Warum hat der Auspuff der Triebwerksgondel der Boeing 787 eine so ungewöhnliche Form?

Nun, es sieht hübsch aus, nicht wahr?

Boeing wollte den Lärm, der durch den Jet Blast der Triebwerke entsteht, reduzieren. Viele Flughäfen auf der ganzen Welt setzen neue Lärmvorschriften um.

Wie von Boeing erwähnt :

Um das Geräusch des Jet-Blast von der Rückseite des Triebwerks zu bekämpfen, entwickelten Boeing, General Electric und die NASA gezackte Kanten, sogenannte Chevrons, für die Rückseite der Gondel und die Triebwerksauslassdüse. Die Chevrons reduzieren Strahlgeräusche, indem sie die Art und Weise steuern, wie sich die Luft mischt, nachdem sie durch und um das Triebwerk strömt.

Die akustischen Auskleidungen und Chevrons sind so wirksame Geräuschunterdrücker, dass mehrere hundert Pfund Schalldämmung aus dem Rumpf entfernt werden können.

Da die NASA beteiligt war, erklären sie (meine Umschreibung) :

Chevrons sind das Sägezahnmuster, das an den Hinterkanten einiger Strahltriebwerksdüsen zu sehen ist. Wenn sich heiße Luft aus dem Motorkern mit kühlerer Luft vermischt, die durch den Motorlüfter bläst, dienen die geformten Kanten dazu, die Mischung zu glätten, wodurch Turbulenzen reduziert werden, die Geräusche erzeugen.

... Die neue Boeing 787 gehört zu den modernsten Jets, die auf Chevrons setzen, um den Geräuschpegel des Triebwerks zu reduzieren. Es trägt Chevrons an den Gondeln oder Lüftergehäusen.

Ich denke, beide Antworten sind richtig, aber ich würde gerne etwas Zeit damit verbringen, die Phänomene zu beschreiben, die Chevrons zu reduzieren versuchen, damit ich die bereits gegebenen Antworten ergänzen kann.

Was passiert also in einem Motor? Wir haben ein heißes Gas mit hoher Geschwindigkeit, das den Motorkern verlässt, und ein weiteres Gas mit höherer Geschwindigkeit als die Außenluft, aber viel langsamer als der Kern, und wir haben den Außenluftstrom. Eigentlich fehlt mir eine, die ich später erklären werde.

OK, also gibt es zwischen Luftströmen mit unterschiedlichen Eigenschaften (insbesondere unterschiedlicher Geschwindigkeit) eine Schicht, in der sich beide Luftströme mischen, um eine andere mit durchschnittlichen Eigenschaften zu erzeugen (durchschnittlich zu sagen, ist eine Vereinfachung), die Mischung in einem Bereich, der als "Mischschicht" bezeichnet wird. Leider ist bei typischen Motoren die Art und Weise, wie sich beide Schichten vermischen, turbulent. Hier ist ein typisches Bild einer Simulation einer Mischschicht.

Diese turbulente Mischung erzeugt Klang. Tatsächlich ist ein ähnliches Phänomen bei einer Flöte leicht zu erkennen. Wenn Sie es öffnen, können Sie sehen, dass Sie beim Blasen Luft einführen, die einen Hohlraum erreicht, in dem Schall erzeugt wird (eigentlich gibt es ein anderes Phänomen, Resonanz, aber ich möchte veranschaulichen, dass Turbulenzen Schall erzeugen). Ein anderes Beispiel ist, wenn Sie ein scharfes Objekt in der Luft schwenken (wie eine Klinge); Wenn Sie es schnell genug tun, hören Sie einen Ton.

Genau dieses Phänomen tritt in der Nähe von Motoren auf, aber das Geräusch ist lauter. Wieso den? Denn der Unterschied zwischen den Geschwindigkeiten ist wirklich hoch. Ein Segelflugzeug scheint leise zu sein, obwohl die Flügel als Flügel wirken ... aber der Geschwindigkeitsunterschied ist nicht so groß.

Was wir jetzt also wissen, ist, dass je kleiner die Differenz, desto kleiner die Turbulenz, desto leiser der Klang. Diese Chevrons, die Sie in der Boeing 787 sehen, haben tatsächlich dieses Ziel. Sie erzeugen tatsächlich eine weitere Flüssigkeitsschicht mit mittlerer Geschwindigkeit zwischen der Luft, die den äußeren Teil des Motors passiert (Lüfter-Sekundärströmung), und der äußeren Strömung, so dass der Eigenschaftssprung geringer ist, Turbulenzen reduziert werden und der Klang leiser ist.

Um Ihnen also die Strömungen in einem Motor zu zeigen, habe ich Ihr Foto gemacht und einige Pfeile eingefügt:

Grundsätzlich vermischt sich die blaue Luft, die für den äußeren Teil der Gondel kommt, mit der Luft, die vom Lüfter kommt (roter Pfeil). Das Vorhandensein der Chevrons bedeutet, dass einige Teile früher gemischt werden als andere, was eine positive Verzerrung in der Mischschicht erzeugt, wie "einen dritten Fluss erzeugen". Der grüne Pfeil zeigt die Luft aus dem Motorkern, aber es gibt einen anderen Luftstrom zwischen dem Motorkern und dem Lüfter, der violette Pfeil.

