EP0020508B1

EP0020508B1 - Schalldämpfer für kolben-flugmotoren

Info

Publication number: EP0020508B1
Application number: EP79901368A
Authority: EP
Inventors: Phillip Erich Stauch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-10-21
Filing date: 1980-05-07
Publication date: 1982-09-08
Also published as: DE2845902C2; ATE1530T1; WO1980000861A1; BR7908869A; DE2845902A1; JPS55500832A; EP0020508A1; US4315560A

Description

Die Erfindung betrifft einen Schalldämpfer für Kolben-Flugmotoren mit inneren Lochblechen und mindestens einem rohrförmigen Anschlussstutzen zum Anschluss an eine Abgasleitung, der einen rechteckigen Querschnitt mit in Durchströmrichtung sich ändernder Konfiguration aufweist, in dem die den langen Seiten des Rechtecks zugeordneten vorderen und hinteren Aussenbleche in Durchströmrichtung zueinander bis zu einer schlitzartigen Austrittsöffnung konvergieren und die den kürzeren Seiten des Rechteckes zugeordneten seitlichen Abschlussbleche in Durchströmrichtung zueinander bis zur schlitzartigen Austrittsöffnung divergieren. Die Erfindung geht damit aus von der GB-A-278 857, in der ein Schalldämpfer mit paarweise gegenüberliegenden konvergierenden und divergierenden Aussenblechen beschrieben ist. Diese Konfiguration eines Schalldämpfers wurde gewählt, um die bis zur schlitzartigen Austrittsöffnung konvergierenden Bleche federnd ausbilden zu können, so dass im Bereich der Austrittsöffnung eine Art Rückschlagventil gebildet wird. Im Rahmen der Erfindung wird diese bekannte Konfiguration eines Schalldämpfers zu einem anderen Zweck als Ausgangspunkt ausgewählt.
Propeller-Flugzeuge mit Kolben-Flugmotorenantrieb, die in der Hauptsache als private Reise-und Sportflugzeuge Verwendung finden, haben normalerweise.keine Schalldämpfer. Die behördlich festgesetzten Lärmgrenzwerte machen es daher erforderlich, die Motoren so auszulegen, dass der Auspufflärm diese Grenzwerte nicht übersteigt. Man hat also keine freie Hand, die Ventilzeiten und die Drehzahl im Hinblick auf eine mögliche Höchstleistung des Motors zu optimieren. Letztlich führen die behördlichen Vorschriften über Lärmgrenzwerte zu einer Art Drosselung der Flugmotoren, solange sie ohne Schalldämpfer arbeiten. Andererseits bedeuten jedoch ein Schalldämpfer stets einen gewissen Leistungsverlust.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen Schalldämpfer für Kolben-Flugmotoren zu schaffen, der den Lärmpegel herabsetzt, ohne die drehzahlabhängige Leistung des Flugmotors zu beeinträchtigen. Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale a) und b) erzielt. Hierbei wird im Rahmen der Erfindung die äussere Gestaltung eines bekannten Schalldämpfers benutzt, der einen rechteckigen Querschnitt mit in Durchströmrichtung sich ändernder Konfiguration besitzt. Durch die Divergenz der seitlichen Abschlussbleche, die graduell grösser ist als die Konvergenz der die langen Seiten des Querschnitt-Rechteckes darstellenden vorderen und hinteren Aussenbleche, werden die Oberflächen der konvergierenden Aussenbleche bis zur schlitzartigen Austrittsöffnung stark vergrössert, ohne dass die Querschnittsfläche des Innenraumes des Schalldämpfers in Durchströmrichtung zunehmen muss. Dies ist eine Voraussetzung zur Lösung der gestellten Aufgabe durch die Merkmale a) und b), durch die innerhalb der sich in Durchströmrichtung verbreiternden Aussenbleche Kühlkammern geschaffen werden, in die die Abgase über parallel zu den Aussenblechen verlaufende Lochbleche einströmen. Da an den Aussenblechen der Propellerwind vorbeistreicht, erfahren die Abgase innerhalb der Kühlkammern vor ihrem Austritt eine Abkühlung, die von einer Volumenabnahme begleitet ist. Diese Volumenabnahme ist der neuartige Effekt des Schalldämpfers gemäss der Erfindung, denn sie übt einen gewissen Sog auf die pulsierenden Schallwellen am Eingang des Schalldämpfers aus und wirkt insoweit glättend.
