NL1001183C2 - Uitlaatinrichting voor een turbinemotor. - Google Patents

Description

Uitlaatinrichting voor een turbinemotor

De uitvinding heeft betrekking op een uitlaatinrichting voor een turbinemotor.

5 Turbinemotoren, bijvoorbeeld turbinemotoren voor vliegtuigen, produceren een hoog geluidsintensiteitsniveau wat een hoeveelheid geluid is dat gemeten wordt in decibel (dB). Een hoog geluidsintensiteitsniveau is niet alleen belastend voor het milieu, maar het is bijvoorbeeld ook nadelig voor de beladingsgraad van vliegtuigen. Im-10 mers, hoe hoger de beladingsgraad is, des te meer vermogen moet geleverd worden door de turbinemotoren wat een hoog en soms een onaanvaardbaar geluidsintensiteitsniveau tot gevolg heeft.

Een verlaging van het geluidsintensiteitsniveau van turbinemotoren wordt ondermeer tot stand gebracht door een speciale constructie 15 van de turbinemotor. Zo stroomt in moderne turbinemotoren slechts een klein deel van de inkomende luchtstroom door de verbrandingskamers. Het grootste deel van de inkomende luchtstroom wordt omgeleid. Deze omgeleide luchtstroom komt in het uitlaatgedeelte weer samen met de uitlaatgassen. Doordat de omgeleide luchtstroom door de hoge stroom-20 snelheid in hoofdzaak een turbulente luchtstroom is vindt hierdoor verlaging van het geluidsintensiteitsniveau op dat veroorzaakt wordt door de uitgaande luchtstroom van de turbinemotor. Desalniettemin is een verdere verlaging van het geluidsintensiteitsniveau gewenst.

Men kan ook het geluidsintensiteitsniveau van turbinemotoren 25 verlagen door een geluiddempend materiaal, bijvoorbeeld perfolin, in het inlaatgedeelte van een straalmotor aan te brengen. In dit geval wordt het verlagen van het geluidsintensiteitsniveau bereikt door zogenaamde uitdovingsinterferentie, dit wil zeggen dat de geluidsgolven die het geluiddempende materiaal binnendringen elkaar door inter-30 ferentie uitdoven. Deze geluiddempende materialen zijn echter niet geschikt voor toepassing in het uitlaatgedeelte van turbinemotoren, omdat deze niet de thermische en mechanische belastingen, die in het uitlaatgedeelte heersen, kunnen doorstaan. Hoewel er geluiddempende materialen bekend zijn die bestand zijn tegen dergelijke belastingen 35 hebben deze materialen als nadeel dat zij voor toepassingen in de luchtvaart te zwaar zijn.

Hoewel er bepaalde keramische materialen zoals schuimen bekend zijn die geluiddempende eigenschappen bezitten, hebben dergelijke 10 0 1 1 83 · 2 monolitische, keramische materialen het nadeel dat zij een te geringe vermoeiingsweerstand en een bros breukgedrag bezitten.

Het doel van de uitvinding is dan ook een materiaal te verschaffen waarmee het geluidsintensiteitsniveau van een motor, in het bij-5 zonder van een turbinemotor, aan de uitlaatzijde daarvan kan worden verlaagd. De uitvinding heeft daarom betrekking op een uitlaatinrich-ting voor een motor die een voering van een met vezels versterkt keramisch matrixcomposiet omvat.

De motor kan een verbrandingsmotor, bijvoorbeeld een benzinemotor 10 of een dieselmotor, zijn, maar ook een turbinemotor. De turbinemotor kan voor stationaire toepassingen zijn, bijvoorbeeld een turbinemotor of een gasturbine voor energie-opwekkende installaties, of een turbinemotor voor een vliegtuig, bijvoorbeeld een turbine-propellormotor. De motor kan tevens een draagbare verbrandingsmotor zijn, zoals die 15 worden toegepast in handmotorzagen, maaimachines en dergelijke.

De met vezels versterkte keramische matrixcomposiet bezit goede geluiddempende eigenschappen en is goed bestand tegen thermische en mechanische belastingen.

Volgens de uitvinding heeft het de voorkeur dat de voering, die 20 de met vezels versterkte keramische matrixcomposiet omvat, zodanig door de uitlaatinrichting wordt omvat, dat de voering op een afstand van de binnenzijde van het uitlaatgedeelte van de motor is aangebracht. In dit geval kan er geen contactoverdracht van geluid optreden en wordt een maximale verlaging van het geluidsintensiteitsniveau 25 bereikt.

