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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das allgemeine Gebiet der gepfeilten
Turbostrahltriebswerkschaufeln. Sie betrifft insbesondere die Geometrie der
Schaufeln des Gebläses
oder der Verdichter eines Turbostrahltriebwerks.
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Ein
Turbostrahltriebwerk ist insbesondere mit einem Gebläse ausgestattet,
an das sich in Richtung des das Turbostrahltriebwerk durchströmenden Gasstroms
ein Mehrstufenverdichter anschließt. Das Gebläse und der
Verdichter sind Elemente des Turbostrahltriebwerks, die von dem
Gasstrom durchquert werden. Sie bestehen jeweils aus einer Reihe von
Laufschaufeln, die umfangseitig derart voneinander beabstandet sind,
daß sie
Durchgänge
für den Gasstrom
definieren. Die Schaufeln dieser Elemente unterliegen Rotationsgeschwindigkeiten,
die Unterschall- bis Überschallgeschwindigkeiten
für den
diese Elemente des Turbostrahltriebwerks durchquerenden Gasstrom
erzeugen können.
Obwohl hohe Strömungsgeschwindigkeiten
insbesondere ermöglichen,
den Durchsatz des Gasstroms zu verbessern, um den Schub des Turbostrahltriebwerks
zu erhöhen,
weisen sie dennoch den Nachteil auf, einen großen Lärm zu erzeugen. Insbesondere
der „Überschallstoß", der dem Übergang
von Überschallgeschwindigkeiten
zu Unterschallgeschwindigkeiten für den Gasstrom entspricht,
trägt zu
einem erheblichen Teil zu diesem Lärm bei. Weitere Interaktionsphänomene,
welche die Turbulenz des Gasstroms in der Nähe des Gebläses betreffen (Breitbandlärm), stellen ebenfalls
Lärmquellen
des Gebläses
dar.
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Triebwerkshersteller
sind folglich darum bemüht,
Gebläse-
und Verdichterschaufeln zu entwickeln, die ermöglichen, den Schub des Turbostrahltriebwerks
zu erhöhen
und gleichzeitig den Lärm,
der durch den sie durchströmenden
Gasstrom erzeugt wird, zu minimieren. Des Weiteren müssen bei
der Entwicklung dieser Schaufeln mehrere weitere Parameter, wie
die Aerodynamik und die Mechanik dieser Schaufeln, berücksichtigt
werden. Die Schaufeln müssen
nämlich
derart ausgebildet sein, daß der Durchsatz
und die Verdichtung des sie durchquerenden Gasstroms optimiert werden und
daß gleichzeitig ein
gutes mechanisches Verhalten derer gewährleistet ist. Insbesondere
bei hohen Drehgeschwindigkeiten sind die mechanischen Spannungen,
welche die Schaufeln aushalten müssen,
aufgrund des hohen Pegels der Schwingungen und der Fliehkraft, die
an den Schaufeln anliegen bzw. an dieser angreift, mit am stärksten.
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Es
sind zahlreiche Geometrien für
Gebläse- und
Verdichterschaufeln vorgeschlagen worden. Sie sind hauptsächlich kennzeichnet
durch ihre Gesetze der Aufschichtung von Schaufelabschnitten, ihre
allgemeine Wölbung
und das eventuelle Vorliegen von aerodynamischen Pfeilungen, um
die aerodynamischen Leistungen zu verbessern und um den durch das
Gebläse
und die Verdichter des Turbostrahltriebwerks erzeugten Lärm zu reduzieren.
Es wird beispielsweise auf das Dokument
EP 0 774 567 A1 Bezug genommen.
Jedoch ermöglicht
keine dieser Schaufeln, einen wirkungsvollen aerodynamischen Betrieb
unter allen Einsatzbedingungen des Turbostrahltriebwerks, insbesondere
bei hoher Drehzahl (beispielsweise während des Abhebens und dem Ende
des Aufstiegs des Flugzeugs) und bei Teildrehzahl (beispielsweise
während
der Annäherungsphase
des Flugzeugs) zu erreichen und gleichzeitig die Geräuschnormen
einzuhalten, die immer härter
werden.
