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Schalldämpfer für Prüfstände zur Leistungsmessung von Strahltriebwerken
Die
Erfindung bezieht sich auf Schalldämpfer für Strahltriebwerk-Prüfstände, bei denen
heiße Gase mit hoher Geschwindigkeit aus einer Düse ausgeblasen werden, z. B. bei
Gasturbinen, Raketenantrieben od. dgl.
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Für diesen Zweck sind unterschiedliche Einrichtungen bereits vorgeschlagen
worden, die jedoch meist den Nachteil haben, daß sie den Wirkungsgrad des Strahltriebwerkes
erheblich beeinträchtigen. Bei Schalldämpfern für Prüfstände von Gasturbinen ist
es z. B. wichtig, daß der Druck am Einlaß der Turbine im wesentlichen mit dem Druck
am Auslaß der Düse übereinstimmt, da sonst der Betriebsdruck in der Turbine auf
dem Prüfstand fehlerhaft bestimmt wird.
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Überdies weisen die von Strahltriebwerken ausströmenden Gase gewöhnlich
eine sehr hohe Temperatur auf, unter deren Einwirkung die bisher zur Schalldämpfung
benutzten Einrichtungen einer raschen Zerstörung unterliegen.
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Die Erfindung ist auf eine Schalldämpferanordnung für Strahltriebwerk-Prüfstände
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richtet, die den Wirkungsgrad der Gasturbine oder des sonstigen
Strahltriebwerkes nicht wesentlich beeinträchtigt und die ausströmenden Gase zugleich
in hinreichendem Maße kühlt, so daß sie die Schalldämpfereinrichtung nicht zerstören.
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Der Schalldämpfer nach der Erfindung ist mit einer die ausströmenden
Gase aufnehmenden Aufnahmeleitung und mit einem zwischen der Strahldüse und der
Aufnahmeleitung liegenden Mischrohr versehen, das von einem mit Schalldämpfereinbauten
ausgerüsteten Gehäuse umschlossen ist, und kennzeichnet sich dadurch, daß das Mischrohr
mit seinem Austrittsende unter. Freilassen eines Zwischenraumes in die mit geräusohdämpfender
Wandung versehene, in das Schalldämpfergehäuse ragende Ausnahmeleitung reicht, wobei
sich das Schalldämpfergehäuse zwischen der Strahldüse und dem Eintrittsende der
Aufnahmeleitung erstreckt, sich gegenüberliegende Offnungen für die Strahldüse und
die Aufnahmeleitung aufweist und der Zwischenraum zwischen dem Mischrohrende und
der Aufnahmeleitung als Lufteinlaß für die Aufnahmeleitung dient.
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Die Zeichnung zeigt ein Beispiel für die Ausführung des Schalldämpfers
nach der Erfindung, und zwar zeigt -Fig. I die Ansicht einer Schalldämpfereinrichtung
eines Prüfstandes für Gasturbinen im senkrechten Schnitt, Fig. 2 einen Grundriß
dazu im Querschnitt-nach Linie 2-2 von Fig. I, Fig. 3 einen senkrechten-Querschnitt
nach Linie 3-3 von Fig. I und Fig. 4 eine schaubildliche Ansicht der in dem 5 challdämpfergehäuse
enthaltenen Stellklappen.
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In dem Gehäuse I0 eines Prüfstandes, dessen Einlaßende fortgelassen
ist, befindet sich das zu -untersuchende Strahltriebwerk II, das auf einem Gestell
I2 abgestützt ist. Das Strahltriebwerk ragt mit seiner Auslaßdüse 1 Ia in ein Schalldämpfergehäuse
I3, das auf der gegenüberliegenden Seite mit einer Aufnahmeleitung 14 versehen ist.
Das Schalldämpfergehäuse I3 ist von der anstoßenden Wand des Prüfstandes 10 durch
einen Luftspalt I5 und einen aus Schwammgummi od. dgl. bestehenden Dichtungsring
I6 isoliert. Die Auslaßdüse 1 Ta ist von einem in die Wand des Prüfstandes eingelassenen
Schott 17 umschlossen. Um richtige Meßwerte für die Leistung des Strahltriebwerkes
zu erreichen, müssen die Drücke auf beiden Seiten des Schotts im wesentlichen gleich
sein.
