-
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Gasturbinentriebwerk eines Luftfahrzeuges mit einem Triebwerkskern, der wenigstens einen Kompressor und wenigstens eine Turbine umfasst.
-
Aus der
DE 10 2008 023 990 A1 ist ein Zwei-Wellen-Triebwerk für eine Fluggasturbine mit einer zentralen Niederdruckwelle und einer diese koaxial umgebenden Hochdruckwelle bekannt. Die Niederdruckwelle und die Hochdruckwelle sind über Lagereinheiten am Triebwerksgehäuse abgestützt. Lagerlasten der Hochdruckwelle und der Niederdruckwelle können stromauf oder stromab zur Richtung eines Fans gerichtet sein. Zur Verringerung der Lagerlast der sogenannten Hochdruck-Lagereinheit werden die entgegengesetzt gerichteten Lagerlasten der Niederdruckwelle und der Hochdruckwelle in konstruktiv aufwändiger Art und Weise teilweise dadurch kompensiert, dass eine vordere Schublagereinheit der Hochdruckwelle am Triebwerksgehäuse und eine vordere Schublagereinheit der Niederdruckwelle an der Hochdruckwelle abgestützt werden.
-
Axiallagerlasten von Gasturbinentriebwerken setzen sich aus verschiedenen Kraftkomponenten zusammen. Ein Teil dieser Lasten resultieren aus Drücken, die an rotierenden Bereichen von Kompressoren oder Turbinen anliegen, die mit einer Kernwelle eines Gasturbinentriebwerkes verbunden sind. Dabei entsprechen die Drücke jeweils den Drücken in einem Triebwerkskern, wenn ein Teil des durch den Triebwerkskern geführten Luftvolumenstromes vor oder nach einer Kompressor- oder Turbinenscheibe radial nach innen abströmt. Dies ist der Fall, um beispielsweise Bereiche eines Gasturbinentriebwerkes zu kühlen ein mit einem solchen Gasturbinentriebwerk ausgeführtes Luftfahrzeug bzw. Flugzeug mit sogenannter Zapfluft beaufschlagen und mit thermischer Energie versorgen zu können.
-
Aus der JPH0559901 A sowie der JPH06264769 A ist jeweils ein Axiallast-Einstellmechanismus bekannt, der jeweils ein Steuerventil umfasst, über das ein Druck im Gasturbinentriebwerk einstellbar ist. Die Steuerventile werden jeweils druckabhängig betätigt, was jedoch nur durch einen entsprechend hohen Steuer- und Regelaufwand möglich ist, der für einen Betrieb eines Gasturbinentriebwerkes eines Luftfahrzeuges, das hohe Sicherheitsstandards erfüllen muss, nur schwer realisierbar ist.
-
Der vorliegenden Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mit geringem Steuer- und Regelaufwand betreibbares und durch einen einfachen konstruktiven Aufbau gekennzeichnetes Gasturbinentriebwerk eines Luftfahrzeuges mit einem Triebwerkskern zur Verfügung zu stellen, das durch geringe Lagerlasten gekennzeichnet ist.
-
Diese Aufgabe wird mit einem Gasturbinentriebwerk mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
-
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Gasturbinentriebwerk eines Luftfahrzeuges mit einem Triebwerkskern bereitgestellt. Der Triebwerkskern umfasst wenigstens einen Kompressor und wenigstens eine Turbine, durch die ein Kernluftstrom geführt wird und die im Bereich von Lagern drehbar gelagert sind. Ein Teil des Kernluftstroms strömt aus dem Triebwerkskern als Teilluftstrom in einen radial innerhalb des Triebwerkskerns liegenden Bereich. Im Übergangsbereich zwischen dem Triebwerkskern bzw. dem Kernluftstrom und dem radial inneren Bereich ist im Strömungsweg des Teilluftstroms eine Einrichtung vorgesehen, die die Strömung des Teilluftstroms zumindest teilweise derart umlenkt, dass ein statischer Druck im Bereich stromab der Einrichtung kleiner ist als stromauf der Einrichtung.
