DE102018108940A1 - Turbofantriebwerk für ein Luftfahrzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Turbofantriebwerk, das aufweist: ein Kerntriebwerk (20, 30, 40, 50, 60, 70), einen Fan (10), der stromaufwärts des Kerntriebwerks (20, 30, 40, 50, 60, 70) positioniert ist, einen Primärstromkanal (5), der durch das Kerntriebwerk (20, 30, 40, 50, 60, 70) führt, einen Sekundärstromkanal (4), der an dem Kerntriebwerk (20, 30, 40, 50, 60, 70) vorbei führt, und ein in Strömungsrichtung hinter dem Fan (10) und dabei am Eingang des Primärstromkanals (5) angeordnetes Leitrad. Es ist vorgesehen, dass das Leitrad als Tandem-Leitrad (7) ausgebildet ist, wobei das Tandem-Leitrad (7) Tandem-Leitschaufeln umfasst, die eine vordere Leitschaufel (71) und eine hintere Leitschaufel (72) aufweisen, die relativ zueinander fest angeordnet sind und die zwischen sich einen Spalt (75) ausbilden, und wobei die vorderen Leitschaufeln (71) eine vordere Schaufelreihe (710) und die hinteren Leitschaufel (72) eine hintere Schaufelreihe (720) bilden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Turbofantriebwerk für ein Luftfahrzeug.
• Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrads eines Gasturbinentriebwerks ist es anzustreben, dass das Gesamtdruckverhältnis des Verdichters möglichst groß ist, so dass ein hoher Druckaufbau vor der Brennkammer und den Turbinenstufen erfolgen kann. Das Gesamtdruckverhältnis des Verdichters ergibt sich dabei durch die Multiplikation der Druckverhältnisse sämtlicher Verdichterstufen.
• Dabei spielt das durch den Fan erzielte nabennahe Druckverhältnis, nachfolgend als Fan-Druckverhältnis bezeichnet, eine wichtige Rolle, da dieses die Auslegung der nachfolgenden Verdichterstufen im Kerntriebwerk bestimmt. Das Fan-Druckverhältnis nimmt mit der Drehzahl des Fans zu. Auch ist das Fan-Druckverhältnis von der Form der Fanschaufeln abhängig, wobei es umso größer ist, desto stärker die Strömung durch die Fanschaufeln umgelenkt wird. Es nimmt also bei einer Erhöhung der aerodynamischen Lasten, die auf die Fanstufe wirken, zu.
• Jedoch lässt sich durch eine Erhöhung der Fandrehzahl oder der aerodynamischen Lasten das Gesamtdruckverhältnis nicht problemlos steigern. Denn es verhält sich so, dass das stromabwärts des Fans am Eingang des Primärstromkanals angeordnete Leitrad ins Kerntriebwerk (auch als ESS - „Engine Section Stator“ bezeichnet) ab bestimmten Machzahlen des Gasstroms blockiert. So kommt es zwischen den Schaufeln des Leitrads bei hohen Anströmgeschwindigkeiten zum Sperren (d. h. die lokale Strömungsgeschwindigkeit erreicht die Schallgeschwindigkeit) bzw. zum Blockieren des Strömungskanals. Die Grenze, ab der der Strömungskanal blockiert, wird dabei durch das Teilungsverhältnis t/s von Gitterteilung zu Profilsehnenlänge der Leitradbeschaufelung festgelegt. Das Teilungsverhältnis definiert die Schluckfähigkeit des Leitrads.
• Eine Vergrößerung des Teilungsverhältnisses durch Vergrößerung der Teilung bzw. des Abstands in Umfangsrichtung zwischen den einzelnen Schaufeln der Leitradbeschaufelung ist jedoch nicht ohne weiteres möglich, da das Leitrad ins Kerntriebwerk die vom Fan kommende Strömung für die nachfolgenden Verdichterstufen umlenken und gerade richten muss.
