DE102019106999A1

DE102019106999A1 - Stirnradgetriebe und Planetengetriebe mit einem derartigen Stirnradgetriebe

Info

Publication number: DE102019106999A1
Application number: DE102019106999.8A
Authority: DE
Inventors: David Krüger; Michael NIQUE
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2020-09-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Stirnradgetriebe mit zwei Geradstirnrädern, die jeweils eine Mehrzahl von Zähnen (51, 52, 61, 62) aufweisen, wobei jeder Zahn (51, 52, 61, 62) zwei Zahnflanken (510, 520, 610, 620) aufweist, die sich in axialer Richtung von einer vorderen Stirnseite (55, 65) zu einer hinteren Stirnseite (56, 66) des Geradstirnrads erstrecken. Es ist vorgesehen, dass mindestens eine Zahnflanke (520) der Zähne (51) des einen Geradstirnrads (5) eine konvexe Balligkeit in dem Sinne aufweist, dass in mindestens einer radialen Höhe der Zähne die Zahnflanke (520) in axialer Richtung konvex ausgebildet ist, und mindestens eine Zahnflanke (610) der Zähne (61) des anderen Geradstirnrads (6) eine konkave Balligkeit in dem Sinne aufweist, dass in der betrachteten radialen Höhe die Zahnflanke (610) in axialer Richtung konkav ausgebildet ist, wobei jeweils zwei Zahnflanken (520, 610) mit konvexer und konkaver Balligkeit beim Ineinandergreifen der Zähne (51, 61) der beiden Geradstirnräder (5, 6) in Zahnkontakt (K) treten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Stirnradgetriebe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Planetengetriebe mit einem derartigen Stirnradgetriebe.
Ein Stirnradgetriebe zeichnet sich durch mindestens zwei Stirnräder aus, die auf zueinander parallel verlaufenden Achsen angeordnet sind. Dabei steht die stirnseitig ausgebildete Verzahnung der Stirnräder miteinander in Eingriff.
Es sind Geradstirnräder bekannt, bei denen zwei exakt geradlinig verlaufende Zahnflanken zweier Zähne aufeinandertreffen. Ein Nachteil solcher Geradstirnräder besteht darin, dass die Zahnräder in axialer Richtung zueinander verschiebbar sind, sofern nicht eine zusätzliche axiale Randbedingung, beispielsweise ein Axiallager oder ein kombiniertes Radial- und Axiallager gegeben ist. Axiale Kräfte, die auf das Stirnradgetriebe wirken, können beispielsweise durch Beschleunigungskräfte oder durch Gewichtskräfte erzeugt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stirnradgetriebe mit Geradstirnrädern bereitzustellen, bei dem die Stirnräder nicht oder in nur reduziertem Maße in axialer Richtung zueinander verschiebbar sind. Des Weiteren sollen ein mit einem solchen Stirnradgetriebe ausgebildetes Planetengetriebe sowie ein mit einem solchen Planetengetriebe ausgebildetes Gasturbinentriebwerk bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Stirnradgetriebe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Planetengetriebe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 19 und ein Gasturbinentriebwerk mit den Merkmalen des Patentanspruchs 20 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach betrachtet die vorliegende Erfindung ein Stirnradgetriebe mit zwei Geradstirnrädern, die jeweils eine Mehrzahl von Zähnen aufweisen. Dabei bildet jeder Zahn zwei Zahnflanken aus (Rechtsflanke und Linksflanke), die sich von einer vorderen Stirnseite zu einer hinteren Stirnseite des Zahnrads erstrecken. Der Abstand von der vorderen Stirnseite zu der hinteren Stirnseite des Zahnrads wird auch als Zahnbreite bezeichnet. Die Zähne erstrecken sich in axialer Richtung zwischen der vorderen Stirnseite und der hinteren Stirnseite des Zahnrads, die durch die Richtung der Drehachse des jeweiligen Geradstirnrads gegeben ist.
Es ist vorgesehen, dass mindestens eine Zahnflanke der Zähne des einen Geradstirnrads eine konvexe Balligkeit in dem Sinne aufweist, dass in mindestens einer radialen Höhe der Zähne die Zahnflanke in axialer Richtung konvex ausgebildet ist, und mindestens eine Zahnflanke der Zähne des anderen Geradstirnrads eine konkave Balligkeit in dem Sinne aufweist, dass in der betrachteten radialen Höhe die Zahnflanke in axialer Richtung konkav ausgebildet ist. Dabei treten jeweils zwei Zahnflanken mit konvexer und konkaver Balligkeit beim Ineinandergreifen der Zähne der beiden Geradstirnräder in Zahnkontakt.
Die erfindungsgemäße Lösung nutzt durch die Balligkeit entstehende Axialkräfte dazu aus, einer axialen Verschiebbarkeit der Zahnräder gegeneinander entgegenzuwirken. Dabei übernimmt ein Geradstirnrad die axiale Führung des anderen Geradstirnrads. Bei einer axialen Bewegung der mit einer konvexen Balligkeit versehenen Zahnflanke erfahren die Zähne dieses Zahnrads aufgrund der zu den Stirnseiten hin zunehmenden Vorwölbung der mit einer konkaven Balligkeit versehenen Zahnflanke eine Kraftkomponente, die einer solchen axialen Bewegung entgegen gerichtet ist, so dass die beiden Geradstirnräder automatisch zueinander zentriert werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die konkave und konvexe Balligkeit der beiden Zahnräder derart stark ausgeprägt, dass die daraus entstehenden Axialkräfte einer axialen Verschiebung der Zahnräder gegeneinander entgegenwirken.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Verschiebbarkeit der beiden Zahnräder in axialer Richtung durch die Formgebung der Zahnflanken der Zähne der Geradstirnräder, nämlich durch die Bereitstellung einer gezielten Balligkeit auf beiden in Kontakt stehenden Zahnrädern, nämlich durch einen gemeinsamen Kontakt der konvexen Flanke des einen Geradstirnrads und der konkaven Flanke des anderen Geradstirnrads verhindert oder zumindest reduziert werden kann.
