WO2005091272A1 - Anordnung zur lärmreduzierung in turbofantriebwerken - Google Patents

Anordnung zur lärmreduzierung in turbofantriebwerken Download PDF

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    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for reducing the noise generated by turbofan engines, especially in the hot gas area.
  • Active methods are known for reducing the noise generated by turbofan engines in the hot gas range, e.g. US 5,386,689.
  • sound sources for generating counter-sound in the hot gas area of the engine are provided.
  • An acoustic absorber is known from DE 196 07 290 A1. It consists of a pot-like lower part, in which a single horn extends.
  • the object of the invention is to provide an arrangement with which an effective reduction of the noise generated by turbofan engines in the hot gas range can be achieved, the arrangement being intended to have only a low weight in accordance with the aeronautical requirements.
  • energy is withdrawn from the sound waves generated there by means of an absorbent lining of the hot gas region of a turbofan engine, which energy is then no longer emitted. Dissipation occurs due to viscous losses in the lining, which is structured as follows: a plurality of adjacent cavities, four horns extending into each cavity,
  • the horns are attached with their Hommund to a perforated cover plate and the cover plate forms a wall of the hot gas flow channel.
  • FIG. 1 shows the cross-sectional sketch of a turbofan engine with an acoustically absorbing lining according to the invention in the hot gas region;
  • Figure 2 is a top and cross-sectional view of the absorbent liner
  • Fig. 3 is a sketch of the home geometry of the absorbent lining.
  • FIG. 1 shows the cross-sectional sketch of a turbofan engine.
  • the fresh air drawn in is divided into two partial flows.
  • a first portion is led around the combustion chamber BK to the nozzle, where it is mixed with the hot exhaust gases from the combustion chamber BK (so-called bypass).
  • the other partial flow is fed via several compressor stages VS into the combustion chamber BK (annular cross section) and from there to the nozzle.
  • the flow channel SK downstream of the combustion chamber BK with an annular cross section is the hot gas area of the engine in the sense of the present invention.
  • This is provided with the sound-absorbing lining A according to the invention, in such a way that the sound-absorbing lining A forms the outer wall of the so-called “infernal plug” IP of the engine.
  • the absorbent lining A comprises a plurality of essentially rectangular cavities HR with an approximately square base area GF, into each of which four horns H are introduced (FIG. 2).
  • the horns have a first opening with a larger diameter HM, the so-called Hommund, and a second opening with a smaller diameter, the so-called Hornhals HH.
  • the horns H are attached to their horn mouth HM by spot welding on a cover plate AB.
  • the cover plate AB is perforated in the area of the horn mouth HM (area of the perforation P), with a porosity of at least 20%, in a preferred embodiment 30%, the diameter of the holes being 1 mm.
  • the horns H preferably have a circular cross section. The horns do not reach the base GF of a cavity, so that there is a space between the horn neck HH and the base GF.
  • a cavity HR is delimited by cover plate AB and base area GF by four side areas SF.
  • the cavities are arranged directly next to one another without a space and are each separated from one another by a common side wall SF. A very weight-saving design is thus achieved.
  • Length of the horns (measured in the axial direction): 23 mm diameter of the horn mouth: 23 mm diameter of the home neck: 7 mm
  • the depth of the cavities - measured in the hom direction - is 34 mm.
  • the tapering of the homewall from horn mouth to horn neck does not necessarily have to be linear.
  • Other shapes, e.g. hyperbolic or in the manner of a segment of a circle are possible.
  • the absorbent structure is based on the principle of a Helmholtz resonator.
  • the air mass entering the horns through the perforation couples to the giving cavity volume and thus represents a damped spring-mass system.
  • the use of these absorbers allows the absorption of acoustic energy with a low overall height.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Reduzierung des von Turbofantriebwerken im Heissgasbereich erzeugten Lärms. Sie besteht aus einer akustisch absorbierenden Auskleidung (A) des Heissgasströmungskanals (SK) des Turbofantriebwerks, umfassend: eine Mehrzahl von aneinandergrenzenden Hohlräumen (HR), wobei sich in jeden Hohlraum (HR) vier Hörner (H) erstrecken, die Hörner (H) mit ihrem Hornmund (HM) an einem perforierten Abdeckblech (AB) befestigt sind und das Abdeckblech (AB) eine Wand des Heissgasströmungskanals (SK) bildet.

