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Dokumentenidentifikation DE60125279T2 03.05.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001160439
Titel Strahlmischer für ein Strahltriebwerk
Anmelder The Boeing Company, Seattle, Wash., US
Erfinder Balzer, Ronald L., Bothell, Washington 98021, US
Vertreter Patent- und Rechtsanwälte Kraus & Weisert, 80539 München
DE-Aktenzeichen 60125279
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 07.05.2001
EP-Aktenzeichen 012016598
EP-Offenlegungsdatum 05.12.2001
EP date of grant 20.12.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.05.2007
IPC-Hauptklasse F02K 1/46(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse F02K 1/48(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   F02K 1/38(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Strahltriebwerke können einen hohen Geräuschpegel erzeugen, falls die Geschwindigkeit des aus dem Triebwerk austretenden Massenstroms nicht gleichförmig und groß ist. Aus Leistungsüberlegungen weisen Strahltriebwerke häufig mehrere Düsen auf, wobei der Massenstrom aus jeder Düse mit einer verschiedenen Geschwindigkeit austritt. Da der von dem Abgas eines Düsenflugzeugs abstrahlende Lärm mit der Intensität und Ungleichmäßigkeit der Abgasgeschwindigkeit zunimmt, haben sich Strahldüsenlärmverringerungskonzepte historisch auf Verfahren zum raschen Mischen der Ströme und zum Erreichen einer gleichförmigen Geschwindigkeit innerhalb einer kurzen Entfernung von den Düsen konzentriert.

Verschiedene Strommischvorrichtungen sind in der Vergangenheit eingesetzt worden, um eine gleichförmige Geschwindigkeit in einem Strahldüsenabgas zu erreichen und um den von dem Abgasstrom abgestrahlten Lärm zu verringern. Während diese Vorrichtungen bei der Verringerung von Strahldüsenlärm erfolgreich waren, waren die mit diesen Vorrichtungen verknüpften Schubkraft-, Luftwiderstands- und Gewichtsnachteile häufig von einer Größe, dass der Lärm bei einer konstanten Flugzeugleistung nicht verringert wurde. Während des NASA Advanced Subsonic Transport (AST)-Programms (Referenz 1) wurden scharf zugespitzte, dreiecksförmige Verlängerungen, welche der Hülle einer Außenstopfenprimärdüse hinzugefügt wurden, getestet, und es wurde herausgefunden, dass diese den Strahldüsenlärm verringern. A. D. Young et al. (US Patent 3,153,319) entwickelten ebenfalls Verlängerungen, welche, wenn sie der Hinterkante von Düsen hinzugefügt wurden, Strahldüsenlärm verringerten.

Der Hauptunterschied zwischen dem oben beschriebenen Stand der Technik und der im Folgenden beschriebenen Erfindung ist das Abrunden der stromaufwärtigen Schnittlinie der Verlängerungen mit der Düse und das Abrunden der Hinterkante der Verlängerung. Es wurde herausgefunden, dass ein Abrunden die Verringerung von niederfrequentem Lärm verbessert, während es eine Zunahme von hochfrequentem Lärm hindert. Ein erhöhter hochfrequenter Lärm war ein Merkmal der vorhergehenden scharfkantigen Vorrichtungen, obwohl sie eine verringerten niederfrequenten Lärm aufwiesen und netto einen akustischen Vorteil aufwiesen.

Die US-A-5,924,632 offenbart eine segmentierte Düsenverlängerung für Strahltriebwerke, welche eine dreiecksförmige, gebogene Verlängerung der Düsenhülle umfasst, wobei die Düsenverlängerung eine halbrunde Mulde und einen Spitzenradius aufweist, um einen Anstieg von hochfrequentem Lärm und einen Schubkraftverlust zu verhindern.

Die EP-A-913567 offenbart eine segmentierte Düsenverlängerung für Strahltriebwerke, welche eine dreiecksförmige, gebogene Verlängerung der Düsenhülle umfasst, wobei die Düsenverlängerung eine halbrunde Mulde und einen Spitzenradius aufweist, um einen Anstieg des hochfrequenten Lärms und einen Schubkraftverlust zu verhindern.

Die vorliegende Erfindung stellt eine segmentierte Düsenverlängerung für ein Strahltriebwerk nach Anspruch 1 zur Verfügung.

Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Verringerung von von einem Strahltriebwerkabgasstrom abgestrahlten Lärm nach Anspruch 2 zur Verfügung.