Es wird empfohlen, zwischen dem Bereich der Abkühlkammern und dem Anschlussstutzen eine von den Aussen- und Abschlussblechen umgrenzte Wirbelkammer vorzusehen, in der ein sich zwischen den seitlichen Abschlussblechen verlaufender leistenartiger Prallwinkel angeordnet ist. Dieser Prallwinkel wirkt als Reflexionsfläche für Schallwellen und zugleich zur Umlenkung und Aufteilung des Abgasstromes, um die Geschwindigkeitskomponente des Abgasstromes herabzusetzen und zu begünstigen, dass die Abgase in möglichst alle Löcher in den sich im wesentlichen in Strömungsrichtung erstreckenden Lochblechen eintreten.
Soweit bisher beschrieben, sind die divergierenden seitlichen Abschlussbleche, an denen ebenfalls der Propellerwind vorbeistreicht, nur im Bereich der Wirbelkammer und der Stirnseiten der beiden vorerwähnten Abkühlkammern für den Kühleffekt ausgenutzt. Durch die Merkmale des Patentanspruches 3 wird erreicht, dass Teilströme der Abgase auch im Bereich der schmalen seitlichen Abschlussflächen des Schalldämpfers der Kühlung durch vorbeistreichende Luft unterworfen werden.
Eine weitere Verbesserung des Kühleffekts ergibt sich, wenn der Schalldämpfer nach Patentanspruch 4 von einem im Bereich der seitlichen Abschlussbleche offenen Kühlschlitze durchzogen ist, der den Eintritt von Aussenluft in das Innere des Schalldämpfers erlaubt und dessen sich bis in die schlitzartige Austrittsöffnung erstreckenden Seitenwände von den Abgasen umspült sind. Die Abgase werden bei dieser Ausführungsform nicht nur durch Wärmeübergang über die konvergierenden Aussenbleche, sondern auch durch Wärmeübergang an den Wandungen des Kühlschlitzes gekühlt.
Der Querschnitt der schlitzartigen Austrittsöffnung für die Abgase soll etwa so gross sein wie der Querschnitt des Anschlussstutzens. Dies besagt, dass eine Expansion der Abgase innerhalb des Schalldämpfers nicht angestrebt wird, da ja durch starke Kühlung eine Volumenabnahme der Abgase erzielt wird. Wegen der Volumenabnahme der Abgase kann die schlitzartige Austrittsöffnung im Querschnitt sogar kleiner sein als derjenige des Anschlussstutzens.
Die Querschnittssumme der Löcher in den Lochblechen ist zweckmässig grösser als der Querschnitt des einlassseitigen Anschlussstutzens, um innerhalb des Schalldämpfers möglichst keinen Rückstau an Abgasen zu erhalten.
Die vorderen und hinteren Aussenbleche schliessen zweckmässig einen Konvergenzwinkel von 12° und die seitlichen Abschlussbleche einen Divergenzwinkel von 40° ein.
Wie bei Wärmeaustauschern an sich bekannt, können die von der Kühlluft, d.h. dem Propellerwind bestrichenen Bleche mit aufgesetzten Stegblechen versehen werden, um die wärmeübertragenden Flächen zu vergrössern und die Kühlluft zu führen.
In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele eines Schalldämpfers gemäss der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein vorderes Aussenblech einer Ausführungsform, das Aussenblech teilweise weggeschnitten,
Fig. 2 einen senkrechten Schnitt nach der Linie H-II in Fig. 1,
Fig. 3 eine Draufsicht ähnlich Fig. 1 einer anderen Ausführungsform,
. Fig. 4 einen Längsschnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 3,
Fig. 5 eine Draufsicht ähnlich Fig. 1 einer dritten Ausführungsform mit innerem Kühlschlitz teilweise im Längsschnitt nach der Linie V-V in Fig. 6,
Fig. 6 eine Seitenansicht von Fig. 5 und
Fig. 7 eine Ansicht von Fig. 5 von unten.

