Vorrichtung und Verfahren zur Verbesserung der Dämpfung von akustischen Wellen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dämpfung von zu dämpfenden akustischen Wellen in einem in einem Volumen befindlichen Fluid. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Dämpfung mit einer Vorrichtung, die einen von Begrenzungsflächen umschlossenen Hohlraum umfasst, wobei mindestens eine der Begrenzungsflächen fluiddurchlässig ist, um einen Fluidaustausch mit dem Volumen zu ermöglichen.

Akustische Wellen, d.h. Schallwellen, treten an vielen Stellen in der Umwelt auf. Materialien und Strukturen zur akustischen Dämpfung, die eine Fähigkeit aufweisen, akustische Wellen durch Energiedissipation abzuschwächen, werden zum einen benötigt, um Schallausbreitung im Sinne des Lärmschutzes einzudämmen und werden zum andern benötigt, um eine Schallausbreitung in technischen Systemen zu vermindern. Letzteres kann z.B. für messtechnische Anwendungen wichtig sein, um beispielsweise einen so genannten reflexionsarmen Raum zu erzeugen oder um unerwünschte technische Phänomene zu unterdrücken, die auf einer akustischen Druckschwankung beruhen. Ein sehr wichtiges Beispiel für die letztgenannten Phänomene sind thermoakustische Schwingungen in Brennkammern, insbesondere in Brennkammern von Turbomaschinen, wie beispielsweise Strahltriebwerken oder Gasturbinen.

In vielen Anwendungsbereichen werden perforierte Oberflächenverkleidungen zur Dämpfung von akustischen Wellen eingesetzt. Sie sind zumeist als doppelwandige flache Strukturen ausgeführt, wobei eine Wand mit Löchern versehen ist. Diese Löcher münden in einen zwischen den beiden Wänden liegenden Hohlraum oder in einer Vielzahl von kleinen Hohlräumen, wenn sich zwischen den Wänden eine wabenartige Struktur befindet. Auf der belochten Seite vermag diese Anordnung akustische Wellen, d.h. Schallfelder, abzuschwächen.

Bei Vorrichtungen zur Schalldämpfung, die in Gebäuden eingebaut oder in Lärmschutzwänden verwendet werden, befindet sich häufig anstelle der bienenwabenartigen Struktur ein akustisches Dämmmaterial. Auch in Fantriebwerken oder stationären Gasturbinen werden derartige Vorrichtungen zur Schalldämpfung eingesetzt und dort in der Regel als "Liner" bezeichnet. Liner gibt es in verschiedenen Ausführungsformen. Sie werden z.B. in Brennkammern vor oder im Einlauf oder Bypass von Triebwerken zur akustischen Dämpfung eingesetzt.

Insbesondere die durch einen Rückkopplungsmechanismus von Verbrennungsinstabilitäten mit akustischen Resonanzen verursachten sehr starken Verbrennungsschwingungen, welches meist Stehwellenfelder sind, treten häufig bei so genannten Low-NO _x -Brennem, die für eine niedrige Emission von Stickoxiden optimiert sind, auf. Aufgrund der hohen Wiederholraten der akustischen Zyklen kommt es dabei bei einer strömungs- oder verbrennungsinduzierten Anregung des Systems in der Nähe einer Eigenfrequenz der Brennkammer zu einer angeregten Resonanz in der Brennkammer. Charakteristisch für sich in räumlich begrenzten Brennkammern ausbildende Stehwellenfelder sind sehr starke Druckschwankungsamplituden z.B. am Brennkammerabschluss oder am Turbineneinlauf. Die hierbei auftretenden Belastungen an der Brennkammerwand können bei unzureichender Dämpfung zu einer Verformung der Brennkammerwand oder im ungünstigsten Fall zu einer Zerstörung der Brennkammer führen.

Aus der EP 0 702 141 A2 ist beispielsweise eine Wandanordnung für eine Abgasdüse einer überschallstrahlturbine beschrieben, bei der ein schallabsorbierendes Element, welches aus einer porösen Platte und einer Honigwabenstruktur oder einer porösen Platte und einem Toruskem besteht, zwischen einer Düsenplatte und einer Auskleidung angeordnet ist. Kühlende Luft wird veranlasst, entlang einer inneren Oberfläche der Düsenplatte zu strömen und durch Löcher der porösen Platte gegen die Auskleidung zu strömen.

Aus der EP 1 762 786 A1 ist ein Verfahren zur Dämpfung thermo-akustischer Schwingungen mittels eines Resonators, der ein Resonatorvolumen aufweist, bekannt, wobei in einem zu thermoakustischen Schwingungen neigenden Hohlraum thermoakustische Schwingungen induziert werden und zumindest ein Teil der thermoakustischen Schwingungen aus dem Hohlraum ausgekoppelt und in das Resonatorvolumen eingekoppelt werden, wobei in dem Resonatorvolumen Dämpfungsschwingungen erzeugt werden, die auf die thermoakustischen Schwingungen abgestimmt werden, wobei zumindest ein Teil der Dämpfungsschwingungen in den Hohlraum derart eingekoppelt wird, dass sich die Dämpfungsschwingungen und die thermoakustischen Schwingungen in einem überlappungsbereich überlappen und wobei sich die Schwingungen zumindest im überlappungsbereich weitgehend auslöschen. Ferner ist eine Vorrichtung zur Dämpfung thermoakustischer Schwingungen in dem schwingungsfähigen Hohlraum beschrieben, die einen Resonator mit einem Resonatorvolumen und einen Hohlraum umfasst, so dass der Hohlraum über eine Auskoppelleitung mit dem Resonatorvolumen verbunden ist und bei der die Auskoppelleitung eine Einstelleinrichtung aufweist, mittels derer eine thermoakustische Schwingung in der Auskoppelleitung beeinflussbar ist und bei der ein weiteres Resonatorrohr das