Onder contactoverdracht van geluid wordt overdracht van geluidsgolven van een materiaal naar een ander materiaal verstaan, waarbij de overdracht plaatsvindt doordat de twee materialen met elkaar in aanraking verkeren.

30 Uit economisch oogpunt en in het bijzonder ter beperking van de gewichtstoename van de motor, wat vooral van belang is bij turbine-motoren voor vliegtuigen in verband met het nuttig laadvermogen van het vliegtuig, is het voordelig een dunne voering aan te brengen. Volgens de uitvinding brengt men bij voorkeur een voering aan, die een 35 dikte van 1 tot 10 mm, in het bijzonder 2 tot 6 mm, heeft.

Het heeft volgens de uitvinding de voorkeur dat tussen de voering, die de met vezels versterkte keramische matrixcomposiet omvat, en de binnenzijde van het uitlaatgedeelte een ruimte aanwezig is, 1001183* 3 waarin lucht, uitlaatgassen en dergelijke aanwezig kunnen zijn of waardoor deze kunnen stromen. Deze ruimte dient voldoende groot te zijn, omdat anders door straling van geluidsgolven aanzienlijke overdracht van geluid kan optreden waardoor er geen optimale verlaging van 5 het geluidsintensiteits-niveau bereikt kan worden. De ruimte tussen de met vezels versterkte keramische matrixcomposiet en de binnenzijde van het uitlaatgedeelte levert een belangrijke bijdrage aan de verlaging van het geluidsintensiteitsniveau ongeacht de overdracht van geluid door de wand van het uitlaatgedeelte. Volgens een voorkeursuitvoe-10 ringsvorm van de uitvinding is de ruimte tussen de voering en de binnenzijde van het uitlaatgedeelte ten minste 10 mm, bij voorkeur 10 tot 40 mm.

Men kan de voering, die de met vezels versterkte keramische matrixcomposiet omvat, als geheel aanbrengen. Wanneer echter de omvang 15 van de voering erg groot is of wanneer het gewenst is een relatief dikke voering aan te brengen, heeft het volgens de uitvinding de voorkeur een voering in het uitlaatgedeelte aan te brengen, die is opgebouwd uit segmenten of componenten van de met vezels versterkte keramische matrixcomposiet. Een ander voordeel van een voering bestaande 20 uit componenten is dat het aanbrengen daarvan eenvoudiger is. Bovendien kunnen plaatselijke beschadigingen of slijtageplekken in de voering eenvoudig worden hersteld door een of meer beschadigde of versleten componenten door nieuwe componenten te vervangen.

De componenten van de met vezels versterkte keramische matrix-25 composiet kan een ronde, ovale of een vierkante vorm hebben. Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm hebben de componenten een cilindrische vorm. De componenten kunnen bijvoorbeeld de vorm van een tegel hebben.

De uitvinding heeft ook betrekking op een met vezels versterkt keramisch matrixcomposiet voor het verlagen van het geluidsintensi-30 teits-niveau van turbinemotoren, in het bijzonder van turbinemotoren voor vliegtuigen.

De composiet omvat vezels, die geweven, gebreid, gestikt of aan elkaar gekit zijn, en een matrix van een keramisch materiaal. In een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding bevat de composiet een 35 vezelgehalte van 20 tot 60 vol. % en een matrixgehalte van 10 tot 30 vol. %.

De composiet volgens de uitvinding kan worden vervaardigd door toepassing van bekende processen. Deze processen kunnen plaatsvinden 10 0 1 1 8 3 5 4 in de gasfase of vloeistoffase, eventueel gecombineerd met een vaste fase. Een voorbeeld van een gasfaseproces is chemische dampinfiltratie ("chemical vapour infiltration"). Processen, die plaatsvinden in de vloeistoffase, zijn bijvoorbeeld smeltimpregnatie, sol-gel impregnatie 5 en dompeltechnieken. Een overzicht van geschikte processen worden bijvoorbeeld beschreven in Y.G. Roman, "Toepassingen van keramische matrixcomposieten als functionele en structurele componenten:, Materialen, 29 (1995) blz. 29 - 36.

