DE102015110701A1 - Device for isolating rotor vibrations in an aircraft engine - Google Patents
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Abstract
Zur Isolation von Rotorschwingungen in einem Flugtriebwerk (100), das einen in einem Triebwerksgehäuse (101) gelagerten Rotor aufweist, wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die mindestens einen Aktor (122) aufweist, der beschaffen ist, abhängig von elektrischen Signalen mechanische Kräfte (fp) zu erzeugen, um Vibrationen entgegenzuwirken, die aufgrund der Rotorschwingungen in dem Flugtriebwerk auftreten, wobei der jeweilige Aktor (122) in einem Hohlraum (121) einer Flugtriebwerks-Komponente (130) integriert ist, mittels der ein Kerntriebwerksgehäuse (104) des Flugtriebwerks (100) an dem Triebwerksgehäuse (101) oder einem Teilbereich (150) davon befestigt ist. Vorzugsweise ist die Flugtriebwerks-Komponente eine zumindest abschnittsweise hohlförmige Verstrebung (122), die das Kerntriebwerksgehäuse (104) mit dem Teilbereich (150) des Triebwerksgehäuses (101) verbindet, wobei der Teilbereich vorzugsweise ein Zwischengehäuse (150) ausbildet, welches das Kerntriebwerksgehäuse (104) koaxial in Längsrichtung des Flugtriebwerks (100) umschließt. Die Verstrebung (130) ist bevorzugt in einem vorderen Abschnitt (110) des Flugtriebwerks (100), insbesondere im Bereich einer vorderen Befestigungsstruktur (111) des Flugtriebwerks (100), angeordnet.In order to isolate rotor vibrations in an aircraft engine (100) which has a rotor mounted in an engine casing (101), a device is proposed which has at least one actuator (122) which, depending on electrical signals, has mechanical forces (fp). to counteract vibrations that occur due to the rotor vibrations in the aircraft engine, wherein the respective actuator (122) in a cavity (121) of an aircraft engine component (130) is integrated, by means of a core engine housing (104) of the aircraft engine (100 ) is attached to the engine casing (101) or a portion (150) thereof. Preferably, the aircraft engine component is an at least partially hollow strut (122) which connects the core engine housing (104) to the engine compartment (150) portion (150), wherein the portion preferably forms an intermediate housing (150) which defines the core engine housing (104 ) coaxially in the longitudinal direction of the aircraft engine (100) encloses. The brace (130) is preferably arranged in a front section (110) of the aircraft engine (100), in particular in the region of a front attachment structure (111) of the aircraft engine (100).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Isolation von Rotorschwingungen in einem Flugtriebwerk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein Flugtriebwerk, das mit einer solchen Vorrichtung zur Isolation von Rotorschwingungen ausgestattet ist.The invention relates to an apparatus for the isolation of rotor vibrations in an aircraft engine according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to an aircraft engine, which is equipped with such a device for the isolation of rotor vibrations.
Weltweit wird ein Anstieg des Luftverkehrs von etwa 5% bis 7% pro Jahr prognostiziert. Parallel dazu steigen stetig die Anforderungen, die an die Flugtriebwerke gestellt werden. Dies gilt insbesondere für den Kraftstoffverbrauch sowie für die Abgas- und Geräuschemissionen. Der letztgenannte Aspekt des wahrnehmbaren Lärms und die damit verbundenen wahrnehmbaren Vibrationen resultieren aufgrund einer geringen Strukturdämpfung maßgeblich aus den im Flugzeugtriebwerk generierten Schwingungen im Betrieb, insbesondere Vibrationen, die auf die Rotorschwingungen des Flugzeugtriebwerks zurückgehen. Worldwide air traffic is forecast to increase by about 5% to 7% per year. At the same time, the demands placed on aircraft engines are constantly increasing. This applies in particular to fuel consumption and exhaust and noise emissions. The latter aspect of the perceptible noise and the associated perceptible vibrations resulting due to a low structural damping significantly from the oscillations generated in the aircraft engine during operation, in particular vibrations, which go back to the rotor vibrations of the aircraft engine.
