DE202021104007U1 - Jet engine and jet engine assembly - Google Patents
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Abstract
Strahltriebwerk (100), insbesondere als Mantelstromtriebwerk ausgebildet, umfassend einen Lufteintrittsbereich (3), ein Gehäuse (7), einen Triebwerkskernbereich (9) sowie einen Eintrittskegel (17) im Lufteintrittsbereich (3), wobei der Eintrittskegel (17) mit einem nicht drehbaren Bauteil, insbesondere mit einem Leitgitter (19) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittskegel (17) als schiefer Eintrittskegel (17) ausgebildet ist, wobei die Kegelspitze (25) exzentrisch zur Rotationsachse (23) des Strahltriebwerks (100) angeordnet ist. Jet engine (100), in particular designed as a turbofan engine, comprising an air inlet area (3), a housing (7), an engine core area (9) and an inlet cone (17) in the air inlet area (3), the inlet cone (17) having a non-rotatable Component, in particular connected to a guide grille (19), characterized in that the inlet cone (17) is designed as an oblique inlet cone (17), the cone tip (25) being arranged eccentrically to the axis of rotation (23) of the jet engine (100).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strahltriebwerk, umfassend einen Lufteintrittsbereich, ein Gehäuse, einen Triebwerkskernbereich sowie einen Eintrittskegel im Lufteintrittsbereich gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Strahltriebwerksanordnung, umfassend ein erfindungsgemäßes Strahltriebwerk, einen Lufteinlass und einen Strömungskanal gemäß Anspruch 5.The present invention relates to a jet engine comprising an air inlet area, a housing, an engine core area and an inlet cone in the air inlet area according to the preamble of
Strahltriebwerke von Flugzeugen sind zahlreichen unterschiedlichen Anströmbedingungen ausgesetzt, unter anderem beim Start, bei der Landung und während des Fluges. In der Flugphase können unterschiedliche Flugmanöver ausgeführt werden, beispielsweise bei Kursänderungen. Insbesondere bei hohen Fluggeschwindigkeiten im Überschallbereich treten weitere Anforderungen auf. Ein direktes Anströmen von Schaufeln und Statoren im Strahltriebwerk ist bei einer Überschallanströmung unbedingt zu vermeiden, da dies zum Strömungsabriss an den Schaufeln und Statoren führen würde, die Brennkammer ersticken und das gesamte Strahltriebwerk ausfallen könnte. Daher werden Strahltriebwerken von Flugzeugen, die zumindest teilweise im Überschall fliegen, sogenannte Diffusoren als Strömungskanäle vorgeschaltet, die die Überschallströmung auf Unterschallgeschwindigkeiten abbremsen, bevor die Luft in das Strahltriebwerk eintritt. In diesen Diffusoren treten zahlreiche Änderungen der Strömungsrichtungen und Strömungsbedingungen auf. Je nach Anströmbedingung und Anströmgeschwindigkeit, insbesondere hinsichtlich einer Überschall- oder Unterschallanströmung, kann eine variable Strömungskanal-Querschnittsform im Eintrittsbereich des Diffusors die nachfolgenden Strömungsbedingungen im Strahltriebwerk optimieren und somit das Flugverhalten des Flugzeugs verbessern. Eine variable Düsenform am Eintritt des Diffusors kann weiterhin höhere Anströmbedigungen, also höhere Mach-Zahlen, ermöglichen. Beispielsweise sollte sich der Durchflussquerschnitt bei Überschallanströmung zunächst verringern, um die Anströmung auf Unterschall abzubremsen, den statischen Druck, und in einigen Fällen auch die Fluiddichte, zu erhöhen. Bei diesem Übergang vom Überschall zum Unterschall treten zu Beginn mehrere schräge Verdichtungsstöße und abschließend ein senkrechter Verdichtungsstoß am Ende dieser verjüngenden Düsenform auf. Dabei darf der Verjüngungswinkel nicht zu groß werden, um einen Strömungsabriss an den Grenzschichten zu verhindern. Die Grenzschichten könnten mit weiteren konstruktiven Maßnahmen beeinflusst werden. Anschließend an diesen senkrechten Verdichtungsstoß herrscht Unterschallströmung, die Düsenform muss sich jetzt erweitern, um eine Druckerhöhung zu erreichen.Jet engines in aircraft are exposed to numerous different flow conditions, including during take-off, landing and in flight. In the flight phase, different flight maneuvers can be carried out, for example when changing course. Further requirements arise, particularly at high flight speeds in the supersonic range. A direct flow against blades and stators in the jet engine must be avoided in the case of a supersonic flow, as this would lead to a stall on the blades and stators, suffocate the combustion chamber and the entire jet engine could fail. For this reason, jet engines of aircraft that at least partially fly at supersonic speed are preceded by so-called diffusers as flow channels that slow the supersonic flow to subsonic speeds before the air enters the jet engine. Numerous changes in flow directions and flow conditions occur in these diffusers. Depending on the flow conditions and the flow velocity, in particular with regard to a supersonic or subsonic flow, a variable flow channel cross-sectional shape in the entrance area of the diffuser can optimize the subsequent flow conditions in the jet engine and thus improve the flight behavior of the aircraft. A variable nozzle shape at the inlet of the diffuser can also enable higher flow conditions, i.e. higher Mach numbers. For example, the flow cross-section should initially be reduced in the case of supersonic flow in order to slow down the flow to subsonic, to increase the static pressure and in some cases also the fluid density. During this transition from supersonic to subsonic, several oblique compression shocks occur at the beginning and then a vertical compression shock at the end of this tapering nozzle shape. The taper angle must not become too large in order to prevent a flow separation at the boundary layers. The boundary layers could be influenced with further constructive measures. Subsequent to this vertical shock wave there is a subsonic flow, the nozzle shape must now expand in order to achieve a pressure increase.
