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Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung einer variablen Ausströmdüse eines Fluggasturbinentriebwerks gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf eine Antriebsvorrichtung, mittels derer Strömungsleitelemente am ausströmenden Bereich eines Nebenstromkanals verstellbar sind.
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Der Stand der Technik zeigt unterschiedlichste Ausgestaltungsformen von Antriebsvorrichtungen für variable Düsenquerschnitte eines Nebenstromkanals oder Bypasskanals eines Fluggasturbinentriebwerks. Der Nebenstromkanal wird zwischen einem Kerntriebwerk und einem Nebenstromgehäuse ausgebildet. Das Nebenstromgehäuse ist Teil der Triebwerksverkleidung (Nacelle). Die Verstellung des Düsenquerschnitts durch Strömungsleitelemente erfolgt, um die Leistung des Fluggasturbinentriebwerks den jeweiligen Betriebsbedingungen anpassen zu können.
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Die Antriebsvorrichtungen oder Versteilsysteme für Strömungsleitelemente sind jeweils in der Triebwerksverkleidung oder in dem Nebenstromgehäuse angeordnet. Insgesamt zeigt der Stand der Technik verschiedene Lösungsprinzipien:
Zunächst ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die Verstellung von Strömungsleitelementen zur variablen Einstellung von Düsenquerschnitten des Bypasskanals hydraulisch durchzuführen. Dabei werden Hydraulikzylinder verwendet, die auf die Strömungsleitelemente oder Klappen über zumindest einen Hebelmechanismus einwirken. Derartige hydraulisch betätigte Systeme weisen den Nachteil auf, dass sie wegen der permanenten Ölbefüllung und der zahlreichen, teils aus Stahl zu fertigenden Bauteile verhältnismäßig schwer sind. Zudem benötigen sie sehr viel Bauraum, wodurch ein Einbau in eine Triebwerksverkleidung oder ein Nebenstromgehäuse erschwert wird. Dabei ist insbesondere zu sehen, dass der Abströmbereich der variablen Düse nicht sehr viel Bauraum zur Verfügung stellt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass hydraulische Systeme einen hohen Wartungsaufwand mit sich bringen. Zudem wirken sich Temperaturschwankungen ungünstig aus, da sie im Hinblick auf Lufteinschlüsse die Effektivität der Verstellung der Strömungsleitelemente herabsetzen. Hierdurch wird eine präzise Verstellung der Strömungsleitelemente vielfach erschwert oder verhindert. Ein weiterer, wesentlicher Nachteil liegt darin, dass in dem Abströmbereich der Triebwerksverkleidung auch Schubumkehrsysteme angeordnet sind. Diese führen vielfach zu einer Verstellung des Abströmbereichs des Nebenstromkanals in Axialrichtung. Hierdurch ergeben sich sehr aufwändige Hydraulikanschlüsse, die technisch komplex sind, viel Bauraum benötigen und einen hohen Wartungsaufwand mit sich bringen.
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Aus der
US 2010/0005778 A1 ist es bekannt, die Klappen oder Strömungsleitelemente der variablen Bypassdüse über einen Servomotor zu betätigen. Die Kraftübertragung erfolgt dabei mittels Bowdenzügen. Derartige Konstruktionen erfordern einen hohen Wartungsaufwand, da insbesondere die Bowdenzüge regelmäßig kontrolliert werden müssen, um Verschleiß, beispielsweise gebrochene Adern festzustellen und gegebenenfalls zu reparieren. Hierbei ist insbesondere ein uneingeschränkter Zugang zu dem gesamten Antriebsmechanismus erforderlich. Dies bedingt einen hohen Konstruktionsaufwand, der zudem zu einer erheblichen Gewichtserhöhung führt.
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Aus der
US 2010/0000220 A1 ist es bekannt, eine Antriebsvorrichtung mit elektromagnetischen Aktuatoren zu verwenden. Aus der
US 2009/0260345 A1 ist es bekannt, die Variation des Düsenquerschnitts über einen Rollenmechanismus zu realisieren. In der
US 2009/0266912 A1 wird vorgeschlagen, für die Strömungsleitelemente einen Gleitmechanismus zu verwenden, welcher hydraulisch oder elektrisch angetrieben wird. Auch derartige Konstruktionen sind technisch aufwändig und komplex und erfordern einen hohen Wartungsaufwand. Weiterhin gestalten sich Reparaturen sehr schwierig.