Beispielsweise kann es aufgrund von Fluid-Struktur-Interaktionen im engen Spalt zwischen Schaufelradende und Turbinengehäuse oder besonders durch Unwuchtanregung zum Schwingen der Triebwerkswelle bzw. des Rotors kommen. Um diese Vibrationen zu reduzieren, werden in der Praxis häufig passive Elemente, sogenannte Quetschfilmdämpfer (English „squeeze-film damper“ oder kurz SFD) mit Erfolg eingesetzt. Zu den Vorteilen zählen eine hohe Zuverlässigkeit und eine gute Systemdämpfung im ausgelegten Frequenzbereich. Wesentliche Nachteile sind die Notwendigkeit einer umständlichen Ölversorgung und die Tatsache, dass die Auslegung einer solchen Systemdämpfung aufgrund komplexer Nichtlinearitäten maßgeblich erfahrungsbasiernd ist. Dabei ist zu beachten, dass während eines typischen Flugzyklus eines Passagierflugzeugs diverse Betriebspunkte beim Start- oder Landevorgang oder beim Anpassen der Reisegeschwindigkeit und -höhe instationär angefahren werden, wodurch sich eine Systemanregung in einem breiten Frequenzbereich ergibt. Ohne geeignete Dämpfungsmaßnahmen können zum Teil sehr starke, komfortbeeinträchtigende Schwingungsamplituden entstehen. Ein passive Dämpfung bzw. SFD wirkt allerdings nur in einem bestimmten Frequenzbereich optimal und ist daher nicht für ein effektives Reduzieren von Rotorschwingungen im kompletten Betriebsfrequenzbereich geeignet.For example, due to fluid-structure interactions in the narrow gap between Schaufelradende and turbine housing or especially by imbalance excitation to the vibration of the engine shaft or the rotor. In order to reduce these vibrations, passive elements, so-called squeeze-film damper (SFD) are often used successfully in practice. The advantages include high reliability and good system attenuation in the designed frequency range. Significant disadvantages are the need for a cumbersome oil supply and the fact that the interpretation of such a system damping due to complex nonlinearities is significantly experiential based. It should be noted that during a typical flight cycle of a passenger aircraft, various operating points are approached transiently when starting or landing or when adjusting the cruising speed and altitude, resulting in a system excitation in a wide frequency range. Without suitable damping measures, it is possible in some cases for very strong, comfort-impairing oscillation amplitudes. However, passive damping or SFD only works optimally in a certain frequency range and is therefore not suitable for effectively reducing rotor vibrations in the entire operating frequency range.
Um steigende Ambitionen bezüglich Vibrations-Reduzieren und Komforterhöhung zu erfüllen, ist es an sich bekannt Aktoren (Englisch „actuators“) einzusetzen, die beschaffen sind, abhängig von elektrischen Signalen mechanische Kräfte zu erzeugen, welche auftretenden Rotorschwingungen bzw. die dadurch erzeugten Vibrationen entgegenwirken. Hierfür werden gern Piezoaktoren, insbesondere piezoelektrische Stapelaktoren, eingesetzt, die aufgrund ihrer weit verbreiteten Materialzusammensetzung, welche häufig aus Plumbum-Zirkonat-Titanat besteht, auch teilweise kurz als PZT-Aktoren bezeichnet werden, und die im Wesentlichen aus einem Stapel von Keramikscheiben zusammengesetzt sind, sodass sich die Gesamtdehnung des PZT-Aktors aus der Summe der Einzeldehnungen der Keramikscheiben zusammensetzt. Der PZT-Aktuator zeichnet sich neben seiner hohen Steifigkeit durch seine hohe Leistungsdichte gepaart mit hoher Dynamik aus. Unter Zuhilfenahme einer geeigneten Sensorik und eines Regelalgorithmus lässt sich ein geschlossener mechatronischer Regelkreis aufbauen, der es ermöglicht, die Vibrationen eines Flugtriebwerks aktiv in einem breiten Frequenzbereich zu beeinflussen bzw. eine möglichst vollständige Isolation der Rotorschwingungen von der den Rotor umgebenden Komponenten, wie insbesondere Triebwerksgehäuse und -aufhängung, zu erzielen.In order to meet increasing ambitions with respect to vibration reduction and comfort increase, it is known to use actuators which are designed to generate mechanical forces depending on electrical signals, which counteract occurring rotor vibrations or the vibrations generated thereby. Piezoactuators, in particular piezoelectric stack actuators, are often used for this purpose, because of their widespread material composition, which frequently consists of plumbum zirconate titanate, also sometimes referred to as PZT actuators, which are essentially composed of a stack of ceramic discs, so that the total extension of the PZT actuator is composed of the sum of the individual expansions of the ceramic discs. In addition to its high rigidity, the PZT actuator is characterized by its high power density coupled with high dynamics. With the aid of a suitable sensor and a control algorithm, a closed mechatronic control circuit can be set up, which makes it possible to actively influence the vibrations of an aircraft engine in a wide frequency range or to isolate as far as possible the rotor vibrations from the components surrounding the rotor, such as the engine casing and suspension, to achieve.
