DE102018129997A1

DE102018129997A1 - Wellenbauteil und Verfahren zur Herstellung eines Wellenbauteils

Info

Publication number: DE102018129997A1
Application number: DE102018129997.4A
Authority: DE
Inventors: Karl Schreiber; Alexander SCHULT; Ulrich ADAMCZEWSKI
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2020-05-28
Also published as: US20200165981A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wellenbauteil (50), verbindbar oder verbunden mit der Antriebs- oder Abtriebsseite eines Getriebes (30) in einem Gasturbinentriebwerk (10), insbesondere einem Flugzeugtriebwerk, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenbauteil (50) teilweise einen Bereich (51) mit faserverstärktem Kunststoff aufweist, wobei die Fasern (55) in diesem Bereich (51) nur unter einem Winkelbereich von +/- 40° bis 50°, insbesondere +/- 42° bis 48°, ganz insbesondere +/- 45°, zur Hauptdrehachse (9) Wellenbauteils (50) angeordnet sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Wellenbauteils und ein Gasturbinentriebwerk.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Wellenbauteil auf der Antriebs- oder Abtriebsseite eines Getriebes in einem Gasturbinentriebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Wellenbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 14.
In Gasturbinentriebwerken, insbesondere in Fangetriebe-Triebwerken von Flugzeugen, werden Umlaufgetriebe (Planetengetriebe) verwendet, um die relativ hohen Drehzahlen einer Turbine zum Antrieb eines Fans des Triebwerks herabzusetzen. Grundsätzlich ist es z.B. aus der US 2009/0038435 A1 oder der WO 2010/0666724 A1 bekannt, im Zusammenhang mit Getrieben Verbundwerkstoffe zu verwenden.
Es besteht aber die Aufgabe, Wellen zur Verfügung zu stellen, die insbesondere den besonderen Anforderungen der Momentenübertragung gerecht werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Wellenbauteil adressiert, das mit der Antriebs- oder Abtriebsseite eines Getriebes verbindbar oder verbunden in einem Gasturbinentriebwerk, insbesondere einem Flugzeugtriebwerk, ist. Dabei weist das Wellenbauteil mindestens einen Bereich mit kohlefaserverstärktem Kunststoff auf, wobei die Fasern in diesem Bereich nur, d.h. ausschließlich unter einem Winkelbereich von +/- 40° bis 50°, insbesondere von +/- 42° bis 48°, ganz insbesondere +/- 45°, zur Hauptdrehachse des Wellenbauteils angeordnet sind.
Ein solches Wellenbauteil kann auch bei der sehr großen Energiedichte eingesetzt werden, die sowohl aus den Gewichtsforderungen, wie aus dem sehr begrenzten Bauraum herrührt, die bei Getrieben (z.B. einem Planetengetriebe) in Gasturbinentriebwerken bestehen. Auch liegen regelmäßig sehr hohe mechanische Belastungen vor, unter Temperaturen z.B. zwischen -50°C bis +180°C, in einem großen Drehzahlbereich und bei hohen Übertragungslasten. Die baulichen Durchmesserbeschränkungen im Zusammenspiel mit sehr hohen zu übertragenden Drehmomenten machen im Getriebe sehr lange Zahnflanken erforderlich. Um einen gleichmäßigen Zahneingriff zu gewährleisten, ist es somit notwendig, neben sehr steif ausgelegten Bauteilen auch sehr flexible, ausgleichende Bauteile zu kombinieren. Es sei darauf hingewiesen, dass der Faservolumenanteil grundsätzlich variabel sein kann.
Der Gegenstand des Anspruchs 1 weist eine sehr torsionssteife und gleichzeitig biegeweiche Bauweise auf. Diese Eigenschaftskombination ist in metallischer Bauweise nur mit großem Bauraum und sehr hohen Herstellkosten möglich, da für die Biegeelastizität ein sogenannter Faltenbalg erforderlich ist, welcher aufgrund seines großen Außendurchmessers einen großen Bauraum benötigt.
In einer Ausführungsform ist an einer Lasteinleitungsstelle und / oder an einer Lastausleitungsstelle, insbesondere einem Flansch des Wellenbauteils ein metallisches Insert angeordnet. Damit kann im Anschlussbereich ein relativ hohes Drehmoment übertragen werden.
Auch kann in einer Ausführungsform mindestens eine Drainageöffnung für Öl vorgesehen sein. In einem Getriebe liegt auf Grund der notwendigen Schmierung immer viel Öl vor, so dass die Drainageöffnung für einen geeigneten Ölkreislauf sorgt.
