WO1980000861A1

WO1980000861A1 - Noise damping device for piston motored aircraft

Info

Publication number: WO1980000861A1
Application number: PCT/DE1979/000124
Authority: WO
Inventors: P Stauch
Original assignee: P Stauch
Priority date: 1978-10-21
Filing date: 1979-10-22
Publication date: 1980-05-01
Also published as: EP0020508B1; EP0020508A1; BR7908869A; JPS55500832A; ATE1530T1; US4315560A; DE2845902C2; DE2845902A1

Description

Schalldämpfer für Kolben-Flugmotoren

Die Erfindung betrifft einen Schalldämpfer für Kolben-Flugmotoren mit inneren Lochblechen und mindestens einem rohrförmigen Anschlußstutzen zum Anschluß an eine Abgasleitung. Lochbleche innerhalb von Schalldämpfern haben die Aufgabe, den Abgasstrom zu unterbrechen und umzuleit en, um dadurch Schallenergie zu vernichten.

Propeller-Flugzeuge mit Kolben- Flugmotorenantrieb, die in der Hauptsache als private Reise- und Sportflugzeuge Verwendung finden, haben normalerweise keine Schalldämpfer. Die behördlich festgesetzt en Lärmgrenzwerte machen es daher erforderlich, di e 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 mögliehe Höchstleistung des Motors zu optimieren. Letztlich führen di e behördlichen Vorschrift en über Lärmgrenzwerte zu einer Art Drosselung der Flugmotoren, solange sie ohne Schalldämpfer arbeit en. Andererseits bedeutete j edoch 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 Pat entanspruches 1 angegebenen Merkmale a) bis c) erzielt.

Das Merkmal a) bestimmt die äußere Gestaltung des Schalldämpfers gemäß der Erfindung, 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-Rechtecks darstellenden vorderen und hinteren Außenbleche, werden die Oberflächen der konvergierenden Außenbleche bis zur schlitzartigen Austritts öffnung stark vergrößert, ohne daß die Querschnittsfläche de Innenraumes des Schalldämpfers in Durchströmrichtung zunehmen muß. Durch das Merkmal b) werden unterhalb der sich in Durchströmrichtung verbreiternden Außenbleche Abkühlkammern geschaffen, in die die Abgase über parallel zu den Außenblechen verlaufende Lochbleαhe einströmen. Da an den Außenblechen der Propellerwind vorbeistreicht, erfahren die Abgase innerhalb der Abkühlkammern 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 konstanten 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 verlaufender/ zwischen den seitlichen Abschlußblechen /leistenartiger Prallwinkel angeordnet ist. Dieser Prallwinkel wirkt als Reflexionsflache 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 if 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 inneren 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 der die Schallwellen glättende Sog erfindungsgemäß durch starke Kühlung und Volumenabnahme der Abgase erzielt wird. Wegen der Volumenabnahme der Abgase kann die sehlitzartige 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 40º 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 II-II in Fig. 1 ,

Fig. 3 eine Draufsicht ähnlich Fig. 1 einer anderen Ausführungsform,

Fig. 4 ¬inen 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 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, sodaß jedes Lochblech mit einer Abkantung, einem vorderen bzw. hinteren Außenblech und Bereichen der seitlichen, zueinander divergierenden Abschlußbleche eine Abkühlkammer 10 bzw. 11 bildet. Jede Abkühlkammer läuft in die schlitzartige Austrittsöffnung 7 aus. Die Lochbleche 8 und 9 können im Bereich der Austrittsöffnung 7 zusammengeführt sein, jedoch können sie auch noch einen schmalen anteiligen Schlitz der Austrittsöffnung 7 frei lassen.

Zwischen dem Bereich der Abkühlkammern 10, 11 und dem

Anschlußstutzen 1 ist eine von den Außen- und Abschlußblechen 3 bis 6 umgrenzte Wirbelkammer 12 vorgesehen, in der 1 ein sich zwischen den seitlichen Abschlußblechen 5, 6 verlaufender leistenartiger Prallwinkel 13 angeordnet ist.

Der bisher beschriebene Aufbau des Schalldämpfers gemäß der 5 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

10 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 15 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

20 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 Kühlkanäle 10, 11, wogegen die Divergenz der seitlichen Abschlußbleche 5, 6 eine Ausweitung des Abgas¬

25 Stromes in Längsrichtung der schlitzartigen Austrittsöffnung 7 begünstigt. Wesentlich ist, daß die Abgase innerhalb der Abkühlkammern 10, 11 an den vom Propellerwind beaufschlagten breiter werdenden Außenblechen 3, 4 vorbeistreich und dadurch gekühlt wird.

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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, 35 6 verhältnismäßig klein. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 und 4 sind daher außerhalb der seitlichen Abschlußbleche 55 6 Abkühlhauben 16 und 17 vorgesehen, deren kanalartige Innenräume über Löcher 18 im oberen Bereich der Abschlußbleche 5, 6 mit der Wirbelkammer 12 in Verbindung stehen. Im unteren Bereich stehen die Innenräume der Abkühlhauben 16, 17 über Löcher 19 auch mit den beiden Abkühlkammern 10, 11 in Verbindung, sodaß 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 gegen die Austrittsöffnung nach Fig, 7 hervorgeht, liegt der Austrittsschlitz 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 3. 6 über den Abstand der

Wände 20, 21 geöffnet sind, wie aus der Schnittdarstellung, nach Fig. 5, rechte Hälfte, hervorgeht. Hier ist auch in 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 76 dB (A), gemessen ohne Schalldämpfer, sich bei Einsatz von Schalldämpfern gemäß der Erfindung verringert auf durchschnittlich 72 dB (A). Gleichzeitig wurde festgestellt, daß die max. Motordrehzahl von normal 2700 U/min bei Einsatz von Schalldämpfern gemäß der Erfindung um 150 U/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 ansteigen.

Claims

P A T EN T A N S P R Ü C H E 1. Schalldämpfer für Kolben-Flugmotoren mit inneren Lochblechen und mindestens einem rohrförmigen Anschlußstutzen zum Anschluß an eine Abgasleitung, gekennzeichnet durch

a) 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 zueinander bis zur schlitzartigen Austrittsöffnung divergieren,

b) 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), sodaß jedes Lochblech mit einer Abkantung, einem vorderen bz;w. hinteren Außenblech und Bereichen der seitlichen zueinander divergierenden Abschlußbleche eine in die schlitzartige Austrittsöffnung (7) offen auslaufende Kühlkammer (10, 11) bilden,

c) 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 ümlenkung in die Kühlkammern (10, 11 ) an den Außen- und seitlichen Abschlußblechen vorbeistreichen, die von dem Propellerwind beaufschlagt sind.

2. Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Bereich der Abkühlkammern (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 Abkühlkammern (10, 11) in Verbindung stehen,

c) sodaß zwei Teilströme der Abgase aus der Wirbelkammer in die Abkühlhauben und von dort in die offenen Abkühlkammern geleitet sind.

4. Schalldämpfer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeic net, daß an den Prallwinkel (13) ein Paar von zueinander parallelen Wänden (20, 21) angeschlossen ist, die einenin dem sich verengenden Zwischenraum (14) zwischen den Abkühlkammern (10, 11) verlaufenden

a) Kühlschlitz (22) bilden, der im Bereich der seitlichen Abschlußbeeche 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.