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Die Erfindung betrifft einen Lufteinlass gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und einen Lufteinlass gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 17.
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Es ist bekannt, an einer überströmten Fläche einen Lufteinlass auszubilden, durch den Luft in einen Abströmkanal geleitet wird. Ein Beispiel für einen bekannten Einlass stellt der sogenannte NACA-Einlass dar, zuerst beschrieben von Frick, Charles W., et al. NACA ACR Nr. 5120: „An Experimental Investigation of NACA Submerged-Duct Entrances“, NACA, 13. November 1945.
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Eine Herausforderung bei der Konstruktion vorteilhafter Lufteinlässe besteht darin, dass diese nicht nur für den geöffneten Zustand, wenn Luft durch den Abströmkanal strömt, im Hinblick auf strömungsdynamische Verluste zu optimieren sind, sondern auch der Zustand zu betrachten ist, wenn der Abströmkanal verschlossen ist (beispielsweise durch ein Ventil). In letzterem Fall erzeugt die vorbeiströmende Luft durch aeroakustische Rückkopplungsmechanismen Resonanzen im Abströmkanal, die akustisch relevant sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Lufteinlass bereitzustellen, der die Erzeugung akustischer Resonanzen bei geschlossenem Abströmkanal vermeidet oder reduziert, ohne die aerodynamischen Strömungseigenschaften substanziell zu verschlechtern.
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Diese Aufgabe wird durch einen Lufteinlass mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen Lufteinlass mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Danach betrachtet die Erfindung in einem ersten Erfindungsaspekt einen Lufteinlass in einer Oberfläche, der dazu vorgesehen ist, von einem Fluid überströmt zu werden. Der Lufteinlass umfasst eine Öffnung, die eine Längsachse aufweist, wobei der Lufteinlass dazu vorgesehen ist, in Richtung der Längsachse mit dem Fluid überströmt zu werden. Dabei weist die Öffnung einen stromaufseitigen Rand, einen stromabseitigen Rand und eine Öffnungsebene auf. Weiter umfasst der Lufteinlass einen sich an die Öffnung anschließenden Abströmkanal, die sich winklig zu der Oberfläche erstreckt, wobei der Abströmkanal eine Innenwand umfasst, die eine stromaufseitige Mantelfläche und eine stromabseitige Mantelfläche aufweist, wobei die stromaufseitigen Mantelfläche sich an den stromaufseitigen Rand der Öffnung und die stromabseitige Mantelfläche an den stromabseitigen Rand der Öffnung anschließt.
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Es ist vorgesehen, dass die Öffnung an ihrem stromabseitigen Rand und/oder der Abströmkanal angrenzend an die Öffnung im Bereich seiner stromabseitigen Mantelfläche eine zur Öffnungsebene der Öffnung schräg verlaufende Interaktionsfläche ausbildet, die dazu geeignet und vorgesehen ist, als Prallfläche für eine freie Scherschicht zu dienen, die sich als Folge einer am stromaufwärtigen Rand der Öffnung erfolgenden Strömungsablösung ergibt, wobei die Interaktionsfläche einen spitzen Winkel mit der Öffnungsebene bildet.
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Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Gedanken, akustische Resonanzen bei geschlossenem Abströmkanal dadurch zu reduzieren, dass eine Interaktionsfläche bzw. Prallfläche am stromabseitigen Rand der Öffnung oder daran anschließend im Abströmkanal bereitgestellt wird, die die Ausbildung eines Rückkopplungsmechanismus zur Erzeugung einer Resonanz unterbricht. Die Bereitstellung einer solchen Interaktionsfläche kann allgemein als Hinterkantenmodifikation bezeichnet werden. Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf der Erkenntnis, dass der scharfkantige Übergang am stromaufseitigen Rand der Öffnung eine Strömungsablösung erzeugt. Als Folge bildet sich bei geschlossenem Abströmkanal in der Öffnung eine freie Scherschicht aus (auch als Trennungsschicht bzw. „mixing layer“ bezeichnet), die mit dem stromabseitigen Rand der Öffnung interagiert. Diese freie Scherschicht trifft gemäß der vorliegenden Erfindung am stromabseitigen Ende der Öffnung oder daran anschließend im Abströmkanal auf die Interaktionsfläche, wobei die Kohärenz periodischer Oszillationen in der interagierenden Scherschicht aufgebrochen wird. Hierdurch wird der Effekt reduziert, dass der stromabseitige Rand der Öffnung als Schallquellregion dient, die zur Erzeugung akustischer Resonanzen im geschlossenen Abströmkanal beiträgt. Die Ausbildung von Resonanzen wird dadurch verhindert oder zumindest reduziert.
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Gleichzeitig können die aerodynamischen Strömungseigenschaften des Lufteinlasses bei geöffnetem Abströmkanal im Wesentlichen beibehalten werden, da die Strömung im Abströmkanal durch die Interaktionsfläche nicht oder nicht substanziell kompromittiert wird.
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Ein weiterer, mit der vorliegenden Erfindung verbundener Vorteil besteht darin, dass die beschriebenen Eigenschaften erreicht werden, ohne dass strömungsbeeinflussende Geometrien außerhalb des Abströmkanals anzubringen sind. Insbesondere sind keine besonderen baulichen Maßnahmen erforderlich, wie dies beim NACA-Einlass der Fall ist. Dadurch wird eine baulich einfach zu realisierende Lösung bereitgestellt und werden eine Beeinflussung und Verluste der ankommenden Hauptströmung weitestgehend vermieden.
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Da die vorliegende Erfindung die Erzeugung akustischer Resonanzen bei geschlossenen Abströmkanal vermeidet, können die dargestellten Merkmale auch für eine überströmte Luftablassöffnung verwendet werden. Für Luftablassöffnungen werden im Gegensatz zu Luftentnahmeöffnungen im Allgemeinen rechtwinklige oder stumpfwinklige Anordnung zwischen Auslasskanal und Hauptströmungskanal verwendet.
