DE102019131077A1

DE102019131077A1 - Getriebeturbofan-Triebwerk

Info

Publication number: DE102019131077A1
Application number: DE102019131077.6A
Authority: DE
Inventors: Clive BREEN
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2019-11-18
Publication date: 2020-06-04
Also published as: GB201819413D0; FR3089259A1; US20200173456A1; US11199196B2; CN212717365U; FR3089259B1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Getriebeturbofan-Triebwerk. Ausführungsbeispiele schließen ein Gasturbinentriebwerk (10) für ein Flugzeug ein, umfassend: einen Triebwerkskern (11), der eine Turbine (19), einen Verdichter (14) und eine Kernwelle (26), die die Turbine (19) mit dem Verdichter (14) verbindet, umfasst; eine Fan-Anordnung (23), die stromaufwärts des Triebwerkskerns (11) angeordnet ist; und ein Getriebe (30), das einen Eingang von der Kernwelle (26) empfängt und Antrieb zur Fan-Anordnung (23) ausgibt, um die Fan-Anordnung (23) mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle (26) anzutreiben, wobei die Fan-Anordnung (23) eine Vielzahl von Fan-Schaufeln (41) umfasst, die um eine Nabe (42) herum montiert sind, wobei die Fan-Schaufeln (41) Schaufelspitzen aufweisen, die einen Außendurchmesser der Fan-Anordnung (23) von etwa 220 cm bis etwa 400 cm definieren, wobei die Nabe (42) eine Vielzahl von Schlitzen (51) umfasst, die um einen Rand (52) der Nabe (42) angeordnet sind, wobei jeder Schlitz (51) eine Wurzel einer entsprechenden Fan-Schaufel (41) aufnimmt, wobei ein Verhältnis einer Masse der Nabe zu einer Gesamtmasse der Vielzahl von Fan-Schaufeln im Bereich von etwa 0,45 bis etwa 0,7 liegt.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Getriebeturbofan-Triebwerk.
Da Fan-Anordnungen für Turbofan-Triebwerke in der Gesamtgröße größer werden, zum Beispiel durch Vergrößern des Außendurchmessers der Fan-Anordnung, müssen verschiedene Parameter geändert werden, um die Zunahme der Größe zu berücksichtigen. Eine größere Fan-Anordnung muss sich zum Beispiel langsamer drehen, um eine übermäßige Drehzahl an den Fan-Spitzen zu verhindern. Andere Änderungen in Folge davon können dann notwendig werden, wie etwa das Einführen eines Getriebes, um zu ermöglichen, dass die Turbinenkomponenten des Triebwerks, die den Fan antreiben, mit einer höheren Drehzahl als die des Fans arbeiten. Mit zunehmender Größe der Fan-Anordnung kann es erforderlich sein, das Problem der Vibration zu lösen, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen. Eine solche Vibration kann in der Nabe der Fan-Anordnung auftreten oder sich als Flattern in den Fan-Schaufeln zeigen. Die bloße Skalierung der Abmessungen der verschiedenen Komponenten, aus denen sich eine Fan-Anordnung zusammensetzt, entsprechend der Zunahme der Gesamtabmessungen ist nicht unbedingt eine Lösung für dieses Problem.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt wird ein Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug bereitgestellt, umfassend:

einen Triebwerkskern, der eine Turbine, einen Verdichter und eine Kernwelle, die die Turbine mit dem Verdichter verbindet, umfasst;
eine Fan-Anordnung, die stromaufwärts des Triebwerkskerns angeordnet ist; und ein Getriebe, das einen Eingang von der Kernwelle empfängt und Antrieb zur Fan-Anordnung ausgibt, um die Fan-Anordnung mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle anzutreiben,
wobei die Fan-Anordnung eine Vielzahl von Fan-Schaufeln umfasst, die um eine Nabe herum montiert sind, wobei die Fan-Schaufeln Schaufelspitzen aufweisen, die einen Außendurchmesser der Fan-Anordnung von etwa 220 cm bis etwa 400 cm definieren, wobei die Nabe eine Vielzahl von Schlitzen umfasst, die um einen Rand der Nabe angeordnet sind, wobei jeder Schlitz eine Wurzel einer entsprechenden Fan-Schaufel aufnimmt, wobei ein Verhältnis einer Masse der Nabe zu einer Gesamtmasse der Vielzahl von Fan-Schaufeln im Bereich von etwa 0,45 bis etwa 0,7 liegt.

