DE102008056018A1

DE102008056018A1 - Triebwerkswelle für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE102008056018A1
Application number: DE102008056018A
Authority: DE
Inventors: Karl Schreiber; Raimund Grothaus
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2008-11-05
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2010-05-06
Also published as: EP2184441A2; US8251830B2; EP2184441A3; EP2184441B1; US20100113170A1

Abstract

Die Niederdruckturbinenwelle (11) für ein Gasturbinentriebwerk umfasst ein Faserverbundkunststoffrohr (13) aus im inneren Wandbereich angeordneten Faserlagen zur Aufnahme und Ableitung von Torsionskräften sowie im äußeren Wandbereich zur Einflussnahme auf die Steifigkeit und Dämpfung orientierten Faserlagen. Die Faserlagen sind in eine hochtemperaturbeständige Kunststoffmatrix eingebettet. Das Lasteinleitungsteil (14) ist ein an das Faserverbundkunststoffrohr (13) integral angeformter Befestigungsflansch (24) aus Faserverbundkunststoff. Das Lastableitungsteil (15) ist ein unlösbar mit den die Torsionskräfte übertragenden Faserlagen verbundener metallischer Abtriebszapfen. Alternativ kann das Lasteinleitungsteil als fest mit den die Torsionskräfte aufnehmenden Faserlagen verbundener metallischer Antriebszapfen ausgeführt sein.

Description

Die Erfindung betrifft eine Triebwerkswelle, insbesondere die Niederdruckturbinenwelle oder die Radialwelle für ein Gasturbinentriebwerk, die als Hohlkörper ausgebildet ist und antriebsseitig ein Lasteinleitungsteil und abtriebsseitig ein Lastableitungsteil aufweist.
Ein bekanntes Mehrwellen-Mantelstromgasturbinentriebwerk weist in Strömungsrichtung hintereinander beispielsweise einen Lufteinlass, einen Fan, einen Zwischendruckkompressor und einen Hochdruckkompressor, eine Brennkammer, eine Hochdruckturbine, eine Zwischendruckturbine und eine Niederdruckturbine auf. Die Hochdruckturbine, die Zwischendruckturbine und die Niederdruckturbine sind über konzentrisch angeordnete Antriebswellen, das heißt eine Hochdruckturbinenwelle, eine Zwischendruckturbinenwelle und eine Niederdruckturbinenwelle, mit dem Hochdruckkompressor, dem Zwischendruckkompressor und dem Fan verbunden. Der Fan erzeugt einen ersten Luftstrom oder Mantelstrom, der den Vortriebsschub liefert, und einen zweiten Luftstrom, der zunächst im Zwischendruckkompressor verdichtet wird und danach in Hochdruckkompressor weiter verdichtet wird. Mit den aus der Brennkammer austretenden expandierenden Gasen werden die Hochdruckturbine, die Zwischendruckturbine und die Niederdruckturbine betrieben, wobei die aus dem Triebwerk über eine Düse ausgestoßenen Gase für einen zusätzlichen Antriebsschub sorgen.
Die konzentrisch zur hohl ausgebildeten Zwischendruckturbinenwelle – oder bei einem Zweiwellen-Gasturbinentriebwerk zur Hochdruckturbinenwelle – angeordnete Niederdruckturbinenwelle (Niederdruckwelle), die zur Verbindung mit dem Fan und der Niederdruckturbine an ihren Enden zur Übertragung der hohen Kräfte starr befestigte Kopplungselemente (Lasteinleitungsteil, Lastableitungsteil) aufweist, hat gegenüber den beiden anderen Wellen den geringsten Durchmesser, die größte Länge und die geringste Drehzahl und muss zudem die höchste Belastung aufnehmen. Sie stellt daher innerhalb des Triebwerks ein hoch belastetes kritisches Bauteil dar, das keinesfalls versagen darf, aber andererseits einen möglichst geringen Außendurchmesser haben soll, um Turbinenscheiben mit möglichst geringem Innendurchmesser verwenden zu können und somit leichte und leistungsfähige Turbinen bereitstellen zu können. Die üblicherweise aus Stahl oder einem Nickelbasiswerkstoff bestehende, geschmiedete und hohl gebohrte Niederdruckwelle ist kostenaufwendig in der Herstellung und weist zudem ein hohes Gewicht auf. Um im Zuge der ständigen Weiterentwicklung der Flugzeugtriebwerke bei begrenztem, möglichst kleinem Wellendurchmesser dennoch größere Drehmomente mit der Niederdruckturbinenwelle übertragen sowie größere Wellenlängen und höhere Drehzahlen erreichen zu können und eine hohe Steifigkeit der Niederdruckturbinenwelle zu erzielen, besteht nur die Möglichkeit einer Wandstärkenvergrößerung nach innen. Damit ist jedoch eine Senkung der Eigenfrequenz der Niederdruckwelle und deren Annäherung an die Eigenfrequenz des Triebwerks verbunden, so dass nicht nur das Gewicht der Niederdruckwelle erhöht wird, sondern auch eine Schwingungserhöhung möglich ist und mithin die Gefahr der Beschädigung oder Zerstörung der Niederdruckturbinenwelle besteht.
