DE2402902A1

DE2402902A1 - Schalldaempfung von fluidleitungen

Info

Publication number: DE2402902A1
Application number: DE19742402902
Authority: DE
Inventors: Serge Yvan Dzalba-Lyndis; Michel Rene Marcel Scea Jannot; Maurice Vincent Ravel
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1973-01-22
Filing date: 1974-01-22
Publication date: 1974-08-01
Also published as: FR2214855B1; FR2214855A1; GB1462393A

Description

PATENTANWÄLTE

MANITZ, FINSTERWALD & GRÄMKOW

München, den 22, JAH. 1074 S 2630 - Erb

SOCIEOiE NATIONALE INDUSTRIELLE AEROSPATIALE 37, boulevard de Montmorency, Paris 16, Seine, Frankreich

Schalldämpfung von Fluidleitungen

Die Erfindung betrifft die Schalldämpfung einer Fluidleitung, in der Schallwellen auftreten, und insbesondere eine Struktur mit perforierten Teilerkanälen für Leitungen mit hohem Geräuschpegel, wie Strömungsleitungen von Gasturbinen.

Es sind bereits mehrere Schalldämpfungsverfahren für Leitungen bekannt, die darin bestehen^ daß an oder in Nähe der inneren Umfangswand schallabsorbierende Platten angeordnet werden, bei denen entweder die Methode der Strukturen mit Querwänden, die einen Helmholtz 'sehen Resonator bilden, oder die Methode der kontinuierlichen Strukturen gemäß der Brillouin¹sehen

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Formel oder eine Kombination dieser beiden Verfahren mit geschlossenen Hohlräumen in den Platten benutzt .wird.

Im ersten Fall besteht der größte Nachteil in dem Einbau der Platten,- die durch ihre Abmessungen den Durchgangs-Nutzquerschnitt der Leitung beträchtlich verringern.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurde bereits' das Versenken der Schalldämpfungsplatten in die Wand der Leitung selbst in Betracht gezogen. Dieses Verfahren erfordert jedoch Versenkungsmechanismen, die keine absolute Zuverlässigkeit besitzen und die in jedem Fall ein nicht vernachlässigbares, zusätzliches Totgewicht besitzen, das beispielsweise in der Äronautik wenig wünschenswert ist.

In dem zweiten Fall wird der Durchgangs-Querschnitt zwar durch das Vorhandensein der Platten wenig beeinträchtigt, jedoch bleibt, wie im ersten Fall, der behandelte Strömungsteil klein, da er nur auf den Umfang der Leitung beschränkt bleibt.

Derartige Vorrichtungen können also nur einen Teil der Geräusche behandeln, die in dem gesamten in der Leitung strömenden Fluß erzeugt werden.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren besteht somit darin, die Gesamtheit des Flusses, dessen Schalldämpfung vorgenommen werden soll, mittels Teilerkanälen, deren dünne seitliche Wände mit Perforationen versehen sind, in mehrere Einzelflüsse zu teilen, so daß das Geräusch der Strömung, die einen der Kanäle passiert, durch

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Resonanz in den anliegenden Kanälen gedämpft wird und umgekehrt.

Die Erhöhung des Gesamtdruckverlustes, der durch die Anwesenheit einer solchen Struktur verursacht wird, bleibt gering, da die Wände der Kanäle sehr dünn sind und da die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids bei dem Durchgang des Fluids längs den Wänden durch den Kanal - abgesehen von den Grenzschichterscheinungen praktisch unverändert bleibt.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung, wobei auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Fortpflanzung der Schallwellen in einer Leitung,

Fig. 2 eine ähnliche schematische Darstellung einer bekannten Struktur mit Querwänden,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer bekannten kontinuierlichen Struktur,

Fig. 4- eine schematische Darstellung eines Helmholtz' sehen Resonanzhohlraums,

Fig. 5 eine Einzelheit eines Abschnitts einer Struktur mit Querwänden,

Fig. 6 eine Darstellung eines schwingenden Feder-Masse-Paares,

Fig. 7 und 9 schematische Schnitte durch Leitungen mit einer mehrfachen kontinuierlichen Struktur mit

