der akustischen
Leistung von zwei Ausführungsformen des
Mischsystems der vorliegenden Erfindung vergleichen.
-
1 zeigt ein Abgasmischsystem 12 für eine Turbinenmaschine.
Die Maschine hat einen Zentralkörper 14,
der um eine sich in Längsrichtung erstreckende
Mittelachse 16 angeordnet ist. Das Ausströmsystem
weist einen Mischerkörper 12 mit Wellen,
beispielsweise die Welle 22, auf, die radial von der Zentralachse
weg divergiert, und Welle 24, die radial in Richtung zur
Zentralachse konvergiert. Die divergenten und die konvergenten Wellen
definieren eine Mehrzahl von transversal (d. h. umfangsmäßig) alternierenden
Ausbauchungen 26 und Trögen 28,
die durch im wesentlichen radial verlaufende Seitenwände 32 miteinander
verbunden sind. Das Ausströmsystem
ist von einem Maschinengehäuse 34 und
einer Ausströmdüse 36 umgeben.
Eine Reihe von Abstützstreben 38 erstreckt
sich radial zwischen dem Mischerkörper und dem Gehäuse, um
den Mischerkörper
abzustützen.
Der Mischerkörper
definiert eine Grenze zwischen einer ersten, radial inneren Fluidströmung 42,
die durch die offenen Pfeilspitzen dargestellt ist, und einer zweiten,
radial äußeren Fluidströmung 44,
die durch die gefüllten
Pfeilspitzen dargestellt ist. Die innere Fluidströmung ist
eine Strömung
von heißen
Verbrennungsprodukten mit hoher Geschwindigkeit, und die äußere Strömung ist
eine Strömung
von relativ kühler
Luft mit relativ niedriger Geschwindigkeit. Wie man am besten in 2 erkennt, bewirkt der Mischerkörper, dass
sich die innere Strömung
und die äußere Strömung, die
in Längsrichtung
strömen,
umfangsmäßig ineinander
legen. Man sollte erkennen, dass die Kennzeichnung einer Welle 22, 24 entweder
als Ausbauchung oder als Trog eine Frage der Perspektive ist. Eine
divergente Welle 22 ist eine Ausbauchung Lo aus
der Perspektive der äußeren Strömung und
ist ein Trog Ti aus dem Standpunkt der inneren
Strömung.
Umgekehrt ist eine konvergente Welle 24 eine Ausbauchung
Li aus der Perspektive der inneren Strömung und
ist ein Trog To aus der Ansicht der äußeren Strömung. Aus Gründen der
Bequemlichkeit und der Einfachheit werden die Wellen regelmäßig nur
aus der Perspektive der äußeren Strömung in
dieser Beschreibung bezeichnet. Jedoch soll damit keine Einbuße an Allgemeinheit
in den angefügten
Ansprüchen
bewirkt werden.
-
Es
wird nun auf die 3 Bezug
genommen. Der Mischerkörper 18 hat
einen vorderen Rand 48 und einen hinteren Rand 52,
wobei der hintere Rand den in Längsrichtung
vordersten (oder am weitesten strömungsaufwärts befindlichen) Extrembereich
einer Hauptmischzone 54 definiert. Jede Ausbauchung 26 und
jeder Trog 28 hat einen Ursprung 56, wobei die
Ursprünge
kollektiv eine sich umfangsmäßig erstreckende
Ursprungsposition 58 definieren. Die Ausbauchungen und
Tröge erstrecken
sich in Längsrichtung
von ihren Ursprüngen 56 zu
dem hinteren Rand 52 des Mischerkörpers. Ein Führungsring 60, den
man detaillierter in den 6 und 7 erkennt, erstreckt sich über die Öffnung 62 zwischen
dem vorderen Ende des Mischerkörpers
und dem hinteren Ende eines Turbinenausströmgehäuses 64, um das vordere
Ende des Mischerkörpers
abzustützen.
Der Führungsring 60 ist
mit dem Turbinenausströmgehäuse 64 durch
eine Reihe von Befestigungselementen 66 verbunden. Das
hintere Ende des Führungsrings
umgibt das vordere Ende des Mischerkörpers, um eine schwache Presspassverbindung 68 zu
bilden. Eine Verkleidung 72, die mehrere sich umfangsmäßig erstreckende
Segmente aufweist, von denen eines in der 5 gezeigt ist, hat umfangsmäßig alternierende
Rampen 76 und Rinnen 78, die jeweils mit Ausbauchungen
und Trögen
des Mischerkörpers ausgerichtet
sind, um die äußere Strömung glatt über die
Ausbauchungen und in die Tröge
zu führen.
