DE102018116391A1

DE102018116391A1 - Rotor einer Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102018116391A1
Application number: DE102018116391.6A
Authority: DE
Inventors: Ingolf BEHR
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2018-07-06
Filing date: 2018-07-06
Publication date: 2020-01-09
Also published as: US20200011183A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor einer Strömungsmaschine, der eine Rotornabe (5) und eine Mehrzahl von Rotorschaufeln (230) aufweist. Es ist eine Unwuchtkorrektureinrichtung (6) vorgesehen, die sich radial innen der Nabenunterseite (52) erstreckt. Die Unwuchtkorrektureinrichtung (6) weist auf: eine axial vordere Wand (61) und axial hintere Wand (62), die zusammen mit der Nabenunterseite (52) ein Volumen (60) der Unwuchtkorrektureinrichtung (6) definieren; ein Massestück (8), das im Normalbetrieb des Rotors (23) auf der Rotationsachse (9) angeordnet ist; und ein Füllmaterial (7), das das Volumen (60) zumindest teilweise ausfüllt und das Massestück (8) in radialer Richtung umgibt. Weiter sind radiale Bohrungen (90, 90') vorgesehen, die sich in radialer Richtung von der Nabenunterseite (52) durch die Rotornabe (5) zu einer jeweils zugeordneten Rotorschaufel (230) erstrecken. Die radialen Bohrungen (90, 90') und das Füllmaterial (7) sind derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt sind, dass bei Verlust einer Rotorschaufel (230) Füllmaterial (7) aus der dadurch frei gewordenen, der Verlust gegangenen Rotorschaufel zugeordneten radialen Bohrung (90') austritt, wobei das Massestück (8) sich von seiner Position auf der Rotationsachse (9) in Richtung der Verlust gegangenen Rotorschaufel (230) bewegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor einer Strömungsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Der Verlust einer Fanschaufel eines Triebwerks beispielsweise durch Vogelschlag oder Materialermüdung führt zu extremen Lasten in Form einer hohen Unwucht im Triebwerk, die zu großen Vibrationen im Triebwerk führen und die gesamte Auslegung der Strukturbauteile des Triebwerks bestimmen. Es ist daher anzustreben, die im Fall des Verlustes einer Fanschaufel auftretenden Lasten zu minimieren.
In entsprechender Weise gilt auch für andere Rotoren, dass es anzustreben ist, die im Fall des Verlustes einer Rotorschaufel bzw. die bei einem Schaufelbruch auftretenden Unwuchten und damit einhergehende Lasten zu minimieren.
Aus der DE 102010032985 B4 ist eine Wuchtvorrichtung zur Verminderung einer Unwucht eines um eine Drehachse rotierenden Körpers bekannt, die eine Welle, ein drehfest mit der Welle verbundenes Gehäuse und eine Ausgleichsmasse in Form einer Flüssigkeitsmenge aufweist, wobei in dem Gehäuse mindestens drei Kammern zur Aufnahme der Flüssigkeitsmenge angeordnet sind und die Flüssigkeitsmenge während der Rotation einstellbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Rotor einer Strömungsmaschine bereitzustellen, bei dem die infolge des Verlustes einer Rotorschaufel auftretenden Unwuchten reduziert sind.
Diese Aufgabe wird durch einen Rotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach betrachtet die Erfindung einen Rotor einer Strömungsmaschine, der eine Rotornabe, die eine Nabenoberseite und eine Nabenunterseite aufweist, und eine Mehrzahl von Rotorschaufeln umfasst, die von der Nabenoberseite abstehen. Der Rotor weist eine Rotationsachse auf. Bei dem Rotor handelt es sich beispielsweise um einen Fan oder um einen Rotor einer Verdichterstufe oder einer Turbinenstufe.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Unwuchtkorrektureinrichtung vorgesehen, die sich radial innen der Nabenunterseite erstreckt und durch diese radial außen begrenzt wird. Die Unwuchtkorrektureinrichtung weist eine axial vordere Wand und eine axial hintere Wand auf, die zusammen mit der Nabenunterseite ein Volumen der Unwuchtkorrektureinrichtung definieren. Dieses Volumen ist typischerweise zylindrisch oder näherungsweise zylindrisch, wobei jedoch abhängig von der Formgebung der Nabenunterseite auch andere Volumenformen möglich sind.
Die Unwuchtkorrektureinrichtung umfasst des Weiteren ein Massestück, das im Normalbetrieb des Rotors auf der Rotationsachse angeordnet ist. Als Normalbetrieb wird dabei derjenige Betrieb bezeichnet, bei dem sämtliche Schaufeln des Rotors vorhanden sind. Als weitere Komponente umfasst die Unwuchtkorrektureinrichtung ein Füllmaterial, dass das Volumen zumindest teilweise ausfüllt und dabei das Massestück in radialer Richtung umgibt. Hierdurch wird bewirkt, dass das Massestück im Normalbetrieb auf der Rotationsachse des Rotors zentriert bleibt.
Der erfindungsgemäße Rotor umfasst radiale Bohrungen, die sich in radialer Richtung von der Nabenunterseite durch die Rotornabe zu einer jeweils zugeordneten Rotorschaufel erstrecken, wobei jede radiale Bohrung durch die zugehörige Rotorschaufel an ihrem radial äußeren Ende verschlossen ist. Die radialen Bohrungen können dabei ebenfalls mit dem Füllmaterial gefüllt sein.
Die radialen Bohrungen und das Füllmaterial sind derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt, dass bei Verlust einer Rotorschaufel Füllmaterial aus der dadurch frei gewordenen, der Verlust gegangenen Rotorschaufel zugeordneten radialen Bohrung austritt, wobei das Massestück sich von seiner Position auf der Rotationsachse in Richtung der Verlust gegangenen Rotorschaufel bewegt.
Die Erfindung beruht somit auf dem Gedanken, eine bei Verlust einer Rotorschaufel auftretende Unwucht dadurch zu reduzieren oder sogar auszugleichen, dass ein auf der Rotationsachse des Rotors angeordnetes Massestück aufgrund der Zentrifugalkraft nach außen unterhalb der fehlenden Rotorschaufel gedrückt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass nach Bruch einer Rotorschaufel die der Rotorschaufel zugeordnete radiale Bohrung sich öffnet, so dass durch die radiale Bohrung das Füllmaterial aus der Unwuchtkorrektureinrichtung austritt, mit der Folge, dass das Massestück dem aus der radialen Bohrung austretenden Füllmaterial in Richtung der verlustgegangenen Rotorschaufel bzw. in Richtung der zugeordneten radialen Bohrung folgt.
Wie erwähnt, weist die Unwuchtkorrektureinrichtung eine axial vordere Wand und eine axial hintere Wand auf, die zusammen mit der Nabenunterseite ein Volumen der Unwuchtkorrektureinrichtung definieren. Der Begriff „Volumen“ ist dabei dahingehend zu verstehen, dass ein bestimmter räumlicher Bereich, in dem die Unwuchtkorrektureinrichtung ausgebildet ist, gegeben ist. Dieses Volumen der Unwuchtkorrektureinrichtung ist mit Komponenten der Unwuchtkorrektureinrichtung gefüllt. Hierbei handelt es sich zum einen um das Massestück und zum anderen um das Füllmaterial, dass das Massestück in radialer Richtung umgibt. Als weitere Komponenten kann die Unwuchtkorrektureinrichtung, wie noch erläutert wird, strukturgebende Komponenten wie innere Wandelemente und sich radial erstreckende Strukturen aufweisen, die beispielsweise Laufbahnen für das Massestück und/oder Ventilklappen definieren. Das Füllmaterial befindet sich dabei in sämtlichen Hohlräumen der Unwuchtkorrektureinrichtung, wobei ein Hohlraum ein solcher Raum innerhalb des betrachteten Volumens ist, der ohne das Füllmaterial hohl wäre. Tatsächlich ist aufgrund des Füllmaterial das gesamte Volumen, in dem die Unwuchtkorrektureinrichtung ausgebildet ist, mit Material gefüllt.
Wie bereits angemerkt ist vorgesehen, dass das Füllmaterial das Massestück in radialer Richtung umgibt. Hierdurch wird bewirkt, dass das Massestück im Normalbetrieb auf der Rotationsachse des Rotors zentriert bleibt. Um eine solche Zentrierung im Normalbetrieb zu erreichen, können weitere Maßnahmen implementiert sein. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Massestück in der Ruheposition zusätzlich auf einer Achse gelagert ist, die eine Sollbruchstelle aufweist. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn das umgebende Füllmaterial nicht ausreicht, um eine ausreichende Lagerung des Massestücks zu gewährleisten. Bei Auftreten einer Unwucht bricht die Sollbruchstelle.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung bildet die Unwuchtkorrektureinrichtung eine Mehrzahl von Laufbahnen für das Massestück aus. Die Laufbahnen erstrecken sich ausgehend von der Rotationsachse bzw. dem Raum, den das Massestück einnimmt, radial nach außen bis zur Nabenunterseite. Sie grenzen dabei an mindestens eine radiale Bohrung an. Die Laufbahnen sind mit dem Füllmaterial gefüllt. Im Falle des Verlustes einer Rotorschaufel tritt das Füllmaterial aus der Laufbahn aus, die an die Bohrung der fehlenden Rotorscheibe angrenzt. Dementsprechend wird das Massestück durch die Zentrifugalkraft in diejenige Laufbahn gedrückt, aus der das Füllmaterial austritt.