Ein Nabe-zu-Spitze-Verhältnis der Fan-Anordnung kann zwischen etwa 0,2 und 0,4 liegen.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt wird ein Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug bereitgestellt, umfassend:

einen Triebwerkskern, der eine Turbine, einen Verdichter und eine Kernwelle, die die Turbine mit dem Verdichter verbindet, umfasst;
eine Fan-Anordnung, die stromaufwärts des Triebwerkskerns angeordnet ist; und
ein Getriebe, das einen Eingang von der Kernwelle empfängt und Antrieb zur Fan-Anordnung ausgibt, um die Fan-Anordnung mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle anzutreiben,
wobei die Fan-Anordnung eine Vielzahl von Fan-Schaufeln umfasst, die um eine Nabe herum montiert sind, wobei ein Nabe-zu-Spitze-Verhältnis der Fan-Anordnung zwischen etwa 0,2 und 0,4 liegt, wobei die Nabe eine Vielzahl von Schlitzen umfasst, die um einen Rand der Nabe angeordnet sind, wobei jeder Schlitz eine Wurzel einer entsprechenden Fan-Schaufel aufnimmt, wobei ein Verhältnis einer Masse der Nabe zu einer Gesamtmasse der Vielzahl von Fan-Schaufeln im Bereich von etwa 0,45 bis etwa 0,7 liegt.

Das Verhältnis der Masse der Nabe zu einer Gesamtmasse der Vielzahl von Fan-Schaufeln für den ersten oder zweiten Gesichtspunkt kann im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 0,65 oder von etwa 0,5 bis etwa 0,6 liegen.
Für jeden von dem ersten oder zweiten Gesichtspunkt ermöglicht das Verhältnis der Masse der Nabe zur Gesamtmasse der Vielzahl von Fan-Schaufeln, d. h. das Masseverhältnis von Nabe zu Fan, das im Bereich von etwa 0,45 bis etwa 0,7 oder optional von etwa 0,5 bis etwa 0,65 oder weiter optional von etwa 0,5 bis etwa 0,6 liegt, eine Reduzierung oder Minimierung von Vibrationen, wie etwa Flattern, insbesondere bei niedrigeren Drehzahlen. Dies ist besonders effektiv bei Getriebeturbofan-Anwendungen, bei denen größere Fan-Durchmesser bei niedrigeren Drehzahlen laufen.
Das Masseverhältnis von Nabe zu Fan kann etwa 0,45, 0,46, 0,47, 0,48, 0,49, 0,50, 0,51, 0,52, 0,53, 0,54, 0,55, 0,56, 0,57, 0,58, 0,59, 0,60, 0,61, 0,62, 0,63, 0,64, 0,65, 0,66, 0,67, 0,68, 0,69, 0,70 betragen oder kann innerhalb eines durch beliebige zwei der vorhergehenden Werte definierten Bereichs liegen.
Der Rand kann eine radiale Mindestdicke zwischen einer Basis jedes Schlitzes und einem inneren Hohlraum innerhalb der Nabe aufweisen, wobei die radiale Mindestdicke im Bereich von etwa 0,5 % bis etwa 1,1 % des Fan-Außendurchmessers liegt. Das Halten der Randdicke in diesem bevorzugten Bereich kann es ermöglichen, die Gesamtmasse der Nabe in dem gewünschten Bereich für das Masseverhältnis von Nabe zu Fan zu halten.
Das Definieren der radialen Mindestdicke als innerhalb dieses Bereichs liegend ermöglicht es, die Vibration der Nabe und das Flattern der Fans zu reduzieren, da die lokalisierte Zunahme der Dicke des Nabenrandes die Steifigkeit der Nabe in diesem Bereich erhöht und die Gesamtmasse der Nabe erhöht. Das Erhöhen der Dicke des Randes hat auch den Vorteil, dass es die Trägheit der Nabe proportional mehr als eine Massenzunahme zur Mitte der Nabe hin erhöht, wodurch möglicherweise die Größe von Vibrationen, die an der Fan-Wurzel entstehen, reduziert wird.
