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Die Erfindung bezieht sich auf eine Fluggasturbine mit einem Kerntriebwerk, welches von einem Nebenstromkanal umströmt wird.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, einen Nebenstromkanal so auszubilden und zu dimensionieren, dass er am Ausströmbereich eine Düse bildet, um den zusätzlichen Schub des Nebenstromkanals effektiv nutzen zu können.
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Bei der Entwicklung von modernen Fluggasturbinen-Triebwerke mit einem Fan, welcher über ein Getriebe angetrieben wird, ergibt sich die Notwendigkeit, die Nebenstromdüse variabel auszubilden, um das Wirkprinzip eines mit einem Getriebe versehenen Fans effektiv nutzen zu können und in jedem Flightmodus eine Fan-Stabilität zu erreichen und Fan Flutter zu vermeiden. Die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme sind meistens an der Abströmkante der Triebwerksverkleidung (nacelle) angeordnet. Dabei sind segmentierte Teile der Abströmkante (trailing edge) bekannt, welche sich durch Betätigungsvorrichtungen radial nach außen oder nach innen bewegen. Bei einer anderen Lösung bewegt sich die gesamte Abströmkante, welche als separater Ring ausgebildet ist, in Axialrichtung. Weiterhin sind Lösungen bekannt, bei welchen die innere Triebwerksstruktur, welche das Kerntriebwerk umgibt, veränderbar ausgebildet ist, beispielsweise durch bewegbare Segmente oder durch axial bewegbare Ausströmteile.
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Zum Stand der Technik ist beispielsweise auf die
US 2008/0166227 A1 zu verweisen.
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Insgesamt ergibt sich bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen der Nachteil, dass eine große Anzahl von Bauelementen erforderlich sind, dass die Betätigung komplex und aufwendig ist und dass die geringe Dicke der Abströmkante des Nebenstromgehäuses axial längere und schwerere Systeme erfordert. Weiterhin ergeben sich Probleme hinsichtlich der auftretenden Spalten, welche die Durchströmung des Nebenstromkanals stören sowie hinsichtlich der Alterung von nicht-metallischen Materialien, welche für die Nebenstromdüsenverstellungen verwendet werden. Zusätzlich führen starke dreidimensionale Strömungseffekte im Nebenstromkanal zu Strömungsverlusten. Auch eine Reduzierung der zur Schalldämpfung zur Verfügung stehenden Fläche bringt Nachteile.
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Die
DE 10 2011 106 959 A beschreibt eine Fluggasturbine mit einer variabel verstellbaren Nebenstromdüse, bei welcher ein glattes, elastisches Verstellelement radial nach außen verformbar ist. Dieses Verstellelement, welches aus einem metallischen Material oder einem gummiartigen Kunststoffmaterial bestehen kann, weist nicht in allen Anwendungsfällen die erforderliche Festigkeit, insbesondere die erforderliche Lebensdauer, auf.
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Aus der
JP 2001/050110 A ist ein elastisches Verstellelement bekannt, welches durch flexible Röhren, die sich in Umfangsrichtung erstrecken und in ihrem Durchmesser variabel sind, wölben lässt. Die flexiblen Röhren werden dabei mit einem Fluid beaufschlagt.
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Eine weitere Konstruktion zur Verstellung einer Ausströmdüse zeigt die
DE 26 38 883 A1 . Dabei wird eine innenliegende Wandung eines Nebenstromkanals mittels einer Klappe in radialer Richtung verstellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fluggasturbine mit einer variablen Nebenstromdüse zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist somit eine Fluggasturbine mit einem Kerntriebwerk geschaffen, welches von einem Nebenstromkanal umgeben ist. Der Nebenstromkanal wird radial außerhalb durch eine Nebenstromwandung umschlossen, und eine radial innere Wandung der Nebenstromwandung (nacelle) bildet mit einer radial äußeren Wandung der Verkleidung des Kerntriebwerks eine Nebenstromdüse (Fan-Düse). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die radial innere Wandung des Nebenstromkanals, welche Teil einer Verkleidung des Kerntriebwerks ist oder diese umfasst, ein sich in Umfangsrichtung der Innenwandung erstreckendes Verstellelement umfasst, welches radial nach außen und somit in den Nebenstromkanal verformbar ist.
