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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft Luftturbinenstarter für Gasturbinenmotoren im Allgemeinen
und die bei derartigen Startern verwendete Luftturbinen-Statoreinlassbaugruppe
im Besonderen.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Ein
Luftturbinenstarter ist eine Vorrichtung, die verwendet wird, um
ein Turbinentriebwerk, beispielsweise ein Gasturbinenstrahltriebwerk,
welches häufig
bei Flugzeugen zu finden ist, zu starten. Der Luftturbinenstarter
ist mit dem Strahltriebwerk verbunden und wird verwendet, um das
Strahltriebwerk auf im Allgemeinen dieselbe Weise zu starten, wie ein
Starter für
ein Kraftfahrzeug verwendet wird, um den Motor eines Kraftfahrzeuges
zu starten. Der Entwickler der vorliegenden Erfindungen, Honeywell
International, Inc., hat Luftturbinenstarter seit Jahren mit Erfolg
konstruiert, entwickelt, hergestellt und instandgesetzt.
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1 zeigt eine Teilschnittansicht eines
herkömmlichen
Luftturbinenstarters 100, der eine Lufteinlassbaugruppe 103 aufweist,
die mit einem Hauptgehäuse 105 zusammengefügt ist.
Innerhalb des Hauptgehäuses 105 sind
Luftwege und andere Komponenten, beispielsweise eine Turbinenbaugruppe 107,
ein Luftauslass 109 und ein Getriebe 111, das mit
einer Abtriebswelle (nicht dargestellt) verbunden ist, untergebracht.
Die Turbinenbaugruppe 107 weist ein Turbinenrad 113 mit
am Umfang angebrachten Schaufeln 115, eine drehbare Antriebswelle 117 und ein
Zahnrad 119 auf. Die Lufteinlassbaugruppe 103 setzt
sich aus zwei primären
Komponenten, einem Stator 121 und einer Außenschale 123,
zusammen. In vielen Fällen
sehen der Stator 121 und die Außenschale 123 zusammenpassende
Gewinde 125 vor. In manchen Fällen kann zusätzlich ein
Sicherungs stift 127 verwendet werden, um dazu beizutragen,
den Stator 121 und die Außenschale 123 zusammenzuhalten.
Weitere Turbinenstartermerkmale werden in den US-Patenten Nr. 6,318,958 (Giesler et al.)
und 4,914,906 (Burch) von Honeywell offenbart.
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Um
ein Strahltriebwerk anzulassen, wird zunächst der Luftturbinenstarter 100 aktiviert.
Im Allgemeinen wird eine derartige Aktivierung durch Verbinden einer
Druckluftleitung mit einem Lufteinlass 129, der durch den
Statorabschnitt 121 der Einlassbaugruppe 103 bereitgestellt
wird, realisiert. Druckluft wird durch einen konturierten Durchgang 131 durch Statorschaufeln 133 über die
Turbinenschaufeln 115 geleitet und über Luftauslässe 109 abgeführt. Beim Betrieb
wird die Energie der sich bewegenden Luft durch die Schaufeln 115 in
Drehbewegung umgewandelt, wodurch die Turbinenbaugruppe 107 in
Drehung versetzt wird.
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Im
Allgemeinen ist der Turbinenstarter 100 mit dem Strahlturbinentriebwerk
verbunden, derart, dass er sich mit dem Flugzeug mitbewegt. Infolgedessen
ist das Gewicht des Turbinenstarters 100 im Allgemeinen
eine einkalkulierte Komponente des Gesamtgewichts des Flugzeugs
und reduziert als solche die Gesamtmenge von Nutzlastgewicht, welches das
Flugzeug zu transportieren imstande ist. In der kommerziellen Luftfahrt
kann jedes zusätzliche Pfund
an Gewicht den Flugzeughersteller eine Geldstrafe kosten. Analog
dazu kann jede zusätzliche
Einsparung eines Pfundes dem Hersteller als finanzielle Einsparung
gutgeschrieben werden.
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Wie
oben festgehalten wurde, setzt sich die Einlassbaugruppe 103 aus
zwei Komponenten zusammen, und zwar aus dem Stator 121 und
der Außenschale 123.
Die Funktion der Statorschaufeln 133 ist, die zugeführte Druckluft über die
Turbinenschaufeln zu leiten. Die enger werdenden Durchgänge zwischen
den Statorschaufeln 133 dienen als Düsen, um die Geschwindigkeit
der Luft zu erhöhen,
wenn diese auf die umlaufenden Turbinenschaufeln 115 auftrifft. In
Anbetracht der Geschwindigkeit und des Drucks der Druckluft ist
es im Allgemeinen erstrebenswert, die Richtung des Luftstroms zu
den Turbinenschaufeln 115 derart auszurichten, dass Beanspruchung und
Verschleiß der
Turbinenbaugruppe reduziert wird. Die Außenschale 123 richtet
im Allgemeinen die Statorschaufeln 133 mit den Turbinenschaufeln 115 aus
und sieht den äußeren Abschnitt
des konturierten Durchgangs 135, welcher zu den Luftauslässen 109 führt, vor.
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Die
Herstellung der Lufteinlassbaugruppe 103 ist in Anbetracht
des Wesens des Lufteinlasses 129, des konturierten Durchgangs 131 und
der Konfiguration der Statorschaufeln 133 für gewöhnlich ein Bearbeitungsvorgang
mit Werkzeugen. Wie der Name schon sagt, drehen sich der Statur 121 und
die Statorschaufeln 133 nicht. Für gewöhnlich kann die Außenschale 123 als
ein Stück
aus einer Titanlegierung gefertigt werden, die auf Grund ihrer Festigkeit und
ihres verhältnismäßig geringen
Gewichts sowie anderer Eigenschaften zweckmäßig ist.