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Weitere aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen sind in den Veröffentlichungen
US 2010/0037588 A1 und
US 2010/0146932 A1 beschrieben. Hierbei werden Formgedächtnislegierungen (shape memory alloys (SMA)) verwendet. Diese können über ein Heizelement oder eine Widerstandsheizung betätigt werden, um durch eine Deformation der SMA eine Verstellung der Strömungsleitelemente und somit eine Querschnittsänderung zu realisieren. Es erweist sich allerdings als nachteilig, dass derartige SMAs nur schwer regelbar sind und die Anforderungen nur bedingt erfüllen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung einer variablen Ausströmdüse eines Fluggasturbinentriebwerks zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau, geringem Platzbedarf und einfacher Wartung Nachteile des Standes der Technik vermeidet und eine präzise Verstellung des Düsenquerschnitts ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Antriebsvorrichtung mit der Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die Strömungsleitelemente oder Klappen längs verschiebbar gelagert sind und mittels zumindest eines Piezolinearaktuators verstellt werden. Durch die Verwendung von Piezolinearaktuatoren mit großen Verfahrwegen ist es möglich, die Klappen oder Strömungsleitelemente der variablen Ausströmdüse (variable area fan nozzle (VAFN)) in präziser Weise zu betätigen. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Verschiebung der Strömungsleitelemente werden die Piezolinearaktuatoren lediglich auf Zug oder Druck belastet, es treten keine Drehmomente auf. Durch eine einfache Verschiebung der Strömungsleitelemente kann somit die Querschnittsfläche der Austrittsdüse verändert werden. Der technische Aufbau ist hierbei sehr einfach und kostengünstig zu realisieren. Es ergeben sich große Vorteile hinsichtlich der Wartung, da die Zahl der verwendeten Bauelemente sehr gering ist und da die Wartungsmaßnahmen sehr einfach durchgeführt werden können.
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Unter Piezolinearaktuatoren im Sinne der Erfindung sind auch Piezomotoren zu verstehen.
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In günstiger Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strömungsleitelemente und der zumindest eine Piezolinearaktuator in dem Nebenstromgehäuse angeordnet sind. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine platzsparende Ausgestaltung und ist insbesondere auch mit komplexen Schubumkehrsystemen kombinierbar.
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Besonders günstig ist es, wenn am Umfang der Austrittsdüse mehrere Strömungsleitelemente angeordnet sind. Diese können jeweils mittels eines oder mittels mehrerer Piezolinearaktuatoren betätigbar sein.
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Im Hinblick auf eine präzise Verstellung des Düsenquerschnitts ist es besonders vorteilhaft, wenn zumindest ein Positionssensor vorgesehen ist, der die Position des jeweiligen Strömungsleitelements ermittelt. Durch den Positionssensor ist es möglich, die jeweils aktuelle Position des Strömungsleitelements festzustellen und an eine Steuerungs- und Regelungseinheit zu übermitteln, beispielsweise eine elektronische Triebwerksregelung (EEC). Hierdurch ist es möglich, die notwendige Bewegungsrichtung des Strömungsleitelements festzulegen und die Piezolinearaktuatoren entsprechend anzusteuern. Dabei erweist es sich als besonders günstig, wenn während des Betriebs des Fluggasturbinentriebwerks die Betriebsbedingungen, beispielsweise das Druckverhältnis des Niederdruckverdichters oder des Fans, permanent überwacht werden und mit einem Kennfeld der elektronischen Triebwerksregelung (EEC) abgeglichen werden. Sobald sich beispielsweise das Druckverhältnis in einem kritischen Bereich bewegt, wird ein Signal ausgelöst, welches zu einer Betätigung des Piezolinearaktuators führt. Hierzu ist es in einfacher Weise lediglich erforderlich, einen elektrischen Stromkreis zu öffnen bzw. zu schließen, um eine Längsverschiebung des Piezolinearaktuators zu bewirken oder zu stoppen. Durch Spannungsumkehr kann die Bewegungsrichtung des Piezolinearaktuators in einfacher Weise gesteuert werden. Somit kann der Querschnitt der variablen Ausströmdüse präzise an die jeweiligen Betriebsbedingungen des Fluggasturbinentriebwerks angepasst werden. Durch eine derartige permanente Überwachung der Druckverhältnisse innerhalb des Fluggasturbinentriebwerks und des Öffnungsgrads der Ausströmdüse ist eine stufenlose Verstellung der Ausströmdüse in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen möglich.