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GEGENSTAND UND ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es folglich, derartige Nachteile
dadurch zu beheben, daß eine
neue Geometrie für
Gebläse-
und Verdichterschaufeln von Turbostrahltriebwerken vorgeschlagen wird,
die ermöglicht,
einen optimalen aerodynamischen Betrieb unter allen Betriebsbedingungen
des Turbostrahltriebwerks zu gewährleisten,
und die gleichzeitig den erzeugten Lärm minimiert. Sie betrifft auch
ein Turbostrahltriebswerksgebläse
sowie einen Turbostrahltriebwerksverdichter, die eine Vielzahl dieser
Schaufeln aufweisen.
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Zu
diesem Zweck ist eine umlaufende Turbostrahltriebwerksschaufel vorgesehen,
wie sie durch Patentanspruch 1 definiert ist.
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Die
Kombination eines „oberen
Bauches" (der als
der Punkt der Eintrittskante mit minimaler Längsposition definiert ist und
sich folglich im Bereich der unteren Grenze des Zwischenteils der
Eintrittskante befindet) und einer in axiale und tangentiale Richtung
(in entgegengesetzter Drehrichtung der Schaufel) versetzten Rückpfeilung
kommt durch eine bessere radiale Verteilung der die Schaufel durchströmenden Gasmenge
zum Ausdruck, was ermöglicht,
die Durchsatzleistung bei hoher Drehzahl zu erhöhen und bei Teildrehzahl an
Wirkungsgrad zu gewinnen. Aus diesen Wirkungsgradgewinnen und aus diesen
Verringerungen des Anstellwinkels ergibt sich eine Verbesserung
der akustischen Eigenschaften. So profitiert eine solche Schaufelgeometrie
bei geringer Drehzahl von dem niedrigen Schallpegel einer geraden
Schaufel, der hohen Wirkungsgraden zugeordnet ist, und bei hoher
Drehzahl von den hohen Leistungen hinsichtlich Durchsatzleistung
und Wirkungsgrad einer gepfeilten Schaufel.
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Die
Position des Bauches liegt vorteilhafter Weise zwischen 40% und
75% der radialen Höhe
der Schaufel zwischen ihrem Fuß und
ihrer Spitze.
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Vorzugsweise
beträgt
die Längsneigung
der Linie der Eintrittskante des unteren Teils zwischen -5° und 15° gegenüber der
radialen Achse des Turbostrahltriebwerks. Diese Begrenzung des Verbindungswinkels
zwischen dem Fuß der
Schaufel und dem inneren Strömungskanal
des Gasstroms ermöglicht,
die mechanischen Spannungen, die auf die Schaufel ausgeübt werden,
zu begrenzen. Des Weiteren kann der untere Teil der Schaufel auch
eine Tangentialneigung der Linie der Schwerpunkte der Schaufelabschnitte
aufweisen. Vorteilhafterweise beträgt diese Tangentialneigung
-5° bis
15° gegenüber der
radialen Achse des Turbostrahltriebwerks.
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Ebenso
beträgt
die Längsneigung
nach hinten der Linie der Eintrittskante des Zwischenteils vorzugsweise
5° bis 20° gegenüber der
radialen Achse des Turbostrahltriebwerks. Der Zwischenteil der Schaufel
kann ferner eine Tangentialneigung der Linie der Schwerpunkte der
Schaufelabschnitte umfassen. Vorteilhafterweise liegt diese Tangentialneigung zwischen
-5° und
15° bezogen
auf die radiale Achse des Turbostrahltriebwerks.
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Vorzugsweise
beträgt
die Längsneigung nach
hinten der Linie der Eintrittskante des oberen Teils 20° bis 50° und liegt
die Tangentialneigung der Linie der Schwerpunkte der Schaufelabschnitte
in entgegengesetzter Drehrichtung eben dieses oberen Teils zwischen
20° und
50° gegenüber der
radialen Achse des Turbostrahltriebwerks.
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Nach
einer Variante der Erfindung umfaßt der obere Teil der Eintrittskante
außerdem
einen sich radial bis zur Schaufelspitze erstreckenden oberen Bereich,
dessen Linie der Eintrittskante eine Längsneigung nach vorne aufweist.
