DE102010014968A1

DE102010014968A1 - Mehrwelliges Triebwerk mit Tandem-Generator

Info

Publication number: DE102010014968A1
Application number: DE102010014968A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Klingels Hermann; Dipl.-Ing. Streifinger Helmut; Dipl.-Ing. Vogel Uwe; Josef Wagner
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2010-04-14
Publication date: 2011-10-20
Also published as: WO2011127901A1

Abstract

Erfindungsgemäß wird ein mehrwelliges Flugzeugtriebwerk mit einer ersten Welle (10), die einen ersten Kompressor mit einer ersten Turbine verbindet, einer zweiten Welle (20), die einen zweiten Kompressor mit einer zweiten Turbine verbindet, einem ersten Generator mit einem ersten Stator (11) und einem ersten Rotor (12), der mit der ersten Welle drehfest verbunden ist, und einem zweiten Generator mit einem zweiten Stator (21) und einem zweiten Rotor (22), der mit der zweiten Welle drehfest verbunden ist, vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein mehrwelliges Triebwerk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Gattungsgemäße Strahltriebwerke umfassen allgemein einen Kompressor zum Ansaugen und Verdichten von Luft, eine Brennkammer zum Verbrennen von mit dieser Luft gemischtem Treibstoff, sowie eine durch die Abgase angetriebene Turbine, die über eine gemeinsame Welle den Kompressor antreibt.
Dabei sind zweiwellige Triebwerke („twin-spool turbojet engines”) bekannt, bei denen eine zweite Welle eine, vorzugsweise unabhängige, Verdichterstufe mit zweitem Kompressor und zweiter Turbine bildet, um die Effizienz zu verbessern.
Vorzugsweise übernimmt ein von der Niederdruckturbine angetriebener Propeller („fan”) einen Anteil der Schuberzeugung, indem er eine Luftmenge beschleunigt und an dem Verbrennungsprozess vorbeileitet („twin-spool bypass turbojet engine”, „Turbofan”), um die Effizienz weiter zu verbessern und die Lärmemission zu reduzieren.
Neben diesen zweiwelligen Triebwerken sind insbesondere auch dreiwellige Triebwerke („triplespool turbofan engines”) bekannt.
In Flugzeugen wird für diverse Verbraucher elektrische Energie benötigt. Gleichzeitig steht für Triebwerke und Hilfsaggregate, insbesondere Generatoren zur Erzeugung dieser elektrischen Energie, zunehmend weniger Bauraum zur Verfügung.
Daher ist es, beispielsweise aus der US 2009/0039653 A1 , bekannt, einen Generator in das Triebwerk zu integrieren und drehfest mit der Niederdruckwelle zu verbinden. Auf der anderen Seite ist es, beispielsweise aus der US 7,224,082 B2 , bekannt, den in das Triebwerk integrierten Generator drehfest mit der Hochdruckwelle zu verbinden. Beide Konzepte sind bezüglich der Bauraumnutzung bereits vorteilhaft, weisen jedoch betriebsbedingte Nachteile auf. So kann beispielsweise die Kopplung eines einzigen, die volle Energielast tragenden Generators, mit der Hochdruckwelle, insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten, das Betriebsverhalten des Triebwerks verschlechtern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Flugzeugtriebwerk zur Verfügung zu stellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein mehrwelliges Flugzeugtriebwerk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale weitergebildet. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird ein Mehr-Generatoren-Anordnung für ein mehr-, insbesondere zwei- oder dreiwelliges Flugzeugtriebwerk vorgeschlagen, wobei ein erster Rotor eines ersten Generators drehfest mit einer ersten Welle und ein zweiter Rotor eines zweiten Generators der Tandem-Generator-Anordnung drehfest mit einer zweiten Welle des mehrwelligen Flugzeugtriebwerk verbunden ist. Hierdurch kann die Belastung auf zwei Generatoren und zwei Wellen aufgeteilt werden. Zudem kann die Tandem-Generator-Anordnung kompakter, insbesondere schmäler, ausgestaltet werden als ein einziger, die gesamte Last tragender Generator. Neben einer bevorzugten Tandem-Generator-Anordnung mit erstem und zweitem Generator können, insbesondere bei Triebwerken mit drei oder noch mehr Wellen, in analoger Weise ein oder mehrere weitere Generatoren vorgesehen sein, deren Rotoren mit weiteren oder auch mit der ersten oder zweiten Welle drehfest verbunden sind.
Ein erster Kompressor, der durch erste Welle mit einer ersten Turbine verbunden ist, kann insbesondere ein Niederdruckkompressor eines zwei- oder dreiwelligen Triebwerks oder ein Mitteldruckkompressor eines dreiwelligen Triebwerks sein. Entsprechend kann diese erste Turbine eine Nieder- oder Mitteldruckturbine sein. Ein zweiter Kompressor, der durch eine zweite Welle mit einer zweiten Turbine verbunden ist, kann entsprechend zum Beispiel ein Mittel- oder Hochdruckkompressor sein. Die erste und zweite Welle sind in einer bevorzugten Ausführung konzentrisch zueinander angeordnet und/oder voneinander entkoppelt bzw. unabhängig steuerbar. Insbesondere kann die erste Welle wenigstens teilweise in der zweiten Welle aufgenommen sein. Werden die Wellen unabhängig voneinander, beispielsweise in an sich bekannter Weise als N1- und N2-Rotor, gesteuert, kann so vorteilhafterweise auch die Generatorleistung beider Generatoren gesteuert und/oder die Generatoren an die jeweiligen Betriebsbedingungen, beispielsweise Nenndrehzahlen, angepasst werden.