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Um eine Erhöhung der Verfahrwege oder Verstellwege der Strömungsleitelemente zu bewirken, kann es vorteilhaft sein, am Umfang der Ausströmdüse mehrere Piezolinearaktuatoren anzuordnen, welche gegebenenfalls auch gestaffelt vorgesehen sein können, um die Verstellwege zu erhöhen und um die auftretenden Belastungen aufnehmen zu können.
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Insgesamt ergeben sich durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung und insbesondere durch die Verwendung von Piezolinearaktuatoren eine Vielzahl von Vorteilen: Piezokeramikaktuatoren sind sehr leicht. Hierdurch ergibt sich eine erhebliche Gewichtsreduzierung. Weiterhin verzichtet die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung auf eine Vielzahl von Baugruppen oder Bauelementen, wie sie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen notwendig sind, etwa Rohrleitungssysteme, Ventile oder ähnliches. Auch dies führt zu einer erheblichen Gewichtseinsparung.
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Aufgrund der begrenzten Anzahl bewegter Teile und aufgrund der einfachen Ausgestaltung sowohl der verschiebbaren Strömungsleitelemente als auch der Piezolinearaktuatoren ergibt sich eine hohe Lebensdauer.
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Der einfache Aufbau der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung verringert den Wartungsaufwand. Bei einem Defekt eines Piezolinearaktuators muss lediglich dieser ausgetauscht werden. Weitere aufwändige Schritte, wie etwa beim Stand der Technik im Zusammenhang mit hydraulischen Systemen, sind nicht erforderlich. Durch den verringerten Wartungs- und Reparaturaufwand ergibt sich auch eine Senkung der Betriebskosten des gesamten Fluggasturbinentriebwerks.
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Durch die Möglichkeit, Piezolinearaktuatoren präzise zu regeln ergeben sich Vereinfachungen hinsichtlich der Komplexität der Regelkreise und der benötigten Software.
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Piezolinearaktuatoren weisen eine hohe Verstellgenauigkeit auf. Dies ist insbesondere bei der Düsenverstellung eines Fluggasturbinentriebwerks ein wichtiges Kriterium, da die Düsenverstellung präzise erfolgen muss. Triebwerke mit hohen Bypassverhältnissen arbeiten sehr nahe an der Pumplinie des Kompressorkennfeldes. Durch die präzise Verstellung der Ausströmdüse ist es möglich, den Betriebspunkt stets nahe an den optimalen Punkt zu legen. Dies ist durch die präzise Verstellbarkeit der erfindungsgemäßen Lösung möglich.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Piezolinearaktuatoren hochdynamisch sind. Dies erlaubt eine schnelle Verstellung der Ausströmdüse, so dass auf schnelle Wechsel der Betriebsbedingungen des Fluggasturbinentriebwerks schnell reagiert werden kann.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Erfindung, und
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2 eine vereinfachte Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.
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Das Gasturbinentriebwerk 10 gemäß 1 ist ein allgemein dargestelltes Beispiel einer Turbomaschine, bei der die Erfindung Anwendung finden kann. Das Triebwerk 10 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet und umfasst in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlass 11, einen in einem Gehäuse umlaufenden Fan 12, einen Mitteldruckkompressor 13, einen Hochdruckkompressor 14, eine Brennkammer 15, eine Hochdruckturbine 16, eine Mitteldruckturbine 17 und eine Niederdruckturbine 18 sowie eine Abgasdüse 19, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksachse 1 angeordnet sind.
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Der Zwischendruckkompressor 13 und der Hochdruckkompressor 14 umfassen jeweils mehrere Stufen, von denen jede eine in Umfangsrichtung verlaufende Anordnung fester stationärer Leitschaufeln 20 aufweist, die allgemein als Statorschaufeln bezeichnet werden und die radial nach innen vom Triebwerksgehäuse 21 in einem ringförmigen Strömungskanal durch die Kompressoren 13, 14 vorstehen. Die Kompressoren weisen weiter eine Anordnung von Kompressorlaufschaufeln 22 auf, die radial nach außen von einer drehbaren Trommel oder Scheibe 26 vorstehen, die mit Naben 27 der Hochdruckturbine 16 bzw. der Mitteldruckturbine 17 gekoppelt sind.
