DE102008005163A1

DE102008005163A1 - Flugtriebwerk

Info

Publication number: DE102008005163A1
Application number: DE102008005163A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Prof. Dr. Ing. Mönig
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2008-01-19
Filing date: 2008-01-19
Publication date: 2009-08-20
Anticipated expiration: 2028-01-20
Also published as: DE102008005163B4

Abstract

Ein Flugtriebwerk weist ein Kerntriebwerksgehäuse (10) mit einem Verdichter (11), einer Brennkammer (17) und einem Turbinenteil (20) auf. Ein Hauptstromweg (35) führt durch das Kerntriebwerksgehäuse (10) hindurch. Ein Nebenstromweg (36) führt durch eine Propfan-Gebläsestufe (30) hindurch. Erfindungsgemäß sind die Propfan-Rotoren (25, 26) der Propfan-Gebläsestufe (30) jeweils mit einem umgebenden Mantel (28) versehen. Der Mantel (28) kann einteilig mit den Schaufeln (29) der Rotoren ausgebildet sein. Dadurch werden Druckstörungen besser gegenüber der Atmosphäre abgeschirmt und der abgestrahlte Schallpegel wird verringert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Flugtriebwerk mit

– einem Kerntriebwerk, das in einem Kerntriebwerksgehäuse einen Verdichter, eine Brennkammer und mindestens einen von den Verbrennungsgasen der Brennkammer angetriebenen Turbinenrotor enthält,
– und einer Propfan-Gebläsestufe,

