DE102010002395A1

DE102010002395A1 - Turbofantriebwerk mit im Nebenstromkanal angeordneten Leitschaufeln und Stützstreben

Info

Publication number: DE102010002395A1
Application number: DE102010002395A
Authority: DE
Inventors: Carsten Clemen
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2011-09-01
Anticipated expiration: 2030-02-27
Also published as: DE102010002395B4

Abstract

Die bisher eine lediglich mechanische Stützfunktion im Nebenstromkanal ausübenden Stützstreben sind als aerodynamisch geformte, strukturelle Leitschaufeln (3) mit gegenüber den aerodynamischen Leitschaufeln (1) größerer Schaufeldicke Ts und Profillänge Ls und dementsprechend höherer Stabilität ausgebildet und in regelmäßigem Abstand – mit einer bestimmten Anzahl z von zwischen diesen angeordneten aerodynamischen Leitschaufeln – in den stromab des Fans im Nebenstromkanal ausgebildeten Leitschaufelkranz (2) integriert, wobei jedoch der zwischen einer strukturellen Leitschaufel (3) und einer saugseitig oder druckseitig benachbarten aerodynamischen Leitschaufel (1) vorhandene Vorderkantenabstand U1 bzw. U größer als der jeweils zwischen benachbarten aerodynamischen Leitschaufeln (1) bestehende Vorderkantenabstand U' ist. Mit einem so ausgebildeten Nebenstromkanal können die Länge und das Gewicht des Triebwerks reduziert und die Strömungsbedingen im Nebenstromkanal verbessert sowie der auf stromauf des Leitschaufelkranzes aufbauende, auf den Fan wirkende statische Druck verringert werden. Dadurch werden die Betriebsstabilität und der Wirkungsgrad des Fans erhöht. (Fig.)