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Es wird darauf hingewiesen, dass im Sinne der vorliegenden Erfindung die stromabseitige Mantelfläche des Abströmkanals diejenige Seite des Abströmkanals bezeichnet, die an den stromabseitigen Rand der Öffnung anschließt und der Strömungsrichtung abgewandt ist. Im Falle eines kreisförmigen Querschnitts des Abströmkanals wird die stromabseitige Mantelfläche im Querschnitt durch den 180° Kreisbogen gebildet, der bezogen auf die Strömungsrichtung stromabseitig angeordnet ist. Die stromaufseitige Mantelfläche wird dementsprechend durch den gegenüberliegenden 180° Kreisbogen gebildet.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Abströmkanal an der stromabseitigen Mantelfläche einen in den Abströmkanal ragenden Vorsprung ausbildet, der in Längsrichtung des Abströmkanals verläuft und an seinem stromabwärtigen Ende in die Grundform des Abströmkanals übergeht. Dabei ist die Interaktionsfläche als Fase an diesem Vorsprung ausgebildet. Als Grundform des Abströmkanals wird dabei die Form bezeichnet, die der Abströmkanal ohne den Vorsprung aufweist. Dies ist beispielsweise eine im Querschnitt kreisförmige Form. In diesem Fall geht der Vorsprung in die Kreisform des Abströmkanals über. Eine solche Lösung ist mit dem Vorteil verbunden, dass die Oberfläche, in der die Öffnung ausgebildet ist, und auch die Öffnung selbst nicht modifiziert werden müssen.
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Die Oberfläche, in der die Öffnung ausgebildet ist, muss allgemein nicht notwendigerweise eine ebene Oberfläche sein. So kann es sich in Ausführungsbeispielen bei der Oberfläche um die Oberfläche eines zylindrischen Hauptströmungskanals handeln, von dem der Abströmkanal abzweigt. Für diesen Fall ist die Öffnung entsprechend der Oberfläche gekrümmt.
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Der an der stromabseitigen Mantelfläche gebildete Vorsprung kann zur Minimierung von Strömungsverlusten aerodynamisch ausgestaltet sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass er stromab der Interaktionsfläche und damit stromab des engsten Querschnitts des Abströmkanals mit einem Öffnungswinkel in die Grundform des Abströmkanals übergeht, die den fluidmechanischen Regeln für eine verlustarm verzögerte Strömung folgt.
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Eine Ausgestaltung sieht dabei vor, dass der Vorsprung im Längsschnitt in der Symmetrieebene dreieckförmig ausgebildet ist, wobei die Interaktionsfläche im Querschnitt durch eine der Seiten des Dreiecks gebildet ist, insbesondere die kürzeste Seite des Dreiecks. Die längere Seite des Dreiecks ist derart ausgestaltet, dass durch einen möglichst flachen Öffnungswinkel eine verlustarme Verzögerung der Strömung im Abströmkanal ermöglicht wird.
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Bei Bereitstellung der Interaktionsfläche als Fase an einem in den Abströmkanal integrierten Vorsprung sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, dass der Vorsprung mit der Fase als Einsatz ausgebildet ist, der in den Abströmkanal einsetzbar ist. Eine solche Ausgestaltung erlaubt es, die Hinterkantenmodifikation in einem schon vorhandenen Abströmkanal als Nachrüstung bereitzustellen. Der Einsatz kann beispielsweise durch 3D-Druck oder Laserschweißen eines Metallblechs bereitgestellt werden. Die Bereitstellung des Vorsprungs in einem Einsatz stellt jedoch nur eine Ausführungsvariante dar. In alternativen Ausgestaltungen kann vorgesehen sein, dass der Vorsprung integral mit dem Abströmkanal ausgebildet ist.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Interaktionsfläche durch den stromabseitigen Rand der Öffnung gebildet ist, wobei der Rand eine Dicke aufweist, die sich aus dem Abstand zwischen der Außenseite und der Innenseite der Oberfläche ergibt, und die Interaktionsfläche durch eine Schräge ausgebildet ist, die der Rand ausbildet. Eine solche Ausgestaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ausreichend Bauraum zur Verfügung steht, um eine Interaktionsfläche am stromabseitigen Rand der Öffnung bereitzustellen. Dabei kann der Abströmkanal baulich unverändert bleiben.
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Die Integration der Interaktionsfläche in den stromabseitigen Rand der Öffnung ist mit dem weiteren Vorteil verbunden, dass zusätzliche Strömungsverluste, wie sie bei der Integration der Hinterkantenmodifikation in den Abströmkanal auftreten, vermieden werden. So ist es bei dieser Lösung nicht erforderlich, den Querschnitt des Abströmkanals durch einen Vorsprung zu verengen. Damit eventuell verbundene Verblockungen im Abströmkanal werden somit vermieden.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass der stromabseitige Rand der Öffnung eine größere Dicke aufweist als der stromaufseitige Rand der Öffnung. Hierdurch wird die Bereitstellung einer größeren Interaktionsfläche am stromabseitigen Rand der Öffnung ermöglicht.
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Zur Vermeidung der Anregung akustischer Resonanzen ist es vorteilhaft, dass die Interaktionsfläche einen möglichst spitzen Winkel (der als Neigungswinkel bezeichnet werden kann) zur Öffnungsebene ausbildet. Da aus spitzen Winkeln eine vergrößerte Einbautiefe folgt, ist in praktischer Hinsicht allerdings ein Kompromiss aus einem möglichst geringen Neigungswinkel und der Einbautiefe der Interaktionsfläche hinsichtlich des verfügbaren Bauraums zu finden.