Die Fasern sind in einer Ausführungsform mindestens teilweise als Monolagen ausgebildet.
In einer Ausführungsform ist an der Lastausleitungsseite auf der dem Getriebe (insbesondere einem Planetengetriebe) abgewandten Seite eine Bolzenverbindung, eine formschlüssige Splineverbindung, eine Schraubenverbindung und / oder eine Klebverbindung angeordnet.
Alternativ oder zusätzlich können an der Lasteinleitungsseite auf der Seite des Getriebes (insbesondere einem Planetengetriebe) eine Bolzenverbindung, eine formschlüssige Splineverbindung, eine Presspassung, eine Schraubenverbindung und / oder eine Klebverbindung angeordnet sein.
Ferner kann in einer Ausführungsform des Wellenbauteils (z.B. einer Hohlwelle) zwischen Lasteinleitungsstelle und Lastausleitungsstelle ein konischer Bereich angeordnet sein, der sich von der Lasteinleitungsstelle zur Lastausleitungsstelle in axialer Richtung verjüngt. Damit kann der zur Verfügung stehende Bauraum gut genutzt werden.
Bei einer Ausführungsform mit einem konischen Bereich liegen in der axialen Mitte des konischen Bereichs die Fasern unter einem Winkelbereich von +/- 40° bis 50°, insbesondere von +/- 42° bis 48°, ganz insbesondere 45° zur Hauptdrehachse, wobei sich der Winkel in Richtung zu einem größeren Durchmesser vergrößert und sich der Winkel in Richtung zu einem kleineren Durchmesser verkleinert. Insbesondere bleibt der Faservolumengehalt im konischen Bereich, auch unabhängig vom Winkel der Faserablage, maximal.
Das Wellenbauteil, kann z.B. als Hohlwelle ausgebildet sein, wobei die Wandstärke von der Lasteinleitungsstelle zur Lastausleitungsstelle zunimmt.
In einer weiteren Ausführungsform können im Lasteinleitungsbereich und / oder dem Lastausleitungsbereich des Wellenbauteils zusätzliche Lagen von Fasern, insbesondere lastangepasster Orientierung, angeordnet sein.
Das Wellenbauteil kann insbesondere als Teil einer Antriebswelle für einen Fan ausgebildet sein, d.h. das Wellenbauteil kann insbesondere in einem Turbofan-Getriebe-Triebwerk verwendet werden.
In einer Ausführungsform kann der faserverstärkte Kunststoff Kohlenstofffasern, metallische Filamente, Kunststofffasern, insbesondere Aramide und / oder Keramikfasern aufweist.
Die Aufgabe wird auch in einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 adressiert. Dabei werden in einem Bereich des Wellenbauteils Kohlefasern in eine Matrix eingebracht, wobei die Fasern in diesem Bereich nur (d.h. ausschließlich) unter einem unter einem Winkelbereich von +/- 40° bis 50°, insbesondere von +/- 42° bis 48°, ganz insbesondere +/- 45°, zur Hauptdrehachse des Wellenbauteils angeordnet werden. In anderen Bereichen in axialer und / oder radialer Richtung kann von diesem Drehwinkel auch abgewichen werden.
Die Anordnung der Faser kann insbesondere als ein Ablegen der Fasern ohne Kreuzungspunkte und / oder minimaler Faserondulation erfolgen.
Für das Einbringen der Fasen kann ein Wickelverfahren, ein Flechtverfahren, ein TFP-Verfahren oder eine Kombination der Verfahren verwendet werden. Dabei kann insbesondere beim Einbringen der Fasern mindestens eine Drainageöffnung offengehalten werden. Damit entfällt ein nachträgliches Bohren in dem Wellenbauteil.
Da Faserherstellungsverfahren häufig rotationssymmetrische Bauteile effizient herstellen können, werden in einer Ausführungsform bei der Herstellung zwei symmetrische Teile hergestellt, die dann in zwei Wellenbauteile aufgetrennt werden.
Ferner wird die Aufgabe auch durch ein Gasturbinentriebwerk für ein Luftfahrzeug adressiert, das Folgendes umfasst:

ein Kerntriebwerk, das eine Turbine, einen Verdichter und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende Kernwelle umfasst;
einen Fan, der stromaufwärts des Kerntriebwerks positioniert ist, wobei der Fan mehrere Fanschaufeln umfasst; und
ein Getriebe, das von der Kernwelle antreibbar ist, wobei der Fan mittels des Getriebes mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle antreibbar ist, wobei ein Wellenbauteil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13 mit dem Getriebe verbunden ist, insbesondere auf der Abtriebsseite des Getriebes als Teil einer Antriebswelle für den Fan.