Description

Die Erfindung betrifft ein Turbofantriebwerk mit im Nebenstromkanal in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten Leitschaufeln und Stützstreben.
Turbofantriebwerke weisen hinter dem an der Lufteintrittsseite befindlichen Fan einen Strömungsteiler auf, der den vom Fan erzeugten Luftstrom in einen Kernluftstrom und einen Nebenluftstrom aufteilt. Der Nebenluftstrom strömt in einem von einer inneren, einen Kernstromkanal begrenzenden Seitenwand und einer sich auf dieser abstützenden Triebwerksverkleidung gebildeten Nebenstromkanal. Die Abstützung der Triebwerksverkleidung auf der inneren Seitenwand erfolgt zum einen durch die in regelmäßigem Abstand angeordneten Leitschaufeln (Nachleitradschaufeln) eines stromab vom Fan im Nebenstromkanal angeordneten, zur Entfernung des Dralls aus der vom Fan erzeugten Strömung dienenden Leitschaufelkranzes (Nachleitrad) sowie durch die Anordnung zusätzlicher – aerodynamisch geformter, jedoch für die Stützfunktion stärker dimensionierter – Stützstreben. Die Stützstreben zur mechanischen Abstützung der Nebenstromkanalwände erzeugen zum einen Druckverluste und sind zum anderen für eine größere Triebwerkslänge und ein höheres Triebwerksgewicht verantwortlich. Darüber hinaus werden durch die Einbauten am Umfang des Nebenstromkanals auf den Fan zurückwirkende statische Druckschwankungen erzeugt, die eine stabilere und kostenaufwendigere Auslegung des Fans erfordern. Die Anordnung der Stützstreben und die damit verbundenen Wirkungen führen letztlich zu einem zusätzlichen Kraftstoffverbrauch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mechanische Abstützung im Nebenstromkanal eines Triebwerks so auszubilden, dass die Druckwirkung auf den Fan reduziert und letztlich der Treibstoffverbrauch verringert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Anordnung der Leitschaufeln und Stützstreben im Nebenstromkanal gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die bisher eine lediglich mechanische Stützfunktion im Nebenstromkanal ausübenden Stützstreben als aerodynamisch geformte, strukturelle Leitschaufeln mit gegenüber den aerodynamischen Leitschaufeln größerer Schaufeldicke und Profillänge und dementsprechend höherer Stabilität ausgebildet sind und in regelmäßigem Abstand – mit einer bestimmten Anzahl von zwischen diesen angeordneten aerodynamischen Leitschaufeln – in den stromab des Fans im Nebenstromkanal ausgebildeten Leitschaufelkranz integriert sind, wobei jedoch der zwischen einer strukturellen Leitschaufel und einer saugseitig benachbarten aerodynamischen Leitschaufel vorhandene Abstand der Vorderkanten gemessen in Umfangsrichtung (Vorderkantenabstand) größer als der jeweils zwischen benachbarten aerodynamischen Leitschaufeln bestehende Vorderkantenabstand ist. Mit einem so ausgebildeten Nebenstromkanal können die Länge und das Gewicht des Triebwerks reduziert und die Strömungsbedingen im Nebenstromkanal verbessert sowie der stromauf des Leitschaufelkranzes, auf den Fan wirkende statische Druck verringert werden. Dadurch werden die Betriebsstabilität und der Wirkungsgrad des Fans erhöht.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung entspricht der Vorderkantenabstand zwischen einer strukturellen Leitschaufel und der druckseitig benachbarten aerodynamischen Leitschaufel einem Regelabstand U, der sich als Quotient aus dem 360°-Umfangswinkel des Nebenstromkanals und der Anzahl der insgesamt am Umfang des Nebenstromkanals angeordneten strukturellen und aerodynamischen Leitschaufeln ergibt. Der Vorderkantenabstand zwischen den strukturellen Leitschaufeln und der jeweils saugseitig benachbarten aerodynamischen Leitschaufel ist größer als der Regelabstand U. Der Vorderkantenabstand zwischen aufeinander folgenden aerodynamischen Leitschaufeln ist kleiner als der Regelabstand U.
In weiterer Ausbildung der Erfindung wird der Vorderkantenabstand zwischen aufeinander folgenden, jeweils zwischen zwei strukturellen Leitschaufeln angeordneten aerodynamischen Leitschaufeln allmählich größer.
Der zwischen einer strukturellen Leitschaufel und den saugseitig folgenden aerodynamischen Leitschaufeln bestehende kumulative Vorderkantenabstand, aus dem sich der vom Regelabstand U abweichende und gegenüber diesem jeweils verringerte individuelle Vorderkantenabstand zwischen den einzelnen aerodynamischen Leitschaufeln ergibt, errechnet sich aus
worin

x: die Nummer der jeweiligen, zwischen der Saug- und der Druckseite von zwei aufeinander folgenden strukturellen Leitschaufeln angeordneten aerodynamischen Leitschaufeln;
U: der sich als Quotient aus dem 360°-Umfangswinkel des Nebenstromkanals und der Anzahl der am Umfang angeordneten aerodynamischen und strukturellen Leitschaufeln ergebende Regelabstand; und
y: ein sich in Abhängigkeit von den jeweiligen, bei 50% der Schaufelhöhe gemessenen Schaufeldicken Ts und Ta der strukturellen und der aerodynamischen Leitschaufeln zu y = 0,75( Ts / Ta – 1)[°] ergebender Multiplikationsfaktor ist.

