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Die
Erfindung betrifft den Bereich von Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerken
und insbesondere die Nachbrennvorrichtungen (Nachbrenner), die derartige
Turboluftstrahltriebwerke aufweisen.
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Bei
einem Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerk von dem Typ, der in 1 dargestellt
ist, speist der Luftstrom, der über
einen Einlauf 1 angesaugt wird, einen Niederdruckverdichter 2.
Ein erster Teil des komprimierten Luftstroms speist einen Hochdruckverdichter 3,
während
der zweite (komplementäre)
Anteil dazu bestimmt ist, weiter stromabwärts einen ersten Kanal 4 zu
speisen, der zwischen einem ringförmigen äußeren Gehäuse 5 und einem ersten ringförmigen inneren
Gehäuse 6 (üblicherweise
wird dies Mündungsblech
genannt und dient dazu, den Primärstrom
vom Sekundärstrom
zu trennen, bevor sie vermischt werden) eines Nachbrenners 7 definiert ist.
Der durch den Hochdruckverdichter 3 komprimierte Luftstrom
speist eine Verbrennungskammer 8, die eine Turbine 9 mit
Abgas speist, die eine Hochdruckstufe gefolgt von einer Niederdruckstufe
aufweist und deren Ausgang einen zweiten Kanal 10 speist,
der zwischen dem ersten ringförmigen
inneren Gehäuse 6 (oder
Mündungsblech)
und einem zweiten ringförmigen
inneren Gehäuse 11 (üblicherweise
Heckkonus genannt) des Nachbrenners 7 definiert ist.
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Die
Abgase, die den zweiten Kanal 10 speisen, weisen eine erhöhte Temperatur
auf und bilden das, was man üblicherweise
einen Primärstrom
(oder Heißstrom)
nennt. Die Luft, die den ersten Kanal 4 speist, weist eine
im Wesentlichen niedrigere Temperatur als die des Primärstromes
auf und bildet das, was man üblicherweise
einen Sekundärstrom
(oder Kaltstrom) nennt.
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Der
Nachbrenner 7 ermöglicht
es, eine zweite Verbrennung aufgrund der Kraftstoffinjektion in den
Primär-
und den Sekundärstrom
zu bewirken. Ein Teil dieser Injektion erfolgt mit Hilfe eines Brennrings 12,
der in der Nähe
des ersten inneren Gehäuses 6 (oder
Mündungsblechs)
angeordnet ist, in dem Kanal des Sekundärstroms oder des Primärstroms. Genauer
gesagt ermöglicht
der Brennring 12, einen Teil des Kraftstoffs homogen einzuspritzen
und die Flamme zu stabilisieren.
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Entsprechend
der gewählten
Ausführungsform
wird der Brennring 12 von Tragarmen 13 gehalten,
auch "Flammaufhängungsarme" genannt, die an dem
externen Gehäuse
mittels eines Tragelements und/oder an dem ersten inneren Gehäuse über Befestigungsmittel
fest angebracht sind.
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Die
Befestigung der Arme an dem externen Gehäuse mittels eines Tragelements
ist insbesondere in dem Dokument
FR
2699226 beschrieben. Indem das Tragelement und der dazu
gehörige
Arm miteinander in einem von dem Primärstrom bestrichenen Bereich
befestigt sind, sind die Teile, die deren Befestigung sicherstellen,
folglich nicht nur erheblichen thermischen Belastungen, sondern
in gleicher Weise den so genannten "Venenddruck"-Kräften
ausgesetzt. Darüber
hinaus bildet jeder Arm mit einem Teil des Brennrings eine Monoblock-Unterstruktur, deren
Herstellung insbesondere schwierig durchzuführen ist, besonders aufgrund
des Vorhandenseins von mehreren runden Kanten.
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Die
Befestigung der Arme an dem ersten inneren Gehäuse über Befestigungsmittel ist
insbesondere in den Dokumenten
US
5,103,638 ,
GB 2 295 214 ,
US 5,022,805 und
US 5,090,198 beschrieben. In
jedem dieser Dokumente muss die Befestigung der Arme, aus Verbundmaterial,
auf einem inneren metallischen Gehäuse erfolgen, das an der Schnittstelle
zwischen dem Primär-
und dem Sekundärstrom
angeordnet ist. Daraus resultiert ein Wärmeausdehnungsdifferential
zwischen den Armen und dem Gehäuse,
das durch die Verwendung von komplexen Befestigungsmitteln und von
Schnittstellenteilen kompensiert wird.
