DE102005013421A1

DE102005013421A1 - Einlaufkonus für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE102005013421A1
Application number: DE200510013421
Authority: DE
Inventors: Martina Dipl.-Ing. Nitsche; Stephan Dipl.-Ing. Uftring
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2005-03-21
Filing date: 2005-03-21
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2025-03-22
Also published as: DE102005013421B4

Abstract

Ein Einlaufkonus für ein Gasturbinentriebwerk umfasst einen maschinell aus Faserverbundmaterial einstückig gefertigten Einlaufkonus (5) mit an dessen Innenseite angeformtem Befestigungsbund (7). Über den Befestigungsbund und einen mit dem Fanrotor (2) verbundenen Haltering (11 oder 13), die aneinander grenzende radiale und axiale Anschlagflächen aufweisen, ist der Einlaufkonus am Fanrotor befestigt. Der Einlaufkonus ist mit dem Haltering über in einem Winkel alpha zu den axialen Anschlagflächen schräg angestellte Schraubenbolzen (17) mit einer die radiale Kraftkomponente überschreitenden axialen Kraftkomponente verbunden, so dass auf den Einlaufkonus wirkende Stöße axial abgeleitet werden. Der Einlaufkonus zeichnet sich durch einfaches Montieren und Auswuchten von außen, störungsarme und sichere Funktion und einfache Fertigung aus.

Description

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.
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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Turbofan-Gasturbinentriebwerks mit einem dem Fan zugeordneten Einlaufkonus;
2 eine Teilansicht eines an der Fanscheibe befestigten Einlaufkonus; und
3 eine detaillierte Ansicht einer Variante der Befestigung des Einlaufkonus über einen zwischen dem Haltering der Fanscheibe und dem Einlaufkonus angeordneten Adapterring.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

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

Claims

Einlaufkonus (5) für ein Gasturbinentriebwerk, insbesondere Turbofan-Gasturbinentriebwerk, der ein an einem Haltering (11, 13) des Fanrotors (2) angebrachtes Konusteil (5a) und ein an dieses anschließendes Verkleidungsteil (5b) umfasst, wobei das Konusteil und der Haltering über an diesen vorgesehene axiale Anschlagflächen (8, 14) mittels Schraubenbolzen (17) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaufkonus (5) einstückig mit einem an dessen Innenseite angeformten Befestigungsbund (7), an dem sich eine erste axiale Anschlagfläche (8) befindet, ausgebildet ist, und die den Haltering (11 oder 13) und den Befestigungsbund (7) über Bohrungen (10, 15) durchdringenden Schraubenbolzen (17) in einem Winkel α zur axialen Anschlagfläche (8, 14) schräg angestellt sind, bei dem die Kraftwirkung in axialer Richtung größer als in radialer Richtung ist.
Einlaufkonus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α ≥ 45° und < 90° ist.
Einlaufkonus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α ≥ 45° und < 50° ist.
Einlaufkonus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Befestigungsbund (7) vorgesehenen Bohrungen (10) in ein von der Außenseite des Einlaufkonus (5) ausgehendes Sackloch (9) münden, dessen Öffnung an der Außenseite ein kleines Ellipsenverhältnis aufweist.
Einlaufkonus nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in das Sackloch (9) eine buchsenförmige Unterlegscheibe (19) für die Schraubenbolzen (17) eingeklebt ist.
Einlaufkonus nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die buchsenförmige Unterlegscheibe (19) einen am oberen Rand umlaufenden Bund (19a) aufweist, der am Rand des Sackloches (9) auf der Außenseite des Einlaufkonus (5) aufliegt.
Einlaufkonus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenbolzen (17) zum Auswuchten von außen ein durch die Art des verwendeten Materials oder die Dimensionierung bedingtes unterschiedliches Gewicht haben und/oder den Schraubenbolzen (17) zusätzliche Auswuchtelemente und/oder Unterlegscheiben zugeordnet sind.
Einlaufkonus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsbund (7) zur Ausbildung der ersten axialen und einer ersten radialen Anschlagfläche (8, 7a) die Querschnittsform eines rechtwinkligen Dreiecks hat.
Einlaufkonus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Haltering (11 oder 13) ein radialer Anschlagbund (16) zur Ausbildung einer zweiten radialen Anschlagfläche (16a) angeformt ist.
Einlaufkonus nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaufkonus (5) unmittelbar an einem mit der Fanscheibe (3) verbundenen Haltering (11) mit einer an diesem vorgesehenen zweiten axialen und radialen Anschlagfläche (14, 16a) oder an einem zwischen geschalteten Adapterring (13), an dem die zweite radiale und axiale Anschlagfläche ausgebildet ist, angebracht ist.
Einlaufkonus nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapterring (13) separat angeordnete Auswuchtelemente (12a) aufweist.
Einlaufkonus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der einstückige Einlaufkonus (5) mit Befestigungsbund (7) in einem maschinellen Wickelverfahren aus Faserverbundmaterial gefertigt ist.