DE3018263A1

DE3018263A1 - Gasturbinenansaugoeffnung und verfahren zum leiten eines ansaugluftstroms

Info

Publication number: DE3018263A1
Application number: DE19803018263
Authority: DE
Inventors: William Carl Ruehr; Edwin Bradshaw Smith; James Leroy Younghans
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-05-14
Filing date: 1980-05-13
Publication date: 1980-11-27
Also published as: CA1140349A; JPS6240530B2; GB2049053B; JPS566024A; FR2456845A1; IT8021936A0; FR2456845B1; IT1131162B; GB2049053A; US4220171A

Description

Gasturbinenansaugöffnung und Verfahren zum Leiten eines Ansaug luf tstroms

Die Erfindung betrifft eine Ansaugöffnung für Gasturbinenflugzeugtriebwerke und ein Verfahren zum Leiten eines Ansaugluftstroms durch eine Ansaugöffnung einer Gondel in ein Gasturbinentriebwerk.

Bei der gängisten Generation von Unterschallzivilflugzeugtriebwerken sind die Luftansaugöffnungen abgeschrägt oder abgewinkelt, um den Einlaß an der vorderen Stirnfläche der Gondel in eine Linie mit einer umgebenden ungestörten Luftströmung zu bringen, deren Richtung durch aerodynamische Eigenschaften des Flugzeuges verändert worden ist. Das gilt insbesondere für Befestigungsstellen unter dem Flügel, wo der Flugzeugflügel und der Triebwerkspylon oder -außenlastträger die Richtung des Luftstroms wesentlich verändern, so daß er der Flügelkontur folgt. Typischerweise ist der Einlaß um 3*5 abgewinkelt oder abgeschrägt, um ihn dem Luftstromeinfallswinkel unter dem Flügel bei Reiseflugbedingungen anzupassen. Diese Abschräguncj

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oder dieser Winkel wird erzielt, indem Innenkonturen des Einlasses symmetrisch um eine gerade Mittellinie auscrerichtet werden, die gegen die Triehwerksmittellinie geneigt ist.

Tests und theoretische Untersuchungen haben gezeigt, daß das Ausrichten des Einlasses um eine gerade, schräggelegte Mittellinie in der oben beschriebenen Weise Probleme verursacht, wenn der Triebwerkseinlaß an einen Triebwerksfan angrenzt. In dem Gebiet dieser Grenzfläche müssen die Innenkonturen des abgeschrägten Einlasses glatt in Innenkonturen des Triebwerkes übergehen. Eine Verkleidung an dieser Grenzfläche dreht den ankommenden Luftstrom abrupt aus der Richtung der Einlaßmittellinie in die Richtung der Triebwerksmittellinie. Tests haben gezeigt, daß diese Verkleidung einen umfangsmäßigen Gradienten des statischen Druckes in dem Grenzflächengebiet hervorruft, der die Fantonfrequenzgeräuscherzeugung steigert.

Ein weiteres Merkmal der Einlaßabschrägung ist, daß sie die äußere Haubenform- und damit den Gondelluftwiderstandsbeiwer.t beeinflußt. Im allgemeinen wird die Einlaßaußenhaubenform (d.h. die projizierte Fläche und die Länge) so gewählt, daß sie für eine vom Luftstrom umspülte kleine Fläche und einen durch Luftreibung hervorgerufenen kleinen Widerstand dünn genug ist, aber dick genug ist, um ungünstige Einflüsse durch einen großen. Überlaufwiderstand (spillage drag) zu vermeiden. Bei in der Fanhaube angebrachtem Getriebe nebst Hilfsgeräten wird der Gondelmaximaldurchmesser unten viel größer als oben und an den Seiten. Ohne Abschrägung würde die untere Lippe unerwünscht dick sein. In dem abgeschrägten Einlaß ist die vordere Einlaßstirnfläche nach unten versetzt,wodurch die Dicke der unteren Lippe wirksam verringert wird, was deshalb erwünscht ist. Mit dem Aufkommen von innen, das heißt im-Kern angebrachten Getriebe- und Hilfsgeräteanlagen, ist jedoch die Notwendigkeit einer örtlichen Vergrößerung der Dicke der unteren Gondellippe eliminiert worden. Vorteile sind potentiell ver-

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fügbar, weil die sich ergebenden Verringerungen in den projizierten und vom Luftstrom umspülten Flächen niedrigere Gondeldruck- und Luftreibungswiderstandswerte erzeugen sollten. Es war früher zwar aerodynamisch erwünscht, die vordere Einlaßstirnfläche bei dem innen angebrachten Getriebe nebst Hilfsgerät zu versetzen, bei einem innen angebrachten Getriebe ist es jedoch erwünscht, die Einlaßversetzung so zu begrenzen, daß sich keine übermäßig dünne untere Lippe ergibt.