Zusätzlich kann die Strömungskanalform des Diffusors, insbesondere stromab von veränderlichen Düsenformen am Diffusoreintritt, nicht ideal gerade, sondern gekrümmt bzw. gebogen sein. Die Krümmungen können beispielsweise durch eine Rumpfform oder Flügelform des Flugzeugs bedingt sein, an die der Strömungskanal mit anschließendem Strahltriebwerk konstruktiv angepasst wird. Es können mehrere Krümmungen, gegebenenfalls mit Wendepunkten in den Krümmungsverläufen, auftreten.In addition, the flow channel shape of the diffuser, in particular downstream of variable nozzle shapes at the diffuser inlet, can not be ideally straight, but rather curved or bent. The curvatures can be caused, for example, by a fuselage shape or wing shape of the aircraft, to which the flow channel with the subsequent jet engine is structurally adapted. Several curvatures, possibly with turning points in the curvature courses, can occur.
Weiterhin wird das Strömungsprofil und die Strömungsrichtung im Diffusor durch unterschiedliche Querschnittsformen am Diffusoreintritt und Diffusoraustritt beeinflusst. Die Querschnittsform am Diffusoraustritt ist oft kreisrund, da der Eintrittsquerschnitt am Strahltriebwerk ebenfalls in der Regel kreisrund ist. Die Querschnittsform am Diffusoreintritt dagegen kann von einem vorgeschalteten Lufteinlass abhängig sein. Der Lufteinlass kann beispielsweise eine Rechteckform aufweisen. Diese Änderung der Querschnittsformen innerhalb des Diffusors bzw. des Strömungskanals beeinflusst das jeweilige Strömungsprofil und die Strömungsrichtung.Furthermore, the flow profile and the direction of flow in the diffuser are influenced by different cross-sectional shapes at the diffuser inlet and diffuser outlet. The cross-sectional shape at the diffuser outlet is often circular, since the inlet cross-section on the jet engine is also usually circular. The cross-sectional shape at the diffuser inlet, on the other hand, can depend on an upstream air inlet. The air inlet can, for example, have a rectangular shape. This change in the cross-sectional shape within the diffuser or the flow channel influences the respective flow profile and the flow direction.
All diese Strömungsphänomene und konstruktiven Details des Strömungskanals beeinflussen die Richtung und das Strömungsprofil des durchströmenden Fluids. Gleichzeitig ist es wichtig und entscheidend, welche Anströmungsrichtung am Eintritt in das Strahltriebwerk anliegt. Insbesondere sollte die Anströmungsrichtung idealerweise in Achsrichtung eines rotierenden oder nicht rotierenden Eintrittskegels bzw. Eintrittskonus erfolgen, um eine Staupunktströmung möglichst genau an der Kegelspitze zu erreichen. Mit dieser idealen Staupunkströmung kann eine optimale Durchströmung des Strahltriebwerks, also des Fans, der Niederdruck- und der Hochdruckverdichterstufen mit anschließendem Übergang in die Brennkammer erfolgen. Mit dieser idealen Staupunkströmung können beispielsweise unterschiedliche Grenzschichtverläufe, gegebenenfalls mit der Gefahr von Strömungsablösungen, vermieden und eine Durchströmung unter Auslegungsbedingungen des Strahltriebwerks erreicht werden.All these flow phenomena and structural details of the flow channel influence the direction and the flow profile of the fluid flowing through. At the same time, it is important and decisive which direction of flow is at the entrance to the jet engine. In particular, the direction of flow should ideally take place in the axial direction of a rotating or non-rotating inlet cone or inlet cone in order to achieve a stagnation point flow as precisely as possible at the tip of the cone. With this ideal stagnant flow, an optimal flow through the jet engine, i.e. the fan, the low-pressure and high-pressure compressor stages with a subsequent transition into the combustion chamber, can take place. With this ideal stagnant flow, for example, different boundary layer courses, possibly with the risk of flow separation, can be avoided and a through-flow can be achieved under the design conditions of the jet engine.
Möglicherweise ist bereits eine nicht ideale Staupunktströmung durch den Strömungsverlauf, insbesondere durch einen Strömungskanalquerschnittsverlauf am Ende des Strömungskanals, also unmittelbar vor dem Eintritt in das Strahltriebwerk, vorgegeben. Dies kann dann bedeuten, dass ein rotierender Eintrittskonus, der mit einem Fan verbunden ist, nicht ideal angeströmt werden kann.It is possible that a non-ideal stagnation point flow is already predetermined by the flow course, in particular by a flow channel cross-sectional course at the end of the flow channel, that is to say immediately before the entry into the jet engine. This can then mean that a rotating inlet cone, which is connected to a fan, cannot ideally flow against.