Die Verkleidung ist von dem Mischerkörper von einem Satz von umfangsmäßig verteilten
Stützen 82a, 82b abgestützt. Die
Stützen
sind mit den Rampen und Rinnen verschraubt und sind mit dem Mischerkörper an
Schweißverbindungen 84a, 84b verbunden,
um das hintere Ende der Verkleidung abzustützen. Das Turbinenausströmgehäuse 64 und
der Mischerkörper 18 definieren
eine radial äußere Grenze
der ersten oder inneren Strömung 42 und
eine radial innere Grenze der zweiten oder äußeren Strömung 44.
-
Das
Mischsystem weist auch einen Fluidverbindungsweg 88 zwischen
der ersten und der zweiten Strömung
auf, der vor der Hauptmischzone 54 angeordnet ist. Der
Fluidverbindungsweg ist auch in Längsrichtung derart angeordnet,
dass ein unterschiedlicher Druck zwischen den Strömungen eine gewisse
Menge an Fluid veranlasst, von einer der Strömungen in die andere der Strömungen zu
strömen.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist, wie man es am besten in den 6 und 7 erkennt, der Fluidverbindungsweg
eine Reihe von umfangsmäßig verteilten
Querverbindungsöffnungen 92 in
dem Führungsring 50.
Alternativ kann der Verbindungsweg ein umfangsmäßig nicht unterbrochener Querverbindungsschlitz 94 sein,
wie in 4 gezeigt. Ein
Querverbindungs schlitz kann durch das Weglassen des Führungsrings 16 geschaffen
sein, um so einen Vorteil aus der Öffnung 62 zwischen
dem Turbinenausströmgehäuse 64 und
dem Mischerkörper 18 zu
ziehen. Jedoch kann die alternative Ausführungsform auch eine Ersatzabstützung erfordern,
um die Abwesenheit des Führungsrings
zu kompensieren, da der Führungsring
zur Abstützung
des Mischerkörpers beiträgt.
-
Jede
Querverbindungsöffnung 92 ist
in Längsrichtung
vor der Ursprungsposition 58 angeordnet. Da die Öffnungen
durch den Führungsring 60 gehen,
sind sie auch vor dem vorderen Rand 48 des Mischerkörpers angeordnet.
Entsprechend ist der Querverbindungsschlitz 94 der alternativen
Ausführungsform
vor der Ursprungsposition und vor dem Vorderrand des Mischerkörpers angeordnet.
Wie nachfolgend detaillierter beschrieben werden wird, kann diese
Positionierung der Öffnungen
oder des Schlitzes vorne vorteilhaft sein. Außerdem legen Testexperimente
nahe, dass eine umfangsmäßige Ausrichtung
der Querverbindungsöffnungen
mit den Trögen
der äußeren Strömung auch
vorteilhaft sein kann.
-
Beim
Betrieb strömen
die erste und die zweite Fluidströmung 42, 44,
die im wesentlichen wechselseitig voneinander durch das Turbinenursprungsgehäuse 64 und
den Mischerkörper 18 isoliert
sind, in Längsrichtung
durch die Maschine. Ein Differenzdruck zwischen den Strömungen veranlasst,
dass eine geringe Menge an Fluid mittels des Fluidverbindungswegs 18 von
einer der Strömungen
abströmt und
in die andere eingebracht wird. Die Strömungen, von denen eine durch
die diese Menge an Fluid verringert ist und die andere um diese
Menge an Fluid erhöht
ist, werden in den Mischerkörper
geführt,
wo sie umfangsmäßig ineinander
gelegt werden. Das Einbringen des Fluids geht dem Ineinanderlegen
der Strömungen
voraus, wie in den gezeigten Ausführungsformen der 3 und 4. Die ineinander gelegten, verringerten
und erhöhten
Strömungen
werden dann von dem Mischerkörper
in die Hauptmischzone 54 abgegeben, wo sie zu einem vermischten
zusammengeführten
Strömung
kombinieren. Wie das der Fall ist bei einem konventionellen mit
Ausbauchungen versehenen Mischer, fördert das umfangsmäßige Ineinanderlegen
das teilweise Vermischen der Strömungen
in der Hauptmischzone und unterdrückt so Geräuschemissionen. Jedoch anders
als bei einem konventionellen Mischer bringt der Mischer der vorliegenden
Erfindung eine Menge an Fluid von einer der Strömungen in die andere Strömung in
Reaktion auf eine Druckdifferenz zwischen den beiden Strömungen ein
und verringert so Ausströmgeräuschemissionen
auf Niveaus, die niedriger sind als die mit dem konventionellen
Mischer erzielbaren. Obwohl die zugrunde liegenden Mechanismen,
die für die
verringerten Geräuschemissionen
verantwortlich sind, nicht vollständig verstanden sind, glaubt
man, dass die Menge an Fluid, das von der einen Strömung abgeleitet
wird und in die andere Strömung
eingebracht wird, ein Vorvermischen im kleinen Maßstab mit
dem Fluid in der anderen Strömung
erfährt, und
dass die Geräuschverringerung
dieser Vorvermischung in kleinem Maßstab zurechenbar ist. Es kann jedoch
vorteilhaft sein, das abgeleitete Fluid so weit vor der Hauptmischzone
einzubringen, wie das vernünftig
möglich
ist und so die Gelegenheit für
eine vollständige
Vorvermischung in kleinem Maßstab
zu maximieren.