Kurze Beschreibung der mehreren Ansichten der Zeichnung

1 ist eine Perspektivansicht einer segmentierten Mischvorrichtung eines Strahltriebwerks bei einer Innenstopfengondel;

2 ist eine Veranschaulichung einer segmentierten Mischvorrichtung eines Strahltriebwerks bei einer Innenstopfengondel;

3 ist eine segmentierte Mischvorrichtung eines Flugzeugstrahltriebwerks bei einer Mischstromgondel;

4 ist eine dreiecksförmige Planformdarstellung mit halbrunder Spitze einer Düsenhülle mit segmentierter Mischvorrichtung;

4A ist eine Schnittansicht entlang der Linien A-A von 4, welche detaillierter zeigt, wie sich die Außenoberfläche der Mischvorrichtungsverlängerungen nach innen in Richtung der Triebwerksmittellinie biegt;

4B ist eine Schnittansicht entlang der Linien B-B von 4, welche detaillierter zeigt, wie die Verlängerungen mit einer Planform-Gestalt einen Wirbel in Strömungsrichtung erzeugen;

5A ist eine weitere Veranschaulichung der vorliegenden Düsenhülle mit trapezoidförmiger Planform; und

5B ist eine Veranschaulichung eines Wirbelstroms in Strömungsrichtung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung umfasst eine segmentierte Mischvorrichtung, welche, wenn sie an der Düse eines Strahltriebwerks eingesetzt wird, ein Mischen zwischen benachbarten Strömen verbessert und den von dem Strahldüsenabgasstrom abgestrahlten Lärm verringert. Die Vorrichtung tut dies mit einer sehr kleinen Verschlechterung der Flugzeugleistung. Die Mischvorrichtung ist eine segmentierte, dreiecksförmige oder trapezoidförmige, gebogene Verlängerung 1 an einer Düsenhülle, welche zu einer gezackten Hinterkante führt (siehe 1, 2 und 3). Diese Erfindung umfasst: 1) Eine Abwandlung von den scharf zugespitzten, dreiecksförmigen Düsenverlängerungen, welche in dem hier im Folgenden zitierten NASA AST-Programm ausgewertet wurden, zu einer halbrunden, dreiecksförmigen oder trapezoidförmigen Planform (siehe 4 und 5). 2) Eine Anwendung der vorliegenden Düsenverlängerungen auf Innen- und Außenstopfenprimärdüsen von Zweistrom-Abgassystemen (siehe 1 und 2). 3) Eine Anwendung der Düsenverlängerungen auf Sekundärdüsen von Zweistrom-Abgassystemen (siehe 1 und 2). 4) Eine Anwendung der Düsenverlängerungen auf die Düse von Mischstrom-Abgassystemen und den Strömungsteiler zwischen den Primär- und Sekundärströmen dieser Systeme (siehe 3). Und 5) eine Anwendung der Düsenverlängerungen auf die Hinterkante jeder Oberfläche, welche benachbarte Ströme trennt, wobei ein verbessertes Mischen erwünscht ist.

Der Zweck der vorliegenden Düsenverlängerungen 1 ist es, das natürliche freie Mischen der Abgasströme zu verbessern und die akustische Energie zu verringern, welche mit den Geschwindigkeitsunterschieden zwischen den Strömen verbunden ist, in welchen sie eingebettet sind. Die vorliegend eingerichteten Düsenverlängerungen verbessern das natürliche freie Mischen zwischen benachbarten Strömen, indem sie die benachbarten Ströme zwingen, bis in eine größere Tiefe ineinander einzudringen als diejenige, welche mit einem freien Mischen erreichbar ist, und führt daher zu einem gleichförmigeren Strom in einer kürzeren Entfernung in Strömungsrichtung. Der akustische Vorteil der Verlängerungen nimmt zu, wenn die Geschwindigkeitsunterschiede zwischen den Strömen zunehmen. Zwei Methodiken werden eingesetzt, um das Mischen zu verbessern: 1) Die Außenoberfläche der Verlängerungen biegt sich nach innen in Richtung der Triebwerksmittellinie, was den sekundären (äußeren) Strom in den primären (inneren) Strom drückt (siehe 4, Schnitt A-A). 2) Die Verlängerungen weisen eine Planform-Gestalt auf, welche einen Wirbel in Strömungsrichtung erzeugt, der auch ein rasches Mischen der zwei Ströme verbessert (siehe 4, Schnitt B-B und 5B). Nach außen gewendete Segmente können auch verwendet werden, um das Mischen zu verbessern. Jedoch sind die Schubkraftverluste für nach außen gewendete Segmente größer als für nach innen gewendete Segmente gewesen. Das vorliegende Konzept umfasst jedoch ein Abrunden an nach außen gewendeten Segmenten.

