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Die Erfindung betrifft eine Triebwerksgondel für ein Gasturbinentriebwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Es gilt allgemein, dass es von Vorteil ist, wenn der Triebwerkseinlauf eines Gasturbinentriebwerks in der Startphase dicke Einlauflippen aufweist, um Strömungsablösungen zu minimieren, die auf Grund von zu großen Übergeschwindigkeiten beim Umströmen zu dünner Einlauflippen entstehen können und somit einen ausreichenden Massenstrom bereitzustellen. In der Reiseflugphase ist es dagegen von Vorteil, wenn das Triebwerk dünne Einlauflippen aufweist.
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Um diese unterschiedlichen Anforderungen bestmöglich erfüllen zu können, ist eine variable Gondelgeometrie bekannt, bei der die Triebwerksgondel einen feststehenden Abschnitt und einen verschiebbaren Abschnitt aufweist. Eine variable Gondelgeometrie findet insbesondere bei supersonischen Triebwerkseinläufen Verwendung, bei denen die Einlauflippen generell dünner ausgebildet sind.
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So ist beispielsweise aus der
US 2018/0283276 A1 ein Triebwerkseinlauf für vorrangig Überschallanwendungen mit einem feststehenden Abschnitt und dem verschiebbaren Abschnitt bekannt. Dabei wird ein Zusatz-Strömungskanal bereitgestellt, wenn der verschiebbare Abschnitt in eine stromaufwärtige Position verschoben ist, durch den zusätzliche Luft in den Triebwerkseinlauf strömen kann.
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Derartige supersonische Triebwerkseinläufe erzeugen allerdings aufgrund von Strömungsablösungen und Wirbelbildung an Hinterkanten des verschiebbaren Abschnitts Lärm, wenn der verschiebbare Abschnitt axial nach vorne geschoben ist und eine Spaltströmung durch den Zusatz-Strömungskanal vorliegt.
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Aus der
US 5 014 933 A ist eine Verkleidungsstruktur für ein Gasturbinentriebwerk bekannt, die es ermöglicht, die aerodynamischen Eigenschaften des Einlasskanals zum Triebwerk zu variieren. Dabei kann ein ringförmiger Lippenabschnitt von einer Vorderkante der Verkleidung nach vorne und hinten verschoben werden. Darüber hinaus umfasst die Struktur einen Mechanismus zum Einbringen von druckbeaufschlagter Luft in den Luftstrom, um eine Geräuschentwicklung zu verringern.
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Die
EP 2 987 989 B1 offenbart ein Einlasssystem für ein Flugzeugtriebwerk mit variabler Geometrie. Dabei weist das Einlasssystem einen Einlasskanal mit zwei zueinander beweglichen Abschnitten auf, welche dazu dienen, einen Luftstrom von einer Öffnung zu einem Kompresser zu leiten und welche einen Akustikbehandlungsbereich zur Reduzierung der Geräuschemission umfassen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Triebwerksgondel für ein Gasturbinentriebwerk bereitzustellen, die den durch den Triebwerkseinlauf erzeugten Lärm reduziert.
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Diese Aufgabe wird durch eine Triebwerksgondel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Triebwerksgondel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Danach betrachtet die vorliegende Erfindung in einem ersten Erfindungsaspekt eine Triebwerksgondel für ein Gasturbinentriebwerk, die eine Gondelwand umfasst, die eine Innenseite und eine Außenseite aufweist. Ein Triebwerkseinlauf, der die für ein zugehöriges Gasturbinentriebwerk benötigte Luft aufnimmt, ist durch die Innenseite der Gondelwand begrenzt. Die Gondelwand weist einen feststehenden stromabwärtigen Abschnitt und einen in axialer Richtung verschiebbaren stromaufwärtigen Abschnitt auf, der relativ zu dem feststehenden Abschnitt zwischen einer ersten, stromaufwärtigen Position und einer zweiten, stromabwärtigen Position verschiebbar ist. In der ersten, stromaufwärtigen Position des verschiebbaren Abschnitts ist ein ringförmiger Zusatz-Strömungskanal ausbildet, der sich zwischen dem feststehenden Abschnitt und dem verschiebbaren Abschnitt erstreckt, wobei über den Zusatz-Strömungskanal Umgebungsluft von der Außenseite der Triebwerksgondel stromaufwärts des Fans des zugehörigen Gasturbinentriebwerks in den Triebwerkseinlauf strömen kann. In der zweiten, stromabwärtigen Position des verschiebbaren Abschnitts grenzen der feststehende Abschnitt und der verschiebbare Abschnitt aneinander an, wobei der Zusatz-Strömungskanal geschlossen ist.
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Der stromaufwärtige Abschnitt bildet an seinem stromabwärtigen, dem feststehenden Abschnitt zugewandten Ende eine radial äußere Hinterkante und eine dazu axial beabstandete radial innere Hinterkante und zwischen diesen eine Einbuchtung aus.
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Es ist vorgesehen, dass angrenzend an die Einbuchtung eine luftdurchlässige Struktur im stromaufwärtigen Abschnitt ausgebildet ist, die dazu vorgesehen und ausgebildet ist, in der ersten, stromaufwärtigen Position des verschiebbaren Abschnitts im Bereich der Einbuchtung strömende Luft zur Innenseite des verschiebbaren Abschnitts zu leiten.