Ähnliche Anforderungen wie an die Niederdruckturbinenwelle werden auch an die ein äußeres und ein inneres Getriebe verbindende Radialwelle gestellt, die jedoch an beiden Wellenenden, aber immer in der gleichen Richtung, angetrieben wird, so dass unterschiedliche Drehmomente auf die Radialwelle wirken. Wie die Niederdruckwelle muss auch die Radialwelle möglichst schlank ausgebildet sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Niederdruckturbinenwelle oder die Radialwelle für ein Gasturbinentriebwerk so auszubilden, dass bei vermindertem Gewicht und begrenztem Außendurchmesser hohe Drehmomente betriebssicher übertragen werden können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Triebwerkswelle gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Kern der Erfindung liegt in der Ausbildung der betreffenden Triebwerkswelle als aus unterschiedlichen Faserlagen bestehendes Faserverbundkunststoffrohr mit einem zur Lasteinleitung – vorzugsweise bei der Niederdruckturbinenwelle – integral aus Faserverbundkunststoff über einen erweiterten Rohrabschnitt angeformten Befestigungsflansch oder einem unlösbar in den Faserverbund eingebundenen metallischen Antriebszapfen sowie mit einem am anderen Wellenende zur Lastableitung unlösbar in den Faserverbund eingebundenen metallischen Abtriebszapfen. Ein wesentlicher Erfindungsgedanke besteht zudem in der speziellen Faserorientierung in den mehreren Faserlagen, und zwar derart, dass die von der Innenwand des Faserverbundkunststoffrohres ausgehenden Faserlagen in einem zur Aufnahme und Übertragung von Torsionskräften geeigneten Winkel und die im äußeren Wandbereich vorgesehenen Faserlagen in einem die Steifigkeit des Faserverbundrohres bewirkenden Winkel angeordnet sind. Während die äußeren Faserlagen mit einem Winkel zwischen +/–12° und +/–5° weitestgehend in Richtung der Wellenachse verlaufen, sind die zur Innenwand hin anschließenden Faserlagen mit einem Winkel zwischen +/–45° und +/–35°deutlich stärker quer zur Längsachse orientiert. über die Ausrichtung der Fasern in dem jeweiligen Radiusbereich kann die Niederdruckturbinenwelle in Bezug auf Steifigkeit, Eigenfrequenz und Dämpfung sowie hinsichtlich der zu übertragenden Torsionskräfte variabel ausgebildet und an die jeweilige Triebwerksleistung angepasst werden. Die integrale Einbindung des metallischen Abtriebs- und Antriebszapfens in die die Torsionskräfte übertragenden innen liegenden Faserlagen sorgt für eine sichere Lastableitung. Die Herstellungskosten und das Gewicht der Niederdruckturbinenwelle bzw. der Radialwelle sind im Vergleich zu metallischen Ausführungsformen gering. Entsprechend der Belastung der Niederdruckturbinenwelle wird in Abhängigkeit von der Orientierung der Faserlagen ein hinsichtlich der Übertragbarkeit von Torsionskräften und der Steifigkeit entkoppeltes Eigenschaftsprofil der Niederdruckturbinenwelle erzeugt. Um den auf die Radialwelle wirkenden unterschiedlichen Drehmomenten Rechnung zu tragen, sind die +/–45°-Fasern und die +/–35°-Fasernzur Ausbildung eines Fasergeflechts gleichzeitig verlegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Faserverbundkunststoffrohr eine erste – innere – Kohlenstofffaserlage und eine daran anschließende zweite Kohlenstofffaserlage, die jeweils im Winkel von +45° und –45° angeordnet sind, eine dritte und eine vierte Kohlenstofffaserlage, die jeweils im Winkel von +35° und –35° angeordnet sind, und außen liegende fünfte und sechste Kohlenstofffaserlagen, die jeweils im Winkel von +5° bzw. –5° angeordnet sind.