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perforierten Teilerkanälen gemäß der Erfindung,

!ig. 8 und 10 entsprechende schematische Darstellungen von schwingenden, resonanzgekoppelten Feder-Masse-Gruppen,

Fig.11 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schalldämpfungselements,

Fig.12 einen schematischen axialen Schnitt durch ein Zweikreis-Strahltriebwerk, das mit Elementen gemäß Fig.11 ausgerüstet ist,

Fig.13 ein vergleichendes Diagramm von Tests des Geräuschpegels im schalltoten Raum in Abhängigkeit von der Frequenz,

Fig.14, 15 und 16 Darstellungen von Prüflingen, die die Diagramme von Fig.13/treffen.

Fig. 1 zeigt die Bewegung der Einzelteilchen eines Fluids, das in Richtung des Pfeils f^ im Inneren einer Leitung 10 fließt und das zwischen zwei Zonen, die den mit einem Manometer 3 verbundenen Abnahmestellen 1 und 2 entsprechen, einer Komprimierung ausgesetzt ist. Diese Bewegung bestimmt entweder longitudinalwellen oder Transversalwellen 5 oder kombinierte Wellen 6.

In einer Leitung mit Fluidströmung werden diese einzelnen Wellentypen durch die Geschwindigkeit der Strömung und die Grenzschicht beeinflußt, es besteht jedoch immer eine radiale Komponente von Schallschwinungen, die sich aus einer Kombination von radialen Komponenten vom Typ 5 ergibt.

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Bekanntlich bringt eine Strömungsgeschwindigkeit V in einer glatten Leitung einen Druckverlust A mit sich, der zu dieser Geschwindigkeit direkt proportional ist. Wenn die Leitung 7 (Fig.2) mit Wänden 8 in Querwandstruktur versehen wird, um die radialen Komponenten zu absorbieren, so muß die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids in Richtung des Pfeils fp höher sein, was einen Druckverlust mit sich bringt, der größer als der Druckverlust ist, der im Inneren einer glatten Leitung auftritt, und zwar durch die Verjüngung der Leitung 7.

In einer Leitung 9 dagegen, die mit einer kontinuierlichen Längsstruktur 11 (Fig.3) versehen ist, ist die Geschwindigkeitszunahme in Richtung des Pfeils f, bezüglich der Geschwindigkeit in einer glatten Leitung sowie die Erhöhung des Druckverlustes sehr gering, die Schalldämpfungsbehandlung betrifft jedoch nur einen Umfangsteil, der gegenüber dem Gesamt-Durchgangsquerschnitt des Strömungsmittels, dessen Schalldämpfung vorzunehmen ist, · in der Leitung gering ist.

Die Dämpfung der Wellen mittels einer Querwandstruktur 8 oder einer kontinuierlichen perforierten Struktur 11 kann durch Äquivalenz einem Helmholtz'sehen Resonanzhohlraum (Fig.4) oder einem Feder-Masse-Paar (Fig.6) gleichgestellt werden.

Nennt man V das Volumen des Hohlraums 12, s den Querschnitt der Öffnung 13 und 1 die Stärke des Fluid-"pfropfens¹,¹ so lautet die klassische Formel der Resonanzfrequenz F in Abhängigkeit von einer charakteristischen Konstante c des Fluids folgendermaßen:

F =

2 TT

1/0811

In dem Fall des mit Querwänden versehenen Elements 14 von Fig.5, in dem C das Verhältnis der perforierten
Fläche zur Gesamtfläche der Querwandstruktur, e die Höhe der Querwände und 1 die Stärke des Fluidpfropfens ist,
erhält man direkt die Formel des Resonanzhohlraums, indem jede ringförmige Kammer einer parallelepipedförmigen Kammer gleichgestellt wird:

F= c

2 7t

Der Perforationsgrad G kann zweckmäßigerweise sehr weit getrieben werden, indem gitterartige Querwände benutzt werden.