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In dem Schalldämpfergehäuse I3 ist ein als Mischrohr dienendes Leitstück
I8 angeordnet, und zwar in solcher Weise, daß der Abstand zwischen seinem Einlaß
ende und der Düse etwa I t/2mal größer als der Düsendurchmesser ist. Das Leitstück
18 ragt mit seinem Austrittsende in das Aufnahmerohr I4, das einen entsprechend
größeren Durchmesser aufweist als das- Mischrohr 18. Das Einlaßende des Mischrohres
ist in seinem Querschnitt größer als der Querschnitt des in dieses Rohr eingeleiteten
Gasstromes, so daß der Gasstrom das Mischrohr am Eintrittsende nicht vollständig
ausfüllt. Das Mischrohr 18 soll aus Hartstahl oder ähnlichem Werkstoff hergesteIlt'sein,
während die Innenwand 14a des Aufnahmerohres 14 in der für Schalldämpfer bekannten
Weite aus einem verhältnismäßig dünnem : Blecheinsatz bestehen kann, der mit schalldämpfendem
Werkstoff wie Stahlwolle gefüttert und innen mit einem gelochten Blechmantel bekleidet
sein kann, der das schalldämpfende Futter in seiner - Lage sichert.
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Die Wände der Aufnahmeleitung 14 sind daher gegen übermäßige Hitze
empfindlich.
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Am Einlaßende des Mischrohres 18 ist ein trichterartiger Ring 19
angebracht, der einen von einer kegelstumpfförmigen Wand eingefaßten Durchlaß aufweist
und mit seinem Flansch mittels Bolzen 20 an den Flansch 18a des Mischrohres so befestigt
ist, daß ein schmaler Luftspalt 21 zwischen dem Ring 19 und dem Mischrohr verbleibt.
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Der kegelstumpfförmige Ansatz des Ringes 19 ist so bemessen, daß der
Durchlaß am verjüngten, inneren Ende mit dem Querschnitt des aus der; Düse 11a ausströmenden,
divergierenden Gasstrahls an dieser Stelle übereinstimmt.
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Am Austrittsende des Mischrohres I8 ist ein Flansch 22 vorgesehen,
der den Ringraum zwischen dem Auslaßende des Mischrohres und dem Eintrittsende der
Aufnahmeleitung 14 verengt und einen Luftspalt 23 freiläßt.
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Die Aufnahmeleitung 14 ragt gemäß Fig. 1 durch die Wand des Schaldämpfergehäuses
I3 nach innen und ist an der Durchführungsstelle von einem engen, ringförmigen Luftspalt
24 umschlossen. Die Abmessungen für diesen Luftspalt sind so gewählt, daß seine
axiale Länge mehrfach größer als seine radiale Weite ist.
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Das Schalldämpfergehäuse I3 ist unter dem vorstehenden Rand seines
Daches mit einem Lufteinlaß 25 versehen, der durch senkrechte Schlitze gebildet
sein kann, und weist im oberen Teil 3 Sätze von geneigten, rechteckigen Klappen
26 auf, die in bekannter Weise als Schalldämpfer wirken.
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Die Klappen reichen gemäß Fig. 3 über die ganze Breite des Gehäuses
und sind mit ihrer unteren Kante an gegenüberliegenden Wänden des Gehäuses gelenkig
gelagert. Die oberen Kanten der Klappen jedes Satzes sind an den Seiten durch Stellstangen
27 gelenkig verbunden, die je mit einer an der' Gehäusewand anliegenden Stellschraube
27'versehen sind, so daß die Neigung der Klappen einstellbar ist. Hierdurch kann
der Druck im unteren Teil des Gehäuses I3 in der nachstehend beschriebenen Weise
durch Verengung oder Erweiterung des Luftdurchlasses im Gehäuse I3 und durch die
Luftspalte 23 und 25 geregelt werden.
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Oberhalb des Mischrohl;s I8 ist ein Rohr 28 angeordnet, das die Schottwand
17 über der Gasdüse 11a durchragt und durch den ringförmigen Spalt 23 zwischen dem
Mischrohr I8 und der Aufnahmeleitung 14 in diese letztere hineinreicht.
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In manchen Fällen kann der ringförmige Spalt 23 so eng sein, daß zwei
oder mehr um den oberen Teil des Mischrohres verteilt - liegende Leitungen
28
benötigt werden. In manchen Fällen können jedoch auch Öffnungen in der Schottwand
I7 ausreichen, um unter Fortfall der Leitung 28 eine hinreichende Luftzufuhr sicherzustellen.