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In
gleicher Weise wird in dem Dokument
FR 2699227 vorgeschlagen,
eine Monoblock-Struktur, die
aus den externen und den inneren Gehäusen gebildet ist, des Brennrings
und der Arme zu bilden. Eine solche Struktur ist jedoch schwierig
herzustellen, insbesondere aufgrund der Tatsache, dass sie die Verwendung
von unterschiedlichen Materialien für die "kalten" und "heißen" Teile benötigt. Des
Weiteren sind aufgrund der Monoblock-Eigenschaft dieser Struktur die Wartungstätigkeiten
schwierig und die Beschädigung
eines ihrer Bestandteile impliziert ihren vollständigen Austausch.
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Die
Erfindung hat deshalb zur Aufgabe, die Situation zu verbessern.
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Sie
schlägt
zu diesem Zweck einen (Flammenaufhängungs-) Tragarm für einen
Nachbrenner vor, der, wie in dem Einleitungsabschnitt angegeben, erste
und zweite ringförmige
innere Gehäuse
aufweist, die einen Kanal für
den Primärstrom
definieren, sowie ein ringförmiges
externes Gehäuse,
das mit dem ersten ringförmigen
internen Gehäuse
einen Kanal für den
Sekundärstrom
definiert.
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Dieser
Arm weist eine Monoblock-Struktur aus einem Verbundmaterial auf,
das zwei verbundene Seitenwände
aufweist, die derart angeordnet sind, dass sie einen Hals definieren,
der ein Profil im Wesentlichen in Form eines V aufweist, und ist
dadurch gekennzeichnet, dass er erste Endabschnitte, die verbunden
sind und derart ausgebildet sind, dass sie einen Fuß bilden,
und zweite Endabschnitte aufweist, die derart ausgebildet sind,
dass sie jeweils wenigstens einen Flansch definieren, der geeignet
ist, mit dem äußeren Gehäuse verbunden
zu werden.
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Der
erfindungsgemäße Arm kann
weitere Eigenschaften aufweisen, die getrennt voneinander oder in
Kombination genommen werden können,
und insbesondere:
- – seine beiden Seitenwände können eine nicht-konstante
Zwischenraum zwischen den ersten und zweiten Endabschnitten aufweisen,
derart, dass das Profil des Halses variieren kann. In diesem Fall
variiert z. B. der Zwischenraum im Wesentlichen kontinuierlich,
indem die ersten Endabschnitte zu den zweiten Endabschnitten hin derart
anwachsen, dass das Profil des Halses im Wesentlichen kontinuierlich
variieren kann,
- – seine
beiden Seitenwände
können
eine nicht-konstante Dicke zwischen den ersten und zweiten Endabschnitten
aufweisen. In diesem Fall weisen die beiden Seitenwände z. B.
eine Dicke auf, die auf der Höhe
ihrer zweiten Endabschnitte größer ist,
um deren Tragfähigkeit
zu verstärken,
- – seine
beiden Seitenwände
können
jeweils auf einem selben ausgewählten
Niveau einen Einschnitt aufweisen, derart, dass sie eine Aufnahme definieren,
die in der Lage ist, ein Lager des Brennringes aufzunehmen. Z. B.
ist dieses Brennerringlager in der Nähe ihrer Einschnitte an den
beiden Seitenwänden
befestigt, möglicherweise
durch Nieten. Außerdem
können
die Einschnitte in einer Zone eines Bereichs der beiden Seitenwände ausgebildet
sein, die dazu dient, in den Kanal des Sekundärstromes gesetzt zu werden.
Diese Zone ist dann vorteilhafterweise in der Nähe des ersten inneren Gehäuses angeordnet,
- – jeder
Flansch kann mit dem äußeren Gehäuse durch
wenigstens eine Schraube ver bunden sein, mit Zwischensätzen einer
Gegenplatte auf der Seite des Flansches, der dem Sekundärstrom ausgesetzt
ist,
- – die
Monoblock-Struktur kann aus einem Verbundmaterial mit keramischer
Matrix ausgeführt sein.
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Die
Erfindung betrifft in gleicher Weise eine Nachbrennervorrichtung
vom zuvor beschriebenen Typ, für
ein Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerk, die wenigstens drei Tragarme
von der zuvor dargestellten Art aufweist, nach einer der vorstehenden
Eigenschaften, die mit dem externen ringförmigen Gehäuse verbunden sind.
