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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Eintrittskonus für ein als
Mantelstromtriebwerk ausgebildetes Strahltriebwerk, das einen Triebwerkskernbereich
und einen diesen umgehenden Mantelbereich aufweist, wobei der Eintrittskonus
konzentrisch im Lufteintrittsbereich des Strahltriebwerkes angeordnet ist
und an einer drehbar gelagerten Welle angeordnet ist.
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Eine
gattungsgemäße Konusanordnung
ist aus der Europäischen
Patentschrift
EP 0
294 654 B1 bekannt. Die äußere Form der Konusanordnung
entspricht der eines Rotationsparaboloids. Die Wandung der Konusanordnung
ist zur Bildung eines Befestigungsflansches nach innen gezogen,
so dass im Fall eines Fremdkörpereinschlags
auf die Konusanordnung diese aufgrund einer speziellen Ausbildung
im Anflanschbereich an den Rotor unbeschädigt bleibt. Jedoch kann die
Flugbahn des Fremdkörpers,
welcher auf die Konusanordnung eintrifft, nicht kontrolliert werden.
Insbesondere durch die Ausbildung der äußeren Form als Rotationsparaboloid
ist eine Richtungsvorgabe der Flugbahn nach dem Abprallen von der
Konusanordnung nicht möglich.
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Aus
der Patentanmeldung
US
2006/0056977 A1 ist eine Konusanordnung bekannt, welche
entlang der Längsachse
des Strahltriebwerkes verfahrbar ist. Die Konusanordnung lässt sich
gemäß der hierin
offenbarten Anordnung entgegen der Strömungsrichtung von der Niederdruckturbinenwelle
abheben, so dass eine optimale Strömung im Eintrittsbereich des Strahltriebwerkes
geschaffen werden kann und an verschiedene Flugzustände des
Luftfahrzeugs anpassbar ist. Ferner soll die vorgeschlagene Beweglichkeit
der Konusanordnung in Richtung der Längsachse einen effektiven Schutz
gegen die Bildung von Eis und gegen auftreffende Festkörper bieten.
Damit ist zwar eine Kontrolle des Anströmwinkels des eintretenden Fluids
möglich,
jedoch weist die vorgeschlagene Ausführung einen erheblichen konstruktiven
Aufwand auf. Ein effektiver Schutz des Strahltriebwerks, und insbesondere
des Triebswerkskernbereiches vor eintretenden Festkörpern ist
damit jedoch nicht sichergestellt.
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Insbesondere
in Hochdruckverdichtern, d.h. im Triebwerkskernbereich, führt eine
Versandung zur Erosion der Bauteile, da der Sand mit hohen Relativgeschwindigkeiten
auf deren Oberfläche
trifft. Im Mantelbereich verursachen eintretende Festkörper wie
Sand keine erheblichen Schäden,
da die eintretende Luft deutlich geringeren Beschleunigungen ausgesetzt
ist und keiner thermischen Veränderung aufgrund
der Verdichtung und der Treibstoffverbrennung, die lediglich im
Triebswerkskernbereich erfolgt, unterliegt. In Strahltriebwerken
löst der
Sand neben einem Verstopfen der Kühlspalte weiterhin eine erhebliche
Korrosion aus, da im Sand befindliche Sulfate eine Wechselwirkung
mit den Bauteilen des Strahltriebwerkes zeigen. Dieses Problem kann
lediglich dadurch minimiert werden, dass der Eintritt von Festkörpern wie
Sand und dergleichen in den Triebwerkskernbereich nach Möglichkeit
minimiert wird.
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Ein
Eintrittskonus 1 gemäß des Standes
der Technik ist der Darstellung in der 4 zu entnehmen,
welcher am vorderen Ende einer Niederdruckturbinenwelle 14 eines
Strahltriebwerkes 10 angeordnet ist. Das Strahltriebwerk 10 weist
einen Triebwerkskernbereich 11 sowie einen Mantelbereich 12 auf.
Der Eintrittskonus 1 ist konzentrisch zur Längsachse 13 angeordnet
und hat einen flachen Konuswinkel 15. Der flache bzw. kleine
Konuswinkel 15 führt
dazu, dass auf den Konus 1 auftreffende Festkörper 16 nach
dem Abprallen von der Oberfläche des
Konus 1 überwiegend
in den Triebwerkskernbereich 11 gelangen. Die Festkörper 16 bewegen
sich nach dem Abprallen von dem Konus 1 entlang verschiedener
Bewegungsbahnen 17, wobei die Bewegungsbahnen 17a in
den Triebwerkskernbereich und die Bewegungsbahnen 17b in
den Mantelbereich führen.