Dieses Vorkippen des oberen Bereichs des oberen Teils der Schaufel
ermöglicht,
die Schaufel mechanisch auszugleichen, ohne deswegen deren Wirkungsgrad
zu beeinträchtigen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Merkmal sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
nachfolgenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen hervorgehen,
die hiervon ein Ausführungsbeispiel ohne
jeden einschränkenden
Charakter darstellen. In den Figuren zeigen:
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1 eine
Ansicht im Längs-
und Teilschnitt eines Turbostrahltriebwerksgebläses, das mit Schaufeln nach
einer Ausführungsform
der Erfindung ausgestattet ist;
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2 eine
Schnittansicht entlang der Linie II-II der 1; und
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die 3A und 3B eine
Längs-
bzw. eine Querschnittansicht der auf schematische Weise dargestellten
Schaufel der 1, wobei in gestrichelten Linien
das schematische Profil einer Schaufel des Standes der Technik gezeigt
ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
EINER AUSFÜHRUNGSFORM
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Die 1 und 2 zeigen
teilweise auf schematische Weise im Längs- und Querschnitt ein Turbostrahltriebwerksgebläse, das
mit Schaufeln nach einer Ausführungsform
der Erfindung ausgestattet ist. In diesen Figuren umfaßt das Gebläse eine Reihe
von Schaufeln 2, die um eine Scheibe oder Nabe 4 herum
gleichmäßig voneinander
beabstandet sind. Jede Schaufel 2 ist über einen Schaft 6 an
der Scheibe oder Nabe 4 befestigt, die sich um eine Längsachse
X-X des Turbostrahltriebwerks in der durch den Pfeil F angezeigten
Drehrichtung dreht. Jede Schaufel 2 umfaßt auch
eine Plattform 8, die teilweise um die Längsachse
X-X herum verläuft. Wenn
die Schaufeln an der Scheibe oder Nabe 4 angebracht sind,
befinden sich die Plattformen 8 benachbarter Schaufeln
in gegenseitigem Kontakt, um eine Innenwand 10 eines Strömungskanals
des das Gebläse
durchquerenden Luftstroms 12 zu definieren. Eine Wand 14 eines
das Gebläse
umgebenden Gehäuses
bildet die Außenwand
des Strömungskanals
des Luftstroms.
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Für die Fortsetzung
der Beschreibung wird die radiale Achse Z-Z des Turbostrahltriebwerks
als die Achse definiert, welche zur Längsachse X-X senkrecht und
durch den Schwerpunkt des Schnittes verläuft, der sich aus der Überschneidung
der Schaufel mit der Innenwand des Strömungskanals des Luftstroms
ergibt. Eine tangentiale Achse Y-Y bildet mit der Längsachse
X-X und der radialen Achse Z-Z des Turbostrahltriebwerks ein direktes
orthonormiertes Dreibein.
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Die
in den Figuren dargestellte Schaufel 2 umfaßt eine
Vielzahl von (nicht dargestellten) Schaufelabschnitten, die sich
daraus ergeben, daß die Schaufel
in zur radialen Achse Z-Z senkrecht verlaufenden Ebenen in konstanter
Höhe aufgeteilt
wird. Diese Abschnitte erstrecken sich von der Plattform 8 aus
entlang einer Linie 15 der Schwerpunkte der Schaufelabschnitte.
Die Linie 15 der Schwerpunkte der Schaufelabschnitte wird
durch Projektion der Schwerpunkte eines jeden Schaufelabschnitts
in die durch die tangentiale Achse Y-Y und die radiale Achse Z-Z
definierte Ebene erhalten. Wie in 3B dargestellt,
ist diese Linie der Schwerpunkte der Schaufelabschnitte eine Funktion
der Höhe
entlang der radialen Achse Z-Z der Schwerpunkte der Schaufelabschnitte.