Wie hier an anderer Stelle angeführt wird, kann sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk, z.B. ein Flugzeugtriebwerk, beziehen. Solch ein Gasturbinentriebwerk kann ein Kerntriebwerk umfassen, das eine Turbine, eine Brennervorrichtung, einen Verdichter und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende Kernwelle umfasst. Solch ein Gasturbinentriebwerk kann einen Fan (mit Fanschaufeln) umfassen, der stromaufwärts des Kerntriebwerks positioniert ist.
Anordnungen der vorliegenden Offenbarung können insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für Getriebe-Fans, die über ein Getriebe angetrieben werden, von Vorteil sein. Entsprechend kann das Gasturbinentriebwerk ein Getriebe umfassen, das über die Kernwelle angetrieben wird und dessen Abtrieb den Fan so antreibt, dass er eine niedrigere Drehzahl als die Kernwelle aufweist. Der Eingang für das Getriebe kann direkt von der Kernwelle oder indirekt über die 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 der Fan 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 aufweisen, die Turbinen und Verdichter verbinden, beispielsweise eine, zwei oder drei Wellen. 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. Das Kerntriebwerk 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 einer solchen Anordnung kann der zweite Verdichter axial stromabwärts des ersten Verdichters positioniert sein. Der zweite Verdichter kann dahingehend angeordnet sein, eine Strömung von dem ersten Verdichter aufzunehmen (beispielsweise direkt aufzunehmen, beispielsweise über einen generell ringförmigen Kanal).
Das Getriebe kann dahingehend ausgebildet sein, dass es von der Kernwelle angetrieben wird, die dazu konfiguriert ist, sich (beispielsweise im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen (beispielsweise die erste Kernwelle in dem obigen Beispiel). Beispielsweise kann das Getriebe dahingehend ausgebildet sein, dass es lediglich von der Kernwelle angetrieben wird, 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). Alternativ dazu kann das Getriebe dahingehend ausgebildet sein, dass es von einer oder mehreren Wellen angetrieben wird, beispielsweise der ersten und/oder der zweiten Welle in dem obigen Beispiel.
Bei einem Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine Brennvorrichtung axial stromabwärts des Fans und des Verdichters (oder der Verdichter) vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Brennervorrichtung 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. Die Brennervorrichtung 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 umfassen, bei denen es sich um variable Statorschaufeln handeln kann (d.h. der Anstellwinkel kann variabel sein). Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial zueinander 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 zueinander versetzt sein.
Jede Fanschaufel kann eine radiale Spannweite aufweisen, die sich von einem Fuß (oder einer Nabe) an einer radial innenliegenden, von Gas überströmten Stelle oder sich von einer Position einer Spannweite von 0 % zu einer Spitze mit einer Spannweite von 100 % erstreckt. Das Verhältnis des Radius der Fanschaufel an der Nabe zu dem Radius der Fanschaufel an der Spitze kann bei 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 Fanschaufel an der Nabe zu dem Radius der Fanschaufel an der Spitze kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei Werten im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können die 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 der vorderen Kante (oder der axial am weitesten vorne liegenden Kante) der Schaufel gemessen werden. Das Nabe-Spitze-Verhältnis bezieht sich natürlich auf den von Gas überströmten Abschnitt der Fanschaufel, d. h. den Abschnitt, der sich radial außerhalb jeglicher Plattform befindet.
Der Radius des Fans kann zwischen der Mittellinie des Triebwerks und der Spitze der Fanschaufel an ihrer vorderen Kante gemessen werden. Der Durchmesser des Fans (der allgemein das Doppelte des Radius des Fans sein kann) kann größer als (oder in der Größenordnung von): 250 cm (etwa 100 Inch), 260 cm (etwa 102 Inch), 270 cm (etwa 105 Inch), 280 cm (etwa 110 Inch), 290 cm (etwa 115 Inch), 300 cm (etwa 120 Inch), 310 cm (etwa 122 Inch), 320 cm (etwa 125 Inch), 330 cm (etwa 130 Inch), 340 cm (etwa 135 Inch), 350 cm (etwa 138 Inch), 360 cm (etwa 140 Inch), 370 cm (etwa 145 Inch), 380 cm (etwa 150 Inch) oder 390 cm (etwa 155 Inch) sein (liegen). Der Fandurchmesser kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können die obere oder untere Grenzen bilden).
