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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und im Einzelnen auf eine Geräuschverringerung bei diesen.
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In einem Mantelstromgasturbinentriebwerk, das ein Flugzeug beim Flug antreibt, wird Luft in einem Verdichter verdichtet und in einer Brennkammer mit Brennstoff gemischt, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen. In einer Hochdruckturbine (HPT), die über eine Antriebwelle den Verdichter antreibt, wird den Gasen Energie entzogen.
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Weitere Energie wird den Gasen in einer Niederdruckturbine (LPT) entzogen, die über eine weitere Antriebswelle den Bläser antreibt. Die genutzten Verbrennungsgase werden danach durch eine Kerndüse abgegeben, und ein verdichteter Bläserstrom wird durch eine diese umgebende Bläserdüse abgegeben, um während des Betriebs Schub für den Vortrieb zu erzeugen.
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Der Kernausstrom und der Bläserausstrom sind in der umliegenden Umgebungsluft, die außerhalb des Triebwerks strömt, konzentrisch zueinander angeordnet, wenn das Flugzeug während des Flugs angetrieben wird.
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Der Kern- und der Bläserauslassstrom mit hoher Geschwindigkeit erzeugen während des Betriebs Geräusche bzw. Lärm, was während des Starts eines Flugszeugs bei hoher Leistung ein besonderes Problem darstellt, das in einem Gegensatz zu dem Streckenflug eines Flugzeugs in großer Höhe bei entsprechend niedrigerer Leistungsabgabe steht, wobei der Lärm ein geringeres Problem ist, aber eine maximale Effizienz des Triebwerks erwünscht ist.
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Lärmschutzeinrichtungen werden seit Jahrzehnten untersucht, führen jedoch alle zu entsprechenden Problemen, zu denen ein damit zusammenhängendes zusätzliches Gewicht in dem Flugzeug und eine Verringerung der Triebwerkseffizienz oder -leistung gehören. Weil eine Strahlgeräuschminderung typischerweise nur während des Starts von Flugzeugen von Startbahnen in bewohnten Gebieten erforderlich ist, wird eine Vorrichtung zur Geräuschverringerung insbesondere während des größten Teils des Flugbetriebs im Streckenflug nicht mehr benötigt. Der Streckenflugbetrieb erfordert eine maximale Energieeffizienz zur Verringerung des Treibstoffverbrauchs.
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Dementsprechend ist es wünschenswert, einen wirksamen Lärmschutz zu schaffen, während die Leistungs- und Effizienzverluste des Triebwerks durch den Lärmsschutz minimiert werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine Ausstromdüse enthält einen Kanal, der in einem Auslass endet. In dem Auslass ist eine Reihe von Wirbel erzeugenden Doppelvorsprüngen angebracht. Die Vorsprünge weisen eine kombinierte, in Radial- und in Umfangsrichtung nach hinten gerichtete Neigung innerhalb des Auslasses auf, um stromweise Wirbel zu erzeugen, um das Ausstromgeräusch zu verringern, während der Effizienzverlust reduziert wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung ist gemäß bevorzugten und beispielhaften Ausführungsformen zusammen mit weiteren Zielen und Vorteilen der Erfindung in der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen im Einzelnen genauer beschrieben:
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1 zeigt eine teilweise im axialen Schnitt gezeigte Ansicht eines beispielhaften Mantelstrom-Flugzeuggasturbinentriebwerks, das Wirbelerzeugungselemente mit Doppelvorsprüngen aufweist.
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2 ist eine von hinten gezeigte Ansicht der Bläser- und Kernauslassdüse des in 1 gezeigten Triebwerks, wobei die Ansicht entlang der Linie 2-2 in 1 aufgenommen ist.
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3 ist eine von hinten gezeigte Ansicht eines von beispielhaften Doppelvorsprüngen des Bläsers, die in der in 1 dargestellten Bläserdüse angebracht sind, wobei die Ansicht entlang der Linie 3-3 aufgenommen ist.
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4 ist eine Ansicht eines in 1 dargestellten Bläser-Doppelvorsprungs von vorne, wobei die Ansicht entlang der Linie 4-4 aufgenommen ist.
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5 ist eine Ansicht eines beispielhaften Doppelvorsprungs des Kerntriebwerks 1 in der in 1 dargestellten Kerndüse von hinten, wobei die Ansicht entlang der Linie 5-5 aufgenommen ist.
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6 ist eine Vorderansicht eines der in 1 dargestellten Kern-Doppelvorsprünge, wobei die Ansicht entlang der Linie 6-6 aufgenommen ist.
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7 ist eine teilweise im axialen Schnitt gezeigte Ansicht des in 1 gezeigten Mantelstromtriebwerks, das weitere Ausführungsbeispiele der Doppelvorsprünge enthält.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In 1 ist ein beispielhaftes Mantelstromgasturbinenflugzeugtriebwerk 10 schematisch dargestellt, das in um eine Längsrichtung verlaufende oder axiale Zentralachse achsensymmetrisch ist. Das Triebwerk enthält in serieller Strömungsverbindung einen Bläser 12, einen Verdichter 14, eine Brennkammer 16, eine Hochdruckturbine (HPT) 18 und eine Niederdruckturbine (LPT) 20.
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Eine ringförmige Kernverkleidung 22 umgibt das Kerntriebwerk hinter dem Bläser und endet in einer ringförmigen Kernausstromdüse 24. Eine ringförmige Bläsergondel 26 umgibt den Bläser und den vorderen Abschnitt der Kernverkleidung und endet in einer ringförmigen Bläserausstromdüse 28.
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Das Triebwerk ist z. B. durch einen typischen Tragarm 30 unter der Tragfläche 32 in geeigneter Weise an einem Flugzeug angebracht.
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Während des Betriebs tritt Luft 34 in den Gondeleinlass ein und wird durch den rotierenden Bläser 12 verdichtet. Ein innerer Teil der verdichteten Luft tritt in den Verdichter 14 des Kerntriebwerks ein, um weiter unter Druck gesetzt und verdichtet zu werden, während der äußere Teil der Bläserluft das Kerntriebwerk umgeht und durch die Bläserausstromdüse 28 abgegeben wird, um den Großteil des Schubs für den Vortrieb zu erzeugen.
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Die verdichtete Luft wird in der Brennkammer 16 mit Brennstoff gemischt, um heiße Verbrennungsgase 36 zu erzeugen, die durch die Hochdruckturbine 18 hindurch strömen, die über eine Antriebswelle den Verdichter 14 antreibt. Die Verbrennungsgase strömen danach durch die Niederdruckturbine 20, die über eine weitere Antriebswelle den Bläser 12 antreibt, wobei die genutzten Verbrennungsgase danach durch die Kernausstromdüse 24 abgegeben werden.
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In Aufbau und Betrieb ist das Triebwerk 10, wie es oben beschrieben ist, konventionell und erzeugt Bläser- und Kernaustrittsströmungen 34, 36 mit hoher Geschwindigkeit, die aus der zugehörigen Bläser- und Kernausstromdüse 24, 28 in konzentrischen oder zusammenfließenden Strömungen abgegeben werden.
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Die Bläser- und die Kernaustrittströmung 34, 36 mit hoher Geschwindigkeit erzeugen während des Betriebs Geräusche, der insbesondere während des Startvorgangs des Flugzeugs von der Startbahn minimiert werden sollte. Dementsprechend können entweder die Kerndüse 24 oder die Bläserdüse 28 oder beide so abgewandelt werden, dass sie Geräusch mindernde Elemente enthalten, wie sie unten in beispielhaften Ausführungsformen genauer gezeigt sind.
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Die zwei Ausstromdüsen 24, 28 weisen ursprünglich gemeinsame Merkmalee zum Maximieren ihrer aerodynamischen Effizienz während des Betriebs auf.
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Die in 2 dargestellte Kerndüse 24 weist z. B. einen konischen Ausstromkanal 38 mit einer radial inneren und einer radial äußeren ringförmigen Verkleidung 40, 42 auf, die in Axialrichtung nach hinten zusammenlaufen und an einer relativ dünnen oder scharfen Hinterkante 44 enden, die einen ringförmigen Kernauslass 46 umgibt. Die Verkleidungen 40, 42 sind typischerweise glatte Metallbleche, die gemeinsam zu der Hinterkante 44 hin zusammenlaufen. Der Ausstromkanal 38 läuft typischerweise entlang der inneren Verkleidung 40 zu dem Kernauslass 46 hin zusammen, der an einer einzigen oder gemeinsamen axialen Ebene innerhalb der Hinterkante 44 gebildet ist.
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Der Kernauslass 46 ist durch die umgebende ringförmige oder kreisförmige innere Verkleidung 40 an der Hinterkante 44 und durch einen zugehörigen Abschnitt eines inneren Zentralkörpers oder Elementes gegeben, der sich von dem Auslass axial nach hinten erstreckt.
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Die Kerndüse 24 kann einen beliebigen konventionellen Aufbau aufweisen und läuft typischerweise zu einer Verengung mit einem minimalen Strömungsquerschnitt an dem Hinterkantenauslass 46 oder leicht stromaufwärts davon zusammen, wie es gewünscht ist. Die glatte ringförmige innere und äußere Verkleidung 44, 42 enden an der einen axialen Ebene des Kernauslasses 46, um auf konventionelle Art die Triebwerkseffizienz zu maximieren.
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Dementsprechend enthält die Bläserdüse 26 einen ähnlichen konischen Auslasskanal 48 mit einer radial inneren und einer radial äußeren ringförmigen Verkleidung 50, 52, die an einer relativ scharfen Hinterkante 54 zusammenlaufen und enden, die einen ringförmigen Auslass 56 zum Abgeben der Bläseraustrittströmung 34 umgibt. Die innere und die äußere Verkleidung 50, 52 sind typischerweise glatte Metallbleche und enden in der einen axialen Ebene des Bläserauslasses 56, die nach außen durch die kreisförmige innere Verkleidung 50 und nach innen durch einen zugehörigen Teil der Kernverkleidung 22 begrenzt ist.
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Wie die Kerndüse 24 läuft die Bläserdüse 28 typischerweise zu einer Verengung mit einem minimalen Strömungsquerschnitt an der einen Ebene des Hinterkantenauslasses 56 zusammen, wobei die Verengung auch stromaufwärts von diesem angeordnet sein kann, wenn es erwünscht ist.
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Die Kerndüse 24 oder die Bläserdüse 28 oder beide können so abgewandelt werden, dass sie zugehörige Geräusch mindernde Elemente in Gestalt von entsprechenden Doppelvorsprüngen 58, 60 aufweisen, um stromweise eine Verwirbelung zu erzeugen, um eine Vermischung an den entsprechenden Scherungsschichten zwischen dem Hochgeschwindigkeitskernauslass 36 und dem umliegenden Bläserauslass oder zwischen dem Hochgeschwindigkeitsbläserauslass 34 und dem umliegenden Umgebungsluftstrom über der Bläsergondel zu fördern.
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Die entsprechenden Doppelvorsprünge 58, 60 sind in geeigneter Weise innerhalb des zugehörigen Kern- bzw. Bläserkanals 38, 48 angebracht und weisen eine kombinierte bzw. zusammengesetzte Neigung in der Radial- und in der Umfangsrichtung nach hinten auf, um stromweise Paare von Wirbeln zu erzeugen, um eine Strömungsvermischung zu fördern und die Strömungsgeschwindigkeit zu verringern, um bei minimalen Druckverlusten, die ansonsten die Triebwerkseffizienz und -leistung beeinträchtigen würden, das Geräusch zu verringern.
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Zwei beispielhafte Ausführungsformen der Doppelvorsprünge 58, 60 sind für entsprechende Kern- und Bläserdüsen 24, 28 dargestellt und weisen entsprechende Merkmale auf, wie sie unten hierin getrennt beschrieben sind.
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Die Doppelvorsprünge 58, 60 sind z. B. in entsprechenden Reihen in dem zugehörigen Kern- und Bläserauslass 46, 56 in einzelnen Ebenen angeordnet, die an oder nahe bei der zugehörigen Hinterkante 44, 54 enden. In dem in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel der Kerndüse sind die Kern-Doppelvorsprünge 58 im Wesentlichen identisch und in Paaren angeordnet, die in Umfangsrichtung beabstandet sind, wobei jedes Paar einen gemeinsamen zentralen Schlitz bzw. eine zentrale Lücke 62 im Umfangsrichtung zwischen den Vorsprüngen aufweist. Die zwei Vorsprünge 58 jedes der Paare grenzen in Umfangsrichtung an der inneren Verkleidung 40 aneinander an, wobei der gemeinsame zentrale Schlitz 62 sich von dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Vorsprünge radial nach innen erstreckt.
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In ähnlicher Weise sind die Doppelvorsprünge 60 des Bläsers aus dem in den 3 und 4 gezeigten Bläserdüsenausführungsbeispiel ebenfalls zueinander identisch und in Paaren angeordnet, die in Umfangsrichtung beabstandet sind, wobei jedes der Paare ebenfalls einen gemeinsamen Schlitz 62 aufweist. Die zwei Vorsprünge 60 jedes der Paare grenzen in Umfangsrichtung entlang der inneren Verkleidung 50 aneinander an, und der gemeinsame Schlitz 62 erstreckt sich von dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Vorsprünge ausgehend radial nach innen.
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Wie in den 4 und 6 gezeigt ist, weist jedes Paar von Vorsprüngen 58, 60 eine Gesamtvorsprungsbreite A in Umfangsrichtung auf, und wie in 2 gezeigt sind die zugehörigen Vorsprungspaare in Umfangsrichtung voneinander in einem Umfangsrichtungsabstand B beabstandet, der wesentlich größer als die zugehörige Vorsprungsbreite A ist, um den Effizienzverlust zu minimieren. Die Vorsprungspaare sind in Umfangsrichtung um einen zugehörigen Winkelabstand C voneinander beabstandet, der in zweckmäßiger Weise von Mitte zu Mitte gemessen wird, wie sie durch den jeweiligen zentralen Schlitz 62 gegeben ist.
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Die Doppelvorsprünge 58, 60 weisen eine kombinierte Radial- und Umfangsrichtungsneigung auf, wobei sie sowohl in der Radialrichtung als auch in der Umfangsrichtung nach hinten zu der zugehörigen Hinterkante 44, 54 hin geneigt sind. Wie in den 3 und 5 gezeigt sind die zugehörigen Vorsprünge 58, 60 in einem spitzen radialen Neigungswinkel oder Eindringwinkel D zu dem jeweiligen Hinterkantenauslass 46, 56 radial nach innen geneigt, um stromabwärts weisende Rampen zu bilden. Die beiden Vorsprünge 58, 60 sind auch in Umfangsrichtung in einem spitzen Schrägstellungswinkel E von der zugehörigen Hinterkante 44, 54 nach vorne geneigt.
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Der radiale Eindringwinkel D kann durch geeignete Versuche ausgewählt werden, um die Geräuschabschwächung zu maximieren, während die Druck- oder Effizienzverluste minimiert werden. In den verschiedenen in den 3 und 5 dargestellten Ausführungsbeispielen der Doppelvorsprünge 58, 60 ist der Eindringwinkel D kleiner als 90° und kann bis hinunter zu etwa 30° betragen, wobei ein Eindringwinkel von 50° bevorzugt wird oder in einem geprüften Ausführungsbeispiel optimal ist.
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Es kann z. B. wünschenswert sein, die Breite der Schlitze 62 zu minimieren, um insbesondere Hochfrequenzanteile in dem Strahlgeräusch zu minimieren. Die Breite des Schlitzes 62 kann durch entsprechende Verringerung des Eindringwinkels D verringert werden.
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Der Schrägstellungswinkel E kann auch zum Maximieren der Geräuschverringerung gewählt werden, wobei die Druck- und Effizienzverluste minimiert werden, und in beiden in den 3 und 5 dargestellten Ausführungsbeispielen weist der Schrägstellungswinkel E einen beispielhaften Wert von 45° auf.
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Die in den 3 bis 6 dargestellten Doppelvorsprünge 58, 60 weisen auch einen ähnlichen Ursprung bzw. eine ähnlich Wurzel 64 auf, die entlang der zugehörigen inneren Verkleidung 40, 50 der zwei Kanäle 38, 48 angeordnet ist und sich vorzugsweise gemeinsam mit diesen erstreckt. Die Doppelvorsprünge 58, 60 sind von ihren zugehörigen Wurzeln 64 radial nach innen und axial nach hinten zu einer jeweiligen Spitze 66 hin geneigt.
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Wie in den 3 und 5 gezeigt kann die Vorsprungswurzel 64 an der entsprechenden Hinterkante 44, 54 beginnen und ist von dieser in Umfangsrichtung unter dem entsprechenden Schrägstellungswinkel nach vorne geneigt. Die Wurzeln erstrecken sich demnach axial nach hinten und bilden die maximale axiale Länge F der einzelnen Vorsprünge 58, 60.
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Dementsprechend sind die einzelnen Vorsprünge 58, 60 in dem Eindringwinkel D radial nach innen geneigt, um die maximale radiale Höhe und Eindringtiefe G der einzelnen Vorsprünge festzulegen.
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Dementsprechend können die Umfangsrichtungsbreite A, der Eindringwinkel D, der Schrägstellungswinkel E, die axiale Länge F und die zugehörige Eindringtiefe G bei der Triebwerksentwicklung zur Maximierung der Geräuschminderung bei Minimierung des Effizienzverlustes gewählt werden. Die Geräuschminderung wird bewirkt, in dem stromweise Wirbel erzeugt werden, die in den 3 bis 6 bei den entsprechenden Paaren schematisch gezeigt sind, wobei die Wirbel eine Vermischung der Strömungen unterschiedlicher Geschwindigkeit entlang der Scherungsschichten zwischen den Strömungen fördern.
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Die Doppelvorsprünge 58, 60 können vielfältige Ausführungsformen mit unterschiedlichen Vorteilen beim Erreichen des Ziels einer wirksamen Lärmminderung bei Minimierung des Effizienzverlustes aufweisen.
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In einem Ausführungsbeispiel ist jeder der Doppelvorsprünge 58, 60 z. B. vorzugsweise dreieckig und aus einem relativ dünnen Metallblech konstanter Dicke aufgebaut, das eine ausreichende Festigkeit aufweist, um der aerodynamischen Druckbelastung auf das Blech während des Betriebs in der entsprechenden Kern- und Bläserdüse 24, 28 standzuhalten.
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Jeder dreieckige Vorsprung 58, 60 schafft demnach einen geneigten Deltaflügel zum Erzeugen entsprechender Wirbel in dem Fluidstrom hoher Geschwindigkeit über den Vorsprung hinweg während des Betriebs. Der gemeinsame Schlitz 62 zwischen den benachbarten Vorsprüngen der Doppelvorsprünge 58, 60 ist ebenfalls dreieckig und erstreckt sich von dem gemeinsamen Verbindungspunkt der zugehörigen Vorsprungswurzeln 64 nach außen. Die Austrittsströmung wird demnach durch die einzelnen Vorsprünge 58, 60 behindert, während sie frei um den dreieckigen Umfang derselben herum und durch die gemeinsamen Schlitze 62 hindurch strömt.
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In den in den 3 bis 6 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die Doppelvorsprünge 58, 60 in der Größe und im Aufbau in jeder Reihe identisch und um die gemeinsamen zentralen Schlitze 62 zwischen den einzelnen Vorsprüngen des Paares symmetrisch, um an ihnen symmetrische Wirbel zu erzeugen.
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Die ansonsten identischen Doppelvorsprünge 58, 60 in diesen zwei verschiedenen Ausführungsbeispielen weisen unterschiedliche Ausrichtungen oder Schrägstellungen auf, um ent- sprechend unterschiedliche Betriebseigenschaften zu bewirken.
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Die Kern-Doppelvorsprünge 58 in der Kerndüsenausführungsform, die in den 5 und 6 dargestellt ist, laufen z. B. in der axial stromabwärtigen Richtung zu dem gemeinsamen zentralen Schlitz 62 zusammen, der an der Hinterkante 44 endet. Die Kern-Doppelvorsprünge 58 sind an ihren sich schneidenden Wurzeln 64 senkrecht oder normal zueinander angeordnet und weisen demnach einen eingeschlossenen Winkel von 90° auf. Der zugehörige Schrägstellungswinkel E beträgt demnach von der Hinterkante 44 ausgehend 45° nach hinten von dem gemeinsamen zentralen Verbindungspunkt der zwei Wurzeln 64.
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In dieser Kernanordnung bilden die Kern-Doppelvorsprünge 58 einzeln jeweils dreieckige Deltaflügel und sind gemeinsam in einem nach hinten weisenden oder zeigenden Zickzack- oder Doppeldeltaprofil mit nach hinten zusammenlaufenden Flügeln angeordnet.
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Im Gegensatz dazu laufen die Bläser-Düsenvorsprünge 60 für das in den 3 und 4 dargestellte Bläserdüsenausführungsbeispiel in Umfangsrichtung in jedem einzelnen Paar von dem gemeinsamen zentralen Schlitz 62 ausgehend axial nach hinten zu der Hinterkante 54 hin auseinander. In dieser Ausführungsform sind die Doppelvorsprünge 60 an den sich schneidenden Wurzeln 64 wieder unter einem eingeschlossenen Winkel von 90° normal oder senkrecht zueinander angeordnet. Dementsprechend betragen die Schrägstellungswinkel E wieder 45° von der Hinterkante 54 axial nach hinten.
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Bei dieser Bläseranordnung bilden die Bläserdoppelvorsprünge 60 wieder einzeln jeweils dreieckige Deltaflügel, sind aber zusammen in einem nach vorne weisenden oder zeigenden Zickzack- oder Doppeldelta-Profil mit nach hinten auseinander laufenden Flügeln angeordnet.
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In 3 weist der eingeschlossene Winkel von 90° zwischen den beiden Vorsprüngen 60 axial nach hinten, um ein nach vorne weisendes Grunddreieck zu bilden, wobei die Vorderkanten der Vorsprünge 60 die in 4 gezeigten vorne angeordneten zentralen Schlitze 62 begrenzen.
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In 6 weist der eingeschlossene Winkel von 90° zwischen den beiden Vorsprüngen 58 axial nach vorne, um ein nach hinten weisendes Grunddreieck zu bilden, wobei die zentralen Schlitze 62 durch Hinterkanten der Vorsprünge 58 begrenzt sind.
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Dementsprechend bilden die Kern-Doppelvorsprünge 58 gemeinsam eine nach hinten weisende Zickzackanordnung, wobei die beiden Flügelvorsprünge 58 seitlich pilzartig zu dem hinteren Spitzen- bzw. Scheitelpunkt hin ausbreiten. Im Gegensatz dazu bilden die Bläser-Doppelvorsprünge 60 gemeinsam einen nach vorne weisenden Zickzackflügel, wobei sich die zwei Flügelvorsprünge 60 wie eine Pfeilspitze oder ein Deltaflügel zu dem vorderen Spitzenpunkt hin verjüngen.
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Während die Pilz- und die Deltaanordnung der Doppelvorsprünge gemeinsame Merkmale und die Eignung zu Förderung einer Geräuschminderung durch ein Vermischen der zugehörigen Strömungen aufweisen, zeigen diese beiden Anordnungen auch unterschiedliche Eigenschaften.
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Die Paare von den durch diese unterschiedlichen Anordnungen stromweise erzeugten Wirbeln drehen sich z. B. entgegengesetzt zueinander. Diese unterschiedlichen Wirbel setzen den Bläserauslass 34 radial von der Bläserdüse 28 an den Deltavorsprüngen 60 nach außen und den Kernauslass 36 von der Kerndüse 24 an den Pilzvorsprüngen 58 radial nach innen unter Vorspannung bzw. Druck, und die Vorspannung wird in Umfangsrichtung zwischen den Vorsprüngen der entsprechenden Paare entgegengerichtet sein.
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In den beiden in den 3 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispielen weisen die Doppelvorsprünge 58, 60 eine gemeinsame axiale Länge F auf, und die Gesamtbreite A derselben beträgt das Doppelte der Länge F. Diese Anordnung weist weitere Vorteile auf.
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Die Vorsprungspaare 58 in den 5 und 6 sowie die Vorsprungspaare 60 in den 3 und 4 können z. B. ursprünglich aus einem gemeinsamen Stück Metallblech gebildet sein, das geschlitzt und in seine Form gebogen wird. In den 5 und 6 können zwei Endschlitze 68 der axialen Länge F von der Hinterkante ausgehend mit einem Umfangsrichtungsabstand A zwischen ihnen geschnitten werden, um einen rechteckigen Umfangsabschnitt zu bilden. Die zwei Vorsprünge 58 können dann von ihren entsprechenden Wurzeln 64 nach außen gebogen werden, um die gewünschten Eindringwinkel D zu erreichen.
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In ähnlicher Weise kann ein einziger Mittelschlitz 68 der axialen Länge F von der Hinterkante des ursprünglich flachen Metallbleches angebracht werden, und danach können die beiden Vorsprünge 60 von den entsprechenden Wurzeln 64 aus innerhalb des begrenzenden rechtwinkligen Umfangsbereiches auf den gewünschten Eindringwinkel D nach außen gebogen werden.
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Dieses einfache Herstellungsverfahren zum Ausfalten der einzelnen Vorsprünge 58, 60 auf die gewünschte kombinierte Neigung derselben ermöglicht weitere Entwicklungen zu einer Betätigung derselben. Bei einem anschließenden Entwicklung kann es vorteilhaft sein, die Doppelvorsprünge 58, 60 vollständig flach zurückzuziehen, so dass sie sich gemeinsam mit der inneren Verkleidung 40, 50 erstrecken, während die Vorsprünge 58, 60 nur während eines Starvorgangs ausgefaltet werden.
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Die Wurzeln 64 können so abgewandelt sein, dass sie entsprechende Gelenke bilden, wobei die Vorsprünge 58, 60 in geeigneter Weise zwischen einer zurückgezogenen und einer ausgefahrenen Stellung betätigt werden. Das bündige Zurückziehen der Vorsprünge in die innere Verkleidung der jeweiligen Ausstromdüsen beseitigt den Effizienzverlust infolge der ausgefahrenen Vorsprünge, um die Triebwerkseffizienz und -leistung insbesondere während des Streckenflugs eines Flugzeugs zu maximieren.
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Es kann jedoch vorteilhaft sein, die Doppelvorsprünge auch während des Streckenflugs eines Flugzeugs ausgefahren zu halten. Z. B. kann die Bläseraustrittsströmung beim Streckenflug Überschallgeschwindigkeit aufweisen, die ein breitbandiges Schockgeräusch erzeugen kann, das durch die Doppelvorsprünge abgeschwächt werden kann.
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Dennoch minimieren die relativ kleinen Anordnungen der Doppelvorsprünge 58, 60 die Effizienzverluste, wenn sie ausgefahren sind, während sie die gewünschte Geräuschminderung bewirken. Die einzelnen Vorsprünge weisen ein relativ kleines Aspektenverhältnis auf, das durch die radiale Eindringtiefe G gegenüber der Länge der Vorsprungswurzel 64 definiert ist, wobei das Aspektenverhältnis z. B. etwa 0,6 betragen kann.
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Dementsprechend weisen die Doppelvorsprünge 58, 60 in den entsprechenden Auslässen 46, 56 eine zugehörige radial innere Kernstromeindringung auf. Die Stromeindringung kann durch das Verhältnis der Eindringtiefe G gegenüber der radialen Höhe des Auslasses definiert werden. Die Eindringung ist durch die Größe der Vorsprünge 58, 60 und ihre Eindringwinkel D gegeben. In den geprüften beispielhaften Ausführungsformen kann das Eindringverhältnis bis zu etwa 25% der Höhe des Auslassringkanals betragen.
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Ein besonderer Vorteil der kleinen Doppelvorsprünge 58, 60 ist ihr ursprünglicher oder im Rahmen einer Nachrüstung vorgenommener Einbau in eine ansonsten konventionelle und aerodynamisch effiziente zusammenlaufende Ausstromdüse, wie z. B. die Kerndüse 24 oder die Bläserdüse 28. Diese Düsen weisen im Wesentlichen ringförmige oder runde Auslässe 46, 56 auf, die durch eine einzige ebene kreisförmige Hinterkante 44, 54 begrenzt sind.
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Weiterhin können die Doppelvorsprünge auch an anderen Arten von konventionellen Ausstromdüsen einschließlich konvergierend/divergierenden Ausstromdüsen oder Ausstromdüsen mit variabler Fläche an oder nahe bei deren Düsenauslässen verwendet werden.
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Die Doppelvorsprünge 58, 60 können in geeigneter Weise vollständig innerhalb der entsprechenden Düsen 24, 28 angebracht sein und entweder an den entsprechenden Hinterkanten 44, 54 oder geringfügig stromaufwärts oder stromabwärts von diesen angeordnet sein können, wie es erwünscht ist. Jeder Typ von Vorsprung 58, 60 könnte in jeder Düse 24, 28 verwendet werden, wie es erwünscht ist.
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In den beiden in 2 dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Doppelvorsprünge 58, 60 vorzugsweise voneinander unter gleichen Winkeln in dem Abstandswinkel C von Mitte zu Mitte beabstandet in entsprechenden Paaren um den jeweiligen Düsenauslass 46, 56 herum angeordnet. Wie oben erläutert ist der Umfangsrichtungsabstand B zwischen benachbarten Paaren von Doppelvorsprüngen wesentlich größer als die Gesamtbreite A von jedem einzelnen Vorsprungspaar in Umfangsrichtung und kann etwa zwei- bis dreimal so groß sein.
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Weiterhin zeigen Versuche an den verschiedenen Ausführungsbeispielen der Doppelvorsprünge eine verbesserte Geräuschminderung, wenn die Vorsprünge vorzugsweise in gerader Anzahl oder Menge von Paaren um die entsprechenden Düsenauslässe herum in einem bevorzugten Bereich von 8 bis 16 Paaren angeordnet sind, wobei 8, 12, 14 und 16 Paare (8P–16P) getestet worden sind.
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Wie oben erwähnt können die Doppelvorsprünge verschiedene mögliche Konfigurationen aufweisen, die weiterhin eine ungerade ebenso wie eine gerade Anzahl von ihnen, einen ungleichen ebenso wie einen gleichen Umfangsrichtungsabstand und ungleiche ebenso wie gleiche Größen, Geometrien und Positionen um den Umfang der Ausstromdüse aufweisen, wie es erwünscht ist, um die Geräuschminderung zu maximieren, während die aerodynamischen Effizienzverluste minimiert werden.
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7 stellt drei weitere Ausführungsbeispiele der Doppellvorsprünge 70, 72, 74 dar, die das gemeinsame Merkmal aufweisen, dass sie sich an den entsprechenden Düsen 24, 28 in entgegengesetzter Richtung zu den in den 1 bis 6 gezeigten Doppelvorsprüngen 58, 60, die sich radial nach innen erstrecken, radial nach außen erstrecken.
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In 2 erstrecken sich die Doppelvorsprünge 58, 60 von der inneren Verkleidung 40, 50 innerhalb der zugehörigen Auslässe 46, 56 radial nach innen.
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In 7 erstrecken sich die Bläser-Doppelvorsprünge 70 von der äußeren Verkleidung 52 der Bläsergondel 26 außerhalb des Bläserauslasses radial nach außen. Die Kern-Doppelvorsprünge 72 erstrecken sich von der äußeren Verkleidung 42 der Kernverkleidung 22 außerhalb des Kernauslasses radial nach außen.
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Eine weitere Gruppe von Kerndoppelvorsprüngen 74 erstreckt sich von der äußeren Verkleidung eines Zentralkörpers 76, der konzentrisch innerhalb des Auslasses der Kerndüse 24 angeordnet ist, radial nach außen. Der Zentralkörper 76 begrenzt den Kernauslass in der gleichen Weise radial nach innen wie die Kernverkleidung 22 den Bläserauslass radial nach innen begrenzt, um entsprechende Ringkanäle zu bilden, durch die die Abgasströme abgegeben werden.
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Die verschiedenen Doppelvorsprünge können sich demnach radial innerhalb oder außerhalb der entsprechenden Auslässe entweder von deren innerer oder äußerer Grenzfläche erstrecken, um die Wirbelpaare zu erzeugen, die eine Vermischung der konzentrischen Strömungen zur Geräuschminderung fördern.
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An einem oder mehreren Auslässen kann eine einzelne Reihe oder Gruppe von Doppelvorsprüngen verwendet werden, aber es ist auch möglich, an jedem Auslass zwei Gruppen von Doppelvorsprüngen anzubringen, die sich sowohl radial nach innen als auch radial nach außen erstrecken, solange die Druckverluste nicht die Vorteile der Geräuschminderung überwiegen.
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7 stellt auch die unterschiedlichen Typen von Doppelvorsprüngen dar, die in Abhängigkeit von der jeweiligen Triebwerksgröße und dem Betriebszyklus an den verschiedenen Auslässen alternativ verwendet werden könnten. Während die Deltavorsprünge 60 für die Bläserdüse 28 in 1 gezeigt sind, werden für die Bläserdüse 28 in 7 stattdessen die Pilzvorsprünge 70 verwendet, die sich von der Bläserzelle 26 nach außen erstrecken.
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Während die Pilzvorsprünge 58 für die Kerndüse 24 in 1 gezeigt sind, werden die Deltavorsprünge 72 stattdessen für die Kerndüse 24 in 7 verwendet und erstrecken sich von der Kernverkleidung 22 nach außen.
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Eine zweite Gruppe von Deltavorsprüngen 74 wird ebenfalls für die Kerndüse 24 in 7 verwendet und erstreckt sich von dem Zentralkörper 76 nach außen.
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Die verschiedenen Konfigurationen sind in den Figuren nur als ein Hilfsmittel zur Darstellung gezeigt, wobei die tatsächliche Verwendung der verschiedenen Doppelvorsprünge von der tatsächlichen Triebwerksausführung und den aerodynamischen Zyklen abhängt.
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Ein weiteres Merkmal der Doppelvorsprünge, das verändert werden kann, ist die axiale Position derselben bezogen auf die zugehörige Hinterkante 44, 54.
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Während die in 1 gezeigten Doppelvorsprünge 58, 60 an den jeweiligen Hinterkanten 44, 54 der Düsen enden, können die Doppelvorsprünge alternativ auch axial vor oder hinter diesen Hinterkanten enden, wie es in 7 gezeigt ist.
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Die Doppelvorsprünge 70 enden z. B. axial vor der Hinterkante 54, wobei ein axialer Abstand von dieser von bis zu etwa zwei axialen Vorsprungslängen (2F) bleibt, um die Vermischungseigenschaften zu erhalten.
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Im Gegensatz dazu können die Doppelvorsprünge 72, 74 in Axialrichtung um bis zu etwa eine axiale Vorsprungslänge (F) axial hinter der Hinterkante 44 enden, um die Vermischungseigenschaften zu erhalten. In diesem Ausführungsbeispiel sind die äußeren Kernvorsprünge 72 teilweise freitragend hinter der äußeren Verkleidung 42 angebracht, wohingegen die inneren Kernvorsprünge 74 vollständig auf dem Zentralkörper 76 gehaltert sind.
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Wie oben für die 3 und 5 erwähnt können sowohl der radiale Eindringwinkel D als auch der Schrägstellungswinkel E der Umfangsrichtung variiert werden, um die Effizienz zu maximieren, wobei der in 7 gezeigte Schrägstellungs Winkel E einen größeren Wert von etwa 60° aufweist, der die Breite der Vorsprünge in Umfangsrichtung dementsprechend verkleinert und ihre Strömungsbehinderung verringert.
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In diesem Aufbau sind die Doppelvorsprünge 70, 72, 74 an ihren Wurzeln 64 spitzwinklig statt normal bzw. rechtwinklig zueinander wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen angeordnet. Die zwei Vorsprünge jedes Paares weisen in den in 7 gezeigten symmetrischen Ausführungsbeispielen einen flacheren oder spitzen eingeschlossenen Winkel von ebenfalls 60° auf, um die stromaufwärtige Oberfläche zu verringern, während die Wirbelpaare weiterhin wirksam abgegeben werden.
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In 1 schneiden sich die geneigten Wurzeln 64 der Doppelvorsprünge 58, 60 an einem gemeinsamen Punkt oder einer gemeinsamen Verbindung jedes Paares, wobei an diesem Verbindungspunkt der zentrale Schlitz 62 beginnt.
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In 7 laufen die geneigten Wurzeln 64 der Doppelvorsprünge 70, 72 jedes Paares zueinander hin zusammen, schneiden sich aber nicht. Die Vorsprünge bleiben an den gemeinsamen Schlitzen in Umfangsrichtung voneinander beabstandet, wobei sie an den hinteren Enden der Vorsprünge 70 und den vorderen Enden der Vorsprünge 72 am nächsten beieinander liegen.
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Der minimale Umfangsrichtungsabstand zwischen den Vorsprüngen jedes Paares an ihrer Basis oder Wurzel 64 kann bis zu etwa das Doppelte der Breite jedes einzelnen Vorsprungs in Umfangsrichtung betragen, um das aerodynamische Zusammenwirken der Paare von entgegengesetzt rotierenden Wirbeln, die sich von den Vorsprungspaaren ablösen, zu erhalten. Die in 1 gezeigten Doppelvorsprünge 58, 60 sind axial symmetrisch und laufen von den Wurzeln 64 zu den Spitzen 66 hin zusammen, wobei die Spitzen relativ scharf mit einem kleinen Radien sein können.
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Im Gegensatz dazu sind die in 7 gezeigten Doppelvorsprünge 70 in der radialen Eindringung an den Spitzen 66 abgeschnitten, wodurch diese Spitzenbereiche flache Sehnen in den zugehörigen abgestumpften dreieckigen oder trapezförmigen Anordnungen bilden. Die Spitzen 66 der Vorsprünge 72, 74 können auch abgerundete Enden mit größeren Radien aufweisen.
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Die verschiedenen Doppelvorsprünge weisen jeweils zwei seitliche Kanten auf, von denen eine die Vorderkante bildet, über die das Abgas zuerst strömt, wobei die andere Kante ein hinteres Ende bildet, über dem der Abgasstrom in den zusammenwirkenden Wirbeln um den gemeinsamen Schlitz zwischen den Vorsprüngen herum abgelöst wird.
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In alternativen Ausführungsformen können die dreieckigen Profile der Doppelvorsprünge weiter abgewandelt werden, so dass sie auch unsymmetrische Konfigurationen enthalten, bei denen die Längen der Vorder- und Hinterkanten verändert werden können, wie es für das beste Zusammenwirken mit den aerodynamischen Schwankungen in dem Abgasstrom um den Umfang der entsprechenden Düsen herum und mit den Unterschiede in den aerodynamischen Eigenschaften der verdichteten Bläserluft 34 und des expandierenden Verbrennungsgasstroms 36 erforderlich ist.
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Dementsprechend kann durch den Einbau von relativ einfachen und kleinen Doppelvorsprüngen an den Auslässen 46, 56 eine erhebliche Geräuschminderung bei relativ geringem Effizienzverlust erzielt werden. Die Doppelvorsprünge können vielfältige Konfigurationen aufweisen, die durch verschiedene Permutationen der verschiedenen Merkmale, die oben als Beispiele beschrieben sind, gegeben sind. Der kleine Aufbau der Vorsprünge ermöglicht in einer Weiternetwicklung ein aktives Ausfahren und Einziehen der Vorsprünge.
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Während hierin beschrieben worden ist, was als bevorzugte und beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angesehen wird, werden für Fachleute weitere Abwandlungen der Erfindung aus den Lehren hierin ersichtlich sein, und es ist demnach erwünscht, dass durch die beigefügten Ansprüche alle derartigen Abwandlungen geschützt sind, die unter den wahren Geist und Bereich der Erfindung fallen.
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Dementsprechend ist die Erfindung dasjenige, dessen Schutz durch ein US-Patent gewünscht worden ist und das in den folgenden Ansprüchen angegeben und abgegrenzt worden ist, in denen wir beanspruchen:
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Zusammenfassung
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Eine Ausstromdüse enthält einen konischen Kanal, der in einem ringförmigen Auslass endet. Eine Reihe von Wirbel erzeugenden Doppelvorsprüngen ist in dem Auslass angebracht. Die Vorsprünge weisen innerhalb des Auslasses eine kombinierte Neigung in der Radial- und in der Umfangsrichtung nach hinten auf, um stromweise Wirbel zu erzeugen, um das Auslassgeräusch zu verringern, während der Effizienzverlust reduziert wird.