Anders als die früheren NASA AST-Konfigurationen und die in dem US Patent 3,153,319 beschriebenen A. D. Young et al.-Konfigurationen umfassen die hier definierten Verlängerungen eine Planform mit halbrunden Schnittlinien mit der Basisdüse und mit halbrunden Hinterkanten. Der Zweck der stromaufwärtigen Abrundung ist es, die Stärke des Wirbels in Strömungsrichtung zu vergrößern, indem dem primären (inneren) Strom ermöglicht wird, rascher und auf radialere Weise aus der Düse auszutreten. Das Abrunden der stromaufwärtigen Schnittlinie beseitigt auch die Spannungskonzentrationen und die niedrige Ermüdungslebensdauer der früheren NASA AST- und A. D. Young et al.-Konzepte. Ein Abrunden der Hinterkante der Verlängerung trennt die zwei Wirbel in Strömungsrichtung und vergrößert den Umfangsoberflächenbereich, welcher für den sekundären (äußeren) Strom verfügbar ist, um in den primären (inneren) Strom einzudringen. Zusätzlich vergrößert ein Abrunden der Hinterkante den durchschnittlichen Wendewinkel des sekundären Stroms, was zu einer größeren Eindringtiefe des sekundären Stroms in den primären Strom und einem erhöhten Mischen der zwei Ströme führt. Es wurde herausgefunden, dass das Abrunden die Verringerung von niederfrequentem Lärm verbessert, während es eine Zunahme des hochfrequenten Lärms unterdrückt. Die Zunahme des hochfrequenten Lärms war ein Merkmal der früheren Konstruktionen. Die Düsenverlängerungen können hinsichtlich ihrer Länge, Breite, Krümmung und Zahl variieren, wobei sie nur durch die Geometrie der Basisdüse eingeschränkt sind.

Referenzen:

  • 1. D. C. Kenzakowski, J. Shipman, S. M. Dash, J. E. Bridges und N. H. Saiyed, AIAA-2000-0219, „Turbulence Model Study of Laboratory Jets with Mixing Enhancements for Noise Reduction", Januar 2000.
  • 2. A. D. Young et al., U. S. Patent Nr. 3,153,319, „Jet Noise Suppression Means", 20. Oktober 1964.


Anspruch[de]
Segmentierte Düsenverlängerung für ein Strahltriebwerk, umfassend eine segmentierte, trapezoidförmige, gebogene Verlängerung einer Düsenhülle, wobei eine Draufsicht der Düsenverlängerung eine gezackte Hinterkante umfasst, wobei die Düsenverlängerung eine halbrunde Mulde und eine halbrunde Spitze aufweist, wobei die Düsenverlängerung eine Außenoberflächen aufweist, welche sich nach innen, in Richtung einer Triebwerksmittellinie, biegt, wodurch ein äußerer Strom in einen inneren Strom gedrückt wird, was einen Wirbel in Strömungsrichtung erzeugt, wodurch ein rasches Mischen des äußeren Stroms und des inneren Stroms verbessert wird. Verfahren zur Verringerung von von einem Strahltriebwerkabgasstrom abgestrahlten Lärm durch Verbessern eines natürlichen freien Mischens zwischen benachbarten Gasströmen, umfassend die Schritte:

Hinzufügen einer segmentierten, trapezoidförmigen, gebogenen Verlängerung einer Düsenhülle zu einer Gasströmungsbasisdüse, wobei eine Draufsicht der Düsenverlängerung eine gezackte Hinterkante umfasst, wobei die Düsenverlängerung eine halbrunde Mulde und eine halbrunde Spitze aufweist; und

Konfigurieren der Verlängerung durch Biegen einer Außenoberfläche derselben nach innen in Richtung einer Triebwerksmittellinie, um einen äußeren Strom in einen inneren Strom zu drücken, was einen Wirbel in Strömungsrichtung erzeugt, wodurch ein rasches Mischen des äußeren Stroms und des inneren Stroms verbessert wird.






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