Die Drehzahl des Fans kann im Betrieb variieren. Allgemein ist die Drehzahl geringer für Fans mit einem größeren Durchmesser. Lediglich als ein nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Fans 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 Fans bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen für ein Triebwerk mit einem Fandurchmesser 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 Fans bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen für ein Triebwerk mit einem Fandurchmesser 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 der Fan (mit zugehörigen Fanschaufeln) um eine Drehachse. Diese Drehung führt dazu, dass sich die Spitze der Fanschaufel mit einer Geschwindigkeit U_Spitze bewegt. Die von den Fanschaufeln an der Strömung verrichtete Arbeit resultiert in einem Anstieg der Enthalpie dH der Strömung. Eine Fanspitzenbelastung kann als dH/U_Spitze ² definiert werden, wobei dH der Enthalpieanstieg (beispielsweise der durchschnittliche 1-D-Enthalpieanstieg) über den Fan hinweg ist und U_Spitze die (Translations-) Geschwindigkeit der Fanspitze, beispielsweise an der vorderen Kante der Spitze, ist (die als Fanspitzenradius am vorderen Rand multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit definiert werden kann). Die Fanspitzenbelastung 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 Fanspitzenbelastung kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zweien 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 (oder 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 abgeschlossenen Bereich liegen, der von zweien der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können die obere oder untere Grenzen bilden). Der Bypasskanal kann im Wesentlichen ringförmig sein. Der Bypasskanal kann sich radial außerhalb des Kerntriebwerks befinden. Die radial äußere Fläche des Bypasskanals kann durch eine Triebwerksgondel und/oder ein Fangehäuse definiert werden.
Das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann als das Verhältnis des Staudrucks stromaufwärts des Fans zu dem Staudruck am Ausgang des Höchstdruckverdichters (vor dem Eingang in die Brennervorrichtung) 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 abgeschlossenen Bereich liegen, der von zweien der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können die 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 N kg^-1 s, 105 N kg^-1 s, 100 N kg^-1 s, 95 N kg^-1 s, 90 N kg^-1 s, 85 N kg^-1 s oder 80 N kg^-1 s betragen (liegen). Der spezifische Schub kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zweien der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können die 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): 160 kN, 170 kN, 180 kN, 190 kN, 200 kN, 250 kN, 300 kN, 350 kN, 400 kN, 450 kN, 500 kN oder 550kN in der Lage sein. Der Höchstschub kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zweien der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können die obere oder untere Grenzen bilden). Der Schub, auf den oben Bezug genommen wird, kann der Nettohöchstschub bei standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen auf Meereshöhe plus 15 °C (Umgebungsdruck 101,3 kPa, Temperatur 30 °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 zur Brennvorrichtung, 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): 1400 K, 1450 K, 1500 K, 1550 K, 1600 K oder 1650 K betragen (liegen). Die TET bei Konstantgeschwindigkeit kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zweien der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können die obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET im Gebrauch des Triebwerks kann beispielsweise mindestens (oder in der Größenordnung von): 1700 K, 1750 K, 1800 K, 1850 K, 1900 K, 1950 K oder 2000 K betragen (liegen). Die maximale TET kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zweien der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können die 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 Fanschaufel und/oder ein Blattabschnitt (aerofoil) einer Fanschaufel, 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 Fanschaufel 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 Fanschaufel 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 Fanschaufel kann mindestens zwei Bereiche umfassen, die unter Verwendung verschiedener Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann die Fanschaufel eine vordere Schutzkante aufweisen, die 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 eine vordere Kante kann beispielsweise unter Verwendung von Titan oder einer auf Titan basierenden Legierung hergestellt werden. Somit kann die Fanschaufel 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 Fan, der hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann einen mittleren Abschnitt umfassen, von dem sich die Fanschaufeln, beispielsweise in einer radialen Richtung, erstrecken können. Die Fanschaufeln können auf beliebige gewünschte Art und Weise an dem mittleren Abschnitt angebracht sein. Beispielsweise kann jede Fanschaufel 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 Fanschaufel 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 Fanschaufeln 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 Fanschaufeln aus einem Block maschinell herausgearbeitet werden und/oder mindestens ein Teil der Fanschaufeln 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 im Betrieb eine Variation des Ausgangsquerschnitts des Bypasskanals erlauben. Die allgemeinen Prinzipien der vorliegenden Offenbarung können auf Triebwerke mit oder ohne eine VAN zutreffen.
Der Fan einer Gasturbine, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine beliebige gewünschte Anzahl an Fanschaufeln, beispielsweise 16, 18, 20 oder 22 Fanschaufeln, aufweisen.