Resonatorvolumen mit dem Hohlraum verbindet. Bei dem Hohlraum handelt es sich vorzugsweise um eine Brennkammer, insbesondere die einer Gasturbine. Bei dem Resonator handelt es sich um einen so genannten Helmholtz-Resonator. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass die darin resonant angeregten Schwingungen durch die Schallwellen, die in dem zu dämpfenden Volumen erzeugt werden, angeregt bzw. erzeugt werden. Auch wenn bei der beschriebenen Vorrichtung über die Einstelleinrichtung durch eine Längenverstellung der Auskoppelleitung eine Resonanzfrequenz der Dämpfungsschwingungen beeinflussbar ist, kann ein solcher Helmholtz-Resonator nur akustische Schwingungen in einem sehr engen Frequenzband um die jeweilige Resonanzfrequenz des Resonators abschwächen.

Aus der nicht offengelegten Patentanmeldung DE 10 2005 059 184 ist eine Vorrichtung zur Dämpfung thermoakustischer Resonanzen in Brennkammern bekannt, die eine Brennkammer umfasst, wobei mindestens ein zumindest teilweise hohlzylindrisches, mit der Brennkammer koaxiales Eindüselement vorgesehen ist, welches eine Mehrzahl zueinander beabstandeter Düsenöffnungen aufweist, und durch die Düsenöffnungen ein Fluid zur Dissipation von während des Brennvorgangs auftretender Schwingungsenergie als Freistrahl zumindest mit einer radialen Komponente in die Brennkammer einströmt. In der DE 10 2005 059 184 ist somit beschrieben, dass sich eine Dämpfung der Schwingungen erreichen lässt, wenn ein teilweise hohlzylindrisch ausgebildetes Element, welches die zylindrische Brennkammer umgibt, an einer Grenzfläche zur Brennkammer Düsenöffnungen aufweist, durch die ein Fluid eingeströmt wird. Um diesen Effekt zu nutzen, muss aber ein Teil des Fluids, welches durch die Turbomaschine verdichtet wurde, verwendet werden und steht somit für andere Prozesse, wie eine Verbrennung oder zur Steigerung eines Schubs, nicht mehr zur Verfügung. Mit dem dort beschriebenen Verfahren ist daher immer ein gewisser, nicht zu vernachlässigender Energieverlust verbunden. Das Verfahren mindert somit den Wirkungsgrad der Maschine in einem spürbaren Maß.

Auch bei sonstigen Anwendungen im Bereich des Lärmschutzes im Außenbereich und in Gebäuden ist eine akustische Dämpfung bisher nicht hinreichend gut gelöst. Eine Akzeptanz für primär Lärm erzeugende Techniken und Technologien in der Bevölkerung kann nur gesteigert werden, wenn eine Lärmausbreitung durch verbesserte Verfahren und Vorrichtung zur Dämpfung eingegrenzt werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Dämpfung von akustischen Wellen, insbesondere zur Dämpfung thermoakustischer Resonanzen in Triebwerken, zu schaffen.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich erfindungsgemäß durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 12. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine doppelwandig ausgebildete Struktur, von denen eine Wand fluiddurchlässig ausgestaltet ist, beispielsweise eine Belochung aufweist, in einem an die fluiddurchlässige Wand angrenzenden Volumen eine nennenswerte Dämpfung akustischer Wellen bewirken kann, wenn in einem Hohlraum der doppelwandigen Struktur aktiv akustische Schwingungen bzw. Wellen angeregt werden. Hierbei erstreckt sich die Dämpfung nicht nur auf den Frequenzbereich der in dem Hohlraum angeregten akustischen Schwingungen (aktiv angeregten akustischen Wellen), sondern über einen breiten Frequenzbereich. Hierbei erfolgt die Anregung unabhängig von der exakten Frequenz oder Phase des zu bedämpfenden akustischen Wellen bzw. des Schalls. Der Effekt beruht nicht auf einer gezielten Auslösung durch gegenphasige Schallsignale. Insbesondere wird eine Vorrichtung zur Dämpfung von zu dämpfenden akustischen Wellen in einem in einem Volumen befindlichen Fluid umfassend einen von Begrenzungsflächen umschlossenen Hohlraum vorgeschlagen, wobei mindestens eine der Begrenzungsflächen fluiddurchlässig ist, um einen Fluidaustausch mit dem Volumen zu ermöglichen, wobei mindestens ein Schallerzeuger in oder an dem Hohlraum angeordnet ist, um in dem in dem Hohlraum befindlichen Fluid aktiv angeregte akustische Wellen anzuregen, so dass eine Dämpfung der akustischen Wellen in dem Volumen eintritt. Die angeregten akustischen Wellen sind hinsichtlich ihrer Phase und Frequenz nicht unmittelbar, insbesondere nicht über einen Regelkreis, von den zu bedämpfenden akustischen Wellen abhängig. Ein Verfahren zum Dämpfen von zu dämpfenden akustischen Wellen in einem in einem Volumen befindlichen Fluid mittels einer Dämpfungsvorrichtung, die einen von Begrenzungsflächen umschlossenen Hohlraum umfasst, wobei eine der Begrenzungsflächen fluiddurchlässig ist, um einen Fluidaustausch mit dem Volumen zu ermöglichen, werden mittels eines Schallerzeugers in dem in dem Hohlraum befindlichen Fluid aktiv angeregte akustische Wellen erzeugt bzw. angeregt, so dass eine Dämpfung der zu dämpfenden akustischen Wellen in dem Volumen eintritt. Die aktiv angeregten akustischen Wellen können vorzugsweise angepasst an den Hohlraum, jedoch unabhängig von den zu bedämpfenden akustischen Wellen in Volumen gewählt werden. Die aktiv angeregten akustischen Wellen