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Ist die Anlage in Betrieb, so strömt aus der zu prüfenden Treibvorrichtung
II ein kegeliger Gasstrahl aus, der die von dem Ring 19 umschlossene Öffnung ausfüllt.
Die Gase durchströmen den Raum zwischen der Düse 11a und dem Mischrohr I8 mit sehr
hoher Geschwindigkeit und bei hoher Temperatur. Da der Gas strahl die von dem Ring
19 umschlossene Einlaßöffnung des Mischrohres im wesentlichen ausfüllt, kann keine
Luft mitgerissen und durch die Einlaßöffnung in das Mischrohr geleitet werden, so
daß die den Gasstrahl zwischen der Düse und dem Mischrohr umgebende Luft nicht wesentlich
gestört wird, Es hat sich gezeigt, daß der wirksame Strahldruck unverändert bleibt,
wenn der Abstand zwischen der Düse und dem Mischrohr etwa dem It/2faChen Düsendurchmesser
entspricht. Durch den n Luftspalt 2I wird unmittelbar hinter der Einlaßmündung Kühlluft
in das Mischrohr eingeleitet, die von dem Gasstrahl angesaugt und im Mischrohr I8
mit den Gasen gemischt wird. Die Kühlluft ummantelt dabei zunächst den Gasstrahl
und strömt an der Wand des Mischrohres entlang, wobei sie. das Mischrohr gegen Überhitzung
schützt, obwohl das Mischrohr auf jeden Fall aus so hartem Werkstoff hergestellt
wird, daß es eine beträchtliche Erhitzung aushalten kann. Die Kühlung der heißen
Gase bewirkt eine Verminderung ihres Volums, so daß sowohl ihre Geschwindigkeit
als auch ihre Temperatur beträchtlich verringert werden, wenn sie aus dem Mischrohr
in die Aufnahmeleitung 14 einströmen.
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Hierbei wird durch den ringförmigen Luftspalt 23 weitere Luft eingesaugt,
die die heißen Gase zusätzlich abkühlt und dabei an der Wand der Aufnahmeleitung
14 entlangströmt und sie gegen Überhitzung schützt. Durch die zweimalige Einführung
von Kühlluft werden die heißen Gase beträchtlich verlangsamt, ehe sie aus der Leitung
14 gegebenenfalls in die freie Luft ausströmen.
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Die Abkühlung und Verlangsamung des Gasstrahls kann durch Einleitung
bzw. Einsprühen von Wasser in den Gasstrom verstärkt werden, doch können bei der
vorgesehenen Regelung des Kühllufteinlasses die üblichen Sprühvorrichtungen mit
ihren Rohrleitungen und sonstigem Zubehör entfallen. Nach der vorliegenden Erfindung
werden die schalldämpfenden Wände der Aufnahmeleitung I4 durch die Vorkühlung der
heißen Gase im Mischrohr I8 und durch die zusätzlich in das Aufnahmerohr eingesaugte
Luftschicht ausreichend gekühlt, so daß eine zusätzliche Kühlung durch flüssige
Kühlmittel nicht erforderlich ist.
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Die Kühlluft strömt durch die Luftschlitze 25 in das Gehäuse und
durchströmt dann die Schlitze zwischen den Stellklappen 26, die schräg angeordllet
sind, um die Schallwellen zu brechen und ihren Durchlaß zu erschweren. Hierdurch
werden die Geräusche gedämpft, die durch den aus dem Triebwerk abströmenden Gasstrahl
und durch die Kühl luft verursacht werden, wenn sie die Durchlässe 21 und 23 durchströmt.
Es ist wichtig, daß der Druck im unteren Teil des Schalldämpfergehäuses I3 im wesentlichen
eben so groß ist wie der Druck im Prüfstand I0, um Unstimmigkeiten bei der Messung
der Leistung des Gasstrahls zu vermeiden. Die Stellklappen 26 sind daher mittels
der Stellstangen 27 in ihrer Neigung einstellbar, damit der Druck im unteren Teil
des Gehäuses I3 nach Bedarf verstärkt oder vermindert werden kann. Gewöhnlich ist
es erwünscht, daß der Druck im Schalldämpfergehäuse I3 in der Nähe der Düse 11a
etwas geringer als der Druck im Prüfstand ist, damit keine-Gase aus dem Schalldämpfergehäuse
I3 in den. Prüfstand 10 überströmen.
