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Die Erfindung bezieht sich auf ein Mantelgebläsetriebwerk
und insbesondere auf den Lufteinlaß eines solchen
Triebwerks.
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Auf der Suche nach einem verbesserten Wirkungsgrad und einem
geringen spezifischen Brennstoffverbrauch sind
Mantelgebläsetriebwerke mit Fanstufen entwickelt worden, die ein
sehr hohes Nebenstromverhältnis aufweisen. Die EP-0298014A
beschreibt ein typisches Mantelgebläsetriebwerk, bei dem ein
Fan innerhalb eines Kanals durch den Kern des Triebwerks
angetrieben wird. Der Lufteinlaß für den Kern des Triebwerks
liegt unmittelbar stromab des Fan.
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Verbesserungen in der Fantechnologie, beispielsweise die
Einführung von Fanschaufeln mit großer Sehnenweite, haben
die Einführung derart hoher Nebenstromverhältnisse möglich
gemacht, und dies bedeutet, daß einstufige Fans, d.h. Fans
mit einem einzigen drehbaren Schaufelkranz, nunmehr in der
Lage sind, eine Luftströmungsrate von 4 bis 5 % der
maximalen Rate zu verarbeiten, die theoretisch möglich ist.
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Es hat sich gezeigt, daß im Betrieb von
Mantelstromtriebwerken, die mit einem hohen Luftdurchsatz und hohem
Nebenstromverhältnis arbeiten, der Bereich des Fan in der Nähe
der Nabe einer ungünstigen Luftströmungsbedingung ausgesetzt
ist, wenn das Triebwerk mit hoher Leistung und hohen
Fandrehzahlen arbeitet, was zu einem unerwünscht hohen
Luftdruckabfall über dem Nabenbereich führt. Es gibt eine Reihe
von Gründen, warum dies der Fall ist, und einer der
wichtigsten Gründe ist der Grad der örtlichen inneren
Stromlinienkrümmung des Fankanals unmittelbar stromauf der
Fanschaufelspitzen.
Im typischen Fall ist die Krümmung, die eine
gewisse Luftströmungsdiffusion innerhalb des Lufteinlasses
bewirken soll, derart, daß die Axialgeschwindigkeit der
Luftströmung in diesem Bereich vermindert wird. Dies hat
jedoch eine Erhöhung der Axialströmungsgeschwindigkeit im
Nabenbereich des Fan zur Folge, und dies führt wiederum zu
einer gewissen Luftströmungsdrosselung in jenem Bereich.
Dies wird bis zu einem gewissen Ausmaß bei Fankanälen
ausgeglichen, deren Einlaßmündung so ausgebildet ist, daß
sie um einige Grad relativ zur Triebwerksachse nach unten
geneigt ist. Dies ist notwendig, damit der Einlaß an die
Lage des Flugzeugs angepaßt wird, das durch diese Triebwerke
angetrieben wird.
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Das Ausmaß der Modifikation der aerodynamischen Profile der
Fanschaufeln in ihren Nabenbereichen zur Verminderung dieser
Luftströmungsdrosselung ist schwerwiegend begrenzt durch
Eigenschaften, die die Gebläseschaufeln selbst
entgegensetzen. So müssen beispielsweise die Nabenbereiche der
Fanschaufeln relativ dick sein, um die
Fanschaufelbeanspruchungskriterien zu erfüllen und eine aerodynamische
Stabilität zu gewährleisten.