sind frequenz- und phasenunabhängig von den zu bedämpfenden akustischen Wellen. Frequenzunabhängig und phasenunabhängig heißt in diesem Zusammenhang, dass keine exakte Frequenzkopplung oder Phasenkopplung zu einer Frequenz oder Phase der zu bedämpfenden Wellen vorliegt. Die zur Erzeugung der aktiv angeregten akustischen Wellen notwendige Energie ist in der Regel sehr gering. Bei einem Einsatz in einer Gasturbine oder einem Flugzeugtriebwerk ist die benötigte Energie zur Erzeugung der aktiv angeregten akustischen Wellen vernachlässigbar gegenüber der für den Antrieb zur Verfügung stehenden Energie.

Die Vorrichtung zur Dämpfung ist vorzugsweise so angeordnet, dass die fluiddurchlässige Begrenzungsfläche eine Grenzfläche des Volumens ist. Hierdurch wird eine unmittelbare Dämpfung der zu dämpfenden akustischen Wellen in dem Volumen mittels der Vorrichtung möglich.

Die fluiddurchlässige Begrenzungsfläche ist eine materielle Struktur, die Aussparungen, Löcher oder ähnliches aufweist, um einen Durchtritt von Fluid durch die materielle Struktur zu gestatten. Die materielle Struktur kann auch ein poröses, durchlässiges Material sein.

Ein Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nicht nur in Strahltriebwerken oder Gasturbinen, sondern auch innerhalb und außerhalb von Gebäuden zur Dämpfung von Schallwellen, d.h. akustischen Wellen jeglicher Art, geeignet.

Die aktiv angeregten akustischen Wellen werden vorzugsweise monofrequent erzeugt oder angeregt. D.h. eine Anregungswellenform, beispielsweise eine Sinuswelle, wird mit einer regelmäßigen zeitlichen Abfolge erzeugt und/oder angeregt. Hierbei wird die Frequenz bevorzugt angepasst an eine geometrische Form des Hohlraums gewählt. Die Wahl ist weitestgehend unabhängig von dem Frequenzspektrum der zu bedämpfenden Schallwellen in dem Volumen. Vorzugsweise weicht die gewählte Frequenz der aktiv angeregten, vorzugsweise monofrequenten akustischen Wellen von einer Frequenz ab, bei der ein maximaler Schalldruckpegel im Frequenzspektrum der zu bedämpfenden akustischen Wellen auftritt.

Als Schallerzeuger können ein oder mehrere elektrisch angetriebene Schallerzeugungselemente verwendet werden. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht daher vor, dass der Schallerzeuger ein elektrisch angetriebenes Schallerzeugungselement umfasst, insbesondere einen Lautsprecher, einen

Ultraschallwandler und/oder ein Piezoelement Alle diese aufgezahlten Vorrichtungen sind in der Lage, elektrische Energie in akustische Wellen in einem Fluid umzusetzen bzw akustische Wellen in einem Fluid anzuregen Ein Schallerzeuger, der ein elektrisch angetriebenes Schallerzeugungselement umfasst, bietet den Vorteil, dass die Schallerzeugung auf einfache Weise ausgeführt werden kann Die jeweils gewünschte Frequenz kann über große Frequenzbereiche variiert werden Ein Lautsprecher kann beispielsweise akustische Wellen zumindest im gesamten hörbaren Frequenzbereich anregen Zum Speisen dieser Schallerzeugungselemente benotigte elektrische Signale können auf einfache Weise mittels elektronischer Schaltungen erzeugt und gegebenenfalls verstärkt werden

An Stellen, an denen eine Fluidstromung auftritt, kann jedoch auch die Fluidstromung verwendet werden, um aktiv akustische Schallwellen anzuregen In einer Gasturbine oder insbesondere in einem Fantriebwerk für ein Flugzeug kann beispielsweise eine in einem Bypass stromende Fluidstromung ganz oder teilweise dazu verwendet werden, aktiv akustische Wellen in dem Hohlraum anzuregen Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform umfasst der mindestens eine Schallerzeuger daher (alternativ oder zusatzlich zu einem beispielsweise elektrisch angetriebenen Schallerzeugungselement) ein aerophones Schallerzeugungselement, insbesondere eine oder mehrere schwingungsfahige Zungen oder ein einen Schall erzeugenden Fluidstrom teilendes Element Als aerophone Schallerzeugungselemente werden alle solche Schallerzeugungselemente bezeichnet, deren Schallerzeugungsmechanismus durch eine Fluidstromung, insbesondere eine gasförmige Strömung, erzeugt wird Aus dem Stand der Technik sind vielfaltige Möglichkeiten bekannt, durch eine Fluidstromung Schallwellen zu erzeugen Hierbei werden unterschiedliche Mechanismen genutzt Einer dieser Mechanismen beruht darauf, dass die Strömung periodisch unterbrochen wird Dies kann beispielsweise durch eine oder mehrere schwingfahige Zungen oder andere schwingfahige Elemente verursacht sein Ein anderer Schallerzeugungsmechanismus beruht darauf, dass eine Strömung unterteilt wird, die ein teilendes Element überströmt An dem die Strömung teilenden Element lost sich die Strömung ab, wodurch akustische Wellen angeregt werden Bei solchen Ausfuhrungsformen, bei denen die aktiv angeregten akustischen Wellen mittels einer ohnehin existierenden Fluidstromung angeregt werden, ist ein benötigter Energieaufwand zur Erzeugung der angeregten akustischen Wellen besonders gering