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Erfindungsgemäß ist das Verstellelement an seinem Umfang „wellblechartig” ausgebildet. Es weist somit in Längsrichtung verlaufende, zueinander parallele, in Umfangsrichtung alternierend zueinander angeordnete konvexe und konkave Bereiche auf. Dabei ist das Verstellelement so ausgebildet, dass sich in einer Radialschnittebene eine Wellenstruktur ergibt. Bevorzugterweise sind die einzelnen konvexen und konkaven Bereiche in einer Radialschnittebene sinusförmig ausgebildet. Bei einem nichtgedehnten Ausgangszustand des Verstellelements ergibt sich somit eine wellenförmige oder geriffelte Außenkontur, welche bevorzugterweise im mittleren Bereich des Verstellelements, bezogen auf seine gesamte axiale Länge, vorgesehen ist. Dieser mittlere Bereich wird beim Betätigen des Verstellelements so verformt, dass sich ein größerer Durchmesser ergibt, welcher zu einem kleineren Querschnitt der Nebenstromdüse führt. Das Ausbauchen des mittleren Bereichs des Verstellelements erfolgt durch mechanische Komprimierung des Verstellelements in seiner Axialrichtung. Diese Axialrichtung ist durch die Triebwerksachse definiert. Bei der Ausbauchung oder Ausdehnung des mittleren Bereichs des Verstellelements werden somit die konvexen und konkaven Bereiche, welche die Sinusform bilden, in Umfangsrichtung gedehnt. Dies führt zu einer geringeren Amplitude (radialen Erstreckung) der konvexen und konkaven Bereiche. Bezogen auf das Material des Verstellelements ergeben sich dabei sehr geringe lokale Dehnungen des Materials, so dass das erfindungsgemäße Verstellelement mechanisch nur gering belastet wird. Dies führt zu einer erheblichen Steigerung der Lebensdauer des Verstellelements.
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Die in Axialrichtung, bezogen auf die Triebwerksachse, verlaufenden konvexen und konkaven Bereiche stören die Durchströmung des Nebenstromkanals nicht oder nur sehr unerheblich, so dass das erfindungsgemäße Verstellelement sehr strömungsgünstig ausgebildet ist.
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Erfindungsgemäß ist das Verstellelement bevorzugterweise aus einem blechartigen Material gefertigt und weist in allen Bereichen eine im Wesentlichen gleiche Dicke auf.
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Erfindungsgemäß ist somit eine Lösung geschaffen, bei welcher die Nebenstromwandung, die Abströmkante der Nebenstromwandung und die gesamte Triebwerksverkleidung (nacelle) nicht verstellbar ausgebildet sein müssen. Vielmehr ist das Verstellelement radial innenliegend in dem Nebenstromkanal angeordnet und kann somit einen geringeren Durchmesser aufweisen als die aus dem Stand der Technik bekannten Verstellmechanismen an der Abströmkante der Nebenstromverkleidung.
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Weiterhin ist eine verformbare oder biegbare Ausgestaltung des Verstellelements vorgesehen, welches an der Innenwandung des Nebenstromkanals angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Verstellelement kann somit an der inneren Struktur der Verkleidung des Kerntriebwerks (inner fixed structure) angeordnet und von dort aus betätigt werden. Das erfindungsgemäße Verstellelement befindet sich somit am inneren Annulusbereich des Nebenstromkanals. Hierdurch ist es auf einfache und leicht überwachbare Art möglich, einen Teil der inneren Wandung des Nebenstromkanals zu verstellen, um auf diese Weise eine variable Nebenstromdüse zu schaffen.
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Bevorzugterweise ist das Verstellelement an seinem stromauf angeordneten Bereich in Axialrichtung verschiebbar. Dabei ist es insbesondere günstig, wenn an dem stromauf angeordneten Endbereich des Verstellelements ein starres Ringelement vorgesehen ist, welches mit einer Betätigungsvorrichtung gekoppelt und in Axialrichtung verschiebbar ist. Durch eine axiale Verschiebung in Richtung auf den Ausströmbereich der Gasturbine ergibt sich somit ein Aufwölben des Verstellelements. Hierdurch wird der Querschnitt der Nebenstromdüse variabel angepasst. Da das Aufwölben in einer vorbestimmbaren Oberflächenkontur erfolgt, ergibt sich ein optimierter Strömungsverlauf in dem Nebenstromkanal, welcher nicht durch Betätigungselemente, Anbauelemente oder Ähnliches gestört ist.
