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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Boosterstruktur eines Düsentriebwerks.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Düsentriebwerk-Boosterstruktur
mit einem verbesserten Druckverhältnis
in einer einzelnen Stufe.
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Nach
dem Stand der Technik, siehe den Artikel von Jörg Sieber: "Technologieentwicklung für zukünftige ummantelte
Pfropfantriebwerke",
MTU Focus, Nr. 1, 1994, S. 5, 6, wurde ein Booster 2' stromabwärts eines
Gebläses 1 bereitgestellt,
um die Leistung eines High-Bypass-Triebwerks (Triebwerk mit hohem
Nebenstromverhältnis)
zu verbessern, wie in 11 dargestellt.
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Wie
in 11 dargestellt, ist
der Booster 2' jedoch
an derselben Welle 3' wie
das Gebläse 1 angebracht,
und die Anzahl der Umdrehungen des Boosters 2' ist dieselbe
wie jene des Gebläses 1,
wodurch die Umfangsgeschwindigkeit der Laufschaufel 4 des
Boosters 2' daher
durch jene des Gebläses 1 begrenzt
ist. Daher ist die Umfangsgeschwindigkeit der Laufschaufel 4 deutlich
geringer als eine gewünschte
Geschwindigkeit, so dass ein Druckverhältnis in einer einzelnen Stufe
ziemlich gering wird.
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Daraus
entsteht das Problem, dass der Booster 2' aus vielen Stufen bestehen muss,
um ein gewünschtes
Druckverhältnis
zu liefern. Mit zunehmender Anzahl der Stufen des Boosters 2' erhöht sich
auch die Gesamtlänge
des Boosters 2',
was zu dem Problem führt,
dass das Gewicht eines Triebwerks E' zunimmt. Eine Gewichtszunahme verursacht
ferner verschiedene Probleme.
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Die
vorliegende Erfindung wurde angesichts der Probleme nach dem Stand
der Technik gemacht und hat zur Aufgabe, eine Boosterstruktur bereitzustellen,
die ein gewünschtes
Druckverhältnis
mit weniger Stufen erreichen kann.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Düsentriebwerk-Boosterstruktur bereit,
die eine Grenzschichtbeeinflussungstandemlaufschaufel umfasst, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Einströmungswinkel
mit einem Tandemlaufschaufelgitter in einem Bereich von 50 Grad
bis 70 Grad liegt und ein Ausströmungswinkel
von einem Tandemlaufschaufelgitter in einem Bereich von 0 Grad bis
45 Grad liegt.
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Vorzugsweise
liegt ein Ablenkungswinkel durch eine Leitschaufel in einem Bereich
von 0 Grad bis 45 Grad.
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Die
vorliegende Erfindung stellt auch ein Düsentriebwerk bereit, das eine
solche Boosterstruktur umfasst.
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Aus
den in der Folge beschriebenen Ausführungsformen geht hervor, dass,
da die Laufschaufel des Boosters eine Tandemlaufschaufel ist, ein
Druckanstieg in einer einzigen Stufe groß ist und daher ein gewünschter
Druckanstieg mit weniger Stufen erhalten werden kann.
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Für ein besseres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung werden nun verschiedene ihrer Ausführungsformen,
die nur als Beispiel angeführt
sind, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben,
von welchen:
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1 eine schematische Ansicht
eines Mantelstromtriebwerks ist, das mit einer Boosterstruktur der Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung versehen ist;
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2 eine schematische Ansicht
der wichtigen Teile der Boosterstruktur in der Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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3 eine typische Ansicht
einer Strömung
der Tandemlaufschaufel ist, die in der Ausführungsform verwendet wird;
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4 eine erklärende Ansicht
ist, die Geschwindigkeitsdreiecke in einem Tandemlaufschaufelgitter und
einem Leitschaufelgitter zeigt, die in der Ausführungsform verwendet werden;
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5 eine Seitenansicht eines
Beispiels des Tandemlaufschaufelgitters ist;
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6 eine Querschnittsansicht
ist, die ein NABEN-Profil des Tandemlaufschaufelgitters in 5 zeigt;
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7 eine Querschnittsansicht
ist, die ein MITTEN-Profil des Tandemlaufschaufelgitters in 5 zeigt;
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8 eine Querschnittsansicht
ist, die ein SPITZEN-Profil des Tandemlaufschaufelgitters in 5 zeigt;
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9 eine schematische Ansicht
einer Testvorrichtung ist, die für
einen Leistungstest der Ausführungsform
und eines Vergleichsbeispiels verwendet wird;
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10 eine erklärende Ansicht
ist, die ein Messverfahren in der in 9 dargestellten
Testvorrichtung zeigt, und
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11 eine schematische Ansicht
eines Mantelstromtriebwerks mit einer herkömmlichen Boosterstruktur ist.
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Ein
Mantelstromtriebwerk E mit einer Düsentriebwerk-Boosterstruktur in
der Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung ist in 1 dargestellt
und die wichtigen Teile desselben sind schematisch in 2 dargestellt. In der Boosterstruktur
ist die Laufschaufel eines Boosters 2 eine Tandemlaufschaufel 11.