In Ausgestaltung der Erfindung ist an der Außenfläche des Faserverbundkunststoffrohres ein schlauchartiges Geflecht aus im Winkel von +45° und –45° orientierten Fasern vorgesehen. Vorzugsweise besteht die zum mechanischen Ober flächenschutz vorgesehene äußerste Faserlage aus Glasfasern.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Faserlagen in eine entsprechend der Temperatur der Triebwerkswelle im Betrieb hochtemperaturbeständige Kunststoffmatrix eingebettet, die vorzugsweise aus Zyanat- und/oder Phenolharzen und/oder Polyimiden und/oder Polyetheretherketonen besteht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Halbschnitt eines Dreiwellen-Gasturbinentriebwerks in stark vereinfachter Darstellung;
2 eine Schnittansicht einer als Hybrid ausgebildeten Niederdruckturbinenwelle;
3 eine detaillierte Darstellung der Wand der in 2 gezeigten Niederdruckturbinenwelle; und
4 eine graphische Darstellung der Spannungsverteilung über die Wandstärke bzw. den Radius der Niederdruckturbinenwelle.
Das in 1 gezeigte Gasturbinentriebwerk weist in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlass 1, einen Fan 2, einen Zwischendruckkompressor 3, einen Hochdruckkompressor 4, eine Brennkammer 5 sowie eine Turbinenanordnung, bestehend aus einer Hochdruckturbine 6, einer Zwischendruckturbine 7 und einer Niederdruckturbine 8 auf. Die Hochdruckturbine 6 ist über eine Hochdruckturbinenwelle 9 mit dem Hochdruckkompressor 4 verbunden, während der Zwischendruckkompressor 3 über eine Zwischen druckturbinenwelle 10 an die Zwischendruckturbine 7 angeschlossen ist. Eine Niederdruckturbinenwelle 11 verbindet die Niederdruckturbine 8 mit dem Fan 2 des Triebwerks. Der von der Niederdruckturbine 8 angetriebene Fan 2 beschleunigt die am Lufteinlass 1 eintretende Luft und erzeugt eine äußere, den größten Teil des Vortriebsschubes bewirkende Luftströmung sowie eine innere, zunächst im Zwischendruckkompressor 3 und danach im Hochdruckkompressor 4 verdichtete Luftströmung, die anschließend in die Brennkammer 5 gelangt. Die aus der Brennkammer 5 austretenden Verbrennungsprodukte treiben die Hochdruckturbine 6, die Zwischendruckturbine 7 und die Niederdruckturbine 8 an, bevor sie durch die Düse 12 ausgestoßen werden und einen zusätzlichen Antriebsschub erzeugen.
Die an zwei Stellen in Lagern (nicht dargestellt) abgestützte und in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einen maximalen Außendurchmesser von 100 mm sowie eine Länge von 2 m aufweisende, hoch beanspruchte Niederdruckturbinenwelle 11 besteht aus einem Faserverbundkunststoffrohr 13 mit an dessen einem Ende ausgebildetem, mit einer Rotorscheibe der Niederdruckturbine 8 verbundenen Lasteinleitungsteil 14 und an dessen anderem Ende vorgesehenem, an den Fan 2 angeschlossenen Lastableitungsteil 15. Das Faserverbundkunststoffrohr 13 mit den zugehörigen Lastein- und -ableitungsteilen 14, 15 ist so ausgebildet, das die Niederdruckturbinenwelle 11 über eine hohe Eigenfrequenz und Steifigkeit sowie über schwingungsdämpfende Eigenschaften verfügt und zudem hohe Torsionskräfte aufnehmen und weiterleiten kann und außerdem entsprechend den in diesem Triebwerksbereich herrschenden Temperaturen bis etwa 400°C temperaturbeständig ist.