Gemäß der hier erfolgenden Verwendung können Konstantgeschwindigkeitsbedingungen die 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 Konstantgeschwindigkeitsbedingung sein. Bei einigen Luftfahrzeugen kann die Konstantgeschwindigkeitsbedingung 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 entsprechen, 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. 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 °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 Fanbetrieb ausgelegt ist, entsprechen. Dies kann beispielsweise die Bedingungen, bei denen der Fan (oder das Gasturbinentriebwerk) konstruktionsgemäß den optimalen Wirkungsgrad aufweist, bedeuten.
Im Betrieb 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 zwei oder vier) Gasturbinentriebwerk(e) 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.
Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen:

1 eine Seitenschnittansicht eines Gasturbinentriebwerks;
2 eine Seitenschnittgroßansicht eines stromaufwärtigen Abschnitts eines Gastu rb i nentriebwerks;
3 eine zum Teil weggeschnittene Ansicht eines Getriebes für ein Gasturbinentriebwerk;
4 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Wellenbauteils;
5 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Wellenbauteils;
6 eine perspektivische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform eines Wellenbauteils;
7 eine Schnittansicht einer vierten Ausführungsform eines Wellenbauteils;
8 eine Darstellung der normierten Biegesteifigkeit und der normierten Torsionssteifigkeit in Abhängigkeit vom Faserwinkel.

1 stellt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einer Hauptdrehachse 9 dar. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Lufteinlass 12 und einen Fan 23, der zwei Luftströme erzeugt: einen Kernluftstrom A und einen Bypassluftstrom B. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Kern 11, der den Kernluftstrom A aufnimmt. Das Kerntriebwerk 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. Der Fan 23 ist über eine Welle 26 und ein epizyklisches Planetengetriebe 30 an der Niederdruckturbine 19 angebracht und wird durch diese angetrieben.
Im Betrieb 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. Der Fan 23 stellt allgemein den Hauptteil der Schubkraft bereit. Das epizyklische Planetengetriebe 30 ist ein Untersetzungsgetriebe.
Eine beispielhafte Anordnung für ein Getriebe-Fan-Gasturbinentriebwerk 10 wird in 2 gezeigt. Die Niederdruckturbine 19 (siehe 1) treibt die Welle 26 an, die mit einem Sonnenrad 28 des epizyklischen Planetengetriebes 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 führt die Planetenräder 32 so, dass sie synchron um das Sonnenrad 28 kreisen, während er ermöglicht, dass sich jedes Planetenrad 32 um seine eigene Achse drehen kann. Der Planetenträger 34 ist über Gestänge 36 mit dem Fan 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 den Fan 23 umfassen) und/oder die Turbinen- und Verdichterstufe, die durch die verbindende Welle 26 mit der niedrigsten Drehzahl in dem Triebwerk (d. h. dass sie nicht die Getriebeausgangswelle, die den Fan 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 der Fan 23 als eine erste Verdichtungsstufe oder Verdichtungsstufe mit dem niedrigsten Druck bezeichnet werden.
Das epizyklische Planetengetriebe 30 wird in 3 beispielhaft genauer gezeigt. Das Sonnenrad 28, die Planetenräder 32 und das Hohlrad 38 umfassen jeweils Zähne an ihrem Umfang, um ein Kämmen mit den anderen Zahnrädern zu ermöglichen. 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 epizyklischen Planetengetriebes 30 umfassen allgemein mindestens drei Planetenräder 32.
Das in 2 und 3 beispielhaft dargestellte epizyklische Planetengetriebe 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 Planetengetrieben 30 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel kann das Planetengetriebe 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 der Fan 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 Gasturbinentriebwerk 10 und/oder zur Verbindung des Getriebes 30 mit dem Gasturbinentriebwerk 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 Gasturbinentriebwerks 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 Gasturbinentriebwerks 10 (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 epizyklisch 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 Turbofantriebwerk bezieht, kann die Offenbarung beispielsweise bei einer beliebigen Art von Gasturbinentriebwerk, wie z. B. bei einem Open-Rotor- (bei dem die Fanstufe 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.
In der 4 ist in einer perspektivischen Ansicht eine erste Ausführungsform eines grundsätzlich rotationssymmetrischen Wellenbauteils 50 dargestellt. Dieses als Hohlwelle ausgeführtes Wellenbauteil ist als Teil einer Antriebswelle für den Fan 23 (siehe 1) ausgebildet, d.h., das Wellenbauteil 50 ist auf der Abtriebsseite des Getriebes 30 angeordnet.
Die Lasteinleitungsstelle 56 ist dabei mit dem Planetenträger 34 verbunden. Dazu dient hier ein nur schematisch angedeutetes metallisches Insert 53. Axial weiter vorne liegt die Lastausleitungsstelle 57, an der ein Flansch 52 angeordnet ist.