Die Tandemlaufschaufel 11 ist insbesondere eine Grenzschichtbeeinflussungstandemlaufschaufel 11.
Mit anderen Worten, das Laufschaufelgitter dieses Boosters 2 ist
ein Tandemlaufschaufelgitter 10.
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Die
Formen der vorderen Schaufel 12 und der hinteren Schaufel 13 der
Tandemlaufschaufel 11 in diesem Tandemlaufschaufelgitter 10,
das Positionsverhältnis
zwischen der vorderen Laufschaufel 12 und der hinteren
Laufschaufel 13, das Positionsverhältnis zwischen dem Tandemlaufschaufelgitter 10 und
einem Leitschaufelgitter 20, Teilungen des Tandemlaufschaufelgitters 10 und
des Leitschaufelgitters 20 und dergleichen, werden mit
Hilfe einer dreidimensionalen Fluiddynamikberechnung unter Verwendung
eines Computers bestimmt. In Bezug auf das Tandemlaufschaufelgitter 10 zum
Beispiel, von dem ein typisches in 3 dargestellt ist,
werden die Drehzahl, das Drehmoment und dergleichen eines Strahles,
der von der Hinterkante der unteren Oberfläche der vorderen Schaufel 12 auf
die obere Oberfläche
der hinteren Schaufel 13 ausgestoßen wird, so reguliert, dass
der Strahl entlang der oberen Oberfläche der hinteren Schaufel 13 strömt. Dadurch
wird die Ablösung
einer Grenzschicht an der oberen Oberfläche der hinteren Schaufel 13 auf
den Bereich der Hinterkante der hinteren Schaufel 13 begrenzt.
Mit anderen Worten, die Grenzschicht der hinteren Schaufel 13 wird durch
die vordere Schaufel 12 beeinflusst. Das Bezugszeichen 3 in
der Figur bezeichnet eine Welle, die das Gebläse 1 und den Booster 2 antreibt,
das Bezugszeichen 14 bezeichnet eine Scheibe und das Bezugszeichen 21 bezeichnet
eine Leitschaufel.
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Jedes
Programm zur dreidimensionalen Analyse einer Strömung um das Schaufelgitter
und der Verteilung einer Schockwelle kann verwendet werden, und
ein Anwendungsprogramm dafür
ist nicht besonders eingeschränkt.
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Zusätzlich ist
die Form des Leitschaufelgitters 20 vorzugsweise so festgelegt,
dass der Einströmungswinkel
mit dem Tandemlaufschaufelgitter 10, das in 4 dargestellt ist, im Bereich
von 50 bis 70 Grad liegt. Ebenso sind die Formen der vorderen Schaufel 12 und
der hinteren Schaufel 13 des Tandemlaufschaufelgitters 10 vorzugsweise
so eingestellt, dass der Ausströmungswinkel
von dem Tandemlaufschaufelgitter 10 in diesem Fall im Bereich
von 0 bis 45 Grad liegt. Ferner liegt der Ablenkungswinkel durch
die Leitschaufel 21 vorzugsweise im Bereich von 0 bis 45
Grad.
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Somit
kann das Tandemlaufschaufelgitter 10 mit den oben genannten
Eigenschaften erhalten werden, indem das Positionsverhältnis zwischen
der vorderen Schaufel 12 und der hinteren Schaufel 13 der
Tandemlaufschaufel 11 und jenes der Tandems 11 und 11,
oder zum Beispiel das Dimensionsverhältnis zwischen der vorderen
Schaufel 12 und der hinteren Schaufel 13, wie
in 5 bis 8 dargestellt, durch Ändern des wechselseitigen Verhältnisses
zwischen der vorderen Schaufel 12 und der hinteren Schaufel 13 aus
einem Zustand, in dem die vordere Schaufel 12 und die hintere
Schaufel 13 vom NABEN-Profil zum SPITZEN-Profil gemeinsam
angeordnet sind, in einen Zustand, in dem sie gemeinsam ansteigen
und der Spalt zwischen der vorderen Schaufel 12 und der
hinteren Schaufel 13 allmählich vergrößert wird, eingestellt werden.
Mit anderen Worten, wenn die vordere Schaufel 12 und die
hintere Schaufel 13 gemeinsam in einem Winkel angeordnet
werden, kann das Tandemlaufschaufelgitter 10 mit den oben
genannten Eigenschaften erhalten werden.
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Wie
zuvor festgehalten wurde, wird in dieser Ausführungsform das Tandemlaufschaufelgitter 10 für die Laufschaufel
des Boosters 2 verwendet, und somit ist ein Druckverhältnis in
einer einzigen Stufe hoch. Daher kann die Anzahl von Stufen des
Boosters 2 verringert werden, mit dem Ergebnis, dass die
Dimensionen einer Kompressionsmechanismusstruktur verringert werden
können
und daher auch das Gewicht gesenkt werden kann.