Es wird darauf hingewiesen, dass es bekannt ist, die Zähne von Zahnrädern mit sogenannten Verzahnungskorrekturen zu versehen, die Flankenmodifikationen umfassen. Eine Verzahnungskorrektur wird auf der Grundlage von Verformungen im Getriebe vorgenommen, um für einen bestimmten Betriebspunkt eine gleichmäßigere Lastverteilung über der Zahnflanke zu erreichen. Beispielsweise können bei einem Planetengetriebe u.a. Verformungen durch die Torsion der Sonnenwelle, Verformungen des Planetenträgers oder Verformungen der Planetenräder erfolgen. Verzahnungskorrekturen sollen solchen Verformungen entgegenwirken. Sie sind dabei typischerweise im Mikrometerbereich ausgebildet und besitzen eine Dimension von maximal 80-100 µm. Die erfindungsgemäß vorgesehene Balligkeit der Zahnflanken der Zähne der Geradstirnräder kann durch solche gängigen Verzahnungskorrekturen im Mikrometerbereich überlagert werden.
Es wird weiter darauf hingewiesen, dass im Sinne der vorliegenden Beschreibung als axiale Richtung beide Richtungen der Drehachse verstanden werden (also die Richtung des Drehimpulses und die entgegengesetzte Richtung). So ist es für die Zwecke der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich, zwischen diesen beiden Richtungen zu differenzieren.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei den mit einer konvexen Balligkeit versehenen Zahnflanken die maximale Vorwölbung in der axialen Mitte zwischen den beiden Stirnseiten des Geradstirnrads liegt. In entsprechender Weise kann vorgesehen sein, dass bei den mit einer konkaven Balligkeit versehenen Zahnflanken die maximale Einbuchtung in der axialen Mitte zwischen den beiden Stirnseiten des Geradstirnrads liegt. Durch Ausprägung des Maximums bzw. Minimums der Balligkeit mittig zwischen den beiden Stirnseiten des jeweiligen Geradstirnrads wird erreicht, dass die beiden Geradstirnräder in ihrer axialen Mitte zueinander ausgerichtet sind und bleiben.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass bei den mit einer konvexen Balligkeit versehenen Zahnflanken die maximale Vorwölbung außerhalb der axialen Mitte zwischen den beiden Stirnseiten des Geradstirnrads liegt. In entsprechender Weise kann vorgesehen sein, dass bei den mit einer konkaven Balligkeit versehenen Zahnflanken die maximale Einbuchtung außerhalb der axialen Mitte zwischen den beiden Stirnseiten des Geradstirnrads liegt. Eine solche Ausgestaltung kann beispielsweise realisiert sein, wenn die Zähne mit einer Verzahnungskorrektur versehen sind.
Dabei wird darauf hingewiesen, dass maximale Vorwölbung bzw. maximale Einbuchtung nicht notwendigerweise nur in einem Punkt realisiert ist, sondern sich alternativ auch über einen axialen, gerade ausgebildeten mittigen Bereich erstrecken kann. In dem zweitgenannten Fall setzt die konvexe bzw. konkave Balligkeit erst vor bzw. hinter einem solchen mittigen Bereich an.
Es kann weitergehend vorgesehen sein, dass die mit einer konvexen Balligkeit ausgebildeten Zahnflanken bezogen auf die axiale Mitte zwischen den beiden Stirnseiten symmetrisch ausgebildet sind. In entsprechender Weise kann vorgesehen sein, dass auch die mit einer konkaven Balligkeit ausgebildeten Zahnflanken bezogen auf die axiale Mitte zwischen den beiden Stirnseiten symmetrisch ausgebildet sind. Ein Längsschnitt durch das Geradstirnrad führt somit an der jeweils betrachteten Zahnflanke zu einer Kurve, die bezüglich der axialen Mitte zwischen den beiden Stirnseiten symmetrisch ist.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die mit einer konvexen Balligkeit ausgebildeten Zahnflanken bezogen auf die axiale Mitte zwischen den beiden Stirnseiten asymmetrisch ausgebildet sind. In entsprechender Weise kann vorgesehen sein, dass die mit einer konkaven Balligkeit ausgebildeten Zahnflanken bezogen auf die axiale Mitte zwischen den beiden Stirnseiten asymmetrisch ausgebildet sind. Eine solche Ausgestaltung kann beispielsweise realisiert sein, wenn die Zähne mit einer Verzahnungskorrektur versehen sind.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die mit einer konvexen Balligkeit versehenen Zahnflanken stärker gekrümmt sind als die mit einer konkaven Balligkeit versehenen Zahnflanken. Hierdurch wird der Zahnkontakt zwischen den betrachteten Zahnflanken der beiden Geradstirnräder auf einen mittigen Bereich konzentriert.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die mit einer konvexen Balligkeit versehenen Zahnflanken in gleicher Weise gekrümmt sind wie die mit einer konkaven Balligkeit versehenen Zahnflanken. Der Zahnkontakt zwischen den betrachteten Zahnflanken der beiden Geradstirnräder erfolgt hierbei über die gesamte axiale Länge in gleicher Weise.
Eine konvexe Balligkeit mindestens einer Zahnflanke des einen Geradstirnrads und eine konkave Balligkeit mindestens einer Zahnflanke des anderen Geradstirnrads liegt in mindestens einer radialen Höhe der Zähne vor. Eine Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass eine konvexe Balligkeit der mit einer konvexen Balligkeit versehenen Zahnflanken des einen Geradstirnrads und eine konkave Balligkeit der mit einer konkaven Balligkeit versehenen Zahnflanken des anderen Geradstirnrads mindestens in der radialen Höhe der Zähne vorliegt, durch die der Teilkreisdurchmesser läuft. Der Begriff des Teilkreisdurchmessers ist dem Fachmann bekannt.
Eine Ausgestaltung sieht dabei vor, dass eine konvexe Balligkeit der mit einer konvexen Balligkeit versehenen Zahnflanken des einen Geradstirnrads und eine konkave Balligkeit der mit einer konkaven Balligkeit versehenen Zahnflanken des anderen Geradstirnrads über eine radiale Höhe der Zähne realisiert ist, die der nutzbaren Flanke der Zähne entspricht. Von der nutzbaren Flanke der Zähne ausgenommen sind der Zahnfuß, ein direkt an den Zahnfuß angrenzender radialer Bereich und ein an die Kopffläche angrenzender radialer Bereich. Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass die Balligkeit im Bereich des aktiven Teils des Zahns vorhanden ist, um eine kontinuierliche axiale Ausrichtung der Geradstirnräder zu gewährleisten. Eine weitergehende Ausprägung der Balligkeit bis hinein in den Zahnfuß, d. h. über die gesamte Höhe des Zahns ist dagegen optional.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Balligkeit der mit einer konvexen Balligkeit versehenen Zahnflanken und die Balligkeit der mit einer konkaven Balligkeit versehenen Zahnflanken abhängig von der radialen Höhe der Zähne ausgebildet ist. Die Form der konvexen bzw. konkaven Kurve, die die Zahnflanke bei einem Längsschnitt durch einen Zahn bildet, kann somit in Abhängigkeit von der radialen Höhe der Zähne variieren. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Balligkeit im radialen Bereich des Zahns, durch den der Teilkreisdurchmesser läuft, stärker ausgebildet ist als in Richtung der Kopffläche und des Fußkreises.