Es wird jedoch zum einen darauf hingewiesen, dass die Ausbildung von vordefinierten Laufbahnen für das Massestück in der Unwuchtkorrektureinrichtung nicht zwingend ist. Auch ohne die Ausbildung einer Laufbahn wird das Massestück automatisch in die Richtung gedrückt, aus der das Füllmaterial aus der Unwuchtkorrektureinrichtung austritt. Durch die Bereitstellung definierter Laufbahnen kann dieser Effekt jedoch verstärkt werden, insbesondere wenn verhindert wird, dass das Füllmaterial anderer Laufbahnen in die aktuell betroffene Laufbahn eindringen kann.
Zum anderen wird darauf hingewiesen, dass die Anzahl der Laufbahnen nicht identisch sein muss mit der Anzahl der Rotorschaufeln bzw. der Anzahl der radialen Bohrungen in der Rotornabe. Vielmehr sehen Ausgestaltungen der Erfindung vor, dass die Anzahl der Laufbahnen geringer ist als die Anzahl der Rotorschaufeln. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass eine Laufbahn an beispielsweise 2-5 radialen Bohrungen endet bzw. mit einer solchen Anzahl radialer Bohrungen verbunden ist. Hierdurch wird zwar die Genauigkeit, mit der das Massestück exakt unter die verlustgegangene Rotorschaufel bewegt wird, reduziert. Jedoch kann das Massestück mit mehr Volumen und damit mit mehr Masse ausgebildet sein, da die Laufbahnen einen größeren Durchmesser aufweisen können.
Die Laufbahnen sind beispielsweise durch radial verlaufende, in Umfangsrichtung beabstandete Strukturen definiert. Dabei kann vorgesehen sein, dass die radial verlaufenden Strukturen sich von der Nabenunterseite in Richtung der Rotationsachse erstrecken. Auch kann vorgesehen sein, dass in Umfangsrichtung benachbart angeordnete radial verlaufenden Strukturen eine unterschiedliche radiale Erstreckung aufweisen.
Herstellungstechnisch können die Laufbahnen auf vielfältige Weise in die Unwuchtkorrektureinrichtung eingebracht sein. Gemäß einer ersten Ausführungsvariante werden die Strukturen, die die Laufbahnen definieren, zunächst mit der einen Wand und anschließend mit der anderen Wand der Unwuchtkorrektureinrichtung verbunden. Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante wird initial eine massive, mit einer definierten Dicke versehene Platte bereitgestellt. In dieser Platte werden dann in das Grundmaterial der Platte ein zentraler Bereich zur Aufnahme des Massestücks sowie die Laufbahnen eingefräst. Die Rückseite dieser Platte bildet die eine Wand der Unwuchtkorrektureinrichtung. Die andere Wand der Unwuchtkorrektureinrichtung wird auf die auf diese Weise bearbeitete Platte aufgesetzt.
Die Laufbahnen können auch als Kanäle oder Transportkanäle bezeichnet werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Unwuchtkorrektureinrichtung Ventilklappen aufweist, die das Volumen der Unwuchtkorrektureinrichtung in unterschiedliche Bereiche unterteilt, wobei die Ventilklappen jeweils derart ausgebildet sind, das sie verhindern, dass Füllmaterial eines Bereichs entgegen der radialen Richtung aus dem betrachteten Bereich heraustreten kann. Hierdurch wird verhindert, dass durch eine geöffnete radiale Bohrung austretendes Füllmaterial durch Füllmaterial anderer Bereiche ersetzt wird, was eine Bewegung des Massestück in Richtung der Verlust gegangenen Rotorschaufel reduzieren würde.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung werden Ventilklappen in Kombination mit Laufbahnen bereitgestellt, die in der Unwuchtkorrektureinrichtung ausgebildet sind. Dabei sind die Ventilklappen derart angeordnet, dass sie bei Verlust einer Rotorschaufel alle Laufbahnen verschließen bis auf die Laufbahn, die an die radiale Bohrung angrenzt, durch die nach Verlust der Rotorschaufel Füllmaterial austritt. Die Ventilklappe der Laufbahn, aus der Füllmaterial austritt, öffnet sich dagegen, da das Füllmaterial diese Ventilklappe in radialer Richtung passiert, für welchen Fall sich die Ventilklappe öffnet.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass jeder Laufbahn mindestens eine Ventilklappe zugeordnet ist.
Die Ventilklappen sind beispielsweise durch zwei Innenwände gebildet, die sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung erstrecken und dabei winklig zueinander angeordnet sind. Weiter kann vorgesehen sein, dass die Unwuchtkorrektureinrichtung mehrere, z.B. zwei konzentrische Anordnungen von Innenwänden mit Ventilklappen aufweist. Hierdurch wird in effektiver Weise erreicht, dass nicht Füllmaterial aus Bereichen in eine Laufbahn strömen kann, die nicht zu der betroffenen Laufbahn gehören.
Das Massestück kann grundsätzlich eine beliebige Form aufweisen. Ausgestaltungen sehen vor, dass das Massestück rotationssymmetrisch im Hinblick auf die Umfangsrichtung ausgebildet ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Massestück zylindrisch oder als Kugel ausgebildet ist. Die zylindrische Ausbildung weist dabei den Vorteil auf, dass ein möglichst großes Teilvolumen in der Unwuchtkorrektureinrichtung zur Anordnung des Massestück bereitgestellt wird.
Das Massestück besteht gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung aus einem Festkörper, zum Beispiel einem Metall, wobei Ausgestaltungen vorsehen, dass ein Schwermetall wie beispielsweise Wolfram verwendet wird. Naturgemäß kann es von Vorteil sein, dass ein Material mit großer Dichte für das Massestück verwendet wird, so dass eine mit dem Verlust einer Rotorschaufel einhergehende Unwucht möglichst effektiv ausgeglichen werden kann. Das Massestück besteht in anderen Ausgestaltungen nicht aus einem Festkörper, sondern aus einer Flüssigkeit, wobei diese in Ausgestaltungen mit einer verformbaren Schutzhülle umgeben sein kann, die verhindert, dass die Flüssigkeit sich in das Füllmaterial ausbreitet. Auch die Ausbildung des Massestücks aus anderen verformbaren Materialien ist möglich.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung besteht das Füllmaterial aus einem fließfähigen Pulver oder Schüttgut. Dieses kann dabei in der Unwuchtkorrektureinrichtung verpresst worden sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel hierzu ist das Füllmaterial durch Glasperlen gebildet, beispielsweise durch Glasperlen einer mittleren Körngröße im Bereich zwischen 0,01 mm und 0,1 mm, insbesondere im Bereich zwischen 0,04 mm und 0,06 mm.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist das Füllmaterial durch eine Flüssigkeit oder ein Gas gebildet. Eine solche Ausgestaltung ist mit dem Vorteil verbunden, dass das Füllmaterial schnell und effektiv aus einer radialen Bohrung nach Verlust einer Rotorschaufel austreten kann. Jedoch kann ein solches effektives Austreten auch im Falle eines Pulvers oder Schüttguts sichergestellt werden, wobei Parameter wie die Fließfähigkeit des Füllmaterials und der Durchmesser der radialen Bohrung entsprechend einzustellen sind.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die radialen Bohrungen, die sich in der Nabe von der Nabenunterseite zur Nabenoberseite erstrecken, nicht an der Nabenoberseite und damit im Fußbereich der Rotorschaufeln enden, sondern sich über eine definierte radiale Länge noch innerhalb der jeweiligen Rotorschaufeln erstrecken und beispielsweise erst bei 50 % der radialen Höhe der Rotorschaufeln enden. Diese Ausgestaltung ist mit dem Vorteil verbunden, dass auch für den Fall, dass eine Rotorschaufel nicht vollständig abreißt, sondern sich die Bruchstelle in radialer Entfernung zur Nabenoberseite befindet, die radiale Bohrung freigegeben wird und durch das Austreten von Füllmaterial eine der auftretenden Unwucht entgegenwirkende Verschiebung des Massestück in Gang gesetzt werden kann. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die radiale Bohrung an ihrem radial äußeren Ende in einem in der Rotorschaufel ausgebildeten Hohlraum endet. Mit einem oder mehreren Hohlräumen versehene Rotorschaufeln werden beispielsweise bei Fanschaufeln in einigen Bauformen zur Massenreduktion eingesetzt.
Es wird darauf hingewiesen, dass der erfindungsgemäße Rotor eine Mehrzahl von Unwuchtkorrektureinrichtungen mit jeweils zugeordneten radialen Bohrungen aufweisen kann. Die Mehrzahl von Unwuchtkorrektureinrichtungen ist dabei in axialer Richtung hintereinander in dem Rotor ausgebildet.
Eine Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass die radialen Bohrungen, die einer Unwuchtkorrektureinrichtung jeweils zugeordnet sind und mit dieser in der beschriebenen Weise zusammenwirken, bei jeder Unwuchtkorrektureinrichtung in radialer Richtung unterschiedlich weit in die Rotorschaufeln hineinreichen. Weiter kann dabei vorgesehen sein, dass eine Unwuchtkorrektureinrichtung, bei der die zugeordneten radialen Bohrungen weiter (d. h. mit größerer radialer Länge) in die Rotorschaufeln hineinreichen, mit einem entsprechend leichteren (d.h. kleineren oder mit geringerer Dichte versehehen) Massestück versehen ist. Dies ist mit dem Vorteil verbunden, dass, sollte eine Rotorschaufel weiter außen abreißen, dann eine Unwuchtkorrektureinrichtung mit einem leichteren Massestück aktiviert wird und dementsprechend für diesen Fall ein leichteres Massestück nach außen gedrückt wird. Eine Unwuchtkorrektur kann somit in Abhängigkeit davon erfolgen, wie viel Masse beim Bruch einer Rotorschaufel verloren geht.