Wie die in 3 als Einzelheit Z aus 2 wiedergegebene Schnittansicht der Rohrwand zeigt, weist das Faserverbundkunststoffrohr 13 mehrere, in eine Matrix aus hochtemperaturbeständigem Kunststoff, beispielsweise Zyanitharz und/oder Phenolharz und/oder Polyimide, eingebettete, in unterschiedlicher Richtung orientierte Kohlenstofffaserlagen 16 bis 22 zur Erzeugung eines faserrichtungsabhängigen und entsprechend der Belastung der Niederdruckturbinenwelle entkoppelten Eigenschaftsprofils auf. Das Faserverbundkunststoffrohr 13 umfasst – jeweils eingebunden in das hochtemperaturbeständige Kunstharzsystem – aufeinander folgend von der Innenfläche zur Außenfläche hin eine erste (innere) +45°-Kohlenstofffaserlage 16, eine zweite –45°-Kohlenstofffaserlage 17, eine dritte +35°-Kohlenstofffaserlage 18, eine vierte –35°-Kohlenstofffaserlage 19, eine fünfte +5°-Kohlenstofffaserlage 20, eine sechste –5°-Kohlenstofffaserlage 21 und eine siebte (äußere) +/–45°-Glasfaserlage 22.
Gemäß dem in 4 gezeigten Diagramm, das den Spannungsverlauf in der Niederdruckturbinenwelle 11 über dem Radius wiedergibt, werden durch die vier ersten, von der Innenfläche ausgehenden, in +45°- und in –45°-Richtung sowie in +35°- und in –35°-Richtung orientierten, in einem hohen Spannungsbereich liegenden Kohlenstofffaserlagen 16 bis 19 Torsionskräfte zur Leistungsübertragung von der Niederdruckturbine 8 auf den Fan 2 aufgenommen, während die beiden sich zur Außenfläche hin anschließenden, in Bezug auf die Längsachse der Niederdruckturbinenwelle 11 in +5°- und in –5°-Richtung orientierten Kohlenstofffaserlagen 20 und 21 für eine hohe Steifigkeit, Eigenfrequenz und Schwingungsdämpfung der Niederdruckturbinenwelle 11 sorgen. Die am Außenumfang der Niederdruckturbinenwelle 11 vorgesehene Glasfaserlage 22 bildet einen Schlauch aus im Winkel von +/–45° verflochtenen, ebenfalls in eine Matrix aus einem Hochtemperaturharzsystem eingebetteten Glasfasern und dient dem äußeren mechanischen Schutz der Niederdruckturbinenwelle 11.
Gemäß der in 2 teilweise im Schnitt wiedergegebenen Darstellung der Niederdruckturbinenwelle 11 umfasst deren Lasteinleitungsteil 14 einen integral an das Faserverbundkunststoffrohr 13 angeformten, sich allmählich bogenförmig erweiternden Rohrabschnitt 23 mit an dessen Ende ausgebildetem Befestigungsflansch 24, in dem sich Durchgangsbohrungen 25 zu dessen Befestigung an der Rotorscheibe der Niederdruckturbine 8 befinden. Das Lastableitungsteil 15 ist ein mit der Innenfläche des Faserverbundkunststoffrohres 13 fest und unlösbar verbundener metallischer Wellenzapfen, der die von dem Faserverbundkunststoffrohr 13 übertragenen Torsionskräfte zum Fan 2 weiterleitet.
Die Erfindung ist nicht auf die zuvor beispielhaft beschriebene Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise ist es denkbar, dass das Lasteinleitungsteil aus einem metallischen, fest mit den die Torsionskräfte aufnehmenden Faserlagen verbundener Antriebszapfen besteht.