Gemäß der Erfindung wird, kurz gesagt, eine Gasturbinentrieb* werksgondelansaugöffnung um eine gekrümmte Mittellinie angeordnet, von der ein stromabwärtiges Ende mit der Triebwerks-+ mittellinie im wesentlichen zusammenfällt, und zwar zwecks fortschreitender Umlenkung des Ansaugluftstroms in eine Linie mit der Triebwerksmittellinie. Die Innen- und die Außenkontur der Gondel werden als Endpunkte von Radien definiert, die von der gekrümmten Einlaßmittellinie ausgehen, und die Konturen sind insgesamt parallel zur örtlichen Mittellinienkontur. Aufgrund dieser Konstruktion ist die Innenfläche der Ansaugöffnung allmählich und fortschreitend gekrümmt. Die allmähliche Krümmung bewirkt, daß der Ansaugluftstrom fortschreitend in die Richtung der Triebwerksmittellinie gelenkt vvird, wodurch Umfahgsdruckgradienten stromaufwärts des Fans und demgemäß unerwünschte Auswirkungen auf die Schallerzeugung \erringert werden. Im Vergleich zu bekannten geradlinig abgö- £ chrägten Gondeln führt der Einlaß mit gekrümmter Mittellinie außerdem zu einer geringeren Versetzung der vorderen Stirnfläche der Gondel. Bei einem Triebwerk mit innen angeordneten Getrieben und Hilfsgeräten gestattet dies eine Verbesserung der unteren Gondelaußenverkleidung und eine Verringerung des aerodynamischen Widerstandes.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

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Fig. 1 eine Seitenansicht eines Flugzeuges mit einem

Gas-Zweikreis-TL- oder Turbofan-^Triebwerk, das unter dem Flügel angebracht ist,

Fig. 2 eine Längsschnittansicht eines bekannten

Gondeleinlasses,

Fig. 3 ein Diagramm, in welchem der statische Druck

über der Winkellage um die Gondelwand aufgetragen ist, und .

Fig. 4 · eine Längsschnittansicht einer Gondel nach

der Erfindung, die einem mit gestrichelten Linien dargestellten Umriß einer bekannten Gondel überlagert ist.

Fig. 1 zeigt ein Flugzeug. 2 mit einem Gas-Turbofan-Triebwerk 4, das unter dem Flügel angebracht ist. Die Gesamtauswirkung der aerodynamischen Eigenschaften des Flügels und des Triebwerkspylons 5 auf den ungestörten Luftstrom ist durch einen Pfeil 6 dargestellt. Im wesentlichen wird der ungestörte Luftstrom in einem Gebiet unmittelbar vorderhalb des Triebe werks nach oben abgelenkt, so daß er einer Aufwärtsneigung des Pylons 5 folgt und sich mit dem durch die aerodynamischen Eigenschaften des Flügels beeinflußten Luftstrom vermischt. Das Gasturbinentriebwerk 4 ist so angebracht,, daß sich sein Einlaß in diesen Teil des ungestörten Luftstroms erstreckt, der nach oben abgelenkt worden ist.