Wie bereits angemerkt, kann es sich bei dem erfindungsgemäßen Rotor grundsätzlich um einen beliebigen Rotor einer Strömungsmaschine handeln. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Rotor ein Fan und die Rotorschaufeln Fanschaufeln sind. Bei dem Verlust oder Bruch einer Fanschaufel stellt sich in besonderem Maße das Problem, dass durch die auftretende Unwucht hohe Lasten in das Triebwerk eingeleitet werden. Durch die erfindungsgemäße Lösung kann die Unwucht und damit das Vibrationsniveau im Triebwerk deutlich reduziert werden. Da die auftretenden Lasten reduziert sind, kann bei der Bauteilauslegung der Strukturbauteile des Triebwerks Gewicht eingespart werden.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Rotorschaufeln und die Rotornabe einstückig ausgebildet sind. Dazu kann vorgesehen sein, dass der Rotor in BLISK-Bauweise ausgeführt ist, für welchen Fall eine Rotorscheibe, die Rotornabe und die Laufschaufeln integral (einstückig) ausgebildet sind (BLISK = „Blade Integrated Disk“), oder dass der Rotor in BLING-Bauweise ausgeführt ist, für welchen Fall die Rotornabe und die Laufschaufeln integral (einstückig) ausgebildet sind (BLING = „Blade Integrated Ring“), wobei im Rahmen dieser Beschreibung beide diese Varianten als „BLISK-Bauweise“ bezeichnet werden. Jedoch wird darauf hingewiesen, dass in anderen Ausführungsbeispielen die Rotorschaufeln in herkömmlicher Weise mit einem Schaufelfuß ausgebildet sein können, die in entsprechenden Aussparungen der Rotornabe angeordnet sind.
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass der erfindungsgemäße Rotor eine Rotorscheibe aufweisen kann, für welchen Fall die Unwuchtkorrektureinrichtung in axialem Abstand zu einer solchen Rotorscheibe angeordnet ist. Andere Ausgestaltungen, insbesondere wenn der Rotor als Fan ausgebildet ist, sehen vor, dass eine eigentliche Rotorscheibe nicht vorhanden ist und der Rotor beispielsweise einen Flansch zur Verbindung mit einer Antriebswelle aufweist.
In einem weiteren Erfindungsaspekt betrifft die Erfindung ein Gasturbinentriebwerk, insbesondere für ein Luftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Rotor. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Gasturbinentriebwerk aufweist:

- einen Triebwerkskern, der eine Turbine, einen Verdichter und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende, als Hohlwelle ausgebildete Turbinenwelle umfasst;
- einen Fan, der stromaufwärts des Triebwerkskerns positioniert ist, wobei der Fan mehrere Fanschaufeln umfasst und gemäß der Erfindung ausgebildet ist; und
- ein Getriebe, das einen Eingang von der Turbinenwelle empfängt und Antrieb für den Fan zum Antreiben des Fans mit einer niedrigeren Drehzahl als die Turbinenwelle abgibt.

Eine Ausgestaltung hierzu kann vorsehen, dass

- die Turbine eine erste Turbine ist, der Verdichter ein erster Verdichter ist und die Turbinenwelle eine erste Turbinenwelle ist;
- der Triebwerkskern ferner eine zweite Turbine, einen zweiten Verdichter und eine zweite Turbinenwelle, die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet, umfasst; und
- die zweite Turbine, der zweite Verdichter und die zweite Turbinenwelle dahingehend angeordnet sind, sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Turbinenwelle zu drehen.

Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung, soweit sie sich auf ein Flugtriebwerk bezieht, 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 eines Gasturbinentriebwerks, in dem der Rotor angeordnet ist. Von der x-Achse ausgehend zeigt die radiale Richtung radial nach außen. Begriffe wie „vor“, „hinter“, „vordere“ und „hintere“ beziehen sich auf die axiale Richtung bzw. die Strömungsrichtung im Triebwerk. Begriffe wie „äußere“ oder „innere“ beziehen sich auf die radiale Richtung.
Wie hier an anderer Stelle angeführt wird, kann sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk beziehen. Solch ein Gasturbinentriebwerk kann einen Triebwerkskern umfassen, der eine Turbine, einen Brennraum, einen Verdichter und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende Kernwelle umfasst. Solch ein Gasturbinentriebwerk kann ein Gebläse (mit Gebläseschaufeln) umfassen, das stromaufwärts des Triebwerkskerns positioniert ist.
Anordnungen der vorliegenden Offenbarung können insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für Gebläse, die über ein Getriebe angetrieben werden, von Vorteil sein. Entsprechend kann das Gasturbinentriebwerk ein Getriebe umfassen, das einen Eingang von der Kernwelle empfängt und Antrieb für das Gebläse zum Antreiben des Gebläses mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle abgibt. Der Eingang für das Getriebe kann direkt von der Kernwelle oder indirekt von der Kernwelle, beispielsweise über eine Stirnwelle und/oder ein Stirnzahnrad, erfolgen. Die Kernwelle kann mit der Turbine und dem Verdichter starr verbunden sein, so dass sich die Turbine und der Verdichter mit derselben Drehzahl drehen (wobei sich das Gebläse mit einer niedrigeren Drehzahl dreht).
Das Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine beliebige geeignete allgemeine Architektur aufweisen. Beispielsweise kann das Gasturbinentriebwerk eine beliebige gewünschte Anzahl an Wellen, die Turbinen und Verdichter verbinden, beispielsweise eine, zwei oder drei Wellen, aufweisen. Lediglich beispielhaft kann die mit der Kernwelle verbundene Turbine eine erste Turbine sein, der mit der Kernwelle verbundene Verdichter kann ein erster Verdichter sein und die Kernwelle kann eine erste Kernwelle sein. Der Triebwerkskern kann ferner eine zweite Turbine, einen zweiten Verdichter und eine zweite Kernwelle, die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet, umfassen. Die zweite Turbine, der zweite Verdichter und die zweite Kernwelle können dahingehend angeordnet sein, sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle zu drehen.
Bei solch einer Anordnung kann der zweite Verdichter axial stromabwärts des ersten Verdichters positioniert sein. Der zweite Verdichter kann dahingehend angeordnet sein, Strömung von dem ersten Verdichter aufzunehmen (beispielsweise direkt aufzunehmen, beispielsweise über einen allgemein ringförmigen Kanal).
Das Getriebe kann dahingehend angeordnet sein, von der Kernwelle, die dazu konfiguriert ist, sich (beispielsweise im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen, (beispielsweise die erste Kernwelle in dem obigen Beispiel) angetrieben zu werden. Beispielsweise kann das Getriebe dahingehend angeordnet sein, lediglich von der Kernwelle, die dazu konfiguriert ist, sich (beispielsweise im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen, (beispielsweise nur von der ersten Kernwelle und nicht der zweiten Kernwelle bei dem obigen Beispiel) angetrieben zu werden. Alternativ dazu kann das Getriebe dahingehend angeordnet sein, von einer oder mehreren Wellen, beispielsweise der ersten und/oder der zweiten Welle in dem obigen Beispiel, angetrieben zu werden.
Bei einem Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann ein Brennraum axial stromabwärts des Gebläses und des Verdichters (der Verdichter) vorgesehen sein. Beispielsweise kann der Brennraum direkt stromabwärts des zweiten Verdichters (beispielsweise an dessen Ausgang) liegen, wenn ein zweiter Verdichter vorgesehen ist. Als ein weiteres Beispiel kann die Strömung am Ausgang des Verdichters dem Einlass der zweiten Turbine zugeführt werden, wenn eine zweite Turbine vorgesehen ist. Der Brennraum kann stromaufwärts der Turbine (der Turbinen) vorgesehen sein.
Der oder jeder Verdichter (beispielsweise der erste Verdichter und der zweite Verdichter gemäß obiger Beschreibung) kann eine beliebige Anzahl an Stufen, beispielsweise mehrere Stufen, umfassen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln, bei denen es sich um variable Statorschaufeln (dahingehend, dass ihr Anstellwinkel variabel sein kann) handeln kann, umfassen. Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial voneinander versetzt sein.
Die oder jede Turbine (beispielsweise die erste Turbine und die zweite Turbine gemäß obiger Beschreibung) kann eine beliebige Anzahl an Stufen, beispielsweise mehrere Stufen, umfassen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln umfassen. Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial voneinander versetzt sein.
Jede Gebläseschaufel kann mit einer radialen Spannweite definiert sein, die sich von einem Fuß (oder einer Nabe) an einer radial innenliegenden von Gas überströmten Stelle oder an einer Position einer Spannbreite von 0 % zu einer Spitze an einer Position einer Spannbreite von 100 % erstreckt. Das Verhältnis des Radius der Gebläseschaufel an der Nabe zu dem Radius der Gebläseschaufel an der Spitze kann weniger als (oder in der Größenordnung von): 0,4, 0,39, 0,38, 0,37, 0,36, 0,35, 0,34, 0,33, 0,32, 0,31, 0,3, 0,29, 0,28, 0,27, 0,26 oder 0,25 liegen. Das Verhältnis des Radius der Gebläseschaufel an der Nabe zu dem Radius der Gebläseschaufel an der Spitze kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Diese Verhältnisse können allgemeinhin als das Nabe-Spitze-Verhältnis bezeichnet werden. Der Radius an der Nabe und der Radius an der Spitze können beide an dem vorderen Randteil (oder dem axial am weitesten vorne liegenden Rand) der Schaufel gemessen werden. Das Nabe-Spitze-Verhältnis bezieht sich natürlich auf den von Gas überströmten Abschnitt der Gebläseschaufel, d. h. den Abschnitt, der sich radial außerhalb jeglicher Plattform befindet.