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Eine
solche Vorrichtung kann z. B. in dem Sekundärstromkanal eine Wärmeschutzschürze aufweisen,
die mit dem äußeren ringförmigen Gehäuse einen
Nachbrennerkanal für
einen Teil des Sekundärstroms
bildet. In diesem Fall ist das Brennerringlager eines jeden Tragarms
vorzugsweise auf einer Höhe zwischen
der Höhe
der Wärmeschutzschürze und der
Höhe des
ersten inneren ringförmigen
Gehäuses eingesetzt.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden beim Studium der
nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung und der beigefügten
Zeichnungen deutlich, in denen:
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1 schematisch
in einer Längsschnittansicht
ein Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerk zeigt,
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2A eine
erste perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Armes
ist, vor dem Anbringen eines Brennerringlagers,
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2B eine
zweite perspektivische Ansicht des Arms aus 2A ist,
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Arms
nach dem Anbringen eines Brennerringlagers ist,
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4 eine
Ansicht des Arms aus 3 von oben ist,
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5 eine
Schnittansicht entlang der Achse V-V des Arms aus 3 ist,
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6 eine
Schnittansicht entlang der Achse VI-VI des Arms aus 3 ist,
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7 eine
Seitenansicht des Arms aus 3 nach der
Befestigung an dem äußeren Gehäuse der
Nachbrennervorrichtung ist,
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die 8A und 8B zwei
perspektivische Ansichten sind, die gemäß zweier unterschiedlicher Winkel
die Anordnung aus 7 veranschaulichen.
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Die
beigefügten
Zeichnungen können
nicht nur dazu dienen, die Erfindung zu vervollständigen, sondern
sie können
auch gegebenenfalls zu ihrer Definition beitragen.
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Die
Erfindung betrifft einen Flammaufhängungs-Tragarm für einen
Nachbrenner eines Turboluftstrahltriebwerks von der Art, die unter
Bezug auf 1 in dem Einführungsabschnitt
vorgestellt ist.
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Die
Beschreibung bezieht sich zunächst
auf die 1, 2A und 2B,
um einen erfindungsgemäßen Tragarm 13 zu
beschreiben.
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Der
Tragarm (oder Flammaufhängungsarm) 13,
in den 2A und 2B dargestellt,
ist in Form einer Monoblock-Struktur aus Verbundmaterial ausgeführt, das
gegen hohe Temperaturen widerstandsfähig ist. Dieses Verbundmaterial
ist vorzugsweise aus keramischer Matrix. Z. B. ist die Monoblock-Struktur
ausgehend von einer Vorform aus Fasern, insbesondere aus Siliziumcarbid
oder Kohlenstoff ausgeführt,
in die eine keramische Matrix in flüssiger oder gasförmiger Phase
eingedrungen ist. Auf diese Weise kann man z. B. die Monoblock-Struktur mit CERASEP® 410-12
realisieren.
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Die
Verwendung eines Verbundmaterials ist insbesondere deshalb vorteilhaft,
weil es eine Masseverstärkung
(verglichen mit metallischen Materialien) und eine Erhöhung der
Lebensdauer ermöglicht, insbesondere
bei hohen Betriebstemperaturen.
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Die
Monoblock-Struktur weist zwei im Wesentlichen symmetrische Seitenwände 14 und 15 auf,
die auf einer Längsseite
derart zusammentreffen, dass sie einen Hals 16 definieren,
dessen Profil im Querschnitt im Wesentlichen die Form eines V aufweist.
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Diese
beiden Seitenwände 14 und 15 weisen erste
Endabschnitte 17 auf, die verbunden sind und derart ausgebildet
sind, dass sie einen Fuß 18 definieren,
der vorteilhafterweise in Form einer abgefasten Kante ausgebildet
ist, derart, dass der Abfluss des Primärstromes begünstigt wird.
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Außerdem weist
jede Seitenwand 14 und 15 in gleicher Weise einen
zweiten Endabschnitt 19 auf, der dem Fuß 18 gegenüberliegt
und derart ausgebildet ist, dass er mindestens einen Flansch 20, 21 definiert,
der dazu bestimmt ist, an dem äußeren ringförmigen Gehäuse 5 befestigt
zu sein, wie man später
unter Bezugnahme auf die 7 sehen wird. Um diese Befestigung
zu ermöglichen,
z. B. mittels Schrauben, weist jeder Flansch 20, 21 mindestens ein
Durchgangsloch 22 auf, und vorzugsweise mindestens zwei,
wie in 2B dargestellt.