In der Patentschrift
Aus der
Aufgabe der Erfindung ist es, in einem Flugtriebwerk auftretende Rotorschwingungen effektiv von der Umgebungsstruktur zu isolieren und hierzu bekannte Lösungsansätze deutlich zu verbessern. Insbesondere soll alternativ oder zusätzlich zu einer an sich bekannten aktiven Rotorlagerung durch Einsatz von einem oder mehreren Aktoren in dem Flugtriebwerk weiterhin auftretende Vibrationen effektiv entgegengewirkt werden.The object of the invention is to effectively isolate rotor vibrations occurring in an aircraft engine from the environmental structure and to significantly improve known approaches to this end. In particular, as an alternative or in addition to a known active rotor bearing by using one or more actuators in the aircraft engine further occurring vibrations should be effectively counteracted.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein damit ausgestattetes Flugtriebwerk gemäß dem nebengeordneten Anspruch. The object is achieved by a device having the features of claim 1 and by a thus equipped aircraft engine according to the independent claim.
Demnach wird eine Vorrichtung zur Isolation von Rotorschwingungen in einem Flugtriebwerk vorgeschlagen, die mindestens einen Aktor aufweist, der beschaffen ist, abhängig von elektrischen Signalen mechanische Kräfte zu erzeugen, um Vibrationen entgegenzuwirken, die aufgrund der Rotorschwingungen in dem Flugtriebwerk auftreten, wobei der jeweilige Aktor in einem Hohlraum einer Flugtriebwerks-Komponente integriert ist, mittels der ein Kerntriebwerksgehäuse des Flugtriebwerks an einem Teilbereich des Triebwerksgehäuses befestigt ist.Accordingly, an apparatus for the isolation of rotor vibrations in an aircraft engine is proposed, which has at least one actuator which is adapted to generate mechanical forces depending on electrical signals to counteract vibrations that occur due to the rotor vibrations in the aircraft engine, wherein the respective actuator in a cavity of an aircraft engine component is integrated, by means of a core engine housing of the aircraft engine is attached to a portion of the engine housing.
Vorzugsweise ist der jeweilige Aktor in eine Flugtriebwerks-Komponente integriert, die als eine zumindest abschnittsweise hohlförmige Verstrebung ausgebildet ist, welche das Kerntriebwerksgehäuse mit dem Teilbereich des Triebwerksgehäuses verbindet. Der Teilbereich ist vorzugsweise als ein Zwischengehäuse (Englisch: „intermediate casing“, kurz IMC) ausgebildet, welches das Kerntriebwerksgehäuse koaxial in Längsrichtung des Flugtriebwerks umschließt. Die Verstrebung mit dem darin integrierten Aktor ist bevorzugt in einem vorderen Abschnitt des Flugtriebwerks, insbesondere im Bereich einer vorderen Befestigungsstruktur zur Aufhängung des Flugtriebwerks, angeordnet. Der jeweilige Aktor sollte bevorzugt in nächster Nähe zu den Aufhängungspunkten des Flugtriebwerks montiert sein.Preferably, the respective actuator is integrated into an aircraft engine component, which is designed as an at least partially hollow-shaped brace, which connects the core engine housing with the portion of the engine housing. The subregion is preferably formed as an intermediate casing (English: "intermediate casing", short IMC), which encloses the core engine casing coaxially in the longitudinal direction of the aircraft engine. The strut with the actuator integrated therein is preferably arranged in a front section of the aircraft engine, in particular in the region of a front attachment structure for suspending the aircraft engine. The respective actuator should preferably be mounted in close proximity to the suspension points of the aircraft engine.