• Ein verbessertes Fan-Druckverhältnis führt zu höheren Machzahlen des Gasstroms vor dem Leitrad ins Kerntriebwerk. Jedoch ist die Schluckfähigkeit des nachfolgenden Leitrads begrenzt. Damit ist einer Verbesserung des Fan-Druckverhältnisses eine Grenze durch das Leitrad ins Kerntriebwerk gesetzt.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Turbofantriebwerk mit einem Leitrad ins Kerntriebwerk bereitzustellen, mit dem sich ein hohes Fan-Druckverhältnis und damit ein hohes Gesamtdruckverhältnis realisieren lässt.
• Diese Aufgabe wird durch ein Turbofantriebwerk mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Danach betrachtet die Erfindung ein Turbofantriebwerk, das aufweist: ein Kerntriebwerk, einen Fan, der stromaufwärts des Kerntriebwerks positioniert ist, einen Primärstromkanal, der durch das Kerntriebwerk führt, einen Sekundärstromkanal, der an dem Kerntriebwerk vorbei führt, und ein in Strömungsrichtung hinter dem Fan und dabei am Eingang des Primärstromkanals angeordnetes Leitrad. Es ist vorgesehen, dass das Leitrad als Tandem-Leitrad ausgebildet ist, wobei das Tandem-Leitrad Tandem-Leitschaufeln umfasst, die eine vordere Leitschaufel und eine hintere Leitschaufel aufweisen, die relativ zueinander fest angeordnet sind und die zwischen sich einen Spalt ausbilden. Dabei bilden die vorderen Leitschaufeln eine vordere Schaufelreihe und die hinteren Leitschaufel eine hintere Schaufelreihe.
• Die vorliegende Erfindung beruht somit auf dem Gedanken, das Leitrad ins Kerntriebwerk als Tandem-Leitrad auszubilden. Durch die Verwendung eines Tandem-Leitrads ist es möglich, bei gleicher Umlenkleistung das Teilungsverhältnis t/s von Teilung zu Profilsehnenlänge der Leitradbeschaufelung zu erhöhen. Hierdurch wird erreicht, dass das Tandem-Leitrad höhere Anströmgeschwindigkeiten akzeptiert, ohne dass dabei die Umlenkleistung des Leitrads reduziert wird. Es wird somit ein Tandem-Leitrad als Leitrad in das Kerntriebwerk bereitgestellt, das es ermöglicht, das Fan-Druckverhältnis und damit das Gesamtdruckverhältnis des Turbofantriebwerks zu verbessern. Damit einher geht die Möglichkeit, die Größe des Hochdruckverdichter-Moduls zu verringern und damit auch Gewichtsersparnisse vorzunehmen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass aufgrund des verbesserten Gesamtdruckverhältnisses eine geringere Temperatur am Ende des Hochdruckverdichters vorliegt.
• Die die Tandem-Leitschaufeln des Tandem-Leitrads bilden ein Verdichtergitter, bei dem die vorderen Leitschaufeln eine erste Profilsehnenlänge s_T1 aufweisen und die hinteren Leitschaufeln eine zweite Profilsehnenlänge s_T2 aufweisen. Die Profilsehnenlänge des Tandem-Leitrads ist definiert als die Summer dieser beiden Profilsehnenlängen. Weiter weist das Verdichtergitter eine Haupt-Gitterteilung t_T aufweist, die den Abstand der vorderen Leitschaufeln in Umfangsrichtung in der Gittereintrittsebene angibt. Dieser Abstand ist identisch mit dem Abstand der hinteren Leitschaufeln in Umfangsrichtung in der Gitteraustrittsebene. Die Teilung am Gittereintritt (Gittereintrittsebene) und am Gitteraustritt (Gitteraustrittsebene) ist gleich groß.
• Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass im Meridianschnittgitter das Verhältnis von Haupt-Gitterteilung t_T zur Summe von erster Profilsehnenlänge s_T1 und zweiter Profilsehnenlänge s_T1 zwischen 0,4 und 0,6 liegt, d.h.: 0,4 ≤ t_T/ (s_T1 + s_T2) ≤ 0,6.
• Dabei werden die Verhältnisse im Meridianschnittgitter betrachtet. Dies hängt damit zusammen, da im Falle eines radial weit außen durchgeführten koaxialen Zylinderschnitts die Teilung größer ausfällt als bei einem entsprechenden Schnitt nahe an der Nabe. Die Gitterteilung nimmt also für verschiedene Zylinderschnitte von der Nabe bis zur Schaufelspitze zu. Die genannten Verhältnisse sind somit für einen bestimmten Zylinderschnitt festzulegen. Dabei wird der Meridianschnitt betrachtet, der entlang der geometrische Mitte des Ringkanals erfolgt.
• Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die erste Profilsehnenlänge s_T1 gleich der zweiten Profilsehnenlänge s_T2 ist. Dies gilt für alle Zylinderschnitte, insbesondere den Meridianschnitt.
• Des Weiteren verhält es sich so, dass das Verdichtergitter eine Zwischen-Gitterteilung t_Tg aufweist, die den Abstand in Umfangsrichtung zwischen der Hinterkante der vorderen Schaufeln einer Tandemschaufel und der Vorderkante der hinteren Schaufel einer benachbarten Tandemschaufel angibt. Die Zwischen-Gitterteilung t_Tg gibt gewissermaßen die Gitterteilung in der axialen Mitte des Tandem-Leitrads an.
• Dabei sieht eine Ausgestaltung vor, dass im Meridianschnittgitter das Verhältnis von Zwischen-Gitterteilung t_Tg zur ersten Profilsehnenlänge s_T1 zwischen 0,2 und 0,3 liegt, d.h.: 0,2 ≤ t_Tg / s_T1 ≤ 0,3.
• Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass im Meridianschnittgitter das Verhältnis von Zwischen-Gitterteilung t_Tg zur Haupt-Gitterteilung t_T zwischen 0,85 und 0,95 liegt, d.h. 0,85 ≤ t_Tg / t_T ≤ 0,95.
• Das eingesetzte Tandem-Leitrad kann eine Vielzahl von Ausgestaltungen aufweisen. Besondere kann gemäß einer Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass die vorderen Leitschaufeln und die hinteren Leitschaufeln einander in axialer Richtung überlappen. Dies ist aber nicht notwendigerweise der Fall.
• Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass im Meridianschnittgitter die Vorderkante der hinteren Leitschaufeln und die Hinterkante der vorderen Leitschaufeln einen ersten axialen Abstand Δ_X1 aufweisen, die Vorderkante der vorderen Leitschaufeln und die Hinterkante der hinteren Leitschaufeln einen zweiten axialen Abstand Δ_X2 aufweisen, und für das Verhältnis des ersten axialen Abstands Δ_X1 zum zweiten axialen Abstand Δ_X2 gilt, dass dieser zwischen -0,1 und 0,1 liegt, also gilt: -0,1 ≤ Δ_X1 / Δ_X2 ≤ 0,1.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt ein bestimmtes Verhältnis zwischen den Querschnittsflächen im Primärstromkanal unmittelbar hinter dem Tandem-Leitrad und vor dem Hochdruckverdichter des Kerntriebwerks vor. Dabei wird als erste Querschnittsfläche A₁ die Querschnittsfläche im Primärstromkanal in der Gitteraustrittsebene des Tandem-Leitrads betrachtet. Als zweite Querschnittsfläche A2 wird die Querschnittsfläche im Primärstromkanal in der Gittereintrittsebene des Hochdruckverdichters betrachtet. Dieses ist die Gittereintrittsebene des ersten Laufrads der ersten Verdichterstufe des Hochdruckverdichters. Es ist vorgesehen, dass das Verhältnis von zweiter Querschnittsfläche A2 zu erster Querschnittsfläche A₁ zwischen 0,95 und 1,15 liegt: 0,95 ≤ A₂/A₁ ≤ 1,15.
• Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Turbofantriebwerk derart ausgelegt ist, dass das Tandem-Leitrad in zumindest einem Betriebszustand mit einer Geschwindigkeit mit einer Machzahl zwischen 0,9 und 1,0 angeströmt wird. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn das Flugtriebwerk sich im Startschub (MTO = Maximum Takeoff Thrust), im Steigflugschub (MCL = Maximum Climb Thrust) und/oder im Reiseflugschub (MCR = Maximum Cruise Thrust) befindet.
• Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung bezogen auf ein zylindrisches Koordinatensystem beschrieben ist, das die Koordinaten x, r und φ aufweist. Dabei gibt x die axiale Richtung, r die radiale Richtung und φ den Winkel in Umfangsrichtung an. Die axiale Richtung ist dabei identisch mit der Maschinenachse des Turbofantriebwerks, in dem die Erfindung realisiert ist.
• Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung eines Turbofantriebwerks, in dem die vorliegende Erfindung realisiert ist;
• 2 schematisch den Eingangsbereich des Primärstromkanals eines Triebwerks gemäß der 1, bei dem das Leitrad ins Kerntriebwerk als Tandem-Leitrad ausgebildet ist;
• 3 schematisch einer erste Ausführungsvariante eines Tandem-Leitrads gemäß der 2 in der Darstellung als ebenes Schaufelgitter; und
• 4 schematisch einer zweite Ausführungsvariante eines Tandem-Leitrads gemäß der 2 in der Darstellung als ebenes Schaufelgitter.
• Die 1 zeigt schematisch ein Turbofantriebwerk 100, das eine Fanstufe mit einem Fan 10 als Niederdruckverdichter, einen Mitteldruckverdichter 20, einen Hochdruckverdichter 30, eine Brennkammer 40, eine Hochdruckturbine 50, eine Mitteldruckturbine 60 und eine Niederdruckturbine 70 aufweist.
• Der Mitteldruckverdichter 20 und der Hochdruckverdichter 30 weisen jeweils eine Mehrzahl von Verdichterstufen auf, die jeweils einen Rotor und einen Stator umfassen. Das Turbofantriebwerk 100 der 1 weist des Weiteren drei separate Wellen auf, eine Niederdruckwelle 81, die die Niederdruckturbine 70 mit dem Fan 10 verbindet, eine Mitteldruckwelle 82, die die Mitteldruckturbine 60 mit dem Mitteldruckverdichter 20 verbindet und eine Hochdruckwelle 83, die die Hochdruckturbine 50 mit dem Hochdruckverdichter 30 verbindet. Dies ist jedoch lediglich beispielhaft zu verstehen. Wenn das Turbofantriebwerk beispielsweise keinen Mitteldruckverdichter und keine Mitteldruckturbine besitzt, wären nur eine Niederdruckwelle und eine Hochdruckwelle vorhanden.
• Das Turbofantriebwerk kann alternativ als Getriebefan ausgebildet sein, wobei der Fan über ein Untersetzungsgetriebe, typischerweise ein Planetengetriebe mit der Turbinenwelle gekoppelt ist.
• Das Turbofantriebwerk 100 weist eine Triebwerksgondel 1 auf (auch als Triebwerksverkleidung bezeichnet), die eine Einlauflippe 14 umfasst und innenseitig einen Triebwerkseinlauf 11 ausbildet, der einströmende Luft dem Fan 10 zuführt. Der Fan 10 weist eine Mehrzahl von Fanschaufeln 101 auf, die mit einer Fanscheibe 102 verbunden sind. Der Annulus der Fanscheibe 102 bildet dabei die radial innere Begrenzung des Strömungspfads durch den Fan 10. Radial außen wird der Strömungspfad durch ein Fangehäuse 2 begrenzt. Stromaufwärts der Fanscheibe 102 ist ein Nasenkonus 103 angeordnet.
• Hinter dem Fan 10 bildet das Turbofantriebwerk 100 einen Sekundärstromkanal 4 und einen Primärstromkanal 5 aus. Dabei wird der vom Triebwerk insgesamt angesaugte Luftmassenstrom hinter dem Fan 10 - aber noch vor dessen Leitapparat - durch einen so genannten Splitter 61 in den Sekundärstromkanal 4 und den Primärstromkanal 5 aufgesplittet. Dabei befindet sich ein Leitrad 15 ins Kerntriebwerk am Eingang des Primärstromkanals 5. Ein weiteres Leitrad 25 befindet sich am Eingang des Sekundärstromkanals 4.