De met vezels versterkte keramische matrixcomposiet volgens de 10 uitvinding dient poreus te zijn teneinde een grote verlaging van het geluidsintensiteitsniveau te bewerkstelligen. De composiet bezit bij voorkeur een open porositeit van kO tot 70 vol. %, waarbij de open porositeit de verhouding van het open porievolume/totaal composietvo-lume is, een gaspermeabiliteit van 10~li4 tot 10'9 m2 en een tortuositeit 15 van 1 tot 6 bezit. Hierbij werd de open porositeit gemeten door middel van helium pycnometrie of door middel van de Archimedes methode (voor-norm NVN-ENV 1389 (1995))· de gaspermeabiliteit volgens de methode van Darcy, die wordt beschreven in R.E. Collins, "Flow of fluids through porous materials", Reinhold Publ. Corp., New York, Ed. R. Wilke, 20 (1961), en de tortuositeit volgens een voorschrift van P.C. Carman,

Trans. Inst. Chem. Eng. London, 15 (1937) blz. 150.

De met vezels versterkte keramische matrixcomposiet volgens de uitvinding bezit een dichtheid van bij voorkeur minder dan 8 kg/dm3 wat voordelig is voor toepassingen in de luchtvaart.

25 Het materiaal, waaruit de vezels en de matrix van de composiet volgens de uitvinding vervaardigd zijn, is niet van wezenlijk belang voor de geluiddempende werking van de composiet. De vezels kunnen bijvoorbeeld vervaardigd zijn uit koolstof, oxiden, carbiden, nitri-den, boriden of mengsels daarvan, waarbij deze oxiden, carbiden, ni-30 triden, boriden of mengsels daarvan magnesium, aluminium, silicium, de elementen uit de nevengroepen III, IV, V, VI, VII en VIII of mengsels daarvan omvatten. De matrix kan bijvoorbeeld elk keramisch of koolstof houdend materiaal omvatten zoals materialen, die vervaardigd zijn uit koolstof, oxiden, carbiden, nitriden, boriden of mengsels of verbin-35 dingen daarvan, waarbij deze oxiden, carbiden, nitriden, boriden of mengsels daarvan magnesium, aluminium, silicium, de elementen uit de nevengroepen III, IV, V, VI, VII en VIII of mengsels of verbindingen daarvan omvatten. Voorbeelden van dergelijke door de matrix omvatte 10 01 1 83.' 5 materialen zijn siliciumcarbide en aluminiumoxide. Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding zijn de vezels koolstofvezels en omvat de matrix silicium-carbide als keramisch materiaal.

De met vezels versterkte keramische matrixcomposiet kan tegen 5 corrosie door bijvoorbeeld zuurstof, water of corroderende uitlaatgassen zoals koolwaterstoffen, kooldioxide, zwaveldioxide en stikstofoxiden worden beschermd door de composiet te bekleden met een laag van een corrosiebestendig materiaal. Bij voorkeur is de composiet volgens de uitvinding bekleedt met een of meer lagen of een multi-laag van 10 koolstof, siliciumcarbide, siliciumnitride, boornitride, aluminiumoxide, siliciumoxide, titaannitride, titaandiboride, yttriumoxide, zirkoonoxide of mengsels of verbindingen daarvan. De composiet volgens de uitvinding is in het bijzonder bekleedt met een of meer lagen of een multi-laag van siliciumcarbide.

15 De met vezels versterkte keramische matrixcomposiet volgens de uitvinding bevat een laag, die tussen de vezels en de matrix gelegen is. Deze laag heeft tot doel het composietmateriaal van een "taai” of plastisch deformeerbaar vervormingskarakter te voorzien. De tussenliggende laag kan een materiaal van ieder geschikt materiaal zijn, zoals 20 bijvoorbeeld koolstof, boornitride, metallische lagen (platina, silicium, wolfraam en dergelijke), intermetallische lagen, bijvoorbeeld silicides, of een andere plastisch deformeerbare laag of lagen of multilaag. Deze lagen zijn ongeveer 0,1 tot 1 micrometer dik, zij. kunnen poreus zijn en zij omhullen elk afzonderlijk vezelfilament.

25 De met vezels versterkte keramische matrixcomposiet volgens de uitvinding kan het geluidsintensiteitsniveau binnen het frequentiege-bied van ongeveer 500 Hz tot ongeveer 12 kHz sterk verlagen. De grootste verlaging treedt op bij frequenties waarvoor het menselijk gehoor het meest gevoelig is. Deze frequenties omvatten het gebied van onge-30 veer 500 Hz tot ongeveer 8 kHz. De grootste verlaging, dit wil zeggen meer dan 50 %% van het geluidsintensiteitsniveau wordt bereikt in het frequentiegebied van ongeveer 2 tot 7 kHz· In het frequentiegebied van 3 tot 5 kHz is de verlaging van het geluidsintensiteitsniveau zelfs meer dan 80 %.