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Die Turbinenabschnitte 16, 17, 18 weisen ähnliche Stufen auf, umfassend eine Anordnung von festen Leitschaufeln 23, die radial nach innen vom Gehäuse 21 in den ringförmigen Strömungskanal durch die Turbinen 16, 17, 18 vorstehen, und eine nachfolgende Anordnung von Turbinenschaufeln 24, die nach außen von einer drehbaren Nabe 27 vorstehen. Die Kompressortrommel oder Kompressorscheibe 26 und die darauf angeordneten Schaufeln 22 sowie die Turbinenrotornabe 27 und die darauf angeordneten Turbinenlaufschaufeln 24 drehen sich im Betrieb um die Triebwerksachse 1.
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Die 1 zeigt weiterhin ein Strömungsleitelement 29, welches am Ausströmbereich eines Nebenstromkanals 30 angeordnet ist. Der Nebenstromkanal wird radial außerhalb durch ein Nebenstromgehäuse 31 begrenzt (Triebwerksverkleidung, Nacelle), während die radial innere Begrenzung durch das Gehäuse eines Kerntriebwerks 10 erfolgt.
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Die 2 zeigt ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung. Am Ausströmbereich oder Endbereich des Nebenstromgehäuses 31 sind dabei verschiebbar mehrere Strömungsleitelemente 29 angeordnet, welche eine variable Ausströmdüse 33 bilden. Das Nebenstromgehäuse 31 bildet an seinem Endbereich zumindest eine Gleitbahn 37 aus, welche beispielsweise mit Führungsschienen oder ähnlichem (nicht dargestellt) versehen sein kann, um die Strömungsleitelemente 29 präzise zu lagern und deren Bewegung zu ermöglichen. Die Strömungsleitelemente 29 sind jeweils über zumindest eine Koppelstange 38 mit einem Piezolinearaktuator 32 verbunden. Dieser ist fest an dem Nebenstromgehäuse 31 gelagert.
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Mittels einer Stromversorgung 36, deren Polung veränderbar ist, ist es unter Verwendung einer Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung 35 möglich, den Piezolinearaktuator 32 zu betätigen. Durch eine Längenveränderung desselben erfolgt eine Verschiebung des Strömungsleitelements 29.
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Die 2 zeigt in schematischer Weise weiterhin einen Positionssensor 34 bzw. ein Sensorsystem. Hierdurch ist es möglich, die jeweilige Position des Strömungsleitelements 29 exakt zu erfassen und den Piezolinearaktuator 32 entsprechend anzusteuern. Somit ist eine, wie durch den Doppelpfeil verdeutlicht, hin- und hergehende Bewegung des Strömungsleitelements 29 möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Triebwerksachse
- 10
- Gasturbinentriebwerk/Kerntriebwerk
- 11
- Lufteinlass
- 12
- Fan
- 13
- Mitteldruckkompressor (Verdichter)
- 14
- Hochdruckkompressor
- 15
- Brennkammern
- 16
- Hochdruckturbine
- 17
- Mitteldruckturbine
- 18
- Niederdruckturbine
- 19
- Abgasdüse
- 20
- Leitschaufeln
- 21
- Triebwerksgehäuse
- 22
- Kompressorlaufschaufeln
- 23
- Leitschaufeln
- 24
- Turbinenschaufeln
- 26
- Kompressortrommel oder -scheibe
- 27
- Turbinenrotornabe
- 28
- Auslasskonus
- 29
- Strömungsleitelement
- 30
- Nebenstromkanal
- 31
- Nebenstromgehäuse (Nacelle)
- 32
- Piezolinearaktuator
- 33
- variable Ausströmdüse
- 34
- Positionssensor
- 35
- Steuerungs-/Regelungsvorrichtung
- 36
- Stromversorgung
- 37
- Gleitbahn
- 38
- Koppelstange
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0005778 A1 [0005]
- US 2010/0000220 A1 [0006]
- US 2009/0260345 A1 [0006]
- US 2009/0266912 A1 [0006]
- US 2010/0037588 A1 [0007]
- US 2010/0146932 A1 [0007]
