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Die
Erfindung betrifft einen Einlaufkonus für ein Gasturbinentriebwerk,
insbesondere Turbofan-Gasturbinentriebwerk, der ein an einem Haltering des
Fanrotors angebrachtes Konusteil und ein an dieses anschließendes konisches
Verkleidungsteil umfasst, wobei das Konusteil und der Haltering über an diesen
vorgesehene axiale Anschlagflächen
mittels Schraubenbolzen miteinander verbunden sind.
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Die
Anordnung eines Einlaufkonus auf der Einlassseite eines Gasturbinentriebwerks
ist prinzipiell bekannt. Derartige, zumeist als Kegel gestaltete Einlaufkonusse
sollen zum einen eine möglichst
verwirbelungsfreie Einlaufströmung
in das Triebwerk bewirken und zum anderen durch auftreffende Fremdkörper bedingte
Schäden
(Vogelschlag) begrenzen.
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Bei
einer beispielsweise aus der
GB
0102 169 bekannten Einlaufkonus-Baugruppe der oben erwähnten Art
für ein
Turbofan-Gasturbinentriebwerk ist das als Kegelspitze ausgebildete
Konusteil durch ein zylindrisches Basisteil verlängert, an dessen freien Rand
ein radial nach außen
gerichteter Befestigungsring angeformt ist, der mit axial ausgerichteten Schraubenbolzen
an der Fanscheibe bzw. einem mit dieser verbundenen Haltering befestigt
ist. Die axiale Ausrichtung des Basisteils und der Schraubenbolzen gewährleisten
eine sichere Befestigung des Konusteils, insbesondere auch im Falle
einer durch Vogelschlag verursachten großen Kraftwirkung, da auf das Konusteil
wirkende Schläge
in axialer Richtung abgeleitet und die Befestigungsschrauben nicht
auf Scherung beansprucht werden. Um bei dieser Art der Befestigung
dennoch die erforderliche verwirbelungsfreie Anströmung der
Fanschaufeln zu erreichen, muss das zylindrische Basisteil einschließlich der Schraubverbindungen
durch ein separates, an das Konusteil anschließendes und dessen Konizität fortführendes
Verkleidungsteil abgedeckt werden. Diese Ausbildung ist jedoch insofern
nachteilig, als das Verkleidungsteil zu Vibrationen neigt. Die Befestigung
ist aufwändig
und erfolgt zur Vermeidung von Vibrationen bekanntermaßen mittels
Schrauben und einen Dichtring, wobei die Schrauben in einer anderen
Ausführung
des Verkleidungsteils über
in das Verkleidungsteil eingebrachte Taschen mit ovalen Öffnungen
zugänglich
sind. Durch die großen
ovalen Öffnungen
der Befestigungstaschen verschlechtern sich jedoch die ohnehin bereits
durch den Übergangsbereich
zwischen Konusteil und Verkleidungsteil beeinträchtigten Strömungsbedingungen
am Einlaufkonus. Zudem bereitet die Ausbildung eines dichten Übergangs
zwischen Konusteil und Verkleidungsteil Schwierigkeiten. Trotz einer
am Übergang
vorgesehenen Dichtung, die eigentlich die Vibration des Verkleidungsteils
vermindern soll, kann Wasser eindringen und beim Gefrieren zu Unwuchten
führen.
Der Montageaufwand für
das Konusteil und das Verkleidungsteil ist hoch. Außerdem muss
zum Auswuchten, das an den axialen Befestigungsschrauben für das Konusteil
erfolgt, das Verkleidungsteil abgeschraubt werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Einlaufkonus der eingangs
erwähnten
Art so auszubilden, dass der Herstellungs- und Montageaufwand gering
und eine sichere Befestigung sowie ein störungsfreier Betrieb gewährleistet
sind.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Einlaufkonus gelöst. Aus
den Unteransprüchen
ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen
der Erfindung.
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Gemäß einem
ersten wichtigen Erfindungsmerkmal ist der üblicherweise aus einem Konusteil und
einem dieses verlängernden
Verkleidungsteil bestehende Einlaufkonus einstückig ausgebildet und weist
stromabwärts
an der Innenseite einen einstückig
angeformten Befestigungsbund mit einer ersten axialen Anschlagfläche auf.