Aus der
Aus der
Aus der
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Strahltriebwerk mit einem Eintrittskegel vorzuschlagen, um eine möglichst ideale Anströmung zu erzielen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strahltriebwerksanordnung mit einem Strömungskanal stromauf eines Strahltriebwerks vorzuschlagen.One object of the present invention is to propose a jet engine with an inlet cone in order to achieve the most ideal flow possible. Another object of the present invention is to propose a jet engine arrangement with a flow channel upstream of a jet engine.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Strahltriebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ferner wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch eine Strahltriebwerksanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.The object according to the invention is achieved by a jet engine with the features of
Erfindungsgemäß wird ein Strahltriebwerk, wenigstens umfassend einen Triebwerkskernbereich, ein Gehäuse, ein Lufteintrittsbereich sowie ein Eintrittskegel im Lufteintrittsbereich des Strahltriebwerks vorgeschlagen. Das Strahltriebwerk kann als Mantelstromtriebwerk ausgebildet sein. Der Eintrittskegel ist mit einem nicht drehbaren Bauteil verbunden. Ein nicht drehbares Bauteil bedeutet, dass es ein Bauteil ist, das nicht mit einem im Betrieb des Strahltriebwerks rotierendes Bauteil, also beispielsweise mit den Schaufeln eines Fans, den Schaufeln des Niederdruckverdichters, des Hochdruckverdichters, der Niederdruckturbine oder der Hochdruckturbine, verbunden ist. Der Eintrittskegel kann mit einem Leitgitter verbunden sein. Das Leitgitter kann zumindest abschnittsweise mit dem Gehäuse verbunden sein. Der Eintrittskegel ist als schiefer Eintrittskegel ausgebildet, wobei die Kegelspitze exzentrisch zur Rotationsachse des Strahltriebwerks angeordnet ist.According to the invention, a jet engine, at least comprising an engine core area, a housing, an air inlet area and an inlet cone in the air inlet area of the jet engine is proposed. The jet engine can be designed as a turbofan engine. The inlet cone is connected to a non-rotatable component. A non-rotatable component means that it is a component that is not connected to a component that rotates during operation of the jet engine, for example with the blades of a fan, the blades of the low-pressure compressor, the high-pressure compressor, the low-pressure turbine or the high-pressure turbine. The entry cone can be connected to a guide grille. The guide grille can be connected to the housing at least in sections. The inlet cone is designed as an oblique inlet cone, the tip of the cone being arranged eccentrically to the axis of rotation of the jet engine.
Ein Kegel weist eine Mantelfläche und eine Grundfläche auf. Die Gerade, die durch den Mittelpunkt des Grundkreises und der Spitze des Kegels, also der Kegelspitze, verläuft, wird als Achse des Kegels bezeichnet. Bei einem schiefen Kegel steht die Achse nicht senkrecht zur Grundfläche. Daher verläuft die Achse des erfindungsgemäßen Strahltriebwerks nicht parallel zur Rotationsachse des Strahltriebwerks. Die Rotationsachse kann als Drehachse des Rotors des Strahltriebwerks bezeichnet werden. Der Rotor umfasst wenigstens eine Rotorstufe, beispielsweise des Niederdruckverdichters oder des Hochdruckverdichters.A cone has a surface area and a base area. The straight line that runs through the center point of the base circle and the tip of the cone, i.e. the tip of the cone, is called the axis of the cone. In the case of an oblique cone, the axis is not perpendicular to the base. Therefore, the axis of the jet engine according to the invention does not run parallel to the axis of rotation of the jet engine. The axis of rotation can be referred to as the axis of rotation of the rotor of the jet engine. The rotor comprises at least one rotor stage, for example the low-pressure compressor or the high-pressure compressor.
Der Kegel kann als Konus bezeichnet werden.The cone can be called a cone.
Der Kegel kann, zumindest abschnittsweise, gerade und/oder gekrümmte Oberflächen aufweisen. Die Oberflächen können konvex ausgebildet sein.The cone can have straight and / or curved surfaces, at least in sections. The surfaces can be convex.
Das Leitgitter kann ein Einlassgitter sein oder als ein solches bezeichnet werden.The guide grille can be or be referred to as an inlet grille.
Ein schiefer Eintrittskegel kann als ein nicht konzentrischer Eintrittskegel bezeichnet werden. Die Mantelfläche des schiefen Eintrittskegels ist nicht konzentrisch um die Achse des Eintrittskegels angeordnet. Somit ist auch die Kegelspitze nicht konzentrisch angeordnet.An oblique entry cone can be referred to as a non-concentric entry cone. The outer surface of the inclined entry cone is not arranged concentrically around the axis of the entry cone. Thus the apex of the cone is not arranged concentrically either.
Ein schiefer Eintrittskegel kann als ein asymmetrischer Eintrittskegel oder als ein asymmetrischer Eintrittskonus bezeichnet werden. Die Spitze des asymmetrischen Eintrittskonus des erfindungsgemäßen Strahltriebwerks ist außerhalb der Rotationsachse des Strahltriebwerks angeordnet.An oblique entry cone can be referred to as an asymmetrical entry cone or an asymmetrical entry cone. The tip of the asymmetrical inlet cone of the jet engine according to the invention is arranged outside the axis of rotation of the jet engine.