Fig. 2 zeigt einen bekannten Gondeleinlaß 10, der für die gegenwärtige Generation von Luftansaugsystemen für Unterschallzivilflugzeugtriebwerke, die an Stellen unter dem Flügel angebracht sind, typisch ist. Der Gondeleinlaß 10 hat eine Einlaßstirnfläche 12, die längs einer geraden Mittellinie 13 nach unten abgewinkelt ist, so daß sein vorderer Eingang

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und seine Mittellinie 13 in einer Linie mit ankommender, durch einen Pfeil 14 dargestellter Luft sind, die unter einem Winkel zur Triebwerksmittellinie 16 strömt. Da die Richtung des ungestörten Luftstroms durch die aerodynamischen Eigenschaften des Triebwerkspylons und des Flugzeugflügels verändert wird, bietet diese Art von Gondeleinlaß die aerodynamischen Vorteile einer größeren Ansaugströmung und eines geringeren Luftwiderstandes an Gasturbinentriebwerken, die an Stellen unter dem Flügel angebracht sind. Ein ähnlicher Typ von Gondel, der unter einem kleineren Winkel gegen die Triebwerksmittellinie abgeschrägt ist, wird bei am Heck angebrachten Triebwerken benutzt, um die Veränderung des unqestörten Luftstroms durch aerodynamische Eigenschaften des leckflügeis und des Triebswerkspylons zu kompensieren.

Fig. 2 zeigt einen Frontfan 20, wie er typischerweise bei heutigen Turbofan-Triebwerken benutzt wird, direkt stromabwärts des Gondeleinlasses 10. Ein ankommender Luftstrom wird durch den Gondeleinlaß 10 in diesen Fan 20 geleitet, in welchem der Luftstrom beschleunigt und in dem Triebwerk weiter stromabwärts geleitet wird.

Bei diesen- bekannten Gondeleinlaß 10 ist die Innenflächenkontur um eine gerade Einlaßmittellinie 13 festgelegt. Der übrige Teil des Triebwerks, der sich stromabwärts des Fans 20 befindet, ist um die Triebwerksmittellinie 16 festgelegt. Tn einem übergang zwischen dem Gondeleinlaß 10 und dem Fan 20 ist ein relativ kurzer Verkleidungsabschnitt 22 vorgesehen, um den eine gerade Mittellinie aufweisenden, abgeschrägten Gondeleinlaß 10 an das nichtabgeschrägte Triebwerk und den übrigen Teil der Triebwerksgondel 24 anzupassen. An diesem übergang müssen großen Volumina des ankommenden Luftstroms umgelenkt werden, damit sie in den Fan 20 parallel zu der Triebwerksmittellinie 16 eintreten. In dem Gebiet dieses Überganges tritt eine Strömungsverzerrung in Form ei-

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ner kombinierten Umfangs- und Radialwanderung von Stromlinien auf, wenn sich die Strömung der Fanstirnfläche nähert^! und in die axiale Richtung umbiegt. Diese Strömungsverzerrung ist durch eine umfangsmäßige Veränderung im statischen Druck, in der Strömungsgeschwindigkeit und im Strömungswinkel gekennzeichnet.

Umfangsverteilungen des statischen Druckes an der Einlaß-, wand unmittelbar vorderhalb des Fans 20 sind im Flug an abgeschrägten Einlassen gemessen worden, und die Ergebnisse sind in Form einer gestrichelten Linie in Fig. 3 aufgetragen. Diese gestrichelte Linie ist eine Darstellung des örtlichen statischen Druckes dividiert durch den mittleren statischen Druck in Abhängigkeit von der Winkellage auf dem' Umfang des Gondeleinlasses 10. Gemäß dem Diagramm in Fig. 2 ist der statische Druck im unteren Teil (180°) des Gondeleinlasses 10 geringer und im oberen Teil (0°) höher.

Diese Umfangsdruckverteilung erfährt der Fan 20 als eine Änderung in der Geschwindigkeit und dem Strömungswinkel des ankommenden Luftstroms im oberen Teil der Gondel im Vergleich zu deren unterem Teil. Bekanntlich führt die Wechselwirkung einer Druckverzerrung dieses Typs mit Fanschaufeln zur Erzeugung eines Tonfrequenzgeräusches. Das Tonfrequenzgeräusch wird bei Frequenzen erzeugt, bei denen es sich um Blattdurchgangsfrequenzen (BPF oder blade passing frequencies) plus Harmonischen dieser Frequenz handelt. Die Blattdurchgangs'-frequenz, die durch das Verzerrungsprofil von Fig. 3 erzeugt wird, ist gleich der Schaufelzahl mal der Drehgeschwindigkeit des Fans in Umdrehungen pro Sekunde (Schaufelzahl χ U/s).