Der Radius des Gebläses kann zwischen der Mittellinie des Triebwerks und der Spitze der Gebläseschaufel an ihrem vorderen Rand gemessen werden. Der Durchmesser des Gebläses (der einfach das Doppelte des Radius des Gebläses sein kann) kann größer als (oder in der Größenordnung von): 250 cm (etwa 100 Inch), 260 cm, 270 cm (etwa 105 Inch), 280 cm (etwa 110 Inch), 290 cm (etwa 115 Inch), 300 cm (etwa 120 Inch), 310 cm, 320 cm (etwa 125 Inch), 330 cm (etwa 130 Inch), 340 cm (etwa 135 Inch), 350 cm, 360 cm (etwa 140 Inch), 370 cm (etwa 145 Inch), 380 cm (etwa 150 Inch) oder 390 cm (etwa 155 Inch) sein (liegen). Der Gebläsedurchmesser kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Die Drehzahl des Gebläses kann im Gebrauch variieren. Allgemein ist die Drehzahl geringer für Gebläse mit einem größeren Durchmesser. Lediglich als ein nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Gebläses bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen weniger als 2500 U/min, beispielsweise weniger als 2300 U/min, betragen. Lediglich als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann auch die Drehzahl des Gebläses bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen für ein Triebwerk mit einem Gebläsedurchmesser im Bereich von 250 cm bis 300 cm (beispielsweise 250 cm bis 280 cm) im Bereich von 1700 U/min bis 2500 U/min, beispielsweise im Bereich von 1800 U/min bis 2300 U/min, beispielsweise im Bereich von 1900 U/min bis 2100 U/min, liegen. Lediglich als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Gebläses bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen für ein Triebwerk mit einem Gebläsedurchmesser im Bereich von 320 cm bis 380 cm in dem Bereich von 1200 U/min bis 2000 U/min, beispielsweise in dem Bereich von 1300 U/min bis 1800 U/min, beispielsweise in dem Bereich von 1400 U/min bis 1600 U/min, liegen.
Im Gebrauch des Gasturbinentriebwerks dreht sich das Gebläse (mit zugehörigen Gebläseschaufeln) um eine Drehachse. Diese Drehung führt dazu, dass sich die Spitze der Gebläseschaufel mit einer Geschwindigkeit U_Spitze bewegt. Die von den Gebläseschaufeln an der Strömung verrichtete Arbeit resultiert in einem Anstieg der Enthalpie dH der Strömung. Eine Gebläsespitzenbelastung kann als dH/U_Spitze ² definiert werden, wobei dH der Enthalpieanstieg (beispielsweise der durchschnittliche 1-D-Enthalpieanstieg) über das Gebläse hinweg ist und U_Spitze die (Translations-) Geschwindigkeit der Gebläsespitze, beispielsweise an dem vorderen Rand der Spitze, ist (die als Gebläsespitzenradius am vorderen Rand multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit definiert werden kann). Die Gebläsespitzenbelastung bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen kann mehr als (oder in der Größenordnung von): 0,3, 0,31, 0,32, 0,33, 0,34, 0,35, 0,36, 0,37, 0,38, 0,39 oder 0,4 betragen (liegen) (wobei alle Einheiten in diesem Abschnitt Jkg^-1K^-1/(ms^-1)² sind). Die Gebläsespitzenbelastung kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Gasturbinentriebwerke gemäß der vorliegenden Offenbarung können ein beliebiges gewünschtes Bypassverhältnis aufweisen, wobei das Bypassverhältnis als das Verhältnis des Massendurchsatzes der Strömung durch den Bypasskanal zu dem Massendurchsatz der Strömung durch den Kern bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen definiert wird. Bei einigen Anordnungen kann das Bypassverhältnis mehr als (in der Größenordnung von): 10, 10,5, 11, 11,5, 12, 12,5, 13, 13,5, 14, 14,5, 15, 15,5, 16, 16,5 oder 17 betragen (liegen). Das Bypassverhältnis kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Der Bypasskanal kann im Wesentlichen ringförmig sein. Der Bypasskanal kann sich radial außerhalb des Triebwerkskerns befinden. Die radial äußere Fläche des Bypasskanals kann durch eine Triebwerksgondel und/oder ein Gebläsegehäuse definiert werden.
Das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann als das Verhältnis des Staudrucks stromaufwärts des Gebläses zu dem Staudruck am Ausgang des Höchstdruckverdichters (vor dem Eingang in den Brennraum) definiert werden. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, bei Konstantgeschwindigkeit mehr als (oder in der Größenordnung von): 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75 betragen (liegen). Das Gesamtdruckverhältnis kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Der spezifische Schub eines Triebwerks kann als der Nettoschub des Triebwerks dividiert durch den Gesamtmassenstrom durch das Triebwerk hindurch definiert werden. Bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen kann der spezifische Schub eines Triebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, weniger als (oder in der Größenordnung von): 110 Nkg^-1s, 105 Nkg^-1s, 100 Nkg^-1s, 95 Nkg^-1s, 90 Nkg^-1s, 85 Nkg^-1s oder 80 Nkg^-1s betragen (liegen). Der spezifische Schub kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Solche Triebwerke können im Vergleich zu herkömmlichen Gasturbinentriebwerken besonders effizient sein.
Ein Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann einen beliebigen gewünschten Höchstschub aufweisen. Lediglich als ein nicht einschränkendes Beispiel kann eine Gasturbine, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, zur Erzeugung eines Höchstschubs von mindestens (oder in der Größenordnung von): 160kN, 170kN, 180kN, 190kN, 200kN, 250kN, 300kN, 350kN, 400kN, 450kN, 500kN oder 550kN in der Lage sein. Der Höchstschub kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Der Schub, auf den oben Bezug genommen wird, kann der Nettohöchstschub bei standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen auf Meereshöhe plus 15 Grad C (Umgebungsdruck 101,3 kPa, Temperatur 30 Grad C) bei statischem Triebwerk sein.
Im Gebrauch kann die Temperatur der Strömung am Eingang der Hochdruckturbine besonders hoch sein. Diese Temperatur, die als TET bezeichnet werden kann, kann an dem Ausgang zum Brennraum, beispielsweise unmittelbar stromaufwärts der ersten Turbinenschaufel, die wiederum als eine Düsenleitschaufel bezeichnet werden kann, gemessen werden. Bei Konstantgeschwindigkeit kann die TET mindestens (oder in der Größenordnung von): 1400K, 1450K, 1500K, 1550K, 1600K oder 1650K betragen (liegen). Die TET bei Konstantgeschwindigkeit kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET im Gebrauch des Triebwerks kann beispielsweise mindestens (oder in der Größenordnung von): 1700K, 1750K, 1800K, 1850K, 1900K, 1950K oder 2000K betragen (liegen). Die maximale TET kann in einem einschließenden Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET kann beispielsweise bei einer Bedingung von hohem Schub, beispielsweise bei einer MTO-Bedingung (MTO - Maximum Take-Off thrust - maximaler Startschub), auftreten.
Eine Gebläseschaufel und/oder ein Blattabschnitt einer Gebläseschaufel, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann aus einem beliebigen geeigneten Material oder einer Kombination aus Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Gebläseschaufel und/oder des Blatts zumindest zum Teil aus einem Verbundstoff, beispielsweise einem Metallmatrix-Verbundstoff und/oder einem Verbundstoff mit organischer Matrix, wie z. B. Kohlefaser, hergestellt werden. Als ein weiteres Beispiel kann zumindest ein Teil der Gebläseschaufel und/oder des Blatts zumindest zum Teil aus einem Metall, wie z. B. einem auf Titan basierendem Metall oder einem auf Aluminium basierenden Material (wie z. B. einer Aluminium-Lithium-Legierung) oder einem auf Stahl basierenden Material hergestellt werden. Die Gebläseschaufel kann mindestens zwei Bereiche umfassen, die unter Verwendung verschiedener Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann die Gebläseschaufel einen vorderen Schutzrand aufweisen, der unter Verwendung eines Materials hergestellt wird, das dem Aufschlagen (beispielsweise von Vögeln, Eis oder anderem Material) besser widerstehen kann als der Rest der Schaufel. Solch ein vorderer Rand kann beispielsweise unter Verwendung von Titan oder einer auf Titan basierenden Legierung hergestellt werden. Somit kann die Gebläseschaufel lediglich als ein Beispiel einen auf Kohlefaser oder Aluminium basierenden Körper (wie z. B. eine Aluminium-Lithium-Legierung) mit einem vorderen Rand aus Titan aufweisen.
Ein Gebläse, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann einen mittleren Abschnitt umfassen, von dem sich die Gebläseschaufeln, beispielsweise in einer radialen Richtung, erstrecken können. Die Gebläseschaufeln können auf beliebige gewünschte Art und Weise an dem mittleren Abschnitt angebracht sein. Beispielsweise kann jede Gebläseschaufel eine Fixierungsvorrichtung umfassen, die mit einem entsprechenden Schlitz in der Nabe (oder Scheibe) in Eingriff gelangen kann. Lediglich als ein Beispiel kann solch eine Fixierungsvorrichtung in Form eines Schwalbenschwanzes vorliegen, der zur Fixierung der Gebläseschaufel an der Nabe/Scheibe in einen entsprechenden Schlitz in der Nabe/Scheibe eingesteckt und/oder damit in Eingriff gebracht werden kann. Als ein weiteres Beispiel können die Gebläseschaufeln integral mit einem mittleren Abschnitt ausgebildet sein. Solch eine Anordnung kann als eine Blisk oder ein Bling bezeichnet werden. Ein beliebiges geeignetes Verfahren kann zur Herstellung solch einer Blisk oder solch eines Bling verwendet werden. Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Gebläseschaufeln aus einem Block maschinell herausgearbeitet werden und/oder mindestens ein Teil der Gebläseschaufeln kann durch Schweißen, wie z. B. lineares Reibschweißen, an der Nabe/Scheibe angebracht werden.