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Die Leistung der Maschine kann auch durch Zirkulation heißer Gase
im Prüfstand beeinträchtigt werden, Diese Gase werden einfach durch Berührung der
heißen Teile des zu untersuchenden Triebwerkes erhitzt. Um dies zu vermeiden, ist
die Leitung 28 vorgesehen, um den Prüfstand zu entlüften und die etwa entstehenden
heißen Gase abzuleiten. Um eine ausreichende Lüftung zu sichern, wird der Durchmesser
der Leitung 28 in Übereinstimmung mit den Abmessungen des Prüfstandes etwa so gewählt,
daß ein Druckabfall von etwa 250 mm Wassersäule zwischen dem Druck im Prüfstand
und dem Druck am Austrittsende der Leitung 28 vorhanden ist. In einer ausgeführten
Versuchsanlage betrug die Menge der durch die Leitung 28 abgezogenen Luft etwa ein
Drittel der aus dem Triebwerk abströmenden Gasmenge. Wird der Durchmesser der Entlüftungsleitung
so groß, daß die Unterbringung der Leitung Schwierigkeiten bereitet, so können mehrere
Entlüftungsleitungen vorgesehen werden, die ringförmig um den oberen Teil der Schottwand
I7 verteilt sein können.
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Das Schalldämpfergehäuse I3 ist von dem Prüfstand 10 durch den Luftspalt
I5, die Aufnahmeleitung 14 ist von dem Gehäuse I3 durch den Luftspalt 24 isoliert.
Der Luftspalt 15 enthält zwar den zur Schalldämpfung dienenden Ring, ist aber ebenso
wie der Luftspalt 24 verhältnismäßig eng bemessen, so daß die durch die Spalte etwa
durchtretenden Schallwellen an den sich gegenüberliegenden Spaltwänden reflektiert
und beträchtlich gedämpft werden, ehe sie austreten können.
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Die Weite des Luftspaltes 2I, der mittels dier Bolzen 20 einstellbar
ist, die Weite des Luftspaltes 23, die sich durch den Flansch 22 bestimmen läßt,
die Neigung der Klappen 26 und der Querschnitt der Leitung 28 müssen empirisch bestimmt
werden, um tür das zu prüfende Triebwerk die jeweils besten Ergebnisse zu erzielen.
Liefert das Triebwerk eine Gasmenge von Wkg/Sek., so läßt sich f-; zufriedenstellender
Betrieb der Anlage erzielen, wenn durch jeden der Luftspalte 2I und 23 und durch
die Leitung 28 eine Kühlluftmenge von W/2 kg ! Sek. geleitet wird, so daß eine Gesamtmenge
von 3/W/2 kg/Sek. durch das Mischrohr
und von 5/W/2 kg/Sek. durch
die Aufnahmeleitung strömt. Nach den durchgeführten Versuchen stellen diese Angaben
jedoch keine Grenzwerte dar.
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BATENTANSPRUCHE: 1. Schalldämpfer für Prüfstände zur Leistungsmessung
von Strahltriebwerken, der mit einem zwischen der Düse des Strahltriebwerkes und
einer die ausströmenden Gase aufnehmenden Aufnahmeleitung angeordneten, in Abstand
hinter der Strahldüse liegenden Mischrohr und einem das Mischrohr aufnehmenden Schalldämpfergehäuse
versehen ist, das an seinem der Strahldüse abgekehrten Ende einen Lufteinlaß und
zwischen dem Lufteinlaß und der Strahldüse angeordnete Schalldämpfereinbauten aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß das im Schalldämpfergehäuse (I3) angeordnete Mischrohr
(I8) mit seinem Austrittsende unter Freihalten eines Zwischenraumes (23) in die
mit geräuschdämpfender Wandung versehene in das Schalldämpfergehäuse (I3) ragende
Aufnahmeleitung (I4) reicht, wobei sich das Schalldämpfergehäuse zwischen der Strahidüse
(1 Ia) und dem Eintrittsende der Aufnahmeleitung (w4). erçeckt, sich gegenüberliegende.
Öffnungen für die Strahldüse und die Aufnahmeleifung aufweist und der Zwischenraum
(23) zwischen dem Ende des Mischrohres und der Aufnahmeleitung als Lufteinlaß für
die.Aufnahmeleitung (I4) dient.