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Es hat sich gezeigt, daß starke Druckverminderungen, die in
den Nabenbereichen der Fanschaufeln anzutreffen sind,
nachteilige Wirkungen auf den Betrieb anderer Teile des
Triebwerks haben. So ist es die Luft, die vom Nabenbereich
des Fan abströmt, die danach in den Kern des Triebwerks
geleitet wird, um dem herkömmlichen Zyklus eines
Gasturbinengasgenerators unterworfen zu werden. Infolgedessen
haben die Kompressoren des Triebwerks nicht die Luftströmung
unter dem richtigen Druck erhalten, und dies hat wiederum zu
einem unerwünschten Ansteigen der Temperaturen in den
Turbinen des Triebwerks und zu einem Abfall des
Gesamttriebwerkswirkungsgrades geführt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Mantelgebläsetriebwerk zu schaffen, bei dem eine solche
Luftströmungsdrosselung
im Bereich der Fannabe vermindert oder völlig
ausgeschaltet ist, wodurch sich eine Verbesserung des
Triebwerkswirkungsgrades ergibt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein
Mantelgebläsetriebwerk einen Kern auf, der einen Fan für den Lufteinlaß
des Triebwerks antreibt, wobei der Kern des Triebwerks einen
Lufteinlaß unmittelbar stromab des Fan besitzt und der Fan
eine Nabe aufweist, die ein stromaufwärtiges Ende hat und
eine ringförmige Anordnung radial vorstehender
stromlinienförmiger Schaufeln und eine Nasenhaube besitzt, wobei die
Nasenhaube einen axial symmetrischen Körper aufweist, der
eine Drehachse und ein stromaufwärtiges und ein
stromabwärtiges Ende gegenüber der betriebsmäßigen
darüberstreifenden Luftströmung besitzt, wobei das stromabwärtige
Ende der Nasenhaube am stromaufwärtigen Ende der Nabe so
befestigt ist, daß sie unmittelbar stromauf der ringförmigen
Schaufelanordnung liegt und zusätzlich so ausgebildet ist,
daß sie sich allgemein radial nach außen erweitert, und zwar
gegenüber der Drehachse und gegenüber jenem Teil der
Nasenhaube unmittelbar stromauf des sich radial nach außen
erweiternden Abschnitts, und bis zu einem solchen Ausmaß,
das ausreicht, um die lokale axiale Geschwindigkeit der Luft
zu vermindern, die betriebsmäßig darüberströmt, unmittelbar
bevor die Luft über die radial einwärtigen Bereiche der
Schaufelanordnung fließt.
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Die Verminderung der lokalen axialen
Strömungsgeschwindigkeit der Luft, die in die radial einwärtigen Bereiche der
stromlinienförmigen Schaufelanordnung einströmt,
gewährleistet, daß die Möglichkeit einer Luftströmungsdrosselung
in der Fannabe vermindert wird.
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Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die
beiliegende Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels
beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 eine Schnittansicht der oberen Hälfte eines
Mantelgebläsetriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung,
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Fig. 2 in größerem Maßstab eine Teilschnittansicht des
Lufteinlasses des Mantelgebläsetriebwerks nach Fig. 1,
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Fig. 3 eine schematische Seitenansicht der Nasenhaube
des Mantelgebläsetriebwerks gemäß Fig. 1,
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Fig. 4 eine graphische Darstellung, welche die
Beziehung zwischen der Axialgeschwindigkeit der in den Fan
eintretenden Luft in Abhängigkeit vom Fanradius angibt, an
dem die Luftgeschwindigkeit gemessen wird, und zwar bei zwei
verschiedenen Mantelgebläsetriebwerken: eines davon besitzt
einen Fan, der gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet
ist, und ein Triebwerk besitzt einen Fan, der nicht gemäß
der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist,
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Fig. 5 eine graphische Darstellung, die die Beziehung
zwischen dem Nabendruckverhältnis über dem Fan in
Abhängigkeit von dem Radius angibt, an dem das Druckverhältnis
zwischen der Fannabe und dem Stromteiler stromab des Fan
gemessen ist, und zwar bei zwei unterschiedlichen
Mantelgebläsetriebwerken: das eine hiervon besitzt einen Fan,
welcher gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist,
und das andere besitzt einen Fan, der nicht gemäß der
vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
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Fig. 1 zeigt ein Mantelgebläsetriebwerk 10 herkömmlicher
Bauart, welches in Axialströmungsrichtung hintereinander die
folgenden Bauteile aufweist: einen Lufteinlaß 11, einen Fan
12 mit einer ringförmigen Anordnung radial vorstehender
Fanschaufeln 12a, einem Luftströmungsteiler 12b, einen
Zwischendruckkompressor 13, einen Hochdruckkompressor 14,
eine Verbrennungseinrichtung 15, eine antriebsmäßig mit dem
Hochdruckkompressor 14 verbundene Hochdruckturbine 16, eine
antriebsmäßig mit dem Zwischendruckkompressor 13 verbundene
Zwischendruckturbine 17, eine antriebsmäßig mit dem Fan 12
verbundene Niederdruckturbine 18 und eine Schubdüse 19. Der
Fan 12 und ein Hauptteil des Triebwerks 10 sind von einem
Fangehäuse 20 umschlossen, so daß ein ringförmiger Fankanal
21 zwischen dem Triebwerk 10 und dem Gehäuse 20 ausgebildet
ist.