-
Mittels der Einrichtung besteht auf konstruktiv einfache Art und Weise und ohne zusätzlichen Steuer- und Regelaufwand die Möglichkeit, Axiallagerkräfte im Bereich der Lager im Vergleich zu bekannten Triebwerkslösungen zu reduzieren.
-
Durch die Reduzierung der Axiallagerkräfte sind die Lager des Gasturbinentriebwerkes gemäß der vorliegenden Offenbarung kleiner dimensionierbar und eine Lebensdauer der Lager mit geringem Aufwand verbesserbar.
-
Die Anordnung der Einrichtung im Übergangsbereich zwischen dem Triebwerkskern oder dem Kernluftstrom und dem radial inneren Bereich bietet die Möglichkeit, die Lager in hohem Umfang zu entlasten, da dann über einen möglichst großen Durchmesserbereich ein geringerer Druck an Bereichen des Gasturbinentriebwerkes anliegt, der maßgeblich für die im Bereich der Lager anliegenden Axiallagerlasten verantwortlich ist.
-
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Gasturbinentriebwerkes gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst die Einrichtung wenigstens ein Element, das ausgehend von einer den Strömungsweg begrenzenden Wandung in den Strömungsweg des Teilluftstroms vorkragt und in dessen Bereich die Strömung des Teilluftstroms so beeinflusst wird, dass insbesondere der statische Druck stromab des Elementes kleiner ist als stromauf des Elementes und damit eine Axiallagerkraft reduziert wird.
-
Das Element ist bei einer konstruktiv einfachen Ausführungsform des Gasturbinentriebwerkes gemäß der vorliegenden Offenbarung hakenartig ausgebildet und prägt dem Teilluftstrom stromab des Elements wenigstens teilweise eine der Strömungsrichtung aus dem Triebwerkskern entgegen gerichtete Strömungsrichtung auf. Die aufgeprägte Rückströmung bewirkt wiederum ohne zusätzlichen Steuer- und Regelaufwand die gewünschte Druckreduzierung stromab der Einrichtung und somit der Axiallagerlasten im Bereich der Lager.
-
Ein Teil des Teilluftstroms strömt bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Gasturbinentriebwerkes gemäß der vorliegenden Offenbarung einen konkaven Bereich des hakenartigen Elementes an, womit wiederum stromab der Einrichtung auf einfache Art und Weise der Druck im Vergleich zu dem Druck stromauf der Einrichtung reduziert ist.
-
Die Einrichtung kann wenigstens zwei Elemente aufweisen, die ausgehend von den Strömungsweg begrenzenden Wandungen in den Strömungsweg des Teilluftstroms vorkragen und sich im Bereich ihrer freien Enden überlappen sowie in Strömungsrichtung des Teilluftstroms zueinander beabstandet sind. Dadurch wird auf einfache Art und Weise erreicht, dass der Teilluftstrom an den freien Enden der Elemente derart wellenförmig vorbeiströmt, dass der totale Druck und der statische Druck stromab der Elemente kleiner sind als der totale Druck und der statische Druck stromauf der Elemente.
-
Die Einrichtung kann auch einen Drallerzeuger aufweisen, in dessen Bereich der Teilluftstrom bereichsweise in Umfangsrichtung des Triebwerkskerns umgelenkt wird. Durch die Umlenkung des Teilluftstroms in Umfangsrichtung des Triebwerkskerns wird wiederum der statische Druck stromab der Einrichtung in angestrebtem Umfang reduziert, wodurch die Axiallagerlasten im Bereich der Lager im Vergleich zu bekannten Gasturbinentriebwerkslösungen reduziert sind.
-
Der Drallerzeuger kann mehrere in den Strömungsweg des Teilluftstroms vorkragende und vorzugsweise propellerflügelartig ausgeführte Elemente umfassen, die in Umfangsrichtung des Triebwerkskerns zueinander beabstandet sind.
