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Die
Erfindung betrifft ein Gasturbinentriebwerk, insbesondere ein Flugtriebwerk,
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Triebwerke
von Flugzeugen, sei es zivile Flugtriebwerke oder militärische Flugtriebwerke,
erzeugen neben einem Vorschub zur Fortbewegung des Flugzeugs auch
Energie zur Versorgung von Anbaueinrichtungen bzw. Nebenaggregaten
der Gasturbine oder zur Versorgung flugzeugseitiger Systeme, wie
zum Beispiel der Klimaanlage. Bei den Anbaueinrichtungen, Nebenaggregaten
oder auch flugzeugseitigen Systemen eines Flugtriebwerks kann es sich
um hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch bzw. elektromotorisch
angetriebene Einrichtungen, Aggregate oder Systeme handeln.
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Bei
der Entwicklung von Flugzeugen ist ein eindeutiger Trend dahingehend
festzustellen, dass zunehmend mehr elektrische Energie im Flugzeug benötigt wird.
Dies liegt zum einen darin begründet, dass
hydraulisch oder pneumatisch betriebene Flugzeugsysteme (zum Beispiel
Klimaanlage oder Aktuatoren) durch elektromotorisch betriebene Systeme ersetzt
werden, und dass andererseits ein immer größerer Energiebedarf pro Sitzplatz
im Flugzeug benötigt
wird. Die Flugtriebwerke müssen
daher immer größere elektrische
Leistungen bzw. eine immer größere elektrische
Energie bereitstellen. Derartige Flugtriebwerke werden auch als „More Electric
Engine" (MEE) bezeichnet.
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Zur
Erzeugung von elektrischer Energie zur Versorgung der Anbaueinrichtungen
oder Nebenaggregate der Gasturbine sowie der flugzeugseitigen Systeme
ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, einem Kerntriebwerk
der Gasturbine mechanische Energie zu entnehmen, die z.B. für den Antrieb
von Pumpen und Generatoren verwendet wird. Die
DE 41 31 713 C2 zeigt ein
Flugtriebwerk, wobei einem Kerntriebwerk Wellenleistung entnommen
wird und diese Wellenleistung Nebenaggregaten zugeführt wird.
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Nach
dem Stand der Technik wird die dem Kerntriebwerk eines Flugtriebwerks
entnommene Wellenleistung entweder unmittelbar zum Betreiben pneumatischer
oder hydraulischer Einrichtungen, Aggregate oder Systeme eines Flugzeugs
verwendet, oder es wird die entnommene Wellenleistung in elektrische
Energie gewandelt. Zur Wandlung der dem Kerntriebwerk entnommenen,
mechanischen Wellenleistung in elektrische Energie dienen Generatoren,
die nach dem Stand der Technik üblicherweise ins
Kerntriebwerk integriert sind. In das Kerntriebwerk integrierte
Generatoren sind extremen Be triebsbedingungen, so zum Beispiel sehr
hohen Temperaturen, ausgesetzt. Es sind daher nach dem Stand der Technik
aufwendige Maßnahmen
zur Kühlung
der Generatoren erforderlich. Hierdurch erhöhen sich die Kosten für das Flugtriebwerk.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde,
ein neuartiges Gasturbinentriebwerk zu schaffen.
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Dieses
Problem wird durch ein Gasturbinentriebwerk im Sinne von Patentanspruch
1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist die
dem Kerntriebwerk entnommene Wellenleistung über ein Zugmittelgetriebe auf den
oder jeden Generator übertragbar,
wobei der oder jeder Generator außerhalb des Kerntriebwerks angeordnet
ist.
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Mit
der hier vorliegenden Erfindung wird ein Gasturbinentriebwerk vorgeschlagen,
mithilfe dessen auf einfache sowie fehlertolerante Art und Weise einem
Kerntriebwerk entnommene mechanische Wellenleistung in elektrische
Energie gewandelt werden kann. Der oder jeder Generator ist außerhalb
des Kerntriebwerks im Bereich eines sogenannten Fanströmungskanals
positioniert und demnach im Vergleich zum Kerntriebwerk relativ
moderaten Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Über ein Zugmittelgetriebe wird
die mechanische Wellenleistung einer Welle des Kerntriebwerks entnommen
und in Richtung auf den oder jeden Generator übertragen. Durch die Verwendung
eines Zugmittelgetriebes ergibt sich eine leichtgewichtige, kosteneffektive
sowie leicht zu wartende Konstruktion.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
wird, ohne hierauf beschränkt
zu sein, an Hand der Zeichnung näher
erläutert.