Die radiale Mindestdicke kann zum Beispiel im Bereich von etwa 0,5 % bis etwa 1,1 % des Fan-Außendurchmessers liegen.
Die radiale Mindestdicke kann etwa 0,50 %, 0,55 %, 0,60 %, 0,65 %, 0,70 %, 0,75 %, 0,80 %, 0,85 %, 0,90 %, 0,95 %, 1,00 %, 1,05 %, 1,10 % betragen oder in einem beliebigen durch zwei der vorgenannten Werte definierten Bereich liegen. Die radiale Mindestdicke darf nicht größer als 35 mm sein, um eine übermäßige Masse der Nabe zu vermeiden, die dazu führen kann, dass das Masseverhältnis von Nabe zu Fan über 0,7 liegt, was den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks beeinträchtigt. Die radiale Mindestdicke kann etwa 15 mm, etwa 16 mm, etwa 17 mm, etwa 18 mm, etwa 19 mm, etwa 20 mm, etwa 21 mm, etwa 22 mm, etwa 23 mm, etwa 24 mm, etwa 25 mm, etwa 26 mm, etwa 27 mm, etwa 28 mm, etwa 29 mm, etwa 30 mm, etwa 31 mm, etwa 32 mm, etwa 33 mm, etwa 34 mm, etwa 35 mm betragen oder in einem durch zwei beliebige der vorgenannten Werte definierten Bereich liegen.
Der Außendurchmesser der Fan-Anordnung kann etwa 280 cm oder mehr oder etwa 330 cm oder mehr betragen.
Ein Mittelwert der Mindestranddicke entlang einer Drehachse der Fan-Anordnung kann im Bereich von etwa 0,5 bis 1,1 % des Fan-Außendurchmessers liegen, wenn zum Beispiel die Mindestranddicke entlang der Drehachse der Fan-Anordnung variiert.
Wenn die Turbine eine erste Turbine ist, der Verdichter ein erster Verdichter ist und die Kernwelle eine erste Kernwelle ist, kann der Triebwerkskern ferner eine zweite Turbine, einen zweiten Verdichter und eine zweite Kernwelle, die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet, umfassen, wobei die zweite Turbine, der zweite Verdichter und die zweite Kernwelle angeordnet sind, um sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle zu drehen.
Anordnungen der vorliegenden Offenbarung können insbesondere für Fans vorteilhaft sein, die über ein Getriebe angetrieben werden. Der Eingang zum Getriebe kann direkt von der Kernwelle oder indirekt von der Kernwelle, zum Beispiel über eine Stirnradwelle und/oder ein Getriebe, erfolgen. Die Kernwelle kann die Turbine und den Verdichter starr verbinden, sodass sich die Turbine und der Verdichter mit der gleichen Drehzahl drehen (wobei sich der Fan mit einer niedrigeren Drehzahl dreht).
Das Getriebe ist ein Untersetzungsgetriebe (da der Ausgang zum Fan eine niedrigere Drehzahl aufweist als der Eingang von der Kernwelle). Es kann jede Art von Getriebe verwendet werden. Zum Beispiel kann das Getriebe ein „Planetengetriebe“ oder ein „Sterngetriebe“ sein, wie es an anderer Stelle hierin detaillierter beschrieben ist. Zum Beispiel kann das Übersetzungsverhältnis größer als 2,5 und/oder kleiner als 5 sein. Als ein spezifischeres Beispiel kann das Übersetzungsverhältnis im Bereich von 3,2 bis 5 oder 3,4 bis 4,2 liegen. Als weiteres Beispiel kann das Übersetzungsverhältnis in der Größenordnung von oder mindestens 3, 3,1, 3,2, 3,3, 3,4, 3,5, 3,6, 3,7, 3,8, 3,9, 4, 4,1 oder 4,2 oder zwischen zwei beliebigen der Werte in diesem Satz liegen. In einigen Anordnungen kann das Übersetzungsverhältnis außerhalb dieser Bereiche liegen.