• Der Primärstromkanal 5 führt durch das Kerntriebwerk (Gasturbine), das den Mitteldruckverdichter 20, den Hochdruckverdichter 30, die Brennkammer 40, die Hochdruckturbine 50, die Mitteldruckturbine 60 und die Niederdruckturbine 70 umfasst. Dabei sind der Mitteldruckverdichter 20 und der Hochdruckverdichter 30 von einem Umfangsgehäuse 6 umgeben, dass innenseitig eine Ringraumfläche bildet, die den Primärstromkanal 5 radial außen begrenzt. Radial innen ist der Primärstromkanal 5 durch entsprechende Kranzoberflächen der Rotoren und Statoren der jeweiligen Verdichterstufen bzw. durch die Nabe oder mit der Nabe verbundene Elemente der entsprechenden Antriebswelle begrenzt.
• Im Betrieb des Turbofantriebwerks 100 durchströmt ein Primärstrom den Primärstromkanal 5, der auch als Hauptströmungskanal bezeichnet wird. Der Sekundärstromkanal 4, auch als Nebenstromkanal, Mantelstromkanal oder Bypass-Kanal bezeichnet, leitet im Betrieb des Turbofantriebwerks 100 vom Fan 10 angesaugte Luft am Kerntriebwerk vorbei.
• Die beschriebenen Komponenten besitzen eine gemeinsame Rotations- bzw. Maschinenachse 90. Die Rotationsachse 90 definiert eine axiale Richtung des Turbofantriebwerks. Eine radiale Richtung des Turbofantriebwerks verläuft senkrecht zur axialen Richtung.
• Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist die Ausgestaltung des Leitrads 15 ins Kerntriebwerk am Anfang des Primärstromkanals 5 von Bedeutung.
• Die 2 zeigt einen Abschnitt des Turbofantriebwerks hinter den Fanschaufeln 101, wobei ein Tandem-Leitrad 7 am Eingang des Primärstromkanals 5 angeordnet ist. Das Tandemleitrad 7 weist vordere Schaufeln 71, die eine vordere Schaufelreihe bilden, und hintere Schaufeln 72, die eine hintere Schaufelreihe bilden, auf. Die Schaufeln 71 der vorderen Schaufelreihe besitzen jeweils eine Vorderkante 711 und eine Hinterkante 712. Die Schaufeln 72 der hinteren Schaufelreihe besitzen jeweils eine Vorderkante 721 und eine Hinterkante 722. Zwischen den Schaufeln 71, 72 existiert ein Spalt 75.
• Die Schaufeln 71, 72 sind fest zueinander angeordnet. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Schaufeln 71, 72 in axialer Richtung beabstandet sind, wie in der 2 dargestellt, oder sich alternativ in axialer Richtung überlappen. Die Schaufeln 71, 72 sind radial außen beispielsweise mit einem gemeinsamen Deckband 77 und radial innen mit einem gemeinsamen Deckband 76 verbunden. Alternativ können die beiden Schaufeln 71, 72 mit getrennten inneren und äußeren Deckbändern verbunden sein, die miteinander verbunden sind.
• Die 2 zeigt des Weiteren ein im Sekundärstromkanal 4 angeordnetes Leitrad 25.
• Dir 3 zeigt in der Darstellung als ebenes Schaufelgitter ein erstes Ausführungsbeispiel eines Tandem-Leitrads 7 gemäß der 2, wobei zwei Tandemschaufeln 700 des Schaufelgitters dargestellt sind. Die dargestellten Schnitte durch die Gitterschaufeln sind Meridianschnitte.
• Jede Tandemschaufeln 700 umfasst eine vordere Schaufel 71 und eine hintere Schaufeln 72. Die vordere Schaufel weist eine Vorderkante 711 und eine Hinterkante 712 auf. Die hintere Schaufel weist eine Vorderkante 721 und eine Hinterkante 722 auf. Die vorderen Schaufeln 71 bilden eine vordere Schaufelreihe 710 und die hinteren Schaufeln 72 bilden eine hintere Schaufelreihe 720. Zwischen der Hinterkante 712 der vorderen Schaufel 712 und der Vorderkante 721 der hinteren Schaufel 72 ist ein Spalt 75 ausgebildet.