Dabei zeigt:
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1 eine
schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Gasturbinentriebwerk; und
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2 eine
schematisierte Darstellung eines Details des erfindungsgemäßen Gasturbinentriebwerk.
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Unter
Bezugnahme auf 1 und 2 wird das
erfindungsgemäße Gasturbinentriebwerk nachfolgend
in größerem Detail
beschrieben.
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1 zeigt
einen schematisierten Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Gasturbinentriebwerk 10,
wobei das Gasturbinentriebwerk 10 der 1 einen
Niederdruckverdichter 11 sowie ein Kerntriebwerk 12 umfasst.
Der Niederdruckverdichter 11 umfasst ein Fangehäuse 13,
wobei das Fangehäuse 13 einen
Fanströmungskanal 14 begrenzt. Weiterhin
umfasst der Niederdruckverdichter 11 mindestens einen Fan 15.
Das Kerntriebwerk 12 umfasst mindestens einen Verdichter,
mindestens eine Brennkammer sowie mindestens eine Turbine. Im gezeigten
Ausführungsbeispiel
umfasst das Kerntriebwerk 12 zwei Verdichter, nämlich einen
Mitteldruckverdichter 16 und einen Hochdruckverdichter 17.
Stromabwärts
des Hochdruckverdichters 17 schließt sich eine Brennkammer 18 an.
Stromabwärts
der Brennkammer 18 sind eine Hochdruckturbine 19,
eine Mitteldruckturbine 20 sowie eine Niederdruckturbine 21 des
Kerntriebwerks 12 positioniert.
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Bei
dem in 1 dargestellten Gasturbinentriebwerk 10 ist
der Niederdruckverdichter 11 bzw. der Fan 15 desselben über eine
Welle mit der Niederdruckturbine 21 gekoppelt. Diese Welle
wird auch als Niederdruckwelle bezeichnet. Ebenso ist der Mitteldruckverdichter 16 über eine
Welle bzw. eine Mitteldruckwelle mit der Mitteldruckturbine 20 und
der Hochdruckverdichter 17 über eine Welle bzw. eine Hochdruckwelle
mit der Hochdruckturbine 19 gekoppelt. Diese drei Wellen
verlaufen co-axial und umschließen
einander. In 1 ist lediglich die den Fan 15 mit
einem Rotor der Niederdruckturbine 21 verbindende Niederdruckwelle 22 dargestellt.
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Bei
dem in 1 dargestellten Gasturbinentriebwerk 10 wird
ein Teil der vom Niederdruckverdichter 11 angesaugten Luft
durch den Fanströmungskanal 14 und
ein anderer Teil durch das Kerntriebwerk 12 geleitet. Das
Kerntriebwerk 12 verfügt hierzu über einen
Kerntriebwerksströmungskanal 23, der
sich vom Mitteldruckverdichter 16 in Richtung auf die Niederdruckturbine 21 erstreckt.
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Zur
Erzeugung elektrischer Energie ist mindestens einer Welle des Gasturbinentriebwerks 10 mechanische
Wellenleistung entnehmbar, die von mindestens einem Generator 25 in
elektrische Energie umgewandelt wird. Im Sinne der hier vorliegenden
Erfindung wird einer Welle des Kerntriebwerks 12 Wellenleistung über ein
Zugmittelgetriebe 24 (siehe 2) entnommen
und auf mindestens einen Generator 25 übertragen, wobei der oder jeder
Generator 25 außerhalb
des Kerntriebwerks 12 angeordnet ist.
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Im
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der 1 und 2 entnimmt das Zugmittelgetriebe 24 dem
Kerntriebwerk 12 an der Niederdruckwelle 22 mechanische
Wellenleistung und greift hierzu an einem stromabwärts der
Niederdruckturbine 21 positionierten Ende 26 der
Niederdruckwelle 22 an. Das Ende 26, an welchem
das Zugmittelgetriebe 24 an der Niederdruckwelle 22 angreift,
ist dabei in Strömungsrichtung
gesehen stromabwärts
eines Lagers 27 der Niederdruckwelle 22 angeordnet.