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Der erste Erfindungsaspekt beruht auf dem Gedanken, den durch die Strömung durch den Zusatz-Strömungskanal erzeugten Lärm dadurch zu reduzieren, dass Verwirbelungen, die sich im Bereich der genannten Einbuchtung ausbilden, durch die luftdurchlässige Struktur abgebaut bzw. in ihrer Größe räumlich begrenzt werden. Dies erfolgt dadurch, dass durch die luftdurchlässige Struktur ein Druckausgleich ermöglicht wird, der die Bildung von Wirbeln stört. Die verwirbelte Luft im Bereich der Einbuchtung kann durch den verschiebbaren Abschnitt zur Innenseite des verschiebbaren Abschnitts und dabei stromaufwärts des Zusatz-Strömungskanals in den Triebwerkseinlauf strömen. Da durch die Erfindung Wirbel im Bereich der genannten Ausbuchtung verhindert oder zumindest räumlich begrenzt werden, wird die Strömung durch den Zusatz-Strömungskanal insgesamt verbessert und die Entstehung von Lärm minimiert.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die luftdurchlässige Struktur als Sandwichpaneel mit einer Kernschicht in Wabenform und einer inneren Deckschicht ausgebildet ist, wobei die innere Deckschicht mit Öffnungen für einen Luftdurchlass versehen ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass Luft von der Einbuchtung zur Innenseite des verschiebbaren Abschnitts abströmen kann. Die Kernschicht in Wabenform umfasst eine Vielzahl von Zellen, die jeweils einen Hohlraum definieren.
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Eine Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass das Sandwichpaneel des Weiteren eine äußere Deckschicht ausbildet, wobei die äußere Deckschicht ebenfalls mit Öffnungen für einen Luftdurchlass versehen ist. Die Öffnungen in der äußeren Deckschicht können dabei in anderer Weise als die Öffnungen in der inneren Deckschicht ausgebildet sein, d. h. die jeweiligen Öffnungen können sich in Größe, Form und/oder Lage unterscheiden. Sie können aber auch identisch ausgebildet sein. Die Zellen der Kernschicht erstrecken sich zwischen der inneren Deckschicht und der äußeren Deckschicht.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Ausbildung der luftdurchlässigen Struktur als Sandwichpaneel mit einer Kernschicht in Wabenform nur beispielhaft zu verstehen ist. Grundsätzlich sind beliebige luftdurchlässige Strukturen geeignet, die es ermöglichen, Luft von der Einbuchtung zur Innenseite des verschiebbaren Abschnitts zu leiten. Eine mögliche Alternative besteht beispielsweise darin, dass die luftdurchlässige Struktur durch eine Vielzahl von Röhren gebildet ist, die sich im verschiebbaren Abschnitt zwischen der Einbuchtung und der Innenseite erstrecken.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die luftdurchlässige Struktur sich radial von der Einbuchtung bis zur Innenseite des verschiebbaren Abschnitts erstreckt. Sofern die luftdurchlässige Struktur als Sandwichpaneel mit einer Kernschicht in Wabenform ausgebildet ist, so erstrecken sich die einzelnen Zellen, die die Kernschicht bilden, beispielsweise im Wesentlichen bis zur Innenseite der verschiebbaren Struktur. Dabei bildet die innere Deckschicht des Sandwichpaneels einen Teil der Innenseite des verschiebbaren Abschnitts bzw. der Innenfläche des Triebwerkseinlaufs.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der feststehende Abschnitt an seinem stromaufwärtigen Ende eine konvex geformte Einlauflippe aufweist, deren Form mit der Form der konkaven Einbuchtung des verschiebbaren Abschnitts korrespondiert. Dementsprechend liegen, wenn der verschiebbare Abschnitt sich in der zweiten, stromabwärtigen Position befindet, die Einlauflippe und die Einbuchtung aneinander an. Hierdurch wird ein luftdichter Verschluss des Zusatz-Strömungskanals in der zweiten Position sichergestellt.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die luftdurchlässige Struktur in der zweiten, stromabwärtigen Position des verschiebbaren Abschnitts ein schallabsorbierendes Paneel für Triebwerkslärm ausbildet. Dies wird erreicht durch eine Vielzahl von Zellen, die die Kernschicht der luftdurchlässigen Struktur aufweist. Dabei tragen mehrere Mechanismen zur Schallabsorption bei. Einer der Mechanismen beruht auf einer Interferenz zwischen einfallenden und reflektierten Wellen. Die Zellen haben eine Zelltiefe und definieren jeweils einen Hohlraum. Durch Interferenz werden einfallende Schallwellen durch die an einer harten Rückseite der Zellen reflektierten Wellen abhängig von der Wellenlänge zumindest teilweise ausgelöscht. Insbesondere werden einfallende Wellen durch Interferenz ausgelöscht, wenn die Zelltiefe gleich λ/4 oder ein ungeradzahliges Vielfaches von λ/4 ist, wobei λ die Wellenlänge der Schallwellen ist.
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Die für eine Schallreflexion erforderliche harte Rückseite wird in einer Ausgestaltung durch die Einlauflippe des feststehenden Abschnitts gebildet. Die Rückseite, die die Schallwellen reflektiert, wird somit durch einen Bereich der Wandung des feststehenden Abschnitts bereitgestellt. Dabei kann von einer gesonderten äußeren Deckschicht der luftdurchlässigen Struktur abgesehen werden, was vorteilhaft sein kann, um eine möglichst effektive Strömung von Luft durch die luftdurchlässige Struktur zu ermöglichen, wenn der verschiebbare Abschnitt sich in der stromaufwärtigen Position befindet und sich Wirbel in der Einbuchtung zwischen der radial äußeren Hinterkante und der radial inneren Hinterkante ausbilden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die luftdurchlässige Struktur des Weiteren dazu geeignet sein kann, Luft von der Innenseite des verschiebbaren Abschnitts zur Außenseite des verschiebbaren Abschnitts zu leiten. So können sich abhängig vom Flugzustand Situationen ergeben, in denen der Druck an der Innenseite des verschiebbaren Abschnitts größer ist als an der Außenseite des verschiebbaren Abschnitts, für welchen Fall Luft durch die luftdurchlässige Struktur zur Außenseite strömen kann.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in den feststehenden Abschnitt der Gondelwand eine schallabsorbierende Struktur integriert ist, die derart in dem feststehenden Abschnitt positioniert ist, dass sie in der zweiten, stromabwärtigen Position des verschiebbaren Abschnitts in Anlage an die luftdurchlässige Struktur des stromaufwärtigen Abschnitts gelangt. Hierbei ist zu beachten, dass die luftdurchlässige Struktur, wenn sie in Anlage an den feststehenden Abschnitt gelangt, schallabsorbierend wirkt, insbesondere wenn sie wie beschrieben in der zweiten, stromabwärtigen Position des verschiebbaren Abschnitts ein schallabsorbierendes Paneel für Triebwerkslärm ausbildet. Es sind dann zwei schallabsorbierende Bereiche aneinander angrenzend angeordnet, wodurch sich die Schallabsorption insgesamt verbessert.
