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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Homogenisierung einer
Einlaufströmung in einen Einlauf mit einem an eine überströmte
Oberfläche angrenzenden flachen Eingangsquerschnitt und
auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens
mit einem solchen fächerförmigen Einlauf.
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Einläufe
mit flachem Eingangsquerschnitt werden in dieser Beschreibung auch
als fächerförmig bezeichnet.
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STAND DER TECHNIK
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An überströmte
Oberflächen angrenzende fächerförmige
Einläufe werden z. B. für Flugzeugtriebwerke vorgesehen.
Dabei gibt es verschiedene Gründe, Flugzeugtriebwerke in
unmittelbarer Nähe einer Oberfläche, insbesondere
eines Flügels oder des Rumpfs eines Flugzeugs anzuordnen.
Bei Verkehrsflugzeugen sind solche Gründe zum einen durch
die immer größer werdenden Abmessungen der Triebwerke
gegeben. Zum anderen gibt es Überlegungen, aus akustischen
Gründen Triebwerke auf der Oberseite von Tragflügeln/Rümpfen
anzuordnen. In anderen Fällen werden Triebwerke auch direkt
in die Tragflügel und/oder den Rumpf integriert, wie z. B.
bei der Concorde und bei Militärflugzeugen. Dies gilt in
besonderer Weise auch für Nurflügler und so genannte
UCAVs. Bei letzteren spielt die Infrarotsignatur des Triebwerkeinlaufs
eine besondere Rolle. Dies führt gewöhnlich zu
einer Anordnung der Triebwerke auf der Oberseite solcher Fluggeräte,
wobei der Einlauf häufig fächerförmig
gestaltet wird, um eine besonders flache Kontur zu erreichen. Ähnliche Randbedingungen
können auch bei Antrieben von Flugkörpern und
Raumfahrzeugen vorliegen. In all diesen Fällen entwickelt
sich auf der vor dem Einlauf des Triebwerks liegenden Oberfläche
eine Grenzschicht. Tritt diese Grenzschicht in den Einlauf ein,
so wird die Zuströmung zum Verdichter des Triebwerks inhomogen,
was die Effizienz des Verdichters verringert und zu Instabilitäten
führen kann. Im Falle von Überschallgeschwindigkeiten
der Überströmung der Oberfläche kann
die Grenzschicht aufgrund stoßinduzierter Ablösung
ablösen, was zu noch größeren Inhomogenitäten
bei ihrem Eintritt in den Einlauf führt. Eine weitere Quelle
von Störungen, die in den Einlauf laufen können,
liegt vor, wenn z. B. bei Deltaflügelkonfigurationen an
der Vorderkante dieser Flügel Wirbel entstehen. Diese können
zumindest teilweise von einem auf der Flügeloberseite angeordneten
Einlauf erfasst werden. Auch dies führt zu besonders inhomogenen
Strömungsbedingungen im Einlauf. Entsprechendes gilt zum
Beispiel auch bei Lambdaflügeln.
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Bisherige
Maßnahmen zur Vermeidung von inhomogenen Strömungsbedingungen
von Einlaufströmungen in an eine Oberfläche angrenzenden Einläufen
haben das Ziel, ein Eintreten der Grenzschicht in den Einlauf zu
vermeiden. So offenbart die
US
5,490,644 eine Passage zwischen der Oberfläche
und dem Einlauf, um die Grenzschicht aufzunehmen, damit diese nicht
in den Einlauf gelangt. Ein ähnliches Konzept ist aus der
US 6,634,595 bekannt. Hier
kann die Passage zwischen der Oberfläche und dem Einlauf
mit einem hinteren Teil des Einlaufs verbunden werden, um die in
die Passage eingetretene Strömung dann dem Einlauf zuzuführen,
wenn sie nicht stark inhomogen ist. Eine stark inhomogene Strömung
in der Passage soll aber von dem Einlauf ferngehalten werden. Für
fächerförmige ausgebildete Einläufe sind
die aus diesen beiden US-Patenten bekannten Maßnahmen wenig
geeignet, weil sie eine zusätzliche Passage zwischen der überströmten Oberfläche
und dem fächerförmigen Einlauf über dessen
gesamte Breite erfordern würden und weil sie die durch
den fächerförmig ausgebildeten Einlauf angestrebte
flache Kontur des Einlaufs grundsätzlich in Frage stellen
würden.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Homogenisierung
einer Einlaufströmung in einen an eine überströmte
Oberfläche angrenzenden fächerförmig
ausgebildeten Einlauf und eine Vorrichtung zur Durchführung
eines solchen Verfahrens mit einem an einer Oberfläche
angrenzenden fächerförmigen Einlauf aufzuzeigen,
die trotz flacher Kontur des Einlaufs für eine homogene
Einlaufströmung sorgen.
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LÖSUNG
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen
des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung
mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 8 gelöst.
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Bevorzugte
Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung sind
in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei
dem neuen Verfahren wird die Einlaufströmung über
den Querschnitt der Öffnung des Einlaufs längs
der überströmten Oberfläche in mehrere Teilströme
aufgeteilt. Die Teilströme werden dann in getrennten Strömungskanälen
so umgeordnet, dass mindestens ein Umfangsabschnitt eines Teilstroms, der
im Bereich des Eingangsquerschnitts an die Oberfläche angrenzt,
stromab in dem Einlauf an einen anderen Teilstrom angrenzt; und
die umgeordneten Teilströme werden in dem Einlauf zu einer
homogenisierten Einlaufströmung zusammengeführt.
Bei dem neuen Verfahren werden also die von der Oberfläche
induzierten Inhomogenitäten grundsätzlich hingenommen,
d. h. in den Einlauf aufgenommen. Es sorgt aber durch die Umordnung
der Teilströme dafür, dass sich die Inhomogenitäten
der einzelnen Teilströme über den gesamten Querschnitt
der letztendlichen Einlaufströmung verteilen, so dass es
zu einer Homogenisierung der inhomogenen Einlaufströmung kommt.
Die Schritte des neuen Verfahrens sind der aus der Theorie dynamischer
Systeme bekannten Bäcker-Transformation vergleichbar, die
ihren Namen von der Vorgehensweise bei der Herstellung eines Blätterteigs
hat. Die Zusammenführung der Teilströmungen zu
der homogenisierten Einlaufströmung bei dem neuen Verfahren
ist aber gegenüber der Bäcker-Transformation mit
dem zusätzlichen Effekt verbunden, dass an den Enden der
Strömungskanäle Scherschichten beginnen, die für
eine weitergehende Durchmischung der Inhomogenitäten und
damit für eine weitergehend homogenisierte Einlaufströmung sorgen.
Entsprechend erlaubt das neue Verfahren die Anordnung der Öffnung
des Einlaufs in unmittelbarer Nachbarschaft zu der überströmten
Oberfläche, ohne dass hierdurch beispielsweise die Funktion
eines an den Einlauf anschließenden Verdichters durch die
in den Einlauf eintretenden Inhomogenitäten in einer beeinträchtigenden
Weise gestört wäre.
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Vorzugsweise
wird die Einlaufströmung über den Querschnitt
der Öffnung des Einlaufs in gleich große Teilströme
aufgeteilt. Dabei können als Größen der
Teilströme ihre Querschnittsflächen berücksichtigt
werden. Als Größen der Teilströme können aber
auch ihre Massenströme betrachtet und aufeinander abgestimmt
werden. Weiter vorzugsweise handelt es sich hierbei um mindestens
drei Teilströme.
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Als
günstig erweist es sich auch, wenn die Teilströme
jeweils einen sich im Wesentlichen längs der Oberfläche
erstreckenden Eingangsquerschnitt aufweisen. Der fächerförmig
ausgebildete Einlauf ist damit insgesamt sehr breit und kann entsprechend sehr
flach ausgebildet werden.
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Beispielsweise
können die Teilströme beim Umordnen in den getrennten
Strömungskanälen in die Senkrechte zu der Oberfläche
gedreht und dann in Richtung parallel zu der Oberfläche
nebeneinander angeordnet werden, bevor sie zu der homogenisierten
Einlaufströmung zusammengeführt werden. Auch andere
Drehwinkel der Teilströme als 90° sind möglich.
Vorzugsweise werden sie jedoch ohne Drehung senkrecht zu der Oberfläche übereinander
angeordnet.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform des neuen Verfahrens
werden die Teilströme in den getrennten Strömungskanälen
in Form von Zylinderschalen bzw. Zylinderschalensegmenten um eine gemeinsame
Achse herum angeordnet, bevor sie wieder zusammengeführt
werden.
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Allgemein
ist es günstig, wenn die homogenisierte Einlaufströmung
einen kompakten, insbesondere einen quadratischen oder runden Querschnitt aufweist.
Dieser ist aus den einzelnen Teilströmen aufzubauen, wobei
die Inhomogenitäten möglichst gleichmäßig über
den Querschnitt der wieder zusammengeführten Teilströme
zu verteilen sind.
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Wenn
es erwünscht ist, eine Substanz, wie beispielsweise einen
Treibstoff, in die Einlaufströmung zu injizieren, erfolgt
dies bei dem neuen Verfahren vorzugsweise an Enden von zwischen
den Teilströmen verlaufenden Trennflächen der
Strömungskanäle. Hier gehen die schon angesprochenen
Scherschichten ab, die auch für eine gleichmäßige
Verteilung der induzierten Substanz über die homogenisierte
Einlaufströmung sorgen.
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Die
neue Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist
erfindungsgemäß einen an seiner Öffnung
längs der Oberfläche in mehrere Teilquerschnitte
unterteilten Querschnitt des Einlaufs auf, wobei an jeden der Teilquerschnitte
ein von den anderen getrennter Strömungskanal anschließt,
wobei die Strömungskanäle so relativ zueinander
verlaufen, dass sich die Teilquerschnitte so umordnen, dass mindestens
ein Umfangsabschnitt eines Teilquerschnitts, der im Bereich des
Eingangsquerschnitts an die Oberfläche angrenzt, stromab
in dem Einlauf an einen anderen Teilquerschnitt angrenzt, und wobei die
Strömungskanäle mit den umgeordneten Teilquerschnitten
in einen Gesamtströmungskanal einmünden.
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Die
bevorzugten Ausführungsformen der neuen Vorrichtung entsprechen
den bevorzugten Ausführungsformen des neuen Verfahrens.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung
genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer
Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ
oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend
von erfindungsgemäßen Ausführungsformen
erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere
den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer
Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu
entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen
der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche
ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen
der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt.
Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen
dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese
Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche
kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen
aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen
der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von zwei Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher
erläutert und beschrieben.
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1 zeigt
eine perspektivische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
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2 zeigt
eine Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß 1 von oben.
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3 zeigt
vier Querschnitte durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
gemäß den 1 und 2 längs
in 2 eingezeichneten Schnittlinien A-A bis D-D.
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4 zeigt
vier 3 entsprechende Querschnitte durch eine andere
Ausführungsform der neuen Vorrichtung.
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5 zeigt
vier 3 entsprechende Querschnitte durch noch eine andere
Ausführungsform der neuen Vorrichtung; und
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6 zeigt
eine perspektivische Vorderansicht einer konkreten Anwendung einer
weiteren Ausführungsform der neuen Vorrichtung bei einem Nurflügler.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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1 bis 3 zeigen
eine in einer Richtung 1 überströmte
Oberfläche 2. Auf der Oberfläche ist
ein fächerförmig ausgebildeter Einlauf 3 angeordnet.
Der Einlauf 3 weist an seiner Öffnung 4 einen
flachen Eingangsquerschnitt 5 auf, der direkt an die Oberfläche 2 angrenzt.
Der Eingangsquerschnitt 5 ist längs der Oberfläche 2 in
hier drei jeweils ebenfalls noch flache Teilquerschnitte 6 unterteilt.
An jeden dieser Teilquerschnitte 6 schließt sich
ein separater Strömungskanal 7 an. So wird eine
in die Öffnung 4 eintretende Einlaufströmung
in den Einlauf 3 über den Eingangsquerschnitt 5 der Öffnung 4 längs
der Oberfläche 2 in mehrere Teilströme
aufgeteilt, und die Teilströme werden in den Strömungskanälen 7 getrennt
voneinander geführt. Dabei verlaufen die Strömungskanäle 7 so,
dass die Teilströmungen senkrecht zu der Oberfläche 2 übereinander
angeordnet werden. In dieser Anordnung münden die Strömungskanäle 7 in
einen Gesamtströmungskanal 8 ein, wobei Trennflächen 9 zwischen
den Strömungskanälen 7 enden. Auf diese
Weise werden Inhomogenitäten der Einlaufströmung
in den Einlauf 3 derart gleichmäßig über
den Querschnitt der letztendlichen Einlaufströmung in den
Gesamtströmungskanal 8 verteilt, dass hier von
einer homogenisierten Einlaufströmung gesprochen werden
kann.
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Die
Art und Weise der Homogenisierung kann gut anhand von 3 nachvollzogen
werden, in der in den Teilquerschnitten 6 eine Grenzschicht 10 angedeutet
ist, welche von der über strömten Oberfläche 2 in
den Einlauf 3 eintritt. Die Anteile der Grenzschicht 10 an
den Teilquerschnitten 6 werden in den Strömungskanälen 7 übereinander
angeordnet, so dass sie bereits deshalb über den Gesamtquerschnitt 11 des
Gesamtströmungskanals 8 verteilt angeordnet sind.
Zusätzlich beginnen an den Enden der Trennflächen 9 an
der Einmündung der Strömungskanäle 7 in
den Gesamtströmungskanal 8 Scherschichten, die
für eine zusätzliche Homogenisierung der aus den
Anteilen der Grenzschicht 10 resultierenden Inhomogenitäten über
den Gesamtquerschnitt 11 sorgen. Insoweit beruht das Prinzip
des Einlaufs 3 hinsichtlich der Homogenisierung der Einlaufströmung
nicht allein auf der Umordnung der Teilquerschnitte 6 in
Bezug auf den Gesamtquerschnitt 11.
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Die
in 4 skizzierte weitere Ausführungsform
des Einlaufs 3 unterscheidet sich von derjenigen gemäß den 1 bis 3 in
der Richtung der Übereinanderanordnung der Strömungskanäle 7,
bevor sie in den Gesamtströmungskanal 8 einmünden. Konkret
werden die Strömungskanäle 7 hier vor
ihrer Einmündung in den Gesamtströmungskanal 8 parallel
zu der Oberfläche 2 übereinander angeordnet, während
die Richtung der Übereinanderanordnung bei der Ausführungsform
gemäß den 1 und 3 senkrecht
zu der Oberfläche 2 verläuft.
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Die 5 skizziert
eine weitere Ausführungsform des Einlaufs 3, der
in zweierlei Hinsicht gegenüber den bisherigen Ausführungsformen
variiert ist. Zum einen werden die Strömungskanäle 7, die
die Teilströme führen, zu Zylindermänteln
bzw. Zylindern oder Zylindermantelsegmenten gekrümmt, die
dann um eine gemeinsame Achse 12 herum angeordnet werden,
bevor die Trennflächen zu Beginn des Gesamtströmungskanals 8 enden.
Hieraus resultiert ein unmittelbar kreisförmiger Gesamtquerschnitt 11 des
Gesamtströmungskanals 8. Auch bei den voranstehend
beschriebenen Ausführungsformen des Einlaufs 3 kann
der Gesamtströmungskanal einen solchen kreisförmigen
Gesamtquerschnitt 11 aufweisen oder in einen solchen übergehen.
Zum anderen zeigt 2, dass die Strömungskanäle 6 im Anschluss
an die Öffnung 4 und den Eingangsquerschnitt 5 nicht
oberhalb der Oberfläche 2 verlaufen müssen,
sondern ganz oder teilweise auch unterhalb der Oberfläche 2 verlaufen
können. Gemäß 5 liegt
der Gesamtquerschnitt 11 des Gesamtströmungskanals 8 zur
Hälfte unterhalb der Oberfläche 2.
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Bei
allen Einläufen 3, die hier beschrieben werden,
ist es so, dass ein Umfangsabschnitt eines Teilquerschnitts 6 bzw.
des von ihm geführten Teilstroms der Einlaufströmung,
der im Bereich des Eingangsquerschnitts 5 an die Oberfläche 2 angrenzt, stromab
in dem Einlauf 3 nicht mehr an die Oberfläche 2 sondern
an einen anderen Teilquerschnitt angrenzt und so nicht mehr am Rand
sondern irgendwo im Zentrum des Gesamtquerschnitts 11 in
den Gesamtströmungskanal 8 einläuft.
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6 skizziert
einen Nurflügler mit einem zweiteiligen Einlauf 3.
Die Zweiteiligkeit des Einlaufs 3 bezieht sich darauf,
dass der Eingangsquerschnitt 5 des Einlaufs 3 in
zwei nicht direkt aneinander anschließende Teile auf beiden
Seiten einer Rumpferhebung 14 des Nurflüglers 13 aufgeteilt
ist. Jeder dieser beiden Teile des Eingangsquerschnitts 5 ist
wiederum in zwei Teilquerschnitte unterteilt, an die separate Strömungskanäle
(hier nicht dargestellt) anschließen. Alle vier Teilquerschnitte 6 werden
dann in der Rumpferhebung 14 zu einem Gesamtquerschnitt eines
Gesamtströmungskanals (hier ebenfalls nicht dargestellt)
nach den oben beschriebenen Prinzipien umgeordnet. Die konkrete
Anwendung des Einlaufs 3 gemäß 6 macht
unter anderem deutlich, dass die Oberfläche 2 vor
dem Einlauf und auch nach dem Einlauf keinesfalls eben sein muss,
sondern sogar beliebig gekrümmt sein kann. Auch der Eingangsquerschnitt
muss keinesfalls rechteckig begrenzt sein, sondern kann beispielsweise
abgerundete oder auch spitz zulaufende Randbereiche aufweisen.
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- 1
- Richtung
- 2
- Oberfläche
- 3
- Einlauf
- 4
- Öffnung
- 5
- Eingangsquerschnitt
- 6
- Teilquerschnitt
- 7
- Strömungskanal
- 8
- Gesamtströmungskanal
- 9
- Trennfläche
- 10
- Grenzschicht
- 11
- Gesamtquerschnitt
- 12
- Achse
- 13
- Nurflügler
- 14
- Rumpferhebung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5490644 [0004]
- - US 6634595 [0004]