Die Verbindung des Einlaufkonus mit einem gleichermaßen über eine
axiale Anschlagfläche
verfügenden,
an dem Fanrotor angebrachten oder integral angeformten Haltering
erfolgt mittels in einem Winkel α schräg zu den
axialen Anschlagflächen
angestellten Schraubenbolzen, die in fluchtenden, den Haltering
und den Befestigungsbund durchdringenden Bohrungen angeordnet sind. Der
Anstellwinkel α der
Schraubenbolzen ist so gewählt,
dass die infolge der Schrägstellung
erzeugte axiale Kraftwirkung größer als
der radiale Kraftanteil ist. Der Anstellwinkel zur axialen Anschlagfläche ist größer gleich
45° und
kleiner als 90° und
liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 45° und 50°. Der Befestigungsbund ist eine
an der Innenwand des Einlaufkonus ausgebildete Materialverstärkung in Form
eines im Querschnitt rechtwinkligen Dreiecks, das eine axiale und
eine radiale Anschlagfläche
erzeugt.
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Auf
den Einlaufkonus wirkende Stöße werden
axial abgeleitet. Die Verbindung zwischen Einlaufkonus und Fan zeichnet
sich durch eine hohe Festigkeit und lange Lebensdauer aus. Der erfindungsgemäß ausgebildete
und befestigte Einlaufkonus kann einfach – bei Verwendung von Faserverbundmaterial
zudem in einem maschinellen Wickelverfahren – gefertigt werden. Die Montage
ist ebenfalls einfach, da lediglich die Schraubenbolzen von der
Außenseite
des Einlaufkonus her angezogen und keine zusätzlichen Bauteile befestigt
werden müssen.
Zudem kann das erforderliche Auswuchten auf einfache Weise von außen, und
zwar auf der Grundlage eines variablen Gewichts der Schraubenbolzen und/oder
der eingesetzten Unterlegscheiben und/oder zusätzlicher Auswuchtelemente,
erfolgen. Dadurch wird der zum Auswuchten erforderliche Aufwand
verringert. Das Auswuchten kann außerdem durch Materialabtrag
erfolgen. Die schräge
Anstellung der Schraubenbolzen ist noch insofern vorteilhaft, als
die an der Außenseite
des Einlaufkonus gebildeten Austrittsöffnungen der entsprechend schräg ausgerichteten
Bohrungen ein kleines Ellipsenverhältnis aufweisen, so dass die
Kerbspannungen minimiert sind und eine aerodynamisch vorteilhafte
Außenfläche des
Einlaufkonus erzeugt wird und mithin eine störungsarme, optimale Funktion
des Einlaufkonus gewährleistet
ist. Die Zentrierung erfolgt über eine
Presspassung an radialen Anschlagflächen. Die Montageposition wird
beispielsweise über
Positionsstifte festgelegt.
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Nach
einem weiteren wichtigen Merkmal der Erfindung ist dem jeweiligen
Schraubenbolzen eine in ein Sackloch eingepasste buchsenförmige Unterlegscheibe
zugeordnet, die die Seitenwand des Sackloches verdeckt. Eine Variante
dieser buchsenförmigen
Unterlegscheibe weist einen am Rand ausgebildeten Bund auf, der
auf der Außenfläche des Einlaufkonus
aufliegt und damit ein Abplatzen der Oberflächenbeschichtung verhindert.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
vereinfachte schematische Darstellung eines Turbofan-Gasturbinentriebwerks
mit einem dem Fan zugeordneten Einlaufkonus;
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2 eine
Teilansicht eines an der Fanscheibe befestigten Einlaufkonus; und
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3 eine
detaillierte Ansicht einer Variante der Befestigung des Einlaufkonus über einen
zwischen dem Haltering der Fanscheibe und dem Einlaufkonus angeordneten
Adapterring.