Die Erfindung stellt demnach eine Vorrichtung zur Isolation von Rotorschwingungen in einem Flugtriebwerk bereit, die vorzugsweise in einem Zwischengehäuse realisiert ist, wobei die Vorrichtung mindestens einen Aktor aufweist, der beschaffen ist, abhängig von elektrischen Signalen mechanische Kräfte zu erzeugen, um der Übertragung auftretender Vibrationen auf die Umgebungsstruktur entgegenzuwirken. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch auszeichnet aus, dass der jeweilige Aktor in einem Hohlraum einer Flugtriebwerks-Komponente integriert ist, mittels derer eine Befestigung des Flugtriebwerks an der Flugzeugstruktur über Aufhängungspunkte erfolgt.The invention thus provides a device for isolating rotor vibrations in an aircraft engine, which is preferably realized in an intermediate housing, wherein the device has at least one actuator which is adapted to generate mechanical forces depending on electrical signals to the transmission of vibrations occurring to counteract the environment structure. The device is distinguished by the fact that the respective actuator is integrated in a cavity of an aircraft engine component, by means of which an attachment of the aircraft engine to the aircraft structure takes place via suspension points.
Somit wird durch die vorliegende Erfindung eine bauraumsparende, sehr effiziente Lösung geschaffen, mit der eine als „aktive Aufhängung“ bezeichnete Konstruktion realisiert werden kann, bei der eine Aktorik triebwerksseitig direkt unter den Aufhängungspunkten des Triebwerks integriert ist. Es hat sich gezeigt, dass die Konstruktion, unabhängig von der Störquelle der Vibration, eine signifikante Schwingungsisolation zwischen Triebwerk und Flugzeugrumpf bzw. Flugzeugflügel bewirkt, wodurch eine Komforterhöhung in der Flugzeugkabine erreicht wird. Zur konstruktiven Umsetzbarkeit ist ein eher geringer Modifikationsaufwand erforderlich, z.B. an den Triebwerks-Verstrebungen des Zwischengehäuses. Da die Aktorik in den vom Triebwerk generierten und über die Verstrebungen geleiteten Kraftfluss parallel geschaltet werden kann, ist dieses Konzept auch bei einem etwaigen Totalausfall der Aktorik als sehr sicher einzustufen. Thus, a space-saving, very efficient solution is created by the present invention, with which a construction called "active suspension" can be realized, in which an actuator is integrated on the engine side directly below the suspension points of the engine. Irrespective of the source of the vibration, the design has been found to provide significant vibration isolation between the engine and aircraft fuselage, thereby providing comfort enhancement in the aircraft cabin. For constructive feasibility, a rather small amount of modification is required, e.g. on the engine braces of the intermediate housing. Since the actuators can be connected in parallel in the power flow generated by the engine and guided by the braces, this concept can be classified as very safe even in the event of a total failure of the actuators.
Die Erfindung betrifft auch ein neues Flugtriebwerk, das mit einer solchen Vorrichtung zur Isolation von Rotorschwingungen ausgestattet ist und somit in seiner Gesamtkonstruktion eine vollintegrierte aktive Schwingungs-Isolierung erzielt.The invention also relates to a new aircraft engine, which is equipped with such a device for the isolation of rotor vibrations and thus achieved in its overall construction a fully integrated active vibration isolation.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further preferred embodiments emerge from the subclaims.
Demnach werden als Aktoren bevorzugt Piezoaktoren, insbesondere piezoelektrische Stapelaktoren, eingesetzt, die aufgrund ihrer länglichen, relativ schlanken, Bauform sehr gut in bestehende hohlräumige Verstrebungen und dergleichen integriert werden können.Accordingly, actuators preferably piezo actuators, in particular piezoelectric stack actuators, are used, which can be very well integrated into existing hollow space struts and the like due to their elongated, relatively slim, design.
Optional kann jeder Aktor einen inneren Kanal mit einem Eingang und Ausgang aufweisen, der zum Durchleiten eines kühlenden Mediums, wie z.B. eines in dem Triebwerk ohnehin geführten Luftstroms (kühlende Außenluft), beschaffen ist. Optionally, each actuator may have an internal channel with an entrance and exit suitable for passing a cooling medium, such as e.g. a in the engine anyway guided air flow (cooling outside air), is provided.