Gemäß einer Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung gilt für mindestens eine radiale Höhe der mit einer konvexen Balligkeit versehenen Zahnflanken, dass das Verhältnis zwischen dem Maximum der Vorwölbung Δs1 und der axialen Länge b1 der Zahnflanken (d.h. der Zahnbreite) einen Wert aufweist, der im geschlossenen Intervall zwischen 0,0005 und 0,04 liegt $0,0005 \leq Δ s 1 /b1 \leq 0,04$
Dabei ist das Maximum der Vorwölbung Δs1 der mit einer konvexen Balligkeit versehenen Zahnflanke wie folgt definiert: wenn man in einer betrachteten radialen Höhe die beiden Enden der Zahnflanke an der vorderen Stirnseite und der hinteren Stirnseite des Zahnrads durch eine Gerade verbindet, so ist das Maximum der Vorwölbung gleich dem maximalen Abstand, den die Zahnflanke in der betrachteten radialen Höhe zu einer solchen Geraden ausbildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung gilt für mindestens eine radiale Höhe der mit einer konkaven Balligkeit versehenen Zähne, dass das Verhältnis zwischen dem Maximum der Einbuchtung Δs2 und der axialen Länge b2 der Zahnflanken (d.h. der Zahnbreite) einen Wert aufweist, der im geschlossenen Intervall zwischen 0,0005 und 0,04 liegt: $0,0005 \leq Δ s2/b2 \leq 0,04$
Dabei ist das Maximum der Einbuchtung Δs2 der mit einer konkaven Balligkeit versehenen Zahnflanke wie folgt definiert: wenn man in einer betrachteten radialen Höhe die beiden Enden der Zahnflanke an der vorderen Stirnseite und der hinteren Stirnseite des Zahnrads durch eine Gerade verbindet, so ist das Maximum der Einbuchtung gleich dem maximalen Abstand, den die Zahnflanke in der betrachteten radialen Höhe zu einer solchen Geraden ausbildet.
Es wird darauf hingewiesen, dass die axiale Länge b1 der mit einer konvexen Balligkeit versehenen Zahnflanken und die axiale Länge b2 der mit einer konkaven Balligkeit versehenen Zahnflanken nicht notwendigerweise identisch sein müssen. Allerdings ist dies in Ausführungsbeispielen der Fall, in denen also eine gleiche Breite der Zähne und Zahnräder vorliegt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass beide Zahnflanken der Zähne des einen Geradstirnrads eine konvexe Balligkeit ausbilden. Dabei kann vorgesehen sein, dass die beiden Zahnflanken eine gleiche oder eine unterschiedlich stark ausgeprägte konvexe Balligkeit aufweisen. In entsprechender Weise kann vorgesehen sein, dass beide Zahnflanken der Zähne des anderen Geradstirnrads eine konkave Balligkeit ausbilden, wobei die beiden Zahnflanken eine gleiche oder eine unterschiedlich stark ausgeprägte konkave Balligkeit aufweisen können. Im Falle einer unterschiedlich stark ausgeprägten Balligkeit bedeutet dies beispielsweise, dass, wenn man einen Längsschnitt des Zahns betrachtet, die gekrümmten Kurven, die die beiden Zahnflanken in dem betrachteten Längsschnitt angeben, eine unterschiedliche Krümmung aufweisen. Wenn die Balligkeit beispielsweise als Kreisbogen ausgeführt ist, was in Ausführungsbeispielen der Erfindung der Fall ist, so weisen die zugehörigen Kreise einen unterschiedlichen Radius auf.
Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine unterschiedliche Balligkeit der beiden Zahnflanken nur in Ausführungsvarianten gegeben ist. Andere Ausführungsvarianten sehen eine identische Balligkeit an den beiden Zahnflanken vor. Für den Fall, dass die Balligkeit als Kreisbogen ausgeführt ist, weisen die zugehörigen Kreise somit den gleichen Radius auf.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen weisen die beiden Zahnflanken eines Zahns jeweils eine unterschiedliche Balligkeit auf. So kann vorgesehen sein, dass die eine Zahnflanke des einen Geradstirnrads eine konvexe Balligkeit ausbildet und die andere Zahnflanke dieses Geradstirnrads eine konkave Balligkeit ausbildet. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die eine Zahnflanke des anderen Geradstirnrads eine konkave Balligkeit ausbildet und die andere Zahnflanke dieses Geradstirnrads eine konvexe Balligkeit ausbildet. Auch in solchen Ausführungsbeispielen bleibt es jedoch dabei, dass es sich bei den beiden Zahnflanken, die beim Ineinandergreifen der Zähne der beiden Geradstirnräder in Kontakt treten, um eine Zahnflanke mit konvexer und eine Zahnflanke mit konkave Balligkeit handelt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Balligkeit der mit einer konvexen Balligkeit ausgebildeten Zahnflanken und/oder die Balligkeit der mit einer konkaven Balligkeit ausgebildeten Zahnflanken derart, dass die Zahnflanken in der Schnittansicht als Kreisbogen ausgebildet sind. Dies ist jedoch nicht notwendigerweise der Fall. Beispielsweise können die Zahnflanken in der Schnittansicht alternativ einer elliptischen Kurve folgen.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Erfindungsaspekt ein Planetengetriebe, das aufweist:

- ein Sonnenrad, das um eine Drehachse des Planetengetriebes rotiert, wobei das Sonnenrad als Geradstirnrad ausgebildet ist,
- eine Mehrzahl von Planetenrädern, die von dem Sonnenrad angetrieben werden, wobei die Planetenräder jeweils als Geradstirnrad ausgebildet sind, und
- ein Hohlrad, mit dem die Mehrzahl von Planetenrädern in Eingriff steht, wobei das Hohlrad als Geradstirnrad ausgebildet ist.