Das Wellenbauteil 50 weist mindestens teilweise einen Bereich 51 mit kohlefaserverstärktem Kunststoff auf, wobei die Fasern 55 in diesem Bereich 51 nur unter einem Winkelbereich von +/- 40° bis 50°, insbesondere von +/- 42° bis 48°, hier aber +/- 45°, zur Hauptdrehachse 9 des Wellenbauteils 50 angeordnet sind. Grundsätzlich können auch andere Fasern (Metall, Keramik, Kunststoff etc.) allein oder in Kombination verwendet werden.
Damit wird eine in axialer und radialer Richtung nachgiebige Struktur erreicht, so dass der angetriebene Fan 23 von Bewegungen des Getriebes 30 entkoppelt ist. Die unter einem Winkel von im Wesentlichen +/- 45° verlegten Fasern 55 leiten Torsionslasten effizient ab. Die Fasern 55 sind hier jeweils als Monolagen abgelegt, wobei die Fasern insbesondere kreuzungsfrei in die Matrix eingebracht werden, d.h. der Faserwinkel bleibt gleich.
Die Winkelmessung erfolgt hier unter Verwendung einer Projektion der Faserwicklung auf die Hauptdrehachse 9. Der Bereich 51 ist hier in axialer Erstreckung zu verstehen. In alternativen Ausführungsformen können einzelne Lagen im Wesentlichen unter +/-45° verlegt werden, während andere Lagen einen anderen Winkel aufweisen.
In der 8 und der folgenden Tabelle ist die Abhängigkeit der normierten Biegesteifigkeit und der normierten Torsionssteifigkeit vom Winkel der Fasern dargestellt.

Im Winkelbereich mit jeweils einer 5° Abweichung vom 45° Winkel ist in 8 nur ein minimaler Einfluss auf die Torsionssteifigkeit zu erkennen, jedoch ein deutlicher Einfluss auf die Biegesteifigkeit. Somit kann bei der beschriebenen Ausführungsform ohne Einfluss auf die Torsionssteifigkeit die Biegesteifigkeit in weiten Bereichen festgelegt werden. Der Faservolumengehalt geht auf beide Größen linear ein.

Faserwinkel in °	Normierte Biegesteifigkeit	Normierte Torsionssteifigkeit
+-40°	136,30%	97,40%
+-45°	100.00%	100.00%
+-50°	78,30%	97,40%
+-55°	65,60%	89,70%
+-60°	58,30%	78,10%

Zur Herstellung einer solchen Ausführungsform können verschiedene Verfahren eingesetzt werden, die auch miteinander kombiniert werden können. So können z.B. ein Wickelverfahren, ein Flechtverfahren, ein TFP-Verfahren (Tailored Fiber Process) oder eine Kombination der Verfahren verwendet werden.
Bei der Verwendung eines Flechtverfahrens können die Fasern 55 z.B. auch über Absätze gelegt werden. Ein Beispiel für eine Kombination der Verfahren ist z.B. die Verwendung eines TFP Preformteils, das anschließend überwickelt oder überflochten wird.
In der hier dargestellten Ausführungsform weist das Wellenbauteil eine Länge von 250 mm auf. Der Flansch 52 weist einen Durchmesser von 500 mm auf. Der Durchmesser an der Lasteinleitungsstelle 56 beträgt 300 mm. Typischerweise wird ein solches Wellenbauteil ein Torsionsmoment von 200.000 bis 500.000 Nm, bei einer Drehzahl zwischen 300 bis 700 U/min, übertragen. Diese Zahlenangaben sind dabei nur beispielhaft zu verstehen, da andere Designanforderungen auch eine andere Dimensionierung des Wellenbauteils 50 erfordern.
In der Ausführungsform gemäß 4 ist an der Lasteinleitungsstelle 56 im Wesentlichen kreiszylindrisch ausgebildet. In diesem Teil ist auch mindestens eine Drainageöffnung 54 angeordnet, durch die z.B. Öl abfließen kann. Bei einem konischen Bauteil (siehe 5) wird die Drainageöffnung 54 im Bereich des größten Durchmessers angeordnet.
Die Ausführungsform gemäß 5 stellt eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß 4 dar, so dass auf die Ausführungsform Bezug genommen werden kann. Die Abmessungen und Designparameter sind ähnlich zu der Ausführungsform gemäß der 4.
Allerdings weist diese Ausführungsform einen konischen Bereich 58 auf, der zwischen Lasteinleitungsstelle 56 und Lastausleitungsstelle 57 angeordnet ist, wobei sich der konische Bereich 58 sich von der Lasteinleitungsstelle 56 zur Lastausleitungsstelle 57 in axialer Richtung verjüngt.