Das Resonanzgesetz ist dasselbe wie das des schwingenden Paares von Fig.6, wobei k der Elastizitätskoeffizient der Feder 15 und m die Masse des trägen Gewichts 16 ist: F = 1 \/~~k

\f-

2 % ^v m

Verfolgt man die Analogie weiter und bringt die
Fig. 7 und die Fig.8 miteinander in Verbindung, so sieht man folgendes: Wenn die Strömung in einer kontinuierlichen perforierten Struktur 17 von Schallwellen durchlaufen wird, die auf die Fluidmassen oder -"pfropfen" einwirken, so
bildet das Volumen, in dem die Strömung der benachbarten kontinuierlichen Struktur 18 zirkuliert, eine Feder für
diese Massen. Umgekehrt, wenn die Strömung der Struktur von Schallwellen durchlaufen wird, die auf dieselben Massen einwirken, so bildet das Volumen, in dem die Strömung
der Struktur 17 zirkuliert, eine Feder.

Die Formel, die für das schwingende Rückführpaar gemäß Fig.8 gilt, lautet:

F = 1 \[ 2 k
2% ^Y m

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Indem unter Verwendung der mehrfachen Unterteilung von Fig.9 eine Verallgemeinerung vorgenommen wird, werden die erfindungsgemäßen Strömungsstrukturen 19, 20, 21 und 22 vorgesehen, die auf diese Weise ein transparentes schalldämpfendes Element bilden, das diesmal den gesamten Strom des in der Leitung 23 fließenden Fluids betrifft.

Die Formel, die dem entsprechenden schwingenden Rückführpaar von Fig.10 entspricht, lautet:

F = f (k,m)

Fig. 11 zeigt ein transparentes Schalldämpfungselement 100 gemäß der Erfindung, bei dem der Eingangsquerschnitt 24 in mehrere Einzelkanäle 25 von dreieckiger Form geteilt ist, die man erhält, .indem ziehharmonikaartig gefaltete Blätter 26 und 27 längs Sshweißlinien 29 an Zwischenwänden 28 angeschweißt bzw. angelötet werden.

Die gewellten Blätter 26 und die ebenen Blätter 28 sind mit Bohrungen 30 versehen.. Hierbei wird der Parameter tf der obengenannten Formel durch das Verhältnis der Fläche der Bohrungen zu der Gesamtfläche der Blätter gegeben.

Die Einzelkanäle können auch andere Formen besitzen. Insbesondere können sie quadratische, sechseckige, rechteckige und sogar kreisförmige Querschnitte haben. Aus Gründen der einfacheren Herstellbarkeit ist die Kombination von ebenen und längsgewellten perforierten Elementen mit dreieckigen Querschnitten vorzuziehen.

Wenn die Scheitel der Wellen der gewellten Elemente in geeigneter Weise mit den ebenen Blättern

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verbunden sind, bildet eine derartige Struktur eine starre, selbsttragende Einheit, die den Herstellungsnormen der Strukturen mit den Warenzeichen "Norsial" und "Insonorsial" der Anmelderin entsprechen.

Wenn der Hauptstrom divergierend oder konvergierend wird, so nehmen die Einzelkanäle ebenfalls einen divergierenden oder konvergierenden Verlauf, ohne daß dadurch die gewünschte schalldämpfende Wirkung verringert wird.

Zu Versuchszwecken wurde ein Strukturelement, das in Fig.14 dargestellt ist und die Maße L = 23 cm, K = 12 cm, N = 10 cm, e = 0,5 mm und σ (Perforationsgrad) = 23# mit Bohrungen mit einem Durchmesser von 1 mm besitzt, im schalltoten Raum einer Luftströmungsgeschwindigkeit von 0,5 Mach bei einem Geräuschpegel von etwa 120 dB ausgesetzt. Die Kurve 31 von Fig.13 gibt das Ergebnis der Messungen bei einer absoluten Temperatur von 300⁰K an und zeigt, daß der Dämpfungspegel schon bei einer relativ geringen Strombehandlungslänge von 10 cm beträchtlich ist. Der Dämpfungspegel steigt in direkter Abhängigkeit von der Zunahme der Länge; dem entspricht die Kurve 32 für eine Probe (Fig.15) mit der Länge N= 70 cm.