Die Gasturbinentriebwerke, die hier beschrieben und/oder beansprucht werden, können oder können nicht mit einer VAN (Variable Area Nozzle - Düse mit variablem Querschnitt) versehen sein. Solch eine Düse mit variablem Querschnitt kann eine Variation des Ausgangsquerschnitts des Bypasskanals im Gebrauch gestatten. Die allgemeinen Prinzipien der vorliegenden Offenbarung können auf Triebwerke mit oder ohne eine VAN zutreffen.
Das Gebläse einer Gasturbine, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine beliebige gewünschte Anzahl an Gebläseschaufeln, beispielsweise 16, 18, 20 oder 22 Gebläseschaufeln, aufweisen.
Gemäß der hier erfolgenden Verwendung können Konstantgeschwindigkeitsbedingungen Konstantgeschwindigkeitsbedingungen eines Luftfahrzeugs, an dem das Gasturbinentriebwerk angebracht ist, bedeuten. Solche Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können herkömmlicherweise als die Bedingungen während des mittleren Teils des Flugs definiert werden, beispielsweise die Bedingungen, denen das Luftfahrzeug und/oder das Triebwerk zwischen (hinsichtlich Zeit und/oder Entfernung) dem Ende des Steigflugs und dem Beginn des Sinkflugs ausgesetzt wird bzw. werden.
Lediglich als ein Beispiel kann die Vorwärtsgeschwindigkeit bei der Konstantgeschwindigkeitsbedingung bei einem beliebigen Punkt im Bereich von Mach 0,7 bis 0,9, beispielsweise 0,75 bis 0,85, beispielsweise 0,76 bis 0,84, beispielsweise 0,77 bis 0,83, beispielsweise 0,78 bis 0,82, beispielsweise 0,79 bis 0,81, beispielsweise in der Größenordnung von Mach 0,8, in der Größenordnung von Mach 0,85 oder in dem Bereich von 0,8 bis 0,85 liegen. Eine beliebige Geschwindigkeit innerhalb dieser Bereiche kann die Konstantfahrtbedingung sein. Bei einigen Luftfahrzeugen können die Konstantfahrtbedingungen außerhalb dieser Bereiche, beispielsweise unter Mach 0,7 oder über Mach 0,9, liegen.
Lediglich als ein Beispiel können die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen bei einer Höhe, die im Bereich von 10.000 m bis 15.000 m, beispielsweise im Bereich von 10.000 m bis 12.000 m, beispielsweise im Bereich von 10.400 m bis 11.600 m (etwa 38.000 Fuß) beispielsweise im Bereich von 10.500 m bis 11.500 m, beispielsweise im Bereich von 10.600 m bis 11.400 m, beispielsweise im Bereich von 10.700 m (etwa 35.000 Fuß) bis 11.300 m, beispielsweise im Bereich von 10.800 m bis 11.200 m, beispielsweise im Bereich von 10.900 m bis 11.100 m, beispielsweise in der Größenordnung von 11.000 m, liegt, entsprechen. Die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen bei einer beliebigen gegebenen Höhe in diesen Bereichen entsprechen.
Lediglich als ein Beispiel können die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen Folgendem entsprechen: einer Vorwärts-Mach-Zahl von 0,8; einem Druck von 23.000 Pa und einer Temperatur von -55 Grad C.
So wie sie hier durchweg verwendet werden, können „Konstantgeschwindigkeit“ oder „Konstantgeschwindigkeitsbedingungen“ den aerodynamischen Auslegungspunkt bedeuten. Solch ein aerodynamischer Auslegungspunkt (oder ADP - Aerodynamic Design Point) kann den Bedingungen (darunter beispielsweise die Mach-Zahl, Umgebungsbedingungen und Schubanforderung), für die der Gebläsebetrieb ausgelegt ist, entsprechen. Dies kann beispielsweise die Bedingungen, bei denen das Gebläse (oder das Gasturbinentriebwerk) konstruktionsgemäß den optimalen Wirkungsgrad aufweist, bedeuten.
Im Gebrauch kann ein Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, bei den Konstantgeschwindigkeitsbedingungen, die hier an anderer Stelle definiert werden, betrieben werden. Solche Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können von den Konstantgeschwindigkeitsbedingungen (beispielsweise den Bedingungen während des mittleren Teils des Fluges) eines Luftfahrzeugs, an dem mindestens ein (beispielsweise 2 oder 4) Gasturbinentriebwerk zur Bereitstellung von Schubkraft befestigt sein kann, bestimmt werden.
Für den Fachmann ist verständlich, dass ein Merkmal oder Parameter, das bzw. der in Bezug auf einen der obigen Aspekte beschrieben wird, bei einem beliebigen anderen Aspekt angewendet werden kann, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Des Weiteren kann ein beliebiges Merkmal oder ein beliebiger Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, bei einem beliebigen Aspekt angewendet werden und/oder mit einem beliebigen anderen Merkmal oder Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, kombiniert werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Seitenschnittansicht eines Gasturbinentriebwerks;
2 eine Seitenschnittgroßansicht eines stromaufwärtigen Abschnitts eines Gasturbinentriebwerks;
3 eine zum Teil weggeschnitte Ansicht eines Getriebes für ein Gastu rbi n entriebwerk;
4 eine Ansicht von vorne auf ein Ausführungsbeispiel eines Fans mit einer Fannabe, Fanschaufeln und einer Unwuchtkorrektureinrichtung, die innerhalb der Fannabe angeordnet und ein Massestück aufweist, das im Normalbetrieb des Fans auf der Rotationsachse angeordnet ist;
5 den Fan der 4 mit einer vergrößerten Darstellung der Unwuchtkorrektureinrichtung;
6 den Fan der 5 mit einer perspektivischen Darstellung der Unwuchtkorrektureinrichtung, wobei;
7 den Fan mit Unwuchtkorrektureinrichtung der 5, bei der das Massestück von der Rotationsachse in Richtung der Position einer Verlust gegangenen Schaufel bewegt worden ist;
8 eine perspektivische und dabei transparente Schnittansicht der Unwuchtkorrektureinrichtung der 4-7; und
9 im Axialschnitt einen Fan mit einer Unwuchtkorrektureinrichtung gemäß den 4-8.

1 stellt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einer Hauptdrehachse 9 dar. Das Triebwerk 10 umfasst einen Lufteinlass 12 und ein Schubgebläse bzw. Fan 23, das zwei Luftströme erzeugt: einen Kernluftstrom A und einen Bypassluftstrom B. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Kern 11, der den Kernluftstrom A aufnimmt. Der Triebwerkskern 11 umfasst in Axialströmungsreihenfolge einen Niederdruckverdichter 14, einen Hochdruckverdichter 15, eine Verbrennungseinrichtung 16, eine Hochdruckturbine 17, eine Niederdruckturbine 19 und eine Kernschubdüse 20. Eine Triebwerksgondel 21 umgibt das Gasturbinentriebwerk 10 und definiert einen Bypasskanal 22 und eine Bypassschubdüse 18. Der Bypassluftstrom B strömt durch den Bypasskanal 22. Das Gebläse 23 ist über eine Welle 26 und ein Epizykloidengetriebe 30 an der Niederdruckturbine 19 angebracht und wird durch diese angetrieben.
Im Gebrauch wird der Kernluftstrom A durch den Niederdruckverdichter 14 beschleunigt und verdichtet und in den Hochdruckverdichter 15 geleitet, wo eine weitere Verdichtung erfolgt. Die aus dem Hochdruckverdichter 15 ausgestoßene verdichtete Luft wird in die Verbrennungseinrichtung 16 geleitet, wo sie mit Kraftstoff vermischt wird und das Gemisch verbrannt wird. Die resultierenden heißen Verbrennungsprodukte breiten sich dann durch die Hochdruck- und die Niederdruckturbine 17, 19 aus und treiben diese dadurch an, bevor sie zur Bereitstellung einer gewissen Schubkraft durch die Düse 20 ausgestoßen werden. Die Hochdruckturbine 17 treibt den Hochdruckverdichter 15 durch eine geeignete Verbindungswelle 27 an. Das Gebläse 23 stellt allgemein den Hauptteil der Schubkraft bereit. Das Epizykloidengetriebe 30 ist ein Untersetzungsgetriebe.
Eine beispielhafte Anordnung für ein Getriebegebläse-Gasturbinentriebwerk 10 wird in 2 gezeigt. Die Niederdruckturbine 19 (siehe 1) treibt die Welle 26 an, die mit einem Sonnenrad 28 der Epizykloidengetriebeanordnung 30 gekoppelt ist. Mehrere Planetenräder 32, die durch einen Planetenträger 34 miteinander gekoppelt sind, befinden sich von dem Sonnenrad 28 radial außen und kämmen damit. Der Planetenträger 34 beschränkt die Planetenräder 32 darauf, synchron um das Sonnenrad 28 zu kreisen, während er ermöglicht, dass sich jedes Planetenrad 32 um seine eigene Achse drehen kann. Der Planetenträger 34 ist über Gestänge 36 mit dem Gebläse 23 dahingehend gekoppelt, seine Drehung um die Triebwerksachse 9 anzutreiben. Ein Außenrad oder Hohlrad 38, das über Gestänge 40 mit einer stationären Stützstruktur 24 gekoppelt ist, befindet sich von den Planetenrädern 32 radial außen und kämmt damit.