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Die
Herstellung des Stators 121 als einzelner Gegenstand aus
einer Titanlegierung war bislang nicht realisierbar. Die Konturen,
Tragflächenformen und
begrenzten Räume
haben Versuche fehlschlagen lassen, einfach den Stator 121,
geschweige denn die Außenschale 123 und
den Statur 121, als einzelnen zusammenhängenden Gegenstand herzustellen.
Infolgedessen wird der Statur 121 im Allgemeinen aus einer
schwereren, jedoch einfacher zu bearbeitenden Legierung, beispielsweise
aus einer Inconel-Legierung, hergestellt. Eventuell sind mehrere
Bearbeitungsschritte erforderlich, um den Statur 121 mit
der Außenschale 123 zusammenzufügen, wobei
jeder Schritt möglicherweise
zusätzliche
Schulung, Ausstattungen, Kosten und Zeit sowie möglicherweise unterschiedliche
geografische Orte für jeden
Fertigungsschritt erfordert – ein
Faktor, der für Zeitaufwand
und Versand noch zusätzliche
Kosten erzeugt. Darüber
hinaus kann die Außenschale 123 konisch
erweitert oder mit zusätzlicher
Seitenwanddicke in dem Bereich, in dem die zusammenpassenden Gewinde 121 untergebracht
sind, hergestellt werden. Demnach kann das Gewicht der verdickten
Einlassbaugruppe 103 größer sein
als jenes, welches mit einer einstückigen Einlassbaugruppe erreicht
werden könnte.
Ferner können,
da die Außenschale 123 und der
Stator 121 aus unterschiedlichen Metalllegierungen gefertigt
sind, die unterschiedliche relative Härte und die unterschiedlichen
Wärmeausdehnungs-
und -kontraktionseigenschaften die Gewindeverbindung fehlschlagen
lassen und den Verschleiß zwischen den
Komponenten beschleunigen.
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Der
Verschleiß der
Statorschaufeln 133 und der Turbinenschaufeln 115 wird
als natürliches
Resultat des Starterbetriebs betrachtet. In bestimmten Fällen können interne
Vibrationen und/oder dynamische Reaktionen der Turbinenschaufeln
zum Bruch der Turbinenschaufeln 115 führen, was auch als „Mäusebisse" bekannt ist. Das
Auftreten gelegentlicher Mäusebisse
an den Turbinenschaufeln 115 kann die betriebliche Leistung
verringern, innere Schäden
verursachen und/oder den Bedarf an Wartung beschleunigen. Die gängige Praxis
des Arretierens des mit der Außenschale 123 zusammengefügten Stators 121 mittels
eines Sicherungsstiftes 127 hat sich gelegentlich als erfolglos
erwiesen. Durch Betriebsvibrationen des Flugzeugs, Wärmeausdehnung
und -kontraktion und/oder eventuell sogar Montagefehler kann das
Ende 137 des Sicherungsstifts 127 in den konturierten
Durchgang 131 eingeführt werden,
wobei dieses Ereignis die Leistung des Starters beeinträchtigen
kann oder auch nicht. Sollte sich der Sicherungsstift 127 während des
Betriebs lösen und
zur Gänze
in den Durchgang 131 eintreten, kann das Hindurchtreten
des Stiftes 127 durch die Statorschaufeln 133 und/oder
die Turbinenschaufeln 115 beträchtliche Schäden an diesen
Komponenten verursachen und die Gesamtfunktion und Leistung des Turbinenstarters
beeinträchtigen
und einen umfassenderen Umbau des Turbinenstarters 100 erforderlich
machen.
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Allerdings
sollte man sich dessen bewusst sein, dass trotz des Nachteils von
Mäusebissen
und der möglichen
Fehlfunktion des Sicherungsstiftes 127 Luftturbinenstarter
im Allgemeinen sicher und zuverlässig
im Betrieb sind. Inspektionen des Lufteinlasses 129 und
des Stators 121 sind im Allgemeinen ein Teil der routinemäßigen Wartungspläne, die
für den
Turbinenstarter 100 festgelegt wurden.
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Allerdings
besteht ein Bedarf an einem verbesserten Luftturbinenstarter, der
einen Einlass und einen Stator mit verbesserten Eigenschaften aufweist,
um einen oder mehrere der oben dargelegten Nachteile zu beheben.
Die vorliegende Erfindung erfüllt
ein oder mehrere dieser Erfordernisse.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung sieht einen Luftturbinenstarter mit einer verbesserten
einstückigen
Einlasskonstruktion für
Gasturbinenanwendungen und eine zugehörige verbesserte einstückige Einlasskonstruktion
vor.
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Insbesondere
und lediglich als Beispiel dienend sieht eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung einen Luftturbinenstarter mit einem Hauptgehäuse, einer
Turbinenbaugruppe, die zum Teil innerhalb des Hauptgehäuses angeordnet
ist, und einer einstückigen
Einlasskonstruktion vor. Die Turbinenbaugruppe weist ein Turbinenrad
mit mehreren am Umfang angebrachten Schaufeln auf. Die einstückige Einlasskonstruktion
ist mit dem Hauptgehäuse verbunden
und umschließt
im Wesentlichen einen Abschnitt des Turbinenrads. Die einstückige Einlasskonstruktion
ist durch einen Gehäuseabschnitt
mit mindestens einem Einlass, einer inneren Oberfläche und
einer Montageoberfläche
gekennzeichnet. Ein Statorabschnitt ist mindestens zum Teil innerhalb
des Gehäuseabschnitts
angeordnet und weist eine äußere Oberfläche auf.
Mindestens ein Abschnitt der inneren Oberfläche des Gehäuseabschnitts und mindestens
ein Abschnitt der äußeren Oberfläche des
Statorabschnitts bilden einen Durchflussweg, der den Lufteinlass
des Gehäuseabschnitts
mit den Turbinenschaufeln in Fließverbindung bringt.
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Darüber hinaus
sieht die Erfindung gemäß einer
Ausführungsform
davon eine einstückige
Einlasskonstruktion eines Luftturbinenstarters vor. Die einstückige Einlasskonstruktion
ist durch ein ringförmiges
Gehäuse
mit einer Längsmittellinie
gekennzeichnet. Das Gehäuse
definiert einen Lufteinlass, eine innere Oberfläche und eine Montageoberfläche. Ein
ringförmiger
Luftleiter ist einstückig
als Teil des ringförmigen
Gehäuses
ausgebildet vorgesehen, wobei der ringförmige Luftleiter mindestens
zum Teil innerhalb des ringförmigen
Gehäuses
angeordnet ist und eine äußere Oberfläche aufweist.
Mindestens ein Abschnitt der inneren Oberfläche des ringförmigen Gehäuses und
die äußere Oberfläche des
Luftleiters bilden einen Durchflussweg, welcher sich im Wesentlichen
parallel zu der Längsmittellinie
erstreckt.
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Bei
noch einer anderen Ausführungsform kann
die Erfindung eine einstückige
Einlasskonstruktion aus Titan für
einen Luftturbinenstarter bereitstellen. Die einstückige Einlasskonstruktion
aus Titan ist durch ein Gehäuse
mit einer Längsmittellinie,
einem Lufteinlass, einer inneren Oberfläche, einer Montageoberfläche gekennzeichnet,
wobei das ringförmige Gehäuse einen
Durchflussweg zwischen dem Lufteinlass und der Montageoberfläche definiert.
Ein Stator ist einstückig
als Teil des Gehäuses
ausgebildet. Der Stator ist mindestens zum Teil innerhalb des Gehäuses zwischen
dem Einlass und der Montageoberfläche und im Wesentlichen quer
zu der Längsmittellinie
angeordnet.
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In
optionalen Details kann der Stator ferner durch einen zentralen
kreisförmigen
Körper
mit mehreren winkelig beabstandeten, am Umfang angebrachten Statorschaufeln
gekennzeichnet sein. Die Statorschaufeln können auch asymmetrisch beabstandet
sein.
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Bei
noch einer anderen Ausführungsform stellt
die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer einstückigen Einlasskonstruktion
aus Titan eines Luftturbinenstarters bereit. Das Verfahren umfasst das
Gießen
einer einstückigen
Einlasskonstruktion aus einer Legierung. Die gegossene einstückige Einlasskonstruktion
ist zunächst
durch ein überdimensioniertes
ringförmiges
Gehäuse
mit einer Längsmittellinie,
mindestens einem Lufteinlass und einer Montageoberfläche gekennzeichnet.
Ein überdimensionierter
Stator ist als Teil des überdimensionierten
ringförmigen
Gehäuses
ausgebildet. Der überdimensionierte
Stator ist mindestens zum Teil innerhalb des Gehäuses angeordnet und weist mehrere
winkelig beabstandete, am Umfang angebrachte überdimensionierte Statorschaufeln
auf, die den Stator mit dem ringförmigen Gehäuse verbinden. Das überdimensionierte
Gehäuse
und der Stator werden formgeätzt, um
Legierung von den überdimensionierten
Oberflächen
zu entfernen. Der Zwischenraum zwischen den formgeätzten Statorschaufeln
wird gemessen und mit einem oder mehreren Vorgabewerten verglichen. Die
Schritte des Formätzens
und des Messens werden wiederholt, bis mindestens der gemessene
Zwischenraum zwischen den formgeätzten
Statorschaufeln im Wesentlichen gleich einem oder mehreren Vorgabewerten
ist.
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile der bevorzugten Vorrichtung und
des bevorzugten Verfahrens gehen deutlich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung
in Zusammenschau mit den beiliegenden Zeichnungen hervor, welche
die Erfindungsgedanken beispielhaft veranschaulichen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1A ist
eine Teilquerschnittansicht eines im Stand der Technik bekannten
Turbinenstarters mit einer zweistückigen Statoreinlassbaugruppe;
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1B ist
eine vergrößerte Querschnittansicht
der Gewindebefestigung der im Stand der Technik bekannten Baugruppe
aus 1A;
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2 ist
eine Teilquerschnittansicht eines Luftturbinenstarters mit einer
einstückigen
Einlasskonstruktion gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3A ist
eine Halbschnittansicht der einstückigen Einlasskonstruktion
aus 2;
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3B ist
eine Teilschnittansicht der einstückigen Einlasskonstruktion
aus 2;
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4 ist
eine perspektivische Ansicht der einstückigen Einlasskonstruktion
aus 3A und 3B;
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5 ist
eine Außenansicht
der einstückigen
Einlasskonstruktion aus 4;
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6 ist
eine Innenansicht der einstückigen Einlasskonstruktion
aus 5;
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7A bis 7C veranschaulichen
die Schritte des Herstellens der einstückigen Einlasskonstruktion
aus 3A und 3B.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Ehe
wir mit der ausführlichen
Beschreibung beginnen, muss festgehalten werden, dass die vorliegende
Erfindung nicht auf die Verwendung oder Anwendung bei einem konkreten
Typ von Luftturbinenstarter begrenzt ist. Demnach kann, wenngleich
die vorliegende Erfindung, um die Erläuterung zu vereinfachen, in
Bezug auf einen Typ von einstückigem Luftturbinenstatoreinlass
veranschaulicht und beschrieben werden kann, welcher in Zusammenhang mit
einem Gasturbinentriebwerk verwendet werden kann, diese Erfindung
auf andere Typen und Arten von Luftturbinenstarter angewandt werden,
die bei anderen Turbinentriebwerksanwendungen verwendet werden.
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Eine
Teilschnittansicht eines beispielhaften Luftturbinenstarters 100,
der sich einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bedient, ist in 2 dargestellt.
Wie darin dargestellt ist, weist der Luftturbinenstarter 100 ein
Hauptgehäuse 105,
ein Getriebe 111, eine Turbinenbaugruppe 107,
eine einstückige Einlasskonstruktion 200 und
mindestens eine Luftauslassöffnung 202 auf.
Das Getriebe 111 ist mit einer Abtriebswelle (nicht dargestellt)
verbunden, die ihrerseits beispielsweise mit einem Mantelstromturbinenluftstrahltriebwerk
verbunden ist. Die Turbinenbaugruppe 107 weist ein Turbinenrad 113 mit
am Umfang angebrachten Schaufeln 115 und eine drehbare
Antriebswelle 117, die sich in das Hauptgehäuse 105 erstreckt
und mit dem Zahnrad 119 und dem Getriebe 111 zusammengefügt ist,
auf.
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Der
einstückige
Einlass und Stator, welche vereinfacht als die einstückige Einlasskonstruktion 200 bezeichnet
werden, weisen einen Gehäuseabschnitt 204 mit
einer inneren Oberfläche 228,
die einen Lufteinlass 206 definiert, einer Montageoberfläche 208 und
einem Durchflussweg (durch Pfeile 210 gekennzeichnet) zum
Transportieren eines Luftstroms dazwischen auf. Bei mindestens einer
Ausführungsform
ist das Gehäuse 204 ein
ringförmiges Gehäuse um eine
Längsmittellinie 212.
Die Längsmittellinie 212 kann
mit der Längsmittellinie
der Antriebswelle 117 im Wesentlichen übereinstimmen. Ein ringförmiger Luftleiter 214,
beispielsweise ein Statur 216, ist als Teil des Gehäuses 204 nahe
dem Einlass 206 einstückig
ausgebildet. Insbesondere ist der Luftleiter 214 mindestens
zum Teil innerhalb des Gehäuses 204,
im Wesentlichen quer zu dem Durchflussweg 210 und konzentrisch
zu der Längsmittellinie 212 angeordnet.
Der Stator 216 weist eine äußere Oberfläche 230 auf, die,
gemeinsam mit der inneren Oberfläche 228 des
Gehäuses 204 ferner
den Durchflussweg 210 bildet und definiert. Insbesondere bringen
mindestens ein Abschnitt der inneren Oberfläche 288 des Gehäuses 204 und
ein Abschnitt der äußeren Oberfläche 230 des
Stators 216 den Lufteinlass 206 mit den Turbinenschaufeln 115 in
Fließverbindung.
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Die
Montageoberfläche 208 ist
ausgestaltet und ausgelegt, um die einstückige Einlasskonstruktion 200 mit
dem Hauptgehäuse 105 zusammenzufügen, derart,
dass der Stator 216 nahe der stromaufwärtigen Seite 218 des
Turbinenrades 113 angeordnet ist. Darüber hinaus ist das Turbinenrad 113 im Wesentlichen
durch die einstückige
Einlasskonstruktion 200 umgeben. Die Auslässe 202 sind
nahe der stromabwärtigen
Seite 220 des Turbinenrads angeordnet. Unter geeigneten
Umständen
können
die Auslässe 202 als
Teil des Gehäuses 204 der
einstückigen
Einlasskonstruktion 200 und nicht des Hauptgehäuses 150 des
Starters 100 vorgesehen werden. Wie konzeptionell veranschaulicht
ist, definieren die einstückige
Einlasskonstruktion 200 und das Hauptgehäuse 105 einen
Durchflussweg durch den Durchgang 222. Druckluft, welche
in den Einlass 206 eintritt, wird durch den Durchgang 222 durch
den Statur 216, durch die Schaufeln 115 des Turbinenrads 113 und
zu dem Auslass 202 geleitet.
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Das
Zusammenfügen
der einstückigen
Einlass konstruktion 200 mit dem Hauptgehäuse 105 kann
mittels einer beliebigen der zahlreichen Formen von Befestigungseinrichtungen,
beispielsweise mittels Gewindebuchsen 300 (siehe 3), die ausgelegt sind, um Bolzen 224 aufzunehmen,
welche sich von dem Hauptgehäuse 105 wegerstrecken,
realisiert werden. Unter geeigneten Umständen können andere geeignete alternative
Verbindungsverfahren angewandt werden. Im Allgemeinen wechseln einander
Befestigungsbolzen 224 und Auslassöffnungen 202 in ihrer
Anordnung rund um das Äußere des Hauptgehäuses 105 ab.
Unter geeigneten Umständen
kann ein Bolzen 224 durch einen Abschnitt des Auslasses 202 hindurch
verlaufen, oder der Auslass 202 kann Zugang zu dem Befestigungsbolzen 224 ermöglichen.
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Die
Vorteile der einstückigen
Einlasskonstruktion 200 sind ferner anhand der in 3 bis 6 bereitgestellten
Ansichten nachvollziehbar. Die perspektivische Ansicht aus 4,
sowie die Außenansicht
aus 5 und die Innenansicht aus 6, wurden
bereitgestellt, um 3A und 3B zu
ergänzen.
Wie in den Schnittansichten aus 3A und 3B dargestellt
ist, sind das Gehäuse 204 und
der Stator 216 vorteilhaft als vereinigtes Ganzes ausgebildet.
Es sind nicht wie beim Stand der Technik Gewinde, Schweißnähte oder
andere Formen der Befestigung, welche getrennt ausgebildete Komponenten
verbinden, vorhanden. Der Begriff „einstückig" ist in diesem Dokument in Bezug auf
die einstückige Einlasskonstruktion 200 derart
zu verstehen und auszulegen, dass er die Konstruktion als ungeteiltes Ganzes
und nicht als eines, das aus einer Anzahl von getrennt gefertigten
Teilen zusammengebaut wird, definiert. Wie unten ausführlicher
beschrieben wird, ist die einstückige
Einlasskonstruktion 200 vorzugsweise aus einer Titanlegierung
hergestellt.
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Bei
mindestens einer Ausführungsform
ist der Stator 216 durch einen zentralen kreisförmigen Körper 302 mit
mehreren winkelig beabstandeten, am Umfang angebrachten Schaufeln,
die gemeinhin als Statorschaufeln 304, Statorflügel oder
Statoradern bezeichnet werden, gekennzeichnet. Wie dargestellt ist,
können
die Statorschaufeln 304 etwa an dem Mittelpunkt zwischen
dem Lufteinlass 206 und der Montageoberfläche 208 vorliegen.
Bei mindestens einer Ausführungsform
sind die Statorschaufeln 304 im Wesentlichen identisch.
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Der
zentrale Körper 302 kann
als von etwas parabelförmiger
Gestalt beschrieben werden, derart, dass sich der Mittelpunkt 306 zu
dem Lufteinlass 206 hinerstreckt. Insbesondere dient der
zentrale Körper 302 dazu,
den Durchflussweg 210 zu definieren, wobei die zugeführte Druckluft
in die Statorschaufeln 304 geleitet wird. Wie aus 3A hervorgeht,
verengt sich der definierte Durchgang 308 (der erste Teil des
in 2 dargestellten Durchflusswegs 202) über die
Erstreckung der Oberfläche
des zentralen Körpers 302 von
dem Mittelpunkt 306 zu den Statorschaufeln 304 hin.
Diese Verengung des Durchgangs 308 dient dazu, die Luft
weiter zu komprimieren und ihre Geschwindigkeit zu erhöhen, während sie
in die Statorschaufeln 304 geleitet wird.
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Um
den richtigen Strom der geleiteten Luft durch die Turbinenschaufeln 115 zu
unterstützen
und sicherzustellen, kann der Stator 216 zusätzlich einen äußeren Ring 310 aufweisen.
Wenn die einstückige Einlasskonstruktion 200 an
dem Hauptgehäuse 105 angebracht
ist, kann der äußere Ring 310 mindestens
einen Abschnitt der distalen Kanten 226 der Turbinenschaufeln 115 (siehe 2)
umgeben. Eine ungeeignete Anordnung des Stators 216 in
Bezug auf die Turbinenschaufeln 115 kann zu einem ungeeigneten
Luftstrom zwischen dem Stator und der Turbine führen und die Leistung des Turbinenstarters 100 entsprechend
senken.
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Da
die im Stand der Technik bekannte Baugruppe voraussetzt, dass der
Stator 121 und die Außenschale 123 zusammengefügt werden,
beispielsweise durch zusammenpassende Gewinde 125, wird eventuell
nicht immer eine im Wesentlichen exakte Anordnung des Stators 121 in
Bezug auf die Turbinenschaufeln 115 erreicht. Bearbeitungsprobleme beim
Gewindeherstellungsprozess können
dazu führen,
dass der Stator 121 entweder zu nahe bei oder zu weit von
den Turbinenschaufeln 115 entfernt ist. Ein vorteilhaftes
Resultat der in diesem Dokument offenbarten einstückigen Konstruktion
ist die im Wesentlichen exakte und einheitliche Anordnung des Stators 216 in
Bezug auf die Turbinenschaufeln 115, wenn die einstückige Einlasskonstruktion 200 an dem
Hauptgehäuse 105 befestigt
ist.
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Um
die Geschwindigkeit der Luft weiter zu steigern, wenn diese durch
die Turbinenschaufeln 115 strömt, können die Statorschaufeln 304 eine Querschnittform
einer Tragfläche 320 aufweisen
(siehe 3B). Im Allgemeinen liegt die
Eintrittskante 322 jeder Statorschaufel in einer gemeinsamen
Ebene 326 quer zu der Längsmittellinie 212.
Auf ähnliche Weise
liegt die Austrittskante 324 jeder Statorschaufel in einer
gemeinsamen Ebene, die parallel zu der Ebene verläuft, welche
durch die mehreren Eintrittskanten 322 definiert wird.
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Beim
Betrieb des Luftturbinenstarters wird dem Lufteinlass 206 Druckluft
zugeführt,
im Allgemeinen mittels eines flexiblen Schlauches. Um das Befestigen
eines Schlauches zu unterstützen,
kann die einstückige
Einlasskonstruktion 200 eine vorspringende Randleiste 312 oder
eine andere geeignete Konstruktion aufweisen, an welcher ein Zufuhrschlauch
ohne Weiteres befestigt werden kann. Die unbeweglichen, starr angebrachten
Statorschaufeln 304 dienen zum Teil dazu, die Turbinenbaugruppe 107 vor
der direkten Last der möglicherweise
ungleichmäßigen Schubkraft
zu schützen,
welche durch die Druckluft vorgesehen wird, wenn diese aus dem Zufuhrschlauch
austritt und in den Lufteinlass 206 eintritt. Die Druckluft
wird durch den Durchgang 308 derart geleitet, dass sie
an den Statorschaufeln 304 mit einer Strömungsausrichtung
eintrifft, die im Wesentlichen parallel zu der Längsmittellinie 212 verläuft. In
Bezug auf diesen Strom von eintreffender Luft sind die Statorschaufeln 304 mit
einem Anstellwinkel ausgerichtet, um den Luftstrom für die Zufuhr in
die Turbinenschaufeln 115 gleichmäßig auszurichten. Es versteht
sich und ist erkennbar, dass ein Anstellwinkel eines, beispielsweise
einer der Turbinenschaufeln 115, der Winkel ist, in welchem
die Anströmrichtung
mit dem angeströmten
Körper
zusammentrifft. Bei mindestens einer Ausführungsform beträgt der Anstellwinkel
etwa 36,738 Grad. Ferner kann bei mindestens einer Ausführungsform
die winkelige Beabstandung der Statorschaufeln 304 symmetrisch
sein.
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Wie
oben festgehalten wurde, kam es bei im Stand der Technik bekannten
Turbinenstartern gelegentlich zu Mäusebissen an den Turbinenschaufeln 115.
Gemäß mindestens
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung können
die Oberschwingungen, welche durch die Luft, die von dem Stator 216 durch
die Turbinenschaufeln 115 hindurchtritt, erzeugt werden
und die Voraussetzungen für
das Auftreten von Mäusebissen
schaffen, im Wesentlichen verhindert werden. Insbesondere ist gemäß mindestens
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die winkelige Beabstandung der Statorschaufeln 304 asymmetrisch.
Die asymmetrische Beabstandung der Statorschaufeln 304 veranlasst
verschiedene Abschnitte des Stators 216 dazu, Luft leicht
unterschiedlich den Turbinenschaufeln 115 zuzuführen. Wie
ein Techniker einem Laien gegenüber verallgemeinern
könnte,
wird das Turbinenrad während
seiner Umdrehungen getäuscht – zu einem
Zeitpunkt der Umdrehung erhalten die Schaufeln 115 Luft von
einem Stator 216, der eine Anzahl von Statorschaufeln 304 zu
haben scheint und zu einem nächsten
Zeitpunkt eine andere Anzahl von Statorschaufeln 340 zu
haben scheint.
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Derartige
Unterschiede bei der Luftzufuhr reichen aus, um die Entstehung von
potenziell schädigenden
Oberschwingungsfrequenzen in den Turbinenschaufeln 115 zu
stören
und/oder andernfalls zu verhindern.
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Die
asymmetrische winkelige Beabstandung der Statorschaufeln 304 ist
mit Bezugnahme auf 6 besser nachzuvollziehen. Die
Statorschaufeln 304 können
in mindestens drei Gruppen unterteilt sein. Die erste Gruppe 600 von
Statorschaufeln 304 kann durch im Wesentlichen gleiche
winkelige Beabstandung 602 über die Gesamtanzahl von Statorschaufeln
insgesamt plus mindestens einer gekennzeichnet sein, wobei die beabstandete
Anordnung einen ersten Bogen 604 mit einem ersten Ende 606 und
einem zweiten Ende 608 bildet.
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Die
zweite Gruppe 610 von Statorschaufeln 304 kann
durch im Wesentlichen gleiche winkelige Beabstandung 612 über die
Gesamtanzahl von Statorschaufeln insgesamt minus mindestens einer
gekennzeichnet sein, wobei die beabstandete Anordnung einen zweiten
Bogen 614 mit einem ersten Ende 616 und einem
zweiten Ende 618 bildet. Eine Übergangsgruppe 620 ist
durch eine gerade Anzahl von Statorschaufeln 304 gekennzeichnet,
die im Wesentlichen eine gleiche winkelige Beabstandung 622 über die
Gesamtanzahl von Statorschaufeln 304 aufweist. Die Übergangsgruppe 620 dient
dazu, für
den Übergang
der Beabstandung von der ersten Gruppe 600 zu der zweiten
Gruppe 610 und von der zweiten Gruppe 610 zurück zu der
ersten Gruppe 600 zu sorgen. Insbesondere wird bei mindestens
einer Ausführungsform
eine Hälfte
der Übergangsgruppe 620, beispielsweise
die Statorschaufel 624, zwischen dem zweiten Ende 608 des
ersten Bogens 604 und dem ersten Ende 616 des
zweiten Bogens 614 angeordnet. Analog dazu wird die zweite
Hälfte
der Übergangsgruppe 620,
beispielsweise die Statorschaufel 626, zwischen dem zweiten
Ende 618 des zweiten Bogens 614 und dem ersten
Ende 606 des ersten Bogens 604 angeordnet. Diese
Anordnung der ersten Gruppe 600, der zweiten Gruppe 610 und
der Übergangsgruppe 620 bildet
im Wesentlichen einen Kreis.
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Wie
dargestellt ist, weist der Stator 216 bei mindestens einer
Ausführungsform 29 Statorschaufeln 304 auf.
Darüber
hinaus kann bei mindestens einer Ausführungsform die Anzahl von Statorschaufeln 304 in
jeder der oben genannten Gruppen wie folgt sein; die erste Gruppe 600 mit
14; die zweite Gruppe mit 13; und die Übergangsgruppe mit 2. Die Winkelbeabstandung 602 der
Schaufeln der ersten Gruppe 600 (Statorschaufeln 304 1
bis 14) beträgt
etwa 12,0000 Grad. Die Winkelbeabstandung 612 der Schaufeln
der zweiten Gruppe 608 (Statorschaufeln 304 16
bis 28) beträgt
etwa 12,8571 Grad. Die Winkelbeabstandung 622 der Übergangsgruppe 622 (Statorschaufeln 304 15
und 29) beträgt
etwa 12,4286 Grad.
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In
diesem Dokument wird der Begriff Winkelbeabstandung derart verstanden
und ausgelegt, dass er Winkelschritte um den Umfang eines Kreises bezeichnet.
Beispielsweise wird das Anordnen von 12 Punkten mit der Winkelbeabstandung
von 30 Grad über
den Umfang eines Kreises jene Stundenmarken ergeben, die für gewöhnlich auf
herkömmlichen
nichtdigitalen Uhren zu sehen sind. Darüber hinaus wird, von einem
einheitlichen Punkt gemessen, von einer Statorschaufel zu der nächsten (Eintrittskante 322,
Austrittskante 324 oder anderer Bezugspunkt), wenn die
Statorschaufel A' eine
Winkelbeabstandung von 12,0000 Grad von der Statorschaufel A aufweisen
soll, die Eintrittskante 322 der Statorschaufel A' 12,0000 Grad von
der Eintrittskante 322 der Statorschaufel A entfernt sein.
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Zusätzlich zu
der oben besprochenen exakten Anordnung des Stators 216 in
Bezug auf die Turbinenschaufeln 115 bringt die einstückige Einlasskonstruktion 200 zahlreiche
zusätzliche
Vorteile mit sich. Durch Wegfallen der zusätzlichen Bearbeitungen, die
erforderlich sind, um die Ständer-
und Gehäusekomponenten
mit Gewinden zu versehen, so dass diese zusammengefügt werden
können,
können
Fertigungskosten und -zeit reduziert werden. Darüber hinaus entfällt die
Verwendung eines Sicherungsstifts oder einer anderen Arretiervorrichtung, welche
sich versehentlich lösen
und innere Schäden an
dem Luftturbinenstarter 100 verursachen können. Ferner
werden als natürliches
Ergebnis der Reduktion der Komponentenanzahl Inventarisierungs-,
Verfolgungs- und Bestellungsangelegenheiten vereinfacht.
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
der einstückigen
Einlasskonstruktion 200 werden vorzugsweise mit einer einstückigen Einlasskonstruktion 200 aus
Titan realisiert. Insbesondere kann die Herstellung der einstückigen Einlasskonstruktion 200 durch
Verwendung einer Titanlegierung realisiert werden, beispielsweise
einer Universal-Titanlegierung, wie sie für gewöhnlich in der Flugzeugindustrie für Teile,
die ein gutes Festigkeits/Gewichts-Verhältnis und eine gute Korrosionsbeständigkeit
benötigen, verwendet
wird.
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Bei
mindestens einer Ausführungsform
kann die allgemein bekannte und als Ti6Al4V bezeichnete Legierung
verwendet werden. Die einstückige
Einlasskonstruktion 200, welche aus der Titanlegierung hergestellt
wird, kann erheblich leichter sein als im Stand der Technik bekannte
Stator-und-Einlass-Baugruppen,
wobei das Gehäuse
aus Titanlegierung hergestellt ist, der Stator jedoch aus einer
schwereren Legierung, beispielsweise einer herkömmlichen Inconel-Legierung, hergestellt
ist. Bei mindestens einer Ausführungsform
kann die einstückige
Einlasskonstruktion 200 etwa 0,5 Pfund (~0,23 kg) leichter
als herkömmliche
im Stand der Technik bekannte Einlass-und-Stator-Baugruppen sein, wobei diese
Errungenschaft für
das Luftfahrtsunternehmen einer Ersparnis von etwa $500 je Abhebevorgang
gleichkommt.
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Nachdem
die einzelnen Komponenten der einstückigen Einlasskonstruktion 200 beschrieben wurden,
wird nun ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen einer Einlasskonstruktion 200 aus
Titan beschrieben, welche in 7 dargestellt
ist. Es wird zu erkennen sein, dass das beschriebene Verfahren nicht
in der Reihenfolge durchgeführt
werden muss, in welcher dieses in diesem Dokument beschrieben wird,
sondern dass diese Beschreibung lediglich für ein bevorzugtes Verfahren
zum Herstellen einer einstückigen
Einlasskonstruktion 200 aus Titan gemäß der vorliegenden Erfindung
beispielhaft ist.
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Bei
mindestens einer Ausführungsform
kann eine Herstellung, die Gießen
miteinschließt,
verwendet werden. Bei der Verwendung von Gießen ist es nicht erforderlich,
dass der Stator 216 oder genauer gesagt die Statorschaufeln 304 getrennt
gefertigt, angeordnet und mittels eines geeigneten Verfahrens zusammengefügt werden.
Gießen
ermöglicht
auf vorteilhafte Weise, das äußere Gehäuse 204 und
den inneren Stator 216 aus im Wesentlichen derselben Legierung
und im Wesentlichen gleichzeitig zu formen.
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Wie
oben festgehalten wurde, waren vorangehende Versuche, eine einstückige Einlasskonstruktion 200 aus
Titan herzustellen, erfolglos. Um diese Hürde zu überwinden, wird bei mindestens
einer Ausführungsform
ein überdimensioniertes
ringförmiges
Gehäuse 704,
welches eine Längsmittellinie 712 aufweist,
gegossen. Das überdimensionierte
Gehäuse
definiert einen Lufteinlass 706, eine Montageoberfläche 708 und
dazwischen einen Durchflussweg. Innerhalb des Gehäuses 704 ist
ein überdimensionierter
Stator zwischen dem Lufteinlass 706 und der Montageoberfläche 708 einstückig gegossen,
im Wesentlichen quer zu und konzentrisch mit der Längsmittellinie 712.
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Der
innere gegossene Stator ist ferner durch einen zentralen kreisförmigen Körper mit
mehreren winkelig beabstandeten, am Umfang angebrachten überdimensionierten
Statorschaufeln 752 gekennzeichnet, die den Stator mit
dem Gehäuse 704 verbinden.
Bei mindestens einer Ausführungsform
ist die beim Gießen
verwendete Titanlegierung allgemein als Ti6Al4V bekannt und bezeichnet.
Bei mindestens einer Ausführungsform
kann die winkelige Beabstandung der Statorschaufeln symmetrisch sein.
Bei mindestens einer alternativen Ausführungsform kann die winkelige
Beabstandung der Statorschaufeln asymmetrisch sein, wie oben beschrieben wurde.
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Es
ist nachzuvollziehen und erkennbar, dass sich in diesem Dokument
der Begriff überdimensioniert
auf das Gießen
der einstückigen
Einlasskonstruktion 750 mit in Bezug auf die Auslegungsspezifikationen übermäßigen Dicken
bezieht. Ferner ist nachzuvollziehen und erkennbar, dass im Wesentlichen alle
Komponenten gleichmäßig überdimensioniert sind.
Wenn beispielsweise die gegossenen Statorschaufeln 752 der
Dicke nach um etwa 2 Millimeter überdimensioniert
sind, so ist das gegossene Gehäuse 704 ebenfalls
der Dicke nach um etwa 2 Millimeter überdimensioniert. Wie aus 7A hervorgeht,
kann der Zwischenraum 754 zwischen den neu gegossenen Statorschaufeln 752 klein
sein und unter den Auslegungsspezifikationen liegen.
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Um
die zusätzliche
Legierung von den überdimensionierten
Oberflächen
zu entfernen, wird die gegossene überdimensionierte einstückige Einlasskonstruktion 750 in
ein chemisches Bad 756 eingegeben. Insbesondere kann die überdimensionierte
einstückige
Einlassstruktur 750 in einen Ätztank 758 gehängt werden,
welcher eine geeignete Formätzlösung 760 für die beim
Gießen
verwendete Titanlegierung enthält.
Unter geeigneten Umständen
kann es erstrebenswert sein, die überdimensionierte einstückige Einlasskonstruktion 750 vorzureinigen,
um Fremdsubstanzen wie Öl
usw. zu entfernen. Allgemein gesagt kann die Ätzlösung 760 während des Formätzvorgangs
gerührt
werden, um den Kontakt der Oberflächen mit der Ätzlösung 760 zu
fördern
sowie um eine ausgewogene Konzentration der Ätzlösung 760 im gesamten
Tank 758 aufrechtzuerhalten.
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Die
Dauer des Formätzvorgangs
kann durch Berechnen der Geschwindigkeit des Legierungsabtrags für das verwendete
Formätzmittel
bestimmt werden. Infolge des exakten Zwischenraums zwischen den
Statorschaufeln, welcher in den Auslegungsspezifikationen dargelegt
wird, kann es erstrebenswert sein, eine erste Dauer zu berechnen,
die ausreicht, um im Wesentlichen etwa 50 bis 90 Prozent der Überdimensionierungslegierung
abzutragen. Nach der Entnahme aus dem chemischen Bad 756 kann
der Techniker den Zwischenraum 762 zwischen den formgeätzten Statorschaufeln 764 der formgeätzten einstückigen Einlasskonstruktion 766 messen
und die gemessenen Zwischenräume
mit den Auslegungsspezifikationen, die einen oder mehrere Vorgabewerte
vorsehen, vergleichen.
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Aus
dem gemessenen Zwischenraum kann die Abtragungsgeschwindigkeit neu
berechnet und verwendet werden, um, sollte dies notwendig sein, die
Dauer für
eine Wiederholung des Formätzvorgangs
zu ermitteln, welche ausreicht, um einen Zwischenraum zwischen den
Statorschaufeln, der innerhalb der Auslegungsspezifikationen liegt,
herzustellen. Bei mindestens einer Ausführungsform kann der Vorgang
des Formätzens
drei Mal wiederholt werden, wobei der erste im Wesentlichen etwa
50% der Überdimensionierungslegierung
abträgt,
der zweite etwa 90% der verbleibenden Überdimensionierungslegierung
abträgt
und der dritte die verbleibende Überdimensionierungslegierung
im Wesentlichen zur Gänze
abträgt,
um einen Zwischenraum 764 im Rahmen der Auslegungsspezifikationen
zu schaffen. Darüber
hinaus werden die Statorschaufeln formgeätzt, bis mindestens der gemessene
Zwischenraum zwischen den formgeätzten Statorschaufeln
im Wesentlichen gleich einem oder mehreren der Vorgabewerte ist,
die in den Auslegungsspezifikationen dargelegt sind.
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Es
ist nachvollziehbar und erkennbar, dass die Komponenten der formgeätzten einstückigen Einlasskonstruktion 766 mit
den oben genannten und besprochenen Komponenten der einstückigen Einlasskonstruktion 200 im
Wesentlichen identisch sind. Unter geeigneten Umständen können hinsichtlich
der formgeätzten
einstückigen
Einlasskonstruktion 766 zusätzliche Bearbeitungen durchgeführt werden,
um die vorspringende Randleiste 312 und/oder die Gewindebuchsen 300 weiter
zu definieren.
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Formätzen der
gegossenen einstückigen Einlasskonstruktion
aus Titan gestattet dem Fertigungstechniker, die erforderlichen
Tragflächenkonturen
der Statorschaufeln herzustellen, ohne getrennte Fertigung und Installation
zu erfordern. Durch Reduzieren von Fertigungszeit und -kosten trägt ein derartiger
einstückiger
Guss auch dazu bei, im Wesentlichen identische Titankomponenten
zu produzieren, was eine gleichmäßigere und
vorhersehbarere Leistung des Turbinenstarters 100 zur Folge
hat. Auch die Wartung bezüglich
der einstückigen
Einlasskonstruktion aus Titan wird erheblich reduziert, da es im Allgemeinen
nicht möglich
ist, dass sich die Komponenten voneinander lösen. Reduktionen der Fertigungskosten
ermöglichen
auch, einen beschädigten Stator
und Einlass einfach wiederaufzubereiten, anstatt diesen neu zu fertigen.
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Die
Erfindung soll nicht auf die konkreten Ausführungsformen beschränkt werden,
die als die beste Weise zum Umsetzen dieser Erfindung in Betracht
gezogen werden, sondern die Erfindung wird alle in den Rahmen der
beiliegenden Ansprüche
fallenden Ausführungsformen
umfassen.