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Das Gasturbinentriebwerk 10 arbeitet in herkömmlicher Weise,
wobei Luft, die in das Triebwerk durch den Einlaß 11
eintritt, durch den Fan 12 verdichtet wird. Der
Strömungsteiler 12b gewährleistet, daß ein Teil der Luft, die vom Fan
12 abgegeben wird, ihren Weg durch den Fankanal 21
fortsetzt, um schließlich einen Antriebsschub zu liefern,
während der Rest in den Zwischendruckkompressor 13 und den
Hochdruckkompressor 14 geleitet wird, wo eine weitere
Verdichtung stattfindet. Die komprimierte Luft wird mit
Brennstoff in der Verbrennungseinrichtung 15 vermischt, und
die Mischung wird verbrannt. Die hieraus resultierenden
heißen Verbrennungsprodukte entspannen sich dann über die
Hochdruckturbine 16, die Zwischendruckturbine 17 und die
Niederdruckturbine 18, bevor diese Gase über die
Ausströmdüse 19 in die Atmosphäre austreten, wo sie mit Luft
vermischt werden, die aus dem Gebläsekanal 21 austritt,
wodurch ein Antriebsschub geliefert wird.
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Das Fangehäuse 20 endet ein Stück stromauf vor dem Fan 12,
wie am besten aus Fig. 2 erkennbar ist. Dies geschieht, um
zu gewährleisten, daß ein umschlossener Bereich 22 stromauf
des Fan 12 gebildet wird, in welchem die Luft, die in den
Einlaß 11 eintritt, ausgebreitet wird, bevor auf diese durch
den Fan 12 eingewirkt wird. Diese Ausbreitung oder Diffusion
ist erforderlich, um zu gewährleisten, daß die
Geschwindigkeit der Luft den Charakteristiken des Gebläses 12 angepaßt
wird, und dies wird dadurch erreicht, daß die
Querschnittsfläche des Bereichs 22 progressiv in Richtung der
Luftströmung ansteigt, wie dies aus der Zeichnung ersichtlich
ist. Aus Fig. 2 ist auch erkennbar, daß die Ebene der
Mündung 23 des Lufteinlasses 11 nach unten gegenüber der
Drehachse 24 des Fan 12 geneigt ist, so daß im
Horizontalflug eines mit dem Triebwerk 10 ausgerüsteten Flugzeugs das
Flugzeug eine etwas mit der Nase nach oben gerichtete Lage
einnimmt, wobei die Ebene der Einlaßmündung 23 normal zur
Flugrichtung verläuft. Diese Anstellung der
Einlaßmündungsebene 23 führt in den obersten Abschnitten des
Einlaßbereichs 22 des Fangehäuses 20 dazu, daß sie mit einem
größeren Ausmaß innerer Krümmung ausgestattet werden müssen
als die unteren Abschnitte, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich
ist, um die notwendige Luftströmungsverteilung
herbeizuführen.
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Ein weiteres Merkmal, welches die korrekte Luftströmung in
den Fan 12 hinein ermöglicht, besteht aus einer Nasenhaube
25, die koaxial zu der Fannabe 26 an dieser befestigt ist
und sich daher mit dieser dreht. Die Nasenhaube 25 besteht
aus einem axialsymmetrischen Körper, der einen Teil des Fan
12 bildet und dazu dienen soll, eine Rückleitung der
Luftströmung durch den Mittelbereich des Einlasses über die
radial inneren Abschnitte der Fanschaufeln 12a zu
ermöglichen.