Gemäß der Darstellung
in 4 wird ein Großteil der Festkörper 16 in
den Triebwerkskernbereich geleitet. Dadurch wird eine wesentliche
Schädigung
des Triebwerkskernbereiches 11 verursacht, da die Festkörper im
Triebwerkskernbereich eine besonders starke Erosion auslösen. Insbesondere
im Sand befindliche Sulfate und die damit einhergehende Sulfidation
stellt bei Niederdruckturbinen eine der limitierenden Schädigungsmechanismen
dar.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Eintrittskonus
für ein
Strahltriebwerk zu schaffen, bei dem der Eintritt von Festkörpern in den
Triebwerkskernbereich kontrolliert minimierbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 sowie des Anspruchs
8 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung schließt
die technische Lehre ein, dass der Eintrittskonus durch einen Konuswinkel gekennzeichnet
ist, bei dem mit dem Luftstrom auf die Konusanordnung auftreffende
Festkörper
in Bewegungsbahnen von der Konusanordnung abprallen, welche die
Festkörper überwiegend
in den Mantelbereich führen.
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Die
Erfindung bietet den Vorteil, dass durch einen geeignet gewählten Konuswinkel
die Partikelbahnen des auftreffenden Festkörpers durch Modifizierung des
Aufprallwinkels und des Luftstromes insbesondere über die
gesamte Konusanordnung derart modifiziert werden, dass die auftreffenden
Festkörper,
wie beispielsweise Sandpartikel, überwiegend in den Mantelbereich
gelangen. Mit dem verringerten Anteil an Festkörpereintritt in den Triebwerkskernbereich
werden die damit verbundenen Schädigungsmechanismen
minimiert. Durch einen stumpfen Eintrittskonus gelangen weniger
Festkörper
in den Triebwerkskernbereich als mit einem spitzen Konus. Die meisten
Partikel geraten somit in den Nebenstrom, d.h. in den Mantelbereich.
Dort können
sie deutlich weniger erosiv und korrosiv wirken.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Konusanordnung wird vorgeschlagen,
dass der Konuswinkel der Konusanordnung einen Wert von 30° bis 45°, vorzugsweise
von 35° bis
40° und
besonders bevorzugt von 38° aufweist.
Speziell ein Winkel von etwa 38° als
Halbwinkel der kegelförmigen
Konusanordnung hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt,
da mit diesem Winkel ein nur sehr geringer Anteil der Festkörper, welche
insgesamt auf die Konusanordnung auftreffen, in den Triebwerkskernbereich eintritt.
Dennoch bleibt bei einem Konuswinkel von 38° eine ideale Strömung des
Luftstroms, welcher in das Strahltriebwerk eintrifft, erhalten.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist die Konusanordnung
in radialer Richtung in einen inneren Anströmbereich und in einen äußeren Anströmbereich
unterteilbar, und die radiale Grenze zwischen den Bereichen ist
durch einen Grenzstromradius definiert. Damit gelangen die mit dem
Luftstrom auf den inneren Anströmbereich auftreffenden
Festkörper
nach dem Abprallen von der Konusanordnung über eine innere Bewegungsbahn
in den Triebwerkskernbereich und die auf den äußeren Anströmbereich auftreffenden Festkörper gelangen
nach dem Abprallen über
eine äußere Bewegungsbahn
in den Mantelbereich. Der Grenzströmradius weist dabei einen Radiusanteil
von 50% bis 70%, bevorzugt von 55% bis 65%, und besonders bevorzugt
von 62% des Außenradius
der Konusanordnung auf. Das bedeutet, dass innerhalb eines Radiusanteils
von 62% des Gesamtradius der Konusanordnung die auftreffenden Festkörper unter
einem Abprallwinkel derjenigen Bewegungsbahnen folgen, die in den
Mantelbereich führen.
Lediglich der restliche Radiusbereich im Außenbereich des Konus, also etwa
ein Radiusanteil von 38%, bewirkt ein Eintreten der Festkörper in
den Triebwerkskernbereich, was gegenüber dem Anteil gemäß dem Stand
der Technik einer Verbesserung von etwa 40% entspricht. Das heißt, dass
40% weniger Sand in den Triebwerkskernbereich eintreten.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
einer Konusanordnung erstreckt sich diese über der gesamten Länge der
Konusanordnung in Erstreckungsrichtung der Längsachse mit einem gleichförmigen Konuswinkel.