Ein schiefer Eintrittskegel weist nicht rotationssymmetrische Mantelflächen auf. Ein schiefer Eintrittskegel kann als unsymmetrisch bezeichnet werden.An oblique entry cone has non-rotationally symmetrical lateral surfaces. An oblique entry cone can be said to be asymmetrical.
Die Grundfläche des schiefen Eintrittskegels kann kreisrund, elliptisch oder eine andere Form aufweisen. Ein schiefer Eintrittskegels mit einer kreisrunden Grundfläche kann als schiefer Kreiskegel bezeichnet werden. Ein schiefer Ellipsenkegel kann als Verallgemeinerung des schiefen Kreiskegels bezeichnet werden. Ein schiefer Ellipsenkegel mit gleichlangen Halbachsen der elliptischen Grundfläche kann als schiefer Kreiskegel bezeichnet werden.The base of the inclined entry cone can be circular, elliptical or some other shape. An oblique entry cone with a circular base can be referred to as an oblique circular cone. An oblique elliptical cone can be described as a generalization of the oblique circular cone. An oblique elliptical cone with semiaxes of equal length of the elliptical base can be referred to as an oblique circular cone.
Erfindungsgemäß wird weiterhin eine Strahltriebwerksanordnung vorgeschlagen, umfassend ein erfindungsgemäßes Strahltriebwerk, einen Lufteinlass und einen den Lufteinlass und das Strahltriebwerk verbindenden Strömungskanal.According to the invention, a jet engine arrangement is also proposed, comprising a jet engine according to the invention, an air inlet and a flow channel connecting the air inlet and the jet engine.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen und Ausführungsformen.Advantageous further developments of the present invention are each the subject matter of subclaims and embodiments.
Erfindungsgemäße, beispielhafte Ausführungsformen können eines oder mehrere der im Folgenden genannten Merkmale in beliebiger Kombination aufweisen, sofern eine, oder die, konkrete Kombination für den Fachmann nicht als offenkundig technisch unmöglich erkennbar ist. Auch die Gegenstände der Unteransprüche geben jeweils erfindungsgemäße, beispielhafte Ausführungsformen an.Exemplary embodiments according to the invention can have one or more of the features mentioned below in any combination, provided that one or the specific combination is not recognizable as obviously technically impossible for the person skilled in the art. The subjects of the subclaims also each specify exemplary embodiments according to the invention.
Bei allen oben gemachten und unten folgenden Ausführungen ist der Gebrauch des Ausdrucks „kann sein“ bzw. „kann haben“ usw. synonym zu „ist vorzugsweise“ bzw. „hat vorzugsweise“ usw. zu verstehen und soll erfindungsgemäße, beispielhafte Ausführungsformen erläutern.In all statements made above and below, the use of the expression “can be” or “may have” etc. is to be understood as synonymous with “is preferably” or “preferably” etc. and is intended to explain exemplary embodiments according to the invention.
Wann immer hierin Alternativen mit „und/oder“ eingeführt werden, so versteht der Fachmann das darin enthaltene „oder“ vorzugsweise als „entweder oder“ und vorzugsweise nicht als „und“.Whenever alternatives with “and / or” are introduced herein, the person skilled in the art understands the “or” contained therein preferably as “either or” and preferably not as “and”.
Hierin genannte Ausführungsformen sind als erfindungsgemäße, rein exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, die nicht als beschränkend zu verstehen sind.Embodiments mentioned herein are to be understood as purely exemplary embodiments of the present invention according to the invention, which are not to be understood as restrictive.
Ein Strahltriebwerk kann als Turbinen-Strahltriebwerk, Turbo-Strahltriebwerk, Turbo-Luftstrahltriebwerk, Turbinen-Luftstrahltriebwerk, Gasturbinen-Flugtriebwerk, Jettriebwerk oder als Flugtriebwerk bezeichnet werden. Das Strahltriebwerk umfasst als zentrale Komponente eine Gasturbine. Manchmal wird das Strahltriebwerk insgesamt als Gasturbine bezeichnet.A jet engine can be referred to as a turbine jet engine, turbo jet engine, turbo air jet engine, turbine air jet engine, gas turbine aircraft engine, jet engine or an aircraft engine. The jet engine comprises a gas turbine as a central component. Sometimes the jet engine is collectively referred to as a gas turbine.