-
Strömt der Teilluftstrom stromab eines Auslasses des Kompressors, der vorzugsweise als Hochdruckkompressor ausgeführt ist, radial nach innen aus dem Triebwerkskern ab, ist die Reduzierung der Axiallagerlasten durch die Einrichtung besonders effektiv, da im Bereich des Auslasses des Hochdruckkompressors üblicherweise die höchsten Drücke im Bereich eines Gasturbinentriebwerkes vorliegen.
-
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 bei 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.
-
Es zeigt:
- 1 eine stark schematisierte Längsschnittansicht eines Gasturbienentriebwerkes eines Luftfahrzeuges;
- 2 eine vergrößerte Ansicht eines in 1 näher gekennzeichneten Bereiches II, in dem eine erste Ausführungsform einer Einrichtung vorgesehen ist, über die eine Strömung eines aus einem Triebwerkskern abströmenden Teilluftstroms zumindest teilweise umlenkbar ist;
- 3 eine 2 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Gasturbinentriebwerkes gemäß 1;
- 4 eine 2 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Gasturbinentriebwerkes gemäß 1; und
- 5 eine 2 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Gasturbinentriebwerkes gemäß 1.
-
1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einer Hauptdrehachse 9. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfa7sst einen Lufteinlass 12 und einen Bläser 23, der zwei Luftströme erzeugt: einen Kernluftstrom A und einen Bypassluftstrom B. Des Weiteren umfasst das Gasturbinentriebwerk 10 einen Triebwerkskern 11, der den Kernluftstrom A aufnimmt. Der Triebwerkskern 11 umfasst in axialer Strömungsrichtung einen Niederdruckkompressor bzw. Niederdruckverdichter 14, einen Hochdruckkompressor bzw. 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 sowie eine Bypassschubdüse 18. Der Bypassluftstrom B strömt durch den Bypasskanal 22. Der Bläser 23 ist über eine Welle 26 und ein Umlaufrädergetriebe 30 an der Niederdruckturbine 19 angebracht und wird durch diese angetrieben. Die Welle 26 ist vorliegend über Lager 24 und 25 gehäuseseitig drehbar gelagert.
-
Im Betrieb des Gasturbinentriebwerkes 10 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 Bläser 23 stellt allgemein den Hauptteil der Schubkraft bereit. Das Umlaufrädergetriebe 30 ist ein Untersetzungsgetriebe.
-
Es wird darauf hingewiesen, 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. nicht den Bläser 23 umfassen) und/oder die Turbinen- und Verdichterstufe, die durch die Verbindungswelle mit der niedrigsten Drehzahl im Gasturbinentriebwerk, d. h. dass sie nicht die Getriebeausgangswelle, die den Bläser 23 antreibt, umfasst) miteinander verbunden sind, bedeuten. Des Weiteren besteht auch die Möglichkeit, dass die Niederdruckturbine und der Niederdruckverdichter, auf die hier Bezug genommen wird, alternativ dazu die Mitteldruckturbine und der Mitteldruckverdichter sind. Bei der Verwendung derartiger alternativer Nomenklatur kann der Bläser als eine erste Verdichtungsstufe oder Verdichtungsstufe mit dem niedrigsten Druck bezeichnet werden.
-
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. Das 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 beschränkend 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 Turbo-Pro-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 x (die auf die Drehachse 9 ausgerichtet ist), eine radiale Richtung y (in der Richtung von unten nach oben in 1) und eine Umfangsrichtung U (senkrecht zu der Ansicht in 1) umfasst. Die axiale Richtung x, die radiale Richtung y und die Umfangsrichtung U verlaufen senkrecht zueinander.