Die Außenseite
der Konusanordnung kann dabei ohne Stufe in den Bereich der Fan-Schaufeln übergehen,
so dass eine ununterbrochene Strömungskontur
gebildet wird.
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Gemäß eines
weiteren Ausführungsbeispiels ist
vorgesehen, dass die Konusanordnung im inneren Anströmbereich
einen größeren Konuswinkel
aufweist als im äußeren Anströmbereich,
so dass der gebildete Winkelknick der unterschiedlichen Konuswinkel
mit dem Grenzströmradius
zusammenfällt. Mittels
der unterschiedlichen Steigungen des Konus kann dieser verlängert werden,
was einer weiteren Optimierung bzw. Reduktion der in den Triebwerkskernbereich
eintretenden Festkörper
ermöglicht.
Die Konusanordnung ist gemäß dieses
Ausführungsbeispiels
derart ausgebildet, dass diese stromaufwärts einen steilen Winkel aufweist,
woraufhin in Strömungsrichtung
ein flacher Konuswinkel folgt, der in die Schaufelanordnung übergeht.
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Der
Bereich, in dem der Konuswinkel sich ändert, kann vorteilhafterweise
in den Grenzströmradius
fallen, so dass die Festkörper,
welche auf dem vorderen steileren Konusbereich auftreffen, vollständig in
den Mantelbereich geführt
werden, woraufhin lediglich ein kleiner Anteil im äußeren Konusbereich angrenzend
an die Schaufelanordnung dazu führt, dass
die Festkörper
in den Triebwerkskernbereich eintreten. Damit wird vorteilhafterweise
erreicht, dass der Anteil der in den Mantelbereich eintretenden Sandpartikel
einen Wert von 50% bis 70%, bevorzugt von 55% bis 65% und besonders
bevorzugt von 62% der insgesamt auf die Konusanordnung auftreffenden
Sandpartikel aufweist. Mit einer entsprechenden Veränderung
der Konusanordnung kann jedoch auch ein höherer Anteil an in den Mantelbereich
eintretenden Sandpartikel erreicht werden.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer Konusanordnung
für ein
als Mantelstromtriebwerk ausgebildetes Strahltriebwerk, das einen
Triebwerkskernbereich und einen diesen radial umhüllenden
Mantelbereich aufweist, wobei die Konusanordnung zentrisch im Lufteintrittsbereich
des Strahltriebwerkes angeordnet ist und vorne an der um eine Längsachse
drehbar gelagerten Niederdruckturbinenwelle angeordnet ist, und
wobei die Konusanordnung einen Konuswinkel mit einem Wert von 30° bis 45°, vorzugsweise
von 35° bis
40° und besonders
bevorzugt von 38° aufweist,
bei dem mit dem Luftstrom auf die Konusanordnung auftreffende Festkörper in
Bewegungsbahnen von der Konusanordnung abprallen, welche die Festkörper überwiegend
in den Mantelbereich führen.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
sind in den Unteransprüchen
angegeben oder werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der
Erfindung anhand der Figuren näher
dargestellt.
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Es
zeigt:
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1 ein
Eintrittskonus eines Strahltriebwerkes mit einem Konuswinkel gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
schematische Darstellung des Konus sowie des Triebwerkskernbereiches
und des Mantelbereiches;
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3 eine
schematische Draufsicht auf den Eintrittskonus, welche in einen
inneren Anströmbereich
und einen äußeren Anströmbereich
unterteilbar ist;
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4 ein
Eintrittskonus eines Strahltriebwerkes gemäß des Standes der Technik.
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Der
in der 1 dargestellte Eintrittskonus ist mit dem Bezugszeichen 1 versehen.
Dieser befindet sich in Strömungsrichtung
vorne an einem Strahltriebwerk 10 und ist konzentrisch
mit einer Längsachse 13 angeordnet.
Der Eintrittskonus 1 ist auf einer Niederdruckturbinenwelle 14 montiert,
so dass der Eintrittskonus 1 mit der Turbinenwelle mitrotiert.
Das Strahltriebwerk 10 lässt sich in einen inneren Triebwerkskernbereich 11 und
einen äußeren Mantelbereich 12 unterteilen.
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Beispielhaft
sind Festkörper 16 dargestellt, welche
sich entlang verschiedener Bewegungsbahnen 17 bewegen.
Die Bewegungsbahnen teilen sich auf in jene, die in den Triebwerkskernbereich 11 münden, diese
sind mit dem Bezugszeichen 17a versehen, wobei die Bewegungsbahnen 17,
welche in den Mantelbereich 12 münden, mit dem Bezugszeichen 17b versehen
sind. Die Festkörper 16 treffen
mit der parallel zur Längsachse 13 verlaufenden
Strömung des
Luftstroms auf den Eintrittskonus 1 auf. Nach dem Auftreffen
prallen die Festkörper 16 von
Konus 1 wieder ab und bewegen sich entlang der dargestellten
Bewegungsbahnen 17a und 17b. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist der Konus 1 mit einem Konuswinkel 15 ausgebildet,
welcher einen Wert aufweist, der so beschaffen ist, dass mit dem
Luftstrom auf dem Konus 1 auftreffende Festkörper 16 den
Bewegungsbahnen 17b vom Konus 1 wegbewegend folgen,
die die Festkörper 16 überwiegend
in den Mantelbereich 12 führen. Hingegen bewegen sich
die Festkörper 16 nur
zu einem geringen Anteil entlang der Bewegungsbahnen 17a,
welche in den Triebwerkskernbereich 11 führen.
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In 2 ist
die Anordnung des Konus sowie des Triebwerkskernbereiches 11 und
des Mantelbereiches 12 schematisiert dargestellt. Die Längsachse 13 ist
schematisch als halbierende dargestellt, so dass sich der Konus 1 relativ
zur Längsachse 13 unter
dem Konuswinkel 15 erstreckt. Die Trennung zwischen dem
Triebwerkskernbereich 11 und dem Mantelbereich 12 ist
schematisch durch eine Trennwand dargestellt. Die Festkörper 16 treffen
auf den Eintrittskonus 1. Nach dem Abprallen der Festkörper 16 bewegen
sich diese entlang der inneren und äußeren Bewegungsbahnen 17a und 17b.
Die Festkörper 16, welche
sich entlang der inneren Bewegungsbahn 17a in den Triebwerkskernbereich 11 bewegen,
treffen zuvor im äußeren Anströmbereich 19 auf
den Eintrittskonus 1 auf. Die Festkörper 16, welche sich
entlang der äußeren Bewegungsbahnen 17b in
den Mantelbereich 12 bewegen, treffen im inneren Anströmbereich 18 auf
den Konus 1 auf. Die Grenze zwischen dem inneren Anströmbereich 18 und
dem äußeren Anströmbereich 19 ist
durch den Grenzströmradius 20 gegeben, wobei
der innere Anströmbereich 18 den
größeren Radiusanteil
ausmacht und lediglich ein kleinerer äußerer Anströmbereich 19 vorhanden
ist.
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3 stellt
schematisch eine Draufsicht auf den Eintrittskonus 1 aus
Richtung der Längsachse 13 dar.
Der Grenzströmradius 20 begrenzt
den inneren Anströmbereich 18,
wohingegen der äußere Anströmbereich 19 bis
zum Außenradius
des Eintrittskonus 1 ragt. Deutlich erkennbar ist die große Fläche, die
den inneren Anströmbereich 18 bildet,
so dass auf diese Fläche
auftreffende Festkörper
lediglich in den Mantelbereich 12 überführt werden, wohingegen der
kleinere äußere Anströmbereich 19 ein
Eintreffen der Festkörper
in den Triebwerkskernbereich zulässt. Der
Anteil des Grenzströmradius 20 im
Verhältnis zum
Gesamtradius der Konusanordnung 1 beträgt etwa 62%, so dass nur 38%
der auf den anteiligen Radius auftreffenden Festkörper in
den Triebwerkskernbereich eintreffen.
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Die
vorliegende Erfindung beschränkt
sich in ihrer Ausführung
nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten
Lösung
auch bei grundsätzlich
anders gearteten Ausführungen
Gebrauch macht. So kann der Konus 1 auch mehrere Konuswinkelabschnitte
aufweisen.
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- 1
- Eintrittskonus
- 10
- Strahltriebwerk
- 11
- Triebwerkskernbereich
- 12
- Mantelbereich
- 13
- Längsachse
- 14
- Niederdruckturbinenwelle
- 15
- Konuswinkel
- 16
- Festkörper
- 17
- Bewegungsbahn
- 18
- innerer
Anströmbereich
- 19
- äußerer Anströmbereich
- 20
- Grenzstromradius