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Die Erfindung betrifft eine Hohlradvorrichtung für ein Planetengetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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In Getriebefan-Flugzeugtriebwerken werden Planetengetriebe als Untersetzungsgetriebe eingesetzt, um die Drehzahl des Fans von der Drehzahl der Turbinenstufen zu entkoppeln. Das Getriebe, regelmäßig als Planetengetriebe ausgebildet, ermöglicht z.B. unterschiedliche Drehzahlen von Fan und Niederdruckturbine im Triebwerk, was es sowohl dem Fan als auch der Turbine erlauben, in einem verbesserten Leistungsbereich zu arbeiten. Der Fan dreht dabei langsamer als bei konventionellen Turbofanantrieben und die Niederdruckturbine schneller.
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Dabei wird das Planetengetriebe (auch Power Gear Box (PGB) genannt) im Betrieb hohen mechanischen und / oder thermischen Belastungen unterworfen. Dies liegt z.T. an der sehr großen Energiedichte in dem Planetengetriebe, die sowohl aus den Gewichtsforderungen wie aus dem sehr begrenzten Bauraum herrühren. Auch liegen in einem solchen Planetengetriebe sehr hohe dynamische Belastungen vor, deren große Bandbreite aus den sehr unterschiedlichen Betriebszuständen herrühren (große Temperaturfelder von -50°C bis +180°C, großer Bereich unterschiedlicher Drehzahlen und Übertragungslasten). Daraus resultiert auch eine große Bandbreite von Schwingungen innerhalb des Planetengetriebes.
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Aus der
DE 42 32 316 C1 ist bekannt, Gewebeschläuche aus Faserverbundwerkstoffen zur Verbesserung mechanischer Eigenschaften von Zahnrädern direkt an den Zahnflanken und dem Zwischenraum zwischen den Zähnen anzubringen.
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Es besteht die Aufgabe, insbesondere mechanisch und / oder thermisch robuste Planetengetriebe zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch eine Hohlradvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Hohlradvorrichtung für ein Planetengetriebe, mit Planetenrädern, einem die Planetenräder verbindenden Carrier und einem Sonnenrad, weist mindestens einen am äußeren Umfang der Hohlradvorrichtung angeordneten Ring auf, wobei die Hohlradvorrichtung eine Druckeigenspannung und der mindestens eine Ring eine Zugeigenspannung in Umfangsrichtung aufweisen und der mindestens eine Ring Fasermaterial aufweist oder aus Fasermaterial besteht
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Die Anordnung des im Ergebnis vorgespannten Fasermaterials, z.B. Kohlenfasergurte, am äußeren Umfang der Hohlradvorrichtung führt zu einer Schwingungsdämpfung in der Hohlradvorrichtung. Auch werden Druckeigenspannungen insbesondere an den Zahnflanken und den Zahnfüßen der Hohlradvorrichtung eingebracht. Damit wird zum einen durch die Interaktion des Stahls der Hohlradvorrichtung mit dem Ring aus Fasermaterial das Gesamtschwingverhalten des Planetengetriebes verbessert. Zum anderen wird über die Einbringung von Druckeigenspannungen die Zahnflankenbelastung der Hohlradvorrichtung reduziert. Durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Stahl und Fasermaterial bei steigender Bauteiltemperatur wird dieser Effekt noch verstärkt. Durch Auswahl des Fasermaterials mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und angepasster Faservorspannung beim Wickelprozess kann das Systemverhalten auf die spezifischen Anforderungen angepasst werden. Damit wird eine elastische und dünnwandige Bauform mit hoher Bauteilslebensdauer erreicht.
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In einer Ausführungsform ist der mindestens eine Ring auf die Hohlradvorrichtung aufschrumpfbar. Auf Grund unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhaltens kann hier eine Vorspannung erzeugt werden.
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Alternativ ist in einer Ausführungsform das Fasermaterial des mindestens einen Rings nass gewickelt.
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In einer Ausführungsform kann die Vorspannung im mindestens einen Ring zwischen 200 und 600 MPa liegen.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der mindestens eine Ring einen Anteil an Kohlenstofffasern auf oder besteht aus Kohlenstofffasern. In einer Ausführungsform weist der mindestens eine Ring IMS 65 Material auf oder ist aus diesem Material gebildet..