Ein Strahltriebwerk kann unter anderem ein Einstrom-Strahltriebwerk oder ein Mantelstromtriebwerk sein. Das Mantelstromtriebwerk kann als Nebenstromtriebwerk, Zweistromstrahltriebwerk, Zweistrom-Turbinen-Luftstrahltriebwerk oder als Fantriebwerk bezeichnet werden. In einem Mantelstromtriebwerk ummantelt ein äußerer Luftstrom einen inneren Kernstrom durch die Gasturbine, in dem der thermodynamische Kreisprozess stattfindet. Am Einlass des Mantelstromtriebwerks wird Luft zugeführt und/oder eingesaugt.A jet engine can be a single-flow jet engine or a turbofan engine, among others. The turbofan engine can be referred to as a bypass engine, a turbofan jet engine, a turbocharged turbine air jet engine or a fan engine. In a turbofan engine, an external air flow envelops an internal core flow through the gas turbine, in which the thermodynamic cycle takes place. Air is supplied and / or sucked in at the inlet of the turbofan engine.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Achse des Eintrittskegels in einem Winkel
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist der Kegelwinkel des schiefen Eintrittskegels einen Wert zwischen zwanzig Grad und fünfundvierzig Grad, insbesondere zwischen dreißig Grad und vierzig Grad auf. Der Kegelwinkel kann, sowohl bei idealer Anströmung parallel zur Achse des Eintrittskegels als auch bei nicht idealer Anströmung einen erheblichen Einfluss auf die Strömung stromab des Eintrittskegels haben. Bei einem niedrigen Wert, beispielsweise bei einem Wert von zwanzig Grad, bei dem der Kegelwinkel als flacher Konuswinkel bezeichnet werden kann, ist die Strömungsumlenkung geringer als bei einem größeren Kegelwinkel. Dies kann einen günstigeren Einfluss auf die Grenzschichtausbildung haben und die Gefahr eines nachfolgenden Strömungsabrisses verringern. Andererseits kann die Gefahr eines Eintritts von Festkörpern in der Anströmung, beispielsweise von Steinen, von Sand oder von Vögeln, direkt in die Gasturbine, also in den Triebwerkskernbereich, bei einem flachen Kegelwinkel größer sein. Oft wünschenswert ist eine Ablenkung von Festkörpern in den Mantelstrombereich, da hier die Gefahr von Beschädigungen beispielsweise des Niederdruck- oder Hochdruckverdichters geringer ist. Eine Ablenkung von Festkörpers in den Mantelstrombereich kann bei einem Winkel von größer als ca. fünfunddreißig Grad wahrscheinlicher sein. Weiterhin hängen die Strömungsverhältnisse am Eintrittskegel und einer Beeinflussung der Strömung stromab des Eintrittskegels wesentlich vom Winkel
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird der Eintrittskegel zumindest abschnittweise mittels additiver Fertigung hergestellt. Dies kann vorteilhaft sein, da ein schiefer Eintrittswinkel in der Regel nicht rotationssymmetrisch ist und daher die Fertigung erschwert sein kann. Weiterhin können mittels eines additiven Fertigungsverfahren in einfacher Art und Weise Materialien miteinander kombinieren, beispielsweise um abschnittsweise auf der Oberfläche und/oder an der Spitze des Eintrittskegels verschiedene Materialien einzusetzen. Ebenso kann die Form der Spitze des Eintrittskegels, beispielsweise abgerundet für eine ideale Staupunktströmung, und/oder die Oberflächenstruktur für eine gezielte Beeinflussung der Grenzschichtströmung, mittels größerer konstruktiver Gestaltungsfreiheiten bei der additiven Fertigung verbessert werden.In some embodiments according to the invention, the entry cone is produced at least in sections by means of additive manufacturing. This can be advantageous because an oblique entry angle is generally not rotationally symmetrical and therefore manufacturing can be difficult. Furthermore, materials can be combined with one another in a simple manner by means of an additive manufacturing process, for example in order to use different materials in sections on the surface and / or at the tip of the entry cone. Likewise, the shape of the tip of the inlet cone, for example rounded for an ideal stagnation point flow, and / or the surface structure for a targeted influencing of the boundary layer flow, can be improved by means of greater design freedom in additive manufacturing.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die erfindungsgemäße Strahltriebwerksanordnung einen Strömungskanal auf, in dem ein erster Querschnitt am Lufteinlass des Strömungskanals, dem Eintrittsquerschnitt, unterschiedlich zu einem zweiten Querschnitt am Eintritt zum Strahltriebwerk, dem Austrittsquerschnitt des Strömungskanals, ausgebildet ist. Der Lufteinlass ist in dieser Ausführungsform ein separates Bauteil, dass dem Eintrittsquerschnitt des Strömungskanals stromauf vorgeschaltet bzw. angeordnet ist. Der Lufteinlass kann bestimmte funktionelle und/oder konstruktive Anforderungen aufweisen. Beispielsweise kann er funktional eine möglichst große Luftmenge aus der Umgebung aufnehmen, um damit den Durchsatz und damit den Schub des Strahltriebwerks möglichst zu erhöhen. Der Lufteinlass kann als konstruktive Anforderung eine möglichst einfache, sichere und angepasste Befestigung an einen Flugzeugrumpf formuliert sein. Je nach den voraussichtlichen Einsatzbedingungen beispielsweise im Überschallflug können weitere Anforderungen an den Lufteinlass gestellt werden. Der Austrittsbereich des Strömungskanals wird oft an den Eintrittsquerschnitt des Strahltriebwerks angepasst.In some embodiments according to the invention, the jet engine arrangement according to the invention has a flow channel in which a first cross section at the air inlet of the flow channel, the inlet cross section, is different from a second cross section at the inlet to the jet engine, the outlet cross section of the flow channel. In this embodiment, the air inlet is a separate component that is connected or arranged upstream of the inlet cross section of the flow channel. The air inlet can have certain functional and / or structural requirements. For example, it can functionally absorb the largest possible amount of air from the environment in order to increase the throughput and thus the thrust of the jet engine as much as possible. The air inlet can be formulated as a structural requirement for the simplest, most secure and adapted attachment to an aircraft fuselage. Depending on the expected operating conditions, for example in supersonic flight, further requirements can be placed on the air inlet. The outlet area of the flow channel is often adapted to the inlet cross section of the jet engine.