Ein Schalldämpfer gemäss der Erfindung besteht bei allen Ausführungsbeispielen aus einem rohrförmigen Anschlussstutzen 1 zum Anschluss des Schalldämpfers an eine Abgasleitung, einem rechteckigen bzw. quadratischen Übergangsflansch 2 als Anschluss für weitere Aussenwandungsteile des Schalldämpfers, die einen rechteckigen Querschnitt eines Innenraumes ergeben. Diese Aussenwandungsteile bestehen aus vorderen und hinteren Aussenblechen 3 und 4, die unter einem Winkel von etwa 12° konvergieren, wie Fig. 2 zeigt, sowie aus schmaleren seitlichen Abschlussblechen 5 und 6, die in Strömungsrichtung divergieren und einen Divergenzwinkel von etwa 40° einschliessen. Die konvergierenden Aussenbleche 3 und 4 sind in ihrer Länge so bemessen, dass sie eine schlitzartige Austrittsöffnung 7 ergeben. Die Länge der schlitzartigen Austrittsöffnung 7 ergibt sich aus der Divergenz der seitlichen Abschlussbleche 5 und 6, und es ist durch diese Abmessungsverhältnisse sichergestellt, dass der Querschnitt der schlitzartigen Austrittsöffnung 7 etwa so gross ist wie der Querschnitt des einlassseitigen Anschlussstutzens 1.
Wie der Längsschnitt nach Fig. 2 zeigt, verlaufen parallel zu und im Abstand von den zueinander konvergierenden vorderen und hinteren Aussenblechen 3, 4 ebenso konvergierende Lochbleche 8 und 9, die einströmseitig mit zu den Aussenblechen 3, 4 verlaufenden Abkantungen 8a und 9a versehen sind, so dass jedes Lochblech mit einer Abkantung, einem vorderen bzw. hinteren Aussenblech und Bereichen der seitlichen, zueinander divergierenden Abschlussbleche eine Kühlkammer 10 bzw. 11 bildet. Jede Kühlkammer läuft in die schlitzartige Austrittsöffnung 7 aus. Die Lochbleche 8 und 9 können im Bereich derAustrittsöffnung 7 zusammengeführt sein, jedoch können sie auch noch einen schmalen anteiligen Schlitz der Austrittsöffnung 7 frei lassen.
Zwischen dem Bereich der Kühlkammern 10, 11 und dem Anschlussstutzen 1 ist eine von den Aussen- und Abschlussblechen 3 bis 6 umgrenzte Wirbelkammer 12 vorgesehen, in der ein sich zwischen den seitlichen Abschlussblechen 5,6 verlaufender leistenartiger Prallwinkel 13 angeordnet ist.
Der bisher beschriebene Aufbau des Schalldämpfers gemäss der Erfindung trifft für alle Ausführungsbeispiele zu. Dies gilt auch für den Verlauf der Abgasströmung, die in Anlehnung an Fig. 1 und 2 wie folgt beschrieben wird:

Die über den Anschlussstutzen 1 und den Übergangsflansch 2 einströmenden Abgase treffen zunächst auf den leistenförmigen Prallwinkel 13 und werden hierdurch in der Wirbelkammer 12 verwirbelt. Der Prallwinkel 13 hat zusätzlich die Wirkung, eine Schalldämpfung durch Reflexion herbeizuführen. Die Abgase treten dann in den sich verengenden Zwischenraum 14 zwischen den Kühlkammern 10 und 11 ein und werden über die Löcher 15 der Lochbleche 8 und 9 von den Kühlkammern 10. und 11 aufgenommen. In der rechten Hälfte von Fig. 1 ist dargestellt, dass die Abgase von unterhalb des Lochbleches 8 durch die Löcher 15 in die Kühlkammer 10 in Pfeilrichtung eintreten, da in der rechten Hälfte von Fig. 1 das vordere Aussenblech 3 teilweise weggeschnitten dargestellt ist. Der sich verengende Zwischenraum 14 fördert das Übertreten der Abgase in die Kühlkammern 10, 11, wogegen die Divergenz der seitlichen Abschlussbleche 5,6 eine Ausweitung des Abgasstromes in Längsrichtung der schlitzartigen Austrittsöffnung 7 begünstigt. Wesentlich ist, dass die Abgase innerhalb der Kühlkammern 10, 11 an den vom Propellerwind beaufschlagten breiter werdenden Aussenblechen 3, 4 vorbeistreichen und dadurch gekühlt werden.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 sind die ebenfalls vom Propellerwind beaufschlagten seitlichen Abschlussbleche 5, 6 zwar ebenfalls von innen von Abgasen beaufschlagt, jedoch ist die Oberfläche der seitlichen Abschlussbleche 5, 6 verhältnismässig klein. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 und 4 sind daher ausserhalb der seitlichen Abschlussbleche 5, 6 Abkühlhauben 16 und 17 vorgesehen, deren kanalartige Innenräume über Löcher 18 im oberen Bereich der Abschlussbleche 5, 6 mitderWirbelkammer 12 in Verbindung stehen. Im unteren Bereich stehen die Innenräume der Abkühlhauben 16, 17 über Löcher 19 auch mit den beiden Kühlkammern 10, 11 in Verbindung, so dass zwei Teilströme aus der Wirbelkammer 12 in die Abkühlhauben und von dort in die unten offenen Abkühlkammern 10, 11 gehen. Der Strömungsverlauf der Abgase ist in Fig. 3 durch Pfeile dargestellt, und zwar in der rechten Zeichnungshälfte, in der das vordere Aussenblech 3 sowie eine Seitenwand der Abkühlhaube 16 weggeschnitten sind. In der Schnittdarstellung nach Fig. 4 erkennt man den Eintritt von Stromfäden durch die Löcher 19 in den Randbereichen des seitlichen Abschlussbleches 5 in die Kühlkammern 10 und 11. Im unteren Bereich von Fig. 4 ist ein Teil der Abkühlhaube 17 in Ansicht erkennbar.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 bis 7 entspricht im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2. Die Abweichung besteht in einem inneren Kühlschlitz 22, der einströmseitig von dem leistenförmigen Prallwinkel 13 begrenzt ist, an dem sich ein Paar von zueinander parallelen Wänden 20 und 21 anschliesst. Diese Wände 20, 21 erstrecken sich durch den sich verengenden Zwischenraum 14 (Fig. 2) zwischen den seitlichen Kühlkammern 10,11 bis in den Bereich der Austrittsöffnung 7. Wie aus der Ansicht auf die Austrittsöffnung nach Fig. 7 hervorgeht, liegt derAustrittsschlitz 23 für den Kühlschlitz 22 zwischen den partiellen Austrittsschlitzen 24, 25 der Kühlkammern 10, 11. Der Kühlschlitz 22 ist seitlich zum Eintritt von Kühlluft dadurch offen, dass die seitlichen Abschlussbleche 5, 6 über den Abstand der Wände 20, 21 geöffnet sind, wie aus der Schnittdarstellung nach Fig. 5, rechte Hälfte, hervorgeht. Hier ist auch mit gestrichelt eingezeichneten Pfeilen die Richtung der einströmenden Kühlluft dargestellt, wogegen in allen anderen Figuren die durchgezogenen Pfeile die Strömungsrichtung von Abgasen bedeuten.
Wie aus Fig. 5 und 6 hervorgeht, sind auf die seitlichen Abschlussbleche 5, 6 beiderseits des Kühlschlitzes 22 je ein Paar von Stegblechen 26,27 aufgesetzt, die nicht nur die wärmeübertragenden Flächen zur Verbesserung des Kühleffekts vergrössern, sondern auch zur Führung der Kühlluft dienen. Wie Fig. 6 zeigt, verläuft ein Paar von Stegblechen 27 in Strömungsrichtung derart geneigt zueinander, dass der von oben kommende Kühlluftstrom durch Verengung eines Strömungskanals in den Kühlschlitz 22 hineingezwungen wird.
Amtliche Schallpegelmessungen nach den Richtlinien des LBA 11/144-606.4/75 für das Flugzeug D-EHFM haben in vier Messflügen ergeben, dass der Schallpegel von durchschnittlich 76dB (A), gemessen ohne Schalldämpfer, sich bei Einsatz von Schalldämpfern gemäss der Erfindung verringert auf durchschnittlich 72dB (A). Gleichzeitig wurde festgestellt, dass die max. Motordrehzahl von normal 2 700 U/min bei Einsatz von Schalldämpfern gemäss der Erfindung um 150U/min anstieg und wieder zurückgenommen werden musste. Dies ist ein Beweis dafür, dass durch den Schalldämpfer gemäss der Erfindung nicht nur der Schallpegel herabgesetzt wird, sondern überraschenderweise die Motordrehzahl und damit die Motorleistung anstiegen.