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Eine Ausführungsvariante hierzu sieht vor, dass die schallabsorbierende Struktur des feststehenden Abschnitts als Sandwichpaneel mit einer Kernschicht in Wabenform und mit einer inneren Deckschicht ausgebildet ist, wobei die innere Deckschicht mit Öffnungen für einen Luftdurchlass versehen ist und wobei die innere Deckschicht in der zweiten, stromabwärtigen Position des verschiebbaren Abschnitts an das schallabsorbierende Paneel angrenzt bzw. in Anlage an dieses gelangt, so dass durch die beiden Paneele eine verbesserte schallabsorbierende Struktur gebildet wird.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die axiale Position der radial inneren Hinterkante in Umfangsrichtung variiert. Hierdurch wird die Kohärenz der Ablösung der Luft an der radial inneren Hinterkante, die bezogen auf die axiale Richtung hinter der radial äußeren Hinterkante verläuft, in Umfangsrichtung gestört. Durch die reduzierte Kohärenz der Ablösung wird die Erzeugung von Schallwellen verursacht durch Wirbel in der Einbuchtung gestört und die Entstehung von Lärm begrenzt.
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Hierzu sieht eine Ausgestaltung vor, dass die axiale Position der radial inneren Hinterkante periodisch in Umfangsrichtung variiert. Dies ist jedoch nicht notwendigerweise der Fall. Weitere Ausgestaltungen können vorsehen, dass die axiale Position der radial inneren Hinterkante eine Variation in Umfangsrichtung erfährt, die nichtperiodisch ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die axiale Position der radial inneren Hinterkante in Umfangsrichtung wellenförmig variiert, beispielsweise sinusförmig.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die axiale Position der radial inneren Hinterkante in Umfangsrichtung rechteckförmig variiert.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die axiale Position der radial inneren Hinterkante in Umfangsrichtung zickzackförmig variiert.
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In einem zweiten Erfindungsaspekt betrachtet die vorliegende Erfindung eine Triebwerksgondel für ein Gasturbinentriebwerk, die eine Gondelwand umfasst, die eine Innenseite und eine Außenseite aufweist. Ein Triebwerkseinlauf, der die für ein zugehöriges Gasturbinentriebwerk benötigte Luft aufnimmt, ist durch die Innenseite der Gondelwand begrenzt. Die Gondelwand weist einen feststehenden stromabwärtigen Abschnitt und einen in axialer Richtung verschiebbaren stromaufwärtigen Abschnitt auf, der relativ zu dem feststehenden Abschnitt zwischen einer ersten, stromaufwärtigen Position und einer zweiten, stromabwärtigen Position verschiebbar ist. In der ersten, stromaufwärtigen Position des verschiebbaren Abschnitts ist ein ringförmiger Zusatz-Strömungskanal ausbildet, der sich zwischen dem feststehenden Abschnitt und dem verschiebbaren Abschnitt erstreckt, wobei über den Zusatz-Strömungskanal Umgebungsluft von der Außenseite der Triebwerksgondel stromaufwärts des Fans des zugehörigen Gasturbinentriebwerks in den Triebwerkseinlauf strömen kann. In der zweiten, stromabwärtigen Position des verschiebbaren Abschnitts grenzen der feststehende Abschnitt und der verschiebbare Abschnitt aneinander an, wobei der Zusatz-Strömungskanal geschlossen ist.
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Der stromaufwärtige Abschnitt bildet an seinem stromabwärtigen, dem feststehenden Abschnitt zugewandten Ende eine radial äußere Hinterkante und eine dazu axial beabstandete radial innere Hinterkante aus. Dabei kann vorgesehen sein, dass zwischen der radial äußeren Hinterkante und der radial inneren Hinterkante eine konkave Einbuchtung ausgebildet ist. Es ist vorgesehen, dass die axiale Position der radial inneren Hinterkante in Umfangsrichtung variiert.
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Der zweite Erfindungsaspekt beruht auf der Erkenntnis, dass durch eine Störung der Kohärenz der Ablösung der Luft an der radial inneren Hinterkante in Umfangsrichtung die Entstehung von Lärm reduziert wird. Eine solche Störung der Kohärenz der Ablösung der Luft wird durch die Variation der axialen Position der radial inneren Hinterkante in Umfangsrichtung bereitgestellt. Die Strömungsflächen stromaufwärts der radial inneren Hinterkante variieren für eine betrachtete axiale Position radial in Umfangsrichtung. Durch die reduzierte Kohärenz der Ablösung wird die Erzeugung von Schallwellen gestört und die Entstehung von Lärm begrenzt.
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Für den Fall, dass zwischen der radial äußeren Hinterkante und der radial inneren Hinterkante eine Einbuchtung ausgebildet ist, stört die in Umfangsrichtung in ihrer axialen Position variierende radial innere Hinterkante die Ausbildung von Wirbeln in der Einbuchtung, so dass die Hinterkanten des verschiebbaren Abschnitts mit räumlich in Umfangsrichtung variierender Verwirbelung und damit schallärmer durch in den Zusatz-Strömungskanal einströmende Luft umströmt werden kann.
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Eine Ausgestaltung des zweiten Erfindungsaspektes sieht vor, dass die axiale Position der radial inneren Hinterkante periodisch in Umfangsrichtung variiert. Dies ist jedoch nicht notwendigerweise der Fall. Weitere Ausgestaltungen können vorsehen, dass die axiale Position der radial inneren Hinterkante eine Variation in Umfangsrichtung erfährt, die nichtperiodisch ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die axiale Position der radial inneren Hinterkante in Umfangsrichtung wellenförmig variiert, beispielsweise sinusförmig.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die axiale Position der radial inneren Hinterkante in Umfangsrichtung rechteckförmig variiert.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die axiale Position der radial inneren Hinterkante in Umfangsrichtung zickzackförmig variiert.