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Das erfindungsgemäße Verstellelement ist bevorzugterweise an seinem stromab angeordneten Bereich über eine elastische Flanschkonstruktion mit der Tragkonstruktion der Kerntriebwerksverkleidung oder dem Kerntriebwerksgehäuse verbunden. Dies kann durch eine Schraubverbindung realisiert sein. Der stromauf angeordnete Bereich, insbesondere das starre Ringelement, sind bevorzugterweise beispielsweise über Zuganker oder T-förmige Haken mit der Betätigungsvorrichtung gekoppelt. Hierdurch wird eine definierte Axialbewegung der Vorderkante des Verstellelements sichergestellt.
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Ein weiterer, wesentlicher Vorteil liegt darin, dass die erfindungsgemäße Konstruktion einfach herstellbar und montierbar sowie einfach zu warten ist. Dies insbesondere im Hinblick darauf, dass das Verstellelement aus einem metallischen Material gefertigt werden kann, welches hinsichtlich seiner Alterung anderen elastischen Materialien überlegen ist.
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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,
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2 eine vereinfachte Ansicht, ähnlich 1, mit Darstellung der Nebenstromdüse und des erfindungsgemäßen Verstellelements,
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3 eine vergrößerte Darstellung des in 2 gezeigten Details im Normalzustand,
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4 eine Ansicht, analog 3, im Zustand eines verringerten Düsenquerschnitts,
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5 eine vereinfachte Darstellung der Verformung des erfindungsgemäßen Verstellelements,
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6 eine perspektivische vereinfachte Teilansicht des erfindungsgemäßen Verstellelements in der Ausgangskonfiguration,
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7 eine Radialschnittansicht, analog 6,
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8 eine Darstellung, analog 6, im aufgeweiteten Zustand des Verstellelements, und
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9 eine Darstellung, analog 7, in dem in 8 gezeigten aufgeweiteten Zustand.
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Das Gasturbinentriebwerk 10 gemäß 1 ist ein Beispiel einer Turbomaschine, bei der die Erfindung Anwendung finden kann. Aus dem Folgenden wird jedoch klar, dass die Erfindung auch bei anderen Turbomaschinen verwendet werden 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, Brennkammern 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 Mitteldruckkompressor 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 Kerntriebwerksgehäuse 21 in einen 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 Kerntriebwerksgehäuse 21 in den ringförmigen Strömungskanal durch die Turbinen 16, 17, 18 vorstehen, und eine nachfolgende Anordnung von Turbinenrotorschaufeln 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 Turbinenrotorschaufeln 24, drehen sich im Betrieb um die Triebwerksachse 1. Das Bezugszeichen 28 zeigt einen Auslasskonus.
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Die 1 und 2 zeigen weiterhin einen Nebenstromkanal 29, der radial außen durch eine Nebenstromkanalwandung 30, insbesondere einer Triebwerksverkleidung 25 (nacelle) begrenzt wird. Die innere Begrenzung erfolgt durch eine innere Wandung 31. Die Wandungen 30 und 31 bilden eine Nebenstromdüse 32 aus.
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Die 3 und 4 zeigen im Einzelnen die erfindungsgemäße Ausgestaltung der variablen Nebenstromdüse und zeigen dabei insbesondere ein Verstellelement 33, welches ringförmig und zylinderartig ausgebildet ist. Das Verstellelement 33 umfasst eine metallische äußere Wandung.
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Mittels einer Betätigungsvorrichtung 34, welche beispielsweise als hydraulische Kolben-Zylinder-Einheit oder elektrisch ausgebildet ist und einen Zuganker 39 umfasst, kann ein Ringelement 38, mit welchem der jeweilige Zuganker 39 verbunden ist, beispielsweise über einen T-förmigen Haken, in Axialrichtung verschoben werden, so wie dies der Vergleich der 3 und 4 zeigt. Das Ringelement 38 ist einstückig mit dem Verstellelement 33 ausgebildet.
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Der abströmseitige Bereich ist über einen im Querschnitt C-förmigen Haltering 40 gelagert, welcher einstückig oder in Form von einzelnen Ringelementen ausgebildet sein kann und elastisch verformbar ist, um eine elastische Verformung des Verstellelements 33 selbst zu ermöglichen.
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Der Vergleich der 3 und 4 zeigt, dass ein Nebenstromdüsen-Querschnittsbereich 41 durch ein Aufwölben des Verstellelements 33 veränderbar ist. Die den Nebenstromkanal 29 durchströmende Nebenstromkanalströmung 42 ist in den 3 und 4 dargestellt. Die 3 zeigt einen ”Normalzustand”, bei welchem der minimal in der Nebenstromdüse vorgesehene Querschnittsbereich 41 in üblicher Weise dimensioniert ist. Durch eine Verschiebung des Ringelements 38 in Axialrichtung durch Betätigung der Betätigungsvorrichtung 34 (4) ergibt sich eine Verringerung des Querschnittsbereichs 41. Dieser Vorgang ist verdeutlicht in 5 nochmals dargestellt, dabei ergibt sich insbesondere die ballonartige Aufwölbung des Verstellelements 33.