Was in den vorherigen Antworten für Conway- und JTD-8-Motoren gezeigt wird, sind Geräte, die das gleiche Prinzip verwenden, aber sie sind eigentlich nicht gleich. Bei früheren Strahltriebwerken gab es keine große Sekundärströmung vom Fan wie heutzutage, und das Gemisch befand sich direkt zwischen Triebwerkskern und äußerer Strömung, also ist es das gleiche Prinzip, aber der große Unterschied zwischen den Drehzahlen erforderte ein aggressiveres Gemisch. Dieses Gerät wird Hush Kit genannt .

Um Ihre Frage abschließend zu beantworten, gibt es keinen aerodynamischen Vorteil. es gibt eine strafe. Der Vorteil liegt in der Aeroakustik.

Es gibt jedoch einen indirekten Vorteil: Die Menge an akustischem Dämpfungsmaterial, die benötigt wird, um die Kabine leise genug zu machen, wird reduziert. Das spart Gewicht und damit Kraftstoff.

Tatsächlich gab es schon früher ähnliche Tricks, die bei Boeing-Flugzeugen angewendet wurden, um den Düsenlärm zu reduzieren.

Der Rolls-Royce Conway (wie er bei der Boeing 707 verwendet wurde) hatte einen gezackten Auspuff, der die Strahlmischung verbesserte und die Auspuffgeräusche reduzierte. Da der Conway auch der erste betriebsbereite Bypass-Motor war, trug die niedrigere Abgasgeschwindigkeit dieser Konstruktion bereits zur Geräuschreduzierung bei. Zum Zeitpunkt der Entwicklung erwarteten die Ingenieure einen Einbau des Triebwerks in Flügelwurzeln, das Nebenstromverhältnis betrug jedoch nur 0,25.

Auch der JTD-8 der Boeing 737-100 verwendete ein ähnliches Schalldämpferdesign:

In allen Fällen geht es darum, die Oberfläche zwischen dem heißen, schnellen Abgas und der Umgebungsluft zu vergrößern und den geräuschintensiven Mischvorgang zu strecken .

Siehe auch diese Frage für weitere Informationen.

Der Hauptzweck der Chevrons in den Motoren besteht darin, das Motorgeräusch zu reduzieren.

Die meisten zivilen Verkehrsflugzeuge verwenden Turbofan-Triebwerke mit hohem Bypass, die insbesondere bei hohen Schubbedingungen eine erhebliche Menge an Lärm erzeugen. Flug-(Triebwerks-)Lärm ist während der Start- und Landephase besonders kritisch, da er die Menschen im Umfeld des Flughafens und auch das Bodenpersonal beeinträchtigt. Die Reduzierung des Düsenlärms ist seit dem (gescheiterten) SST-Programm einer der Schwerpunkte der zivilen Flugzeughersteller.

Quelle: adg.stanford.edu

Wie ersichtlich ist, ist das Triebwerksgeräusch vielleicht der wichtigste Beitrag zum gesamten Flugzeuglärm. Daher wird die Verringerung des Triebwerksgeräuschs von größter Bedeutung. Die meisten Turbofan-Triebwerke mit hohem Bypass haben zwei Strömungsbereiche – den zentralen Kern und den umgebenden Bläser. Diese Bereiche vermischen sich in der kurzen Düse normalerweise nicht miteinander.

„ Airbus Lagardère – GP7200 Triebwerk MSN108 (1) “ von Dr. Brains – Eigene Arbeit. Lizensiert unter CC0 via Commons .

Das folgende Schema zeigt den Betrieb eines typischen High-Bypass-Turbofan-Triebwerks, das in Verkehrsflugzeugen verwendet wird.

„ Turbofan operation “ von K. Aainsqatsi – Eigene Arbeit. Lizensiert unter CC BY 2.5 über Commons .

Normalerweise reduzieren hohe Bypass-Verhältnisse das Rauschen. Die Hauptquelle des Strahllärms ist die turbulente Vermischung der Scherschichten im Triebwerksabgas. Diese Scherschichten enthalten Instabilitäten, die zu hochturbulenten Wirbeln führen, die die für Schall verantwortlichen Druckschwankungen erzeugen.

[2012, V. Parezanovic] Quelle: http://www.berndnoack.com/

Eine der Maßnahmen zur Geräuschreduzierung besteht darin, die Kern- und Bypassgase effektiv zu mischen. Die NASA führte Forschungen auf diesem Gebiet durch und bewertete eine Reihe verschiedener Konfigurationen.

Quelle: NASA – Innovationen in der Luftfahrt

Diese Studien zeigten, dass, obwohl die gelappten Mischer den Lärm besser reduzierten, der damit verbundene Schubverlust größer war und die Chevrons die optimale Lösung boten. Zwei Lösungen, Tabbed und Chevrons wurden dann (simulierter Flug) in verschiedenen Konfigurationen getestet.

Diese Tests zeigten, dass die Konfiguration mit Chevrons in Fächerdüsen nur die geringste Verringerung des Schubkoeffizienten verursachte. Dies war wahrscheinlich der Grund, warum dies ausgewählt wurde.

Darüber hinaus wurde an der Entwicklung von Systemen geforscht, die das "Eintauchen" der Chevrons in die Strahlströmung basierend auf den Flugbedingungen optimieren würden. Es wurden durch Wärme aktivierte Formgedächtnislegierungen entwickelt, die ein vollständiges Chevron-Eintauchen in die Strahlströmung während hoher Schubanforderungen (z. B. während des Starts) und ein Nichteintauchen während des Reiseflugs, wo die Schubeffizienz von größerer Bedeutung ist, ermöglichen würden.

Chevrons mit variabler Geometrie zur Immersionskontrolle (AIAA 2006-2546) (Boeing-Bild)