Das Gasturbinentriebwerk, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, kann jede geeignete allgemeine Architektur aufweisen. Zum Beispiel kann das Gasturbinentriebwerk eine beliebige Anzahl von Wellen aufweisen, die Turbinen und Verdichter verbinden, zum Beispiel eine, zwei oder drei Wellen. Rein 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 so angeordnet sein, dass sie sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle drehen.
In einer solchen Anordnung kann der zweite Verdichter axial stromabwärts des ersten Verdichters positioniert sein. Der zweite Verdichter kann angeordnet sein, um eine Strömung von dem ersten Verdichter zu empfangen (zum Beispiel direkt zu empfangen, zum Beispiel über einen im Allgemeinen ringförmigen Kanal).
Das Getriebe kann so angeordnet sein, dass es von der Kernwelle angetrieben wird, die konfiguriert ist, um sich (zum Beispiel im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen (zum Beispiel der ersten Kernwelle in dem obigen Beispiel). Zum Beispiel kann das Getriebe so angeordnet sein, dass es nur von der Kernwelle angetrieben wird, die konfiguriert ist, um sich (zum Beispiel im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen (zum Beispiel nur von der ersten Kernwelle und nicht von der zweiten Kernwelle im obigen Beispiel). Alternativ kann das Getriebe so angeordnet sein, dass es von einer oder mehreren Wellen angetrieben wird, zum Beispiel der ersten und/oder zweiten Welle in dem obigen Beispiel.
In jedem Gasturbinentriebwerk, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, kann eine Brennkammer axial stromabwärts des Fans und des/der Verdichter(s) vorgesehen sein. Zum Beispiel kann sich die Brennkammer direkt stromabwärts des zweiten Verdichters (zum Beispiel an dessen Ausgang) befinden, wo ein zweiter Verdichter vorgesehen ist. Als weiteres Beispiel kann die Strömung am Ausgang zur Brennkammer an den Einlass der zweiten Turbine geliefert werden, wo eine zweite Turbine vorgesehen ist. Die Brennkammer kann stromaufwärts der Turbine(n) vorgesehen sein.
Der oder jeder Verdichter (zum Beispiel der erste Verdichter und der zweite Verdichter, wie oben beschrieben) kann eine beliebige Anzahl von Stufen, zum Beispiel mehrere Stufen, umfassen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln umfassen, die variable Statorschaufeln sein können (da ihr Einfallswinkel variabel sein kann). Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial zueinander versetzt sein.
Die oder jede Turbine (zum Beispiel die erste Turbine und die zweite Turbine, wie oben beschrieben) kann eine beliebige Anzahl von Stufen, zum Beispiel mehrere Stufen, umfassen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln umfassen. Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial zueinander versetzt sein.
Jede Fan-Schaufel kann so definiert sein, dass sie eine radiale Spannweite aufweist, die sich von einer Wurzel (oder Nabe) an einer radial inneren gasgewaschenen Stelle oder einer Position mit 0 % Spannweite zu einer Spitze an einer Position mit 100 % Spannweite erstreckt. Das Verhältnis des Radius (oder Durchmessers) der Fan-Schaufel an der Nabe zum Radius (Durchmesser) der Fan-Schaufel an der Spitze kann kleiner sein 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, 0,25, 0,24, 0,23, 0,22, 0,21 oder 0,20. Das Verhältnis des Radius der Fan-Schaufel an der Nabe zu dem Radius der Fan-Schaufel an der Spitze kann in einem einschließenden Bereich liegen, der durch beliebige zwei der Werte in dem vorhergehenden Satz begrenzt ist (d. h., die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Diese Verhältnisse können allgemein als das Nabe-zu-Spitze-Verhältnis bezeichnet werden. Der Radius an der Nabe und der Radius an der Spitze können beide an der Anströmkante (oder dem axial vordersten Teil) der Schaufel gemessen werden. Das Nabe-zu-Spitze-Verhältnis bezieht sich natürlich auf den gasgewaschenen Abschnitt der Fan-Schaufel, d. h. den Abschnitt radial außerhalb irgendeiner Plattform. Solche Bereiche können besonders für Turbofan-Anordnungen mit niedrigerer Drehzahl geeignet sein, zum Beispiel solche, die über ein Getriebe angetrieben werden und einen relativ größeren Fan-Spitzendurchmesser im Vergleich zu dem Nabenaußendurchmesser aufweisen.