Vorzugsweise wird der jeweilige Aktor in den Hohlraum einer solchen Flugtriebwerks-Komponente, insbesondere einer Verstrebung, integriert, die eine Stützstruktur bzw. Versteifung aufweist, welche den Hohlraum passend zur Größe des Aktors begrenzt. Der Aktor ist also in den Hohlraum vollständig eingebaut und kann über die Stützstruktur direkt die dynamische Steifigkeit der Aufhängung aktiv beeinflussen.Preferably, the respective actuator in the cavity of such an aircraft engine component, in particular a strut, integrated, which has a support structure or stiffening, which limits the cavity to match the size of the actuator. The actuator is thus completely built into the cavity and can actively influence the dynamic stiffness of the suspension via the support structure directly.
Zusätzlich zu einer „aktiven Aufhängung“ im vorderen Bereich des Flugtriebwerks kann auch noch im hinteren Abschnitt des Flugtriebwerks zumindest eine weitere aktorische Einrichtung zur „aktiven Aufhängung“ angeordnet sein. Die Erfindung ist somit auf Konstruktionen gerichtet, die im vorderen und/oder hinteren Bereich des Flugtriebwerks jeweils eine effektive „aktive Aufhängung“ des Triebwerks bewirken können. Insgesamt kann durch die Erfindung eine umfassendere Vibrations-Isolierung für besonders hohe Komfortansprüche erzielt werden. Daher ist in vielen Anwendungsfällen eine aufwendige „aktive Rotorlagerung“ entbehrlich. In addition to an "active suspension" in the front region of the aircraft engine, at least one further actuator device for "active suspension" can also be arranged in the rear section of the aircraft engine. The invention is thus directed to constructions which can each cause an effective "active suspension" of the engine in the front and / or rear of the aircraft engine. Overall, a more comprehensive vibration isolation for particularly high comfort requirements can be achieved by the invention. Therefore, a costly "active rotor bearing" is unnecessary in many applications.
Die Erfindung und die sich daraus ergebenden Vorteile werden nachfolgend noch eingehender im Detail anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, wobei auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird, die folgende schematischen Darstellungen wiedergeben:The invention and the resulting advantages will be described below in more detail with reference to embodiments, with reference to the accompanying drawings Reference is made to reproduce the following schematic representations:
Anhand der
Bezüglich der Rotor-Lagerung des hier dargestellten Triebwerks
Was den hinteren Bereich
Zunächst wird eine erfindungsgemäße „aktive Aufhängung“ im vorderen Bereich des Triebwerks, nämlich im Bereich des Zwischengehäuses
Üblicherweise befinden sich im Bereich des Zwischengehäuses
Usually located in the area of the
Wie die
Die vorliegende Erfindung entgegnet effektiv dem Problem, dass das Vibrationsniveau eines Triebwerks direkten Einfluss auf die Vibrationen und somit auf den Komfort in der Flugzeugkabine hat. Im zivilen Einsatzbereich von Triebwerken spielt die Komfortproblematik eine wesentlich höhere Rolle als im militärischen Einsatzbereich. Das hier beschriebene Triebwerk soll insbesondere im komfortsensiblen Luxussegment eingesetzt werden. Es kann z.B. als Zwei-Wellen-Triebwerk mit einer Fünffach-Lagerung ausgelegt werden.The present invention effectively addresses the problem that the vibration level of an engine has a direct impact on the vibrations and thus comfort in the aircraft cabin. In the civilian field of application of engines, the comfort problem plays a much greater role than in military applications. The engine described here is intended to be used in particular in the comfort-sensitive luxury segment. It can e.g. be designed as a two-shaft engine with a fivefold storage.
Die Erfindung geht von der an sich bekannten Erkenntnis aus, dass als eine maßgebliche Ursache für die vom Triebwerk ausgehenden Vibrationen die unwuchterregten Schwingungen an den Rotoren zu nennen sind, welche über die Rotorlagerung das gesamte Triebwerk und über die Triebwerksaufhängung (s. Aufhängungspunkte
Was die Restunwucht betrifft, so kann zwar bei einem Zwei-Wellen-Triebwerk mit Hilfe des sogenannte „Trim-Balancing“ an der Niederdruck-Welle über den gut zugänglichen Fan nachgewuchtet werden. Die Hochdruck-Welle jedoch ist aus konstruktiven Gründen für einen nachträglichen Auswuchtprozess nur schwer bzw. überhaupt nicht zugänglich. Somit können mit Hilfe der vorliegenden Erfindung insbesondere die von der Hochdruck-Welle ausgehenden unwuchterregten Vibrationen durch die hier vorgestellte Vorrichtung minimiert werden. Untersuchungen der hier vorgestellten Lösung ergaben, dass die Erfindung in bestehende Flugtriebwerks-Komponenten, wie z.B. hohle Verstrebungen, vollintegriert werden kann und dennoch, insbesondere die dynamischen radialen Triebwerkskräfte vom Flugzeugrumpf effektiv isoliert.Regarding the residual imbalance, it can indeed be rebalanced in a two-shaft engine using the so-called "trim balancing" on the low-pressure wave on the easily accessible fan. However, the high-pressure shaft is difficult or impossible to access for a subsequent balancing process for structural reasons. Thus, with the aid of the present invention, in particular the unbalanced vibrations emanating from the high-pressure shaft can be minimized by the device presented here. Investigations of the solution presented here have revealed that the invention can be incorporated into existing aircraft engine components, such as those described in US Pat. hollow struts, can be fully integrated and yet, in particular the dynamic radial engine forces effectively isolated from the fuselage.