Claims

1. Schalldämpfer für Kolben-Flugmotoren mit inneren Lochblechen und mindestens einem rohrförmigen Anschlussstutzen zum Anschluss an eine Abgasleitung, der einen rechteckigen Querschnitt mit in Durchströmrichtung sich ändernder Konfiguration, in dem die den langen Seiten des Rechtecks zugeordneten vorderen und hinteren Aussenbleche (3, 4) in Durchströmrichtung zueinander bis zu einer schlitzartigen Austrittsöffnung (7) konvergieren und die den kürzeren Seiten des Rechtecks zugeordneten seitlichen Abschlussbleche (5, 6) in _' Durchströmrichtung von einander bis zur schlitzartigen Austrittsöffnung divergieren, gekennzeichnet durch:

a) parallel zu und im Abstand von den zueinander konvergierenden vorderen und hinteren Aussenblechen (3,4) verlaufende, konvergierende Lochbleche (8, 9) mit einströmseitigen, bis zu den konvergierenden Aussenblechen verlaufenden Abkantungen (8a, 9a), so dass jedes Lochblech mit einer Abkantung, einem vorderen bzw. hinteren Aussenblech (3, 4) und Bereichen der seitlichen voneinander divergierenden Abschlussbleche (5, 6) eine in die schlitzartige Austrittsöffnung (7) offen auslaufende Kühlkammer (10, 11) bilden,

b) die die Abgase aus dem sich verengenden Zwischenraum (14) zwischen den konvergierenden Lochblechen (8, 9) über deren Löcher (15) aufnehmen und im Bereich der schlitzartigen Austrittsöffnung austreten lassen, wobei die Abgase nach ihrer Umlenkung in die Kühlkammern (10,11) an den Aussen- und seitlichen Abschlussblechen vorbeistreichen, die mindestens teilweise von dem Propellerwind beaufschlagt sind.

2. Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Bereich der Kühlkammern (10, 11) und dem Anschlussstutzen (1) eine von den Aussen- und Abschlussblechen umgrenzte

a) Wirbelkammer (12) vorgesehen ist, in der ein sich zwischen den seitlichen Abschlussblechen (5, 6) verlaufender leistenartiger

b) Prallwinkel (13) angeordnet ist.

3. Schalldämpfer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ausserhalb der seitlichen Abschlussbleche (5, 6)

a) Abkühlhauben (16, 17) vorgesehen sind, deren kanalartigen Innenräume über

b) Löcher (18, 19) in den seitlichen Abschlussblechen sowohl mit der Wirbelkammer (12) als auch mit den beiden Kühlkammern (10, 11) in Verbindung stehen,

c) so dass zwei Teilströme der Abgase aus der Wirbelkammer in die Abkühlhauben und von dort in die offenen Kühlkammern geleitet sind.

4. Schalldämpfer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Prallwinkel (13) ein Paar von zueinander parallelen Wänden (20,21) angeschlossen ist, die einen in dem sich verengenden Zwischenraum (14) zwischen den Kühlkammern (10, 11) verlaufenden

a) Kühlschlitz (22) bilden, der im Bereich der seitlichen Abschlussbleche zum Eintritt der Aussenluft offen ist und in

b) eine eigene schlitzartige Austrittsöffnung (23) ausläuft.

5. Schalldämpfer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der schlitzartigen Austrittsöffnung (7) für die Abgase etwa so gross ist wie der Querschnitt des Anschlussstutzens (1).

6. Schalldämpfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittssumme der Löcher (15) in den Lochblechen (8,9) grösser ist als der Querschnitt des Anschlussstutzens (1).

7. Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderen und hinteren Aussenbleche <3,4) einen Konvergenzwinkel von etwa 12° und die seitlichen Abschlussbleche (5, 6) einen Divergenzwinkel von etwa 40° einschliessen.

8. Schalldämpfer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch auf die von Kühlluft bestrichenen Bleche (5, 6) aufgesetzte Stegbleche (26, 27) zur Vergrösserung der wärmeübertragenden Flächen und zur Führung der Kühlluft.