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Ausgestaltungen sehen dabei vor, dass die Interaktionsfläche in einen Neigungswinkel zwischen 30° und 60°, insbesondere einen Neigungswinkel von 45° zur Öffnungsebene aufweist. Eine weitere Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass die Interaktionsfläche senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Abströmkanals verläuft.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Interaktionsfläche sich über einen Winkelbereich gleich oder kleiner als 180° am stromabseitigen Randbereich der Öffnung oder an der stromabseitigen Mantelfläche des Abströmkanals erstreckt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Interaktionsfläche eine Höhe aufweist, die in Umfangsrichtung variiert, wobei die Höhe der Interaktionsfläche in einem Längsschnitt durch die Längsachse der Öffnung maximal ist und zu den Seiten abnimmt. Die Interaktionsfläche kann dabei symmetrisch zu der Ebene, die durch die Längsachse der Öffnung geht, ausgebildet sein.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Interaktionsfläche eine Ausdehnung derart aufweist, dass die sich stromab aufweitende Scherschicht vollständig an die Interaktionsfläche prallt. Dabei verhält es sich so, dass die laterale Aufweitung der freien Scherschicht sogenannten Ausbreitungsraten („spreading rates“) folgt. Die Ausbreitungsraten für freie Scherschichten sind in der einschlägigen Fachliteratur verfügbar und können zur Abschätzung der Dimensionierung der Interaktionsfläche herangezogen werden. Abhängig von den Randbedingungen der Hauptströmung (d. h. der Strömung, die die Auslassöffnung überströmt) ergeben sich daraus für kleine Geschwindigkeiten große Einbautiefen der Interaktionsfläche bzw. für große Geschwindigkeiten kleine Einbautiefen der Interaktionsfläche.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Abströmkanal einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und die Öffnung elliptisch ausgebildet ist. Die Form der Öffnung ergibt sich allgemein durch den Schnitt des geneigt angeordnete Abströmkanals mit der Oberfläche, in der die Öffnung ausgebildet ist. Sofern die Öffnung elliptisch ausgebildet ist, wird der stromaufseitigen Rand der Öffnung durch eine gebogene Kurve gebildet. Dementsprechend wird auch der stromabseitige Rand der Öffnung durch eine gebogene Kurve gebildet. Die Längsachse der Öffnung geht dabei durch die beiden Scheitelpunkte der Ellipse. In anderen Ausgestaltungen kann die Öffnung rechteckförmig oder allgemein polygonal ausgebildet sein. Im Fall einer rechteckigen Öffnung bildet die stromaufseitige Seite des Rechtecks den stromaufseitigen Rand und bildet die stromabseitige Seite des Rechtecks den stromabseitigen Rand.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Öffnung zusätzlich durch ein Gitter abgedeckt. Das Gitter deckt die Öffnung ganz oder teilweise ausgehend von der stromaufseitigen Kante ab. Durch die Bereitstellung eines Gitters werden akustische Resonanzen bei geschlossenem Abströmkanal reduziert, da das Gitter kohärente Strukturen, die zur Ausbildung von Resonanzen führen, ausmischt.
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Die Abdeckung der Öffnung durch ein beliebig geformtes Gitter stellt darüber hinaus einen eigenen Erfindungsaspekt dar, der unabhängig von der Ausbildung einer Interaktionsfläche realisiert werden kann. Das Gitter deckt die Öffnung ganz oder teilweise ausgehend von der stromaufseitigen Kante ab.
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Eine Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass das Gitter mit Fischgrätenmuster ausgebildet ist und jeweils schräg und zueinander parallel angeordnete erste und zweite Gitterstäbe aufweist, wobei die ersten und zweiten Gitterstäbe derart orientiert sind, dass sie in Richtung der Längsachse der Öffnung und damit in der Hauptströmungsrichtung des Fluids konvergieren. Ein damit verbundener Vorteil besteht darin, dass diese Gitterform die Ausbildung der Gitterstäbe als aerodynamisch geformte Schaufelprofile erleichtert, was in Ausführungsvarianten der Erfindung der Fall ist.
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Die Gitterstäbe können dabei in Stabform ausgebildet werden oder alternativ durch Stanzen eines Blechs oder andere Blechschnittverfahren stabartig ausgebildet sein.
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Die Maschenweite des Gitters richtet sich nach den Parametern der ankommenden Strömung, insbesondere Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsturbulenz. Sie ist in Ausführungsbeispielen derart bemessen, dass die ersten Gitterstäbe und die zweiten Gitterstäbe jeweils einen Abstand zueinander aufweisen, der im Bereich zwischen 1/20 und 4/20 des Innendurchmessers des Abströmkanals liegt. Die Maschenweite stellt dabei einen Kompromiss dar zwischen einerseits einer möglichst geringen Verblockung des Abströmkanals einerseits (erreicht durch eine große Maschenweite) und andererseits einer möglichst guten Ausmischung der kohärenten Strukturen, welche durch die Hauptströmung definiert werden (erreicht durch eine geringe Maschenweite).
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In Ausführungsbeispielen sind die Gitterstäbe im Querschnitt kreisförmig oder polygonal ausgebildet. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Gitterstäbe im Querschnitt als aerodynamisch geformte Schaufelprofile ausgebildet sind, die das vorbeiströmenden Fluid möglichst verlustfrei in den offenen Abströmkanal umlenken. Eine solche Ausführungsvariante ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn Gitterstabdurchmesser im Verhältnis zum Durchmesser des Abströmkanals vergleichsweise groß ist.
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Die vorliegende Erfindung sieht in einem zweiten Erfindungsaspekt einen Lufteinlass in einer Oberfläche vor, der aufweist:
- - eine Öffnung in der Oberfläche, die eine Längsachse aufweist, wobei der Lufteinlass dazu vorgesehen ist, in Richtung der Längsachse mit einem Fluid überströmt zu werden, und wobei die Öffnung einen stromaufseitigen Rand und einen stromabseitigen Rand umfasst, und
- - einen sich an die Öffnung anschließenden Abströmkanal, die sich winklig zu der Oberfläche erstreckt, wobei der Abströmkanal eine Innenwand umfasst,
- - wobei die Öffnung angrenzend an den stromaufseitigen Rand durch ein Gitter teilweise oder vollständig abgedeckt ist.