Anhand der
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in die jeweilige Verstrebung
The device according to the invention is in the
Wie die
Im vorderen Triebwerksbereich werden also die Hohlräume einzelner Struts aus dem Zwischengehäuse (IMC) mit zylinderförmigen Piezostapelaktoren belegt. Die Struts direkt unterhalb der Verbindungspunkte
Die hier verwendeten Aktoren sind vorzugsweise Piezo-Stapelaktoren, deren Aufbau im Wesentlichen aus einem Stapel von Keramikscheiben besteht, sodass sich die Gesamtdehnung des Aktors aus der Summe der Einzeldehnungen der Keramikscheiben zusammensetzt. Optional kann der Piezostapel zum Schutz vor Umwelteinflüssen mit einem Gehäuse versehen werden (Einkapselung). Das Gehäuse kann auch genutzt werden, um den Aktor mit Hilfe von Tellerfedern mechanisch vorzuspannen, sodass ein Betrieb im Zugbereich möglich wird. Alternativ könnte eine Vorspannung für den dynamischen Betrieb über die mechanische Struktur, an die der Aktor gekoppelt ist, realisiert werden. Die mechanische Trennung der Keramikscheiben wird durch dünne Metallelektroden gewährleistet, welche die Keramikschichten elektrisch parallel schalten. The actuators used here are preferably piezo stack actuators, whose construction consists essentially of a stack of ceramic discs, so that the total elongation of the actuator is composed of the sum of the individual expansions of the ceramic discs. Optionally, the piezo stack can be provided with a housing for protection against environmental influences (encapsulation). The housing can also be used to mechanically bias the actuator with the help of disc springs, so that operation in the train area is possible. Alternatively, a bias for dynamic operation could be realized via the mechanical structure to which the actuator is coupled. The mechanical separation of the ceramic discs is ensured by thin metal electrodes, which electrically connect the ceramic layers in parallel.
Piezo-Stapelaktoren zeichnen sich durch gute dynamische Eigenschaften gepaart mit hohen erzielbaren Stellkräften bei kleiner Baugröße aus. Mit einer typischen Länge, die im vorliegenden Beispiel im Bereich von z.B. 100–150 mm liegen kann, ist die Integration des Aktors im Strut ohne weiteres möglich, wohingegen ein Aktordurchmesser mit etwa 25 mm, insbesondere bei kleineren Triebwerken, bereits an die Grenze des zur Verfügung stehenden Package-Durchmessers stoßen kann. Zur Integration größerer Durchmesser ist eine strömungsgerechte Modifikation des Struts nach Vorbild der benachbarten leitungführendenStruts des IMC denkbar. Ferner wird es bei steigendem Aktordurchmesser schwieriger die Eigenerwärmung aus dem Aktorkern abzuführen, weil der Piezowerkstoff, wie jede Keramik, ein schlechter Wärmeleiter ist. Eine Möglichkeit dieses Problem zu umgehen ist die Verwendung von Piezostapeln mit zentrischer Bohrung. Durch die Verwendung eines Ringaktors statt eines Massivaktors erhält man ein höheres Oberflächen/Volumen-Verhältnis, wodurch die Kühlleistung im Vergleich zum Massivaktor steigt. Weiterhin weist der Ringaktor bei gleichem Materialaufwand bessere mechanische Eigenschaften auf. Aufgrund des höheren Außendurchmessers können höhere Biegemomente aufgenommen werden. Zusammenfassend wird bei hoch-dynamischem Betrieb die Verwendung eines Ringaktors empfohlen.Piezo stack actuators are characterized by good dynamic properties paired with high achievable restoring forces in a small size. With a typical length, which may be in the range of, for example, 100-150 mm in the present example, the integration of the actuator in the strut is readily possible, whereas an actuator diameter of about 25 mm, especially for smaller engines, already at the limit of Available package diameter. For the integration of larger diameters, it is conceivable to modify the flow in the same way as the IMC's adjacent pipe-leading trutes. Furthermore, it becomes more difficult to dissipate the self-heating of the actuator core with increasing actuator diameter, because the piezoelectric material, like any ceramic, is a poor conductor of heat. One way around this problem is the use of piezostapeln with centric bore. By using a ring actuator instead of a solid actuator, one obtains a higher surface area / volume ratio, which increases the cooling capacity compared to the massivactor. Furthermore, the ring actuator with the same cost of materials better mechanical Properties on. Due to the higher outer diameter higher bending moments can be absorbed. In summary, the use of a ring actuator is recommended for high-dynamic operation.