-
2 bis 5 zeigen jeweils einen in 1 näher gekennzeichneten Bereich II, der jeweils einen Übergangsbereich 35 zwischen dem Triebwerkskern 11 und einen radial innerhalb des Triebwerkskerns 11 liegenden Bereich 36 darstellt. Der Übergangsbereich 35 schließt sich vorliegt direkt an einen Auslass 37 des Hochdruckverdichters 15 an, in dessen Bereich der höchste Druck im Gasturbinentriebwerk 10 vorliegt. Der radial innere Bereich 36 wird vorliegend von einem rotierenden Bauteil 38 und einem gehäusefesten Bauteil 39 begrenzt. Im Übergangsbereich 35 zwischen dem Triebwerkskern 11 und dem radial inneren Bereich 36 ist ein umfangsseitiger Ringspalt 40 vorgesehen, durch den ein Teil des durch den Triebwerkskern 11 geführten Kernluftstroms A bzw. ein Teilluftstrom Z in Richtung des radial inneren Bereiches 36 im Wesentlichen radial nach innen strömt.
-
Stromab des umfangseitigen Ringspaltes 40 ist im Übergangsbereich 35 zwischen dem Triebwerkskern 11 und dem radial inneren Bereich 36 im Strömungsweg des Teilluftstroms Z eine Einrichtung 41 vorgesehen. Die Einrichtung 41 lenkt die Strömung des Teilluftstroms Z teilweise derart um, dass ein statischer Druck im Bereich stromab der Einrichtung 41 kleiner ist als stromauf der Einrichtung.
-
Hierfür umfasst die Einrichtung 41 bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel des Gasturbinentriebwerkes zwei Elemente 42, 43. Die Elemente 42, 43 kragen ausgehend von den Strömungsweg begrenzenden Wandungen bzw. dem rotierenden Bauteil 38 und dem gehäusefesten Bauteil 39 in axialer Richtung x in den Strömungsweg des Teilluftstroms Z vor. Im Bereich ihrer freien Enden 42A, 43A überlappen sich die Elemente 42 und 43 in axialer Richtung x des Gasturbinentriebwerkes. Zusätzlich sind die Elemente 42 und 43 in Strömungsrichtung des Teilluftstroms Z bzw. in radialer Richtung y zueinander beabstandet. Die Ausführung der Elemente 42 und 43 und die Anordnung der Elemente 42 und 43 zueinander führen dazu, dass der Teilluftstrom Z an den freien Enden 42A und 43A der Elemente 42 und 43 wellenartig vorbeiströmt. Dies bewirkt, dass der statische Druck stromab der Elemente 42 und 43 kleiner ist als der statische Druck stromauf der Elemente 42 und 43.
-
3 zeigt eine 2 entsprechende Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des Gasturbinentriebwerkes 10, bei der die Einrichtung 41 mit einem im Wesentlichen hakenartig ausgeführten Element 44 ausgebildet ist. Das hakenförmige bzw. hakenartige Element 44 ist vorliegend fest mit dem rotierenden Bauteil 38 verbunden und kragt in axialer Richtung x und in radialer Richtung y ausgehend von dem den Strömungsweg des Teilluftstromes Z begrenzenden rotierenden Bauteil 38 in den Strömungsweg des Teilluftstromes Z vor. Dabei ist das hakenartige Element 44 in einem dem Teilluftstrom Z zugewandten Bereich 44A konkav ausgeführt. Dadurch wird dem Teilluftstrom Z nach dem hakenartigen Element 44 teilweise eine der Strömungsrichtung Z36 entgegen gerichtete Strömungsrichtung ZE36 aufgeprägt, so dass der Teilluftstrom Z stromab des Elementes 44 eine Rezirkulationszone 47 aufweist. Dies bewirkt, dass der Druck stromab des hakenförmigen Elementes 44 kleiner ist als stromauf des hakenförmigen Elementes 44.
-
4 zeigt ebenfalls eine Einrichtung 41, die mit einem hakenartigen bzw. hakenförmigen Element 45 ausgeführt ist. Das hakenförmige Element 45 ist bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel mit dem gehäusefesten Bauteil 39 fest verbunden und kragt ausgehend vom gehäusefesten Bauteil 39 im Wesentlichen in axialer Richtung x in den Strömungsweg des Teilluftstromes Z vor. Das hakenförmige Element 45 ist ebenfalls mit einem dem Teilluftstrom Z stromauf der Einrichtung 41 zugewandten Bereich mit einem konkaven Bereich 45A ausgebildet. Dadurch wird dem Teilluftstrom Z stromab des hakenförmigen Elementes 45 teilweise eine Rückströmung ZE45 aufgeprägt, die eine Rezirkulationszone 48 stromab des Elementes 45 bewirkt, die von der Strömungsrichtung Z36 im radial inneren Bereich abweicht und die dazu führt, dass der Druck im radial inneren Bereich 36 stromab des hakenförmigen Elementes 45 kleiner ist als stromauf des hakenförmigen Elementes 45.