In einer bevorzugten Ausführung sind der erste und zweite Generator in demselben axialen Bereich des Triebwerks angeordnet, beispielsweise in einem vorderen, einsaugseitigen Bereich.
Dies kann beispielsweise eine gemeinsame Verkabelung, Luft-, Schmier- und/oder Kühlmittelzu- und/oder -abfuhr in einem hierzu vorzugsweise wenigstens teilweise abgeschlossenen Bauraum ermöglichen.
Insbesondere zur Gewichtsreduktion durch eine möglichst integrale Bauweise können der erste und zweite Generator in demselben Gehäuseteil des Triebwerks angeordnet, insbesondere an diesem befestigt bzw. abgestützt sein.
Vorzugsweise sind der erste und/oder zweite Generator in einem vorderen La-gergehäuse des Triebwerks angeordnet. Dies setzt die Generatoren weniger anspruchsvollen Umwelteinflüssen aus als beispielsweise eine Anordnung im Triebwerksheck und kann zudem die Zugänglichkeit, beispielsweise zu Inspektions- und Wartungszwecken, insbesondere für einen Generatorentausch, verbessern, zu dem dann im Wesentlichen nur der Fan demontiert werden muss.
In einer bevorzugten Ausführung ist der erste Generator axial vor einem Lager der ersten Welle und/oder der zweite Generator axial hinter diesem Lager der ersten Welle sowie vorzugsweise vor einem Lager der zweiten Welle angeordnet. Dies ermöglicht eine besonders stabile und vibrationsarme Abstützung der Generatoren in der Nähe der Lager am Gehäuse des Triebwerks. Um diese zu verbessern, kann zusätzlich oder alternativ ein Stator eines Generators gemeinsam, insbesondere integral, mit einem Lager abgestützt sein, etwa, indem er mit derselben Strebe wie das Lager an dem Triebwerksgehäuse befestigt ist.
In einer bevorzugten Ausführung ist der langsamer drehende erste Generator, insbesondere sein Rotor und/oder Stator, radial nach außen gegen den zweiten Generator, insbesondere dessen Rotor und/oder Stator, versetzt, um ähnliche Umfangsgeschwindigkeiten zu ermöglichen.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert, die einzige:
1 einen Teil eines Triebwerks gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in einem oberen Axialschnitt.
1 zeigt in einem axialen Schnitt einen vorderen oberen Teil eines zweiwelligen Flugzeugtriebwerks gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Man erkennt insbesondere eine erste bzw. Niederdruckwelle 10, die in einem vorderen Lager 30 und einem mittleren Lager 31 an einem Zwischen- bzw. Obergangsteil 40, das ein vorderes Lagergehäuse des Triebwerks definiert, gelagert ist. Sie verbindet eine erste bzw. Niederdruckturbine (rechts in 1 nicht dargestellt) mit einem ersten bzw. Niederdruckkompressor und einem Fan (in 1 nicht dargestellt), der Luft in einen Kanal 50 ansaugt, aus dem diese teilweise in einen Bypass 52, teilweise über einen Kanal 51 einer Brennkammer zugeleitet wird.
Diese Niederdruckwelle 10 ist konzentrisch in einer zweiten bzw. Hochdruckwelle 20 des Turbofan-Triebwerks aufgenommen und ragt aus dieser hervor. Die Hochdruckwelle 20 ist in einem hinteren Lager 32 des vorderen Lagergehäuses an dem Gehäuseteil 40 gelagert und verbindet eine zweite bzw. Hochdruckturbine (rechts in 1 nicht dargestellt) mit einem zweiten bzw. Hochdruckkompressor (in 1 nicht dargestellt).
Drehfest mit der Niederdruckwelle 10 ist ein erster Rotor 12 eines ersten Generators einer Tandem-Generator-Anordnung verbunden, der beispielsweise einen oder mehrere Permanentmagnete oder einen Rotor aus weichmagnetischem Material tragen kann. Er dreht sich, angetrieben durch die Niederdruckwelle 10, in einem ersten Stator 11 des ersten Generators, der vorzugsweise mehrere Wicklungen trägt, axial vor dem Lager 31 angeordnet und integral mit diesem über dieselbe Strebe 41 bzw. Schale an dem Gehäuseteil 40 abgestützt ist, mit welchem die Strebe 41 verschraubt ist.
In ähnlicher Weise ist ein zweiter Rotor 22 eines zweiten Generators der Tandem-Generator-Anordnung drehfest mit der Hochdruckwelle 20 verbunden, der ebenfalls einen oder mehrere Permanentmagnete oder einen Rotor aus weichmagnetischem Material tragen kann. Er dreht sich, angetrieben durch die Hochdruckwelle 20, in einem zweiten Stator 21 des zweiten Generators, der vorzugsweise mehrere Wicklungen trägt, axial hinter dem Lager 31 und vor dem Lager 32 angeordnet und mit diesem über dieselbe Strebe 42 an dem Gehäuseteil 40 abgestützt ist, mit welchem die Strebe 42 verschraubt ist.
Die Aufteilung der Last auf zwei Generatoren einer Tandem-Anordnung kann das Betriebsverhalten verbessern. Zudem kann sie eine kompaktere, insbesondere radial kleinere, Bauweise ermöglichen. Die Anordnung im vorderen Lagergehäuse unmittelbar vor dem Zwischenlager 31 bzw. zwischen diesem und dem hinteren Lager 32 bedingt vorteilhafterweise nicht nur günstigere Umweltbedingungen und/oder eine verbesserte Zugänglichkeit, sondern kann über die integrale Abstützung zusammen mit den Lager 31, 32 auch unerwünschte Vibrationen reduzieren. Um ähnliche Umfangsgeschwindigkeiten zu ermöglichen und/oder unterschiedlichen Zentrifugalkräften und/oder einem durch die Strömungsführung in den Kanälen 50, 51 bedingten Bauraum im vorderen Lagergehäuse optimal Rechnung zu tragen, ist der erste Generator radial nach außen gegen den zweiten Generator versetzt.
Bezugszeichenliste