Der Radius des Fans kann zwischen der Mittellinie des Triebwerks und der Spitze einer Fan-Schaufel an ihrer Anströmkante gemessen werden. Der Fan-Durchmesser (der einfach das Doppelte des Fan-Radius betragen kann) kann größer sein als (oder in der Größenordnung von): 220 cm (etwa 85 Zoll), 250 cm (etwa 100 Zoll), 260 cm, 270 cm (etwa 105 Zoll), 280 cm (etwa 110 Zoll), 290 cm (etwa 115 Zoll), 300 cm (etwa 120 Zoll), 310 cm, 320 cm (etwa 125 Zoll), 330 cm (etwa 130 Zoll), 340 cm (etwa 135 Zoll), 350 cm, 360 cm (etwa 140 Zoll), 370 cm (etwa 145 Zoll), 380 (etwa 150 Zoll) cm oder 390 cm (etwa 155 Zoll). Der Fan-Durchmesser kann in einem einschließenden Bereich liegen, der durch zwei beliebige der Werte in dem vorhergehenden Satz begrenzt ist (d. h., die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Die Drehzahl des Fans kann im Gebrauch variieren. Im Allgemeinen ist die Drehzahl bei Fans mit einem größeren Durchmesser niedriger. Rein als ein nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Fans unter Reiseflugbedingungen kleiner als 2500 U/min, zum Beispiel kleiner als 2300 U/min, sein. Rein als weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Fans unter Reiseflugbedingungen für ein Triebwerk, das einen Fan-Durchmesser im Bereich von 250 cm bis 300 cm (zum Beispiel 250 cm bis 280 cm) aufweist, im Bereich von 1700 U/min bis 2500 U/min, zum Beispiel im Bereich von 1800 U/min bis 2300 U/min, zum Beispiel im Bereich von 1900 U/min bis 2100 U/min, liegen. Rein als weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Fans unter Reiseflugbedingungen für ein Triebwerk, das einen Fan-Durchmesser im Bereich von 320 cm bis 380 cm aufweist, im Bereich von 1200 U/min bis 2000 U/min, zum Beispiel im Bereich von 1300 U/min bis 1800 U/min, zum Beispiel im Bereich von 1400 U/min bis 1600 U/min, liegen.
Im Gebrauch des Gasturbinentriebwerks dreht sich der Fan (mit zugehörigen Fan-Schaufeln) um eine Drehachse. Diese Drehung führt dazu, dass sich die Spitze der Fan-Schaufel mit einer Geschwindigkeit U_Spitze bewegt. Die Arbeit, die von den Fan-Schaufeln 13 an der Strömung geleistet wird, führt zu einem Enthalpieanstieg dH der Strömung. Eine Fan-Spitzen-Belastung kann als dH/U_Spitze ² definiert sein, wobei dH der Enthalpieanstieg (zum Beispiel der mittlere 1-D-Enthalpieanstieg) über den Fan ist und Uspitze die (translatorische) Geschwindigkeit der Fan-Spitze ist, zum Beispiel an der Anströmkante der Spitze (die als der Fan-Spitzen-Radius an der Anströmkante multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit definiert sein kann). Die Fan-Spitzen-Belastung unter Reiseflugbedingungen kann größer sein als (oder in der Größenordnung von): 0,28, 0,29, 0,3, 0,31, 0,32, 0,33, 0,34, 0,35, 0,36, 0,37, 0,38, 0,39 oder 0,4 (wobei alle Einheiten in diesem Absatz Jkg^-1K^-1/(ms^-1)² sind). Die Fan-Spitzen-Belastung kann in einem einschließenden Bereich liegen, der durch zwei beliebige der Werte in dem vorhergehenden Satz begrenzt ist (d. h., die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Gasturbinentriebwerke gemäß der vorliegenden Offenbarung können ein beliebiges Bypass-Verhältnis aufweisen, wobei das Bypass-Verhältnis als das Verhältnis der Massenströmungsrate der Strömung durch den Bypass-Kanal zu der Massenströmungsrate der Strömung durch den Kern unter Reiseflugbedingungen definiert ist. In einigen Anordnungen kann das Bypass-Verhältnis größer sein als eines von Folgendem (oder in der Größenordnung hiervon): 10, 10,5, 11, 11,5, 12, 12,5, 13, 13,5, 14, 14,5, 15, 15,5, 16, 16,5, 17, 17,5, 18, 18,5, 19, 19,5 oder 20. Das Bypass-Verhältnis kann in einem einschließenden Bereich liegen, der durch zwei beliebige der Werte in dem vorhergehenden Satz begrenzt ist (d. h., die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Der Bypass-Kanal kann im Wesentlichen ringförmig sein. Der Bypass-Kanal kann sich radial außerhalb des Kerntriebwerks befinden. Die radiale Außenfläche des Bypass-Kanals kann durch eine Gondel und/oder ein Fan-Gehäuse definiert sein.