1: Lufteinlass
2: Fan
3: Zwischendruckkompressor
4: Hochdruckkompressor
5: Brennkammer
6: Hochdruckturbine
7: Zwischendruckturbine
8: Niederdruckturbine
9: Hochdruckturbinenwelle
10: Zwischendruckturbinenwelle
11: Niederdruckturbinenwelle
12: Düse
13: Faserverbundkunststoffrohr
14: Lasteinleitungsteil
15: Lastableitungsteil
16: erste/innere +45°-Kohlenstofffaserlage
17: zweite –45°-Kohlenstofffaserlage
18: dritte +35°-Kohlenstofffaserlage
19: vierte –35°-Kohlenstofffaserlage
20: fünfte +5°-Kohlenstofffaserlage
21: sechste –5°-Kohlenstofffaserlage
22: siebte/äußere +/–45°-Glasfaserlage
23: erweiterter Rohrabschnitt von 13
24: Befestigungsflansch von 13
25: Durchgangsbohrungen

Claims

Triebwerkswelle für ein Gasturbinentriebwerk, insbesondere Niederdruckturbinenwelle oder Radialwelle, die als Hohlkörper ausgebildet ist und antriebsseitig ein Lasteinleitungsteil (14) und abtriebsseitig ein Lastableitungsteil (15) aufweist, gekennzeichnet durch ein Faserverbundkunststoffrohr (13) mit im inneren Wandbereich zur Aufnahme und Übertragung von Torsionskräften ausgerichteten Faserlagen (16 bis 19) und im anschließenden äußeren Wandbereich zur Erzielung einer hohen Steifigkeit und Eigenfrequenz ausgerichteten Faserlagen (20, 21), wobei das Lasteinleitungsteil (14) von einem sich allmählich erweiternden Rohrabschnitt (23) des Faserverbundkunststoffrohres (13) und einem daran angeformten Befestigungsflansch (24) aus Faserverbundkunststoff oder einem unlösbar mit dem die Torsionskräfte aufnehmenden Faserlagen (16 bis 19) verbundenen metallischen Antriebszapfen gebildet ist und das Lastableitungsteil (15) ein mit den Faserlagen (16 bis 19) unlösbar verbundener metallischer Abtriebszapfen ist.
Triebwerkswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserlagen (20, 21) im äußeren Wandbereich jeweils in einem Winkel von +5° und –5° bis +12° und –12° im Wesentlichen in Längsrichtung der Welle verlaufen und die im inneren Wandbereich liegenden Faserlagen (16 bis 19) jeweils in einem Winkel von +45° und –45° bis +35° und –35° angeordnet sind und stärker quer zur Längsachse der Welle verlaufen.
Triebwerkswelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserlagen (20, 21) in einem Winkel von +5° und –5° bis +7° und –7° verlaufen.
Triebwerkswelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserlagen (16 bis 19) bei einer als Radialwelle fungierenden Triebwerkswelle als Fasergeflecht gewickelt sind.
Triebwerkswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserlagen aus in eine hochtemperaturbeständige Kunststoffmatrix eingebetteten Kohlenstofffasern bestehen.
Triebwerkswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der zur Übertragung von Torsionskräften und zur Erzielung der erforderlichen Steifigkeit jeweils vorgesehenen Faserlagen entsprechend den jeweils an die Lastübertragung und Steifigkeit gestellten Anforderungen variabel ist.
Triebwerkswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – mit Bezug auf die Längsachse des Faserverbundkunststoffrohres (13) – zur Übertragung von Torsionskräften eine erste, innere Kohlenstofffaserlage (16) in einem Winkel von +45°, eine zweite Kohlenstofffaserlage (17) in einem Winkel von –45°, eine dritte Kohlenstofffaserlage (18) in einem Winkel von +35 und eine vierte Kohlenstofffaserlage (19) in einem Winkel von –35° orientiert ist, und zur Erhöhung der Steifigkeit eine fünfte Kohlenstofffaserlage (20) in einem Winkel von +5° und eine sechste Kohlenstofffaserlage (21) in einem Winkel von –5° ausgerichtet ist.
Triebwerkswelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der an beiden Wellenenden angetriebenen Radialwelle zur Übertragung der auf diese wirkenden unterschiedlichen Drehmomente die ersten und zweiten Faserlagen (16, 17) sowie die dritten und vierten Faserlagen jeweils ein Fasergeflecht bilden.
Triebwerkswelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmatrix aus Zyanatharzen und/oder Phenolharzen und/oder Polyimiden und/oder Polyetheretherketonen besteht.
Triebwerkswelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein das Faserverbundkunststoffrohr (13) zusätzlich umhüllendes schlauchartiges Geflecht aus im Winkel von +/–45° ausgerichteten Fasern.
Triebwerkswelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das schlauchartige Geflecht eine Glasfaserlage (22) ist.