Dabei ist vorgesehen, dass entweder
mindestens eine Zahnflanke der Zähne des Sonnenrads und/oder des Hohlrads eine konvexe Balligkeit in dem Sinne aufweist, dass in mindestens einer radialen Höhe der Zähne die Zahnflanke in axialer Richtung konvex ausgebildet ist, und mindestens eine Zahnflanke der Zähne der Planetenräder eine konkave Balligkeit in dem Sinne aufweist, dass in der betrachteten radialen Höhe die Zahnflanke in axialer Richtung konkav ausgebildet ist, wobei jeweils zwei Zahnflanken mit konvexer und konkaver Balligkeit beim Ineinandergreifen der Zähne der jeweiligen Geradstirnräder in Zahnkontakt treten, oder
mindestens eine Zahnflanke der Zähne des Sonnenrads und/oder des Hohlrads eine konkave Balligkeit in dem Sinne aufweist, dass in mindestens einer radialen Höhe der Zähne die Zahnflanke in axialer Richtung konkav ausgebildet ist, und mindestens eine Zahnflanke der Zähne der Planetenräder eine konvexe Balligkeit in dem Sinne aufweist, dass in der betrachteten radialen Höhe die Zahnflanke in axialer Richtung konvex ausgebildet ist, wobei jeweils zwei Zahnflanken mit konvexer und konkaver Balligkeit beim Ineinandergreifen der Zähne der jeweiligen Geradstirnräder in Zahnkontakt treten.
Bei dem erfindungsgemäßen Planetengetriebe sind somit die Planetenräder zumindest entlang einer Zahnflanke mit einer konvexen/konkaven Balligkeit und das Sonnenrad und/oder das Hohlrad zumindest entlang einer Zahnflanke mit einer konkaven/konvexen Balligkeit versehenen. Dadurch wird erreicht, dass die Planetenräder zwischen dem Sonnenrad und dem Hohlrad axial gehalten werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass das Planetengetriebe mit feststehenden Hohlrad und umlaufenden Planetenrädern oder alternativ mit lediglich um ihre eigene Achse rotierenden Planetenrädern und einem umlaufenden Hohlrad ausgebildet sein kann. Im zweiten Fall, der auch als „Star Gearbox“ bezeichnet wird, ist der Planetenträger fest mit der umliegenden Struktur verbunden und der Abtrieb findet über das Hohlrad statt. Das Sonnenrad bildet in beiden Fällen den Antrieb.
Die in Bezug auf die Stirnradverzahnung erläuterten Ausführungsvarianten gelten in entsprechender Weise für das Planetengetriebe. Die mit einer konvexen Balligkeit versehenen Zahnflanken sind dabei entweder im Sonnenrad und/oder im Hohlrad oder alternativ im jeweiligen Planetenrad ausgebildet. Dementsprechend sind die mit einer konkaven Balligkeit ausgebildeten Zahnflanken im jeweiligen Planetenrad, oder alternativ im Sonnenrad und/oder im Hohlrad ausgebildet.
Eine Ausgestaltung des Planetengetriebes sieht vor, dass nur zwei der drei Zahnradpartner Sonnenrad, Planetenrad und Hohlrad des Planetengetriebes mit einer Balligkeit versehen sind. Beispielsweise ist gemäß einer ersten Ausführungsvariante das Sonnenrad in anderer Weise axial fixiert und mit gerader Zahnflanke, d. h. ohne eine Balligkeit ausgebildet. Dagegen weisen die Planetenräder und das Hohlrad jeweils eine Balligkeit auf, um die Planetenräder durch das Hohlrad axial auszurichten. Dabei ist das Planetenrad in axialer Richtung nicht gelagert. Eine zweite, umgekehrte Ausführungsvariante sieht vor, dass das Hohlrad mit gerader Zahnflanke, d. h. ohne eine Balligkeit ausgebildet ist, wohingegen das Sonnenrad und die Planetenräder jeweils eine Balligkeit aufweisen, um die in axialer Richtung nicht gelagerten Planetenräder durch das Sonnenrad axial auszurichten.
In einem weiteren Erfindungsaspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Gasturbinentriebwerk, das 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
- ein Planetengetriebe gemäß Anspruch 19, 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 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 das Planetengetriebe 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, in dem das Planetengetriebe angeordnet ist. 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 schematische Darstellung eines Stirnradgetriebes mit zwei Geradstirnrädern;
5a einen Schnitt durch das Stirnradgetriebe der 4 entlang der Linie A-A bei einer ersten herkömmlichen Ausgestaltung des Stirnradgetriebes;
5b einen Schnitt durch das Stirnradgetriebe der 4 entlang der Linie A-A bei einer zweiten herkömmlichen Ausgestaltung des Stirnradgetriebes;
6 einen Schnitt durch das Stirnradgetriebe der 4 entlang der Linie A-A gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des Stirnradgetriebes;
6a eine vergrößerte Darstellung einer mit einer konvexen Balligkeit versehenen Zahnflanke bei der Schnittdarstellung der 6;
6b eine vergrößerte Darstellung einer mit einer konkaven Balligkeit versehenen Zahnflanke bei der Schnittdarstellung der 6;
7 einen Schnitt durch das Stirnradgetriebe der 4 entlang der Linie A-A gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des Stirnradgetriebe; und
8 eine schematische Darstellung eines Planetengetriebes, das mehrere Stirnradgetriebe entsprechend den 6 und 7 umfasst;

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 Umlaufrädergetriebe 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 Umlaufrädergetriebe 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 Umlaufrädergetriebeanordnung 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 Umlaufrädergetriebe 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 Umlaufrädergetriebes 30 umfassen allgemein mindestens drei Planetenräder 32.
Das in 2 und 3 beispielhaft dargestellte Umlaufrädergetriebe 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 Umlaufrädergetriebe 30 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel kann das Umlaufrädergetriebe 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 die Art der Verzahnung zwischen Sonnenrad 28, den Planetenrädern 32 und dem Hohlrad 38 von Bedeutung.
Bevor dies anhand des Ausführungsbeispiels der 8 näher erläutert wird, werden die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zunächst allgemein anhand eines Stirnradgetriebes beschrieben. Denn die Prinzipien der vorliegenden Erfindung gelten nicht nur im Kontext eines Planetenrads, sondern allgemein für jedes Stirnradgetriebe mit zwei Geradstirnrädern.
Die 4 zeigt ein Stirnradgetriebe mit zwei Geradstirnräder 5, 6, die jeweils eine Außenverzahnung 50, 60 ausbilden, die jeweils eine Mehrzahl von Zähnen aufweist. Im Betrieb des Stirnradgetriebes, also bei Rotation der Geradstirnräder 5, 6 treten die jeweiligen Zähne der Außenverzahnungen 50, 60 miteinander in Eingriff.