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Der
Generator 25, auf welchen die von der Niederdruckwelle 22 entnommene
mechanische Wellenleistung zur Umwandlung in elektrische Energie übertragen
werden soll, ist gemäß 2 im
Bereich des Fanströmungskanals 14 angeordnet,
und zwar im Bereich einer radial innenliegenden Wand 28 des
Fangehäuses 13 benachbart
zu einer sich in radialer Richtung durch den Fanströmungskanal 14 erstreckenden
Strebe 29. Eine Welle 30 des Generators 25 verläuft dabei
parallel zu der Niederdruckwelle 22 des Kerntriebwerks 12,
der die mechanische Wellenleistung entnommen werden soll. Der vom
Generator 25 erzeugte elektrische Strom bzw. die vom Generator 25 erzeugte
elektrische Spannung ist mithilfe eines Kabels 31, welches
sich durch die Strebe 29 erstreckt, elektrischen Verbrauchern
zuführbar.
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Es
sei hier angemerkt, dass der oder jeder Generator 25 an
jeder beliebigen Position außerhalb des
Kerntriebwerks 12 angeordnet sein kann. So ist es auch
möglich,
den oder jeden Generator an einer radial außenliegenden Wand des Fanströmungskanals 14 zu
positionieren. Die Anordnung an der radial innenliegenden Wand 28 des
Fanströmungskanals 14 ist
jedoch aus konstruktiven Gründen
bevorzugt.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der Niederdruckwelle 22, der mechanische Wellenleistung
entnommen werden soll, eine erste Scheibe 32 des Zugmittelgetriebes 24 zugeordnet.
Die erste Scheibe 32 ist mit der Niederdruckwelle 22 an
deren Ende 26 verbunden und rotiert zusammen mit der Niederdruckwelle 22.
Mit der ersten Scheibe 32 wirkt im gezeigten Ausführungsbeispiel
eine zweite Scheibe 33 des Zugmittelgetriebes 24 derart
zusammen, dass die mithilfe der ersten Scheibe 32 entnommene Wellenleistung über erste
Zugmittel 34 auf die zweite Scheibe 33 übertragen
werden kann. Eine Drehachse der zweiten Scheibe 33 verläuft parallel
zur Drehachse der ersten Scheibe 32 und damit parallel
zur Drehachse der Niederdruckwelle 22. Gemäß 2 verfügt die zweite
Scheibe 33 über
einen kleineren Durchmesser als die erste Scheibe 32, so
dass die Übertragung
von der ersten Scheibe 32 auf die zweite Scheibe 33 mit
einem Drehzahlübersetzungsverhältnis erfolgt,
welches vom Durchmesserverhältnis der
Scheiben 32 und 33 abhängig ist. Vorzugsweise werden
die Durchmesser der Scheiben 32 und 33 derart
gewählt,
dass das Drehzahlübersetzungsverhältnis zwischen
der ersten Scheibe 32 und der zweiten Scheibe 33 in
einer Größenordnung
von 1:2 bis 1:10, vorzugsweise in einer Größenordnung von 1:5 bis 1:10
liegt. Wie 2 entnommen werden kann, sind
die erste Scheibe 32, die zweite Scheibe 33 sowie
die mit diesen beiden Scheiben 32 und 33 zu sammenwirkenden,
ersten Zugmittel 34 vom Kerntriebwerksströmungskanal 23 umschlossen
und demnach innerhalb des Kerntriebwerks 12 positioniert.
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Ausgehend
von der zweiten Scheibe 33 des Zugmittelgetriebes 24 wird
die Wellenleistung auf den Generator 25 übertragen,
nämlich
auf eine der Generatorwelle 30 zugeordnete dritte Scheibe 35. Mit
der zweiten Schreibe 33 und der dritten Scheibe 35 wirken
zweite Zugmittel 36 zusammen, welche die Wellenleistung
von der zweiten Scheibe 33 auf die dritte Scheibe 35 bzw.
die Generatorwelle 30 übertragen.
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Wie
bereits erwähnt
ist der Generator 35 außerhalb des Kerntriebwerks 12 und
damit radial außerhalb
des Kerntriebwerkströmungskanals 23 positioniert.