Das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, kann als das Verhältnis des Staudrucks stromaufwärts des Fans zu dem Staudruck am Ausgang des Höchstdruckverdichters (vor Eintritt in die Brennkammer) definiert sein. Als nicht einschränkendes Beispiel kann das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, im Flug größer sein als eines von Folgendem (oder in der Größenordnung hiervon): 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75. Das Gesamtdruckverhältnis kann in einem einschließenden Bereich liegen, der durch zwei beliebige der Werte in dem vorhergehenden Satz begrenzt ist (d. h., die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Der spezifische Schub eines Triebwerks kann als der Nettoschub des Triebwerks geteilt durch den Gesamtmassenstrom durch das Triebwerk definiert sein. Unter Reiseflugbedingungen kann der spezifische Schub eines hierin beschriebenen und/oder beanspruchten Triebwerks kleiner sein als eines von Folgendem (oder in der Größenordnung hiervon): 110 Nkg^-1s, 105 Nkg^-1s, 100 Nkg^-1s, 95 Nkg^-1s, 90 Nkg^-1s, 85 Nkg^-1s oder 80 Nkg^-1s. Der spezifische Schub kann in einem einschließenden Bereich liegen, der durch zwei beliebige der Werte in dem vorhergehenden Satz begrenzt ist (d. h., die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Derartige Triebwerke können im Vergleich zu herkömmlichen Gasturbinentriebwerken besonders effizient sein.
Ein Gasturbinentriebwerk, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, kann jeden gewünschten maximalen Schub aufweisen. Rein als ein nicht einschränkendes Beispiel kann eine Gasturbine, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, in der Lage sein, einen maximalen Schub von mindestens einem von Folgendem (oder in der Größenordnung hiervon) zu erzeugen: 160 kN, 170 kN, 180 kN, 190 kN, 200 kN, 250 kN, 300 kN, 350 kN, 400 kN, 450 kN, 500 kN oder 550 kN. Der maximale Schub kann in einem einschließenden Bereich liegen, der durch zwei beliebige der Werte in dem vorhergehenden Satz begrenzt ist (d. h., die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Der oben genannte Schub kann der maximale Nettoschub bei Standardatmosphärenbedingungen auf Meereshöhe plus 15 Grad C (Umgebungsdruck 101,3 kPa, Temperatur 30 Grad C) sein, wobei das Triebwerk statisch ist.
Im Gebrauch kann die Temperatur der Strömung am Eintritt in die Hochdruckturbine besonders hoch sein. Diese Temperatur, die als TET bezeichnet werden kann, kann am Ausgang zur Brennkammer gemessen werden, zum Beispiel unmittelbar stromaufwärts der ersten Turbinenschaufel, die selbst als Düsenleitschaufel bezeichnet werden kann. Im Flug kann die TET mindestens eines sein von Folgendem (oder in der Größenordnung hiervon): 1400 K, 1450 K, 1500 K, 1550 K, 1600 K oder 1650 K. Die TET im Flug kann in einem einschließenden Bereich liegen, der durch zwei beliebige der Werte in dem vorhergehenden Satz begrenzt ist (d. h., die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET im Gebrauch des Triebwerks kann zum Beispiel mindestens eines von Folgendem sein (oder in der Größenordnung hiervon): 1700 K, 1750 K, 1800 K, 1850 K, 1900 K, 1950 K oder 2000 K. Die maximale TET kann in einem einschließenden Bereich liegen, der durch zwei beliebige der Werte in dem vorhergehenden Satz begrenzt ist (d. h., die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET kann zum Beispiel bei einem hohen Schubzustand, zum Beispiel bei einer maximalen Abhebebedingung (MTO-Bedingung) auftreten.
