DE2117823C3 - Vorrichtung zur Dämpfung der Geräusche eines Gasstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung der Geräusche eines aus einem Strömungskanal, insbesondere einer Strahldüse, austretenden Gasstrahls, der von einem gleichgerichteten Sekundär-Luftstrom umgeben ist, mit mehreren um den Gasstrahl verteilten, zwischen mindestens einer Betriebsstellung und einer Außerbetriebsstellung verstellbaren Ablenk-Organen, die in der Betriebsstellung mit einem stromaufwärtigen Abschnitt jeweils derart in den Gasstrahl hineinrasen, daß sie in Art einer Schöpfkelle einen Teil des Gasstrahls in den Bereich des Sekundär-Luftstroms nach außen ablenken, und sich in der Außerbetriebsstellung außerhalb des Gasstrahls befinden.

Eine solche Vorrichtung wird beispielsweise in Verbindung mit der Strahldüse eines Strahltriebwerks, insbesondere eines Gasturbinen-Strahltriebwerks, verwendet. Bei dieser Vorrichtung wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß die wirksamste Methode, die Geräusche eines aus einer Düse austretenden Gasstrahls zu dämpfen, darin besteht, die Fläche des Mischbereiches, in dem sich der Gasstrahl mit der Umgebungsluft mischt, zu vergrößern. Bei dieser Vorrichtung verändern die Ablenkorgane die Umfangsfläche des Gasstrahls in der Weise, daß das Mischen des Gasstrahls mit der Luft beschleunigt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es. die Schalldämpfungswirkung einer solchen Vorrichtung zu erhöhen, ohne die Anzahl der Ablenkorgane zu vergrößern. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß mindestens eines der Ablenkorgane an seinem stromaufwärtigen Abschnitt mit einer Hilfszuführeinrichtung versehen ist, durch die ein Strahl aus Hilfsdruckmittel in einer Strömungsrichtung mit einer zur Ausströmrichtung des Gasstrahls querverlaufenden Komponente in den Gasstrahl einführbar ist.

Auf diese Weise wird gerade in demjenigen Bereich, in dem das Ablenkorgan die Umfangsfläche des Gasstrahls nach außen »aufweilet«, von dem Hilfsstrahl ein Einschnürungseffekt im entgegengesetzten Sinne ausgeübt, wodurch die Oberfläche des Mischbereichs zwischen dem Gasstrahl und der Luft noch vergrößert wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Hilfszuführeinrichtung eine Düse, vorzugsweise in Form eines im wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufenden Schlitzes, auf. durch den sich der Wirkbereich des Hilfsstrahl vergrößern läßt.

Vorzugsweise ist eine Steuereinrichtung /.um Steuern des Durchsatzes des in den Gasstrahl eingeführten Hilfsdruckmittels vorgesehen. Auf diese Weise läßt sich insbesondere der Durchsatz des HilfsStrahls an die Eindringtiefe des Ablenkorgans anpassen, beispielsweise derart, daß der Gesamtwirkungsgrad bei veränderlicher Eindringtiefe konstant bleibt.

Die Erfindung läßt sich insbesondere bei der Strahldüse eines Strahltriebwerks, vorzugsweise eines Gasturbinen-Strahltriebwerks, anwenden. In diesem Fall wird das Hilfsdruckmittel zweckmäßigerweise von Luft gebildet, die von einem Verdichter des Gasturbinentriebwerks herrührt und beispielsweise an der Druckseite dieses Verdichters entnommen wird. In dem Fall, daß das Strahltriebwerk einen die Hauptstrahldüse umgebenden Mantel aufweist, der in Strömungsrichtung hinter den Austrittsquerschnitt der Hauptstrahldüse verlängert ist, sind die Ablenkorgane vorzugsweise derart angeordnet, daß sie in der Außerbetriebsstellung in den Mantel einziehbar sind.

An Hand der Zeichnung wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Axialschnitt durch die obere Hälfte einer Strahldüse mit einer Vorrichtung zur Schalldämpfung,

Fig.2 einen Querschnitt längs der Linie M-Il eines Ablenkorgans bzw. einer Schöpfkelle nach F i g. I,

F i g. 3 eine Endansicht in Richtung des Pfeils III des in F i g. 1 dargestellten Ablenkorgans,

Fig.4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise: der Vorrichtung.

In F i g. 1 ist ein Strömungskanal 1 gezeigt, aus dem im Betrieb ein Gasstrahl mit großer Geschwindigkeit austritt: die von dem Gasstrahl erzeugien Geräusche sollen gedämpft werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieser Gasstrahl ein Treibstrahl, und der Strömungskanal bildet Teil einer Strahldüse, die den hinteren Teil eines Strahltriebwerks, beispielsweise eines Gasturbinen-Strahltriebwerks, darstellt.