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Die vorliegende Erfindung ist grundsätzlich sowohl für einen Einsatz in Gasturbinentriebwerken, die für einen subsonischen Betrieb ausgelegt sind, als auch für einen Einsatz in Gasturbinentriebwerken, die für einen supersonischen Betrieb ausgelegt sind, geeignet. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird die erfindungsgemäße Triebwerksgondel in einem Gasturbinentriebwerk realisiert, das in einem zivilen oder militärischen Überschallflugzeug eingesetzt wird. Für diesen Fall ist der Triebwerkseinlauf als Überschalleinlauf ausgebildet.
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In weiteren Aspekten betrifft die Erfindung ein Gasturbinentriebwerk mit einem Triebwerkseinlauf gemäß Anspruch 1 und/oder mit einem Triebwerkseinlauf gemäß Anspruch 14 sowie ein ziviles oder militärisches Flugzeug, insbesondere ein Überschallflugzeug mit einem solchen Gasturbinentriebwerk.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung bezogen auf ein zylindrisches Koordinatensystem beschrieben ist, das die Koordinaten x, r und φ aufweist. Dabei gibt x die axiale Richtung, r die radiale Richtung und φ den Winkel in Umfangsrichtung an. Die axiale Richtung ist dabei identisch mit der Maschinenachse eines Gasturbinentriebwerks, das eine erfindungsgemäße Triebwerksgondel aufweist. Von der x-Achse ausgehend zeigt die radiale Richtung radial nach außen. Begriffe wie „vor“, „hinter“, „vordere“ und „hintere“ beziehen sich immer auf die axiale Richtung bzw. die Strömungsrichtung im Triebwerk. Die Bezeichnung „vor“ bedeutet somit „stromaufwärts“ und die Bezeichnung „hinter“ bedeutet „stromabwärts“. Begriffe wie „äußere“ oder „innere“ beziehen sich immer auf die radiale Richtung.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung eines Gasturbinentriebwerks, in dem die vorliegende Erfindung realisierbar ist, wobei das Gasturbinentriebwerk zur Verwendung in einem zivilen oder militärischen Überschallflugzeug geeignet ist;
- 2 in perspektivischer Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer Triebwerksgondel, die einen feststehenden Abschnitt und einen verschiebbaren Abschnitt ausbildet, wobei ein luftdurchlässiges Paneel angrenzend an eine Einbuchtung ausgebildet ist, die der verschiebbare Abschnitt an seinem stromabwärtigen Ende zwischen einer radial äußeren und einer radial inneren Hinterkante ausbildet;
- 3 eine Schnittansicht der Triebwerksgondel der 2 entlang der Linie A-A der 2, wobei der verschiebbare Abschnitt unter Ausbildung eines Zusatz-Strömungskanals axial beabstandet von dem feststehenden Abschnitt angeordnet ist;
- 4 eine Schnittansicht der Triebwerksgondel entsprechend der 2, wobei der verschiebbare Abschnitt und der feststehende Abschnitt aneinander angrenzend angeordnet sind;
- 5 eine vergrößerte Darstellung des stromabwärtigen Endes des verschiebbaren Abschnitts und des stromaufwärtigen Endes des feststehenden Abschnitts gemäß Bereich C der 3;
- 6 eine vergrößerte Darstellung des stromabwärtigen Endes des verschiebbaren Abschnitts und des stromaufwärtigen Endes des feststehenden Abschnitts gemäß Bereich D der 4;
- 7 eine Schnittansicht einer Triebwerksgondel, die einen feststehenden Abschnitt und einen verschiebbaren Abschnitt ausbildet, wobei das stromabwärtige Ende des verschiebbaren Abschnitts eine radial äußere Hinterkante und eine radial innere Hinterkante ausbildet, und wobei die axiale Position der radial inneren Hinterkante in Umfangsrichtung rechteckförmig variiert;
- 8 eine Schnittansicht einer Triebwerksgondel, die einen feststehenden Abschnitt und einen verschiebbaren Abschnitt ausbildet, wobei das stromabwärtige Ende des verschiebbaren Abschnitts eine radial äußere Hinterkante und eine radial innere Hinterkante ausbildet, und wobei die axiale Position der radial inneren Hinterkante in Umfangsrichtung zickzackförmig variiert;
- 9 eine Schnittansicht einer Triebwerksgondel, die einen feststehenden Abschnitt und einen verschiebbaren Abschnitt ausbildet, wobei das stromabwärtige Ende des verschiebbaren Abschnitts eine radial äußere Hinterkante und eine radial innere Hinterkante ausbildet, und wobei die axiale Position der radial inneren Hinterkante in Umfangsrichtung wellenförmig variiert;
- 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Triebwerksgondel, die einen feststehenden Abschnitt und einen verschiebbaren Abschnitt ausbildet, wobei eine Wabenstruktur sowohl im verschiebbaren Abschnitt als auch im feststehenden Abschnitt ausgebildet ist, und wobei der verschiebbare Abschnitt unter Ausbildung eines Zusatz-Strömungskanals axial beabstandet von dem feststehenden Abschnitt angeordnet ist; und
- 11 das Ausführungsbeispiel der 10, wobei der verschiebbare Abschnitt und der feststehende Abschnitt aneinander angrenzend angeordnet sind.
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Die 1 zeigt schematisch ein Gasturbinentriebwerk, das dafür vorgesehen und geeignet ist, in einem zivilen oder militärischen Überschallflugzeug eingesetzt zu werden und dementsprechend für Betriebszustände im subsonischen Bereich, im transsonischen Bereich und im supersonischen Bereich ausgelegt ist. Jedoch wird darauf hingewiesen, dass die Prinzipien der vorliegenden Erfindung in gleicher Weise in einem Gasturbinentriebwerk realisiert werden können, das allein für einen subsonischen Betrieb ausgelegt ist. Die Beschreibung der Erfindung im Kontext eines für ein Überschallflugzeug vorgesehenen Triebwerks ist insofern nur beispielhaft zu verstehen.