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Darüber hinaus
weist jede Seitenwand 14, 15 vorzugsweise einen
Einschnitt (oder Einkerbung) 23 in einer ausgewählten Höhe auf (identisch
für beide).
Diese beiden Einschnitte 23 definieren eine Aufnahme, in
der ein Brennerringlager 24 angeordnet sein kann, wie in 3 dargestellt.
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Die
Höhe, wo
die Einschnitte 23 ausgebildet sind, wird in Anhängigkeit
des Ortes ausgewählt,
wo der Brennerring angeordnet sein muss. In dem dargestellten Beispiel
sind sie in der Nähe
der zweiten Endabschnitte 19 ausgeführt, damit der Brennerring in
dem Kanal 4 angeordnet ist, der dem Sekundärstrom dient.
In einer Variante könnten
sie jedoch in einem mittleren Abschnitt der Seitenwände 14 und 15 angeordnet
sein, ja sogar in der Nähe
des Fußes 18, damit
der Brennerring in dem Kanal 10 angeordnet ist, der dem
Primärstrom
dient.
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Das
Brennerringlager 24 weist z. B., wie in 3 dargestellt,
einen mittleren Abschnitt 25 auf, der einen von zwei Seiten
offenen und in Form eines V ausgeführten Hals definiert und der
nach hinten im Wesentlichen senkrecht durch zwei Seitenabschnitte 26 verlängert ist,
die an Innenflächen
der beiden Seitenwände 14 und 15 in
der Nähe
ihrer Einschnitte 23 befestigt sind. Diese Befestigung
kann z. B. mit Hilfe von Nieten 27 erfolgen.
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Das
Brennerringlager 24 ist z. B. in einem metallischen Material
ausgeführt,
wenn es in der sekundären "kalten" Zone angeordnet
ist. Es kann jedoch in gleicher Weise in einem Verbundmaterial ausgeführt sein,
insbesondere wenn es in der primären "heißen" Zone eingerichtet
ist.
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Um
die Befestigung des Brennerrings in dem Brennerringlager 24 zu
ermöglichen,
weist dieses vorteilhafterweise mindestens ein Durchloch 28 auf jedem
der beiden Seitenflügel
auf, die seinen mittleren Abschnitt 25 bilden.
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Wie
die Schnittansichten entlang der Achsen V-V und VI-VI aus 3,
in den 5 und 6 dargestellt, sowie die Ansicht
von oben, die in 4 dargestellt ist, zeigen, kann
der Abstand zwischen den beiden Seitenwänden 14 und 15 vom
Fuß 18 bis
zu den zweiten Endabschnitten 19 nicht konstant sein. Mit
anderen Worten kann das V-Profil des Halses 16 variieren.
Genauer gesagt wächst
der Abstand hier im Wesentlichen kontinuierlich vom Fuß 18 zu
den zweiten Endabschnitten 19 hin an.
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Außerdem kann,
obwohl dies in den Figuren nicht dargestellt ist, die Dicke der
beiden Seitenwände 14 und 15 vom
Fuß 18 bis
zu den zweiten Endabschnitten 19 nicht konstant sein. Es
kann nämlich vorteilhaft
sein, dass ein Abschnitt des Tragarms 13, der stärkeren Belastungen
als die anderen Abschnitte ausgesetzt ist, verstärkt ist. Auf diese Weise kann eine Überdicke
in der Höhe
der zweiten Endabschnitte 19 diesen ermöglichen, den thermischen Belastungen
und den Belastungen des Venendrucks besser zu widerstehen.
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Eine
Nachbrennervorrichtung 7 eines Zweistrom-Turboluftstrahltriebwerks
weist mindestens drei Tragarme 13 des vorstehend beschriebenen
Typs auf, und noch vorteilhafterweise mindestens vier. Bei bestimmten
Turboluftstrahltriebwerken kann die Anzahl der Arme gleich neun
(9) sein.
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Es
wird nun auf die 7, 8A und 8B Bezug
genommen, um ein Befestigungsbeispiel eines Tragarmes 13 an
dem äußeren ringförmigen Gehäuse 5 einer
Nachbrennervorrichtung 7 zu beschreiben.
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Wie
zuvor erwähnt
ist jeder Tragarm 13 durch seine Flansche 20 und 21 an
dem äußeren ringförmigen Gehäuse 5 befestigt.