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Es
wird festgehalten, dass die Tandemlaufschaufel 11 mit solchen
Eigenschaften, dass die Grenzschicht der hinteren Schaufel 13 durch
die vordere Schaufel 12 beeinflusst wird, in der vorliegenden
Beschreibung als "Grenzschichtbeeinflussungstandemlaufschaufel" bezeichnet wird.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun genauer an Hand einer spezifischeren
Ausführungsform
beschrieben.
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Ausführungsform und Vergleichsbeispiel
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Ein
Grenzschichtbeeinflussungstandemlaufschaufelgitter (Ausführungsform)
mit den wesentlichen Elementen, die in Tabelle 1 angeführt sind,
wurde mit einer Form und Dimension hergestellt, die in 5 bis 8 dargestellt sind, wobei das Tandemlaufschaufelgitter
als Booster diente. Die Leistung dieses Boosters wurde mit einer
Testvorrichtung getestet, die in 9 dargestellt
ist. Zusätzlich
wurde ein herkömmliches
Schaufelgitter (Vergleichsbeispiel) mit den wesentlichen Elementen,
die in Tabelle 2 angeführt
sind, mit derselben Breite wie die Tandemlaufschaufel gemäß der Ausführungsform
hergestellt, und dessen Leistung mit derselben Testvorrichtung wie
bei der Ausführungsform
gemessen.
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Wie
in einem typischen Beispiel in 10 dargestellt
ist, wurde die Messung durchgeführt,
indem eine Gesamtdruckmesssonde und eine Gesamttemperaturmesssonde
an einem vorderen und hinteren Abschnitt der Schaufel (Punkt A bzw.
B in 10) angeordnet
wurde und die Sonden jeden Millimeter zwischen dem SPITZEN- und
NABEN-Profil radial überstrichen
wurden. Eine Strömungsrate
wurde durch eine Öffnung
gemessen, die stromaufwärts
eines Einlasskanalabschnittes bereitgestellt war. Die Anzahl der
Umdrehungen des Schaufelgitters wurde durch einen Umdrehungsmesssensor
gemessen, der an einer Drehwelle einer Scheibe bereitgestellt war,
an der das Schaufelgitter befestigt ist.
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Die
Daten, die durch die Messung erhalten wurden, wurden wie folgt verarbeitet:
- (1) Jeder der gemessenen Durchschnittswerte
von Gesamtdruck und Gesamttemperatur zwischen den SPITZEN- und NABEN-Profilen an den Abschnitten
A und B wird berechnet.
- (2) Ein Druckverhältnis
wird auf der Basis des Verhältnisses
PB/PA eines Durchschnittswertes PB des Gesamtdrucks an Punkt B zu
einem Durchschnittswert PA des Gesamtdrucks an Punkt A berechnet.
- (3) Ein Durchschnittswert TB der Gesamttemperatur an Punkt B
und ein Durchschnittswert TA der Gesamttemperatur an Punkt A wird
ebenso berechnet, und der Durchschnittswert PB des Gesamtdrucks
an Punkt B und der Durchschnittswert PA des Gesamtdrucks an Punkt
A, die berechnet wurden, werden ebenso verwendet, um durch folgende
Gleichung einen Wirkungsgrad zu erhalten. η = TA {(PB/PA)(k–1)/k – 1}/(TB – TA)wobei η der adiabatische
Wirkungsgrad und k der adiabatische Exponent ist.
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Tabelle
1 zeigt das Messergebnis für
die Ausführungsform
und das Druckverhältnis,
den Druckanstieg und den adiabatischen Wirkungsgrad, der daraus
berechnet wurde, gemeinsam mit den wesentlichen Elementen der Erfindung.
Tabelle 2 zeigt ein Messergebnis, das Druckverhältnis, den Druckanstieg und
den Wirkungsgrad für
das Vergleichsbeispiel.
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Aus
einem Vergleich zwischen Tabelle 1 und Tabelle 2 geht hervor, dass
ein hohes Druckverhältnis von
0,3, das etwa 2,0 mal so hoch wie jenes des Vergleichsbeispiels
ist, in der Ausführungsform
erhalten werden kann, während
derselbe Wirkungsgrad wie im Vergleichsbeispiel beibehalten wird.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vollständig
auf der Basis der Funktionsweise der Erfindung und Ausführungsform
beschrieben wurde, versteht sich, dass die vorliegende Erfindung
nicht darauf beschränkt sein
soll und verschiedene Änderungen
und Modifizierungen möglich
sind. Obwohl zum Beispiel das Tandemlaufschaufelgitter eine einzige
Stufe hat, kann die Anzahl von Stufen gemäß einem erforderlichen Druckverhältnis zwei
oder drei sein.
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Wie
bisher im Detail offenbart wurde, ist in der Boosterstruktur der
Ausführungsform
die Booster-Laufschaufel eine Tandemlaufschaufel. Daher hat die
Struktur den besonderen Vorteil, dass ein Druckanstieg in einer
einzigen Stufe größer ist
und dass ein gewünschter
Druckanstieg mit weniger Stufen erhalten werden kann. Da der Booster
weniger Stufen haben kann, weisen die Ausführungsformen ferner den besonderen
Vorteil auf, dass die Gesamtlänge
des Kompressors kleiner und dessen Gewicht reduziert werden kann.