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All diese Merkmale tragen dazu bei, die Luftströmung in den
radial äußeren Abschnitten des Einlaßbereichs 22 in der
Geschwindigkeit herabzusetzen, und dies führt wiederum zu
einer entsprechenden Beschleunigung der Luftströmung über
der Nasenhaube 25 und über die radial inneren Bereiche der
Fanschaufeln 12a. In herkömmlicher Weise kann dies dazu
führen, daß die radial inneren Bereiche der Fanschaufeln 12a
mit Luft überlastet werden, was wiederum dazu führt, daß die
Luftströmung im Fan 12 gedrosselt wird.
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Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, diese
Drosselwirkung am radial inneren Abschnitt des Fan 12 durch
Verminderung der örtlichen axialen Geschwindigkeit der über
die radial inneren Bereiche der Fanschaufeln 12a strömenden
Luft zu vermindern oder auszuschalten. Dies wird dadurch
erreicht, daß das Profil der Nasenhaube 25 auf neuartige
Weise modifiziert wird, wie dies deutlicher aus Fig. 3
hervorgeht.
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Die Nasenhaube 25 besitzt ein stromaufwärtiges Ende 27 bzw.
ein stromabwärtiges Ende 28 bezüglich der durch den
Einlaßbereich 22 strömenden Luft. Das stromabwärtige Ende 28 hat
den größten Durchmesser und ist durch nicht dargestellte
Mittel am stromaufwärtigen Ende der Fannabe 26 festgelegt.
Jener Abschnitt der Nasenhaube, der sich vom
stromaufwärtigen Ende 27 nach hinten erstreckt, kann irgendeine
geeignete Form aufweisen und kann beispielsweise konisch
ausgebildet sein, jedoch hat dieser Teil im speziellen Fall
eine allgemein elliptische Querschnittsgestalt in axialem
Sinne betrachtet und vom am weitesten stromaufwärtigen Punkt
A nach einer Stelle B verlaufend, die kurz hinter dem
Mittelabschnitt der Nasenhaube liegt. Die Hauptachse der
Ellipse fällt mit der Drehachse 24 der Nasenhaube zusammen.
Die Wirkung dieser Form der Nasenhaube 25 besteht darin,
eine Grenzschicht der über die Nasenhaube 25 strömenden Luft
zu erzeugen, die eine lokale axiale Strömungskomponente
besitzt und die infolge der elliptischen Querschnittsgestalt
dieses Abschnitts der Nasenhaube 25 axial beschleunigt wird.
Dies führt zu einer Verminderung der Dicke der Grenzschicht.
Wie jedoch oben erwähnt, ist es unerwünscht, daß die Luft,
die über die radial inneren Bereiche der Fanschaufeln 12a
strömt, eine hohe Axialgeschwindigkeit besitzt.
Infolgedessen ist zur Verminderung der Axialgeschwindigkeit dieser
Luftströmung das stromabwärtige Ende 28 der Nasenhaube 25 in
der Gegenrichtung zu der Krümmung des Abschnitts stromauf
des Punktes B der Nasenhaube 25 gekrümmt. Demgemäß ist das
stromabwärtige Ende 28 der Nasenhaube 25 so ausgebildet, daß
sich dieser Abschnitt radial nach außen sowohl gegenüber der
Drehachse 24 der Nasenhaube 25 als auch gegenüber jenem
Abschnitt der Nasenhaube 25 erweitert, der sich stromauf des
sich erweiternden Abschnitts befindet. Die axiale
Erstrekkung des erweiterten Abschnitts der Nasenhaube 25 ist derart
ausgebildet, daß sie allgemein gleich ist der axialen
Erstreckung des Fan 12 in seinem Nabenbereich. Die Wirkung
dieser radial nach außen verlaufenden Erweiterung des
stromabwärtigen Endes 28 der Nasenhaube 25 besteht darin,
die örtliche Axialgeschwindigkeit der über die Nasenhaube
strömenden Luft zu vermindern, nachdem ihre
Grenzschichtdicke vermindert ist und bevor diese Luft in die radial
inneren Bereiche der Fanschaufeln 12a einströmt, wobei die
Geschwindigkeit so weit herabgesetzt wird, daß das Auftreten
einer Drosselwirkung der Luftströmung in jenen Bereichen
vermindert oder ausgeschaltet wird.