10: erste (Niederdruck-) Welle
11: erster Stator
12: erster Rotor
20: zweite (Hochdruck-) Welle
21: zweiter Stator
22: zweiter Rotor
30: vorderes Lager
31: Zwischenlager
32: hinteres Lager
40: Gehäuseteil des vorderen Lagergehäuses
41, 42: Strebe
50–52: Luftkanal

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

US 2009/0039653 A1 [0007]
US 7224082 B2 [0007]

Claims

Mehrwelliges Triebwerk mit einer ersten Welle (10), die einen ersten Kompressor mit einer ersten Turbine verbindet, einer zweiten Welle (20), die einen zweiten Kompressor mit einer zweiten Turbine verbindet, und einem ersten Generator mit einem ersten Stator (11) und einem ersten Rotor (12), der mit der ersten Welle drehfest verbunden ist, gekennzeichnet durch einen zweiten Generator mit einem zweiten Stator (21) und einem zweiten Rotor (22), der mit der zweiten Welle drehfest verbunden ist.
Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Generator in demselben axialen Bereich des Triebwerks angeordnet sind.
Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Generator in demselben Gehäuseteil (40) des Triebwerks angeordnet sind.
Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder zweite Generator in einem vorderen Lagergehäuse (40) des Triebwerks angeordnet sind.
Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Generator axial vor einem Lager (31) der ersten Welle angeordnet ist.
Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Generator axial vor einem Lager (32) der zweiten Welle und/oder hinter einem Lager (31) der ersten Welle angeordnet ist.
Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stator (11, 21) eines Generators gemeinsam, insbesondere integral, mit einem Lager (31, 32) der Welle abgestützt ist.
Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kompressor ein Niederdruckkompressor eines zwei- oder dreiwelligen Triebwerks oder ein Mitteldruckkompressor eines dreiwelligen Triebwerks ist, und/oder dass die erste Turbine eine Niederdruckturbine eines zwei- oder dreiwelligen Triebwerks oder eine Mitteldruckturbine eines dreiwelligen Triebwerks ist, und/oder dass der zweite Kompressor ein Mitteldruckkompressor eines dreiwelligen Triebwerks oder ein Hochdruckkompressor eines zwei- oder dreiwelligen Triebwerks ist, und/oder dass die zweite Turbine eine Mitteldruckturbine eines dreiwelligen Triebwerks oder eine Hochdruckturbine eines zwei- oder dreiwelligen Triebwerks ist.
Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Welle (10, 20) konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (12) und/oder Stator (11) des einen von dem ersten und zweiten Generator radial nach außen gegen den Rotor (22) und/oder Stator (21) des anderen von dem ersten und zweiten Generator versetzt ist.