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist der erste Querschnitt des Strömungskanals, der Eintrittsquerschnitt, rechteckig oder oval und der zweite Querschnitt, der Austrittskanal, kreisrund. Ein rechteckiger Eintrittsquerschnitt kann an einen stromauf angeordneten, ebenfalls rechteckigen Lufteinlass einfach adaptiert und mit diesem verbunden werden. Bei einem runden, insbesondere kreisrunden Austrittsquerschnitt, der durch Form des stromab angeordneten Strahltriebwerks notwendig sein kann, muss der Strömungskanal die Strömung möglichst verlustfrei von einem Rechteckprofil in ein Rundprofil transformieren bzw. überführen. Dabei ist zu beachten, dass die Strömungsverhältnisse je nach der Eintrittsgeschwindigkeit in den Strömungskanal, insbesondere bezüglich einer Überschallströmung und einer Unterschallströmung, sehr unterschiedlich sein können.In some embodiments according to the invention, the first cross section of the flow channel, the inlet cross section, is rectangular or oval and the second cross section, the outlet channel, is circular. A rectangular inlet cross-section can easily be adapted to and connected to an air inlet which is likewise rectangular and is arranged upstream. In the case of a round, in particular circular exit cross-section, which may be necessary due to the shape of the downstream jet engine, the flow channel must transform or transfer the flow from a rectangular profile to a round profile with as little loss as possible. It should be noted that the flow conditions can be very different depending on the entry speed into the flow channel, in particular with regard to a supersonic flow and a subsonic flow.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen entspricht die Achse des Eintrittskegels im Wesentlichen der Anströmungsrichtung eines Fluids, wobei das Fluid in der Regel die Umgebungsluft ist, welches aus dem Strömungskanal in das Strahltriebwerk einströmt. Bei einer idealen Anströmung mit identischer Anströmungsrichtung des Fluids und der Achse des Eintrittskegels trifft die zentrale Anströmung auf die Spitze des Eintrittskegels. Die Spitze des Eintrittskegels entspricht in diesem Fall dem Staupunkt des Eintrittskegels. Damit könnte der Eintrittskegel ideal umströmt werden, was beispielsweise bedeutet, dass die Grenzschichtströmungen am Eintrittskegel homogen sind und die Gefahr von Strömungsablösungen minimiert werden können. Allerdings ist die genaue Bestimmung der Anströmungsrichtung des Eintrittskegels oft schwierig zu bestimmen. Diese Anströmungsrichtung des Eintrittskegels entspricht im Wesentlichen der Strömungsrichtung am Austritt des stromauf angeordneten Strömungskanals. Wie bereits weiter oben ausführlich diskutiert wurde, hängt die Strömungsrichtung und das Strömungsprofil im Strömungskanal von zahlreichen Parametern und Einflussfaktoren ab.In some embodiments according to the invention, the axis of the inlet cone essentially corresponds to the direction of flow of a fluid, the fluid generally being the ambient air flowing into the jet engine from the flow channel. In the case of an ideal flow with an identical flow direction of the fluid and the axis of the inlet cone, the central flow hits the tip of the inlet cone. In this case, the tip of the inlet cone corresponds to the stagnation point of the inlet cone. In this way, the inlet cone could ideally be flowed around, which means, for example, that the boundary layer flows at the inlet cone are homogeneous and the risk of flow separation can be minimized. However, it is often difficult to determine the exact direction of flow towards the inlet cone. This direction of flow towards the inlet cone essentially corresponds to the direction of flow at the outlet of the flow channel arranged upstream. As already discussed in detail above, the flow direction and the flow profile in the flow channel depend on numerous parameters and influencing factors.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist der Strömungskanal in seiner Längsrichtung zumindest abschnittsweise gekrümmt. Die Krümmungen können einfach oder mehrfach mit Wendepunkten in der Krümmungslinie sein. Die Krümmungen können zweidimensional in einer Ebene oder dreidimensional sein. Derartige Krümmungen können konstruktiv bedingt sein, beispielsweise um den Strömungskanal möglichst optimal an einen Flugzeugrumpf mit einer möglichst guten Anströmung zu adaptieren. Allerdings sollten die Krümmungen nicht zu Strömungsablösungen und/oder Verwirbelungen innerhalb des Strömungskanals führen. Dies ist für die unterschiedlichen Einsatzsituationen eines Flugzeugs oft schwierig vorauszubestimmen. Möglicherweise kann dies durch Strömungssimulationen am Computer und/oder durch experimentelle Versuche angenähert werden. Je nach geplanten Einsatzsituationen eines Flugzeugs mit Überschall- und Unterschallflügen können mögliche überwiegende Strömungsprofile und Strömungsrichtungen, insbesondere am Austrittsquerschnitt des Strömungskanals, bestimmt werden. Dadurch könnte die Ausrichtung der Achse des schiefen Eintrittskegels am Strahltriebwerk zumindest annähernd vorteilhaft festgelegt werden.In some embodiments according to the invention, the flow channel is curved at least in sections in its longitudinal direction. The curvatures can be single or multiple with