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Für eine Anwendung in Planetengetrieben kann der mindestens eine Ring eine radiale Dicke zwischen 1 und 20 mm aufweisen. Auch kann in einer Ausführungsform das Verhältnis der radialen Dicke (DR ) des mindestens einen Rings zur radialen Dicke (DH ) der Hohlradvorrichtung zwischen 0,1 und 0,4, insbesondere zwischen 0,2 und 0,3 liegen.
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Ferner kann in einer Ausführungsform der mindestens eine Ring axialer Richtung eine Breite zwischen 50 und 300 mm aufweisen.
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Für eine kompakte Bauform kann in einer Ausführungsform die Hohlradvorrichtung mit einem Gehäuse des Planetengetriebes gekoppelt sein.
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In einer Ausführungsform ist die Hohlradvorrichtung Teil eines Planetengetriebes in einem Flugzeugtriebwerk, d.h. in einem Getriebefan-Flugzeugtriebwerk.
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In Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Flugzeugtriebwerkes mit einem Planetengetriebe;
- 2 eine schematische axiale Ansicht auf eine Ausführungsform eines epizyklischen Planetengetriebes;
- 3 eine Darstellung eines Rings aus Fasermaterial um eine Ausführungsform einer Hohlradvorrichtung;
- 4A eine vergrößerte Darstellung des Grundes einer Zahnflanke im Bereich von Druckspannungen (60° Tangente am Zahnfuß);
- 4B eine Darstellung der Druckspannungen am Grunde der Zahnflanke unter Verwendung einer Ausführungsform der Hohlradvorrichtung mit vorgespanntem Ring;
- 5A eine vergrößerte Darstellung des Grundes einer Zahnflanke im Bereich von Zugspannungen (60° Tangente am Zahnfuß);
- 5B eine Darstellung der Zugspannungen am Grunde der Zahnflanke einer Ausführungsform der Hohlradvorrichtung mit vorgespanntem Ring;
- 6A eine Darstellung der Druckspannungen am Grunde der Zahnflanke (60° Tangente am Zahnfuß) unter Verwendung einer weiteren Ausführungsform der Hohlradvorrichtung mit vorgespanntem Ring;
- 6B eine Darstellung der Zugspannungen am Grunde der Zahnflanke Zahnflanke (60° Tangente am Zahnfuß) unter Verwendung einer weiteren Ausführungsform der Hohlradvorrichtung mit vorgespanntem Ring;
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In 1 ist ein Flugzeugtriebwerk 10 dargestellt, das eine Haupt- und Drehachse 11 aufweist. Das Flugzeugtriebwerk 10 umfasst in axialer Strömungsrichtung einen Lufteinlauf 12, einen Fan 13, ein Planetengetriebe 14, einen Mitteldruckverdichter 15, einen Hochdruckverdichter 16, eine Brennkammervorrichtung 17, eine Hochdruckturbine 18, eine Niederdruckturbine 19 und einen Luftauslass in Form einer Düse 20.
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Der Fan 13 ist in der dargestellten Ausführungsform einstufig ausgebildet. In anderen Ausführungsformen kann der Fan 13 auch mehrstufig ausgeführt sein.
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Ein Gehäuse 21 schließt das Flugzeugtriebwerk 10 teilweise am Umfang ab und definiert den Lufteinlauf 32.
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Das als Getriebefan ausgebildete Flugzeugtriebwerk 10 funktioniert in der grundsätzlich bekannten Weise, indem Luft in den Lufteinlass 32 eintritt und durch den Fan 13 beschleunigt wird. Es werden zwei Luftströme erzeugt: ein erster Luftstrom strömt durch den Mitteldruckverdichter 15, ein zweiter Luftstrom strömt durch einen Nebenstromkanal 21, um den Hauptteil des Schubes zu erzeugen.
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Der Mitteldruckverdichter 15 verdichtet den eintretenden Luftstrom bevor die Luft in den Hochdruckverdichter 16 zur weiteren Verdichtung geführt wird.
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Die aus dem Hochdruckverdichter 16 austretende verdichtete Luft wird in die Brennkammervorrichtung 17 geführt, in der der Luftstrom mit Brennstoff gemischt und dann verbrannt wird.