In DE 36 14 157 C2 ist ein Flugtriebwerk beschrieben, welches ein Kerntriebwerk und eine das Kerntriebwerk umgehende Propfan-Gebläsestufe mit zwei Rotoren aufweist. Die Propfan-Gebläsestufe befindet sich am rückwärtigen Ende des Kerntriebwerks. Jeder der Rotoren weist frei abstehende Rotorschaufeln auf.
Ein Flugtriebwerk, bei dem eine Propfan-Gebläsestufe vor dem Lufteintritt angeordnet ist, ist beschrieben in DE 37 28 437 C2 sowie in DE 39 33 776 C2 . In allen Fällen hat der Rotor der Propfan-Gebläsestufe frei stehende Schaufeln.
Heutige Flugtriebwerke für zivile Anwendungen werden als Zweikreistriebwerke ausgeführt. Das Nebenstromverhältnis liegt bei den neueren Triebwerken in der Regel zwischen 8 und 11, d. h. nur ein kleiner Teil des angesaugten Luftmassenstroms wird in das Kerntriebwerk geleitet, verdichtet, in der Brennkammer erhitzt und in der Turbine entspannt. Die 8- bis 11-fache Menge des Kernmassenstroms wird nur im Fan geringfügig verdichtet und über den Nebenstromkanal direkt zum Triebwerksaustritt geführt. Der Fan wird von der Niederdruckturbine über eine Niederdruckwelle angetrieben. Je größer das Nebenstromverhältnis wird, desto geringer wird die Austrittsgeschwindigkeit bei gefordertem Schub. Dies führt zu geringen Austrittsverlusten, einem entsprechend hohen Wirkungsgrad und geringen Schallemissionen, bedingt durch die niedrige Strahlgeschwindigkeit. Einer Vergrößerung der Triebwerke sind in der Praxis Grenzen gesetzt, da mit zunehmendem Triebwerksdurchmesser das Triebwerk schwerer wird und höhere Widerstände verursacht. Beides erhöht den Treibstoffverbrauch, so dass es ein optimales Nebenstromverhältnis gibt, das bei heutigem Technologiestand knapp unter 10 liegt.
In DE 10 2006 023 246 (DIR) ist ein Flugtriebwerk mit gegenläufigen offenen Propfans beschrieben. Durch die Gegenläufigkeit der Propfans wird eine drastische Verbesserung im Treibstoffverbrauch erzielt. Das Nebenstromverhältnis kann auf über 35 gesteigert werden. Allerdings erfordern die offenen Rotoren wegen des Fehlens eines Einlaufdiffusors eine Absenkung der Fluggeschwindigkeit. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass die offenen gegenläufigen Rotoren eine erhebliche Lärmabstrahlung zur Folge haben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Flugtriebwerk zu schaffen, das eine verminderte Lärmabstrahlung aufweist und die anderen Nachteile offener Rotoren vermeidet.
Das Flugtriebwerk nach der vorliegenden Erfindung ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass die Propfan-Gebläsestufe mindestens einen ummantelten Rotor aufweist, dessen Rotorschaufeln von einem mitrotierenden Mantel umgeben sind.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Propfan-Gebläsestufe des Flugtriebwerks mit mindestens einem Rotor auszustatten, der außen ummantelt ist. Dadurch besteht die Möglichkeit der Aufnahme zusätzlicher Zentrifugalkräfte in dem Mantel. Die Propfan-Schaufeln können wesentlich leichter ausgeführt werden als im Falle freistehender Einzelschaufeln. Durch die radiale Abschirmung durch den Mantel können die Druckstörungen besser gegenüber der Atmosphäre abgeschirmt werden. Es ist zudem auch möglich, den ringförmigen Mantel in Richtung der Anströmung (nach vorne) axial zu verlängern, so dass ein Diffusor gebildet wird, der eine Strömungsverzögerung hervorruft. Dadurch wird die strömende Luft von der Flugzeuggeschwindigkeit auf eine niedrigere Axialgeschwindigkeit verringert. Hierdurch wird es möglich, die Fluggeschwindigkeit auf dem Niveau heutiger Verkehrsflugzeuge zu belassen und die Strömung im Diffusor so weit zu verzögern, dass der Propfan mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden kann. An der Innenseite des Mantels kann zusätzlich eine Auskleidung aus schalldämpfendem akustischen Material vorgesehen werden, um die effektive Dämpfung des Fan-Schallpegels zu erhöhen. Die erfindungsgemäße Konstruktion vereint die Vorteile eines herkömmlichen Fan-Rotors, der in einem feststehenden Gehäuse rotiert, mit den Vorzügen eines sehr großen offenen Rotors. Ein besonderer Vorteil ist die Möglichkeit eines sehr großen Fan-Durchmessers und dadurch bedingt ein extrem hohes Nebenstromverhältnis mit der Folge eines hohen Vortriebswirkungsgrades und einer niedrigen Strahlgeschwindigkeit und damit eines niedrigen Strahllärms.
Bei Ausgestaltung der Ummantelung als Diffusor wird eine Verzögerung der Luftströmung erreicht. Dadurch sind höhere Fluggeschwindigkeiten bei niedrigen Strömungsverlusten möglich als bei offenen Rotoren.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Propfan-Gebläsestufe mindestens zwei gegenläufig angetriebene ummantelte Rotoren aufweist. Dadurch kann das Nebenstromverhältnis weiter gesteigert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens ein Rotor der Propfan-Gebläsestufe eine Turbine des Turbinenteils umgibt und hinter einem ringförmigen Kerntriebwerksgehäuse angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform, die auch als Aftfan bezeichnet wird, ist der mindestens eine Rotor mit der Turbine integriert. Der Fan-Rotor verdichtet nur den Nebenstrom, der dem Vortrieb dient.
Bei einer anderen Ausführungsform ist mindestens ein Rotor der Propfan-Gebläsestufe im Luftströmungsweg vor dem Verdichter an einer Nabe angeordnet. Hierbei verdichtet der Fan-Rotor sowohl den Hauptstrom als auch den Nebenstrom.
Bei jedem der Rotoren können die Schaufeln entweder mit festem Anstellwinkel oder veränderbarem Anstellwinkel, also schwenkbar, befestigt sein.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Schaufeln des Fan-Rotors an ihren radial außenliegenden Enden nicht überströmt werden, weil diese Enden mit dem umgebenden ringförmigen Mantel verbunden sind.
Der mindestens eine Rotor der Propfan-Gebläsestufe kann einteilig aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt sein.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform des Flugtriebwerks mit am rückwärtigen Ende angeordneter Propfan-Gebläsestufe und
2 eine zweite Ausführungsform des Flugtriebwerks mit am frontseitigen Ende angeordneter Propfan-Gebläsestufe.
Das in 1 dargestellte Flugtriebwerk weist ein rohrförmiges langgestrecktes Kerntriebwerksgehäuse 10 auf, in welchem das Kerntriebwerk angeordnet ist. Hierzu gehört ein Verdichter 11 mit Rotoren 12, 13 sowie Statoren 15 zum Verdichten der in den ringförmigen Einlass 14 eintretenden Luft. Das Kerntriebwerksgehäuse 10 ist über die Statoren 15 mit einer sich in axialer Richtung erstreckenden Tragstruktur 16 verbunden, was zur besseren Übersichtlichkeit nicht im Einzelnen dargestellt ist.
In Strömungsrichtung hinter dem Verdichter 11 ist eine Brennkammer 17 angeordnet, in der Brenner 18 vorgesehen sind. Die Brenner werden von der verdichteten Luft durchströmt. Hinter der Brennkammer 17 befindet sich in dem Ringraum ein Turbinenteil 20, der einen ersten Turbinenrotor 21 für den Antrieb des Verdichters 11 und weitere Turbinenrotoren 22 und 23 enthält. Jeder der Turbinenrotoren, die im Strom der Verbrennungsgase hintereinander angeordnet sind, weist mindestens ein Schaufelrad auf. Der erste Turbinenrotor 21 ist über eine Welle 24 mit den Verdichter-Rotoren 12, 13 verbunden und treibt diese an. Der zweite Turbinenrotor 22 trägt einen ringförmigen Propfan-Rotor 25 und der dritte Turbinenrotor 23 trägt ebenfalls einen ringförmigen Propfan-Rotor 26. Jeder der Propfan-Rotoren 25, 26 enthält einen Innenring 27 und einen äußeren Mantel 28 sowie dazwischen angeordnete Schaufeln 29. Die Propfan-Rotoren 25 und 26 befinden sich außerhalb der Außenkontur des Kerntriebwerksgehäuses 10, d. h. sie stehen über dieses hinaus. Die Propfan-Rotoren 25, 26 bilden eine Propfan-Gebläsestufe 30.
Der Innenring 27 und der Mantel 28 eines Rotors sind im Wesentlichen spaltfrei mit den Schaufeln 29 verbunden. Der Innenring 27 und der Mantel 28 rotieren zusammen mit den Schaufeln des Rotors. Die Schaufeln 29 haben einen Anstellwinkel.
Vorzugsweise rotieren die beiden Propfan-Rotoren 25, 26 gegenläufig zueinander.
Im vorderen Bereich des vorderen Propfan-Rotors 25 können der Innenring 27 und der Mantel 28 nach vorne über die Schaufeln 29 hinaus vorstehen. Die Wand des Mantels 28 verläuft bei Unterschallgeschwindigkeit nach vorne hin zu kleineren Radien, so dass ein Diffusor 31 gebildet wird, in dem die Geschwindigkeit der einströmenden Luft verringert wird.
Am vorderen Ende des Flugtriebwerks befindet sich der von dem Kerntriebwerksgehäuse 10 gebildete ringförmige Einlass 14. In diesen Einlass führt der Hauptstromweg 35 hinein. Der Hauptstromweg geht durch das Kerntriebwerk mit dem Verdichter 11 und der Brennkammer 17 und durch die die Propfan-Gebläsestufe 30 antreibenden Turbinenrotoren 22 und 23 hindurch und mündet in den Auslass 37. Ein Nebenstromweg 36 der Luft führt nur durch die Propfan-Gebläsestufe 30 hindurch.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 2 ist die Propfan-Gebläsestufe 30 am vorderen Triebwerksende angeordnet, d. h. vor dem Kerntriebwerksgehäuse 10. Die Propfan-Rotoren 25, 26 erstrecken sich jeweils von einem Innenring 27 radial nach außen bis zu einem ringförmigen Mantel 28. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel geht nicht nur der Nebenstromweg 36 durch die Propfan-Gebläsestufe 30 hindurch, sondern auch der Hauptstromweg 35. Die Propfan-Rotoren 25, 26 werden von dem jeweiligen Turbinenrotor 22 bzw. 23 über eine in Längsrichtung des Triebwerks verlaufende Welle oder Hohlwelle 40 bzw. 41 angetrieben, vorzugsweise gegenläufig zueinander. Der Innenring 27 des vorderen Propfan-Rotors 25 bildet eine kuppelförmige Nabe 42, die die anströmende Luft nach außen abweist.
Auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel kann jeder der Rotoren aus einem einteilig geformten Teil bestehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 3614157 C2 [0002]
- DE 3728437 C2 [0003]
- DE 3933776 C2 [0003]
- DE 102006023246 [0005]