In Ausgestaltung der Erfindung kann der gemäß der angegebenen Gleichung berechnete Vorderkantenabstand um ±0,5° von dem errechneten Wert abweichen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Geometrie der aerodynamischen Leitschaufeln identisch und auch die Geometrie der strukturellen Leitschaufeln identisch, so dass übereinstimmende Schaufeln eingesetzt werden können und aufgrund der unterschiedlichen Vorderkantenabstände lediglich die jeweiligen Schaufelplattformen eine unterschiedliche Größe aufweisen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung, in deren einziger Figur eine Abwicklung eines Teils des im Nebenstromkanal angeordneten Leitschaufelkranzes schematisch dargestellt ist, näher erläutert.
Wie die Zeichnung zeigt, sind in den aus einer Vielzahl von in Umfangsrichtung des Nebenstromkanals angeordneten aerodynamischen Leitschaufeln 1 bestehenden Leitschaufelkranz 2 in regelmäßigem, zwischen den Schaufelvorderkanten gemessenem Abstand als strukturelle Leitschaufeln 3 bezeichnete Stützstreben integriert. Der als Winkel angegebene Vorderkantenabstand 5U zwischen den strukturellen Leitschaufeln 3 ergibt sich aus der Anzahl der am Umfang (360°) des kreisringförmigen Nebenstromkanals vorgesehenen strukturellen Leitschaufeln 3. Das Verhältnis zwischen der Anzahl struktureller und aerodynamischer Leitschaufeln beträgt gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel (siehe Zeichnung) 1:4 und kann typischerweise zwischen 1:3 und 1:6 liegen, das heißt, einer strukturellen Leitschaufel 3 sind jeweils z = 3 oder 4 oder 5 oder 6 aerodynamische Leitschaufeln zugeordnet. Die strukturellen Leitschaufeln 3 sind zur Erzielung einer hohen mechanischen Stützwirkung größer als die aerodynamischen Leitschaufeln 1 dimensioniert. Das heißt, sie weisen eine größere Profillänge Ls und Schaufeldicke Ts als die aerodynamischen Leitschaufeln 1 auf, und sind darüber hinaus, und zwar angepasst an das Profil der aerodynamischen Leitschaufeln 1, aerodynamisch geformt, um der Funktion des Leitschaufelkranzes 2 zum Entdrallen des dem Nebenstromkanal vom Fan zugeführten Luftstroms zu genügen. Die Verlegung der als strukturelle Leitschaufeln 3 ausgebildeten Stützstreben in den Leitschaufelkranz 2 führt zu einer Verringerung der Länge und des Gewichts des Triebwerkes. Die bei 50% der Schaufelhöhe – das heißt der Höhe des Nebenstromkanals bzw. des Abstands zwischen der
Kanalinnenwand und der Kanalaußenwand – gemessene maximale Schaufeldicke der strukturellen Leitschaufeln 3 und der aerodynamischen Leitschaufeln 1 ist in der Zeichnung mit Ts bzw. Ta bezeichnet.
Es wurde gefunden, dass bei einem gleichmäßigen Abstand (Regelabstand U) zwischen den Schaufelvorderkanten 4a, 4s der aerodynamischen und strukturellen Leitschaufeln 1, 3 jedoch aufgrund der unterschiedlichen Profillänge La und Ls und Dicke Ta und Ts erhebliche, mit einem hohen Treibstoffverbrauch verbundene Druckverluste auftreten. Darüber hinaus würde sich stromauf des Leitschaufelkranzes 2, und zwar jeweils im Bereich der strukturellen Leitschaufeln 3, ein hoher statischer Druck aufbauen, der auf den Fan zurückwirken und dessen Wirkungsgrad und Betriebsstabilität negativ beeinflussen würde. Um das Auftreten der Druckverluste und statischen Druckspitzen und deren negative Auswirkungen zu vermeiden, sind die aerodynamischen und strukturellen Leitschaufeln 1, 3 in zueinander unterschiedlichem Vorderkantenabstand angeordnet, und zwar derart, dass bei einer vorgegebenen Anzahl von in gleichem Abstand angeordneten strukturellen Leitschaufeln 3 und bei einer Anzahl z der jeweils zwischen diesen angeordneten aerodynamischen Leitschaufeln 1 der Vorderkantenabstand U1 zwischen der Schaufelvorderkante 4s der strukturellen Leitschaufeln 3 und der Schaufelvorderkante 4a der jeweils saugseitig benachbarten aerodynamischen Leitschaufel 1.1 größer als der Vorderkantenabstand U (Regelabstand U) zur Schaufelvorderkante 4a der druckseitig benachbarten aerodynamischen Leitschaufel 1.4 ist. Entsprechend dem gegenüber dem Regelabstand U vergrößerten Vorderkantenabstand U1 zwischen einer strukturellen Leitschaufel 3 und einer saugseitig benachbarten aerodynamischen Leitschaufel 1.1 besteht zwischen den einzelnen Schaufelvorderkanten 4a der aerodynamischen Leitschaufeln 1.1 bis 1.4 ein Vorderkantenabstand U', der jeweils kleiner als der Regelabstand U ist, während der Vorderkantenabstand zwischen der letzten aerodynamischen Leitschaufel 1.4 und der folgenden strukturellen Leitschaufel 3 dem Regelabstand U entspricht.
Der zwischen einer strukturellen Leitschaufel 3 und den saugseitig folgenden aerodynamischen Leitschaufeln 1.1, 1.2 usw. bestehende kumulative Vorderkantenabstand U1, U2 usw., aus dem sich der vom Regelabstand U abweichende – gegenüber dem Regelabstand U jeweils verringerte – Vorderkantenabstand U' zwischen den einzelnen aerodynamischen Leitschaufeln 1.1 bis 1.4 ergibt, errechnet sich aus
worin