Das Geradstirnrad 5 rotiert um die Drehachse 91. Das Geradstirnrad 6 rotiert um die Drehachse 92. Die beiden Drehachse 91, 92 verlaufen parallel zueinander. Das Geradstirnrad 6 stellt einen Antrieb dar, der in der Drehrichtung E rotiert. Das Geradstirnrad 5 stellt einen Abtrieb dar, der in der entgegengesetzten Drehrichtung D rotiert. Alternativ bildet das Geradstirnrad 5 den Antrieb.
Die Zahnräder 5, 6 sind als Geradstirnräder ausgebildet, d. h. die Zähne verlaufen jeweils geradlinig, und zwar in Richtung der Drehachse 91, 92 des jeweiligen Zahnrades. Sie erstrecken sich dabei von einer axial vorderen Stirnseite 55, 65 der beiden Geradstirnräder 5, 6 zu einer axial hinteren Stirnseite 56, 66 der beiden Geradstirnräder 5, 6.
Die axiale Richtung x verläuft entlang der Drehachse 91, 92, wobei beide Richtungen (in und entgegen der Richtung des Drehimpulses) vereinfacht als axiale Richtung bezeichnet werden. Die radiale Richtung r erstreckt sich senkrecht zur axialen Richtung x.
Die einzelnen Zähne der Verzahnungen 50, 60 erstrecken sich in an sich bekannter Weise in radialer Richtung r zwischen einem Fußkreisdurchmesser und einem Kopfkreisdurchmesser. Jeder Zahn weist zwei Zahnflanken und eine von der radialen Höhe des Zahns abhängige Zahndicke aus, die den Abstand in Umfangsrichtung zwischen den beiden Zahnflanken des Zahns angibt. Die Zahndicke nimmt allgemein in Richtung der Kopffläche des Zahns ab. Eine solche Ausgestaltung der Zähne von Geradstirnrädern ist dem Fachmann bekannt, so dass hierauf nicht näher eingegangen wird.
Bevor anhand der 6 und 7 Ausführungsbeispiele eines Geradstirnrads erläutert werden, wird zum besseren Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung anhand der 5a und 5b zunächst auf Geradstirnräder gemäß dem Stand der Technik eingegangen. Beide 5a, 5b zeigen eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A der 4, wobei in der betrachteten Schnittebene in Umfangsrichtung u aneinandergrenzende Zähne 51, 52, 61, 62 der beiden Verzahnungen 50, 60 dargestellt sind.
Die 5a zeigt ein Stirnradgetriebe, bei dem die Zahnflanken der Zähne 51, 52 des einen Geradstirnrads 5 und die Zahnflanken der Zähne 61, 62 des anderen Geradstirnrads 6 genau gerade verlaufen. Im Zahnkontakt K treffen somit gerade Zahnflanken der jeweiligen Zähne 51, 61 aufeinander. Zu den jeweils angrenzenden Zähnen 52, 62 besteht jeweils ein konstantes Flankenspiel n.
Bei dem Stirnradgetriebe der 5b weisen die beiden Zahnflanken der Zähne 51 des einen Geradstirnrads 5 eine konvexe Balligkeit auf, d. h. die Zahnflanken sind konvex ausgebildet. Dies dient dazu, eine Anfälligkeit gegenüber Schiefstellungen und damit verbundenen Druckspitzen an den Zahnradkanten zu reduzieren, die bei dem Getriebe der 5a gegeben ist.
Bei beiden Stirnradgetrieben der 5a, 5b verhält es sich so, dass die jeweiligen Zahnräder 5, 6 in axialer Richtung frei zueinander beweglich sind. Dies macht eine zusätzliche axiale Lagerung erforderlich, wenn axiale Kräfte auf das Stirnradgetriebe wirken.
Die 6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Stirnradgetriebes. Es handelt sich bei der 6 wiederum um eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A der 4. Von dem einen Geradstirnrad 5 (vergleiche 4) sind zwei Zähne 51, 52 mit jeweils zwei Zahnflanken 510, 520 dargestellt. Von dem anderen Geradstirnrad 6 (vergleiche 4) sind zwei Zähne 61, 62 mit zwei Zahnflanken 610, 620 dargestellt. Die Zähne 51, 61 sind entlang der Flanken 520, 610 in einem Zahnkontakt K. Zu den jeweils angrenzenden Zähnen 52, 62 liegt ein Flankenspiel n vor, dass in axialer Richtung variiert. Die Zähne 51, 52, 61, 62 erstrecken sich jeweils von einer axial vorderen Stirnseite 55, 65 der Geradstirnräder 5, 6 zu einer axial hinteren Stirnseite 56, 66 der Geradstirnräder 5, 6.
Im Ausführungsbeispiel der 6 weisen beide Zahnflanken 510, 520 der Zähne 51, 52 des Geradstirnrads 5 eine konvexe Balligkeit in dem Sinne auf, dass in der betrachteten radialen Höhe, in der in der 4 der Längsschnitt A-A erfolgt, die Zahnflanken 510, 520 konvex ausgebildet sind, also eine Vorwölbung ausbilden. Die Vorwölbung ist in der 6a genauer dargestellt, die lediglich die eine Zahnflanke 520 des Zahns 51 darstellt.
Die vorhandene konvexe Balligkeit durch das Maximum der Vorwölbung Δs1 charakterisiert werden.
Dabei ist das Maximum der Vorwölbung Δs1 der mit einer konvexen Balligkeit versehenen Zahnflanke 520 wie folgt definiert: wenn man in einer betrachteten radialen Höhe die beiden Enden der Zahnflanke 520 an der vorderen Stirnseite 55 und der hinteren Stirnseite 56 des Zahnrads 5 durch eine Gerade G verbindet, so ist das Maximum der Vorwölbung Δs1 gleich dem maximalen Abstand, den die Zahnflanke 520 in der betrachteten radialen Höhe zu einer solchen Geraden G ausbildet. Die Länge der Geraden G zwischen der vorderen Stirnseite 55 und der hinteren Stirnseite 56 ist mit b1 bezeichnet und gleich der Zahnbreite.
Die konvexe Krümmung bzw. Vorwölbung ist dabei gemäß einer Ausführungsvariante derart ausgeprägt, dass für den Quotienten zwischen dem Maximum der Vorwölbung Δs1 und der Zahnbreite b folgendes Verhältnis realisiert ist: $0,0005 \leq Δ s 1 /b1 \leq 0,04$
In entsprechender Weise kann gemäß der 6b der Grad der konkaven Balligkeit der Zahnflanken 610, 620 der Zähne 61, 62 des anderen Geradstirnrads 6 durch das Maximum der Einbuchtung Δs2 charakterisiert werden.