points of inflection in the line of curvature. The curvatures can be two-dimensional in a plane or three-dimensional. Such curvatures can be due to the design, for example in order to adapt the flow channel as optimally as possible to an aircraft fuselage with the best possible flow. However, the curvatures should not lead to flow separation and / or turbulence within the flow channel. This is often difficult to predict in advance for the different operational situations of an aircraft. This can possibly be approximated through flow simulations on the computer and / or through experimental tests. Depending on the planned operational situations of an aircraft with supersonic and subsonic flights, possible predominant flow profiles and flow directions, in particular at the outlet cross-section of the flow channel, can be determined. As a result, the alignment of the axis of the inclined inlet cone on the jet engine could be established at least approximately advantageously.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist der Strömungskanal als Diffusor für eine am Lufteintritt einströmende Überschallströmung und/oder Unterschallströmung ausgebildet. In einem Diffusor können Überschallströmungen am Diffusoreintritt auf Unterschallgeschwindigkeiten im Diffusor bei gleichzeitiger statischer Druckerhöhung abgebremst werden. Im Diffusor können zahlreiche Änderungen der Strömungsrichtungen und Strömungsbedingungen auftreten.In some embodiments according to the invention, the flow channel is designed as a diffuser for a supersonic flow and / or subsonic flow flowing in at the air inlet. In a diffuser, supersonic flows at the diffuser inlet can be slowed down to subsonic speeds in the diffuser with a simultaneous static pressure increase. Numerous changes in flow directions and flow conditions can occur in the diffuser.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist der Diffusor bewegliche, den Strömungsquerschnitt verändernde Wandsegmente auf, insbesondere im oder nahe dem Eintrittsbereich des Diffusors. Je nach Anströmbedingung und Anströmgeschwindigkeit, insbesondere hinsichtlich einer Überschall- oder Unterschallanströmung, kann eine variable Strömungskanal-Querschnittsform mittels veränderlicher Wandsegmente im Eintrittsbereich des Diffusors die nachfolgenden Strömungsbedingungen im Strahltriebwerk optimieren und somit das Flugverhalten des Flugzeugs verbessern. Eine variable Düsenform am Eintritt des Diffusors kann höhere Anströmbedingungen, also höhere Mach-Zahlen, ermöglichen. Beispielsweise sollte sich der Durchflussquerschnitt bei Überschallanströmung zunächst verringern, um die Anströmung auf Unterschall abzubremsen, den statischen Druck, und in einigen Fällen auch die Fluiddichte, zu erhöhen. Bei diesem Übergang vom Überschall zum Unterschall treten zu Beginn mehrere schräge Verdichtungsstöße und abschließend ein senkrechter Verdichtungsstoß am Ende dieser verjüngenden Düsenform auf. Dabei darf der Verjüngungswinkel nicht zu groß werden, um einen Strömungsabriss an den Grenzschichten zu verhindern. Die Grenzschichten könnten mit weiteren konstruktiven Maßnahmen beeinflusst werden. Anschließend an diesen senkrechten Verdichtungsstoß herrscht in der Regel überwiegend Unterschallströmung, die Düsenform muss sich jetzt erweitern, um eine Druckerhöhung zu erreichen.In some embodiments according to the invention, the diffuser has movable wall segments that change the flow cross-section, in particular in or near the inlet region of the diffuser. Depending on the flow conditions and the flow velocity, in particular with regard to a supersonic or subsonic flow, a variable flow channel cross-sectional shape by means of variable wall segments in the entrance area of the diffuser can optimize the subsequent flow conditions in the jet engine and thus improve the flight behavior of the aircraft. A variable nozzle shape at the inlet of the diffuser can enable higher flow conditions, i.e. higher Mach numbers. For example, the flow cross-section should initially be reduced in the case of a supersonic flow in order to slow down the flow to subsonic, to increase the static pressure and in some cases also the fluid density. During this transition from supersonic to subsonic, several oblique compression shocks occur at the beginning and then a vertical compression shock at the end of this tapering nozzle shape. The taper angle must not become too large in order to prevent a flow separation at the boundary layers. The boundary layers could be influenced with further constructive measures. Subsequent to this vertical shock wave, there is usually a predominantly subsonic flow; the nozzle shape must now expand in order to achieve a pressure increase.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen ermöglichen die beweglichen Wandsegmente eine Querschnittsverkleinerung am Diffusoreintritt für eine Überschallströmung mit einer stromab nachfolgenden Querschnittsververgrößerung für eine Unterschallströmung.In some embodiments according to the invention, the movable wall segments enable a cross-section reduction at the diffuser inlet for a supersonic flow with a downstream cross-sectional enlargement for a subsonic flow.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist der Strömungskanal wenigstens ein Leitgitter auf. Ein Leitgitter kann vorteilhaft ein gewünschten Strömungsprofil und/oder eine gewünschte Strömungsrichtung erzeugen. Dabei sollten Strömungsverluste und/oder Verwirbelungen und/oder Strömungsablösungen mit nachfolgenden Instabilitäten in der Strömung vermieden werden.In some embodiments according to the invention, the flow channel has at least one guide grille. A guide grille can advantageously generate a desired flow profile and / or a desired flow direction. Flow losses and / or turbulence and / or flow separation with subsequent instabilities in the flow should be avoided.