Dem einschlägigen Fachmann ist zwar bekannt, daß eine Druckverzerrung in Wechselwirkung mit einem rotierenden Fan zur Erzeugung von Tonfrequenzgeräusch führen kann, interessanterweise war es aber nicht bekannt, daß abgeschrägte Einlasse

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die in dem Diagramm in Fig. 3 gezeigte Druckverzerrung verursachen oder daß diese Druckverzerrung eine beträchtliche Menge an hörbarem Geräusch verursacht, das aus dem Gondeleinlaß abgestrahlt wird. Der Grund dafür liegt teilweise darin, da.'? fast alle akustischen Tests von Flugzeugtriebwerken auf Prüfständen unter statischen Bedingungen ausgeführt werden. Da der eine gerade Mittellinie aufweisende, abgeschrägte Einlaß, der in Fig. 2 gezeigt ist, nur für die Verwendung bei Flugbedingungen vorgesehen ist, wird der abgeschrägte Einlaß normalerweise nicht bei statischen Tests benutzt und ist deshalb selten an Triebwerken bei deren statischer akustischer Prüfung benutzt worden.

Es gibt ein weiteres Problem, das bei der statischen Prüfung auftritt und das durch die Druckverzerrung des abgeschrägten Einlasses verursachte Geräusch fast vollständig überdeckt. Dieses weitere Problem ist ein Ergebnis von Wirbeln in dem ankommenden Luftstrom, die durch äußere Winde, körperliche Hindernisse und andere externe Faktoren außerhalb des Gondeleinlasses verursacht werden. Diese externen Faktoren verzerren den ankommenden Luftstrom und verursachen sehr lange Wirbel in dem Luftstrom, die wiederum eine Hauptdruckverzerrung in dem Einlaß erzeugen, die beträchtlich größer ist als die Druckverzerrung, die durch Abschrägen des Einlasses verursacht wird. Diese Hauptdruckverzerrung verursacht Tonfrequenzgeräusch, das das durch den abgeschrägten Einlaß verursachte Geräusch weit übersteigt und effektiv überdeckt.

Während diese überdeckung während der statischen Prüfung erfolgt, wird unter Flugbedingungen das Triebwerk auf hohe Drehzahlen gebracht und das Profil des ankommenden Luftstroms ist sehr verschieden. Externe Faktoren führen nicht mehr zu Wirbeln in der Strömung oder zu irgendeinem daraus resultierenden Tonfrequenzgeräusch. Daher wird das durch die Druckverzerrung des abgeschrägten Einlasses verursachte Geräusch zu einem beträchtlichen akustischen Problem während Flugbe-

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dingungen. Weil begrenzte akustische Tests unter Flugbedingungen durchgeführt worden sind und weil FehlVorstellungen über die Ausbreitung von Fangeräusch bestehen, sind sich Flugzeughersteller und einschlägige Fachleute gegenwärtig dessen Bedeutung nicht bewußt. ■ :

Nachdem einmal erkannt worden ist, daß der abgeschrägte Einlaß mit gerader Mittellinie eine Hauptgeräuschquelle ist, wird das Problem zu einer Angelegenheit der Beseitigung der Quelle dieses Geräusches und der Schaffung eines Einlasses, der/Ansaugluft, die durch die aerodynamischen Eigenschaften des Triebwerkspylons und des Flügels beeinflußt worden ist, direkt aufnimmt. Da der Geräuschpegel, der durch den Fan in dem Einlaß verursacht wird, zu der Größe der Druckänderung proportional ist, ist eine Lösung die Beseitigung der Druckänderung, die durch die gestrichelte Linie in dem Diagramm in Fig. 3 dargestellt ist. /trotzdem