Abgesehen von der im vorderen Bereich des Flugtriebwerks installierten Aktorik zur „aktiven Aufhängung“ können auch im hinteren Bereich Maßnahmen zur „aktiven Aufhängung“ des Triebwerks getroffen werden.Apart from the "active suspension" actuators installed in the front of the aircraft engine, measures can also be taken to "actively suspend" the engine at the rear.
Anhand der
Wie insbesondere anhand der
-rumpf) fortpflanzen. As in particular on the basis of
-rumpf).
Beispielsweise handelt es sich bei den aktorischen Einrichtungen
Wie schon oben beschrieben wurde, wird zur aktiven Aufhängung (s.
Zur aktiven Aufhängung (vorne wie hinten) ist zu sagen, dass es letztlich irrelevant ist, aus welchem Bereich des Triebwerks die Störvibrationen hervorgerufen werden. Solange die Amplituden und Frequenzen der Störkräfte an den Aufhängungspunkten des Triebwerks vom Leistungsspektrum des piezoaktorischen Systems abgedeckt werden, ist eine Schwingungsisolation zwischen Flugzeug und Triebwerk gewährleistet. Auch deshalb kann es sinnvoll sein, das Konzept der aktiven Aufhängung sowohl im vorderen wie auch im hinteren Triebwerksbereich zu implementieren und zwar möglichst nahe zu dem jeweiligen Aufhängungspunkt..For active suspension (front and rear) is to say that it is ultimately irrelevant from which area of the engine, the noise vibrations are caused. As long as the amplitudes and frequencies of the disturbance forces at the suspension points of the engine are covered by the power spectrum of the piezoactuator system, a vibration isolation between the aircraft and the engine is ensured. Therefore, it may be useful to implement the concept of active suspension in both the front and in the rear engine area as close as possible to the respective suspension point ..
Ein besonderer Vorteil aktiver Systeme besteht in der Möglichkeit der Fehlerdiagnose und Fehlerüberwachung im Betrieb, wodurch eine Erhöhung der Sicherheit realisierbar ist. Im Rahmen der Erfindung wurde die Umsetzbarkeit eines mechatronischen Systems mit Piezomaterialien auf Basis von Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) zur Komforterhöhung in einem realen Triebwerk analysiert und nachgewiesen. Dabei wurden Lösungsvarianten und die in diesem Zusammenhang erforderlichen Bauraumuntersuchungen sowie konstruktiven Umsetzungsvorschläge erarbeitet, die eine Komforterhöhung ermöglichen. Dabei wurden u.a. die Dimensionierung sowie technologischen Herausforderungen hinsichtlich der Piezoaktorik berücksichtigt. A particular advantage of active systems is the possibility of fault diagnosis and fault monitoring during operation, which makes it possible to increase safety. In the context of the invention, the feasibility of a mechatronic system with piezo-materials based on lead zirconate titanate (PZT) for comfort increase in a real engine was analyzed and demonstrated. In the course of this, solution variants and the installation space investigations required in this connection as well as constructive implementation suggestions were developed, which allow a comfort increase. Thereby u.a. the dimensioning as well as technological challenges with regard to the piezoactuator.