• Die vordere Schaufel 71 weist eine erste Profilsehnenlänge s_T1 auf. Die hintere Schaufel 72 weist eine zweite Profilsehnenlänge s_T2 auf. Weiter umfasst das Gitter eine Haupt-Gitterteilung t_T , die den Abstand der vorderen Leitschaufeln 71 in Umfangsrichtung in der Gittereintrittsebene und den Abstand der hinteren Leitschaufeln 72 in Umfangsrichtung in der Gitteraustrittsebene angibt. Die Gitterteilung t_T in der Gittereintrittsebene und in der Gitteraustrittsebene ist identisch.
• Das Gitter umfasst des Weiteren eine Zwischen-Gitterteilung t_Tg . Diese ist definiert durch den Abstand in Umfangsrichtung zwischen der Hinterkante 712 der vorderen Schaufel 71 der einen Tandemschaufel 700 und der Vorderkante 721 der hinteren Schaufel 72 der dazu benachbarten Tandemschaufel 700.
• Die genannten Parameter stehen wie folgt miteinander in Beziehung.
• Das Verhältnis von Haupt-Gitterteilung t_T zur Summe von erster Profilsehnenlänge s_T1 und zweiter Profilsehnenlänge s_T1 liegt zwischen 0,4 und 0,6. Es gilt: $$\mathrm{0,4}\le {\text{t}}_{\text{T}}\text{/}\left({\text{s}}_{\text{T1}}+{\text{s}}_{\text{T2}}\right)\le \mathrm{0,6.}$$

  
• Die erste Profilsehnenlänge s_T1 ist gleich der zweiten Profilsehnenlänge sT2.
• Das Verhältnis von Zwischen-Gitterteilung t_Tg zur ersten Profilsehnenlänge s_T1 liegt zwischen 0,2 und 0,3. Es gilt: $$\mathrm{0,2}\le {\text{t}}_{\text{Tg}}{\text{/s}}_{\text{T1}}\le \mathrm{0,3.}$$

  
• Das Verhältnis von Zwischen-Gitterteilung t_Tg zur Haupt-Gitterteilung t_T liegt zwischen 0,85 und 0,95. Es gilt: $$\mathrm{0,85}\le {\text{t}}_{\text{Tg}}{\text{/t}}_{\text{T}}\le \mathrm{0,95.}$$

  
• Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 ist vorgesehen, dass die vorderen Leitschaufeln 71 und die hinteren Leitschaufeln 72 sich in axialer Richtung nicht überlappen, sondern die Hinterkante 712 der vorderen Schaufeln 71 und die Vorderkante 721 der hinteren Schaufeln im Wesentlichen die gleiche axiale Position besitzen.
• Die 4 zeigt in der Darstellung als ebenes Schaufelgitter ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Tandem-Leitrads 7 gemäß der 2, wobei ebenfalls zwei Tandemschaufeln 700 des Schaufelgitters dargestellt sind. Die dargestellten Schnitte durch die Gitterschaufeln sind Meridianschnitte.
• Wie in Bezug auf die 3 erläutert, weist jede Tandemschaufel 700 eine vordere Schaufel 71 und eine hintere Schaufeln 72 auf, wobei die vordere Schaufel 71 eine Vorderkante 711 und eine Hinterkante 712 und die hintere Schaufel 72 eine Vorderkante 721 und eine Hinterkante 722 aufweisen. Die erste Profilsehnenlänge s_T1 , die zweite Profilsehnenlänge sT2, die Haupt-Gitterteilung t_T und die Zwischen-Gitterteilung t_Tg sind ebenso wie in der 3 definiert. Die in Bezug auf die 3 erläuterten Beziehungen zwischen diesen Parametern bestehen auch bei der Ausgestaltung der 4.
• In der 4 sind auch die Gittereintrittsebene 78 und die Gitteraustrittsebene 79 des Schaufelgitters dargestellt.
• Abweichend von der 3 ist beim Ausführungsbeispiel der 4 vorgesehen, dass die vorderen Leitschaufeln 71 und die hinteren Leitschaufeln 72 einander in axialer Richtung überlappen.
