DE102009053000B4

DE102009053000B4 - Fanrückhaltescheibe für ein Strahltriebwerk

Info

Publication number: DE102009053000B4
Application number: DE102009053000.2A
Authority: DE
Inventors: Olaf Lenk; Stefan Lindner
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2014-01-02
Anticipated expiration: 2029-11-17
Also published as: DE102009053000A1

Abstract

Fanrückhaltescheibe (1) für ein Strahltriebwerk mit einer Fanscheibe und einem Nasenkonus, die aus mindestens zwei an einem Übergang (9) winklig zu einander angeordneten Ringelementen (2, 3) gebildet ist und mindestens eine radial äußere Fanabstützung (4), mindestens einen radial inneren Befestigungsabschnitt (6) für die Fanscheibe und eine Vielzahl von winklig nach innen gerichteten Befestigungsabschnitten (5) für den Nasenkonus umfasst, wobei – das erste Ringelement (2) die Fanabstützung (4) und die Befestigungsabschnitte (5) für den Nasenkonus umfasst, – das zweite Ringelement (3) mit dem ersten Ringelement (2) verbunden ist und den Befestigungsabschnitt (6) für die Fanscheibe umfasst, und – die Fanrückhaltescheibe (1) aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fanrückhaltescheibe für ein Strahltriebwerk.
Die Schuberzeugung eines Strahltriebwerks wird hauptsächlich durch den Betrieb einer ersten Bläserstufe, dem Fan, erreicht. Der Fan umfasst eine Anzahl von Schaufeln. Die Schaufeln werden durch die Fliehkraft in Position gehalten.
Jedoch gibt es Fehlerszenarien, z. B. Vogelschlag, bei denen die Schaufeln axial in Flugrichtung bewegt werden. Um einen Verlust der Schaufeln zu verhindern, wird ein Rückhalt in Form einer Fanrückhaltescheibe verwendet. Die Scheibe wird in ihrer Funktionalität erweitert, indem Anbindungspunkte für die Triebwerksspitze (Nasenkonusbefestigung) bereit gestellt werden.
Bisherige Konstruktionen solcher Fanrückhaltescheiben sind in Metallbauweise ausgeführt, wobei hauptsächlich Aluminium- und Titanlegierungen zum Einsatz kommen.
Eine solche Konstruktion ist beispielsweise aus der DE 10 2005 013 421 A1 bekannt. Dort ist ein Einlaufkonus für ein Gasturbinentriebwerk beschrieben, der ein an einem Haltering des Fanrotors angebrachtes Konusteil und ein an dieses anschließendes Verkleidungsteil umfasst. Das Konusteil und der Haltering sind über axiale Anschlagflächen mittels Schraubenbolzen miteinander verbunden. Der Einlaufkonus ist einstückig mit einem an dessen Innenseite angeformten Befestigungsbund, an dem sich eine erste axiale Anschlagfläche befindet, ausgebildet, und die den Haltering und den Befestigungsbund über Bohrungen durchdringenden Schraubenbolzen sind in einem Winkel zur axialen Anschlagfläche schräg angestellt, bei dem die Kraftwirkung in axialer Richtung größer als in radialer Richtung ist.
Die US 2009/0087313 A1 offenbart ein Flugtriebwerk mit einer Fanrückhaltescheibe. Die Fanrückhaltescheibe ist ringförmig ausgebildet und weist eine Vielzahl von Befestigungsabschnitten auf, um einen Nasenkonus des Flugtriebwerkes an der Fanrückhaltescheibe zu befestigen.
Die Formgebung der Fanrückhaltescheibe folgt klassischen Auslegungskriterien für rotierende Scheiben. Die höchsten Belastungen ergeben sich jedoch aus Szenarien des Vogelschlags auf die Triebwerksspitze und auf die Fanschaufeln. Um diese Belastungen aufnehmen zu können, ist eine entsprechende Verstärkung notwendig. Dies führt zu einer signifikanten Gewichtserhöhung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Fanrückhaltescheibe zur Verfügung zu stellen, die hohe Belastungen aufnehmen kann und eine Gewichtseinsparung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Fanrückhaltescheibe nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Erfindungsgemäß besteht die Lösung der Aufgabe in einer Fanrückhaltescheibe für ein Strahltriebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die erfindungsgemäße Fanrückhaltescheibe zeigt ein gutes Belastungsverhalten mit einem optimalen Kraftfluss. Die optimierte Lastverteilung innerhalb der Fanrückhaltescheibe ermöglicht eine geringere Wandstärke als beim Stand der Technik, bei dem eine Verstärkung der Ringelemente erfolgte. Daraus ergibt sich eine hohe Gewichtsersparnis von ca. 30%. Mit der Gewichtsersparnis geht auch eine Kosteneinsparung einher. Außerdem ergibt sich durch die Geometrie der Fanrückhaltescheibe eine bessere Dämpfung der Rotorschwingung.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Ringelement in einem Winkel mit dem ersten Ringelement verbunden, der kleiner ist als 90°, wobei das erste Ringelement zusammen mit den Befestigungsabschnitten für den Nasenkonus einen geradlinigen Querschnitt, und das zweite Ringelement zusammen mit dem Befestigungsabschnitt für die Fanscheibe einen abgewinkelten Querschnitt bilden. Diese Geometrie führt zu einem spezieller optimierten Kraftfluss in der Fanrückhaltescheibe.