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Eine Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass das Gitter mit Fischgrätenmuster ausgebildet ist, wobei das Gitter jeweils schräg und zueinander parallel angeordnete erste und zweite Gitterstäbe aufweist, wobei die ersten und zweiten Gitterstäbe derart orientiert sind, dass sie in Richtung der Längsachse der Öffnung konvergieren.
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Dieser Erfindungsaspekt beruht auf dem Gedanken, durch die Bereitstellung eines Gitters insbesondere mit Fischgrätenmuster akustische Resonanzen bei geschlossenem Abströmkanal zu reduzieren, wobei das Gitter kohärente Strukturen, die zur Ausbildung von Resonanzen führen, ausmischt.
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In einem weiteren Erfindungsaspekt betrifft die Erfindung ein Gasturbinentriebwerk, das mindestens eine Oberfläche umfasst, wobei die Oberfläche einen Lufteinlass gemäß Anspruch 1 und/oder gemäß Anspruch 17 aufweist. Die betrachtete Oberfläche ist beispielsweise die Oberfläche einer Triebwerksgondel oder die Oberfläche eines Gehäuses eines Triebwerkskerns. Dabei wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nur beispielhaft an einem Gasturbinentriebwerk ausgebildet ist. Allgemein ist die beschriebene Erfindung für weitere Innen- und Außenströmungen anwendbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Seitenschnittansicht eines Gasturbinentriebwerks, in dem die vorliegende Erfindung realisiert werden kann;
- 2 in Draufsicht ein Ausführungsbeispiel eines Lufteinlasses, der eine Öffnung und einen sich an die Öffnung anschließenden Abströmkanal umfasst, wobei ein an einer stromabseitigen Mantelfläche des Abströmkanals ausgebildeter Vorsprung eine Fase ausbildet, die eine schräg zur Öffnungsebene der Öffnung verlaufende Interaktionsfläche bildet;
- 3 den Lufteinlass der 2 in einer Schnittansicht entlang der Längsachse der Öffnung;
- 4 in Draufsicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Lufteinlasses, der eine Öffnung und einen sich an die Öffnung anschließenden Abströmkanal umfasst, wobei die Öffnung an ihrem stromabseitigen Rand eine schräg zur Öffnungsebene der Öffnung verlaufende Interaktionsfläche ausbildet;
- 5 den Lufteinlass der 4 in einer Schnittansicht entlang der Längsachse der Öffnung;
- 6 in Draufsicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Lufteinlasses, der eine Öffnung und einen sich an die Öffnung anschließenden Abströmkanal umfasst, wobei die Öffnung mit einem Gitter mit Fischgrätenmuster abgedeckt ist, das eine mittige Längsstruktur aufweist;
- 7 den Lufteinlass der 6 in einer Schnittansicht entlang der Längsachse der Öffnung;
- 8 eine Abwandlung des Lufteinlasses der 6, wobei das Gitter ohne eine mittige Längsstruktur ausgebildet ist;
- 9 schematisch die Ausbildung einer freien Scherschicht bei einem Lufteinlass gemäß den 2 und 3;
- 10 schematisch die Ausbildung einer freien Scherschicht bei einem Lufteinlass gemäß den 3 und 4;
- 11 in perspektivischer, teilweise geschnittener Darstellung einen Lufteinlass, bei dem eine Interaktionsfläche als Fase an einem sich im Abströmkanal ausgebildeten Vorsprung ausgebildet ist;
- 12 den Lufteinlass der 11 in einer weiteren perspektivischen Ansicht;
- 13 die Anordnung gemäß den 11 und 12 in einer perspektivischen Ansicht von außen auf die Öffnung;
- 14 in perspektivischer, teilweise geschnittener Ansicht einen Lufteinlass, bei dem eine Interaktionsfläche am stromabseitigen Rand der Öffnung des Lufteinlasses ausgebildet ist;
- 15 eine perspektivische Ansicht auf einen Lufteinlass, der eine Öffnung und einen Abströmkanal umfasst, wobei die Öffnung durch ein Gitter mit Fischgrätenmuster abgedeckt ist; und
- 16 eine Anordnung gemäß der 15 in einer teilweise geschnittenen Ansicht.
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1 stellt ein Gasturbinentriebwerk 100 mit einer Hauptdrehachse 101 dar. Das Triebwerk 100 umfasst einen Lufteinlass 102 und ein Schubgebläse bzw. Fan 103, das zwei Luftströme erzeugt: einen Kernluftstrom A und einen Bypassluftstrom B. Das Gasturbinentriebwerk 100 umfasst einen Kern 104, der den Kernluftstrom A aufnimmt. Der Triebwerkskern 104 umfasst in Strömungsrichtung einen Niederdruckverdichter 105, einen Hochdruckverdichter 106, eine Verbrennungseinrichtung 107, eine Hochdruckturbine 108, eine Niederdruckturbine 109 und eine Kernschubdüse 110. Eine Triebwerksgondel 111 umgibt das Gasturbinentriebwerk 100 und definiert einen Bypasskanal 112 und eine Bypassschubdüse 113. Der Bypassluftstrom B strömt durch den Bypasskanal 112. Das Gebläse 103 ist über eine Welle 114 und ein Epizykloidengetriebe 115 an der Niederdruckturbine 109 angebracht und wird durch diese angetrieben.
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Im Gebrauch wird der Kernluftstrom A durch den Niederdruckverdichter 105 verdichtet und in den Hochdruckverdichter 106 geleitet, wo eine weitere Verdichtung erfolgt. Die aus dem Hochdruckverdichter 106 ausgestoßene verdichtete Luft wird in die Verbrennungseinrichtung 107 geleitet, wo sie mit Kraftstoff vermischt wird und das Gemisch verbrannt wird. Die resultierenden heißen Verbrennungsprodukte breiten sich dann durch die Hochdruck- und die Niederdruckturbine 108, 109 aus und treiben diese dadurch an, bevor sie durch die Düse 110 ausgestoßen werden. Die Hochdruckturbine 108 treibt den Hochdruckverdichter 106 durch eine geeignete Verbindungswelle 116 an. Das Gebläse 103 trägt wesentlich zur Erzeugung der Schubkraft bei. Das Epizykloidengetriebe 115 ist ein Untersetzungsgetriebe.