-
In
einer Turbinenmaschine sind die genannten Fluidstörmungen
eine radial innere Strömung
von heißen
Verbrennungsprodukten mit hoher Geschwindigkeit und eine radial äußere Strömung mit
relativ kühler
Luft mit relativ langsamer Geschwindigkeit. Wenn die Menge des von
einer der Strömungen
abgezweigten und in die andere der Strömungen eingebrachten Fluids übermäßig ist,
können
die Betriebseigenschaften der Maschine in einer nicht akzeptablen
Weise verschlechtert werden. Beispielsweise lässt bei einer typischen Turbinenmaschine
der Differenzdruck eine Menge an Verbrennungsprodukten aus der inneren
Strömung 42 in
die äußere Strömung 44 strömen. Wenn
die eingebrachte Menge an Verbrennungsprodukten übermäßig ist, kann die aeroelastische
Stabilität
der Bläser-Strömungsprofile
(nicht gezeigt), die an dem vorderen Ende der äußeren Strömung angeordnet sind, beeinträchtigt sein.
Als ein weiteres Beispiel kann die erhöhte Temperatur der in die äußere Strömung eingebrachten
heißen Verbrennungsprodukte
die Betriebslebensdauer der Teile, beispielsweise der Verkleidung 72,
die für
eine kühlere
Umgebung ausgelegt sind, beeinträchtigen. Deshalb
ist die Menge an Fluid, das veranlasst wird, von einer Strömung in
die andere zu strömen,
derart ausgewählt,
dass sie ausreichend ist, Geräuschemissionen
der Maschine zu verringern, ohne in unakzep tabler Weise deren andere
Betriebseigenschaften zu beeinflussen. In der in 3 gezeigten Ausführungsform wird das Fluid veranlasst,
von der inneren Strömung
in die äußere Strömung zu
strömen und
eine Fluidmenge von etwa 1% der Menge (d. h. der Massenströmungsrate)
des in der inneren Strömung
strömenden
Fluids hat sich als effektiv herausgestellt. Bei der gezeigten Ausführungsform
wird die Massenströmungsrate
des Fluids von der inneren Strömung
zu der äußeren Strömung durch
die Fläche des
ringförmigen
Spalts 74 zwischen der Verkleidung und dem Mischerkörper reguliert.
-
Die
Dreifachkurven der 9 bis 11 zeigen den vorteilhaften
Effekt der Erfindung, wie er während
Testexperimenten eines Flugzeug-Turbobläsertriebwerks mit vermischter
Strömung
mit einem Mischerkörper
mit 18 Ausbauchungen, wie man in 2 erkennt,
beobachtet wurde. Die Tests wurden mit Schalldruckumwandlern 96 durchgeführt, die
in umfangsmäßiger Ausrichtung
mit einer Ausbauchung 26, mit einem Trog 28 und
mit einer Seitenwand 32 angeordnet waren. Die Testergebnisse
eines Turbinentriebwerks der älteren
Generation (insbesondere dem JT8D-15-Modell-Triebwerk, welches von
der Inhaberin der vorliegenden Anmeldung hergestellt wird), wobei
das Triebwerk bei einem Leistungsniveau, das äquivalent zu 100% Startschub
ist, arbeitet, sind in den Kurven der 9 gezeigt.
Die Abszisse an jeder Kurve (Ein-Drittel-Oktavenband-Mittelfrequenz (one third
octave band center frequency), die auf einer logarithmischen Skala
gezeigt ist) ist ein häufig
verwendeter akustischer Parameter, der eine Bandbreite oder einen
Bereich von Frequenzen zu beiden Seiten einer jeden gezeigten Mittenfrequenz
repräsentiert.
Die Ordinate an jeder Kurve ist das Schalldruckniveau, eine logarithmische Darstellung
der akustischen Energie, die in dem angegebenen Frequenzbereich
vorhanden ist. Insbesondere ist die Ordinate 20 [log10 (P/PREF)], wobei
P ein Schalldruck ist, der von einem Umsetzer 96 gemessen
ist, und PREF ein Referenzdruck von 20 mP (normalerweise
gedacht als "Hörschwelle") ist. Beispielsweise
repräsentieren
die Datenpunkte bei der 1000 Hz Mittenfrequenz den akustischen Energiegehalt
eines sich von 891 Hz bis 1122 Hz erstreckenden Frequenzbandes.