35 De uitvinding zal onder andere worden toegelicht aan de hand van een tekening, waarin: figuur 1 een meetopstelling toont voor het meten van de absorptiecoëfficiënt van de vezel versterkte keramische materialen volgens 10 01 183- 6 de uitvinding; figuur 2 een vereenvoudigd elektrische vervangingsschema van de opstelling volgens figuur 1 toont; figuur 3 de absorptiecoëfficiënt van diverse vezel versterkte 5 keramische materialen volgens de uitvinding als functie van de frequentie toont op basis van simulaties, waarbij lijnen a, b, c, en d de absorptiecoëfficiënt als functie van de frequentie bij respectievelijk ΙΟ5, ΙΟ6, 107 en 108 N.s/m^ weergeven.

In de mogelijke meetopstelling volgens figuur 1 duidt het verwij-10 zingscijfer 1 een ruisgenerator aan. De ruisgenerator 1 genereert een elektrisch ruissignaal, dat wordt toegevoerd aan een luidspreker voor het omzetten daarvan in een geluidssignaal. Het geluidssignaal, hier weergegeven met pijl P2, plant zich in een sectie 3 van een rechthoekige of ronde pijp 4 voort.

15 Bij punt 8 is de sectie 3 verbonden met de pijp 4. In de pijp 4 kan zich naar keuze een stille luchtstroom, hier aangegeven met PI, voortplanten, die bij verbindingspunt 8 bij het geluidssignaal P2 wordt opgeteld.

Stroomafwaarts van het verbindingspunt 8 bevinden zich twee mi-20 crofoons Ml, M2 voor het opnemen van geluidsgolf P2, die zich in pijp 4 voortplant. Microfoons Ml, M2 zijn verbonden met hun signaalverwer-kingseenheid 5 voor het verwerken van de door de microfoons Ml, M2 opgenomen signalen.

Verder stroomafwaarts van de microfoons Ml, M2 bevindt zich een 25 testsectie 6, waarin zich het te testen, vezel versterkte keramische materiaal 9 bevindt. Stroomafwaarts van de testsectie 9 bevindt zich een afsluiting 7 van de pijp 4. In het geval dat de bovengenoemde stille luchtstroom PI wordt toegepast, dient de afsluiting 7 reflec-tievrij te zijn, zodat de stille luchtstroom PI de pijp A kan verlaten 30 zonder te worden gereflecteerd.

Figuur 2 toont een elektrisch vervangingsschema van de opstelling volgens figuur 1. Daarin is een spanningsbron U weergegeven, die correspondeert met de ruisgenerator 1 en de geluidsbron 2 in figuur 1. De pijp 4 is weergegeven door middel van twee leidingen met karakteris-35 tieke impedantie Z0, terwijl de testsectie 6 uit figuur 1 is weergegeven met een impedantie Zt die de leidingen afsluit.

Tijdens een test werkt de inrichting volgens figuur 1 als volgt. De ruisgenerator 1 wekt een signaal met willekeurige frequentieinhoud 1001183.

7 op, dat wordt toegevoerd aan de geluidsbron 2, die dit signaal omzet in geluidssignaal P2. Het geluidssignaal P2 plant zich voort door de sectie 3 in de richting van de microfoons Ml, M2. Met behulp van de opstelling van twee naast elkaar aangebrachte microfoons Ml, M2 kan 5 niet alleen de intensiteit van het geluidssignaal P2 worden bepaald, maar tevens de voortplantingsrichting, zoals voor iedere geluidsdes-kundige duidelijk zal zijn. Voor de verwerking wordt gebruik gemaakt van de signaalverwerkingseenheid 5·

De testsectie 6 gebruikt zich nu als een afsluiting van de pijp k 10 met een impedantie Zt die niet gelijk is aan de karakteristieke impedantie Z0 van de pijp 4, waardoor een gedeelte Pr van het geluidssignaal P2 wordt gereflecteerd in een richting tegenovergesteld aan de richting van P2. De waarde van de impedantie Zt hangt af van het gekozen vezel versterkte keramische materiaal 9· 15 Met de microfoons Ml, M2 kan de intensiteit van het gereflecteer de geluidssignaal Pr worden gemeten, waarbij door het gebruik van twee naast elkaar geplaatste microfoons Ml, M2 het gereflecteerde geluidssignaal Pr kan worden gescheiden van het geluidssignaal P2.