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Die entstehenden heißen Verbrennungsgase expandieren in die Hochdruckturbine 18 und treiben diese und die Niederdruckturbine 19 an. Schließlich tritt das Gas aus der Düse 20 aus und stellt weiteren Schub zur Verfügung.
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Die Hockdruckturbine 18 und die Niederdruckturbine 19 treiben jeweils den Hochdruckverdichter 16 und den Mitteldruckverdichter 15 über ein geeignetes abgestimmtes Wellensystem an.
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Eine Niederdruckwelle treibt dabei den Fan 13 über das Planetengetriebe 14 an. Das Planetengetriebe 14 ist ein Untersetzungsgetriebe, das die Drehzahl des Fans 13 gegenüber der Drehzahl des Mitteldruckverdichters 15 und der Niederdruckturbine 19 reduziert.
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In 2 ist in einer axialen Ansicht das Planetengetriebe 14 schematisch dargestellt, das z.B. in einem Getriebefan-Flugzeugtriebwerk 10 verwendbar ist. Ein Gehäuse 6 des Planetengetriebes 14 weist an seiner Innenseite eine Hohlradvorrichtung 1 auf, die statisch ist, d.h. sie rotiert gegenüber anderen Teilen des Flugzeugtriebwerkes 10 nicht.
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In der hier dargestellten Ausführungsform rollen fünf Planetenräder 3 in der Hohlradvorrichtung 1 umlaufend ab. Die Planetenräder 3 sind drehbar auf Wellen 7 und Gleitlagern 8 gelagert.
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Untereinander sind die Planetenräder 3 durch einen Planetenträger (Carrier) 4 miteinander verbunden.
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In der dargestellten Ausführungsform ist ein Sonnenrad 5 des Planetengetriebes 14 antreibbar. Diese Drehbewegung wird dann über die Planetenräder 3 auf den Carrier 4 übertragen, über den letztlich der Abtrieb aus dem Planetengetriebe 14 erfolgt.
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Die Ausführungsform der 2 ist hier nur als Beispiel zu verstehen, da ein epizyklisches Planetengetriebe 14 auch weniger oder mehr als fünf Planetenräder 3 aufweisen kann.
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Auch kann die hier beschriebene Lösung für die Hohlradvorrichtung 1 auch in einem Planetengetriebe 14 mit einer Stern-Konfiguration betrieben werden.
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Um den äußeren Umfang der Hohlradvorrichtung 1, die hier mit dem Gehäuse 6 zusammenfällt, ist ein Ring 2 aus einem Fasermaterial angeordnet. Dieser ist mit einer Vorspannung σ in Umfangsrichtung vorgespannt, wie durch die Pfeile in der 2 angedeutet.
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Das Fasermaterial kann eine Kohlenstofffaser aufweisen oder ganz aus solchen Fasern bestehen.
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Ein mögliches Material für den Ring 2 ist das Filamentgarn IMS 65 (eine hochfeste Kohlenstofffaser), das z.B. eine lineare Dichte von 830 tex aufweist und aus 24.000 Filamenten besteht. Jedes der Filamente hat einen Durchmesser von 5 µm. Das Elastizitätsmodul beträgt 290 GPa. Die Dehngrenze beim Reißen beträgt 1,9%. Der thermische Ausdehnungskoeffizient beträgt αR = - 0,1 10-6 1/K.
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Diese Faserart ist nur ein Beispiel, wobei grundsätzlich auch andere Fasermaterialein verwendet werden können.
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Als Material für die Hohlradvorrichtung wird hier ein Stahl mit einem Elastizitätsmodul von 210 GPa verwendet. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Stahls beträgt αH = 1.1 * 10-5 1/K.
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Im Folgenden wird die Wirkung des Rings 2 aus Faserverbundmaterial beschrieben.
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In 3 ist links eine Ausführungsform eines Rings 2 dargestellt, der um die Hohlradvorrichtung 1 herum angeordnet ist. Die Planetenräder 3 und andere Details des Planetengetriebes 14 sind hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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In dem vergrößerten Ausschnitt in der 3 rechts ist an der Innenseite der Hohlradvorrichtung 1 die Verzahnung dargestellt. Die Dicke DR des Rings in radialer Richtung entspricht ca. einem Viertel der radialen Dicke DH der Hohlradvorrichtung 1. Grundsätzlich kann das Verhältnis DR / DH zwischen 0,1 und 0,4 liegen.