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Die Geometrie des Gasturbinentriebwerks 100 und Komponenten davon werden auf ein zylindrisches Koordinatensystem bezogen, was durch eine axiale Richtung (die auf die Drehachse 101 ausgerichtet ist), eine radiale Richtung (in der Richtung von unten nach oben in 1) und eine Umfangsrichtung (senkrecht zu der Ansicht in 1) definiert ist.
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Die 1 zeigt schematisch, dass Lufteinlässe 10 in die Oberflächen des Gasturbinentriebwerks integriert sein können, z. B. in die Oberfläche der Gondel 111 oder in die Oberfläche eines Gehäuses des Triebwerkskerns 104. Des Weiteren können diese auch beispielsweise auf der Innenseite der Gondel 111 angebracht werden, sowie an weiteren innenliegenden Positionen des Triebwerkkerns 104. Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele solcher Lufteinlässe 10 erläutert.
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Die 2 und 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines Lufteinlasses 10. Der Lufteinlass 10 umfasst eine Öffnung 1 in einer Oberfläche 3 und einen sich an die Öffnung 1 anschließenden Abströmkanal 2. Bei der Oberfläche 3 kann es sich um eine eben oder alternativ um eine gekrümmt ausgebildete Oberfläche handeln. Beispielsweise handelt es sich um eine gekrümmte Oberfläche eines Hauptströmungskanals, von dem der Abströmkanal 2 abzweigt. Der Lufteinlass 10 wird dabei in einer Strömungsrichtung X von einem Fluid, wie zum Beispiel Luft überströmt. Die Öffnung 1 ist in den Figuren als ebene Öffnung dargestellt; sie kann bei gekrümmter Oberfläche 3 ebenfalls eine Krümmung aufweisen.
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Die Öffnung 1 umfasst einen stromaufseitigen Rand 11, einen stromabseitigen Rand 12 und eine Öffnungsebene 13. Sie ist im dargestellten Ausführungsbeispiel, jedoch nicht notwendigerweise, elliptisch ausgebildet. Gleichzeitig weist der Abströmkanal 2 einen kreisförmigen Querschnitt auf. Dementsprechend sind der stromaufseitige Rand 11 und der stromabseitigen Rand 12 der Öffnung 1 jeweils gekrümmt ausgebildet. Die Öffnung 1 umfasst des Weiteren eine Längsachse 15, die die Öffnung 1 in der Symmetrieebene schneidet. Die Längsachse 15 verläuft dabei vom stromaufseitigen Rand 11 zum stromabseitigen Rand 12 und entspricht der Hauptströmungsrichtung X. Die Schnittpunkte 16, 17 der Längsachse 15 mit dem stromaufseitigen Rand 11 und dem stromabseitigen Rand 12 stellen Scheitelpunkte der elliptischen Öffnung 1 dar.
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Der Abströmkanal 2 erstreckt sich winklig zu der Oberfläche 3. Er besitzt eine Längsachse L, die einen spitzen Winkel β mit der Oberfläche 3 bzw. der Längsachse 15 bildet. Der spitze Winkel β ergibt sich aus aerodynamischen Gesichtspunkten zur strömungsverlustarmen Luftentnahme. Bei Kanälen, die zur Luftabgabe ausgebildet werden, sind rechte oder stumpfe Winkel β in der Regel anzunehmen. Dabei kann die beschriebene Erfindung trotzdem zur Vermeidung der akustischen Resonanzen eingesetzt werden bei Luftabgabekanälen, die beispielsweise durch ein Ventil verschlossen sind. Allerdings ist hierbei zu beachten, dass die Ausbeulung bei einer Luftabgabe keinen Beitrag zu Verbesserung der Aerodynamik bei offenem Zustand leistet.
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Der Abströmkanal 2 ist dabei im dargestellten Ausführungsbeispiel als gerades Rohr dargestellt. Der Abströmkanal 2 kann alternativ gekrümmt ausgebildet sein, wobei er angrenzend an die Öffnung 1 zumindest lokal eine hohlzylindrische Form besitzt. Der Abströmkanal 2 umfasst gemäß der 3 eine Innenwand 20, die eine stromaufseitige Mantelfläche 21 und eine stromabseitige Mantelfläche 22 aufweist. Dabei schließt sich die stromaufseitige Mantelfläche 21 an den stromaufseitigen Rand 11 der Öffnung 1 und die stromabseitige Mantelfläche 22 an dem stromabseitigen Rand der Öffnung 1 an.
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Die Mantelflächen 21, 22 erstrecken sich jeweils über einen Winkelbereich von 180° in Umfangsrichtung und bilden zusammen die gesamte Mantelfläche der Innenwand 20. Die 3 zeigt dabei einen Schnitt durch die Scheitelpunkte 16, 17 der Öffnung 1 bzw. entlang der Längsachse 15.
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Der Abströmkanal 2 bildet an seiner stromabseitigen Mantelfläche 22 einen Vorsprung 25 aus, der in Längsrichtung des Abströmkanals 2 verläuft. Der Vorsprung 25 weist ein stromaufseitiges Ende 26 und ein stromaufseitiges Ende 27 auf. An seinem stromaufseitigen Ende 26 bildet der Vorsprung 25 eine Fase auf, die eine Interaktionsfläche 5 für eine freie Scherschicht bereitstellt, wie noch ausgeführt wird. An seinem stromabseitigen Ende 27 geht der Vorsprung 25 in die kreisförmige Grundform des Strömungskanals 2 über. Der Vorsprung 25 ist dabei im dargestellten Ausführungsbeispiel, jedoch nicht notwendigerweise, im Längsschnitt dreieckförmig ausgebildet, wobei die Interaktionsfläche 5 durch die kurze Seite des Dreiecks gebildet ist.