Es wird angemerkt, dass die Begriffe „Niederdruckturbine“ und „Niederdruckverdichter“, so wie sie hier verwendet werden, so aufgefasst werden können, dass sie die Turbinenstufe mit dem niedrigsten Druck bzw. die Verdichterstufe mit dem niedrigsten Druck (d. h. dass sie nicht das Gebläse 23 umfassen) und/oder die Turbinen- und Verdichterstufe, die durch die Verbindungswelle 26 mit der niedrigsten Drehzahl in dem Triebwerk (d. h. dass sie nicht die Getriebeausgangswelle, die das Gebläse 23 antreibt, umfasst) miteinander verbunden sind, bedeuten. In einigen Schriften können die „Niederdruckturbine“ und der „Niederdruckverdichter“, auf die hier Bezug genommen wird, alternativ dazu als die „Mitteldruckturbine“ und „Mitteldruckverdichter“ bekannt sein. Bei der Verwendung derartiger alternativer Nomenklatur kann das Gebläse 23 als eine erste Verdichtungsstufe oder Verdichtungsstufe mit dem niedrigsten Druck bezeichnet werden.
Das Epizykloidengetriebe 30 wird in 3 beispielhaft genauer gezeigt. Das Sonnenrad 28, die Planetenräder 32 und das Hohlrad 38 umfassen jeweils Zähne um ihre Peripherie zum Kämmen mit den anderen Zahnrädern. Jedoch werden der Übersichtlichkeit halber lediglich beispielhafte Abschnitte der Zähne in 3 dargestellt. Obgleich vier Planetenräder 32 dargestellt werden, liegt für den Fachmann auf der Hand, dass innerhalb des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung mehr oder weniger Planetenräder 32 vorgesehen sein können. Praktische Anwendungen eines Epizykloidengetriebes 30 umfassen allgemein mindestens drei Planetenräder 32.
Das in 2 und 3 beispielhaft dargestellte Epizykloidengetriebe 30 ist ein Planetengetriebe, bei dem der Planetenträger 34 über Gestänge 36 mit einer Ausgangswelle gekoppelt ist, wobei das Hohlrad 38 festgelegt ist. Jedoch kann eine beliebige andere geeignete Art von Epizykloidengetriebe 30 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel kann das Epizykloidengetriebe 30 eine Sternanordnung sein, bei der der Planetenträger 34 festgelegt gehalten wird, wobei gestattet wird, dass sich das Hohlrad (oder Außenrad) 38 dreht. Bei solch einer Anordnung wird das Gebläse 23 von dem Hohlrad 38 angetrieben. Als ein weiteres alternatives Beispiel kann das Getriebe 30 ein Differenzialgetriebe sein, bei dem gestattet wird, dass sich sowohl das Hohlrad 38 als auch der Planetenträger 34 drehen.
Es versteht sich, dass die in 2 und 3 gezeigte Anordnung lediglich beispielhaft ist und verschiedene Alternativen in dem Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung liegen. Lediglich beispielhaft kann eine beliebige geeignete Anordnung zur Positionierung des Getriebes 30 in dem Triebwerk 10 und/oder zur Verbindung des Getriebes 30 mit dem Triebwerk 10 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel können die Verbindungen (z. B. die Gestänge 36, 40 in dem Beispiel von 2) zwischen dem Getriebe 30 und anderen Teilen des Triebwerks 10 (wie z. B. der Eingangswelle 26, der Ausgangswelle und der festgelegten Struktur 24) einen gewissen Grad an Steifigkeit oder Flexibilität aufweisen. Als ein weiteres Beispiel kann eine beliebige geeignete Anordnung der Lager zwischen rotierenden und stationären Teilen des Triebwerks (beispielsweise zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle des Getriebes und den festgelegten Strukturen, wie z. B. dem Getriebegehäuse) verwendet werden, und die Offenbarung ist nicht auf die beispielhafte Anordnung von 2 beschränkt. Beispielsweise ist für den Fachmann ohne Weiteres erkenntlich, dass sich die Anordnung von Ausgang und Stützgestängen und Lagerpositionierungen bei einer Sternanordnung (oben beschrieben) des Getriebes 30 in der Regel von jenen, die beispielhaft in 2 gezeigt werden, unterscheiden würden.
Entsprechend dehnt sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk mit einer beliebigen Anordnung der Getriebearten (beispielsweise sternförmig oder planetenartig), Stützstrukturen, Eingangs- und Ausgangswellenanordnung und Lagerpositionierungen aus.
Optional kann das Getriebe Neben- und/oder alternative Komponenten (z. B. den Mitteldruckverdichter und/oder einen Nachverdichter) antreiben.
Andere Gasturbinentriebwerke, bei denen die vorliegende Offenbarung Anwendung finden kann, können alternative Konfigurationen aufweisen. Beispielsweise können derartige Triebwerke eine alternative Anzahl an Verdichtern und/oder Turbinen und/oder eine alternative Anzahl an Verbindungswellen aufweisen. Als ein weiteres Beispiel weist das in 1 gezeigte Gasturbinentriebwerk eine Teilungsstromdüse 20, 22 auf, was bedeutet, dass der Strom durch den Bypasskanal 22 seine eigene Düse aufweist, die von der Triebwerkskerndüse 20 separat und davon radial außen ist. Jedoch ist dies nicht einschränkend und ein beliebiger Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann auch auf Triebwerke zutreffen, bei denen der Strom durch den Bypasskanal 22 und der Strom durch den Kern 11 vor (oder stromaufwärts) einer einzigen Düse, die als eine Mischstromdüse bezeichnet werden kann, vermischt oder kombiniert werden. Eine oder beide Düsen (ob Misch- oder Teilungsstrom) kann einen festgelegten oder variablen Bereich aufweisen. Obgleich sich das beschriebene Beispiel auf ein Turbogebläsetriebwerk bezieht, kann die Offenbarung beispielsweise bei einer beliebigen Art von Gasturbinentriebwerk, wie z. B. bei einem Open-Rotor- (bei dem die Gebläsestufe nicht von einer Triebwerksgondel umgeben wird) oder einem Turboprop-Triebwerk, angewendet werden. Bei einigen Anordnungen umfasst das Gasturbinentriebwerk 10 möglicherweise kein Getriebe 30.
Die Geometrie des Gasturbinentriebwerks 10 und Komponenten davon wird bzw. werden durch ein herkömmliches Achsensystem definiert, das eine axiale Richtung (die auf die Drehachse 9 ausgerichtet ist), eine radiale Richtung (in der Richtung von unten nach oben in 1) und eine Umfangsrichtung (senkrecht zu der Ansicht in 1) umfasst. Die axiale, die radiale und die Umfangsrichtung verlaufen senkrecht zueinander.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist eine Ausbildung des Gebläses bzw. Fans 23 dahingehend, dass im Falle des Verlustes einer Fanschaufel damit einhergehende Unwuchten minimiert werden sollen, von Bedeutung. Die Beschreibung der Erfindung anhand eines Fans 23 erfolgt dabei lediglich beispielhaft. Die Prinzipien der Erfindung gelten grundsätzlich für jeden Rotor.
Die 4 gibt zunächst einen Überblick über die wesentlichen Komponenten eines erfindungsgemäß ausgebildeten Fans 23. Der Fan 23 umfasst eine Fannabe 5, die eine Nabenoberseite 51 und eine Nabenunterseite 52 aufweist. Von der Nabenoberseite 51 stehen eine Mehrzahl von Fanschaufeln 230 ab, die in Umfangsrichtung äquidistant angeordnet sind und einen Schaufelkranz bilden. Die Nabenoberseite 51 bildet eine Kranzoberfläche und begrenzt dabei den Strömungskanal durch den Fan 23 radial innen.
Der Fan 23 ist in BLISK-Bauweise ausgebildet, so dass die Fannabe 5 und die Fanschaufeln 230 einstückig ausgebildet sind. Die Einstückigkeit kann beispielsweise dadurch bereitgestellt werden, dass Fannabe 5 und Fanschaufeln 230 integral hergestellt oder dass die Fanschaufeln 230 an die Fannabe 5 angeschweißt werden. Eine Ausbildung in BLISK-Bauweise ist jedoch nicht zwingend der Fall. Alternativ können die Fanschaufeln 23 jeweils einen Schaufelfuß besitzen, der in einer entsprechenden Aussparung in der Fannabe 5 befestigt ist.
Der Fan 32 ist um eine Rotationsachse 9 drehbar, die in der axialen Richtung verläuft. Es handelt sich beispielsweise um die Rotationsachse 9 der 1.
Innerhalb der Fannabe 5, d. h. radial innen zur Nabenunterseite 52 weist der Fan 23 eine Unwuchtkorrektureinrichtung 6 auf. Diese wird dabei radial außen durch die Nabenunterseite 52 begrenzt. Die Unwuchtkorrektureinrichtung 6 nimmt innerhalb der Fannabe 5 ein bestimmtes Volumen ein, das durch ihre radiale Erstreckung von der Rotationsachse 9 bis zur Nabenunterseite 52 und durch eine axiale Erstreckung zwischen eine axial vorderen Wand und einer axial hinteren Wand (wie in Bezug auf die 8 noch weitergehend erläutert wird) definiert ist. Das durch die Unwuchtkorrektureinrichtung 6 eingenommene Volumen ist dabei zylindrisch oder näherungsweise zylindrisch.
Im Zentrum der Unwuchtkorrektureinrichtung 6, d. h. in seiner Massenverteilung symmetrisch zur Rotationsachse 9 ist ein Massestück 8 angeordnet. Wie anhand der nachfolgenden 5-9 erläutert wird, ist die Unwuchtkorrektureinrichtung 6 dazu vorgesehen und ausgebildet, im Falle des Verlustes einer Fanschaufel 230 zu bewirken, dass das Massestück 8 von seiner Position auf der Rotationsachse 9 in Richtung der verlustgegangenen Fanschaufel bewegt wird. In der 4, bei der im Bereich X eine Fanschaufel Verlust gegangenen ist, würde sich das Massestück 8 somit in Richtung des Bereichs X bewegen. Dies erfolgt unter Verwendung eines Füllmaterials, das in der Unwuchtkorrektureinrichtung 6 angeordnet ist, und mittels radialer Bohrungen 90, die in der Rotornabe 5 ausgebildet sind.