Das Piezo-Gesamtsystem kann beispielsweise jeweils mit zwei Aktoren im vorderen sowie hinteren Triebwerksbereich appliziert werden, sodass vier Aktoren und Leistungsverstärker eingesetzt werden. Diese Umsetzung ist mit geringem konstruktiven Aufwand an einem Serientriebwerk möglich, weil die Geometrie und Komponentenanordnung weitestgehend beibehalten werden kann. Weiterhin ist das System im Fehler- oder Versagensfall als sehr sicher einzustufen, weil die Aktoren im Frontbereich mit den Struts und im hinteren Bereich des Triebwerks mit den Verstrebungen parallel geschaltet sind. Ein funktionaler Mehrwert kann durch Überwachung der Aktorstellgrößen im Zuge eines „Unwucht-monitoring“ erreicht werden.For example, the entire piezo system can be applied with two actuators in the front and rear engine area, so that four actuators and power amplifiers are used. This implementation is possible with little design effort on a series engine, because the geometry and component arrangement can be largely retained. Furthermore, the system can be classified as very safe in the event of a fault or failure, because the actuators are connected in parallel to the struts in the front area and to the struts in the rear area of the engine. A functional added value can be achieved by monitoring the actuator manipulated variables in the course of an "unbalance monitoring".
Zusammenfassend bietet die vorliegende Erfindung eine Lösung für eine aktive Aufhängung, insbesondere für die vordere Aufhängung im Bereich des Zwischengehäuses, indem die Aktorik in vorhandene Hohlräume derjenigen Verstrebungen bzw. Leitschaufeln (Struts) an einem Zwischengehäuse (IMC) implementiert wird, die sich unterhalb der Anbindungspunkte befinden (s.
Die im vorderen Bereich des Triebwerks integrierten und zu den Struts parallel geschalteten Aktoren können, wie durch den Doppelpfeil angedeutet (s.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Flugtriebwerk Aircraft engine
- 101101
- Triebwerksgehäuse [Engine Housing] Engine Housing
- 150150
- Zwischengehäuse [Intermediate Casing – IMC] Intermediate Casing - IMC
- 104104
- Kerntriebwerksgehäuse Core engine casing
- 112112
- Lagerschale bearing shell
- 110110
- vorderer Abschnitt / Bereich des Triebwerks front section / area of the engine
- 120120
- hinterer Abschnitt / Bereich des Triebwerks rear section / area of the engine
- 111111
- vordere Befestigungsstruktur mit Aufhängungspunkt(en) front attachment structure with suspension point (s)
- 131131
- hintere Befestigungsstruktur mit Aufhängungspunkt rear attachment structure with suspension point
- 130130
- Verstrebung(en) [Struts] im vorderen Bereich Bracing (s) [Struts] in the front area
- 121121
- Hohlraum zur Aufnahme eines Aktors Cavity for receiving an actuator
- 122122
- Aktor, hier Piezoaktor Actuator, here piezoelectric actuator
- 123 123
- Stützstruktur / VersteifungSupport structure / stiffening
- 170170
- aktorische Einrichtung, hier querlaufende Streben mit Aktoren, im hinteren Bereich Actoric device, here transverse struts with actuators, in the rear area
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 8702377 B2 [0005] US 8702377 B2 [0005]
- DE 10154391 A1 [0006] DE 10154391 A1 [0006]
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102015110701.5A DE102015110701A1 (en) | 2015-07-02 | 2015-07-02 | Device for isolating rotor vibrations in an aircraft engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102015110701.5A DE102015110701A1 (en) | 2015-07-02 | 2015-07-02 | Device for isolating rotor vibrations in an aircraft engine |
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---|---|
DE102015110701A1 true DE102015110701A1 (en) | 2017-01-05 |
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ID=57582403
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102015110701.5A Withdrawn DE102015110701A1 (en) | 2015-07-02 | 2015-07-02 | Device for isolating rotor vibrations in an aircraft engine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102015110701A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3670942A1 (en) * | 2018-12-17 | 2020-06-24 | Rolls-Royce plc | Bearing assembly including active vibration control |
Citations (3)
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DE10154391A1 (en) | 2001-11-06 | 2003-05-22 | Eurocopter Deutschland | Device and method for isolating vibrations in a transmission path |
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US8702377B2 (en) | 2010-06-23 | 2014-04-22 | Honeywell International Inc. | Gas turbine engine rotor tip clearance and shaft dynamics system and method |
-
2015
- 2015-07-02 DE DE102015110701.5A patent/DE102015110701A1/en not_active Withdrawn
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