Gemäß Fig. 2 tritt die Druckverzerrung in dem Gondeleinlaß 10 insgesamt in dem Gebiet vorderhalb des Fans an der Verkleidung 22 auf. In Fig. 4 ist der Gondeleinlaß 30 nach der Erfindung einem gestrichelten Umriß des bekannten Gondeleinlasses 10 überlagert dargestellt. Die Erfindung beinhaltet vor allem einen Gondeleinlaß, der um eine gekrümmte Mittellinie 32 festgelegt ist, im Gegensatz zu der geraden Mittellinie 13 bei dem bekannten Gondeleinlaß 10. Die Koordinaten der Innenfläche 31 und der Außenfläche 33 des Einlasses sind relativ zu einer Mittellinie 32 mit großem Krümmungsradius festgelegt, zu welch letzterer die Triebwerksmittellinie 16 nahe der Fanstirnfläche tangential ist. Die Mittellinie 32 ist in der gewünschten Einlaßströmungsposition angeordnet, so daß die Einlaßstirnfläche 12, die einen Mittelpunkt 35 hat, zu dem Ansaugluftstrom im wesentlichen normal ist. Die Einlaßflächenkoordinaten sind als Endpunkte von Radien festgelegt, welche von der gekrümmten Einlaßmittellinie ausgehen,

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und die Radien erstrecken sich in einer zu dem örtlichen Mittellinienumriß rechtwinkeligen Richtung nach außen.

Die gekrümmte Mittellinie 32 gestattet, die Einlaßstirnfläche 12 in dem gewünschten Ausmaß unten anzuordnen, und gleichzeitig die Notwendigkeit der Verkleidung 22 und des abrupten Übergangs derselben von der Einlaßmittellinie 13 zu der Triebwerksmittellinie 16 zu eliminieren. Der ankommende Luftstrom wird dadurch fortschreitend und allmählich längs eines gekrümmten Weges in die Richtung der Triebwerksmittellinie 16 gedreht, bevor er irgendeines der rotierenden Teile des Fans 20 berührt. Durch Eliminieren des abrupten Übergangs zur Triebwerksmittellinie wird die Umfangsdruckverzerrung beträchtlich verringert oder eliminiert, was wiederum zur Verringerung oder Eliminierung dieser Tonfrequenzgeräuschquelle bei der Blattdurchgangsfrequenz führt.

In Fig. 3 ist ein vorhergesagtes Leistungsergebnis eines Einlasses mit gekrümmter Mittellinie als ausgezogene Linie in dem Diagramm dargestellt. Die Differenz in der Druckänderung in den beiden Typen von Einlassen ist ohne weiteres zu erkennen, und das hat einen verringernden Einfluß auf die Geräuscherzeugung .

Außer den akustischen Vorteilen der gekrümmten Einlaßmittel-linie gemäß der Erfindung gibt es auch aerodynamische Vorteile. Anhand von Fig. 4 ist zu erkennen, daß es eine resultierende Versetzung des Mittelpunktes der Einlaßstirnfläche 12 gegenüber der Triebwerksmittellinie sowohl bei dem Gondeleinlaß 10 mit gerader Mittellinie als auch bei dem Gondeleinlaß 30 mit der gekrümmten Mittellinie gibt. Bei dem Einlaß 30 mit der gekrümmten Mittellinie ist diese Versetzung der Einlaß:5tirnflache 12 kleiner als die entsprechende Versetzung bei dem Einlaß 10 mit der geraden Mittellinie.

Wenn die übliche Lage der Hilfsgeräte und Getriebe in der

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unteren Lippe 34 in eine Lage im Innern, d.h. im Kern, geändert wird, ist es möglich, das Eindringen der unteren Lippe in den ungestörten Luftstrom wesentlich zu verringern und den aerodynamischen Widerstand weiter zu reduzieren.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche :

Γ 1 Λ Gasturbinenansaugöffnung mit einer vorderen Stirnfläche, deren Mittelpunkt gegenüber einer Triebwerksmittellinie setzt ist, gekennzeichnet durch:

eine Innenflächenkontur, die auf einer gekrümmten Einlaßmittellinie (32) basiert, um die die Einlaßinnenflächen festgelegt sind;

wobei die Einlaßmittellinie einen gekrümmten stromaufwärtigen Teil hat, der sich von dem Mittelpunkt (35) der vorderen Stirnfläche (12) aus stromabwärts in einer Kurve zu einem Punkt erstreckt, in welchem die Triebwerksmittellinie (16) zu der Einlaßmittellinie (32) tangential ist; und

wobei die Innenflächenkontur gekrümmt und als Endpunkte von Radien festgelegt ist, die von der gekrümmten Einlaßmittellinie ausgehen, wobei sich diese Radien in einer zum ortlichen Mittellinienumriß rechtwinkeligen Richtung nach außen erstrecken.