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Die Interaktionsfläche 5, die durch die Fase am Vorsprung 25 ausgebildet ist, stellt eine Modifikation der Öffnung 1 angrenzend an den stromabseitigen Rand 12 der Öffnung dar. Sie grenzt dabei unmittelbar an die Öffnung 1. Dabei verläuft die Interaktionsfläche 5 in einem möglichst spitzen Winkel α zur Öffnungsebene 13 der Öffnung 1. Der Winkel α zwischen der Interaktionsfläche 5 und der Öffnungsebene 13 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 30° und 60°, beispielsweise bei 45°. Die Interaktionsfläche 5 ist dazu geeignet und vorgesehen, als Prallfläche für eine freie Scherschicht zu dienen, die sich als Folge einer am stromaufseitigen Rand 11 der Öffnung 1 erfolgenden Strömungsablösung ergibt. Dies wird anhand der 9 näher erläutert, wobei die Situation betrachtet wird, dass der Abströmkanal 2 verschlossen ist.
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Die 9 zeigt schematisch einen Lufteinlass 10 mit einer Öffnung 1 und einem Abströmkanal 2 entsprechend der Ausgestaltung der 2 und 3. Eine Interaktionsfläche 5 wird im Bereich der stromabseitigen Mantelfläche 22 durch eine Fase an einem Vorsprung 25 bereitgestellt. Die von einer Hauptströmung in einer Strömungsrichtung X überströmten Oberfläche 3 weist angrenzend an die Oberfläche 3 ein typisches Strömungsprofil P auf. An dem stromaufseitigen Rand 11 bzw. der Vorderkante der Öffnung 1 löst sich die Strömung ab und es bildet sich eine freie Scherschicht S. Die freie Scherschicht S bildet sich dabei im Übergangsbereich zwischen der Haupströmung und dem ruhenden Fluid bei geschlossenem Abströmkanal aus. Die sich bildende freie Scherschicht S weitet sich mit zunehmender Ausbreitung lateral auf und trifft am stromabseitigen Rand 12 bzw. an diesen angrenzend auf die Interaktionsfläche 5. Durch die Interaktionsfläche 5 wird dabei verhindert oder der Effekt zumindest reduziert, dass die freie Scherschicht S durch Interaktion mit dem stromabseitigen Rand 12 eine Schallquellregion bildet, die im geschlossenen Ablösekanal 2 akustische Resonanzen anregt. Die Anregung der akustischen Resonanzen im Abströmkanal wird dadurch vermindert.
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Bezugnehmend auf die 9 weist die Interaktionsfläche 5 eine Höhe d in Längsrichtung des Strömungskanals 2 auf. Die Höhe d ergibt sich aus dem Winkel α und der Dicke der Interaktionsfläche 5. Die Höhe d der Interaktionsfläche 5 dabei in einer Ausgestaltung derart bemessen, dass die sich stromab aufweitende Scherschicht S vollständig an die Interaktionsfläche 5 prallt. Dabei verhält es sich so, dass die laterale Aufweitung der freien Scherschicht in der Literatur bekannten Ausbreitungsraten folgt. Diese Ausbreitungsraten lassen sich zur Abschätzung der Dimensionierung der Interaktionsfläche 5 heranziehen.
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Wie anhand der 12 näher erläutert werden wird, variiert die Höhe d der Interaktionsfläche 5 in Abhängigkeit von der Umfangsposition. Dabei ist die Höhe d der Interaktionsfläche 5 in einem Längsschnitt durch die Längsachse 15 der Öffnung 1 maximal. Einen solchen Längsschnitt zeigen die 3 und 9, weswegen die Höhe d in der 9 als dmax bezeichnet ist.
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Der Neigungswinkel α zwischen der Interaktionsfläche 5 und der Öffnungsebene 13 der Öffnung 1 ist zur Vermeidung der Anregung akustische Resonanzen möglichst spitz ausgebildet. Er liegt beispielsweise im Bereich zwischen 30° und 60°, beispielsweise bei 45°.
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Zurückkommend auf die 3 wird darauf hingewiesen, dass die Oberfläche 3 eine Außenseite 31 und eine Innenseite 32 auf. Der Abstand zwischen der Außenseite 31 und der Innenseite 32 definiert eine Dicke t der Oberfläche, die auch die Dicke t der Öffnung 1 bildet. Es ist anhand der 3 zu erkennen, dass der Vorsprung 25 mit der Fase bzw. Interaktionsfläche 5 sich unmittelbar angrenzend an die Außenseite 31 im Abströmkanal 2 ausbildet.
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Bei der Ausgestaltung der 2 und 3 ist vorgesehen, dass die Interaktionsfläche 5 an einer im Abströmkanal 2 ausgebildeten Struktur, nämlich dem im Abströmkanal 2 ausgebildeten Vorsprung 25 ausgebildet ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass die die Interaktionsfläche 5 bildende Struktur an einem Einsatz ausgebildet ist, der in den Abströmkanal 2 eingebracht wird. Ein solcher Einsatz wird beispielsweise durch einen 3D-Druck oder durch andere Umformtechnikebereitgestellt. Die Verwendung eines Einsatzes erlaubt es, die Interaktionsfläche 5 auch an einem bereits montierten Abströmkanal 2 auszubilden.