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Die 6 und 8 zeigen jeweils vereinfachte perspektivische Darstellungen des erfindungsgemäßen Verstellelements 33. Die 6 zeigt das Verstellelement 33 in der Ausgangskonfiguration, während die 8 einen aufgeweiteten oder aufgebauchten Betriebszustand darstellt. Die 7 zeigt eine Schnittansicht in einer Radialebene gemäß 6. Dabei ist ersichtlich, dass am Umfang des Verstellelements 33 in Umfangsrichtung alternierend konvexe Bereiche 35 und konkave Bereiche 36 vorgesehen sind. Diese weisen eine Wellenstruktur auf, so wie sich dies in der Schnittansicht in 7 ersehen lässt. Aus 6 ist weiterhin ersichtlich, dass die konvexen und konkaven Bereiche 35, 36, welche eine wellenartige Ausgestaltung aufweisen, sich nur über den mittleren Bereich der axialen Länge des Verstellelements 33 erstrecken. Hieraus folgt, dass der Anströmbereich (linker Bereich gemäß 6) und der Abströmbereich (rechter Bereich gemäß 6) am Umfang glatt ausgebildet sind. Die konvexen Bereiche 35 und die konkaven Bereiche 36 bilden sich längs der axialen Länge, erreichen ihr Maximum im mittleren Bereich des Verstellelements 33 und schwächen sich zum Endbereich wieder vollständig ab.
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Bei dem Betriebszustand, welcher in den 6 und 7 gezeigt ist, ergibt sich somit, da das Verstellelement 33 in Umfangsrichtung und damit in seinem Radius oder Durchmesser nicht vergrößert ist, ein maximaler Querschnitt der Nebenstromdüse 32.
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Die 8 und 9 zeigen einen Betriebszustand, bei welchem das Verstellelement 33 durch Aufbringung axialer Kräfte ausgewölbt oder aufgeweitet ist. Dabei ist insbesondere ersichtlich, dass die Amplitude der konvexen Bereiche 35 und der konkaven Bereiche 36 erheblich abnimmt. Hierdurch ergibt sich eine Durchmesservergrößerung des Verstellelements 32, so dass die aktive Fläche der Nebenstromdüse 32 verringert wird.
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Der Vergleich der 7 und 9 zeigt besonders deutlich, dass die Ausbauchung oder Durchmesservergrößerung des Verstellelements 33 primär durch eine Abflachung der konvexen Bereiche 35 und der konkaven Bereiche 36 erfolgt. Dies führt zu einer erheblich geringeren mechanischen Belastung des Materials des Verstellelements 33.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Triebwerksachse
- 10
- Gasturbinentriebwerk/Kerntriebwerk
- 11
- Lufteinlass
- 12
- Fan
- 13
- Mitteldruckkompressor (Verdichter)
- 14
- Hochdruckkompressor
- 15
- Brennkammer
- 16
- Hochdruckturbine
- 17
- Mitteldruckturbine
- 18
- Niederdruckturbine
- 19
- Abgasdüse
- 20
- Leitschaufeln
- 21
- Kerntriebwerksgehäuse
- 22
- Kompressorlaufschaufeln
- 23
- Leitschaufeln
- 24
- Turbinenrotorschaufeln
- 25
- Triebwerksverkleidung
- 26
- Kompressortrommel oder -scheibe
- 27
- Turbinenrotornabe
- 28
- Auslasskonus
- 29
- Nebenstromkanal
- 30
- Nebenstromkanalwandung
- 31
- Innere Wandung
- 32
- Nebenstromdüse
- 33
- Verstellelement
- 34
- Betätigungsvorrichtung
- 35
- Konvexer Bereich
- 36
- Konkaver Bereich
- 37
- Wellenstruktur
- 38
- Ringelement
- 39
- Zuganker
- 40
- Haltering
- 41
- Querschnittsbereich
- 42
- Nebenstromkanalströmung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2008/0166227 A1 [0004]
- DE 102011106959 A [0006]
- JP 2001/050110 A [0007]
- DE 2638883 A1 [0008]