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Das Gasturbinentriebwerk 100 umfasst einen Triebwerkseinlauf 101, einen Fan 102, der mehrstufig ausgebildet sein kann, einen Primärstromkanal 103, der durch ein Kerntriebwerk führt, einen Sekundärstromkanal 104, der an dem Kerntriebwerk vorbei führt, einen Mischer 105 und eine konvergent-divergente Schubdüse 115, in die ein Schubumkehrer 117 integriert sein kann.
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Das Gasturbinentriebwerk 100 besitzt eine Maschinenachse oder Triebwerksmittellinie 50. Die Maschinenachse 50 definiert eine axiale Richtung des Gasturbinentriebwerks. Eine radiale Richtung des Gasturbinentriebwerks verläuft senkrecht zur axialen Richtung.
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Das Kerntriebwerk weist in an sich bekannter Weise einen Verdichter 106, eine Brennkammer 107 und eine Turbine 108, 109 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Verdichter einen Hochdruckverdichter 106. Ein Niederdruckverdichter ist durch die nabennahen Bereiche des mehrstufigen Fans 102 gebildet. Die hinter der Brennkammer 107 angeordnete Turbine umfasst eine Hochdruckturbine 108 und eine Niederdruckturbine 109. Die Hochdruckturbine 108 treibt eine Hochdruckwelle 110 an, die die Hochdruckturbine 108 mit dem Hochdruckverdichter 106 verbindet. Die Niederdruckturbine 109 treibt eine Niederdruckwelle 111 an, die die Niederdruckturbine 109 mit dem mehrstufigen Fan 102 verbindet. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann das Gasturbinentriebwerk zusätzlich einen Mitteldruckverdichter, eine Mitteldruckturbine und eine Mitteldruckwelle aufweisen. Weiter kann in einer alternativen Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der Fan 102 über ein Untersetzungsgetriebe, beispielsweise ein Planetengetriebe mit der Niederdruckwelle 111 gekoppelt ist.
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Das Gasturbinentriebwerk ist in einer Triebwerksgondel 112 angeordnet. Diese ist beispielsweise über einen Pylon mit dem Flugzeugrumpf verbunden.
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Der Triebwerkseinlauf 101 bildet einen Überschall-Lufteinlauf und ist dementsprechend dafür vorgesehen und geeignet, die einströmende Luft auf Geschwindigkeiten unterhalb Ma 1,0 (Ma = Mach-Zahl) zu verzögern. Der Triebwerkseinlauf ist in der 1, jedoch nicht notwendigerweise, unter Ausbildung eines Winkels α angeschrägt, wobei der untere Rand gegenüber dem oberen Rand vorsteht. Dies dient dazu, im Überschallflug senkrechte Verdichtungsstöße, die energetisch ungünstig sind, zu vermeiden. Grundsätzlich kann der Triebwerkseinlauf jedoch auch gerade, d.h. mit einem Winkel α von 90°, oder mit einem anderen Winkel ausgebildet sein.
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Der Strömungskanal durch den Fan 102 teilt sich hinter dem Fan 102 in den Primärstromkanal 103 und den Sekundärstromkanal 104 auf. Der Sekundärstromkanal 104 wird auch als Nebenstromkanal oder Bypass-Kanal bezeichnet.
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Hinter dem Kerntriebwerk werden der Primärstrom im Primärstromkanal 103 und der Sekundärstrom im Sekundärstromkanal 104 durch den Mischer 105 vermischt. Weiter ist hinter der Turbine ein Austrittskonus 113 ausgebildet, um gewünschte Querschnitte des Strömungskanals zu realisieren.
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Der hintere Bereich des Gasturbinentriebwerks wird durch eine integrale Schubdüse 115 gebildet, wobei der Primärstrom und der Sekundärstrom im Mischer 105 gemischt werden, bevor sie in die integrale Schubdüse 115 geleitet werden. Dabei bildet das Triebwerk hinter dem Mischer 105 einen Strömungskanal 114, der sich durch die Schubdüse 115 erstreckt. Alternativ können separate Schubdüsen für den Primärstromkanal 103 und den Sekundärstromkanal 104 bereitgestellt werden. Weiter kann vorgesehen sein, dass im Strömungskanal 114 der Schubdüse 115 ein sich axial erstreckender Zentralkörper angeordnet ist, der in Ausführungsvarianten axial verschiebbar sein kann (sogenannte „Plug-Düse“).
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Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist die Ausbildung der Triebwerksgondel und des Triebwerkseinlaufs von Bedeutung.
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Gemäß der 2 umfasst die Triebwerksgondel 10 eine Gondelwand 1, die eine Innenseite 11 und eine Außenseite 12 aufweist. Die Gondelwand 1 besteht aus zwei Abschnitten, einem feststehenden stromabwärtigen Abschnitt 4 und einem verschiebbaren stromaufwärtigen Abschnitt 3. Der verschiebbare Abschnitt 3 ist in axialer Richtung relativ zu dem feststehenden Abschnitt 4 zwischen einer stromaufwärtigen Position und einer stromabwärtigen Position verschiebbar.
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Der verschiebbare Abschnitt 3 und der feststehende Abschnitt 4 weisen ebenfalls jeweils eine Innenseite und eine Außenseite auf, wobei die Innenseite des verschiebbaren Abschnitts 3 und die Innenseite des feststehenden Abschnitts 4 die Innenseite 11 der Gondelwand 1 und die Außenseite des verschiebbaren Abschnitts 3 und die Außenseite des feststehenden Abschnitts 4 die Außenseite 12 der Gondelwand 1 bilden. Die Innenseiten und Außenseiten des verschiebbaren Abschnitts 3 und des feststehenden Abschnitts 4 werden daher nachfolgend ebenfalls mit dem Bezugszeichen 11, 12 bezeichnet.
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Die Innenseite 11 der Gondelwand 1 begrenzt einen Triebwerkseinlauf 2, der den für das zugehörige Gasturbinentriebwerk benötigten Haupt-Luftstrom 1a aufnimmt.