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Da
die Befestigung direkt auf dem äußeren ringförmigen Gehäuse 5 in
einer "kalten" Umgebung (typischerweise
weniger als etwa 200°C)
erfolgt, erzeugt dies kein Problem des Wärmeausdehnungsdifferentials
zwischen dem Tragarm 13 und dem äußeren ringförmigen Gehäuse 5. Man kann deshalb
besonders einfache Fixierungsmittel (oder Befestigungsmittel) verwenden,
wie z. B. Schrauben 29. Man kann z. B. zwei Schrauben 29 (und
mindestens eine) verwenden, um jeden Flansch 20, 21 festzuhalten.
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Einmal
befestigt erstreckt sich jeder Arm im Wesentlichen einer radialen
Richtung in Bezug auf die Rotationsachse der Turbine 9 folgend,
die auch die Drehachse der äußeren und
inneren Gehäuse 5 bzw. 6 und 11 bildet.
Es wird daran erinnert, dass man hier unter innerem Gehäuse 6 und
innerem Gehäuse 11 das
versteht, was der Fachmann mit Mündungsblech
bzw. Heckkonus bezeichnet.
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Wie
dies in 7 dargestellt ist, kann die Nachbrennervorrichtung 7 eine
thermische Schutzverkleidung 32 aufweisen, die zwischen
dem ersten ringförmigen
inneren Gehäuse 6 (oder
Mündungsblech)
und dem äußeren ringförmigen Gehäuse 5 eingeschoben
ist, und mit letzterem einen Nachbrennkanal 33 definiert,
in dem ein Anteil mindestens des Sekundärstroms zirkuliert. Diese thermische Schutzverkleidung 32 ist
im Allgemeinen ein gewelltes und vielfach perforiertes Blech, das
dazu bestimmt ist, die Nachbrenngase (wie die Wände einer Hauptkammer) zu enthalten
und das äußere ringförmige Gehäuse 5 vor
dem Heißstrom
zu schützen.
Bei Vorhandensein einer solcher thermischen Schutzverkleidung 32 sind
die Einschnitte 23 der Seitenwände 14 und 15 jedes
Tragarmes 13 von der ausgewählten Höhe her derart ausgebildet,
dass das Brennerringlager 24 mindestens teilweise von dem
ringförmigen Zwischengehäuse 32 und
dem ersten ringförmigen inneren
Gehäuse 6 (oder
Mündungsblech)
eingerahmt ist.
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Außerdem kann
man, wie dies in 3 besser dargestellt ist, eine
Verstärkungs-
und/oder Schutzgegenplatte 30 unterhalb der äußere Fläche (dem
externen Gehäuse 5 gegenüberliegend)
jedes Flansches 20, 21 anordnen, damit sie zwischen
letzteren und der oder den Schraubenmuttern eingesetzt ist. Dies
erlaubt es, die Steifigkeit der Flansche 20 und 21 zu
erhöhen
und die Widerstandskraft der Tragarme 13 gegen mechanische
Belastungen zu verstärken.
Diese Gegenplatte 30 ist vorzugsweise aus Metall.
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Es
ist wichtig anzumerken, dass das V-Profil und die Form des Fußes 18 jedes
Tragarmes 13 derart gewählt
sind, um den Abfluss des Primärstroms (Pfeil
F1 in 7) und Sekundärstroms
(Pfeil F2 in 7) zu optimieren und damit eine
Aerodynamik zu erhalten, die den erwarteten Leistungen entspricht.
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Außerdem kann
ein Tragarm 13 möglicherweise
in seinem Hals 16 eine interne Vergasungsvorrichtung aufnehmen.
Darüber
hinaus kann, aufgrund des Verbundmaterials, das verwendet wird,
um den Tragarm 13 auszuführen, letzterer hohe Temperaturen
ertragen, derart, dass es nicht notwendig ist, ihn mit einer internen
Belüftungsvorrichtung
auszustatten, die dazu bestimmt ist, den Abschnitt seiner Angriffsseite
zu kühlen,
der von dem Primärstrom
bestrichen wird.
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Die
Erfindung ist nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen
des Tragarms und der Nachbrennervorrichtung begrenzt, die lediglich
beispielhaft sind, sondern sie umfasst alle Varianten, die der einschlägige Fachmann
im Rahmen der nachfolgenden Ansprüche in Betracht ziehen würde.