Dabei ist das Maximum der Einbuchtung Δs2 der mit einer konkaven Balligkeit versehenen Zahnflanke 610 wie folgt definiert: wenn man in einer betrachteten radialen Höhe die beiden Enden der Zahnflanke 610 an der vorderen Stirnseite 65 und der hinteren Stirnseite 66 des Zahnrads 6 durch eine Gerade G verbindet, so ist das Maximum der Einbuchtung Δs2 gleich dem maximalen Abstand, den die Zahnflanke 610 in der betrachteten radialen Höhe zu einer solchen Geraden G ausbildet. Die Länge der Geraden G zwischen der vorderen Stirnseite 65 und der hinteren Stirnseite 66 ist mit b2 bezeichnet und wiederum gleich der Zahnbreite.
Die konkave Krümmung bzw. Einbuchtung ist dabei gemäß einer Ausführungsvariante derart ausgeprägt, dass für den Quotienten zwischen dem Maximum der Einbuchtung Δs2 und der Zahnbreite b folgendes Verhältnis realisiert ist: $0,0005 \leq Δ s2/b2 \leq 0,04$
Es kann vorgesehen sein, dass die Zähne 51, 52, 61, 62 der beiden Geradstirnräder 5, 6 die gleiche Zahnbreite aufweisen, für welchen Fall gilt, dass b1 gleich b2 ist. Dies ist aber nicht notwendigerweise der Fall.
In der Schnittdarstellung der 6 sind die konvexe Balligkeit und konkave Balligkeit der Zahnflanken nur innerhalb einer Schnittebene dargestellt. Sie zeigt sich dementsprechend anhand der Form der Kurven, die die jeweiligen Zahnflanken in der Schnittdarstellung ausbilden. Die konkave Balligkeit und die konvexe Balligkeit erstrecken sich jedoch gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung über eine gewisse radiale Höhe, beispielsweise eine überwiegende radiale Höhe oder die vollständige radiale Höhe der Zähne des jeweiligen Geradstirnrads 5, 6. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass sich die konkave Balligkeit und die konvexe Balligkeit in radialer Richtung über einen Bereich der Zahnflanken erstrecken, in dem der aktive Teil des Zahns ausgebildet ist, so dass eine kontinuierliche axiale Ausrichtung der Geradstirnräder 5, 6 gewährleistet ist. Weiter kann vorgesehen sein, dass die Balligkeit abhängig von der radialen Höhe der Zähne unterschiedlich ausgebildet ist, dass die Balligkeit beispielsweise in Richtung des Fußkreisdurchmessers und in Richtung des Kopfkreisdurchmessers sukzessive ausläuft.
Es wird darauf hingewiesen, dass im Ausführungsbeispiel der 6 das Maximum der Vorwölbung an der Zahnflanke 510, 520 ebenso wie das Maximum der Einbuchtung an der Zahnflanke 610, 620 in der axialen Mitte zwischen den beiden Stirnseiten 55, 65 und 56, 66 liegt. In alternativen Ausführungsbeispielen kann dieses Maximum von der axialen Mitte zu einer der Stirnseiten verschoben sein.
Weiter wird darauf hingewiesen, dass im Ausführungsbeispiel der 6 die Zahnflanken 510, 520, 610, 620 bezüglich der axialen Mitte symmetrisch ausgebildet. In alternativen Ausführungsbeispielen ist eine solche Symmetrie nicht gegeben, was beispielsweise dazu führt, dass ausgehend von der axialen Mitte zwischen der vorderen Stirnseite und der hinteren Stirnseite die Balligkeit in Richtung der jeweiligen Stirnseite unterschiedlich stark ausgeprägt ist.
Es wird weiter darauf hingewiesen, dass im Ausführungsbeispiel der 6 die beiden Zahnflanken 510, 520 eine identisch ausgeprägte konvexe Balligkeit aufweisen. Ebenso weisen die beiden Zahnflanken 610, 620 eine identisch ausgeprägte konkave Balligkeit auf. In alternativen Ausführungsbeispielen weisen die mit einer konvexen Balligkeit versehenen Zahnflanken 510, 520 eines Zahns eine unterschiedlich stark ausgeprägte konvexe Balligkeit auf und/oder weisen die mit einer konkaven Balligkeit versehenen Zahnflanken 610, 620 eines Zahns eine unterschiedlich stark ausgeprägte konkave Balligkeit auf.
Erneut Bezug nehmend auf die 6 wird darauf hingewiesen, dass im dargestellten Ausführungsbeispiel, jedoch nicht notwendigerweise, in der dargestellten Schnittebene die Zahnflanken als Kreisbogen ausgebildet sind, wobei ihnen ein Radius zugeordnet ist, der die Krümmung des Kreisbogens festlegt. So ist der Zahnflanke 510 ein Radius R_510 zugeordnet. Der Zahnflanke 520 ist ein Radius R_520 zugeordnet. Der Zahnflanke 610 ist ein Radius R_610 zugeordnet. Der Zahnflanke 620 ist ein Radius R_620 zugeordnet. Für diese Radien gilt, dass R_510 gleich R_520 und dass R_610 gleich R_620, wobei dies wie erläutert nicht notwendigerweise der Fall ist.
Weiter gilt, dass der Radius R_520 der konvex ausgebildeten Zahnflanke 520 kleiner ist als der Radius R_610 der konkav ausgebildeten Zahnflanke 610 oder diese beiden Radien identisch sind. Anderenfalls würde kein ausreichender Zahnkontakt bestehen.
Die 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das sich vom Ausführungsbeispiel der 6 dadurch unterscheidet, dass jeweils nicht beide Zahnflanken der Zähne 51, 52, 61, 62 gleicher Weise eine konvexe Balligkeit oder eine konkave Balligkeit ausbilden.
So weist der Zahn 51 an seiner dem Zahn 61 im Zahnkontakt K zugewandten Zahnflanke 520 ebenso wie beim Ausführungsbeispiel der 6 eine konvexe Balligkeit auf. Dagegen weist der Zahn 51 an der anderen Zahnflanke 530 eine konkave Balligkeit auf.
In entsprechender Weise weist der Zahn 61 an seiner dem Zahn 51 im Zahnkontakt K zugewandten Zahnflanke 610 ebenso wie beim Ausführungsbeispiel der 6 eine konkave Balligkeit auf. Dagegen weist der Zahn 61 an seiner anderen Zahnflanke 630 eine konvexe Balligkeit auf. Für die zugehörigen Radien R_520, R_530, R_610, R_630 gilt, dass die jeweiligen Radien eines Zahns identisch sein können, d. h. R_520 gleich R_530 und R_610 gleich R_630. Dies ist jedoch nicht notwendigerweise der Fall.