Eine Fan-Schaufel und/oder ein Luftleitblechabschnitt einer Fan-Schaufel, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, kann bzw. können aus jedem geeigneten Material oder jeder geeigneten Kombination von Materialien hergestellt sein. Zum Beispiel kann mindestens ein Teil der Fan-Schaufel und/oder des Luftleitblechs mindestens teilweise aus einem Verbundwerkstoff, zum Beispiel einem Metallmatrixverbundwerkstoff und/oder einem organischen Matrixverbundwerkstoff, wie etwa Kohlefaser, hergestellt sein. Als weiteres Beispiel kann mindestens ein Teil der Fan-Schaufel und/oder des Luftleitblechs mindestens teilweise aus einem Metall, wie etwa einem auf Titan basierenden Metall oder einem auf Aluminium basierenden Material (wie etwa einer Aluminium-Lithium-Legierung) oder einem auf Stahl basierenden Material, hergestellt sein. Die Fan-Schaufel kann mindestens zwei Bereiche umfassen, die unter Verwendung unterschiedlicher Materialien hergestellt sind. Zum Beispiel kann die Fan-Schaufel eine schützende Anströmkante aufweisen, die unter Verwendung eines Materials hergestellt sein kann, das besser in der Lage ist, einem Aufprall (zum Beispiel von Vögeln, Eis oder anderem Material) zu widerstehen als der Rest der Laufschaufel. Eine derartige Anströmkante kann zum Beispiel unter Verwendung von Titan oder einer auf Titan basierenden Legierung hergestellt sein. Somit kann die Fan-Schaufel rein beispielhaft einen auf Kohlenstofffaser oder Aluminium basierenden Körper (wie etwa einer Aluminium-Lithium-Legierung) mit einer Anströmkante aus Titan aufweisen.
Ein Fan, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, kann einen zentralen Abschnitt umfassen, von dem sich die Fan-Schaufeln, zum Beispiel in einer radialen Richtung, erstrecken können. Die Fan-Schaufeln können in jeder gewünschten Weise an dem zentralen Abschnitt befestigt sein. Zum Beispiel kann jede Fan-Schaufel eine Befestigung umfassen, die in einen entsprechenden Schlitz in der Nabe (oder Scheibe) eingreifen kann. Eine solche Befestigung kann rein beispielhaft in Form eines Schwalbenschwanzes vorliegen, der in einen entsprechenden Schlitz in der Nabe/Scheibe einsteckbar und/oder einrastbar ist, um die Fan-Schaufel an der Nabe/Scheibe zu befestigen. Als weiteres Beispiel können die Fan-Schaufeln einstückig mit einem zentralen Abschnitt gebildet sein. Solch eine Anordnung kann als eine Blisk (bladed disk, beschaufelte Scheibe) oder ein Bling (bladed ring, beschaufelter Ring) bezeichnet werden. Jedes geeignete Verfahren kann zur Herstellung einer solchen Blisk oder eines solchen Blings verwendet werden. Zum Beispiel kann mindestens ein Teil der Fan-Schaufeln aus einem Block gefertigt sein und/oder mindestens ein Teil der Fan-Schaufeln kann durch Schweißen, wie etwa lineares Reibschweißen, an der Nabe/Scheibe befestigt sein.
Die hierin beschriebenen und/oder beanspruchten Gasturbinentriebwerke können mit einer flächenvariablen Düse (variable area nozzle, VAN) versehen sein oder nicht. Eine derartige flächenvariable Düse kann das Variieren der Ausgangsfläche des Bypass-Kanals im Gebrauch ermöglichen. Die allgemeinen Prinzipien der vorliegenden Offenbarung können auf Triebwerke mit oder ohne VAN angewendet werden.
Der Fan einer Gasturbine, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, kann eine beliebige Anzahl von Fan-Schaufeln, zum Beispiel 14, 16, 18, 20, 22, 24 oder 26 Fan-Schaufeln, aufweisen.