Die Strahldüse weist eine konvergierende und steuerbare Hauptstrahldüse, gebildet vom Strömungskanal 1, auf, die koaxial zu einem Mantel 2 angeordnet ist. Der Mantel 2 hat einen größeren Querschnitt als die Hauptstrahldüse und erstreckt sich in Strömungsrichtung über den Austrittsquerschnitt 3 der Hauptstrahldüse hinaus. Die Innenwand des Mantels besteht aus eiriem konvergierenden Abschnitt 4, einem vorzugsweise stromabwärts vom Austrittsquetichnitt 3 der Haupistrahldüse angeordneten Halsabschnitt 5 und einem divergierenden Abschnitt 6. Die Außenwand des Mantels ibt mit der Bezugsziffer 7 bezeichnet. An seinem stromabwärtsliegenden Abschnitt kann der Mantel 3 mit verstellbaren Klappen 8 versehen werden.

Im Betrieb treten die Heißgase mit großer Geschwindigkeit und noch erhöhtem Druck aus der Hauptstrahldüse 1 in Richtung des Pfeils /"aus; sie bilden somit einen divergierenden Gasstrahl, dessen äußerer Umfang mit der Bezugsziffer 9 bezeichnet ist. Der Ringraum zwischen der Innenwand des Mantel und der Außenwand der Hauptstrahldüse, die von dem Außenumfang 9 des Gasstrahls verlängert wird, wird von einem Strom Faus Sekundärluft durchströmt.

Dieser Strahldüse ist eine Schalldämpfungsvorrichtung, bestehend aus mehreren Ablenkorganen 10, zugeordnet. Die Ablenkorgane 10 sind um im wesentlichen tangential verlaufende, in dem Mantel 2 befindliehe Achsen schwenkbar. Durch Stellmotoren 12 können die Ablenkorgane zwischen einer Betriebsstellung, in der sie jeweils mit einem stromaufwärtigen Abschnitt 13 in den Gasstrahl f vorstehen, und einer Außerbetriebsstellung, in der sie in die zu diesem Zweck unterbrochene Innenwand 6 des Mantels 2 eingezogen sind, bewegt werden. In der Außerbetriebsstellung ruhen sie auf Anschlägen 14.

In der Betriebsstellung zweigen die Ablenkorgane 10 einen Teil des Gasstrahls nach Art einer Schöpfkelle ab, der mit einer nach außen gerichteten Querkomponente abgelenkt wird, wie durch den Pfeil 15 angedeutet. Um am Gasstrahl besser angreifen zu können und die Ablenkwirkung zu erhöhen, ist der stromaufwärtige Abschnitt 13 der Ablenkorgane 10 vorzugsweise mit einer schräg zugeschnittenen Endfläche 16 (gesehen in einem Axialschnitt) versehen.

Die Schwenkachsen 11 der Ablenkorgane 10 sind hohl und bilden jeweils einen drehbaren Anschluß. Fest angeordnete Rohrstücke verbinden untereinander die aufeinanderfolgenden Anschlüsse, wodurch im Inneren des Mantels 2 ein Ringkanal gebildet wird, der über Leitungen 17 mit einem Sammelraum 18 verbunden ist. Der Sammelraum 18 steht über eine Leitung 19, in der ein Steuerventil 20 angeordnet ist, mit einer Druckquel-Ie (nicht gezeigt), beispielsweise der Druckseite eines Verdichters des Gasturbinen-Strahltriebwerks, in Verbindung. Mittels einer Steuervorrichtung 21 läßt sich die öffnung des Steuerventils 20 auf einen gewünschten Wert einstellen.

Zumindest einige der Ablenkorgane sind mit einer in Längsrichtung des Ablenkorgans verlaufenden Leitung 22 versehen, wobei das eine Ende der Leitung 22 mit dem Ringkanal verbunden ist und das andere Ende an der schräg verlaufenden Fläche ä6 in Form eines im wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufenden Schützes 23 mündet, wie in F i g. 3 gezeigt.

Wenn die Ablenkorgane im Betrieb ihre Betriebsstellung einnehmen, ström· die vom Sammelraum kommende Druckluft durch die Leitungen 17, die drehbaren Anschlüsse 11 und die Leitungen 22 und tritt in Form von ebenen Strahlen 24 unmittelbar in das Innere des Gasstrahls /ein, und zwar mit großer Eindringtiefe und in einer zur Ausströmrichtung f des Gasstrahls quer verlaufenden Richtung.

An Hand der F i g. 4 sei im folgenden eine summarische und keineswegs erschöpfende Erklärung einiger Phänomene gegeben, die bei der beschriebenen Schalldämpfungsvorrichtung eine Rolle spielen.

In F i g. 4 ist mit 9 der äußere Umfang des ungestörten Gasstrahls bezeichnet. Wenn die Ablenkorgane 10 ihre Betriebsstellung einnehmen, lenken sie einen Teil des Gasstrahls nach außen ab, wodurch am äußeren Umfang des Gasstrahls entsprechend viele »Gipfel« 109a erzeugt werden, die durch »Täler« 1096 getrennt sind. Die auf diese Weise erhaltene Wellenform bewirkt bekanntlich eine Schalldämpfung des Gasstrahls.