Auch wird darauf hingewiesen, dass die Stirnflächen in der jeweiligen Schnittdarstellung nicht notwendigerweise als Kreisbogen ausgebildet sind. Es können davon abweichende Formgebungen realisiert sein, beispielsweise eine elliptische Formgebung, eine parabelförmige Formgebung oder eine Formgebung, die einen geradlinig verlaufenden Abschnitt aufweist, ausgehend von dem die Zahnflanken zu den beiden Stirnseiten hin konvex ausgebildet sind oder im anderen Fall konkav ausgebildet sind.
Auch beim Ausführungsbeispiel der 7 ist gewährleistet, dass aufgrund des Umstandes, dass zwei Zahnflanken 520, 610 mit konvexer und konkaver Balligkeit ineinandergreifen, eine automatische axiale Ausrichtung der beiden Zahnräder 51, 61 erfolgt. Auf die Formgebung der jeweils anderen Stirnseite 530, 630 kommt es für diesen Effekt nicht an, weswegen eine zusätzliche Gestaltungsfreiheit in der Ausgestaltung dieser weiteren Stirnseiten gegeben ist.
Es wird erneut Bezug genommen auf die Art der Verzahnung zwischen Sonnenrad 28, den Planetenrädern 32 und dem Hohlrad 38 beim dem in den 1-3 dargestellten, in einem Gasturbinentriebwerk angeordneten Planetengetriebe.
Gemäß der 8 ist vorgesehen, dass sowohl die Verzahnung 280, 320 zwischen dem Sonnenrad 28 und den jeweiligen Planetenrädern 32 als auch die Verzahnung 320, 380 zwischen den jeweiligen Planetenrädern 32 und dem Hohlrad 38 entsprechend der Ausgestaltung der 6 oder 7 ausgebildet ist. Die Schnittdarstellungen gemäß der Linie A-A und gemäß der Linie B-B der 8 entsprechen identisch den Schnittdarstellungen der 6 oder 7, wobei in der Schnittdarstellung A-A der 8 das Sonnenrad 28 dem Zahnrad 6 mit den Zähnen 61, 62 und das Planetenrad 32 dem Zahnrad 5 mit den Zähnen 51, 52 entspricht. Bei der Schnittdarstellung B-B der 8 entspricht das Planetenrad 32 dem Zahnrad 6 mit den Zähnen 61, 62 und das Hohlrad 38 entspricht dem Zahnrad 5 mit den Zähnen 51, 52. Alternativ kann vorgesehen sein, dass in der Schnittdarstellung A-A der 8 das Sonnenrad 28 dem Zahnrad 5 mit den Zähnen 51, 52 und das Planetenrad 32 dem Zahnrad 6 mit den Zähnen 61, 62 entspricht. Bei der Schnittdarstellung B-B der 8 entspricht in dieser Alternative das Planetenrad 32 dem Zahnrad 5 mit den Zähnen 51, 52 und das Hohlrad 38 entspricht dem Zahnrad 6 mit den Zähnen 61, 62.
Über das Sonnenrad 28 wird ein Antrieb mit der Drehrichtung D in das Planetengetriebe eingeleitet. Über einen mit den Planetenrädern 32 gekoppelten Planetenträger 34 wird ein Abtrieb aus dem Planetengetriebe ausgekoppelt. Die Planetenräder 32 drehen dabei in der Drehrichtung E und der Planetenträger 34 mit der Drehrichtung F.
Das Planetenrad 32 wird aufgrund der Formgebung der Zahnflanken axial zwischen Sonnenrad 28 und Hohlrad 38 gehalten.
Es wird darauf hingewiesen, dass nicht vermeidbare Toleranzen in der Formgebung der Zahnflanken der Zähne der Geradstirnräder durch die Erfindung nicht betrachtet werden. Zulässige Werte für Abweichungen an Zahnflanken sind in der Norm ISO 1328-1, 2. Auflage 2013-09-01 angegeben. Die konvexe Balligkeit mindestens einer Zahnflanke der Zähne des einen Geradstirnrads und die konkave Balligkeit mindestens einer Zahnflanke der Zähne des anderen Geradstirnrads ist in einem Maße ausgebildet, die über den nicht vermeidbaren Toleranzen liegt.
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. Weiter 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.

Claims

Stirnradgetriebe mit zwei Geradstirnrädern (5, 6), die jeweils eine Mehrzahl von Zähnen (51, 52, 61, 62) aufweisen, wobei jeder Zahn (51, 52, 61, 62) zwei Zahnflanken (510, 520, 610, 620) aufweist, die sich in axialer Richtung von einer vorderen Stirnseite (55, 65) zu einer hinteren Stirnseite (56, 66) des Geradstirnrads (5, 6) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zahnflanke (520) der Zähne (51) des einen Geradstirnrads (5) eine konvexe Balligkeit in dem Sinne aufweist, dass in mindestens einer radialen Höhe der Zähne die Zahnflanke (520) in axialer Richtung konvex ausgebildet ist, und mindestens eine Zahnflanke (610) der Zähne (61) des anderen Geradstirnrads (6) eine konkave Balligkeit in dem Sinne aufweist, dass in der betrachteten radialen Höhe die Zahnflanke (610) in axialer Richtung konkav ausgebildet ist, wobei jeweils zwei Zahnflanken (520, 610) mit konvexer und konkaver Balligkeit beim Ineinandergreifen der Zähne (51, 61) der beiden Geradstirnräder (5, 6) in Zahnkontakt (K) treten.
Stirnradgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei den mit einer konvexen Balligkeit versehenen Zahnflanken (510, 520) die maximale Vorwölbung in der axialen Mitte zwischen den beiden Stirnseiten (55, 56) des Geradstirnrads (5) liegt und/oder bei den mit einer konkaven Balligkeit versehenen Zahnflanken (610, 620) die maximale Einbuchtung in der axialen Mitte zwischen den beiden Stirnseiten (65, 66) des Geradstirnrads (6) liegt.
Stirnradgetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei den mit einer konvexen Balligkeit versehenen Zahnflanken (510, 520) die maximale Vorwölbung außerhalb der axialen Mitte zwischen den beiden Stirnseiten (55, 56) des Geradstirnrads (5) liegt und/oder bei den mit einer konkaven Balligkeit versehenen Zahnflanken (610, 620) die maximale Einbuchtung außerhalb der axialen Mitte zwischen den beiden Stirnseiten (65, 66) des Geradstirnrads (6) liegt.
Stirnradgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit einer konvexen Balligkeit ausgebildeten Zahnflanken (510, 520) und/oder die mit einer konkaven Balligkeit ausgebildeten Zahnflanken (610, 620) bezogen auf die axiale Mitte zwischen den beiden Stirnseiten (55, 56) symmetrisch ausgebildet sind.
Stirnradgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit einer konvexen Balligkeit ausgebildeten Zahnflanken (510, 520) und/oder die mit einer konkaven Balligkeit ausgebildeten Zahnflanken (610, 620) bezogen auf die axiale Mitte zwischen den beiden Stirnseiten (65, 66) asymmetrisch ausgebildet sind.
Stirnradgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit einer konvexen Balligkeit versehenen Zahnflanken (510, 520) in gleicher Weise oder stärker gekrümmt sind als die mit einer konkaven Balligkeit versehenen Zahnflanken (610, 620).
Stirnradgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine konvexe Balligkeit der mit einer konvexen Balligkeit versehenen Zahnflanken (510, 520) des einen Geradstirnrads (5) und eine konkave Balligkeit der mit einer konkaven Balligkeit versehenen Zahnflanken (610, 620) des anderen Geradstirnrads (6) mindestens in der radialen Höhe der Zähne (51, 52, 61, 62) vorliegt, durch die der Teilkreisdurchmesser läuft.
Stirnradgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine konvexe Balligkeit der mit einer konvexen Balligkeit versehenen Zahnflanken (510, 520) des einen Geradstirnrads (5) und eine konkave Balligkeit der mit einer konkaven Balligkeit versehenen Zahnflanken (610, 620) des anderen Geradstirnrads (6) über eine radiale Höhe der Zähne (51, 52, 61, 62) realisiert ist, die der nutzbaren Flanke der Zähne (51, 52, 61, 62) entspricht.
Stirnradgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Balligkeit der mit einer konvexen Balligkeit versehenen Zahnflanken (510, 520) und die Balligkeit der mit einer konkaven Balligkeit versehenen Zahnflanken (610, 620) abhängig von der radialen Höhe der Zähne (51, 52, 61, 62) ausgebildet ist.
Stirnradgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens eine radiale Höhe der mit einer konvexen Balligkeit versehenen Zahnflanken (510, 520) gilt, dass das Verhältnis zwischen dem Maximum der Vorwölbung (Δs1) und der axialen Länge (b1) der Zahnflanken (510, 520) einen Wert aufweist, der im geschlossenen Intervall zwischen 0,0005 und 0,04 liegt.
Stirnradgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens eine radiale Höhe der mit einer konkaven Balligkeit versehenen Zahnflanken (610, 620) gilt, dass das Verhältnis zwischen dem Maximum der Einbuchtung (Δs2) und der axialen Länge (b2) der Zahnflanken (610, 620) einen Wert aufweist, der im geschlossenen Intervall zwischen 0,0005 und 0,04 liegt.
Stirnradgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Zahnflanken (510, 520) der Zähne des einen Geradstirnrads (5) eine konvexe Balligkeit ausbilden.
Stirnradgetriebe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zahnflanken (510, 520) eine identisch ausgeprägte konvexe Balligkeit aufweisen.
Stirnradgetriebe nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass beide Zahnflanken (610, 620) der Zähne des anderen Geradstirnrads (6) eine konkave Balligkeit ausbilden.
Stirnradgetriebe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zahnflanken (610, 620) eine identisch ausgeprägte konkave Balligkeit aufweisen.
Stirnradgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Zahnflanke (520) des einen Geradstirnrads (5) eine konvexe Balligkeit ausbildet und die andere Zahnflanke (530) dieses Geradstirnrads (5) eine konkave Balligkeit ausbildet.
Stirnradgetriebe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Zahnflanke (610) des anderen Geradstirnrads (6) eine konkave Balligkeit ausbildet und die andere Zahnflanke (630) dieses Geradstirnrads (6) eine konvexe Balligkeit ausbildet.
Stirnradgetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Balligkeit der mit einer konvexen Balligkeit ausgebildeten Zahnflanken (510, 520) und/oder die Balligkeit der mit einer konkaven Balligkeit ausgebildeten Zahnflanken (610, 620) derart ist, dass die Zahnflanken in der Schnittansicht als Kreisbogen ausgebildet sind.
Planetengetriebe (30), das aufweist: - ein Sonnenrad (28), das um eine Drehachse (9) des Planetengetriebes (30) rotiert, wobei das Sonnenrad (28) als Geradstirnrad ausgebildet ist, - eine Mehrzahl von Planetenrädern (32), die von dem Sonnenrad (28) angetrieben werden, wobei die Planetenräder (32) jeweils als Geradstirnrad ausgebildet sind, und - ein Hohlrad (38), mit dem die Mehrzahl von Planetenrädern (32) in Eingriff steht, wobei das Hohlrad (38) als Geradstirnrad ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zahnflanke (520) der Zähne des Sonnenrads (28) und/oder des Hohlrads (38) eine konvexe Balligkeit in dem Sinne aufweist, dass in mindestens einer radialen Höhe der Zähne die Zahnflanke (520) in axialer Richtung konvex ausgebildet ist, und mindestens eine Zahnflanke (610) der Zähne der Planetenräder (32) eine konkave Balligkeit in dem Sinne aufweist, dass in der betrachteten radialen Höhe die Zahnflanke (610) in axialer Richtung konkav ausgebildet ist, wobei jeweils zwei Zahnflanken (520, 610) mit konvexer und konkaver Balligkeit beim Ineinandergreifen der Zähne der jeweiligen Geradstirnräder (28, 32, 38) in Zahnkontakt treten, oder mindestens eine Zahnflanke (610) der Zähne des Sonnenrads (28) und/oder des Hohlrads (38) eine konkave Balligkeit in dem Sinne aufweist, dass in mindestens einer radialen Höhe der Zähne die Zahnflanke (610) in axialer Richtung konkav ausgebildet ist, und mindestens eine Zahnflanke (520) der Zähne der Planetenräder (32) eine konvexe Balligkeit in dem Sinne aufweist, dass in der betrachteten radialen Höhe die Zahnflanke (520) in axialer Richtung konvex ausgebildet ist, wobei jeweils zwei Zahnflanken (520, 610) mit konvexer und konkaver Balligkeit beim Ineinandergreifen der Zähne der jeweiligen Geradstirnräder (28, 32, 38) in Zahnkontakt treten.
Gasturbinentriebwerk (10), 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 - ein Planetengetriebe (30) gemäß Anspruch 19, 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.