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Das
in 1 dargestellte Turbofan-Gasturbinentriebwerk umfasst
einen in einem Fangehäuse 1 angeordneten,
von der Niederdruckturbine über
die Niederdruckwelle angetriebenen Fanrotor 2 mit, wie insbesondere 2 zeigt,
an einer Fanscheibe 3 angebrachten Fanschaufeln 4 und
einem axial – in
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
unter Zwischenschaltung eines Adapterringes 13 – an der
Fanscheibe 3 gehaltenen, einstückig ausgebildeten Einlaufkonus 5.
Der Einlaufkonus 5 sorgt aufgrund seiner glatten konischen
Ausbildung zum einen für
eine verwirbelungsfreie Luftzufuhr zum Fanrotor 2. Der
in einem maschinellen Wickelverfahren aus einem Faserverbundmaterial
gefertigte Einlaufkonus 5 ist so ausgebildet und befestigt,
dass die durch Vogelschlag auf diesen ausgeübten Kräfte axial über die Fanscheibe 3 abgeleitet
werden. Ein auf den Einlaufkonus 5 auftreffender Vogel
wird zudem durch die Drehbewegung des Einlaufkonus nach außen, das
heißt,
von dem nachfolgenden Hochdruckverdichter weg, geschleudert.
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Wie 2 zeigt,
ist der Einlaufkonus 5, abgesehen von einer an diesem stromauf
befestigten Gummispitze 6, einstückig ausgebildet und weist
einen stromab, das heißt
nahe der Fanscheibe 3, an der Innenfläche des Einlaufkonus 5 ausgeformten,
im Querschnitt dreieckförmigen
Befestigungsbund 7 mit einer ersten axialen, zur Fanscheibe 3 weisenden Anschlagfläche 8 (3)
auf. In dem Befestigungsbund 7 sind in regelmäßigem Abstand
zueinander von einem Senkloch 9 in der Außenfläche des
Einlaufkonus 5 ausgehende und an der ersten axialen Anschlagfläche 8 mündende erste
Bohrungen 10 ausgebildet. An einem in der hier dargestellten
Ausführungsform
mit der Fanscheibe 3 verbundenen Haltering 11 ist
mittels einer Schraubverbindung 12, in die Auswuchtelemente 12a integriert
sind, ein Adapterring 13 befestigt, der eine zweite axiale
Anschlagfläche 14 aufweist.
Die an dem Befestigungsbund 7 vorgesehene erste axiale
Anschlagfläche 8 und
die an dem Adapterring 13 vorgesehene zweite Anschlagfläche 14 grenzen
unmittelbar aneinander. In dem Adapterring 13 befinden
sich an der zweiten axialen Anschlagfläche 14 mündende zweite
Bohrungen 15, die mit den in dem Befestigungsbund 7 ausgebildeten
ersten Bohrungen 10 in einer Flucht liegen. Der Adapterring 13 weist
am Innenumfang einen an der Seite der zweiten axialen Anschlagfläche 14 ausgebildeten
radialen Anschlagbund 16 auf, an dessen zweite radiale
Anschlagfläche 16a eine
erste radiale Anschlagfläche 7a des
Befestigungsbundes 7 angrenzt.
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Auf
den in der hier beispielhaft erläuterten Ausführungsform
aus konstruktiven Erwägungen zwischengeschalteten
Adapterring 13 sowie die Befestigungsmittel für die Schraubverbindung 12 und die
Auswuchtelemente 12a kann auch verzichtet werden. In diesem
Fall ist die zweite Anschlagfläche mit
den zweiten Bohrungen unmittelbar am Haltering 11 ausgebildet.
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Die
Arretierung des Einlaufkonus 5 an der zweiten axialen Anschlagfläche 14 und
der zweiten radialen Anschlagfläche 16a des
Adapterringes 13 erfolgt mit Schraubenbolzen 17 und
selbstsichernden Muttern 18. Die Schraubenbolzen 17 und
dementsprechend die ersten und die zweiten Bohrungen 10, 15 sind
in einem Anstellwinkel α ≥ 45° und < 90° zu den axialen
Anschlagflächen 8, 14 ausgerichtet.