Fig. 16 zeigt eine Probe mit derselben Abmessung, bei der ein einziges gewelltes Blatt anders angeordnet ist. Die Kurve 32bis zeigt das Ergebnis der Prüfungen in diesem Fall (Spitze bei etwa 5 kHz).

Bei einer absoluten Temperatur von etwa 700 ⁰K nehmen die Kurven 32 und 32bis den Verlauf der Kurven 132 und 132bis an.

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Eine Anwendung einer erfindungsgemäßen Schalldämpfungsstruktur zur Dämpfung der in einem Zweikreis-Strahltriebwerk 200 erzeugten Geräusche ist in Pig.12 dargestellt. Hg. 12 zeigt, daß die Lufteingangsgeräusche durch die erfindungsgemäße Kanalstruktur 33 gedämpft werden, daß die Geräusche der Niederdruckturbine 34 durch die Kanalstruktur 35 gedämpft werden und daß die Geräusche der Hochdruckturbine 36 durch die Kanalstruktur 37 gedämpft werden.

Eine Struktur, die der in Fig.11 gezeigten Struktur ähnlich ist und auf diese Weise auf das Zweikreis-Strahltriebwerk von Fig.12 angewandt wird, gestattet somit die Schaffung einer Dämpfungseinheit, die besonders einfach und nicht kostspielig ist und ferner ein Minimum an ärodynamischen Störungen in den einzelnen Gasströmungen bewirkt. Bei dieser Ausführung sind die perforierten Platten konzentrische Ringe und die auf diese Weise gebildete Einheit erfordert keine ergänzende Befestigungsvorrichtung. Gemäß anderen Abwandlungen sind die Platten radial, wobei sich die Querschnitte der Kanäle vom Mittelpunkt auf den Umfang zu entwickeln, oder haben einen spiralförmigen Verlauf. Schließlich können diese verschiedenen Kombinationen bei ein und derselben Maschine, deren Geräusche gedämpft wrden sollen, vorgesehen werden, so daß das Merkmal der Teilung des Hauptstromes in Einzelströme durch Einzelkanäle mit perforierten Wandungen gemäß der Erfindung alle diese Ausführungen deckt.

Unter den zahlreichen möglichen Anwendungsgebieten der Erfindung im Bereich der Ärodynamik oder Hydrodynamik sind beispielsweise die Verringerung des Geräusches in Klimatisierungsleitungen, die Pistenschalldämpfer, die Auspufftöpfe und die öffnungen von Hub-

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schraubern zu nennen.

Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern läßt die Verwendung anderer gleichwertiger Bauelemente zu.

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Claims

P a t e η t a nsprüche

Iy Schalldämpfungsverfahren für eine Fluidleitung,

dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptfluidstrom mit Hilfe von mehreren Teilerkanälen (25) mit geeignetem Querschnitt in mehrere sekundäre Fluidströme^ geteilt wird, wobei die dünnen seitlichen Wände (26 und 28) der Teilerkanäle perforiert sind, so daß das Geräusch des in einem Teilerkanal fließenden Stroms durch Resonanz in dem oder den benachbarten Teilerkanälen gedämpft wird und umgekehrt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Querschnitt der Teilerkanäle vieleckig ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Querschnitt der Teilerkanäle kreisförmig ist.
4·. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt der Teilerkanäle divergierend und/oder konvergierend entwickelt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der Teilerkanäle zueinander parallel sind.
6. Schalldämpfungsstruktur zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Teilerkanäle (25) mit dreieckigem Querschnitt aus mehreren dünnen perforierten Blättern (26) bestehen, die in Längswellungen ge-

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bogen sind und mit den Wellen scheiteln (29) an zwei dünnen perforierten Zwischenblättern (28) befestigt sind.
7. Schalldämpfungsstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsmittel der Blätter untereinander aus Schweißlinien bestehen.
8. Zweikreis-Strahltriebwerk, das durch eine Struktur nach einem der Ansprüche 6 und 7 schallgedämpft ist, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Schalldämpfungsstruktur (33) für den Lufteintritt, eine Schalldämpfungsstruktur (35) für die Niederdruckleitung und eine Schalldämpfungsstruktur (37) für den Ausgang an der Hochdruckleitung besitzt.

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