Die 5-9 zeigen die Unwuchtkorrektureinrichtung 6 in vergrößerter Darstellung, wobei die 5 eine Ansicht von oben, die 6 eine perspektivische Ansicht, die 8 eine teilweise geschnittene perspektivische und dabei transparente Ansicht und die 9 eine Ansicht im Axialschnitt angeben. Die 7 gibt die Situation wieder, in der das Massestück 8 nach Verlust einer Fanschaufel 230 von seiner Position auf der Rotationsachse 9 in Richtung der verlustgegangenen Fanschaufel gewandert ist.
Bezug nehmend zunächst auf die 5 und 6 ist erkennbar, dass das durch die Unwuchtkorrektureinrichtung 6 eingenommene Volumen strukturiert ist und eine Mehrzahl von Laufbahnen 65 ausbildet, entlang derer sich das Massestück 8 im Falle des Verlustes einer Fanschaufel 230 bewegen kann. Die Laufbahnen 65 werden durch radial verlaufende, in Umfangsrichtung beabstandete Strukturen 66, 67 definiert. Dabei wechseln sich erste radial verlaufende Strukturen 66, die sich von der Nabenunterseite 52 weiter in Richtung der Rotationsachse 9 erstrecken und zweite radial verlaufende Strukturen 67, die sich von der Nabenunterseite 52 weniger weit in Richtung der Rotationsachse 9 erstrecken, miteinander ab.
Das durch die Unwuchtkorrektureinrichtung 6 eingenommene Volumen wird des Weiteren strukturiert durch Ventilklappen 75, die das Innere der Unwuchtkorrektureinrichtung in verschiedene Bereiche unterteilen. Jede Ventilklappe 75 wird durch zwei schräg zueinander angeordnete schwenkbare Innenwände 76, 77 gebildet. Die Ventilklappen 75 sind dabei derart ausgerichtet, dass sie nur in die radiale Richtung nach außen öffnen, während sie in die radiale Richtung nach innen schließen.
Die Innenwände 76, 77 bilden dabei zwei im wesentlichen konzentrische Anordnungen 750, 751 von Innenwänden, wobei die radial innere konzentrische Anordnung 750 in etwa im Abstand der radial inneren Enden der ersten radial verlaufenden Strukturen 66 verlaufen und dabei die Schwenkachsen der Innenwände 76, 77 an diesen radial inneren Enden anliegen. Die radial äußere konzentrische Anordnung 751 verläuft in etwa im Abstand der radial inneren Enden der zweiten radial verlaufenden Strukturen 67, wobei die Schwenkachsen der Innenwände 76, 77 teilweise an diesen radial inneren Enden, teilweise seitlich an den ersten radial verlaufenden Strukturen 66 anliegen.
Die radial innere konzentrische Anordnung 750 bildet dabei im dargestellten Ausführungsbeispiel vier Ventilklappen 75 und die radial äußere konzentrische Anordnung 751 acht Ventilklappen 75 aus. Jedoch wird darauf hingewiesen, dass dies nur beispielhaft zu verstehen sind. Alternativ können nur eine konzentrische Anordnung oder mehr als zwei konzentrische Anordnungen vorgesehen sein, die jeweils Ventilklappen ausbilden. Auch sind Ausgestaltungen möglich, die ohne die Realisierung von Ventilklappen auskommen.
Die durch die Strukturierung der Unwuchtkorrektureinrichtung 6 erzeugten Laufbahnen 65 enden jeweils an der Nabenunterseite 52. In der Fannabe 5 verlaufen radiale Bohrungen 90, die sich in radialer Richtung von der Nabenunterseite 52 zu einer jeweils zugeordneten Fanschaufel 230 erstrecken, wobei jede radiale Bohrung 90 durch die zugehörige Fanschaufel 230 an ihrem radial äußeren Ende verschlossen ist.
In der perspektivischen Darstellung der 6 ist zu erkennen, dass die sich durch die radial erstreckende Strukturen 66, 67 und die Ventilklappen 75 bzw. die im wesentlichen konzentrische Anordnungen 750, 751 von Innenwänden ergebende Strukturierung der Unwuchtkorrektureinrichtung 6 zahlreiche Hohlräume der Unwuchtkorrektureinrichtung 6 definiert. Unter Bezugnahme auf die 8 wird dabei darauf hingewiesen, dass die Unwuchtkorrektureinrichtung 6 eine axial vordere Wand 61 und eine axial hintere Wand 62 ausbildet, die zusammen mit der Nabenunterseite 52 ein Volumen 60 der Unwuchtkorrektureinrichtung 6 definieren. Dieses Volumen 60 enthält zum einen die genannten Strukturen 66, 67, 750, 751 sowie natürlich das Massestück 8 und weist zum anderen Hohlräume auf, wo die genannten Strukturen nicht vorhanden sind.
In diesem Zusammenhang wird erneut darauf hingewiesen, dass die Ausbildung von Ventilklappen 75 und konzentrischen Anordnungen 750, 751 von Innenwänden lediglich ein Ausführungsbeispiel betreffen und für die Erfindung optional sind.
Sämtliche Hohlräume der Unwuchtkorrektureinrichtung 6 sind mit einem Füllmaterial 7 gefüllt, dass in der perspektivischen Darstellung der 6 allerdings nicht dargestellt ist, um die Strukturelemente der Unwuchtkorrektureinrichtung 6 nicht zu verdecken.
Das Füllmaterial 7 füllt insbesondere sämtliche Laufbahnen 65 für das Massestück 8 aus und umgibt dabei das Massestück 8 in radialer Richtung. Das Füllmaterial 7 verhindert somit, dass im normalen Betrieb des Fans das Massestück 8 sich aus seiner Position auf der Rotationsachse 9 heraus begeben kann.
Das Füllmaterial 7 wird durch ein fließfähiges Material gebildet. Hierbei handelt es sich gemäß einem Ausführungsbeispiel um ein fließfähiges Pulver oder Schüttgut, beispielsweise um Glasperlen einer mittleren Korngröße im Bereich zwischen 0,01 mm und 0,1 mm, insbesondere im Bereich zwischen 0,04 mm und 0,06 mm. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Füllmaterial 7 um eine Flüssigkeit.
Das Massestück 8 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel zylindrisch ausgebildet. Es besteht beispielsweise aus einem Metall, beispielsweise aus Wolfram. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist ein aus Wolfram gebildetes zylindrisches Massestück 8 eine axiale Länge im Bereich zwischen 40 mm und 120 mm und einen radialen Durchmesser im Bereich zwischen 50 mm und 100 mm auf. Grundsätzlich kann das Massestück 8 jedoch auch eine von einer Zylinderform abweichende Form aufweisen, beispielsweise als Kugel ausgebildet sein.
Im Normalbetrieb des Fans 23, d. h. bei intakten Fanschaufeln 230 sind die radialen Bohrungen 90 radial außen durch die jeweils zugeordnete Fanschaufel 230 verschlossen. Dieser Zustand ändert sich, wenn es zu einem Verlust einer Fanschaufel 230 bzw. zu einem Schaufelbruch kommt. In dem Bereich X, in dem eine Fanschaufel nach einem solchen Verlust nun fehlt, ist die zugehörige radiale Bohrung 90' nun an ihrem radial äußeren Ende geöffnet. Dies bedeutet, dass das in den Laufbahnen 65 der Unwuchtkorrektureinrichtung 6 vorhandene Füllmaterial 7 durch diese Bohrung 90' aus der Unwuchtkorrektureinrichtung 6 austreten kann. Aufgrund der nach einem Schaufelverlust eintretenden Unwucht wird dies auch geschehen.
Dies bedeutet aber, dass die massiven Kräfte, die aufgrund der nach dem Verlust der Fanschaufel eintretenden Unwucht auf das Massestück 8 wirken, dieses nun in Richtung des austretenden Füllmaterials 7 drücken können, da das austretende Füllmaterial 7 ein entsprechendes Volumen freigibt. Das Massestück 8 wird dabei automatisch in diejenige der Laufbahnen 65 gedrückt, die an der radialen Bohrung 90' endet, aus der nach dem Verlust der Fanschaufel 230 das Füllmaterial austritt.
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass im dargestellten Ausführungsbeispiel, jedoch nicht notwendigerweise, jede Laufbahn 65 an einer Mehrzahl von radialen Bohrungen 90 endet. Anderenfalls müssten die Laufbahnen 65 mit einem kleinen Durchmesser ausgebildet werden, was wiederum den Durchmesser des Massestücks und damit dessen Masse reduzieren würde.
Weiter wird darauf hingewiesen, dass es sich nicht so verhält, dass die radial verlaufenden ersten und zweiten Strukturen 66, 67 in dem Bereich, in dem sie an die Nabenunterseite 52 angrenzen, die dort ausgebildeten radialen Bohrungen 90 verschließen würden. Wie in der perspektivischen Darstellung der 6 zu erkennen ist, bilden die ersten und zweiten radial verlaufenden Strukturen 66, 67 vielmehr Materialaussparungen 660, 661 aus, mittels derer die angrenzenden radialen Bohrungen 90 zur Nabenunterseite 52 freigelegt sind, so dass auch über diese Bohrungen im Falle des Verlustes einer Fanschaufel 230 Füllmaterial austreten kann.