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In dem vorliegenden Beispiel beträgt die absolute Dicke DR des mindestens einen Rings 2 5 mm. In einer alternativen Ausführungsform kann die Dicke DR auch 10 mm betragen. Grundsätzlich sind auch andere Dicken DR möglich.
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Der mechanische Effekt bei der Verwendung mindestens eines vorgespannten Rings 2 um die Hohlradvorrichtung 1 herum wird anhand der 4A, 4B erläutert.
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In der 4A ist ein vergrößerter Ausschnitt eines Zwischenraums zwischen zwei Zähnen der Hohlradvorrichtung 1 dargestellt. Die höchsten Spannungen treten im Übergangsbereich vom Zwischenraum in die Zahnflanke auf. Hier wird eine gekrümmte Koordinate X eingeführt, die diesen Bereich parametrisiert.
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In der 4B sind die Druckspannungen (siehe Doppelpfeil in der 4A, Tangente 60° am Zahnfuß) für drei Lastfälle über die Koordinate X aufgetragen. Die Mitte der Kehlung hat die Koordinate X=6.
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Der erste Lastfall gibt die Druckspannungen an, die bei einer normalen Getriebebelastung ohne eine Hohlradvorrichtung 1 mit einem vorgespannten Ring 2 auftreten.
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Im zweiten Lastfall wird ein vorgespannter Ring 2 verwendet, wobei die Differenz in der Druckspannung entlang der Koordinate X zwischen dem ersten Lastfall und dem zweiten Lastfall durch die Vorspannung des Rings 2 bewirkt wird. Der absolute Wert der Vorspannung σ des Rings 2 beträgt hier ca. 300 MPa im Bereich X = 0 ... 12. Im Ergebnis werden die Beträge der Druckspannungen am Zahnfuß durch die Vorspannung des Rings 2 deutlich geringer.
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Der Ring 2 kann z.B. dadurch auf die Hohlradvorrichtung 1 aufgebraucht werden, indem er abgekühlt wird (z.B. auf -18 °C), während die Hohlradvorrichtung 1 bei einer Raumtemperatur von 20 °C bleibt.
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Im dritten Lastfall wird die Hohlradvorrichtung 1 mit dem vorgespannten Ring 2 unter nominellen Bedingungen im Planetengetriebe 14 betrieben, d.h. insbesondere auch bei höheren Temperaturen, von z.B. 90° C.
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In 4B ist erkennbar, dass die absoluten Werte der Druckspannungen sich im dritten Lastfall nur sehr gering erhöhen, so dass die positive Wirkung des vorgespannten Rings 2 auch im Betrieb erkennbar ist.
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Ein ähnliches Bild bietet sich, wenn ein anderer Bereich der Holradvorrichtung 1 betrachtet wird, bei dem am Zahnfuß eine Zugspannung anliegt.
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In 5A ist analog zu 4A der Bereich eines Zahnfußes mit der Koordinate X dargestellt. Wiederum liegt die Kehlung bei X=6. Die Druckspannungen sind durch den Doppelpfeil dargestellt.
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In 5B sind wiederum die gleichen Lastfälle wie in 4A, 4B dargestellt, so dass grundsätzlich auf die Beschreibung der 4A, 4B Bezug genommen werden kann. Die Zugspannungen werden für eine 60° Tangente am Zahnfuß angegeben.
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Der erste Lastfall gibt die Zugspannungen an, die bei einer normalen Getriebebelastung und ohne Hohlradvorrichtung mit einem vorgespannten Ring 2 auftreten.
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Im zweiten Lastfall wird ein vorgespannter Ring 2 verwendet, wobei die Differenz in der Zugspannung entlang der Koordinate X zwischen dem ersten Lastfall und dem zweiten Lastfall durch die Vorspannung des Rings 2 bewirkt wird. Die absoluten Werte der Vorspannung σ des Rings 2 beträgt hier ca. 300 MPa im Bereich X = 0 ... 12. Im Ergebnis werden die Beträge der Zugspannungen am Zahnfuß durch die Vorspannung des Rings 2 deutlich geringer.