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Der verschiebbare Abschnitt 3 bildet an seiner stromaufwärtigen Vorderkante eine Einlauflippe 30 aus. Der feststehende Abschnitt 4 bildet an seiner stromaufwärtigen Vorderkante eine Einlauflippe 40 aus. In der stromaufwärtigen Position des verschiebbaren Abschnitts 3 liegt zwischen dem feststehenden Abschnitt 4 und dem verschiebbaren Abschnitt 3 ein Zusatz-Strömungskanal 5 vor, durch den Umgebungsluft 2 als Zusatz-Luftstrom 1b von der Außenseite in den Triebwerkseinlauf 2 strömen kann. Der Zusatz-Luftstrom 1b vereint sich mit dem Haupt-Luftstrom 1a und beide werden einem Fan des zugehörigen Gasturbinentriebwerks zugeführt. In der stromabwärtigen Position des verschiebbaren Abschnitts 3 grenzen der verschiebbare Abschnitt 3 und der feststehende Abschnitt 4 aneinander an, so dass der Zusatz-Strömungskanal 5 geschlossen ist.
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Um den verschiebbaren Abschnitt 3 gegenüber dem feststehenden Abschnitt 4 zu verschieben, umfasst die Triebwerksgondel 10 eine Mehrzahl von Aktuatoren. Diese sind in an sich bekannter Weise ausgebildet und in den Figuren nicht gesondert dargestellt. Eine beispielhafte Ausgestaltung von Aktuatoren ist in der
US 2018/0283276 A1 beschrieben.
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Der Triebwerkseinlauf 2 ist beispielsweise als supersonischer Einlauf ausgebildet, der eine supersonische Zuströmung im Einlauf auf ein subsonisches Geschwindigkeitsniveau reduziert, mit dem der nachfolgende Fan und Verdichter angeströmt wird. Dabei sind zahlreiche Ausgestaltungen des stromaufwärtigen Abschnitts 3 und des stromaufwärtigen Abschnitts 4 der Gondelwand 1 möglich. Das in der 1 dargestellte Ausführungsbeispiel ist lediglich schematisch und beispielhaft zu verstehen. Beispielweise kann alternativ vorgesehen sein, dass die Triebwerksgondel 1 angeschrägt ausgebildet ist, um im Überschallflug eine günstige Verdichtungsstosskonfiguration zu erzielen.
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Der verschiebbare Abschnitt 3 bildet an seinem stromabwärtigen Ende eine radial äußere Hinterkante 31 und eine radial innere Hinterkante 32 auf, wobei die radial innere Hinterkante 32 axial zu der radial äußeren Hinterkante 31 beabstandet ist und einen geringeren Radius aufweist. Zwischen der radial äußeren Hinterkante 31 und der radial inneren Hinterkante 32 bildet der stromaufwärtige Abschnitt 3 an seiner Außenseite eine Einbuchtung 6 aus. Diese ist konkav geformt.
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Angrenzend an die Einbuchtung 6 bildet der stromaufwärtige Abschnitt 3 eine luftdurchlässige Struktur 7 aus, die sich radial von der Außenseite 12 bis zur Innenseite 11 des stromaufwärtigen Abschnitts 3 erstreckt. Die luftdurchlässige Struktur 7 weist eine Innenseite 720 und eine Außenseite 730 auf. Die Innenseite 720 und die Außenseite 730 sind luftdurchlässig ausgebildet, so dass über sie Luft durch die luftdurchlässige Struktur 7 strömen kann.
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Die 3 zeigt eine Schnittansicht der Triebwerksgondel 10 der 2, wobei der verschiebbare Abschnitt 3 gegenüber dem feststehenden Abschnitt 4 stromaufwärts verschoben ist. Die 4 zeigt eine Schnittansicht der Triebwerksgondel 10 der 2, wobei der verschiebbare Abschnitt 3 sich in der stromabwärtigen Position befindet, so dass der verschiebbare Abschnitt 3 und der feststehende Abschnitt 4 aneinander angrenzen und der Zusatz-Strömungskanal 5 geschlossen ist. In der stromabwärtigen Position des verschiebbaren Abschnitts 3 bildet die luftdurchlässige Struktur 7 ein schallabsorbierendes Paneel, das Triebwerkslärm absorbiert, der sich durch den Triebwerkseinlauf 2 stromaufwärts ausbreitet. Dies wird nachfolgend anhand der 5 und 6 an einem Ausführungsbeispiel der Ausgestaltung der luftdurchlässige Struktur 7 weitergehend erläutert, wobei die 5 eine Vergrößerung des Abschnitts C der 3 und die 6 eine Vergrößerung des Abschnitts D der 4 darstellt.
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Gemäß der 5 ist die luftdurchlässige Struktur 7 beispielsweise durch ein Sandwichpaneel 70 gebildet. Dieses weist eine Kernschicht 71 in Wabenform auf, die eine Mehrzahl von länglichen Zellen 710 ausbildet, durch die Luft, die im Bereich der Einbuchtung 6 strömt, zur Innenseite 11 des verschiebbaren Abschnitts 3 geleitet werden kann. Insbesondere leiten die Zellen 710 Luft, die in der Einbuchtung 6 strömt, wenn Umgebungsluft 2 in den Zusatz-Strömungskanal strömt, zur Innenseite 11 des verschiebbaren Abschnitts ab. Hierdurch wird die Entstehung von Luftwirbeln in den Einbuchtungen 6 verhindert oder zumindest reduziert. Dies wiederum ermöglicht eine verbesserte und stabilere Umströmung der Hinterkanten 31, 32 des verschiebbaren Abschnitts. Damit wird die Zusatz-Luftströmung 1b im Zusatz-Strömungskanal 5 insgesamt verbessert, was zu einer Lärmminderung führt.
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Die Kernschicht 71 bzw. die Zellen 710 ermöglichen somit bei Vorliegen eines Druckunterschieds zwischen der Außenseite 12 im Bereich der Einbuchtung 6 und der Innenseite 11 eine Durchströmung mit Luft und einen Druckausgleich zwischen den beiden Seiten. Dabei ist es grundsätzlich auch möglich, dass Luft von der Innenseite 11 durch die Kernschicht 71 radial nach außen strömt, wenn entsprechende Druckverhältnisse vorliegen.