Die Linie der Schwerpunkte der Schaufelabschnitte erstreckt sich
folglich zwischen einem Punkt minimaler Höhe Za und einem Punkt maximaler Höhe Zb. Der
Punkt Za gehört
zum Schnittpunkt zwischen der Schaufel und der Innenwand des Strömungskanals
des Luftstroms, und seine Höhe
entspricht einem Mittelwert der Höhen der Punkte der Eintrittskante
und der Austrittskante der Schaufel an eben diesem Schnittpunkt.
Der Punkt Zb entspricht der Höhe
des in dem Strömungskanal
des Luftstroms vollständig
enthaltenen letzten Schaufelabschnittes.
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Die
Schaufel ist ferner radial zwischen einem Schaufelfuß 16 und
einer Schaufelspitze 18 und in Längsrichtung zwischen einer
Eintrittskante 20 und einer Austrittskante 22 begrenzt.
Die Schaufel 2 ist außerdem
ab ihrem Fuß 16 bis
zu ihrer Spitze 18 spiralig gewunden, um mit dem Luftstrom 12,
welcher das Gebläse
während
dessen Betrieb durchläuft,
zusammenzuwirken. Bezieht man sich speziell auf die 3A und 3B, so
stellt man fest, daß die Schaufel
schematisch in einen unteren Teil 24, einen Zwischenteil 26 und
einen oberen Teil 28 zerlegt werden kann. Der untere Teil 24 erstreckt
sich entlang einer radialen Achse Z-Z des Turbostrahltriebwerks vom
Schaufelfuß 16 bis
zu einer unteren Grenze 30 des Zwischenteils 26,
und der obere Teil 28 erstreckt sich radial von einer oberen
Grenze 32 des Zwischenteils 26 bis zur Schaufelspitze 18.
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Gemäß der Erfindung
weist eine Linie 33 der Eintrittskante 20 der
Schaufel im Bereich des unteren Teils 24 der Schaufel eine
Längsneigung α nach vorne
oder nach hinten sowie im Bereich des Zwischenteils 26 der
Schaufel eine Längsneigung β nach hinten
auf. Des Weiteren weist der obere Teil 28 der Schaufel
eine Längsneigung γ nach hinten
der Linie 33 ihrer Eintrittskante sowie eine Tangentialneigung 6 der
Linie 15 der Schwerpunkte der Schaufelabschnitte in entgegengesetzter
Drehrichtung der Schaufel auf.
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Die
Linie 33 der Eintrittskante der Schaufel ist definiert
als die Projektion mit konstantem Radius der Punkte der Eintrittskante 20 der
Schaufel in eine Meridianebene, welche durch die Längsachse
X-X und die radiale Achse Z-Z definiert und anhand von 3A dargestellt
ist. Diese Linie 33 der Eintrittskante ist folglich eine
Funktion des Radius der Punkte der Eintrittskante. Der Radius der
Punkte der Eintrittskante ist zwischen einem Punkt mit minimalem Radius
Ra, welcher dem Schnittpunkt der Eintrittskante 20 der
Schaufel mit der Innenwand des Strömungskanals des Luftstroms
entspricht, und einem Punkt mit maximalem Radius Rb definiert, der
dem Schnittpunkt zwischen der Eintrittskante und der Außenwand
des Strömungskanals
entspricht.
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Unter
Längsneigung „nach vorne" der Linie 33 der
Eintrittskante ist zu verstehen, daß die Linie der Eintrittskante 20 der
Schaufel zur Vorderseite des Gebläses, d.h. zum Eintritt des
dieses durchströmenden
Luftstroms 12 geneigt ist. Ebenso ist unter Längsneigung „nach hinten" zu verstehen, daß die Linie
der Eintrittskante zur Rückseite
des Gebläses, d.h.
in Strömungsrichtung
des dieses durchquerenden Luftstroms 12 geneigt ist. Des
Weiteren ist unter „Tangentialneigung
in entgegengesetzter Drehrichtung der Schaufel" zu verstehen, daß die Linie 15 der Schwerpunkte
der Schaufelabschnitte entlang der tangentialen Achse Y-Y geneigt
ist.
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Diese
Tangentialneigung 8 ist in einer zur Drehrichtung F des
Gebläses
entgegengesetzten Richtung ausgeführt. Die Neigungen α, β, γ und δ sind alle
in bezug auf die radiale Achse Z-Z des Turbostrahltriebwerks definiert.