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Im dritten Lastfall wird die Hohlradvorrichtung 1 mit dem vorgespannten Ring 2 unter nominellen Bedingungen im Planetengetriebe 14 betrieben, d.h. insbesondere auch bei höheren Temperaturen. In 5B ist erkennbar, dass die absoluten Werte der Zugspannungen sich nur sehr gering verändern, so dass die positive Wirkung des vorgespannten Rings 2 auch im Betrieb erkennbar ist.
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Grundsätzlich führt das Aufbringen der Fasern (zweiter Lastfall) und Erwärmen auf den Betriebszustand (dritter Lastfall) zu Druckspannungen im unbelasteten Zustand.
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Wird nun der belastete Zustand unter Berücksichtigung der Zahnkräfte betrachtet, muss zwischen dem Druckspannungsgebiet (4B) und dem Zugspannungsgebiet (5B) unterschieden werden.
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5B zeigt Zugspannungen am Zahnfuß. Im ersten Lastfall fehlt das Faserband des Rings 2 und daher herrschen hohe Zugspannungen. Durch Aufbringen des Faserbandes (zweiten Lastfall) des Rings 2 werden Druckspannungen eingeleitet und die Steifigkeit des Ringes 2 erhöht. Durch Erwärmen auf Betriebsbedingungen (dritten Lastfall) dehnt sich der Metallring stärker als der Ring 2 und es werden den Zugspannungen zusätzliche Druckspannungen überlagert. Dadurch verringern sich die Zugspannungen im Zahnfuß.
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Die 4B zeigt die Druckspannungen am Zahnfuß. Im ersten Lastfall fehlt das Faserband des Rings 2 und daher herrschen hohe Druckspannungen. Durch Aufbringen des Rings 2 (zweiter Lastfall) erhöht sich die Steifigkeit des Ringes 2 und führt zum Absenken der Druckspannungen. Durch das Erwärmen auf Betriebsbedingungen („Normal condition“) werden nun allerdings Druckspannungen erzeugt, welche zu einer leichten Vergrößerung der Druckspannungen führen.
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In 6A und 6B sind analog zur den 4B und 5B die Spannungs-Ergebnisse am Zahnfuß einer Hohlradvorrichtung 1 dargestellt. Die Hohlradvorrichtung 1 weist hier einen Ring 2 aus Fasermaterial auf, der eine Dicke Dr von 10 mm hat. Das Verhältnis der radialen Dicken DR /DH beträgt hier 0,25.
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In 6A sind die Druckspannungen, in 6B die Zugspannungen für die drei oben genannten Lastfälle aufgezeichnet. Es ist erkennbar, dass die Ausführungsform mit einem Ring 2 mit größerer radialer Dicke DR eine höhere Reduktion der Spannungen bewirkt.
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Dies zeigt, dass die Spannungen am Zahnfuß durch die Vorspannung des Rings 2 um die Hohlradvorrichtung 1 reduziert werden kann.
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Die bisher beschriebenen Ausführungsformen der Hohlradvorrichtung 1 weisen jeweils einen vorgespannten Ring 2 aus Fasermaterial auf. Grundsätzlich ist es auch möglich, mehr als einen Ring 2 zu verwenden. Auch kann das Fasermaterial so angeordnet oder verflochten sein, dass sich eine gewisse Breite des Rings 2 ausbildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hohlradvorrichtung
- 2
- Ring
- 3
- Planetenräder
- 4
- Carrier (Planetenträger, Steg)
- 5
- Sonnenrad (Zentralrad)
- 6
- Gehäuse Planetenradgetriebe
- 7
- Wellen für Planetenräder
- 8
- Gleitlager für Planetenräder
- 10
- Flugzeugtriebwerk (Getriebefan)
- 11
- Drehachse
- 12
- Lufteinlauf
- 13
- Fan
- 14
- Planetengetriebe
- 15
- Mitteldruckverdichter
- 16
- Hochdruckverdichter
- 17
- Brennkammervorrichtung
- 18
- Hochdruckturbine
- 19
- Niederdruckturbine
- 20
- Düse
- 21
- Gehäuse
- 22
- Nebenstromkanal
- DH
- radiale Dicke der Hohlradvorrichtung
- DR
- radiale Dicke des Rings
- σ
- Vorspannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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