Insbesondere umfasst das erste Ringelement eine Vielzahl von ersten Stützelementen und das zweite Ringelement eine Vielzahl von zweiten Stützelementen.
Durch die Verwendung von einzelnen Stützelementen sind im Ringelement Zwischenräume ausgebildet, durch die das Gewicht weiter reduziert wird.
Durch Verwendung des Faserverbundwerkstoffs ist eine weitere Gewichtseinsparung möglich. Die Gewichtsersparnis gegenüber einer Fanrückhaltescheibe nach dem Stand der Technik beträgt 40–50%.
Zweckmäßig ist die Matrix des Faserverbundwerkstoffs aus Epoxidharz gebildet. Epoxidharz ist ein bewährtes Matrixmaterial für Faserverbundwerkstoffe mit guten mechanischen Eigenschaften.
Insbesondere liegt der Faservolumengehalt zwischen 30% und 70%. Dieser Faservolumengehalt ist gut geeignet, um den Belastungen in der Fanrückhaltescheibe zuverlässig standzuhalten.
Außerdem können die Fasern des Faserverbundwerkstoffs Glasfasern sein. Glasfasern sind alterungs- und witterungsbeständig, chemisch resistent und nicht brennbar. Sie besitzen einen hohen Elastizitätsmodul, der die mechanischen Eigenschaften des Faserverbundwerkstoffs verbessert.
Alternativ dazu können die Fasern des Faserverbundwerkstoffs Kohlenstofffasern sein. Kohlenstofffasern weisen eine hohe Steifigkeit und Festigkeit auf und verbessern ebenfalls die mechanischen Eigenschaften des Faserverbundwerkstoffs.
Vorzugsweise sind die Fasern Kurzfasern. Eine gleichmäßige Verteilung von Kurzfasern führt zu richtungsunabhängigen mechanischen Eigenschaften des Faserverbundwerkstoffs.
Alternativ dazu umfassen die Fasern kontinuierliche erste Fasern und kontinuierliche zweite Fasern, die im Querschnitt des ersten Ringelements und im Querschnitt des zweiten Ringelements in einer Orientierung von 0° bis 90° zur Längsrichtung angeordnet sind, wobei die zweiten Fasern am Übergang vom ersten Ringelement zum zweiten Ringelement aus dem ersten Ringelement in das zweite Ringelement einmünden. Die kontinuierlichen Fasern sind somit in Richtung des Kraftflusses in der Fanrückhaltescheibe angeordnet und optimieren die Lastverteilung in der Fanrückhaltescheibe.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von vier Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer Fanrückhaltescheibe nach dem Stand der Technik,
2 eine schematische Schnittansicht der Fanrückhaltescheibe in 1,
3 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Fanrückhaltescheibe und
4 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Fanrückhaltescheibe in 3.
Die 1 und 2 zeigen eine Fanrückhaltescheibe 1 nach dem Stand der Technik als Einzelteil ohne Fanscheibe und ohne einen Nasenkonus. Die Fanrückhaltescheibe 1 gemäß den 1 und 2 weist eine Konstruktion auf, wie eine aus der US 2009/0087313 A1 vorbekannte Fanrückhaltescheibe. Die Fanrückhaltescheibe 1 ist aus einem ersten Ringelement 2 und einem zweiten Ringelement 3 gebildet.
Das erste Ringelement 2 ist zylindrisch ausgebildet und weist radial nach innen abgewinkelte Befestigungsabschnitte 5 für den Nasenkonus auf. Der Winkel α1 zwischen dem zylindrischen Ringelement 2 und den Befestigungsabschnitten 5 ist an die Konizität des nicht dargestellten Nasenkonus angepasst. Die Befestigungsabschnitte 5 sind trapezförmig und gleichmäßig von einander beabstandet. Jeder Befestigungsabschnitt 5 ist mit einer Bohrung 7 versehen.
Das zweite Ringelement 3 ist als Ringscheibe ausgebildet und mit dem ersten Ringelement 2 verbunden. Ein Übergang 9 zwischen dem zylindrischen ersten Ringelement 2 und dem zweiten Ringelement 3 ist durch den rechten Winkel β1 definiert. Das zweite Ringelement 3 weist innerhalb des zylindrischen ersten Ringelements 2 einen Befestigungsabschnitt 6 für eine nicht dargestellte Fanscheibe auf. Im Befestigungsabschnitt 6 ist eine Vielzahl von radial angeordneten, gleichmäßig von einander beabstandeten Bohrungen 8 angeordnet. Außerhalb des zylindrischen ersten Ringelements 2 weist das zweite Ringelement 3 eine Fanabstützung 4 auf, die eine Verlängerung des zweiten Ringelements 3 in radialer Richtung bildet.