Bei aerophon erzeugten aktiv angeregten akustischen Wellen kann bei einer Anordnung des schallerzeugenden Elements in oder an dem Hohlraum in der Regel erreicht werden, dass in

dem Hohlraum eine Hohlraumresonanz angeregt wird, die wiederum auf einen instationären Ablöseprozess an dem aerophonen Schallerzeugungselement eine Rückkopplung bewirkt, die zu einer Ausbildung der Hohlraumresonanz als stationärem bzw. kontinuierlichem Zustand führt. Eine Anregung von akustischen Wellen, die eine Hohlraumresonanz in dem Hohlraum anregen, hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da hierdurch eine besonders hohe Dämpfung der akustischen Wellen in dem Volumen erreicht wird. Dieses gilt nicht nur für akustische Wellen, die eine Frequenz aufweisen, die der Resonanzfrequenz der Hohlraumresonanz entspricht, sondern für akustische Wellen in einem breiten Frequenzbereich. Ebenso ist es vorteilhaft, dass bezogen auf die zur Anregung benötigte Energie bei einer Anregung einer Hohlraumresonanz ein besonders hoher Schallpegel der aktiv angeregten akustischen Wellen in dem Hohlraum erreicht werden kann. Die Hohlraumresonanz oder Hohlresonanzen sind von den geometrischen Gegebenheiten des Hohlraums abhängig. Diese Gegebenheiten können sich beispielsweise bei einer Erwärmung des Fluids und/oder der Wände oder Begrenzungsflächen ändern. Um somit auch bei Ausführungsformen, die ein elektrisch angetriebenes Schallerzeugungselement verwenden, eine Hohlraumresonanz in dem Hohlraum anregen zu können und aufrecht zu erhalten, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der mindestens eine Schallerzeuger mit einer Steuereinheit verknüpft ist und mit der Steuereinheit mindestens ein Schallsensor zum Erfassen von akustischen Wellen verbunden ist und die Steuereinheit den mindestens einen Schallerzeuger in Abhängigkeit der Messsignale des mindestens einen Schallsensors steuert, um eine Hohlraumresonanz oder eine vorgegebene Frequenz anzuregen. Bevorzugt ist der mindestens Schallsensor in dem Hohlraum angeordnet und die Steuereinheit ausgebildet, mittels der aktiv angeregten akustischen Wellen eine Hohlraumresonanz anzuregen.

Um insbesondere eine Kühlung der fluiddurchlässigen Begrenzungsfläche zu ermöglichen, wenn diese als Grenzfläche eines Brennkammervolumens eingesetzt wird, in dem die akustischen Wellen gedämpft werden sollen, ist es von Vorteil, wenn der Hohlraum mindestens eine Einlassöffnung umfasst, um ein Einleiten von Fluid über die Einlassöffnung in den Hohlraum und ein Ausströmen des Fluids durch die fluiddurchlässige Begrenzungsfläche zu ermöglichen.

Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Hohlraum mittels mindestens einer weiteren fluiddurchlässigen Wand in mindestens zwei Teilhohlräume unterteilt ist, wobei die aktiv angeregten akustischen Wellen zumindest in einem der zwei Teilhohlräume erzeugt werden. Die Unterteilung in Teilhohlräume erfolgt so, dass die fluiddurchlässige

Begrenzungsfläche und die mindestens eine weitere fluiddurchlässige Wand im Wesentlichen zueinander parallel sind. Im Wesentlichen parallel soll in diesem Zusammenhang ausdrücken, dass eine ins Innere des Hohlraums weisende Flächennormale der fluiddurchlässigen Begrenzungsfläche an nahezu jedem Ort der fluiddurchlässigen Begrenzungsfläche die mindestens eine weitere fluiddurchlässige Begrenzungsfläche unter einem Winkel von 90° oder nahe 90° schneidet. Ist die fluiddurchlässige Begrenzungsfläche ein Rotationskörper bezüglich einer Achse oder ein Teil hiervon, so wird die mindestens eine fluiddurchlässige Wand ebenfalls ein Rotationskörper bezüglich derselben Rotationsachse bzw. ein Teil eines Rotationskörpers sein.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens ein weiterer Schallerzeuger an oder in einem der mindestens zwei Teilhohlräume angeordnet ist, so dass in den mindestens zwei Teilhohlräumen unterschiedliche oder gleichartig aktiv angeregte akustische Wellen erzeugbar sind. Hierdurch können unterschiedliche Hohlraumresonanzen angeregt werden, die nicht zueinander „harmonisch" sein müssen, da die Teilhohlräume unterschiedliche Abmessungen aufweisen können.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Volumen im Wesentlichen rotationssymmetrisch und entlang einer Symmetrieachse ausgedehnt und ist das Fluid entlang einer Hauptströmungsrichtung von einem Fluid durchströmbar, wobei die Hauptströmungsrichtung im Wesentlichen parallel zur Symmetrieachsenrichtung ist, und der Hohlraum das Volumen zumindest in einem Radialsektor radial mittels der fluiddurchlässigen Begrenzungsfläche begrenzt, wobei der Schallerzeuger in oder an dem Hohlraum am stromaufwärts oder stromabwärts gelegenen Ende des Hohlraums angeordnet ist. Eine solche Anordnung ist besonders geeignet, um eine Brennkammer an einer Gasturbine oder an einem Triebwerk für ein Flugzeug zu dämpfen.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die fluiddurchlässige Begrenzungsfläche auf einem senkrecht zur Symmetrieachse ausgerichteten Kreis oder Kreisbogen angeordnete öffnungen, vorzugsweise kreisförmige öffnungen, umfasst. Bei einer Anordnung zur akustischen Dämpfung von akustischen Wellen in einem Triebwerk oder einer Gasturbine ist die Vorrichtung vorzugsweise als hohler Rotationskörper, beispielsweise hohlzylindrisch, ausgebildet, wobei die öffnungen auf einem Ring angeordnet sind, wobei der Ring vorzugsweise an einer Stelle eines Druckbauchε und der Hohlraumresonanz angeordnet ist. Ist in den Hohlraum beispielsweise ein „λ / 2- Stehwellenfeld" ausgebildet, bei dem ein Abstand L zwischen dem stromaufwärtigen Ende