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Mit
dieser Gestaltung weist die Eintrittskante der Schaufel gemäß der Erfindung
einen Punkt minimaler Längsabszisse,
auch „Bauch" genannt, auf, der
im Bereich der unteren Grenze 30 ihres Zwischenteils 26 liegt.
Die Abszisse entlang der Längsachse
X-X des Turbostrahltriebwerks ist in Strömungsrichtung des Luftstroms 12 definiert.
Die Eintrittskante der Schaufel gemäß der Erfindung weist auch
eine Rückpfeilung
auf, die einem tangentialen Versatz der Abschnitte der Schaufel
in entgegengesetzter Drehrichtung des Gebläses zugeordnet ist. Die 2 und 3B veranschaulichen
gut diese ihrem tangentialen Versatz zugeordnete Rückpfeilung.
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Nach
einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung liegt der Punkt minimaler
Längsabszisse
Rv oder Bauch zwischen 40% und 75% der radialen Gesamthöhe der Schaufel.
Diese radiale Höhe
wird vom Fuß 16 zur
Spitze 18 der Schaufeln gemessen. Mittels Definition entspricht
eine radiale Mindesthöhe von
0% dem Schnittpunkt Ra zwischen der Eintrittskante und der Innenwand
des Strömungskanals
des Luftstroms und entspricht eine radiale Maximalhöhe von 100%
dem Schnittpunkt Rb zwischen der Eintrittskante und der Außenwand
des Strömungskanals.
Zum Vergleich ist in den 3A und 3B eine
Schaufel des Standes der Technik in gestrichelten Linien dargestellt.
In 3A stellt man vor allem fest, daß die Eintrittskante
dieser Schaufel ebenfalls einen Punkt minimaler Längsabszisse
aufweist. Jedoch liegt dieser Punkt minimaler Abszisse deutlich tiefer
als derjenige der Schaufel der vorliegenden Erfindung (in einer
radialen Höhe
in der Größenordnung
von etwa 30%).
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Des
Weiteren wird man feststellen, daß die Grenze zwischen dem Zwischenteil 26 und
dem oberen Teil 28 der Schaufel sich einerseits für die Linie 33 der
Eintrittskante dadurch errechnet, daß der die Punkte Rv und Rb
verbindende Abschnitt in zwei gleiche Teile aufgeteilt wird, und
sich andererseits für
die Linie der Schwerpunkte der Schaufelabschnitte 15 dadurch
errechnet, daß der
die Punkte Zv (dessen Höhe
mit der des Punktes Rv identisch ist) und Zb verbindende Abschnitt
ebenfalls in zwei gleiche Teile aufgeteilt wird.
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Nach
einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung liegt die Längsneigung α der Linie 33 der
Eintrittskante des unteren Teils 24 der Schaufel zwischen
-5° und
15°. Man
wird feststellen, daß wenn diese
Neigung negativ ist, sie einer Neigung nach hinten der Linie der
Eintrittskante entspricht, während sie
dann, wenn sie positiv ist, einer Neigung nach vorne entspricht.
Diese Ausführung
ermöglicht,
den Verbindungswinkel zwischen dem Fuß 16 der Schaufel
und dem inneren Strömungskanal
des Luftstroms zu begrenzen. Die mechanischen Spannungen, die auf
die Schaufel im Bereich ihres unteren Teils ausgeübt werden,
sind folglich geringer als bei einer Schaufel des Standes der Technik,
bei welcher der Verbindungswinkel größer ist. Des Weiteren liegt
die Längsneigung β nach hinten
der Linie 33 der Eintrittskante des Zwischenteils 26 der
Schaufel vorzugsweise zwischen 5° und
20°.
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Nach
einem noch weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung weist der
obere Teil 28 der Schaufel eine Längsneigung 7 (3A)
nach hinten der Linie der Eintrittskante auf, die zwischen 20° und 50° liegt, sowie
eine Tangentialneigung 6 in entgegengesetzter Drehrichtung
der Schaufel (3B) der Linie 15 der
Schwerpunkte der Schaufelabschnitte, die zwischen 20° und 50° bezogen
auf die radiale Achse Z-Z des Turbostrahltriebwerks liegt.