Description

Anordnung zur Lärmreduzierung in Turbofantriebwerken
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Reduzierung des von Turbofantriebwerken speziell im Heißgasbereich erzeugten Lärms.
Für die Reduzierung des von Turbofantriebwerken im Heißgasbereich erzeugten Lärms sind aktive Verfahren bekannt z.B. US 5,386,689. Dazu sind Schallquellen zur Erzeugung von Gegenschall im Heißgasbereich des Triebwerks vorgesehen.
Aus der DE 196 07 290 A1 ist ein akustischer Absorber bekannt. Er besteht aus einem topfartigen Unterteil, in dem sich ein einzelnes Hörn erstreckt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zu schaffen, mit der eine effektive Reduzierung des von Turbofantriebwerken im Heißgasbereich erzeugten Lärms erreicht werden kann, wobei die Anordnung den luftfahrttechnischen Anforderungen entsprechend nur ein geringes Gewicht aufweisen soll.
Diese Aufgabe wird mit der Anordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird mittels einer absorbierenden Auskleidung des Heißgasbereichs eines Turbofantriebwerks den dort erzeugten Schallwellen Energie entzogen, die dann nicht mehr abgestrahlt werden. Die Dissipation erfolgt durch viskose Verluste in der Auskleidung, die wie folgt aufgebaut ist: - eine Mehrzahl von aneinandergrenzenden Hohlräumen, wobei sich in jeden Hohlraum vier Hörner erstrecken,
- die Hörner mit ihrem Hommund an einem perforierten Abdeckblech befestigt sind und das Abdeckblech eine Wand des Heißgasströmungskanals bildet.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die Querschnittsskizze eines Turbofantriebwerks mit erfindungsgemäßer akustisch absorbierender Auskleidung im Heißgasbereich;
Fig. 2 Aufsicht und Querschnittsansicht der absorbierenden Auskleidung;
Fig. 3 eine Skizze zur Homgeometrie der absorbierenden Auskleidung.
Fig. 1 zeigt die Querschnittsskizze eines Turbofantriebwerks. Die angesaugte Frischluft wird in zwei Teilströme aufgeteilt. Ein erster Anteil wird um die Brennkammer BK herum an die Düse geführt, wo er mit den heißen Abgasen aus der Brennkammer BK vermischt wird (so genannter Bypass). Der andere Teilstrom wird über mehrere Verdichterstufen VS in die Brennkammer BK (ringförmiger Querschnitt) und von dort zur Düse geleitet. Der der Brennkammer BK nachgeschaltete Strömungskanal SK mit ringförmigem Querschnitt ist der Heißgasbereich des Triebwerks im Sinne der vorliegenden Erfindung. Dieser ist mit der erfindungsgemäßen Schall absorbierenden Auskleidung A versehen, und zwar derart, dass die Schall absorbierende Auskleidung A die äußere Wand des so genannten „Infernal Plug" IP des Triebwerks bildet.
Die absorbierende Auskleidung A umfasst eine Mehrzahl von im wesentlichen qua- derförmigen Hohlräumen HR mit annähernd quadratischer Grundfläche GF, in die jeweils vier Hörner H eingebracht sind (Fig. 2). Andere Grundflächen, z.B. in Form eines Sechsecks, sind ebenfalls möglich. Die Hörner weisen eine erste Öffnung mit größerem Durchmesser HM, den so genannten Hommund auf, sowie eine zweite Öffnung mit kleinerem Durchmesser, den so genannten Hornhals HH. Die Hörner H werden an ihrem Hornmund HM durch Punktschweißen an einem Abdeckblech AB befestigt. Das Abdeckblech AB ist im Bereich des Hornmunds HM perforiert (Bereich der Perforation P), und zwar mit einer Porosität von mindestens 20%, in einer bevorzugten Ausführung 30%, wobei der Durchmesser der Löcher 1 mm beträgt. Die Hörner H weisen bevorzugt einen kreisförmigen Querschnitt auf. Die Hörner reichen nicht bis zur Grundfläche GF eines Hohlraums, so dass Zwischen Hornhals HH und Grundfläche GF ein Zwischenraum vorhanden ist.
Ein Hohlraum HR wird neben Abdeckblech AB und Grundfläche GF durch vier Seitenflächen SF begrenzt. Nach Art einer Kassettierung sind die Hohlräume ohne Zwischenraum unmittelbar nebeneinander angeordnet und sind jeweils durch eine gemeinsame Seitenwand SF von einander getrennt. Man erreicht somit eine sehr gewichtssparende Bauweise.
Die Fig. 3 zeigt ein konkretes Beispiel für die Horngeometrie, wobei die Abmessungen (in mm) im einzelnen angegeben sind.
Länge der Hörner (gemessen in axialer Richtung): 23 mm Durchmesser des Hornmunds: 23 mm Durchmesser des Homhalses: 7 mm
Die Tiefe der Hohlräume - gemessen in Homrichtung - beträgt 34 mm.
Die Verjüngung der Homwandung von Hornmund zu Hornhals muss nicht notwendigerweise linear erfolgen. Auch andere Formen, z.B. hyperbolisch oder nach Art eines Kreissegments, sind möglich.
Die absorbierende Struktur beruht auf dem Prinzip eines Helmholtzresonators. Die durch die Perforation in die Hörner gelangende Luftmasse koppelt an das sie um- gebende Hohlraumvolumen und stellt somit ein gedämpftes Feder-Masse-System dar. Der Einsatz dieser Absorber erlaubt die Absorption akustischer Energie bei geringer Bauhöhe. Durch die oben angegebene Dimensionierung wird erreicht, dass maximale Absorption im Resonanzfall bei Temperaturen um T= 440°C und Machzahlen um M = 0,3 auftritt. Hierbei wird Schall im Frequenzbereich zwischen 830 und 1250 Hz absorbiert.

Claims

Patentansprüche
1 . Anordnung zur Reduzierung des von Turbofantriebwerken im Heißgasbereich erzeugten Lärms, gekennzeichnet durch eine akustisch absorbierende Auskleidung (A) des Heißgasströmungskanals (SK) des Turbofantriebwerks, umfassend:
- eine Mehrzahl von aneinandergrenzenden Hohlräumen (HR), wobei sich in jeden Hohlraum (HR) vier Hörner (H) erstrecken,
- die Hörner (H) mit ihrem Hornmund (HM) an einem perforierten Abdeckblech (AB) befestigt sind und das Abdeckblech (AB) eine Wand des Heißgasströmungskanals (SK) bildet.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch folgende Abmessungen:
Tiefe der Hohlräume (HR), gemessen in Homrichtung: 34 mm
Länge der Hörner (H): 23 mm Durchmesser des Hornmunds (HM): 23 mm Durchmesser des Hornhalses (HH): 7 mm.
3. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität des Abdeckblechs mindestens 20 % beträgt.
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