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Die 4 und 5 zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem die Interaktionsfläche 5 unmittelbar in den stromabseitigen Rand der Öffnung 1 integriert ist. Eine solche Lösung ist insbesondere dann möglich, wenn der Bauraum zur Bereitstellung der Öffnung 1 nicht begrenzt ist. Die Integration einer gesonderten Struktur in den Abströmkanal 2 zur Bereitstellung der Interaktionsfläche 5 ist in einem solchen Fall nicht erforderlich. Dementsprechend wird für den Fall, dass der Abströmkanal 2 geöffnet ist, die Strömung in den Abströmkanal 2 nicht durch eine zusätzliche Struktur gestört.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 und 5 wird die Interaktionsfläche 5 im stromabseitigen Rand 12 der Öffnung 1 bereitgestellt, wobei der stromabseitige Rand 12 (im Vergleich zu der in der 4 zusätzlich dargestellten regulären Form 12') zusätzlich verlängert wird. Die Interaktionsfläche 5 wird dabei durch eine Schräge 50 des Randes 12 bereitgestellt. Die Interaktionsfläche 5 kann dabei aerodynamisch gestaltet sein, um Strömungsverluste bei geöffnetem Abströmkanal 2 zu vermeiden. Abgesehen von der Ausgestaltung der Interaktionsfläche 5 entspricht die Ausgestaltung der 4 und 5 der Ausgestaltung der 2 und 3, so dass ergänzend auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird.
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Die Funktionsweise einer Lärmreduzierung beim Lufteinlass 10 der 4 und 5 wird anhand der 10 näher erläutert. Dabei wird wiederum angenommen, dass der Abströmkanal 2 verschlossen ist.
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Die 10 zeigt schematisch einen Lufteinlass 10 mit einer Öffnung 1 und einem Abströmkanal 2 entsprechend der Ausgestaltung der 4 und 5. Eine Interaktionsfläche 5 wird am stromabseitigen Rand 12 durch eine Schräge 50 an diesem Rand 12 bereitgestellt. Dabei ist im dargestellten Ausführungsbeispiel, jedoch nicht notwendigerweise vorgesehen, dass der stromabseitige Rand 12 der Öffnung eine größere Dicke d aufweist als der stromaufseitige Rand 11 der Öffnung.
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Die von einer Hauptströmung in einer Strömungsrichtung X überströmten Oberfläche 3 weist angrenzend an die Oberfläche 3 ein typisches Strömungsprofil P auf. An dem stromaufseitigen Rand 11 bzw. der Vorderkante der Öffnung 1 löst sich die Strömung ab und es bildet sich eine freie Scherschicht S. Die freie Scherschicht S bildet sich dabei im Übergangsbereich zwischen Bereichen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten U aus, nämlich zum einen der Hauptströmung, die den Lufteinlass überströmt, und zum anderen dem Strömungsbereich im Abströmkanal. Die sich bildende freie Scherschicht S weitet sich mit zunehmender Ausbreitung lateral auf und trifft am stromabseitigen Rand 12 auf die an diesem ausgebildete Interaktionsfläche 5. Durch die Interaktionsfläche 5 wird dabei verhindert oder der Effekt zumindest reduziert, dass die freie Scherschicht S durch Interaktion mit dem stromabseitigen Rand 12 eine Schallquellregion bildet, die im geschlossenen Ablösekanal 2 akustische Resonanzen anregt. Die Anregung der akustischen Resonanzen im Abströmkanal wird somit gemindert.
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Die Interaktionsfläche 5 weist eine Höhe d in Längsrichtung des Strömungskanals 2 auf. Die Höhe d ergibt sich aus dem Winkel α und der Dicke der Interaktionsfläche 5. Die Höhe d der Interaktionsfläche 5 ist dabei in einer Ausgestaltung derart bemessen, dass die sich stromab aufweitende Scherschicht S vollständig an die Interaktionsfläche 5 prallt. Wie anhand der 12 näher erläutert werden wird, variiert die Höhe d der Interaktionsfläche 5 in Abhängigkeit von der Umfangsposition. Dabei ist die Höhe d der Interaktionsfläche 5 in einem Längsschnitt der Symmetrieebene durch die Längsachse 15 der Öffnung 1 maximal. Einen solchen Längsschnitt zeigen die 5 und 10, weswegen die Höhe d in der 10 als dmax bezeichnet ist.
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Die 6 und 7 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Lufteinlasses 10', der eine Öffnung 1 in einer Oberfläche 3 sowie einen sich an die Öffnung 1 anschließenden Abströmkanal 2 umfasst, wobei die Öffnung 1 durch ein Gitter 4 mit Fischgrätenmuster abgedeckt ist. Ein solches Gitter 4 kann eine zusätzliche Maßnahme zur weiteren Verbesserung der akustischen Eigenschaften bei geschlossenem Abströmkanal 2 bei den Ausgestaltungen der 2-5 darstellen, aber auch unabhängig von den Ausgestaltungen der 2-5 realisiert werden.
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Die Öffnung 1 umfasst einen stromaufseitigen Rand 11 und einen stromabseitigen Rand 12. Sie ist im dargestellten Ausführungsbeispiel, jedoch nicht notwendigerweise, elliptisch ausgebildet. Gleichzeitig weist der Abströmkanal 2 einen kreisförmigen Querschnitt auf. Dementsprechend sind der stromaufseitige Rand 11 und der stromabseitigen Rand 12 der Öffnung 1 jeweils gekrümmt ausgebildet. Die Öffnung 1 umfasst des Weiteren eine Längsachse 15, die die Öffnung 1 mittig schneidet. Die Längsachse 15 verläuft dabei vom stromaufseitigen Rand 11 zum stromabseitigen Rand 12 und besitzt somit eine Richtung, die der Strömungsrichtung X entspricht. Die Schnittpunkte 16, 17 der Längsachse 15 mit dem stromaufseitigen Rand 11 und dem stromabseitigen Rand 12 stellen Scheitelpunkte der elliptischen Öffnung 1 dar.