Es kann abweichend von der Darstellung der Figuren vorgesehen sein, dass sich die radialen Bohrungen 90 über eine gewisse radiale Höhe in die Fanschaufeln 230 hinein erstrecken und dabei z.B. in inneren Hohlräumen enden, die die Fanschaufeln 230 je nach Bauart aufweisen können. Eine solche Ausgestaltung ist mit dem Vorteil verbunden, dass auch bei einem nur teilweisen Abriss einer Fanschaufel 230 eine radiale Bohrung 90 an ihrem radial äußeren Ende geöffnet wird und Füllmaterial 7 austreten kann.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, mehrere der Unwuchtkorrektureinrichtungen 6 axial hintereinander zu schalten. Die den einzelnen Unwuchtkorrektureinrichtungen 6 zugeordneten radialen Bohrungen 90 gehen dabei unterschiedlich weit in die Schaufeln 230 hinein. Weiter ist vorgesehen, dass die einzelnen Unwuchtkorrektureinrichtungen 6 mit unterschiedlich schweren Massestücken 8 versehen sind, wobei bei einer Unwuchtkorrektureinrichtung, bei der die zugeordneten radialen Bohrungen 90 mit größerer radialer Länge in die Schaufeln 230 hineinreichen, das Massestück 8 entsprechend leichter ausgebildet ist. Sollte eine Schaufel 230 weiter außen abreißen, wird dementsprechend ein leichteres Massestück 8 nach außen gedrückt.
Die 7 zeigt die Situation, bei der das Massestück 8 nach Verlust einer Fanschaufel im Bereich X von seiner Position auf der Rotationsachse 9 entlang einer Laufbahn 65 in Richtung der verlustgegangenen Fanschaufel an die Nabenunterseite 52 bewegt worden ist. Aufgrund dieser Verschiebung des Massestück 8 wird die durch den Verlust der Fanschaufel erzeugte Unwucht deutlich reduziert.
In der Schnittdarstellung der 9 ist zusätzlich zu erkennen, dass die Nabe 5 die Unwuchtkorrektureinrichtung 6 nur über einen Teil ihrer axialen Länge aufnimmt. Diese axiale Länge ist bestimmt durch den axialen Abstand zwischen der vorderen Wand 61 und der hinteren Wand 62 der Unwuchtkorrektureinrichtung 6. Die Nabenunterseite 52 ist in diesem axialen Abschnitt im dargestellten Ausführungsbeispiel, jedoch nicht notwendigerweise gradlinig ausgebildet, so dass die Unwuchtkorrektureinrichtung 6 im dargestellten Ausführungsbeispiel insgesamt ein zylindrisches Volumen 60 einnimmt.
Die Nabe 5 weist in an sich bekannter Weise weitere Strukturen auf. So sind am axial vorderen Ende Befestigungsmittel 55 zur Verbindung mit einem Nasenkonus vorgesehen. Am axial hinteren Ende bildet die Nabe einen Wandbereich 53 aus, der sich schräg radial nach innen erstreckt und in einem Flansch 54 endet, der dazu dient, den Fan 23 über Befestigungsmittel 95 mit einer Antriebswelle beispielsweise entsprechend der 2 zu verbinden.
Weitere alternative Ausgestaltungen sehen vor, dass die Nabe 8 des Weiteren eine Rotorscheibe ausbildet, die axial vor oder axial hinter der Unwuchtkorrektureinrichtung 6 ausgebildet ist. Dies gilt insbesondere in Fällen, in denen die Unwuchtkorrektureinrichtung nicht in der Nabe eines Fans, sondern in der Nabe eines anderen Rotors, beispielsweise eines Rotors einer Verdichterstufe oder einer Turbinenstufe ausgebildet ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass in der axial vorderen Wand 61 und/oder der axial hinteren Wand 62 Luftlöcher (nicht dargestellt) ausgebildet sein können, die gewährleisten, dass im Falle des Bruches einer Fanschaufel der Austritt des Füllmaterials 7 nicht durch einen Unterdruck in der Unwuchtkorrektureinrichtung 6 beeinträchtigt wird. Solche Luftlöcher sind beispielsweise derart ausgebildet, dass das Füllmaterial sie nicht passieren kann. Dies kann beispielsweise über ihre Größe und/oder Ventile erreicht werden.
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. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die in der Unwuchtkorrektureinrichtung ausgebildeten Laufbahnen für das Massestück mit anderer Form und/oder durch andere Strukturen bereitgestellt sind.
Es wird darauf hingewiesen, dass beliebige der beschriebenen Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale aus, die hier beschrieben werden und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010032985 B4 [0004]

Claims

Rotor einer Strömungsmaschine, der aufweist: - eine Rotornabe (5), die eine Nabenoberseite (51) und eine Nabenunterseite (52) aufweist, - eine Mehrzahl von Rotorschaufeln (230), die von der Nabenoberseite (51) abstehen, - wobei der Rotor (23) eine Rotationsachse (9) aufweist, gekennzeichnet durch - eine Unwuchtkorrektureinrichtung (6), die sich radial innen der Nabenunterseite (52) erstreckt und durch diese radial außen begrenzt wird, wobei die Unwuchtkorrektureinrichtung (6) aufweist: ◯ eine axial vordere Wand (61) und axial hintere Wand (62), die zusammen mit der Nabenunterseite (52) ein Volumen (60) der Unwuchtkorrektureinrichtung (6) definieren, ◯ ein Massestück (8), das im Normalbetrieb des Rotors (23) auf der Rotationsachse (9) angeordnet ist, ◯ ein Füllmaterial (7), das das Volumen (60) zumindest teilweise ausfüllt und das Massestück (8) in radialer Richtung umgibt, - radiale Bohrungen (90, 90'), die sich in radialer Richtung von der Nabenunterseite (52) durch die Rotornabe (5) zu einer jeweils zugeordneten Rotorschaufel (230) erstrecken, wobei jede radiale Bohrung (90) durch die zugehörige Rotorschaufel (230) an ihrem radial äußeren Ende verschlossen ist, - wobei die radialen Bohrungen (90, 90') und das Füllmaterial (7) derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt sind, dass bei Verlust einer Rotorschaufel (230) Füllmaterial (7) aus der dadurch frei gewordenen, der Verlust gegangenen Rotorschaufel zugeordneten radialen Bohrung (90') austritt, wobei das Massestück (8) sich von seiner Position auf der Rotationsachse (9) in Richtung der Verlust gegangenen Rotorschaufel (230) bewegt.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unwuchtkorrektureinrichtung (6) Laufbahnen (65) für das Massestück (8) ausbildet, die sich im Volumen (60) ausgehend von der Rotationsachse (9) radial nach außen bis zur Nabenunterseite (52) erstrecken und an mindestens eine radiale Bohrung (90, 90') angrenzen.
Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbahnen (65) durch radial verlaufende, in Umfangsrichtung beabstandete Strukturen (66, 67) definiert sind.
Rotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die radial verlaufenden Strukturen (66, 67) sich von der Nabenunterseite (52) in Richtung der Rotationsachse (9) erstrecken.
Rotor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbahnen (65) in ein Grundmaterial der Unwuchtkorrektureinrichtung (6) eingefräst worden sind.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unwuchtkorrektureinrichtung (6) Ventilklappen (75) aufweist, die das Volumen (60) in Bereiche unterteilt, wobei die Ventilklappen (75) jeweils derart ausgebildet sind, das sie verhindern, dass Füllmaterial (7) eines Bereichs entgegen der radialen Richtung aus dem betrachteten Bereich heraustreten kann.
Rotor nach Anspruch 6, soweit rückbezogen auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilklappen (75) derart angeordnet sind, dass sie bei Verlust einer Rotorschaufel (230) alle Laufbahnen (65) verschließen bis auf die Laufbahn, die an die radiale Bohrung (90') angrenzt, durch die nach Verlust der Rotorschaufel Füllmaterial (7) austritt.
Rotor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilklappen (75) jeweils durch zwei Innenwände (76, 77) gebildet sind, die sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung erstrecken und dabei winklig zueinander angeordnet sind.
Rotor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Unwuchtkorrektureinrichtung (6) mehrere konzentrische Anordnungen (750, 751) von Innenwänden (76, 77) aufweist.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Massestück (8) zylindrisch oder als Kugel ausgebildet ist.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Massestück (8) aus einem Metall gebildet ist.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (7) durch ein fließfähiges Pulver oder Schüttgut gebildet ist.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (7) durch Glasperlen einer mittleren Körngröße im Bereich zwischen 0,01 mm und 0,1 mm, insbesondere im Bereich zwischen 0,04 mm und 0,06 mm gebildet ist.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (7) eine Flüssigkeit oder ein Gas ist.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Bohrungen (90, 90') derart ausgebildet sind, dass sie in einem radialen Abstand zur Nabenoberseite (51) in der jeweiligen Rotorschaufel (230) enden.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Unwuchtkorrektureinrichtungen (6), die in axialer Richtung hintereinander in dem Rotor ausgebildet sind, mit jeweils zugeordneten radialen Bohrungen (90), wobei die radialen Bohrungen (90) der einzelnen Unwuchtkorrektureinrichtungen (6) in radialer Richtung unterschiedlich weit in die Rotorschaufeln (230) hineinreichen.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (23) ein Fan und die Rotorschaufeln (230) Fanschaufeln sind.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschaufeln (230) und die Rotornabe (5) einstückig ausgebildet sind.
Gasturbinentriebwerk (10) mit einem Rotor nach Anspruch 1.
Gasturbinentriebwerk (10) nach Anspruch 19, das aufweist: - einen Triebwerkskern (11), der eine Turbine (19), einen Verdichter (14) und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende, als Hohlwelle ausgebildete Turbinenwelle (26) umfasst; - einen Fan (23), der stromaufwärts des Triebwerkskerns (11) positioniert ist, wobei der Fan (23) mehrere Fanschaufeln umfasst und gemäß Anspruch 1 ausgebildet ist; und - ein Getriebe (30), das einen Eingang von der Turbinenwelle (26) empfängt und Antrieb für den Fan (23) zum Antreiben des Fans mit einer niedrigeren Drehzahl als die Turbinenwelle (26) abgibt.