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ORIGINAL INSPECTED
2. Gasturbinengondelansaugöffnung, die eine vordere Stirnfläche mit einem Mittelpunkt hat, der gegenüber einer Triebwerksmittellinie versetzt ist, gekennzeichnet durch:

eine Innenflächenkontur, die auf einer gekrümmten Einlaßmittellinie (32). basiert, um die Einlaßinnenflächen zwecks Verringerung der Geräuscherzeugung und -ausbreitung festgelegt sind;

wobei die Einlaßmittellinie einen gekrümmten stromaufwärtigen Teil hat, der sich von dem Mittelpunkt (35) der vorderen Stirnfläche (12) aus stromabwärts in einer Kurve zu einem Punkt erstreckt, in welchem die Triebwerksmittel Linie (16) zu der Einlaßmittellinie (32) tangential ist; u.'id

wobei die Innenflächenkontur gekrümmt und als Endpunkte von Radien festgelegt ist, die von der gekrümmten Einlaßmittellinie ausgehen, wobei sich diese Radien in einer zum örtlichen Mittellinienumriß rechtwinkeligen Richtung nach außen erstrecken.
3. Ansaugöffnung nach Anspruch 2 für ein Gasturbinentriebwerk, dadurch gekennzeichnet, daß das stromabwärtige Ende des gekrümmten Teils der Gondeleinlaßmittellinie (32) in einem Punkt vorderhalb, der rotierenden Teile des Triebwerks angeordnet ist und daß die Gondeleinlaßmittellinie von diesem Punkt aus in einer geraden Linie- längs der Triebwerksmittellinie (16) weitergeht. ·
4. Ansaugöffnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine insgesamt gekrümmte vordere Gondelaußenflächenkontur, die als Endpunkte von Radien festgelegt ist, welche sich von der gekrümmten Einlaßmittellinie (32) aus in einer zur örtlichen Mittellinienkontur rechtwinkeligen. Richtung nach außen erstrecken. -

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5. Ansaugöffnung nach Anspruch 4 für eine Gondel mit im Innern angebrachter Getriebe- und Hilfsgeräteanlage, dadurch gekennzeichnet, daß eine untere Gondellippe einen schmalen äußeren Umriß hat, um dem ungestörten Luftstrom ein kleineres Frontprofil darzubieten.
6. Verfahren zum Leiten eines Ansaugluftstroms durch einen Einlaß einer Gondel in ein Gasturbinentriebwerk, die mit einer Eillaßstirnfläche versehen ist, welche einen Mittelpunkt hat, der gegenüber einer Triebwerksmittellinie versetzt ist, um einen ungestörten Luftstrom direkt in die Gondel einzulassen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Allmähliches und fortschreitendes Drehen des Ansaugluftstroms auf einem gekrümmten Weg in Einfluchtung mit der Triebwerksmittellinie; und

im wesentlichen Abschließen der Einfluchtung des Ansaugluftstroms, bevor dieser mit irgendwelchen rotierenden Teilen in Verbindung kommt, um Umfangsdruckgradienten an den rotierenden Teilen und vorderhalb derselben zu eliminieren.
7. Verfahren zum Leiten eines Ansaugluftstroms durch einen Einlaß einer Gondel in ein Gasturbinentriebwerk, die mit einer Einlaßstirnfläche versehen ist, welche einen Mittelpunkt hat, der gegenüber einer Triebwerksmittellinie versetzt ist, um einen ungestörten Luftstrom direkt in die Gondel einzulassen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Allmähliches und fortschreitendes Drehen des Ansaugluftstroms auf einem gekrümmten Weg in Einfluchtung mit der Triebwerksmittellinie; und

im wesentlichen Abschließen der Einfluchtung des Ansaugluftstroms, bevor dieser mit irgendwelchen rotierenden Teilen in Verbindung kommt, um Umfangsdruckgradienten an den rotie-

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renden Teilen und vorderhalb derselben zu eliminieren und dadurch die Erzeugung und das Abstrahlen von Geräusch aus dem Triebwerkseinlaß zu verringern.

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