und dem stromabwärtigen Ende des Hohlraums einer Hälfte der Wellenlänge λ der Hohlraumresonanz entspricht (K / 2 - L), befindet sich der Druckbauch mittig zwischen dem stromaufwärtigen und stromabwärtigen Ende des Hohlraums. Durch eine geeignete Anordnung des Schallerzeugers bzw. der Schallerzeugungselemente an dem stromaufwärtigen oder stromabwärtigen Ende des Hohlraums oder auch an einem anderen Ort, beispielsweise einer anderen Begrenzungsfläche, kann erreicht werden, dass sich ein resonantes Stehwellenfeld in dem Hohlraum beispielsweise zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Ende des Hohlraums, d.h. in Axialrichtung, ausbildet.

Um aktiv angeregte akustische Wellen in dem Hohlraum oder einem der Teilhohlräume, die in einer größeren Anzahl als zwei auftreten können, anzuregen, können in dem Hohlraum oder dem entsprechenden Teilhohlraum mehrere Schallerzeugungselemente oder sogar mehrere Schallerzeuger angeordnet sein. Diese werden vorzugsweise so angeordnet, dass eine Hohlraumresonanz, die bekanntlich unterschiedliche Ausprägungen annehmen kann, optimal angeregt werden kann. Bei einem Hohlraum, der im Innern eines doppelwandigen Zylinders ausgebildet ist und für ein Dämpfen von zu dämpfenden akustischen Wellen in einem von dem Zylinder umschlossenen Volumen vorgesehen ist, werden vorzugsweise an den Stirnseiten oder anderen Begrenzungsflächen des Hohlraums mehrere Schallerzeugungselemente (beispielsweise Lautsprecher) eines oder mehrerer Schallerzeuger angeordnet sein, um zwischen den Mantelflächen des Hohlraums aktiv angeregte akustische Wellen anzuregen oder zu erzeugen.

Insbesondere wenn eine Ausdehnung des Hohlraums entlang der fluiddurchlässigen Brennflächen größer als senkrecht zu dieser ist (beispielsweise bei einem in einem doppelwandigen Hohlzylinder ausgebildeten Hohlraum eine Ausdehnung entlang der Zylinderachse größer als eine radiale Ausdehnung des Hohlraums ist), so können die Stirnseiten des Hohlraums ganz oder teilweise fehlen, sofern eine ausreichende Anregung von aktiv angeregten akustischen Wellen in dem Hohlraum möglich ist.

Die technischen Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen dieselben Vorteile wie die entsprechenden Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Dämpfung von akustischen Wellen;

Fig. 2 eine weitere schematische Darstellung einer Ausführungsform einer

Vorrichtung zur Dämpfung von akustischen Wellen; und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Fantriebwerks mit einer

Vorrichtung zum Dämpfen akustischer Wellen im Bereich einer Brennkammer.

In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung 1 zum Dämpfen von akustischen Wellen 2 in einem Volumen 3 dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst einen von Begrenzungsflächen 4-7 umgebenen Hohlraum 8. Mindestens eine der Begrenzungsflächen 4-7, in dem dargestellten Beispiel die Begrenzungsfläche 7, ist fluiddurchlässig ausgebildet, um einen Fluidaustausch zwischen dem Hohlraum 8 und dem Volumen 3 zu ermöglichen. Die übrigen Begrenzungsflächen 4-6 sind im Wesentlichen schallhart ausgebildet. An dem Hohlraum 8 ist ein Schallerzeuger 9 angeordnet, der ein als Lautsprecher ausgebildetes Schallerzeugungselement 10 umfasst. Dieses Schallerzeugungselement 10 ist an dem Hohlraum 8 so angeordnet, dass in einem in dem Hohlraum 8 befindlichen Fluid aktiv angeregte akustische Wellen 11 aktiv angeregt werden können. Diejenige der Begrenzungsflächen 4-7, an der der Schallerzeuger 9 angeordnet ist, ist entsprechend ausgestaltet. Beispielsweise kann in der entsprechenden Begrenzungsfläche 4 eine Aussparung vorgesehen sein. Ebenso ist es möglich, dass die entsprechende Begrenzungsfläche 4 eine Belochung aufweist. Eine einfallende zu dämpfende Welle 2 in dem Volumen 3, die an der fluiddurchlässigen Begrenzungsfläche 7 entlang verläuft oder auf diese auftrifft, wird über einen Fluidaustausch zwischen dem Volumen 3 und dem Hohlraum 8 gedämpft und wird zu einer gedämpften akustischen Welle 12.

Entscheidend ist, dass eine Frequenz der aktiv angeregten akustischen Welle 11 in dem Hohlraum 8 nicht mit der zu dämpfenden akustischen Welle 2 in dem Volumen 3 übereinstimmen muss. Vielmehr kann eine aktiv angeregte akustische Welle 11 zu dämpfende akustische Wellen 2 in dem Volumen 3 in einem großen Frequenzspektrum dämpfen. Die aktiv angeregte akustische Welle 11 ist frequenzunabhängig und phasenunabhängig von den zu bedämpfenden Wellen 2.

Eine besonders gute Dämpfungswirkung in dem Volumen 3 erhält man, wenn in dem Hohlraum 8 eine Hohlraumresonanz mittels der aktiv angeregten akustischen Wellen 11 angeregt wird. Auch in diesem Fall gilt, dass an die Hohlraumresonanz über den Fluidaustausch nicht nur zu dämpfende akustische Wellen 2 mit einer Frequenz im Bereich der Hohlraumresonanz "ankoppeln" und gedämpft werden, sondern vielmehr zu dämpfende akustische Wellen 2 in einem großen Frequenzspektrum gedämpft werden.

Um auszuschließen, dass eine im Frequenzspektrum dominante Frequenz, d. h. eine Frequenz mit einem besonders hohen Schalldruckpegel angeregt wird, wird der Hohlraum so ausgestaltet , dass in diesem Hohlraumresonanzen anregbar sind, die ein von dieser einen oder mehreren dominanten Frequenzen abweichende Resonanzfrequenz aufweisen. Ebenso wird jeweils bevorzugt eine solche abweichende Resonanzfrequenz angeregt, um sicherzustellen, dass keine Schallenergie in diese bereits dominante Frequenz oder diese dominanten Frequenzen eingekoppelt werden kann.

Der Hohlraum 8 ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass eine Ausdehnung 13 entlang der fluiddurchlässigen Begrenzungsfläche 7 größer als eine senkrechte Ausdehnung 14 senkrecht zu dieser fluiddurchlässigen Begrenzungsfläche 7 ist. Es sind jedoch auch andere geometrische Ausgestaltungen des Hohlraums möglich. Die fluiddurchlässige Begrenzungsfläche 7 ist vorzugsweise Grenzfläche des Volumens 3. Bei anderen Ausführungsformen, bei denen die Ausdehnung 13 sehr viel größer als die senkrechte Ausdehnung 14 ist, können eine oder beide Begrenzungsflächen 4, 6 ganz oder teilweise fehlen oder fluiddurchlässig ausgebildet sein.

Die fluiddurchlässige Begrenzungsfläche 7 muss nicht entlang ihrer gesamten Ausdehnung fluiddurchlässig sein. Vielmehr ist es vorteilhaft, dass die fluiddurchlässige Begrenzungsfläche 7 einzelne öffnungen 15, vorzugsweise in einem Abschnitt 16, entlang der Ausdehnung 13 aufweist, in dem sich ein Druckbauch einer in dem Hohlraum ausbildenden Hohlraumresonanz befindet.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zum Dämpfen akustischer Wellen 2 in einem Volumen 3 dargestellt. Gleiche technische Merkmale sind mit denselben Bezugzeichen bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform ist der Hohlraum 8 durch eine fluiddurchlässige Wand 21 bzw. fluiddurchlässige Begrenzungsfläche in Teilhohlräume 22, 23 unterteilt. Die fluiddurchlässige Wand 21 kann ähnlich oder gleich zu der fluiddurchlässigen Wand 7 ausgebildet sein. Sie kann jedoch ebenfalls mehr oder weniger

öffnungen sowie öffnungen mit einer anderen Form und Größe sowie an anderen Stellen als die fluiddurchlässige Begrenzungsfläche 7 des Hohlraums 8 aufweisen. Die Vorrichtung ist in jedem Falle so ausgebildet, dass zumindest in einem der Teilhohlräume 22, 23 aktiv angeregte akustische Wellen angeregt bzw. erzeugt werden können. Bei der dargestellten Ausführungsform können sowohl in dem Teilhohlraum 22 aktiv angeregte akustische Wellen 11 als auch in dem Teilhohlraum 23 weitere aktiv angeregte akustische Wellen 24 angeregt bzw. erzeugt werden. Hierfür ist an einer Begrenzungsfläche 6 des Hohlraums 8 ein Schallerzeuger 9 angeordnet. Dieser umfasst als Schallerzeugungselement 10 einen Lautsprecher, der die aktiv angeregten akustischen Wellen 11 in dem Teilvolumen 22 anregen bzw. erzeugen kann. Der Schallerzeuger 9 umfasst hierfür einen Schallgenerator 25. Der Schallgenerator 25 wird vorzugsweise eine elektronische Schaltung sein, die ein beliebiges Schallsignal zum Anregen der aktiv angeregten akustischen Wellen gesteuert erzeugen kann. Die Steuerung des Generators 25 wird mittels einer Steuereinheit 26 bewirkt. In dem Teilhohlraum 22 ist ferner ein Schallsensor 27 angeordnet, der ausgebildet ist, akustische Wellen zu vermessen. Signale des Schallsensors 27 können von der Steuereinheit 26 des Schallerzeugers 9 ausgewertet werden, um den Generator 26 so zu steuern, dass mittels des als Lautsprecher ausgebildeten Schallerzeugungselements 10 jeweils eine Hohlraumresonanz des Teilhohlraums 22 angeregt wird. In gleicher weise existiert für den Teilhohlraum 23 ein Schallerzeuger 9' mit einem ebenfalls als Lautsprecher ausgebildeten Schallerzeugungselement 10', einem Generator 25" sowie einer Steuereinheit 26'. In dem Teilhohlraum 23 ist ebenfalls ein Schallsensor 27' angeordnet, um die in dem Teilhohlraum 23 weiteren aktiv angeregten akustischen Wellen 24 zu erfassen.

Die Vorrichtung 1 kann ferner eine zentrale Steuereinheit 28 umfassen, die die Schallerzeuger 9 und 9' steuert. Die zentrale Steuereinheit 28 kann Signale eines weiteren Schallsensors 29 auswerten, der in oder an dem Volumen 3 angeordnet ist. Hierüber kann eine Auswertung des Frequenzspektrums der Schallwellen 2 erfolgen. Abhängig von dem Ergebnis der Auswertung kann eine Auswahl der anzuregenden Hohlraumresonanzen gewählt werden. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die

Hohlraumresonanzfrequenzen, die angeregt werden, nicht mit einer dominanten Frequenz im Frequenzspektrum der zu dämpfenden Wellen 2 übereinstimmt. Bei anderen Ausführungsformen können zusätzlich oder alternativ die Signale der Schallsensoren 27, 27' zu der Zentralsteuereinheit geführt sein und dort ausgewertet werden, um ein Einhalten der gewählten Hohlraumresonanzen zu prüfen oder zu überwachen. Dieses ist beispielsweise bei einer Erwärmung des Fluids in den Teilhohlräumen 21 , 22 oder bei thermischen Ausdehnungen der Teilhohlräume 21 , 22, die jeweils beispielsweise in Gasturbinen oder

Strahltriebwerken auftreten können, von Vorteil. Die Schallsensoren 27, 27' und der weitere Schallsensor 29 gemeinsam mit der Zentralensteuereinheit werden nicht zum Regeln einer Frequenz oder Phase zeitnah oder angepasst die sich ändernden zu dämpfende Wellen 2 in dem Volumen 3 verwendet. Eine Frequenzkopplung oder gar Phasenkopplung findet nicht statt. Vielmehr erfolgt bevorzugt jeweils eine monofrequente von den zu dämpfenden Wellen 2 phasen- und frequenzunabhängige aktive Anregung von akustischen Wellen in den Teilhohlräumen 21 , 22 statt. Die monofrequenten aktiv angeregten akustische Welle 11 oder weitere akustische Welle 24 können die gleiche Frequenz oder unterschiedliche Frequenzen aufweisen. Bei einer solchen Ausführungsform können die Schallerzeuger 9, 9' eine Steuereinheit 26 bzw. 26' aufweisen oder ohne eine solche ausgebildet sein, so dass die Generatoren direkt von der zentralen Steuereinheit 28 angesteuert werden. Bei wieder einer anderen Ausführungsform können die Generatoren in die zentrale Steuereinheit mit integriert sein.

Bei anderen Ausführungsformen können mehr Teilhohlräume des Hohlraums 8 vorgesehen sein. Diese sind jeweils über eine fluiddurchlässige Wand bzw. Begrenzungsfläche voneinander getrennt. Die einzelnen Teilhohlräume können unterschiedliche Abmessungen oder identische Abmessungen aufweisen. Hierbei können sich die Teilhohlräume sowohl hinsichtlich einer senkrechten Ausdehnung 14' als auch ihrer Längsausdehnung 13' sowie einer zu diesen beiden Richtungen senkrechten Querausdehnung (senkrecht zur Zeichnungsebene) voneinander unterscheiden. Bei anderen Ausführungsformen kann der Schallerzeuger bzw. das Schallerzeugungselement auch in dem Hohlraum bzw. Teilhohlraum angeordnet sein. Ebenso ist es möglich, dass mehrere Schallelemente in oder an einem Hohlraum bzw. Teilhohlraum angeordnet sind, um aktiv angeregte akustische Wellen anzuregen bzw. zu erzeugen.

In Fig. 3 ist schematisch ein Fantriebwerk 40 mit einer Vorrichtung 1 zum Dämpfen akustischer Wellen 2 in einer Brennkammer 41 dargestellt. In das Fantriebwerk 40 strömt Fluid 44, in der Regel Luft, entlang einer Hauptströmungsrichtung 42 durch einen Einlass 43 in eine erste Verdichterstufe 43. Nach der ersten Verdichterstufe wird der vorkomprimierte Fluid 44' in einen Hauptstrom 45 und einen Nebenstrom 46 geteilt. Der Hauptstrom 45 gelangt über eine zweite Verdichterstufe 47 in die Brennkammer 41 , in der Treibstoff eingespritzt wird, um eine Verbrennungsreaktion zu unterhalten. Hierbei entstehende thermoakustische Resonanzen stellen zu dämpfende akustische Wellen 2 dar. Um die Brennkammer 41 herum ist daher ein in diesem Falle hohlzylindrisch doppelwandig ausgebildete Vorrichtung 1 zum Dämpfen der akustischen Welle 2 angeordnet, die als Liner

bezeichnet wird Der Hohlraum 8 weist mindestens einen Einlass 48 auf, durch den ein Teil des Nebenstroms 46 in den Hohlraum 8 einströmen und durch die Offnungen 15 der fluiddurchlassigen Begrenzungsflache 7 des Hohlraums 8 in die Brennkammer 41 ausströmen kann Diese Strömung ist vorgesehen, um die fluiddurchlässige Begrenzungsflache 7, die zugleich eine Grenzflache der Brennkammer 41, d h des Volumens 3, ist, in dem die zu dampfenden akustischen Wellen 2 auftreten, zu kühlen

Die öffnungen 15 sind vorzugsweise auf einem oder mehreren Kreisen 51 oder Kreissektoren angeordnet, deren Mittelpunkte auf der Symmetrieachse des Fantriebwerks 40 liegen Die Anzahl, Große, Anordnung und Geometrie der Offnungen 15 auf den Kreisen 51 kann von Kreis zu Kreis 51 variieren Vorzugsweise sind die Kreise 51 in Abschnitten angeordnet an denen sich Druckbauche der aktiv angeregten akustischen Wellen in den Hohlraum ausbilden Auch eine Wandstarke der fluiddurchlassigen Begrenzungsflache 7 kann variiert werden

An dem mindestens einen Einlass 48 ist als Schallerzeugungselement 10 beispielsweise eine Lippe oder Zunge vorgesehen Diese kann durch den Teil des Nebenstroms zu Schwingungen angeregt werden oder eine Teilung des Nebenstroms bewirken Hierbei findet eine nicht stationär Ablösung der Strömung statt, wodurch eine aktive Anregung von akustischen Wellen in dem Hohlraum 8 stattfindet In dem Hohlraum 8 bildet sich eine Hohlraumresonanz aus, die auf den nicht stationären Abloseprozess ruckkoppelt, so dass in dem Hohlraum 8 sich jeweils eine Hohlraumresonanz ausbildet Dieses passiert unabhängig von änderungen des Hohlraums aufgrund von Erwärmung und Ausdehnung sowie einer änderung der Flugeigenschaften aufgrund unterschiedlicher Verdichtung und/oder Temperatur und/oder Drucks usw Die Vorrichtung 1 sorgt dafür, dass sich in der Brennkammer 41 keine thermoakustischen Resonanzen ausbilden können oder diese zumindest so stark gedampft werden, dass eine Schädigung des Triebwerks 40 unterbleibt Der aufgrund des Verbrennungsprozesses stark erwärmte und beschleunigte Hauptstrom 45' des Fluids strömt aus der Brennkammer 41 aus in eine vorzugsweise mehrstufig ausgebildete Turbine 49 die die erste Verdichterstufe 43 und die zweite Verdichterstufe 47 antreibt Der Haupt- und Nebenεtrom 45', 46 werden in einem dusenartig ausgebildeten Auslassbereich 50 vermischt und treten aus dem Triebwerk 40 aus, um einen Schub des Triebwerks 40 zu bewirken

Es ergibt sich, dass um die Brennkammer 41 mehrere voneinander getrennte Hohlräume 8 ausgebildet sein können, die jeweils nur einen Winkeibereich, d h einen Zylindersektor, als

fluiddurchlässige Grenzfläche zu dem Volumen 2 aufweisen. Ebenso ist es möglich, dass in axialer Richtung mehrere voneinander getrennte Hohlräume ausgebildet sein können.

Bei Ausführungsformen, bei denen der Hohlraum in Teilhohlräume unterteilt ist, können diese unterschiedliche Teilvolumina aufweisen. Bei einer an eine zylindergeometrisch angepasste Ausführungsform können sich die Teilhohlräume sowohl in axialer Ausdehnung sowie radialer Ausdehnung unterscheiden, um unterschiedliche Hohlraumresonanzen in der Vorrichtung anregen zu können.

Bei einigen Ausführungsformen, einschließlich der beschriebenen Ausführungsformen, können unterschiedliche Schallerzeuger oder Schallerzeugungselemente, die nach unterschiedlichen Prinzipien wirken, für den Hohlraum oder einen Teilhohlraum vorgesehen sein, um in unterschiedlichen Betriebszuständen jeweils optimal aktiv angeregte akustische Wellen erzeugen oder anregen zu können.

Die beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich beispielhafte Ausführungsformen. Es ergibt sich für den Fachmann, dass vielfältige Ausgestaltungen der Erfindung möglich sind. Die einzelnen im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Ausführungsformen beschriebenen technischen Merkmale können in beliebiger Kombination zur Umsetzung der Erfindung kombiniert werden.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung zum Dämpfen akustischer Wellen

2 zu dämpfende akustische Wellen

3 Volumen -6 Begrenzungsflächen fluiddurchlässige Begrenzungsfläche

Hohlraum

Schallerzeuger

10 Schallerzeugungselement 1 aktiv angeregte akustische Wellen 2 gedämpfte akustische Wellen 3, 13 ¹ Ausdehnung entlang der fluiddurchlassigen Begrenzungsfläche 4, 14' senkrechte Ausdehnung 5 öffnungen 6 mittlerer Bereich 1 fluiddurchlässige Wand 2, 23 Teilhohlräume 4 weitere aktiv angeregte akustische Wellen 5, 25' Generator 6, 26' Steuereinheit 7, 27' Schallsensor 8 zentrale Steuereinheit 9 Schallsensor 0 Fantriebwerk 1 Brennkammer 2 Hauptströmungsrichtung 3 erste Verdichterstufe 4, 44 ¹ vorkomprimierter Fluidstrom 5, 45' Hauptstrom 6 Nebenstrom 7 zweite Verdichterstufe 8 Einlasε 9 Turbine 0 Auslassbereich 1 Kreise