DE102004018585B4 - Triebwerkeinlaufkonus für ein Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Abstract

Triebwerkeinlaufkonus für ein Gasturbinentriebwerk, mit einer rotationssymmetrischen, strömungsgünstigen Form, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche (2) des Triebwerkeinlaufkonus (1) zur Aufbringung von radial nach außen, bezogen auf eine Rotationsachse (3), gerichteten Kräften und/oder Kraftkomponenten auf anfliegende Partikel strukturiert ausgebildet ist.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Triebwerkeinlaufkonus für ein Gasturbinentriebwerk mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.
• Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf ein Triebwerkeinlaufkonus, wie er beispielsweise aus der US 5,182,906 vorbekannt ist. Ein Triebwerkeinlaufkonus oder eine Konusabdeckung ist in vorbenannter Ausgestaltung als rotationssymmetrisches Teil ausgebildet, welches aerodynamisch so angepasst ist, dass die einlaufende Strömung von dem zentrischen Bereich des Triebwerks zu den Stator- oder Rotorschaufeln gelenkt wird. Es erfolgt somit beispielsweise die Abdeckung einer Fanscheibe mittels eines derartigen Triebwerkeinlaufkonus oder Spinners.
• Zur Optimierung der aerodynamischen Form weist der Triebwerkeinlaufkonus entweder eine kegelförmige Form auf oder ist als Rotationskörper mit einer halbkreisförmigen oder elliptischen Querschnittsform versehen.
• Wie sich insbesondere aus der oben genannten US-Patentschrift ergibt, wurde im Stand der Technik zur Optimierung der Gestaltung des Triebwerkeinlaufkonus lediglich das aerodynamische Strömungsverhalten berücksichtigt, um die Einlaufverluste gering zu halten und um Bauteilübergänge und Spalten strömungstechnisch zu optimieren. Auf diese Weise werden Reibungsverluste vermieden, die zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades der Gasturbine führen können.
• Um die Strömung als laminare Strömung in optimaler Weise zu führen, sind die Oberflächen der bekannten Triebwerkeinlaufkonusse sehr glatt ausgebildet.
• Bei Triebwerken ist zusätzlich zu dem Wirkungsgrad auch zu beachten, welche Lebensdauer und welche Service-Intervalle die jeweiligen Komponenten aufweisen. Die Lebensdauer und die Service-Intervalle werden dabei insbesondere durch den Verschleiß von Stator- und Rotorschaufeln bestimmt. Diese werden durch eintretende Partikel (Sand, Staub, kleine Steine oder Ähnliches) beschädigt, wobei auch das Eintreten der Partikel in das Kerntriebwerk eine entscheidende Rolle spielt. Es versteht sich, dass abhängig von der Partikelmenge die Lebensdauer der Schaufeln, Einlaufbeläge etc. bestimmt wird. Je mehr Partikel in das Kerntriebwerk eingezogen werden, desto größer ist der Verschleiß. Zusätzlich führen die Partikel zu Blockaden in Kühlluftbohrungen der Brennkammern und beschädigen weiterhin die Turbinenschaufeln.
• Die US 5 182 906 A beschreibt einen Triebwerkeinlaufkonus einer Fluggasturbine, welcher in üblicher Weise vor einem Fan angeordnet ist. Der Einlaufkonus weist unterschiedliche Konuswinkel auf, um Eispartikel, Hagelkörner oder Schmutzpartikel von dem eigentlichen Triebwerkeinlauf fernzuhalten.
• Aus der DE 32 09 960 C2 und der GB 2 095 749 A ist eine innere Auskleidung für das Verdichtergehäuse eines Gasturbinentriebwerks bekannt, welche aus einem Honigwabenaufbau besteht, der auf der dem Strömungskanal zugewandten Seite ein Metallblech trägt, auf welchem auf der dem Strömungskanal zugewandten Seite eine Schicht aus elastomerem Material angeordnet ist. Kleine harte Fremdkörper, die durch den Lufteinlauf eingesaugt werden, durchschlagen diese Schichten unter teilweiser Aufzehrung ihrer kinetischen Energie und werden im Honigwabenaufbau gefangen. Eine ähnliche Konstruktion mit deformierbarem Material zeigt die FR 2 467 977 A1 . Das Material dient zur Energieaufnahme bei einem Schaufelbruch. Auch die US 3 423 070 A zeigt eine Wabenstruktur, welche an ihrer dem Strömungskanal zugewandten Seite mit einer geschlossenen Materialschicht laminiert ist.
• Die WO 02/029 224 A1 und die WO 84/02 747 A1 zeigen jeweils siebartige Fangkonstruktionen, die stationär sind und sich nicht drehen. Es handelt sich um Einlasssiebe, welche im Einlaufbereich der jeweiligen Gasturbine angeordnet sind und verhindern sollen, dass größere Partikel an den Einlaufbereich der Gasturbine gelangen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu treffen, um bei einfacher technischer Ausgestaltung und kostengünstiger Herstellbarkeit die schädigende Wirkung eintretender Partikel in ein Gasturbinentriebwerk zu minimieren.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
• Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die Oberfläche des Triebwerkeinlaufkonus so ausgebildet ist, dass auf einströmende Partikel radial nach außen gerichtete Kräfte oder Kraftkomponenten aufgebracht werden, durch welche die Partikel in ihrer Flugbahn radial weiter nach außen geleitet werden. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Partikel nicht in das Triebwerk, insbesondere das Kerntriebwerk gelangen, sondern in radial weiter außenliegenden Bereichen, wo sie weniger Schaden anrichten, abgeführt werden können.
• Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Ausgestaltung der Oberfläche des Triebwerkeinlaufkonus erfolgt somit eine Ableitung der Partikel, ohne dass sich das aerodynamische Verhalten des Triebwerkeinlaufkonus verschlechtert.
• In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Oberfläche strukturiert ausgebildet ist. Sie kann dabei mit konkaven oder konvexen Bereichen versehen sein oder eine Kombination aus konkaven und konvexen Bereichen aufweisen. Die Übergänge zu den konkaven und konvexen Bereichen können abgerundet oder scharfkantig ausgebildet werden. Weiterhin kann es in Abhängigkeit von den Einsatzbedingungen des Triebwerks und den geometrischen Vorgaben günstig sein, die Oberfläche hart und/oder unelastisch auszubilden oder die Oberfläche elastisch auszugestalten. Bei letzterer Variante kann beispielsweise vorgesehen sein, die Oberfläche mit einem superelastischen Material zu beschichten, beispielsweise mit einer Schicht aus Gummi oder Latex. In günstiger Ausgestaltung ist ein hoher Reibungskoeffizient der Oberfläche vorgesehen.
• Allen Ausführungsvarianten ist gemeinsam, dass die Partikel beim Auftreffen auf die Oberfläche zusätzliche Kräfte erfahren und dadurch stärker in die Strömung zurückreflektiert werden.
• Als besonders vorteilhaft erweist es sich, dass durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung die Lebensdauer des Triebwerks bzw. der Triebwerkskomponenten erheblich gesteigert werden kann. Insbesondere ist es möglich, die Lebensdauer der IPC-, der Booster- und der HPC-Schaufeln des Triebwerks zu erhöhen, da eine wesentlich geringere Erosion auftritt und da die Beschädigung durch fremde Objekte (FOD) ganz erheblich reduziert werden kann. Die oben beschriebenen nachteiligen Wirkungen der eintretenden Partikel werden somit vermieden, wodurch sich die damit verbundenen Nachteile und Schädigungen vermeiden lassen. Somit erhöht sich die Lebensdauer der Schaufeln und Einlaufbeläge sowie des Fan-Naben-Eintrittsleitrads. Auch die Blockade von Kühlluftbohrungen in der Brennkammer sowie die Beschädigung von Turbinenschaufeln wird verringert.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
• 1 eine schematische Teil-Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Triebwerkeinlaufkonus,
• 2 eine Teil-Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Oberfläche,
• 3 eine vereinfachte Schnittansicht längs der Linie III-III von 2,
• 4 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Oberfläche, und
• 5 eine Schnittansicht längs der Linie V-V von 4.
• In 1 ist ein im Wesentlichen konusförmiger Triebwerkeinlaufkonus 1 dargestellt, welcher rotationssymmetrisch zu einer Rotationsachse 3 der Gasturbine angeordnet und ausgestaltet ist. Es versteht sich, dass auch elliptische, ballige oder sonstige Formen von Triebwerkeinlaufkonussen möglich sind. An den Triebwerkeinlaufkonus schließt sich in bekannter Weise eine Triebwerkeinlaufkonus-Abdeckung an.
• In 1 ist die erfindungsgemäß ausgestaltete Oberfläche mit dem Bezugszeichen 2 versehen. Die Oberfläche kann, wie in 1 dargestellt, mit einer zusätzlichen Beschichtung, beispielsweise aus einem superelastischen Material versehen sein. Es ist jedoch auch möglich, die Oberfläche hart auszubilden und mit einer Strukturierung zu versehen. Es versteht sich, dass erfindungsgemäß auch Kombinationen dieser Ausgestaltungen möglich sind, um beispielsweise eine elastische Oberflächenbeschichtung zusätzlich zu strukturieren.
• Mit dem Bezugszeichen C ist die anströmende Flugbahn eines Partikels dargestellt. Dieser trifft in dem Punkt D auf die Oberfläche 2 auf. Von dieser prallt er ab, wobei die Partikelbahn gemäß dem Stand der Technik mit A gekennzeichnet ist, während die erfindungsgemäße Partikelbahn mit B beschrieben ist. Aus der Darstellung der 1 ergibt sich, dass bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Oberfläche die auftretenden Partikel wesentlich weiter nach außen abprallen, da sie zusätzliche Kraftkomponenten in radialer Richtung, bezogen auf die Rotationsachse 3, erfahren.
• Die 2 zeigt eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Oberfläche 2. Diese ist mit konkaven Bereichen 4 und konvexen Bereichen 5 versehen, welche sich in regelmäßiger Abfolge wabenartig oder musterartig aneinander fügen. Es versteht sich, dass die Strukturierung der Oberfläche in axialer Richtung des Triebwerkeinlaufkonus variieren kann, um unterschiedlich große Radialkraft-Komponenten auf die auftretenden Partikel aufzubringen. Die 3 zeigt eine vereinfachte, stark schematisierte Schnittansicht, aus welcher sich ergibt, dass die konkaven und konvexen Bereiche 4, 5 zu einer wellenartigen Struktur führen.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 4 gezeigt, wobei die 5 eine vereinfachte Schnittansicht darstellt. Hierbei weist die Oberfläche mehrere konkave, kallottenartige, nach innen gewölbte Bereiche auf. Die Übergänge können kantig oder abgerundet ausgebildet sein. Weiterhin können die konkaven Bereiche 4 mit einem teilkreisförmigen oder teilelliptischen Querschnitt versehen sein, welcher an die axiale Positionierung bezüglich der Rotationsachse 3 angepasst ist.
• Bezugszeichenliste

1

Triebwerkeinlaufkonus

2

Oberfläche

3

Rotationsachse

4

Konkave Bereiche

5

Konvexe Bereiche

6

Einlaufkonus-Abdeckung

A

Partikelbahn gemäß Stand der Technik

B

Partikelbahn gemäß der Erfindung

C

Partikeleintrittsbahn

D

Auftreffpunkt

Claims (9)

1. Triebwerkeinlaufkonus für ein Gasturbinentriebwerk, mit einer rotationssymmetrischen, strömungsgünstigen Form, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche (2) des Triebwerkeinlaufkonus (1) zur Aufbringung von radial nach außen, bezogen auf eine Rotationsachse (3), gerichteten Kräften und/oder Kraftkomponenten auf anfliegende Partikel strukturiert ausgebildet ist.
2. Triebwerkeinlaufkonus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (2) mit konkaven Bereichen (4) versehen ist.
3. Triebwerkeinlaufkonus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (2) mit konvexen Bereichen (5) versehen ist.
4. Triebwerkeinlaufkonus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (2) mit konkaven (4) und konvexen (5) Bereichen versehen ist.
5. Triebwerkeinlaufkonus nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die konkaven und/oder konvexen Bereiche (4, 5) abgerundete Übergänge aufweisen.
6. Triebwerkeinlaufkonus nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die konkaven und/oder konvexen Bereiche (4, 5) kantige Übergänge aufweisen.
7. Triebwerkeinlaufkonus nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (2) hart und/oder unelastisch ausgebildet ist.
8. Triebwerkeinlaufkonus nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (2) elastisch ausgebildet ist.
9. Triebwerkeinlaufkonus nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (2) einen hohen Reibungskoeffizienten aufweist.

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