Die Fasern 55 verlaufen hier in dem konischen Bereich 58, aber auch in dem rechts davon liegenden zylindrischen Bereich. Auch hier liegt ein kohlefaserverstärkter Kunststoff vor, wobei die Fasern 55 in diesem Bereich 51 ebenfalls ausschließlich unter einem Winkelbereich von +/- 40° bis 50°, insbesondere +/- 42° bis 48°, ganz insbesondere +/- 45°, zur Hauptdrehachse 9 des Wellenbauteils 50 angeordnet sind.
Diese Winkelangaben beziehen sich in einer Ausführungsform auf die axiale Mitte des konischen Bereichs 58. Der Winkel kann sich in Richtung zu einem größeren Durchmesser vergrößern und sich der Winkel in Richtung zu einem kleineren Durchmesser verkleinern. Der Faservolumengehalt ist im konischen Bereich, auch unabhängig vom Winkel der Faserablage, maximal ist.
Des Weiteren ist bei dieser Ausführungsform die Wandstärke der Hohlwelle nicht konstant, die Wandstärke d₁ , d₂ nimmt von der Lasteinleitungsstelle 56 zur Lastausleitungsstelle 57 zu.
Der Gegenstand der 5 ist in 6 in einer perspektivischen Schnittansicht dargestellt.
In der 7 ist eine weitere Ausführungsform eines Wellenbauteils 50 dargestellt, wobei das Wellenbauteil 50 hier auf der Abtriebsseite des Umlaufgetriebes 30 in einer sogenannten Stern-Anordnung angeordnet ist. Der Antrieb des Getriebes 30 erfolgt über das Sonnenrad 28, das die Planetenräder 32 in Rotation versetzt. Die Planetenträger 34 sind hierbei statisch ausgebildet, das Hohlrad 38 hingegen drehbar. Damit wird das Wellenbauteil 50 über das Hohlrad 38 angetrieben.
Dies zeigt, dass Wellenbauteile 50 der hier beschriebenen Art im Zusammenhang mit unterschiedlichen Getriebekonfigurationen verwendet werden können.
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. Beliebige der Merkmale können 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.
Bezugszeichenliste
In

9: Hauptdrehachse
10: Gasturbinentriebwerk
11: Kerntriebwerk
12: Lufteinlass
14: Niederdruckverdichter
15: Hochdruckverdichter
16: Verbrennungseinrichtung
17: Hochdruckturbine
18: Bypassschubdüse
19: Niederdruckturbine
20: Kernschubdüse
21: Triebwerksgondel
22: Bypasskanal
23: Fan
24: stationäre Stützstruktur
26: Welle
27: Verbindungswelle
28: Sonnenrad
30: Getriebe
32: Planetenräder
34: Planetenträger
36: Gestänge
38: Hohlrad
40: Gestänge
50: Wellenbauteil
51: Bereich mit faserverstärktem Kunststoff
52: Flansch
53: metallisches Insert
54: Drainageöffnung
55: Fasern
56: Lasteinleitungsstelle
57: Lastausleitungsstelle
58: konischer Bereich
A: Kernluftstrom
B: Bypassluftstrom
d₁: Wandstärke
d₂: Wandstärke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2009/0038435 A1 [0002]
WO 2010/0666724 A1 [0002]

Claims

Wellenbauteil (50), verbindbar oder verbunden mit der Antriebs- oder Abtriebsseite eines Getriebes (30) in einem Gasturbinentriebwerk (10), insbesondere einem Flugzeugtriebwerk, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenbauteil (50) teilweise einen Bereich (51) mit faserverstärktem Kunststoff aufweist, wobei die Fasern (55) in diesem Bereich (51) nur unter einem Winkelbereich von +/- 40° bis 50°, insbesondere von +/- 42° bis 48°, ganz insbesondere +/- 45°, zur Hauptdrehachse (9) des Wellenbauteils (50) angeordnet sind.
Wellenbauteil (50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Lasteinleitungsstelle (56) und / oder an einer Lastausleitungsstelle (57), insbesondere einem Flansch (52) des Wellenbauteils (50) ein metallisches Insert (53) angeordnet ist.
Wellenbauteil (50) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens eine Drainageöffnung (54) für Öl.
Wellenbauteil (50) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (55) mindestens teilweise als Monolagen ausgebildet sind.
Wellenbauteil (50) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Bolzenverbindung, eine formschlüssige Splineverbindung, eine Schraubenverbindung und / oder eine Klebverbindung an der Lastausleitungsseite (57) auf der dem Getriebe (30), insbesondere einem Planetengetriebe, abgewandten Seite.