Zur Herausleitung der Wellenleistung aus dem Kerntriebwerk 12 sind
die zweiten Zugmittel 36 in mindestens einer sich in radialer
Richtung durch den Kerntriebwerksströmungskanal 23 erstreckenden
Strebe 37 geführt.
Die beiden in unterschiedlichen Richtungen verlaufenden Abschnitte
des zweiten Zugmittels 36 können dabei abhängig vom
zur Verfügung
stehenden Bauraum in einer gemeinsamen Strebe 37 oder gabelförmig in
zwei Streben 37 geführt
sein. Die oder jede Strebe 37 innerhalb des Kerntriebwerkströmungskanals 23 kann
dabei ebenso wie die Strebe 29 innerhalb des Fanströmungskanals 14 ein
aerodynamisch geformtes Profil aufweisen, um die jeweiligen Strömungen nur
minimal zu beeinflussen.
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Wie 2 entnommen
werden kann, verfügen
die zweite Scheibe 33 sowie die dritte Scheibe 35 in
etwa über
gleiche Durchmesser, so dass die Übertragung von der zweiten
Scheibe 33 auf die dritte Scheibe 35 des Zugmittelgetriebes 24 mit
einem Drehzahlübersetzungsverhältnis erfolgt,
dass in einer Größenordnung
von in etwa 1:1 liegt.
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An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die in 2 dargestellte
Ausgestaltung des Zugmittelgetriebes 24 rein exemplarisch
ist. So ist es möglich,
dass mehr als die drei dargestellten Scheiben 32, 33 und 35 vorhanden
sind und demnach die Übertragung
der entnommenen Wellenleistung in mehr als zwei Stufen erfolgt.
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Weiterhin
kann auch mehr als ein Generator 25 vorhanden sein. So
können
z.B. um 180° versetzt zwei
Generatoren in den Fanströmungskanal 14 integriert
sein, wobei dann auch zwei zweite Scheiben 33 vorhanden
sind, die mithilfe der ersten Scheibe 32 an der Niederdruckwelle
entnommene mechanische Wellenleistung über entsprechende zweite Zugmittel 36 an
den jeweiligen Generator 25 übertragen. Werden mehrere Generatoren 25 verwen det,
so erhöht sich
zwar das Gesamtgewicht, die Generatoren 25 können jedoch
insgesamt kleiner ausgeführt
werden.
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Das
Zugmittelgetriebe 24 kann entweder als reibschlüssig wirkendes
Riemengetriebe oder als formschlüssig
wirkendes Kettengetriebe oder Zahnriemengetriebe ausgebildet sein.
In dem Fall, in dem das Zugmittelgetriebe 24 als reibschlüssig wirkendes Riemengetriebe
ausgebildet sind, kommen als Zugmittel 34 und 36 Riemen
zum Einsatz, die vorzugsweise aus Kevlar, Polyamid oder aus einem
sonstigen Fasermaterial bestehen. Die Scheiben 32, 33 und 35 sind
dann als sogenannte Riemenscheiben ausgeführt. Alternativ ist es möglich, das
Zugmittelgetriebe 24 als formschlüssig wirkendes Kettengetriebe
oder Zahnriemengetriebe auszubilden. In diesem Fall kommen als Zugmittel 34 und 36 Ketten oder
Zahnriemen zum Einsatz und die Scheiben 32, 33 und 35 sind
als Kettenräder
oder Zahnräder
ausgeführt.
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Um
möglichst
leichte Generatoren 25 zu verwenden, wird, wie bereits
erwähnt,
die Wellenleistung mit einem speziellen Drehzahlübersetzungsverhältnis von
der Niederdruckwelle 22 in Richtung auf den Generator 25 übertragen.