In einigen, erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist ein Leitgitter am Austritt des Strömungskanals bzw. des Diffusors für eine Strömungsrichtung parallel zur Achse eines stromab angeordneten schrägen Eintrittskegels im Strahltriebwerk ausgestaltet.In some embodiments according to the invention, a guide grille at the outlet of the flow channel or of the diffuser is designed for a flow direction parallel to the axis of an inclined inlet cone arranged downstream in the jet engine.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen, in welcher identische Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Bauteile bezeichnen, exemplarisch erläutert. In den stark schematisch vereinfachten Figuren gilt:
-
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Strahltriebwerk als Mantelstromtriebwerk in einer Schnittebene; -
2a zeigt exemplarisch einen schiefen Eintrittskegel eines erfindungsgemäßen Strahltriebwerks; -
2b zeigt exemplarisch einen weiteren schiefen Eintrittskegel mit konvex gekrümmten Oberflächen eines erfindungsgemäßen Strahltriebwerks; und -
3 zeigt eine erfindungsgemäße Strahltriebwerksanordnung mit einem erfindungsgemäßen Strahltriebwerk, einem Diffusor als Strömungskanal und einem Lufteinlass.
-
1 shows a jet engine according to the invention as a turbofan engine in a sectional plane; -
2a shows an example of an inclined inlet cone of a jet engine according to the invention; -
2 B shows an example of a further inclined inlet cone with convexly curved surfaces of a jet engine according to the invention; and -
3 shows a jet engine arrangement according to the invention with a jet engine according to the invention, a diffuser as a flow channel and an air inlet.
Ferner ist erfindungsgemäß stromauf des Fans
Die Geometrie des schrägen Eintrittskegels
Der schiefe Eintrittskegel
Der Kegelwinkel
Bei einem symmetrischen Eintrittskegel würden die beiden Achsen, die Rotationsachse
Bei einer Anströmung in Richtung der Achse
Die exemplarische Ausführungsform in
Weitere exemplarische Mantelflächen
Strahltriebwerke
Die geometrische und konstruktive Ausgestaltung des Diffusors
Wie bereits weiter oben ausführlich diskutiert wurde, muss ein Eintritt eines Luftmassenzustroms 38 in Überschallgeschwindigkeit vor einer Anströmung
Der Diffusor kann, insbesondere im Bereich stromab der beweglichen Wandsegmente, eine oder mehrere Leitelemente zur Ausrichtung der Strömung aufweisen.The diffuser can, in particular in the area downstream of the movable wall segments, have one or more guide elements for aligning the flow.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- aa
- axial; Axialrichtungaxial; Axial direction
- rr
- radial; Radialrichtungradial; Radial direction
- αα
- Winkel zwischen Rotationsachse und Achse des Eintrittskegels Angle between the axis of rotation and the axis of the entry cone
- 100100
- StrahltriebwerkJet engine
- 200200
- StrahltriebwerksanordnungJet engine arrangement
- 300300
- Strömungskanal; DiffusorFlow channel; Diffuser
- 400400
- Lufteinlass Air inlet
- 11
- Fanfan
- 33
- LufteintrittsbereichAir inlet area
- 55
- äußerer Luftstrom; Mantelstromexternal airflow; Sheath current
- 77th
- Gehäusecasing
- 99
- TriebwerkskernbereichEngine core area
- 1111
- AuslassbereichOutlet area
- 1313th
- innerer Kernstrominner core flow
- 1515th
- Aufhängung des StrahltriebwerksSuspension of the jet engine
- 1717th
- schräger Eintrittskegelinclined entry cone
- 1919th
- LeitgitterBaffle
- 2121
- AnströmungInflow
- 2323
- RotationsachseAxis of rotation
- 2525th
- KegelwinkelCone angle
- 2727
- Achse des EintrittskegelsAxis of the entry cone
- 2929
- Spitze des EintrittskegelsTip of the entry cone
- 3131
- Mittelpunkt der Grundfläche des EintrittskegelsCenter of the base of the entry cone
- 3333
- Grundfläche des EintrittskegelsBase area of the entry cone
- 3535
- Mantelfläche des EintrittskegelsLateral surface of the entry cone
- 3737
- LuftmassenstromAir mass flow
- 3939
- bewegliche Wandsegmente am Diffusoreintrittmovable wall segments at the diffuser inlet
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102006044968 A1 [0007]DE 102006044968 A1 [0007]
- DE 3026337 C2 [0008]DE 3026337 C2 [0008]
- EP 2151378 A2 [0009]EP 2151378 A2 [0009]
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---|---|---|---|
DE202021104007.6U DE202021104007U1 (en) | 2021-07-27 | 2021-07-27 | Jet engine and jet engine assembly |
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Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3026337C2 (en) | 1980-07-11 | 1982-12-30 | Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V., 5000 Köln | Supersonic inlet for jet engines |
DE102006044968A1 (en) | 2006-09-23 | 2008-04-03 | Mtu Aero Engines Gmbh | Inlet cone for a jet engine |
EP2151378A2 (en) | 2008-07-28 | 2010-02-10 | Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG | Method for improving the flow conditions of a propeller or fan of an airplane engine and nose cone constructed according to the method |
-
2021
- 2021-07-27 DE DE202021104007.6U patent/DE202021104007U1/en active Active
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification |