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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 fächerförmigen 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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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 A 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 B2 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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Aus der
DE 197 57 187 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energieanreicherung in einer an einer umströmten Oberfläche anliegenden Grenzschicht bekannt, welche einerseits eine Ablösung der Grenzschicht verhindern und andererseits erhöhten Druckverlusten entgegenwirken soll. Hierzu wird eine Teilströmung nach Abzweigung von der Hauptströmung um 180° gedreht und dabei in die Grenzschicht eingeleitet. Gleichzeitig mit der Abzweigung der Teilströmung von der Hauptströmung wird von der Grenzschicht eine Teilströmung abgezweigt, um 180° gedreht und in die Hauptströmung eingeleitet. Dazu ist ein auf seiner Länge um 180° gewundenes Strömungsleitelement beabstandet zu der Oberfläche angeordnet.
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Aus der
DE 100 56 673 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Förderung der Oberflächenaufnahme und/oder Oberflächenabgabe einer Substanz durch ein Fluid bekannt.
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Dabei ist in einem Strömungskanal, in dem eine laminare Strömung des Fluids ausbildbar ist, mindestens eine Strömungsleiteinrichtung derart vorgesehen, dass sie in der laminaren Strömung eine räumliche Umschichtung von Fluidschichten bewirkt.
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Aus der
WO 2005/063368 A2 sind ein Verfahren zum Mischen von Fluidströmen sowie ein mikrofluidischer Mischer bekannt. Diese wenden ein topologisches Mischprinzip an, das die Laminarität der Strömung ausnutzt, um die Strömung wiederholt zu falten und die Konzentrationsgradienten exponentiell zu erhöhen, um schnelle und effiziente Mischung durch Diffusion zu erhalten.
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Aus der
GB 1 096 624 A ist ein Diffusor für Fluidströmungen bekannt, der einen ersten Passagenabschnitt definiert, der stromab divergiert und in einen zweiten Passagenabschnitt mündet, welcher entweder einen schlagartig erweiterten Querschnitt oder eine Divergenzrate oberhalb der maximalen Rate für eine stabile Strömung aufweist. Die Einmündung des ersten Passagenabschnitts in den zweiten Passagenabschnitt erfolgt über eine derart geformte Stufe, dass Wirbel in dem zweiten Passagenabschnitt erzeugt werden, deren Achsen sich in der Strömungsrichtung erstrecken.
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Aus der
US 5 513 982 A ist eine Verbrennungskammer bekannt, in der ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff als sekundäre Strömung in eine gasförmige kanalisiert Hauptströmung injiziert wird. Die Hauptströmung wird über eine Mehrzahl von Wirbelgeneratoren geführt. Die sekundäre Strömung wird in der unmittelbaren Nähe der Wirbelgeneratoren eingeführt. Mittels dieses statischen Mischers werden longitudinale Wirbel ohne jegliche Rückzirkulationsbereiche in dem Kanal ausgebildet, durch den die Strömung hindurch tritt.
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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 Großen 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 vorteinander 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 überströmten 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 Inhomagenitäten 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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Bezugszeichenliste
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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