Claims

Flugtriebwerk mit – einem Kerntriebwerk, das in einem Kerntriebwerksgehäuse (10) einen Verdichter (11), eine Brennkammer (17) und mindestens einen von den Verbrennungsgasen der Brennkammer (17) angetriebenen Turbinenrotor (21) enthält, – und einer Propfan-Gebläsestufe (30) wobei ein Hauptstromweg (35) durch das Kerntriebwerk hindurchfährt und ein Nebenstromweg (36) das Kerntriebwerk umgeht, dadurch gekennzeichnet, dass die Propfan-Gebläsestufe (30) mindestens einen ummantelten Propfan-Rotor (25, 26) aufweist, dessen Rotorschaufeln (29) von einem mitrotierenden Mantel (28) umgeben sind.
Flugtriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Propfan-Gebläsestufe (30) mindestens zwei gegenläufig angetriebene ummantelte Propfan-Rotoren (25, 26) aufweist.
Flugtriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Propfan-Rotor (25, 26) der Propfan-Gebläsestufe (30) im Luftströmungsweg vor dem Verdichter (11) angeordnet ist.
Flugtriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Propfan-Rotor (25, 26) der Propfan-Gebläsestufe (30) einen Turbinenrotor (22, 23) umgibt und an diesem befestigt ist, und dass dieser Propfan-Rotor (25, 26) hinter dem ringförmigen Kerntriebwerksgehäuse (10) angeordnet ist.
Flugtriebwerk nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Propfan-Rotor (25, 26) der Propfan-Gebläsestufe (30) einteilig aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt ist.
Flugtriebwerk nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (28) eines vorderen Propfan-Rotors (25) der Propfan-Gebläsestufe (30) die Rotorschaufeln (29) nach vorne weiter überragt als der Mantel eines hinteren Propfan-Rotors (26).
Flugtriebwerk nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (28) mindestens eines Propfan-Rotors (25, 26) als Diffusor (31) ausgebildet ist.