Die axialen und radialen Anteile der Schraubenkraft werden durch
deren Anstellwinkel zur axialen Anschlagfläche bestimmt, wobei der Winkel
mit α ≥ 45° so eingestellt
ist, dass der Kraftanteil in axialer Richtung größer als in radialer Richtung
ist und ein auf den Einlaufkonus wirkender Stoß über einen axialen Anschlag
in axialer Richtung abgeleitet wird und die Schraubenbolzen 17 nicht
auf Scherung beansprucht werden.
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Ein
mit der zuvor beschriebenen konstruktiven Ausbildung verbundenes
Merkmal besteht darin, dass aufgrund der winkligen Anstellung der
Schraubenbolzen 17 die von der ersten Bohrung 10 bzw. dem
zugehörigen
Sackloch 9 an der Außenfläche des
Einlaufkonus 5 gebildete Öffnung eine im Wesentlichen
kreisrunde Form hat. Diese Ausbildung ist sowohl aerodynamisch als
auch hinsichtlich der Festigkeitseigenschaften (geringe Kerbspannungen) vorteilhaft.
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Das
Auswuchten kann – unabhängig von
den in der Ausführungsvariante
nach 3 dargestellten Auswuchtelementen 12a oder
bei einer vereinfachten Ausführungsform
ohne Verwendung des Adapterrings 12 – von außen, das heißt bei nicht
demontiertem Einlaufkonus 5, allein mit Hilfe der Schraubenbolzen 17 über das
jeweils verwendete Material oder die Dimensionierung und einen so
bewirkten Gewichtsunterschied oder bzw. auch zusätzlich durch weitere Unterlegscheiben
vorgenommen werden. Darüber
hinaus kann das Auswuchten auch durch Materialabtrag an dafür vorgesehenen
Flächen erfolgen.
Die buchsenförmig
ausgebildeten Unterleg scheiben 19, die am oberen Rand einen
umlaufenden Bund 19a aufweisen, haben neben ihrer Funktion
als Unterlegscheibe und Auswuchtelement insofern noch weitere vorteilhafte
Wirkungen, als der umlaufende Bund 19a das Abplatzen einer
auf der Oberfläche
des Einlaufkonus 5 vorgesehenen Beschichtung verhindert
und mit Hilfe der an den Innenflächen des
Sackloches 9 anliegenden buchsenförmigen Teil der Unterlegscheibe 19 die
bei der Verwendung eines Faserverbundwerkstoffes beim Einschneiden des
Sackloches 9 freigelegten Faserenden fixiert werden.
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Abgesehen
von der oben erwähnten
Gummispitze 6 besteht der Einlaufkonus 5 aus einem
Faserverbundmaterial. Es kann aber auch ein anderes geeignetes Material – wie zum
Beispiel Titan oder Aluminium – verwendet
werden. Die oben beschriebene einstückige Ausbildung des Einlaufkonus 5 mit
an dessen Innenseite vorgesehenem Befestigungsbund 7 ist
unter dem Aspekt des Herstellungsaufwandes noch insofern vorteilhaft,
als es bei der Verwendung eines Faserverbundwerkstoffs nunmehr möglich ist, den
Einlaufkonus einschließlich
des Befestigungsbundes in einer maschinellen Wickeltechnik kostengünstig zu
fertigen.
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- 1
- Fangehäuse
- 2
- Fanrotor
- 3
- Fanscheibe
- 4
- Fanschaufel
- 5
- Einlaufkonus
- 6
- Gummispitze
- 7
- Befestigungsbund
- 7a
- erste
radiale Anschlagfläche
v. 7
- 8
- erste
axiale Anschlagfläche
v. 7
- 9
- Senkloch
- 10
- erste
Bohrungen v. 7
- 11
- Haltering
- 12
- Schraubverbindung
- 12a
- Auswuchtelemente
- 13
- Adapterring
- 14
- zweite
axiale Anschlagfläche
v. 13
- 15
- zweite
Bohrungen v. 13
- 16
- radialer
Anschlagbund v. 13
- 16a
- zweite
radiale Anschlagfläche
v. 16
- 17
- Schraubenbolzen
- 18
- selbstsichernde
Muttern
- 19
- buchsenförmige Unterlegscheibe
- 19a
- umlaufender
Bund v. 19