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Der Abströmkanal 2 erstreckt sich winklig zu der Oberfläche 3. Er besitzt eine Längsachse L, die einen spitzen Winkel β mit der Oberfläche 3 bzw. der Längsachse 15 bildet. Sofern der Kanal zum Luftablass verwendet wird, kann das Gitter mit Fischgrätenmuster ebenfalls angewandt werden. Kanäle für den Luftablass werden im Allgemeinen derart angebracht, dass sich zwischen Längsachse L und Oberfläche 3 rechte oder stumpfe Winkel β ergeben. Der Abströmkanal 2 ist dabei im dargestellten Ausführungsbeispiel als gerades Rohr dargestellt. Der Abströmkanal 2 kann alternativ gekrümmt ausgebildet sein, wobei er angrenzend an die Öffnung 1 zumindest lokal eine hohlzylindrische Form besitzt.
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Das Gitter 4 mit Fischgrätenmuster umfasst erste und zweite Gitterstäbe 41, 42, die jeweils schräg und zueinander parallel angeordnet sind. Dabei sind die ersten Gitterstäbe 41 und die zweiten Gitterstäbe 42 derart orientiert, dass sie in Richtung der Längsachse 15 der Öffnung 1 konvergieren. Das Gitter 4 weist dabei auf der Längsachse 15 einen zentralen Gitterstab 43 aus, der eine Symmetrieachse des Gitters 4 bildet und auf den die ersten und zweiten Gitterstäbe 41, 42 zulaufen. Die Gitterstäbe 41, 42, 43 können im Querschnitt kreisförmig oder alternativ im Querschnitt als aerodynamisch geformte Schaufelprofile ausgebildet sein, die das überströmende Fluid teilweise in den Abströmkanal umlenken. Im Rahmen verfügbarer Fertigungsmethoden sind die Gitterstäbe auch in anderen polygonen Querschnitten ausführbar.
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Die 8 zeigt eine Abwandlung des Lufteinlasses der 6 und 7, bei der das Gitter 4 dahingehend modifiziert ist, dass es zwar ebenso wie bei den 6 und 7 mit einem Fischgrätenmuster ausgebildet ist, bei diesem jedoch ein zentraler Gitterstab fehlt, so dass das Gitter 4 nur aus den Gitterstäben 41, 42 besteht.
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Die 11 und 12 zeigen in zwei perspektivischen Ansichten ein Ausführungsbeispiel eines Lufteinlasses 10, der vom grundsätzlichen Aufbau her dem Lufteinlass der 2 und 3 entspricht. Dabei wird darauf hingewiesen, dass die Darstellung insofern unterschiedlich ist, als der Abströmkanal 2 sich in den 11 und 12 (und auch in den 13-16) schräg nach oben erstreckt. Die Hauptströmungsrichtung des Fluids ist wiederum mit X angegeben.
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Den 11 und 12 ist zu erkennen, dass die Interaktionsfläche 5 sich in Umfangsrichtung über einen Winkelbereich von 180° erstreckt. Ihre Höhe d ist dabei abhängig von der Umfangsposition, wie anhand der 12 dargestellt ist. Die Höhe d nimmt dabei ein Maximum in einem Längsschnitt an, der durch die Längsachse 15 der Öffnung 1 geht. Von dem Maximum aus nimmt die Höhe d zu den Seiten hin ab und ist an den Rändern des 180°-Bereichs, in dem die Interaktionsfläche 5 sich an der stromabseitigen Mantelfläche 22 erstreckt, gleich Null.
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In den 11 und 12 ist des Weiteren zu erkennen, dass der Abströmkanal aufgrund des Vorsprungs 25 eine Querschnittsverengung aufweist.
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In den 11 und 12 wird der Vorsprung 25 mit der Interaktionsfläche 5 durch einen Einsatz 6 gebildet, der in den eigentlichen Abströmkanal eingesetzt wird und über Befestigungsbohrungen 61 mit diesem verbunden ist. Der eigentliche Abströmkanal ist in den 10 und 11 nicht gesondert dargestellt. Alternativ können die genannten Strukturen direkt im Abströmkanal ausgebildet sein.
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Die 13 zeigt eine perspektivische Ansicht des Lufteinlasses mit Blickrichtung auf die Außenseite 31 der Oberfläche 3. Dabei ist die schräg verlaufende Interaktionsfläche 5, gegen die die freie Scherschicht prallt, gut zu erkennen.
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Die 14 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das vom grundsätzlichen Aufbau her dem Ausführungsbeispiel der 4 und 5 entspricht. Dabei bildet die Öffnung 1 selbst an ihrem stromabseitigen Rand 12 eine Interaktionsfläche 5 aus. Dabei bildet die Interaktionsfläche 5 im Rand 12 zwischen der Innenseite 32 und der Außenseite 31 der Oberfläche 3 eine Schräge 50 aus, die in einem spitzen Winkel α zur Führungsebene 13 der Öffnung steht. Bei dieser Ausgestaltung ist die Integration eines Vorsprungs in den Abströmkanal 2 nicht erforderlich.
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Für sämtliche der dargestellten Ausführungsbeispiele gilt, dass in einer Ausführungsvariante die Interaktionsfläche 5 auf der Mantelfläche eines gedachten Zylinders liegt, der sich senkrecht zur Längsachse L (siehe zum Beispiel die 3) des Abströmkanals 2 erstreckt.
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Die 15 und 16 in einer Ansicht von oben und in einer teilweise geschnittenen Ansicht einen Lufteinlass, der entsprechend der Ausgestaltung der 6 und 7 mit einem Gitter 4 mit Fischgrätenmuster abgedeckt ist, wobei das Gitter 4 erste Gitterstäbe 41 und zweite Gitterstäbe 42 aufweist, die jeweils parallel zueinander verlaufen und die in Richtung der Längsachse15 der Öffnung 1 konvergieren, wobei entlang der Längsachse 15 ein zentraler Gitterstab 43 des Gitters 4 verläuft.
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Um die Aerodynamik der Luftentnahme zu verbessern kann das Fischgrätenmuster auch derart ausgeführt werden, sodass es, ausgehend von der stromaufseitigen Kante 11, nur einen Teil der Öffnung 1 abdeckt.
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Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Weiter wird darauf hingewiesen, dass beliebige der beschriebenen Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale aus, die hier beschrieben werden und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.