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Das Sandwichpaneel 70 umfasst des Weiteren eine innere Deckschicht 72, die die Kernschicht 71 innenseitig abdeckt. Die innere Deckschicht 72 ist mit Öffnungen für einen Luftdurchlass versehen. Sie ist beispielsweise durch eine perforierte Platte bzw. ein perforiertes Blech gebildet. Die Perforation wird beispielsweise durch eine Anordnung kleiner Löcher oder durch ein Maschengewebe gebildet. Die Löcher weisen beispielsweise einen Durchmesser im Bereich zwischen 0,1 und 3 mm, beispielsweise von 1 mm auf.
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Weiter umfasst das Sandwichpaneel 70 eine äußere Deckschicht 73, die die Kernschicht 71 außenseitig abdeckt. Diese ist ebenfalls mit Öffnungen für einen Luftdurchlass versehen, die in gleicher Weise oder anders als die Öffnungen in der inneren Deckschicht 72 ausgebildet sein können. Die äußere Deckschicht 73 ist dabei optional. Alternativ kommt das Paneel 70 ohne eine äußere Deckschicht 73 aus, wobei die Zellen 710 der Kernschicht 71 sich bis zur Einbuchtung 6 erstrecken.
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Das Sandwichpaneel 70 erfüllt eine weitere Funktion, wenn sich der stromaufwärtige Abschnitt 3 in der stromabwärtigen Position befindet, wie nachfolgend anhand der 6 erläutert wird. Dabei wird zunächst darauf hingewiesen, dass die Form der konvexen Einlauflippe 40 des feststehenden Abschnitts 4 mit der Form der Einbuchtung 6 des verschiebbaren Abschnitts 3 korrespondiert. Dementsprechend liegen die Einlauflippe 40 und die Einbuchtung 6 aneinander an, wenn der verschiebbare Abschnitt 3 sich in der stromabwärtigen Position befindet.
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Dabei verhält es sich so, dass in der stromabwärtigen Position des verschiebbaren Abschnitts 3 die Zellen 710 der Kernschicht 71 an ihren radial äußeren Enden durch die angrenzende Wandung der Einlauflippe 40, die eine feste Rückseite 410 bildet, einseitig akustisch verschlossen werden in dem Sinn, dass in die Zellen 710 eindringende Schallwellen an der Rückseite 410 der Einlauflippe 40 reflektiert werden. Dies führt zu einer Interferenz, die wiederum in an sich bekannter Weise zu einer Absorption der Schallwellen führt.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass das Sandwichpaneel 70 ohne äußere Deckschicht 73 ausgebildet ist, da die feste Rückseite 410 der Einlauflippe 40 für eine Schallreflexion sorgt. Es ist für die erläuterte Funktion einer Schallabsorption jedoch unschädlich, wenn das Sandwichpaneel 70 mit einer äußeren Deckschicht 73 versehen ist, wie in der 6 dargestellt. Sofern die äußere Deckschicht 73 bereits selbst eine Schallreflexion herbeiführt, wird diese durch die feste Rückseite 410 verstärkt, da die feste Rückseite 410 die in der äußeren Deckschicht 73 ausgebildeten Öffnungen verschließt. Sofern die äußere Deckschicht 73 nicht substanziell zu einer Schallreflexion führt, so wird diese im Wesentlichen durch die feste Rückseite 410 realisiert.
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Die luftdurchlässige Struktur, die gemäß den 5 und 6 beispielsweise als Sandwichpaneel 70 mit einer Kernschicht in Wabenform ausgebildet ist, erfüllt somit zwei Funktionen. Die erste Funktion wird realisiert, wenn der stromaufwärtige Abschnitt 3 in die stromaufwärtige Position verschoben ist. Die luftdurchlässige Struktur dient dann dazu, Luft von der Einbuchtung 6 zur Innenseite 11 des verschiebbaren Abschnitts zu leiten, um die Strömung zu verbessern und die Entstehung von Lärm zu reduzieren. Die zweite Funktion wird realisiert, wenn der stromaufwärtige Abschnitt 3 sich in der stromabwärtigen Position befindet. Die luftdurchlässige Struktur dient dann dazu, eine schallabsorbierende Wirkung auf den sich stromauf ausbreitenden Lärm vom Triebwerk zu realisieren.
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Die 10 und 11 zeigen eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels der 3 bis 6, bei der eine Sandwichstruktur mit einer Kernschicht in Wabenform sowohl im verschiebbaren Abschnitt 3 als auch im feststehenden Abschnitt 4 der Triebwerksgondel ausgebildet ist. Die 10 zeigt dabei den verschiebbaren Abschnitt 3 axial beabstandet vom feststehende Abschnitt 4 und die 11 den verschiebbaren Abschnitt 3 angrenzend an den feststehende Abschnitt 4.
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Im verschiebbaren Abschnitt 3 ist angrenzend an die Einbuchtung 6 eine als Sandwichpaneel 70 ausgebildete luftdurchlässige Struktur ausgebildet. Im Hinblick auf die Ausgestaltung dieser luftdurchlässige Struktur mit einer Kernschicht 71 in Wabenform, einer inneren Deckschicht 72, die die Kernschicht 71 innenseitig abdeckt und mit Öffnungen für einen Luftdurchlass versehen ist, und einer optionalen äußeren Deckschicht 73, die die Kernschicht 71 außenseitig abdeckt und ebenfalls mit Öffnungen versehen ist, wird auf die Beschreibung der 5 und 6 verwiesen.
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Beim Ausführungsbeispiel der 10 und 11 ist des Weiteren angrenzend an die Innenseite 11 des feststehenden Abschnitts 4 eine schalldämpfende Struktur in den feststehenden Abschnitt 4 integriert. Diese ist als Sandwichpaneel 80 mit einer Kernschicht 81 in Wabenform und einer inneren Deckschicht 82 versehen, die Öffnungen für einen Luftdurchlass aufweist. Die Kernschicht 81 in Wabenform umfasst eine Mehrzahl von länglichen Zellen, die in entsprechender Weise wie in Bezug auf die länglichen Zellen 710 der Kernschicht 71 der 4 und 5 beschrieben eine Schalldämpfung bewirken. Die Rückseite 84 des Sandwichpaneels 80 ist dagegen als harte Wand ausgebildet, so dass Schallwellen an ihr reflektiert werden.