Wellenbauteil (50) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Bolzenverbindung, eine formschlüssige Splineverbindung Presspassung, eine Schraubenverbindung und / oder eine Klebverbindung an der Lasteinleitungsseite (56) auf der Seite des Getriebes (30), insbesondere eines Planetengetriebes.
Wellenbauteil (50) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Lasteinleitungsstelle (56) und Lastausleitungsstelle (57) ein konischer Bereich (58) angeordnet ist, der sich von der Lasteinleitungsstelle (56) zur Lastausleitungsstelle (57) in axialer Richtung verjüngt.
Wellenbauteil (50) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der axialen Mitte des konischen Bereichs (58) die Fasern (55) unter einem Winkelbereich von +/-40° bis 50°, insbesondere +/- 42° bis 48°, ganz insbesondere +/- 45°, zur Hauptdrehachse (9) angeordnet sind, wobei sich der Winkel in Richtung zu einem größeren Durchmesser vergrößert und sich der Winkel in Richtung zu einem kleineren Durchmesser verkleinert.
Wellenbauteil (50) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Faservolumengehalt im konischen Bereich (58) auch unabhängig vom Winkel der Faserablage, maximal ist.
Wellenbauteil (50) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Hohlwelle ausgebildet ist, wobei die Wandstärke (d₁, d₂) von der Lasteinleitungsstelle (56) zur Lastausleitungsstelle (57) zunimmt.
Wellenbauteil (50) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Lasteinleitungsbereich (56) und / oder dem Lastausleitungsbereich (57) zusätzliche Lagen von Fasern (55) insbesondere in lastangepasster Orientierung angeordnet sind.
Wellenbauteil (50) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenbauteil (50) als Teil einer Antriebswelle für einen Fan (23) ausgebildet ist.
Wellenbauteil (50) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der faserverstärkte Kunststoff Kohlenstofffasern, metallische Filamente, Kunststofffasern, insbesondere Aramide und / oder Keramikfasern aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Wellenbauteils (50) für die Antriebs- oder Abtriebsseite eines Getriebes (30) in einem Gasturbinentriebwerk (10), insbesondere einem Flugzeugtriebwerk, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich (51) Fasern (54) in eine Matrix eingebracht sind, wobei die Fasern (55) in diesem Bereich (51) nur unter einem Winkelbereich von +/- 40° bis 50°, insbesondere +/- 42° bis 48°, ganz insbesondere +/- 45°, zur Hauptdrehachse (9) des Wellenbauteils (50) angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ablegen der Fasern (55) ohne Kreuzungspunkte und / oder minimaler Faserondulation erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen der Fasen ein Wickelverfahren, ein Flechtverfahren, ein TFP-Verfahren oder eine Kombination der Verfahren verwendet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einbringen der Fasern (55) mindestens eine Drainageöffnung (54) offengehalten wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12, bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in der axialen Mitte eines konischen Bereichs (58) die Fasern (55) unter einem Winkelbereich von +/- 40° bis 50°, insbesondere +/- 42° bis 48°, ganz insbesondere +/- 45°, zur Hauptdrehachse (9) angeordnet werden, wobei sich der Wickelwinkel in Richtung zu einem größeren Durchmesser vergrößert und sich der Wickelwinkel in Richtung zu einem kleineren Durchmesser verkleinert.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Faservolumengehalt im konischen Bereich (58), auch unabhängig vom Winkel der Faserablage, maximal gehalten wird..
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung zwei symmetrische Teile hergestellt werden, die dann in zwei Wellenbauteile (50) aufgetrennt werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der faserverstärkte Kunststoff Kohlenstofffasern, metallische Filamente, Kunststofffasern, insbesondere Aramide und / oder Keramikfasern aufweist.
Gasturbinentriebwerk (10) für ein Luftfahrzeug, das Folgendes umfasst: ein Kerntriebwerk (11), das eine Turbine (19), einen Verdichter (14) und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende Kernwelle (26) umfasst; einen Fan (23), der stromaufwärts des Kerntriebwerks (11) positioniert ist, wobei der Fan (23) mehrere Fanschaufeln umfasst; und ein Getriebe (30), das von der Kernwelle (26) antreibbar ist, wobei der Fan (23) mittels des Getriebes (30) mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle (26) antreibbar ist, wobei ein Wellenbauteil (50) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13 mit dem Getriebe (30) verbunden ist, insbesondere auf der Abtriebsseite des Getriebes (30) als Teil einer Antriebswelle für den Fan (23).