Jede Kurve zeigt das Schalldruckniveau mit einem Querverbindungsschlitz
("B" Datensymbole) und
einer Reihe von Querverbindungsöffnungen
("C" Datensymbole), die
unmittelbar vor dem Vorderrand des Mischerkörpers angeordnet sind. Das
oh ne Fluidverbindungsweg zwischen den Fluidströmungen beobachtete Schalldruckniveau
ist durch die "A" Datensymbole angezeigt.
Wie man in der Figur erkennt, ist eine Verringerung des Schalldruckniveaus
den Testkonfigurationen zugeordnet, die entweder Querverbindungsöffnungen
oder einen Querverbindungsschlitz haben. Die in dem Frequenzbereich
von etwa 500 Hz bis 4000 Hz evidente Geräuschverringerung ist besonders
beachtenswert, da Geräuschemissionen
in diesem Frequenzbereich in den Formeln stark bestraft werden,
die die US-Regierung nutzt, um die Übereinstimmung mit den Vorschriften
zu ermitteln. Experimentelle Testergebnisse, die bei einer bei Leistungsniveaus
von etwa 92% und 66% des Startschubs genommen wurden, sind in 10 bzw. 11 gezeigt.
-
Die 9 bis 11 zeigen auch, dass die Schalldruckverringerung
am größten ist,
wenn sie durch die Druckumwandler festgestellt wurden, die umfangsmäßig mit
einem Trog in der äußeren Fluidströmung ausgerichtet
sind. Diese Beobachtung legt nahe, wenn auch nicht schlüssig, dass
ein umfangsmäßig selektives
Einbringen von Fluid vorteilhaft sein kann. Folglich kann ein Mischsystem
mit Querverbindungsöffnungen,
die im wesentlichen transversal (d. h. umfangsmäßig) mit den Trögen der
Strömung
ausgerichtet sind, in die die Fluidmenge eingebracht wird (8) vorteilhaft sein.
-
Somit
kann man erkennen, dass zumindest in ihren bevorzugten Ausführungsformen
die vorliegende Erfindung die akustischen Eigenschaften eines Fluidmischsystems
mit einem Mischerkörper
mit Ausbauchungen verbessert und dies tut, ohne in das Mischsystem
eine übermäßig Komplexität einzubringen.
Sie erzielt ferner die verbesserten akustischen Eigenschaften mit
höchstens
wenig oder keiner Verstärkung
der höheren,
störenderen
akustischen Frequenzen. Wenn das Fluidmischsystem in dem Ausströmsystem
eines Flugzeugturbinentriebwerks verwendet wird, verbessert es zusätzlich die
akustischen Eigenschaften des Ausströmsystems, ohne die Triebwerks-
oder Flugzeug-Leistung negativ zu beeinflussen. Es liefert auch
wieder im Kontext eines Flugzeugtrurbinentriebwerks akustische Verbesserungen,
die schnell und günstig
in Triebwerke inkorporiert werden können, die bereits mit einem
mit Ausbauchungen versehenen Mixer versehen sind.
-
Die
Erfindung kann einfach und günstig
in Maschinen inkorporiert werden, die ursprünglich in einer Ära entworfen
wurden, als es keine Geräuschvorschriften
gab oder diese nach heutigem Standard weit weniger stringent waren.
Von Bedeutung ist auch, dass die Erfindung auch einfach in Maschinen nachgerüstet werden
kann, die bereits in Betrieb sind. Beispielsweise kann eine Maschine
mit einem mit Ausbauchungen versehenen Mischer mit einem mit Öffnungen
versehenen Führungsring 60 anstelle des
konventionellen Führungsrings
ohne Öffnungen montiert
werden, der sich üblicherweise über die Öffnung 62 erstreckt.
Alternativ kann der Führungsring vollständig weggelassen
werden, vorausgesetzt, dass der Mischerkörper 18 geeignet abgestützt ist.
-
Die
Erfindung wurde in dem Kontext einer Turbinenmaschine mit vermischter
Strömung
mit konzentrischen Fluidströmen
beschrieben, von denen der äußerste durch
ein Maschinengehäuse 34 begrenzt
ist. Die Erfindung umfasst jedoch auch Geräte und Verfahren zum Vermischen
von Fluidströmen,
von denen einer nicht begrenzt ist. Außerdem umfasst die Erfindung
Geräte
zum Vermischen nicht-konzentrischer Fluidströme, beispielsweise von Fluidströmen, die
durch parallele Führungen – nicht notwendigerweise
mit kreisförmigem
Querschnitt – strömen. Diese
und andere Änderungen
und Modifikationen können
vorgenommen werden, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen,
wie sie in den begleitenden Ansprüchen beschrieben ist.