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Im in der 11 dargestellten geschlossenen Zustand des Zusatz-Strömungskanals 5, wenn der verschiebbare Abschnitt 3 an dem feststehenden Abschnitt 4 anliegt, kommen die Sandwichpaneele 70, 80 der beiden Abschnitte 3, 4 aneinander zur Anlage. So ist das Sandwichpaneel 80 derart in dem feststehenden Abschnitt 4 positioniert, dass es im geschlossenen Zustand an das Sandwichpaneel 70 des verschiebbaren Abschnitts 3 angrenzt. Dadurch wird erreicht, dass die jeweiligen schallabsorbierenden Strukturen 71, 81 ineinander übergehen und eine in ihrer Dicke und Schallabsorption verbesserte schallabsorbierende Gesamtstruktur bilden.
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Die 7-9 zeigen mehrerer Ausführungsbeispiele einer Erfindungsvariante, bei der eine Lärmreduktion durch strukturelle Maßnahmen an der radial inneren Hinterkante des stromaufwärtigen Abschnitts 3 realisiert wird. Die Erfindungsvariante der 7-9 kann in Kombination mit der Erfindungsvariante der 2-6 oder unabhängig davon realisiert werden.
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Die grundlegende Struktur der Triebwerksgondel ist die gleiche wie bei der Erfindungsvariante der 2-6, so dass insofern auf die Beschreibung der 2-6 verwiesen wird. Insbesondere weist der verschiebbare Abschnitt 3 an seinem stromabwärtigen, dem feststehenden Abschnitt 4 zugewandten Ende eine radial äußere Hinterkante 31 und eine radial innere Hinterkante 32 auf, wobei die radial innere Hinterkante 32 axial beabstandet und dabei stromabwärts der radial äußeren Hinterkante 31 angeordnet ist. Zwischen der radial äußeren Hinterkante 31 und der radial inneren Hinterkante 32 ist eine Einbuchtung 6 ausgebildet.
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Dabei sind in der 7 zusätzlich Streben 95 dargestellt, die den verschiebbaren Abschnitt 3 mit dem feststehenden Abschnitt 4 verbinden, wobei durch eine Längsverstellung der Streben 95 der verschiebbare Abschnitt 3 axial verschiebbar ist. Dies ist jedoch lediglich beispielhaft zu verstehen und die axiale Verschiebbarkeit des verschiebbaren Abschnitts 3 kann alternativ auf andere Weise erfolgen.
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Die radial innere Hinterkante 32 verläuft dabei in Umfangsrichtung nicht gradlinig. Stattdessen ist vorgesehen, dass die axiale Position der radial inneren Hinterkante 32 in Umfangsrichtung variiert. Diese Variation kann periodisch oder nichtperiodisch erfolgen. In den dargestellten Ausführungsbeispielen der 7-9 erfolgt die Variation periodisch.
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Dabei sieht das Ausführungsbeispiel der 7 vor, dass die axiale Position der radial inneren Hinterkante 32a in Umfangsrichtung rechteckförmig variiert. Dementsprechend ist die Hinterkante 32a zinnenartig ausgebildet und weist im Wechsel axial hintere Abschnitte 321 und axial vordere Abschnitte 322 auf, die sich jeweils in Umfangsrichtung erstrecken und die über senkrechte Flanken 323 verbunden sind.
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Das Ausführungsbeispiel der 8 sieht vor, dass die axiale Position der radial inneren Hinterkante 32b zickzackförmig variiert. Dementsprechend wird die radial innere Hinterkante 32b aus geraden gleichlangen Strecken 326 gebildet, die in gleichen Winkeln aneinandergereiht sind, wodurch sich axial hintere Kanten 324 und axial vordere Kanten 325 ergeben.
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Das Ausführungsbeispiel der 9 sieht vor, dass die axiale Position der radial inneren Hinterkante 32c wellenförmig variiert. Die Variation kann beispielsweise sinusförmig oder in Form von aneinander gereihten Halbkreisen erfolgen. Dementsprechend weist die radial innere Hinterkante 32c gekrümmte Abschnitte 329 auf, die axial hintere Maxima 327 und axial vordere Minima 328 verbinden.
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In sämtlichen Ausführungsbeispielen der 7-9 wird durch die in Umfangsrichtung variierende axiale Position der radial inneren Hinterkante 32 die Kohärenz der Strömungsablösung an der Hinterkante 32 gestört. Dadurch erfolgt an der radial inneren Hinterkante 32 keine synchrone Strömungsablösung. Hierdurch wird insbesondere die Ausbildung von stabilen Wirbeln in der Einbuchtung 6 gestört. Dies wiederum führt dazu, dass in den Zusatz-Strömungskanal 5 einströmende Luft 1b die Hinterkanten 31, 32 des verschiebbaren Abschnitts 3 mit einer akustisch günstigeren Verwirbelung umströmen kann, so dass eine Lärmentwicklung reduziert wird.
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Die in den 7-9 beschriebenen Ausführungsvarianten einer Variation der Hinterkante 32 sind lediglich beispielhaft zu verstehen. Grundsätzlich ist jede periodische oder nichtperiodische Störung einer geradlinigen Hinterkante geeignet, die Kohärenz der Strömungsablösung an der Hinterkante 32 zu stören.
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Die Hinterkante 32 besteht beispielsweise aus einem Blech oder einem Kompositmaterial. Die Formgebung der Hinterkante 32 kann beispielsweise durch nachträgliches Stanzen oder bereits bei der Herstellung der Hinterkante 32 erfolgen.
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Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Auch wird hingewiesen, dass beliebige der beschriebenen Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale aus, die hier beschrieben werden und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.