Wenn die Düsen 23 mit Hilfsdruckmittel beaufschlagt werden, üben die Hilfsstrahlen 24 auf den Gasstrahl jeweils eine örtliche pneumatische Einschnürungswirkung aus, die an der Stelle des betrachteten Ablenkorgans ein »Tal« 2096 zur Folge hat, das an der Stelle des Ablenkorgans von zwei »Gipfeln« 209a eingeschlossen ist, die höher und schmäler als der »Gipfel« 109a sind. Bei gleichem Querschnitt unter einer gleichen Anzahl von Ablenkorganen besitzt der Gasstrahl nunmehr eine wesentlich größere Berührungsfläche mit der Luft, was eine wesentlich verstärkte Schalldämpfungswirkung zur Folge hat.

Das Eindringen der Hilfsstrahlen in den Hauptgasstrahl wird dadurch erleichtert, daß die Hilfsstrahlen den von den Ablenkorganen 10 bereits abgeschälten Teil des Hauptgasstrahls nicht zu durchströmen brauchen. Dies hat eine Vertiefung des Wirkbereichs der Hilfsstrahlen zur Folge, derart, daß der Mischvorgang in mittlere Bereiche des Gasstrahls vordringen kann, die gewöhnlicherweise schwer zu erreichen sind.

Durch Steuerung des Durchsatzes der Hilfsluft (mit Hilfe des Ventils 20) kann die pneumatische Einschnürung auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Hierdurch läßt sich insbesondere der Durchsatz des Hilfsdruckmittels auf die Eindringtiefe der Ablenkorgane abstimmen, beispielsweise derart, daß der Gesamtwirkungsgrad unabhängig von der Eindringtiefe konstant gehalten wird. Änderungen der Eindringtiefe der Ablenkorgane können entweder von einer Verstellung der Ablenkorgane (falls die Ablenkorgane zwischen verschiedenen Anstellungen veränderbar sind) oder einer Verschiebung der Grenzlinie 9 des Gasstrahls, bedingt durch eine Änderung des Entspannungsverhältnisses des Gasstrahls, herrühren. Daher kann man beispielsweise eine Regelung für zwei Eindringtiefen vorsehen.

Die Vorrichtung hat im übrigen den zusätzlichen Vorteil, daß mit ihrer Hilfe die Ablenkorgane 10 gekühlt werden können. Der stromaufwärtige Abschnitt 13 der Ablenkorgane, der in den Gasstrahl hineinragt, nimmt sehr hohe Temperaturen an, und zwar insbesondere in dem Fall eines Gasturbinen-Strahltriebwerks mit einem Nachbrenner. Die Leitungen 22 spielen in dieser Hinsicht die Rolle von Kühlkanälen, entspre-

chend den Kühlkanälen, wie sie zur Kühlung von Turbinenschaufeln verwendet werden. Um die Kühlwirkung der Ablenkorgane tO zu verbessern, können im übrigen die bekannten Verfahren zur Kühlung von Turbinenschaufeln angewendet werden, beispielsweise die Verwendung von porösen Bauteilen, Kühlung durch Transpiration, Aufbringen eines Schutzfilms, Einspritzen in der Nähe der Vorderkante usw.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Dämpfung der Geräusche eines aus einem Strömungskanal, insbesondere einer Strahldüse, austretenden Gasstrahls, der von einem gleichgerichteten Sekundär-Luftstrom umgeben ist, mit mehreren um den Gasstrahl verteilten, zwischen mindestens einer Betriebsstellung und einer Außerbetriebsstellung verstellbaren Ablenk-Organen, die in der Betriebsstellung mit einem stromaufwärtigen Abschnitt jeweils derart in den Gasstrahl hineinragen, daß sie in Art einer Schöpfkelle einen Teil des Gasstrahls in den Bereich des Sekundär-Luftstroms nach außen ablenken, und sich in der Außerbetriebsstellung außerhalb des Gassirahls befinden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Ablenkorgane (10) an seinem stromaufwärtigen Abschnitt (13) mit einer Hilfszuführeinrichtung versehen ist, durch die ein Strahl (24) aus Hilfsdruckmittel in einer Strömungsrichtung mit einer zur Ausströmrichtung (f) des Gasstrahls quer verlaufenden Komponente in den Gasstrahl einführbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfszuführeinrichtung eine Düse (23) aufweist, die über eine in dem Ablenkorgan (10) gebildete Leitung (22) mit einer Druckquelle verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Ablenkorgan eine der Achse des Strömungskanals zugewandte Endfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (23) an der Endfläche (16) des Ablenkorgans in den Gasstrahl mündet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (23) die Form eines Schlitzes hat, der im wesentlichen in Umfangsrichtung verläuft.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (20,21) zum Einstellen des Durchsatzes des in den Gasstrahl eingeführten Hilfsdruckmittels.

6. Anwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei einem Strahltriebwerk, insbesondere einem Gasturbinen-Strahltriebwerk, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsdruckmittel von aus einem Verdichter des Strahltriebwerks entnommener Luft gebildet wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6 mit einem die Strahldüse umgebenden Mantel, der sich in Strömungsrichtung über den Austrittsquerschnitl der Hauptstrahldüse hinauserstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkorgane (10) in ihrer Außerbetriebssiellung in den Mantel (2) eingezogen sind.

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