x: die Nummer (1, 2, 3, 4 usw.) der jeweiligen, zwischen der Saug- und der Druckseite von zwei aufeinander folgenden strukturellen Leitschaufeln 3 angeordneten aerodynamischen Leitschaufeln 1;
U: der Quotient aus dem 360°-Umfangswinkel des nebenstromkanals und der Gesamtzahl der den Leitschaufelkranz bildenden strukturellen und aerodynamischen Leitschaufeln (Regelabstand [°]); und
y: ein sich in Abhängigkeit von den jeweiligen Schaufeldicken Ts und Ta zu y = 0,75( Ts / Ta –1)[°] ergebender Multiplikationsfaktor

3

1

3

1

3

1.1

1.4

3

Die aerodynamischen Leitschaufeln sind in Form und Größe identisch ausgebildet und unterscheiden sich aufgrund des unterschiedlichen Vorderkantenabstandes nur hinsichtlich der Größe der jeweiligen Schaufelplattformen. Dadurch werden der Entwurf, die Analyse und die Herstellung dieser Schaufeln vereinfacht und die damit verbundenen Kosten gesenkt. Aufgrund der vorgeschlagenen spezifischen Anordnung von aerodynamischen und strukturellen Leitschaufeln in demselben, stromab des Fans im Nebenstromkanal des Triebwerks vorgesehenen Leitschaufelkranz (Nachleitrad) können die Druckverluste und die stromauf gerichteten Druckwirkungen deutlich verringert werden, so dass die Betriebsstabilität und der Wirkungsgrad des Fans verbessert und der Treibstoffverbrauch des Triebwerks reduziert werden kann.
Bezugszeichenliste

1, 1.1 bis 1.4: aerodynamische Leitschaufeln
2: Leitschaufelkranz
3: strukturelle Leitschaufeln
4a: Schaufelvorderkante von 1
4s: Schaufelvorderkante von 3
z: Anzahl der zwischen zwei strukturellen Leitschaufeln angeordneten aerodynamischen Leitschaufel
x: Nummerierung der zwischen zwei strukturellen Leitschaufeln angeordneten aerodynamischen Leitschaufeln
Ta: maximale Schaufeldicke v. 1
Ts: maximale Schaufeldicke v. 3
La: Profillänge v. 1
Ls: Profillänge v. 3
U: Regelabstand = 360°/Gesamtschaufelzahl
U': Vorderkantenabstand zwischen einzelnen aerodynamischen Leitschaufeln
U1 bis U4: Vorderkanten abstand zwischen einer strukturellen Leitschaufel und einer saugseitig folgenden aerodynamischen Leitschaufel