De verhouding tussen de intensiteit van het gereflecteerde ge-20 luidssignaal Pr en de intensiteit van het geluidssignaal P2 is nu een maat voor de impedantie Zt van de testsectie 6 en daarmee een maat voor de absorptiecoëfficiënt van het gekozen vezel versterkte keramische materiaal 9. dat zich in de testsectie 6 bevindt.

De reflectievrije afsluiting 7 voorkomt dat aan het einde van de 25 pijp ^ verdere reflecties van het geluidssignaal P2 ontstaan, die de intensiteit van het gereflecteerde geluidssignaal Pr nadelig zouden kunnen beïnvloeden.

Figuur 3 toont de afhankelijkheid van de absorptiecoëfficiënt van diverse vezel versterkte keramische materialen van de frequentie. 30 Figuur 3 toont simulatiegegevens voor vezelversterkte keramische materialen voor vier verschillende permeabiliteitswaarden (of luchtweerstands waarden) van het vezel versterkte keramische materiaal. Daarbij is de permeabiliteitswaarde in overeenstemming met de wet van Darcy uitgedrukt in (drukval over de plaat) / (gassnelheid x dikte van de 35 plaat). De permeabiliteitswaarde van het materiaal kan dus worden veranderd als functie van bijvoorbeeld de dikte van de plaat of de porositeit van het materiaal.

Uit figuur 3 blijkt onder meer dat voor een permeabiliteitswaarde 1 0 0 1 1 83 - 8 van 105 N.s/m^ (lijn a) in een groot deel van het van belang zijnde frequentiegebied een absorptiecoëfficiënt van meer dan 80% kan worden verwacht.

1001183.

Claims (12)

1. Uitlaatinrichting voor een turbinemotor omvattende een voering van een met vezels versterkt keramisch matrixcomposiet. 5

2. Uitlaatinrichting volgens conclusie 1, gekenmerkt doordat de voering op een afstand van de binnenzijde van het uitlaatgedeelte is aangebracht. 10

3· Uitlaatinrichting volgens een der conclusies 1 of 2, gekenmerkt doordat de voering een dikte van 1 tot 10 mm, bij voorkeur van 2 tot 6 mm, heeft.

4. Uitlaatinrichting volgens een der conclusies 1 tot 3* gekenmerkt 15 doordat de ruimte tussen de voering en de binnenkant van de uit laat ten minste 10 mm, bij voorkeur 10 tot 40 mm is.

5. Uitlaatinrichting volgens een der conclusies 1 tot 4, gekenmerkt doordat de voering componenten van het met vezels versterkt kera- 20 misch matrixcomposiet omvat.

6. Met vezels versterkt keramische matrixcomposiet voor een uitlaatinrichting, gekenmerkt doordat de composiet een vezelgehalte van 20 tot 60 vol. % en een matrixgehalte van 10 tot 30 vol. % bevat. 25

7. Met vezels versterkt keramische matrixcomposiet volgens conclusie 6, gekenmerkt doordat de composiet een open porositeit van 40 tot 70 vol. %, een gaspermeabiliteit van 10'14 tot 10"9 m2 en een tor-tuositeit van 1 tot 6 bezit. 30

8. Met vezels versterkte keramische matrixcomposiet volgens conclusie 6 of 7. gekenmerkt doordat de composiet een dichtheid van minder dan 8 kg/dm3 bezit. 35

9· Met vezels versterkte keramische matrixcomposiet volgens een der conclusies 6 tot 8, gekenmerkt doordat de vezels koolstofvezels zijn en de keramische matrixcomposiet siliciumcarbide omvat. 1 0 0 1 1 83-

10. Met vezels versterkte keramische matrixcomposiet volgens een der conclusies 6 tot 9. gekenmerkt doordat de composiet met een cor-rosiebestendig materiaal bekleedt is.

11. Met vezels versterkte keramische matrixcomposiet volgens een der conclusies 6 tot 10, die met siliciumcarbide bekleed is.

12. Met vezels versterkte keramische matrixcomposiet volgens een der conclusies 6 tot 12, waarbij de composiet een tussen de vezels en 10 de matrix gelegen laag omvat. 1001183.