Die Fanrückhaltescheibe 1 wird an den Bohrungen 7 der Befestigungsabschnitte 5 am Nasenkonus angeschraubt. An den Bohrungen 8 der Befestigungsabschnitte 6 wird die Fanrückhaltescheibe an der Fanscheibe befestigt. Die Fanabstützung 4 stützt die Fanscheibe im Betrieb in axialer Richtung.
In den 3 und 4 ist die erfindungsgemäße Fanrückhaltescheibe 1 ohne Fanscheibe und ohne einen Nasenkonus dargestellt. Die Fanrückhaltescheibe 1 ist aus einem ersten Ringelement 2 und einem zweiten Ringelement 3 gebildet.
Das erste Ringelement 2 umfasst eine Vielzahl von stegförmigen ersten Stützelementen 2a, die radial außen mit einander verbunden sind und an eine ringscheibenförmige Fanabstützung 4 angrenzen. Die ersten Stützelemente 2a sind in radialer Richtung gleichmäßig von einander beabstandet. Die Fanabstützung 4 ist in 4 alternativ als eine Verlängerung der Stützelemente 2a, die in axialer Richtung abgeflacht ist, dargestellt. Die ersten Stützelemente 2a gehen radial innen jeweils in den Befestigungsabschnitt 5 für den Nasenkonus über. Je ein Stützelement 2a und ein Befestigungsabschnitt 5 bilden zusammen ein abgerundetes Dreieck. Jeder Befestigungsabschnitt 5 ist mit einer Bohrung 7 versehen. Eine der Bohrungen 7 ist in 4 durch eine Mittelachse M1 angedeutet.
Das zweite Ringelement 3 umfasst einen ringscheibenförmigen Befestigungsabschnitt 6, der mit einer Vielzahl von radial angeordneten, gleichmäßig von einander beabstandeten Bohrungen 8 versehen ist. Eine der Bohrungen 8 ist in 4 durch eine Mittelachse M2 angedeutet. Weiterhin umfasst das zweite Ringelement 3 eine Vielzahl von zweiten Stützelementen 3a. Die zweiten Stützelemente 3a sind stegförmig ausgebildet und radial in gleichmäßigen Abständen jeweils in einem Winkel β2 auf dem Befestigungsabschnitt 6 angeordnet.
Die ersten Stützelemente 2a des ersten Ringelements 2 sind an einem Übergang 9 mit den zweiten Stützelementen 3a des zweiten Ringelements 3 verbunden. Die ersten Stützelemente 2a bilden gegenüber den zweiten Stützelementen 3a den Winkel α2. Der Winkel β2 ist an die Konizität des Nasenkonus angepasst.
Die Fanrückhaltescheibe 1 ist aus einem Faserverbundmaterial gebildet, das erste Fasern 10, zweite Fasern 11 und eine Matrix 12 umfasst.
In 4 sind stellvertretend für eine Vielzahl von ersten Fasern 10 und zweiten Fasern 11 jeweils nur wenige Fasern schematisch dargestellt.
Die Matrix 12 ist aus einem Epoxidharz gebildet. Die ersten Fasern 10 verlaufen innerhalb der ersten Stützelemente 2a des ersten Ringelements 2 und der Befestigungsabschnitte 5 geradlinig in Längsrichtung bis in die Fanabstützung 4 hinein. Jedoch sind die Fasern 10 nicht über den gesamten Querschnitt der ersten Stützelemente 2a und der Befestigungsabschnitte 5 verteilt, sondern nur radial außen angeordnet. Radial innen sind die zweiten Fasern 11 angeordnet.
Die zweiten Fasern 11 verlaufen im Befestigungsabschnitt 5 und in den ersten Stützelementen 2a zwar parallel zu den ersten Fasern 10, jedoch gehen sie am Übergang 9 gebogen in die zweiten Stützelemente 3a über. In den zweiten Stützelementen 3a verlaufen die zweiten Fasern 12 geradlinig bis zu dem abgewinkelten Befestigungsabschnitt 6. Dort sind die zweiten Fasern 11 entsprechend dem Winkel β2 gebogen und münden in den Befestigungsabschnitt 6 ein. Innerhalb des Befestigungsabschnitts 6 verlaufen die zweiten Fasern 11 wieder geradlinig.
Die Fanrückhaltescheibe 1 wird an den Bohrungen 7 der Befestigungsabschnitte 5 am Nasenkonus angeschraubt. An den Bohrungen 8 der Befestigungsabschnitte 6 wird die Fanrückhaltescheibe 1 an der nicht dargestellten Fanscheibe befestigt. Die Fanabstützung 4 stützt die Fanscheibe in axialer Richtung.
Im Betrieb werden an den Befestigungsabschnitten 5 und 6 sowie an der Fanabstützung 4 Kräfte in die Fanrückhaltescheibe 1 eingeleitet. Innerhalb der Fanrückhaltescheibe 1 entspricht der Kraftfluss im Wesentlichen dem Verlauf der ersten Fasern 10 und der zweiten Fasern 11. Spannungsspitzen werden vermieden. Die Form der Rückhaltescheibe 1, die ersten Fasern 10, die zweiten Fasern 11 und die Matrix 12 gewährleisten eine optimierte Dauerfestigkeit der Fanrückhaltescheibe 1.
Bezugszeichenliste