Claims

Turbofantriebwerk mit im Nebenstromkanal in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten, einen Leitschaufelkranz (2) bildenden aerodynamischen Leitschaufeln (1) und Stützstreben, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstreben als aerodynamisch geformte, strukturelle Leitschaufeln (3) mit gegenüber den aerodynamischen Leitschaufeln (1) größerer Schaufeldicke (Ts) und Profillänge (Ls) und dementsprechend höherer Stabilität ausgebildet sind und in regelmäßigem Abstand ((z + 1)U) mit einer bestimmten Anzahl (z) von zwischen diesen angeordneten aerodynamischen Leitschaufeln (1) in den Leitschaufelkranz (2) integriert sind, wobei zur Reduzierung von im Bereich der strukturellen Leitschaufeln (3) stromauf wirkenden Druckspitzen der zwischen einer strukturellen Leitschaufel (3) und einer saugseitig oder druckseitig benachbarten aerodynamischen Leitschaufel (1.1 bzw. 1.4) vorhandene Vorderkantenabstand (U1 bzw. U) größer als der jeweils zwischen zwei aerodynamischen Leitschaufeln (1.1 bis 1.4) bestehende Vorderkantenabstand U' ist.
Turbofantriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorderkantenabstand (U) zwischen der strukturellen Leitschaufel (3) und der druckseitig benachbarten aerodynamischen Leitschaufel (1.4) einem Regelabstand (U) entspricht, der sich als Quotient aus dem 360°-Umfangswinkel des Nebenstromkanals und der Anzahl der am Umfang angeordneten strukturellen und aerodynamischen Leitschaufeln (1, 3) ergibt, und dass der Vorderkantenabstand (U1) zwischen den strukturellen Leitschaufeln (3) und der jeweils saugseitig benachbarten aerodynamischen Leitschaufel (1.1) größer als der Regelabstand (U) ist, und dass der Vorderkantenabstand zwischen aufeinander folgenden aerodynamischen Leitschaufeln (1.1 bis 1.4) kleiner als der Regelabstand U ist.
Turbofantriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorderkantenabstand U' zwischen aufeinander folgenden aerodynamischen Leitschaufeln (1.1 bis 1.4) allmählich größer wird.
Turbofantriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zwischen einer strukturellen Leitschaufel (3) und den saugseitig folgenden aerodynamischen Leitschaufeln (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) bestehende kumulative Vorderkantenabstand (U1, U2, U3, U4), aus dem sich der vom Regelabstand U abweichende und gegenüber diesem jeweils verringerte individuelle Vorderkantenabstand zwischen den einzelnen aerodynamischen Leitschaufeln (1.1 bis 1.4) ergibt, errechnet aus
worin x die Nummer (1, 2, 3, 4 usw.) der jeweiligen, zwischen der Saug- und der Druckseite von zwei aufeinander folgenden strukturellen Leitschaufeln (3) angeordneten aerodynamischen Leitschaufeln (1); U der sich als Quotient aus dem 360°-Umfangswinkel des Nebenstromkanals und der Anzahl der am Umfang angeordneten aerodynamischen und strukturellen Leitschaufeln (1, 3) ergebende Regelabstand; und y ein sich in Abhängigkeit von den jeweiligen, bei 50% der Schaufelhöhe gemessenen Schaufeldicken Ts und Ta der strukturellen und der aerodynamischen Leitschaufeln (1, 3) zu y = 0,75( Ts / Ta – 1)[°] ergebender Multiplikationsfaktor ist.
Turbofantriebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorderkantenabstand (U1, U2, U3, U4) um ±0,5° von dem errechneten Wert abweichen kann.
Turbofantriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der aerodynamischen Leitschaufeln (1) identisch ist und dass die Geometrie der strukturellen Leitschaufeln (3) identisch ist, wobei aufgrund der unterschiedlichen Vorderkantenabstände die jeweiligen Schaufelplattformen eine unterschiedliche Größe aufweisen.