Besonders bevorzugt ist ein Drehzahlübersetzungsverhältnis von
1:10, was bedeutet, dass die Welle 30 des Generators 25 mit
einer 10mal höheren
Drehzahl läuft
als die Niederdruckwelle 22, welcher die mechanische Wellenleistung
entnommen wird. Mit einem derartigen Übersetzungsverhältnis kann
ein Generator 25 bereitgestellt werden, der eine Leistung
von 250 kVA bei einer Drehzahl von 40.000 Umdrehungen/min erzeugt. Das
Gewicht eines solchen Generators würde bei 70 kg und das Volumen
desselben bei 0,015 m3 liegen. In diesem
Zusammenhang sei angemerkt, dass vorzugsweise relativ schlanke Generatoren
zum Einsatz kommen, deren Länge
größer ist
als deren Durchmesser. Das Verhältnis
von Länge
zu Durchmesser liegt dabei vorzugsweise in einer Größenordnung von
5:1, so dass sich unter Berücksichtigung
des obigen Beispiels für
den Generator eine Länge
von 78 cm und ein Durchmesser von 15,6 cm ergeben würde.
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Wie
bereits erwähnt,
können
anstelle eines derartigen Generators, der eine Leistung von 250 kVA
erzeugt, auch zwei Generatoren verwendet werden, die jeweils eine
Leistung von 125 kVA bereitstellen. Hierbei würde sich dann für jeden
der beiden Generatoren ein Gewicht von 40 kg, ein Durchmesser von
12,6 cm und eine Länge
von 63 cm ergeben.
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Gegebenenfalls
kann ein Teil der den Fanströmungskanal 14 durchströmenden Luft
zur Kühlung
des oder jedes Generators 25 verwendet werden. Da der Generator 25 innerhalb
des Strömungskanals 14 positioniert
und demnach relativ moderaten Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist,
ist eine derartige Kühlung
jedoch nur dann erforderlich, wenn extrem hohe Leistungen mit dem
jeweiligen Generator erzeugt werden sollen.
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Wie
bereits erwähnt,
wird die mechanische Wellenleistung im bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Niederdruckwelle 22 im Bereich der Niederdruckturbine 21 entnommen,
die einerseits mit der Niederdruckturbine 21 und andererseits
mit dem Niederdruckverdichter 11 bzw. dem Fan 15 gekoppelt
ist. Hieraus folgt, dass mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung einerseits
im Normalbetrieb des Gasturbinentriebwerk 10 bzw. des Flugtriebwerks
elektrische Energie erzeugt werden kann, ebenso wie im Notfallbetrieb
bzw. sogenannten Windmühlenbetrieb,
wenn das Flugtriebwerk ausfällt.
Im Windmühlenbetrieb wird
durch das Flugtriebwerk Luft geleitet und hierdurch das Lüfterrad 15 angetrieben,
welches mit der Niederdruckwelle 22 gekoppelt ist, der
dann mithilfe des Zugmittelgetriebes 24 mechanische Wellenleistung
zur Erzeugung elektrischer Energie entnommen werden kann.
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Die
von dem oder jedem Generator 25 erzeugte elektrische Spannung
bzw. der erzeugte elektrische Strom kann mithilfe des Kabels 31,
welches innerhalb der Strebe 29 geführt ist, in Richtung auf eine
Steuerschaltung bzw. Steuerelektronik 38 (siehe 1) übertragen
werden, um die vom jeweiligen Generator 25 erzeugte elektrische
Spannung bzw. den elektrischen Strom auf vom elektrischen Verbraucher
benötigte
Werte zu wandeln. Alternativ kann die vom Generator 25 erzeugte
elektrische Energie auch unmittelbar den elektrischen Verbrauchern
zugeführt
werden.
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- 10
- Gasturbinentriebwerk
- 11
- Niederdruckverdichter
- 12
- Kerntriebwerk
- 13
- Fangehäuse
- 14
- Fanströmungskanal
- 15
- Fan
- 16
- Mitteldruckverdichter
- 17
- Hochdruckverdichter
- 18
- Brennkammer
- 19
- Hochdruckturbine
- 20
- Mitteldruckturbine
- 21
- Niederdruckturbine
- 22
- Niederdruckwelle
- 23
- Kerntriebwerksströmungskanal
- 24
- Zugmittelgetriebe
- 25
- Generator
- 26
- Ende
- 27
- Lager
- 28
- Wand
- 29
- Strebe
- 30
- Welle
- 31
- Kabel
- 32
- erste
Scheibe
- 33
- zweite
Scheibe
- 34
- erstes
Zugmittel
- 35
- dritte
Scheibe
- 36
- zweites
Zugmittel
- 37
- Strebe
- 38
- Steuerelektronik