1: Fanrückhaltescheibe
2: Erstes Ringelement
2a: Erstes Stützelement
3: Zweites Ringelement
3a: Zweites Stützelement
4: Fanabstützung
5: Befestigungsabschnitt
6: Befestigungsabschnitt
7: Bohrung
8: Bohrung
9: Übergang
10: Erste Fasern
11: Zweite Fasern
12: Matrix
M1: Mittelachse
M2: Mittelachse
α1: Erster Winkel
α2: Erster Winkel
β1: Zweiter Winkel
β2: Zweiter Winkel

Claims

Fanrückhaltescheibe (1) für ein Strahltriebwerk mit einer Fanscheibe und einem Nasenkonus, die aus mindestens zwei an einem Übergang (9) winklig zu einander angeordneten Ringelementen (2, 3) gebildet ist und mindestens eine radial äußere Fanabstützung (4), mindestens einen radial inneren Befestigungsabschnitt (6) für die Fanscheibe und eine Vielzahl von winklig nach innen gerichteten Befestigungsabschnitten (5) für den Nasenkonus umfasst, wobei – das erste Ringelement (2) die Fanabstützung (4) und die Befestigungsabschnitte (5) für den Nasenkonus umfasst, – das zweite Ringelement (3) mit dem ersten Ringelement (2) verbunden ist und den Befestigungsabschnitt (6) für die Fanscheibe umfasst, und – die Fanrückhaltescheibe (1) aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist.
Fanrückhaltescheibe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ringelement (3) in einem Winkel (α2) mit dem ersten Ringelement (2) verbunden ist, der kleiner ist als 90°, wobei das erste Ringelement (2) zusammen mit den Befestigungsabschnitten (5) für den Nasenkonus einen geradlinigen Querschnitt, und das zweite Ringelement (3) zusammen mit dem Befestigungsabschnitt (6) für die Fanscheibe einen abgewinkelten Querschnitt bilden.
Fanrückhaltescheibe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ringelement (2) eine Vielzahl von ersten Stützelementen (2a) und das zweite Ringelement (3) eine Vielzahl von zweiten Stützelementen (3a) umfasst.
Fanrückhaltescheibe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff aus einer Matrix (12) aus Epoxidharz gebildet ist.
Fanrückhaltescheibe (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff einen Faservolumengehalt zwischen 30% und 70% aufweist.
Fanrückhaltescheibe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern (10, 11) des Faserverbundwerkstoffs Glasfasern sind.
Fanrückhaltescheibe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern (10, 11) des Faserverbundwerkstoffs Kohlenstofffasern sind.
Fanrückhaltescheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern (10, 11) des Faserverbundwerkstoffs Kurzfasern sind.
Fanrückhaltescheibe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern (10, 11) des Faserverbundwerkstoffs kontinuierliche erste Fasern (10) und kontinuierliche zweite Fasern (11) umfassen, die im Querschnitt des ersten Ringelements (2) und im Querschnitt des zweiten Ringelements (3) in einer Orientierung von 0° bis 90° zur Längsrichtung angeordnet sind, wobei die zweiten Fasern (11) am Übergang (9) vom ersten Ringelement (2) zum zweiten Ringelement (3) aus dem ersten Ringelement (2) in das zweite Ringelement (3) einmünden.