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Nach
einem noch weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung kann der
untere Teil 24 der Schaufel auch eine Tangentialneigung ϕ der
Linie 15 der Schwerpunkte der Schaufelabschnitte aufweisen.
Diese Tangentialneigung ϕ liegt vorzugsweise zwischen -5° und 15° bezogen
auf die radiale Achse Z-Z des Turbostrahltriebwerks. Wenn diese
Neigung ϕ negativ ist, erfolgt sie in entgegengesetzter
Drehrichtung der Schaufel, und wenn sie positiv ist, erfolgt sie
in Drehrichtung der Schaufel.
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Außerdem kann
der Zwischenteil 26 der Schaufel auch eine Tangentialneigung ε der Linie 15 der
Schwerpunkte der Schaufelabschnitte aufweisen. Diese Tangentialneigung ε liegt vorzugsweise zwischen
-5° und
15° bezogen
auf die radiale Achse Z-Z des Turbostrahltriebwerks. Wenn diese
Neigung ε negativ
ist, erfolgt sie in Drehrichtung der Schaufel, und wenn sie positiv
ist, erfolgt sie in entgegengesetzter Drehrichtung der Schaufel.
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All
diese Neigungen α, β, γ, δ, ϕ und ε entsprechen
einer stark ausgeprägten
Rückpfeilung
in Längs-
und Tangentialrichtung. Die Kombination dieser Rückpfeilung mit dem Vorliegen
eines oberen Bauches ermöglicht
vor allem, den Anstellwinkel der Profile der Schaufel stark zu verringern.
Diese starke Verringerung des Anstellwinkels kommt im Bereich des
oberen Teils 28 der Schaufel vor allem durch einen wesentlichen
Wirkungsgradgewinn bei Teildrehzahl zum Ausdruck, wodurch es möglich ist,
den durch die das Gebläse
durchlaufende Luftströmung erzeugten
Breitbandlärm
zu verbessern. Darüber
hinaus ermöglicht
die durch die Schaufel gemäß der vorliegenden
Erfindung erzielte radiale Verteilung der das Gebläse durchströmenden Luftmenge,
den Durchgang der Luftmenge im oberen Teil der Schaufel zu verstärken.
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Fall
erforderlich kann nach einer Variante der Erfindung vorgesehen sein,
ein (in den Figuren nicht dargestelltes) Vorkippen der Kopfabschnitte
der Schaufel auszubilden, um das mechanische Verhalten der Schaufel
zu verbessern. Die Kopfabschnitte der Schaufel befinden sich in
einem oberen Bereich des oberen Teils 28 der Schaufel,
der zwischen 80% und 100% ihrer radialen Höhe beträgt. Ein Vorkippen dieser Kopfabschnitte
entspricht folglich einer Längsneigung
nach vorne der Linie der Eintrittskante dieses Bereichs. Diese Neigung
kann beispielsweise zwischen 5° und
20° betragen.
Das lokale Kippen dieser Kopfabschnitte bringt den Vorteil, daß die Schaufel
dadurch ausgeglichen wird, daß die
Abstände
zwischen den Schwerpunkten der Abschnitte der Schaufel begrenzt
werden, ohne deswegen die aeroakustischen Leistungen der Geometrie
der Schaufel zu beeinträchtigen.
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Die
Schaufel, wie sie zuvor beschrieben wurde, ist Teil des Gebläses des
Turbostrahltriebwerks. Selbstverständlich ist die vorliegende
Erfindung auch auf die Schaufeln von Hoch- und Niederdruckverdichtern
des Turbostrahltriebwerks anwendbar. Ferner wird man feststellen,
daß die
weiteren geometrischen Eigenschaften der Schaufel (Tiefe, Dicke,
Profil der Austrittskante, Wölbung
der Schaufel etc.) nicht beschrieben worden sind, da sie nicht Gegenstand
der vorliegenden Erfindung sind.