-
Das in 5 dargestellte weitere Ausführungsbeispiel des Gasturbinentriebwerkes 10 ist im Übergangsbereich 35 mit einer Einrichtung 41 ausgeführt, die einen Drallerzeuger 46 umfasst. Der Drallerzeuger 46 umfasst wiederum in Umfangsrichtung des Triebwerkskerns 11 zueinander beabstandete Elemente 46A. Die Elemente 46A kragen beim Ausführungsbeispiel gemäß 5 ausgehend vom gehäusefesten Bauteil 39 jeweils in axialer Richtung x und in radialer Richtung y wenigstens annähernd schräg nach innen gerichtet in den Strömungsweg Z36 des Teilluftstromes Z vor. Die Elemente 46A sind vorliegend wenigstens annähernd propellerflügelartig ausgeführt und lenken einen Teil des Teilluftstromes Z in Umfangsrichtung U um. Dies bewirkt wiederum, dass insbesondere der statische Druck stromab der Einrichtung 41 im radial inneren Bereich 36 kleiner ist als der statische Druck stromauf der Einrichtung 41.
-
Mit allen vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen wird der Druck stromab der Einrichtung 41 gegenüber dem Druck stromauf der Einrichtung 41 im Bereich der Einrichtung 41 ohne zusätzliche Steuerung und Regelung reduziert. Da der Druck stromab der Einrichtung 41 an der den radial inneren Bereich 36 begrenzenden Oberfläche des rotierenden Bauteiles 38 angreift, werden dadurch Axiallagerkräfte der Lager 24, 25 im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Gasturbinentriebwerken reduziert, die ohne eine entsprechende Einrichtung ausgeführt sind.
-
Bezugszeichenliste
-
- 9
- Hauptdrehachse
- 10
- Gasturbinentriebwerk
- 11
- Triebwerkskern
- 12
- Lufteinlass
- 14
- Niederdruckkompressor bzw. Niederdruckverdichter
- 15
- Hochdruckkompressor bzw. Hochdruckverdichter
- 16
- Verbrennungseinrichtung
- 17
- Hochdruckturbine
- 18
- Bypassschubdüse
- 19
- Niederdruckturbine
- 20
- Kernschubdüse
- 21
- Triebwerksgondel
- 22
- Bypasskanal
- 23
- Bläser
- 24,25
- Lager
- 26
- Welle
- 27
- Welle
- 30
- Umlaufrädergetriebe
- 35
- Übergangsbereich
- 36
- radial innerer Bereich
- 37
- Auslass des Hochdruckverdichters
- 38
- rotierendes Bauteil
- 39
- gehäusefestes Bauteil
- 40
- umfangsseitiger Ringspalt
- 41
- Einrichtung
- 42
- Element
- 42A
- freies Ende des Elements 42
- 43
- Element
- 42A
- freies Ende des Elements 43
- 44
- hakenartiges Element
- 44A
- konkaver Bereich des hakenartigen Elementes 44
- 45
- hakenförmiges Element
- 45A
- konkaver Bereich des hakenförmigen Elementes 45
- 46
- Drallerzeuger
- 46A
- Element
- 47
- Rezirkulationszone
- 48
- Rezirkulationszone
- A
- Kernluftstrom
- B
- Bypassluftstrom
- U
- Umfangsrichtung
- Z
- Teilluftstrom
- Z36, ZE36, ZE45
- Strömungsrichtung des Teilluftstroms
- x
- axiale Richtung
- y
- radiale Richtung
-
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
-
- DE 102008023990 A1 [0002]