• Aufgrund der axialen Überlappung weisen die Vorderkante 721 der hinteren Leitschaufel 72 und die Hinterkante 712 der vorderen Leitschaufel 71 einen ersten axialen Abstand Δ_X1 auf. Die Vorderkante 711 der vorderen Leitschaufeln 71 und die Hinterkante 722 der hinteren Leitschaufeln 72 weisen einen zweiten axialen Abstand Δ_X2 auf. Es gilt für das Verhältnis des ersten axialen Abstands Δ_X1 zum zweiten axialen Abstand Δ_X2: $$-\mathrm{0,1}\le {\Delta }_{\text{X1}}\text{/}{\Delta }_{\text{X2}}\le \mathrm{0,1.}$$

  
• Ein weiteres vorteilhaftes Parameterverhältnis, dass aufgrund des Einsatzes eines Tandem-Leitrads 7 am Eingang des Primärstromkanals 5 ermöglicht ist, bezieht sich auf das Verhältnis der Querschnittsfläche am Ausgang des Tandem-Leitrads 7 zur Querschnittsfläche am Eingang des Hochdruckverdichters des Kerntriebwerks.
• Insofern wird erneut Bezug genommen auf die 1 und 2. Der Primärstromkanal 5 bildet in der Gitteraustrittsebene des Tandem-Leitrads 7 eine erste Querschnittsfläche A₁ . Dies ist in den 1 und 2 schematisch dargestellt, wobei anzumerken ist, dass anders als in der Darstellung der 1 das Leitrad am Anfang des Primärstromkanals 5 wie erläutert als Tandem-Leitrad 7 ausgebildet ist.
• Der Gasstrom durch den Primärstromkanal 5 durchströmt stromabwärts des Tandem-Leitrads gemäß der 1 den Mitteldruckverdichter 20 und den Hochdruckverdichter 30. Am Eingang des Hochdruckverdichters 30, d. h. in der Gittereintrittsebene des ersten Laufrads der ersten Verdichterstufe des Hochdruckverdichters 30 weist der Primärstromkanal 5 eine zweite Querschnittsfläche A2 auf. Es gilt, dass das Verhältnis von zweiter Querschnittsfläche A₂ zu erster Querschnittsfläche A₁ zwischen 0,95 und 1,15 liegt. Somit gilt: $$\mathrm{0,95}\le {\text{A}}_{\text{2}}{\text{/A}}_{\text{1}}\le \mathrm{1,15.}$$

  
• Durch die Ausbildung des Leitrads in den Primärstromkanal 5 als Tandem-Leitrad 7 kann ein verbesserter Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks erreicht werden, da das Tandem-Leitrad 7 mit einer höheren Geschwindigkeit mit Machzahlen im Bereich zwischen 0,9 und 1,0 angeströmt werden kann. Dies erlaubt es, ein verbessertes Fan-Druckverhältnis und damit ein verbessertes Gesamtdruckverhältnis bereitzustellen.
• Durch die Ausbildung des Leitrads als Tandem-Leitrad 7 können darüber hinaus in der erläuterten Weise vorteilhafte Beziehungen der charakteristischen Parameter des Schaufelgitters erreicht werden. Es kann eine geringere Temperatur am Ende des Hochdruckverdichters und aufgrund des verbesserten Gesamtdruckverhältnis eine verringerte Größe des Hochdruckverdichters-Moduls erreicht werden. Damit sind auch Gewichtseinsparungen möglich.
• Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Des Weiteren können beliebige der Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, aus und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.

Claims (11)

1. Turbofantriebwerk, das aufweist: - ein Kerntriebwerk (20, 30, 40, 50, 60, 70), - einen Fan (10), der stromaufwärts des Kerntriebwerks (20, 30, 40, 50, 60, 70) positioniert ist, - einen Primärstromkanal (5), der durch das Kerntriebwerk (20, 30, 40, 50, 60, 70) führt, - einen Sekundärstromkanal (4), der an dem Kerntriebwerk (20, 30, 40, 50, 60, 70) vorbei führt, und - ein in Strömungsrichtung hinter dem Fan (10) und dabei am Eingang des Primärstromkanals (5) angeordnetes Leitrad, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitrad als Tandem-Leitrad (7) ausgebildet ist, wobei das Tandem-Leitrad (7) Tandem-Leitschaufeln (700) umfasst, die eine vordere Leitschaufel (71) und eine hintere Leitschaufel (72) aufweisen, die relativ zueinander fest angeordnet sind und die zwischen sich einen Spalt (75) ausbilden, und wobei die vorderen Leitschaufeln (71) eine vordere Schaufelreihe (710) und die hinteren Leitschaufel (72) eine hintere Schaufelreihe (720) bilden.
2. Turbofantriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tandem-Leitschaufeln (700) des Tandem-Leitrads (7) ein Verdichtergitter bilden, bei dem - die vorderen Leitschaufeln (71) eine erste Profilsehnenlänge (s_T1) aufweisen, - die hinteren Leitschaufeln (72) eine zweite Profilsehnenlänge (s_T2) aufweisen, - das Verdichtergitter eine Haupt-Gitterteilung (t_T) aufweist, die den Abstand der vorderen Leitschaufeln (71) in Umfangsrichtung in der Gittereintrittsebene (78) und den Abstand der hinteren Leitschaufeln (72) in Umfangsrichtung in der Gitteraustrittsebene (79) angibt.
3. Turbofantriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Meridianschnittgitter das Verhältnis von Haupt-Gitterteilung (t_T) zur Summe von erster Profilsehnenlänge (s_T1) und zweiter Profilsehnenlänge (s_T1) zwischen 0,4 und 0,6 liegt: 0,4 ≤ t_T / (s_T1 + s_T2) ≤ 0,6.
4. Turbofantriebwerk nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Profilsehnenlänge (s_T1) gleich der zweiten Profilsehnenlänge (ST2) ist.
5. Turbofantriebwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtergitter eine Zwischen-Gitterteilung (t_Tg) aufweist, die den Abstand in Umfangsrichtung zwischen der Hinterkante (712) der vorderen Schaufel (71) einer Tandemschaufel (700) und der Vorderkante (721) der hinteren Schaufel (72) einer benachbarten Tandemschaufel (700) angibt.
6. Turbofantriebwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Meridianschnittgitter das Verhältnis von Zwischen-Gitterteilung (t_Tg) zur ersten Profilsehnenlänge (s_T1) zwischen 0,2 und 0,3 liegt: 0,2 ≤ t_Tg/ s_T1 ≤ 0,3.
7. Turbofantriebwerk nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Meridianschnittgitter das Verhältnis von Zwischen-Gitterteilung (t_Tg) zur Haupt-Gitterteilung (t_T) zwischen 0,85 und 0,95 liegt: 0,85 ≤ t_Tg / t_T ≤ 0,95.
8. Turbofantriebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderen Leitschaufeln (71) und die hinteren Leitschaufeln (72) in axialer Richtung überlappen.
9. Turbofantriebwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Meridianschnittgitter die Vorderkante (721) der hinteren Leitschaufeln (72) und die Hinterkante (712) der vorderen Leitschaufeln (71) einen ersten axialen Abstand (Δ_X1) aufweisen, die Vorderkante (711) der vorderen Leitschaufeln (71) und die Hinterkante (722) der hinteren Leitschaufeln (72) einen zweiten axialen Abstand (Δ_X2) aufweisen, und für das Verhältnis des ersten axialen Abstands (Δ_X1) zum zweiten axialen Abstand (Δ_X2) gilt, dass dieser zwischen -0,1 und 0,1 liegt: -0,1 ≤ Δ_X1 / Δ_X2 ≤ 0,1.
10. Turbofantriebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das Kerntriebwerk einen Hochdruckverdichter (30) umfasst, - der Primärstromkanal (5) in der Gitteraustrittsebene des Tandem-Leitrads (7) eine erste Querschnittsfläche (A₁) aufweist, - der Primärstromkanal (5) in der Gittereintrittsebene des Hochdruckverdichters (30) eine zweite Querschnittsfläche (A2) aufweist, und - das Verhältnis (A₂/A₁) von zweiter Querschnittsfläche (A₂) zu erster Querschnittsfläche (A₁) zwischen 0,95 und 1,15 liegt.
11. Turbofantriebwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbofantriebwerk derart ausgelegt ist, dass das Tandem-Leitrad (7) in zumindest einem Betriebszustand mit einer Geschwindigkeit mit einer Machzahl zwischen 0,9 und 1,0 angeströmt wird.

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