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Bei Versuchen, die unter Benutzung eines
Mantelgebläsetriebwerks 10 mit gemäß der Erfindung ausgebildetem Fan 12
bzw. bei einem ähnlichen Mantelgebläsetriebwerk
herkömmlicher Fanbauart mit konischer Nasenhaube durchgeführt
wurden, hat sich gezeigt, daß die örtliche
Axialgeschwindigkeit der Luftströmung in die radial inneren Bereiche der
Fanschaufeln 12a des Triebwerks um 40 % bei einem gemäß der
Erfindung ausgebildeten Fan 12 im Vergleich mit einem
herkömmlichen Fan vermindert wurde. Diese Verminderung in
der örtlichen Axialgeschwindigkeit der Luftströmung kann
deutlicher aus Fig. 4 entnommen werden. Es ist aus der
graphischen Darstellung ersichtlich, daß im radial inneren
Schaufelbereich des Fans in Übereinstimmung mit der
vorliegenden Erfindung die Luftströmungsgeschwindigkeit
beträchtlich geringer ist als bei einem Triebwerk mit
herkömmlicher Nasenhaube. Jedoch an Stellen radial außerhalb
des Schaufelfußbereiches sind die
Luftströmungsgeschwindigkeiten bei beiden Fans sehr ähnlich. Daraus ergibt sich, daß
die Benutzung von Fans gemäß der vorliegenden Erfindung
nicht zu schädlichen Luftströmungseffekten an Stellen
führen, die radial außerhalb des Fanschaufelfußbereiches
liegen.
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Die graphische Darstellung gemäß Fig. 5 zeigt die gewünschte
Wirkung, welche bei Fans gemäß der vorliegenden Erfindung im
Hinblick auf das Druckverhältnis über dem Fan 12 auftritt.
Es ist ersichtlich, daß an Stellen am inneren
Schaufelfußbereich des Fans 12 und in der Nähe hiervon das
Druckverhältnis bei einem erfindungsgemäßen Fan beträchtlich
größer ist als bei einem herkömmlichen Fan.
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Aus den obigen Ergebnissen kann man klar erkennen, daß Fans
gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine wesentliche
Verbesserung des Verhaltens an den radial inneren Bereichen
des Fans gekennzeichnet sind. So wurde erkannt, daß die
Benutzung eines Mantelgebläsetriebwerks mit einem
erfindungsgemäß ausgebildeten Fan im Vergleich mit einem
bekannten Fan bei einem ähnlichen Triebwerk zu einem so
verbesserten radialen Druckprofil stromab des Fan führte. Dies
wiederum ergab einen Betrieb mit höherem Wirkungsgrad im
Zwischendruckkompressor des Triebwerks, und infolgedessen
konnten die Gastemperaturen in den Turbinen des Triebwerks
um 15 bis 20 ºC vermindert werden, und es ergaben sich
Verbesserungen hinsichtlich des spezifischen
Brennstoffverbrauchs unter Startbedingungen und unter maximalen
Steigungsbedingungen zwischen 1,3 und 2,5 %.
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Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme
auf einen Fan 12 beschrieben, der eine Nasenhaube 25
aufweist, deren stromabwärtiges Ende 28 nach außen gekrümmt
ist, so daß die gewünschte Erweiterung zustandekommt. Es ist
jedoch darauf hinzuweisen, daß in gewissen Fällen eine
Erweiterung in kegelstumpfförmiger Gestalt benutzt werden
kann.