Wie hierin verwendet, haben Reiseflugbedingungen die herkömmliche Bedeutung und würden vom Fachmann leicht verstanden werden. Somit würde der Fachmann bei einem gegebenen Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug sofort Reiseflugbedingungen so erfassen, dass sie den Arbeitspunkt des Triebwerks bei Streckenflugmitte einer gegebenen Mission (was in der Branche als die „wirtschaftliche Mission“ bezeichnet werden kann) eines Flugzeugs bedeuten, an dem das Gasturbinentriebwerk angebracht werden soll. In dieser Hinsicht ist die Streckenflugmitte der Punkt in einem Flugzeugflugzyklus, bei dem 50 % des gesamten Treibstoffs, der zwischen dem höchsten Punkt des Steigflugs und dem Beginn des Sinkflugs verbrannt wird, verbrannt wurde (was durch den Mittelpunkt - in Bezug auf Zeit und/oder Abstand - zwischen dem höchsten Punkt des Steigflugs und dem Beginn des Sinkflugs angenähert werden kann). Reiseflugbedingungen definieren somit einen Arbeitspunkt des Gasturbinentriebwerks, der einen Schub bereitstellt, der einen Betrieb in einem stabilen Zustand (d. h. Aufrechterhaltung einer konstanten Höhe und konstanten Machzahl) bei Streckenflugmitte eines Flugzeugs, an dem es angebracht werden soll, unter Berücksichtigung der für dieses Flugzeug vorgesehenen Anzahl von Triebwerken sicherstellen würde. Wenn zum Beispiel ein Triebwerk dafür konzipiert ist, an einem Flugzeug angebracht zu werden, das zwei Triebwerke desselben Typs aufweist, stellt das Triebwerk unter Reiseflugbedingungen die Hälfte des Gesamtschubs bereit, der für einen Betrieb in einem stabilen Zustand dieses Flugzeugs bei Streckenflugmitte erforderlich wäre.
Mit anderen Worten sind die Reiseflugbedingungen für ein gegebenes Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug als der Arbeitspunkt des Triebwerks definiert, der einen spezifizierten Schub (erforderlich, um - in Kombination mit jeglichen anderen Triebwerken am Flugzeug - einen Betrieb in einem stabilen Zustand des Flugzeugs, an dem es angebracht werden soll, bei einer gegebenen Streckenflugmitte-Machzahl bereitzustellen) unter Streckenflugmitte-Atmosphärenbedingungen (definiert durch die Internationale Standardatmosphäre gemäß ISO 2533 bei Streckenflughöhe) bereitstellt. Für jedes gegebene Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug sind der Schub bei Streckenflugmitte, die Atmosphärenbedingungen und die Machzahl und somit der Arbeitspunkt des Triebwerks bei Reiseflugbedingungen klar definiert.
Rein beispielhaft kann die Vorwärtsgeschwindigkeit unter Reiseflugbedingungen jeder Punkt im Bereich von Mach 0,7 bis 0,9, zum Beispiel 0,75 bis 0,85, zum Beispiel 0,76 bis 0,84, zum Beispiel 0,77 bis 0,83, zum Beispiel 0,78 bis 0,82, zum Beispiel 0,79 bis 0,81, zum Beispiel in der Größenordnung von Mach 0,8, in der Größenordnung von Mach 0,85 oder im Bereich von 0,8 bis 0,85 sein. Jede einzelne Geschwindigkeit innerhalb dieser Bereiche kann Teil der Reiseflugbedingungen sein. Bei einigen Flugzeugen können die Reiseflugbedingungen außerhalb dieser Bereiche, zum Beispiel unter Mach 0,7 oder über Mach 0,9, liegen.
Rein beispielhaft können die Reiseflugbedingungen Standardatmosphärenbedingungen (gemäß der Internationalen Standardatmosphäre, ISA) bei einer Höhe entsprechen, die im Bereich von 10.000 m bis 15.000 m, zum Beispiel im Bereich von 10.000 m bis 12.000 m, zum Beispiel im Bereich von 10.400 m bis 11.600 m (etwa 38.000 ft), zum Beispiel im Bereich von 10.500 m bis 11.500 m, zum Beispiel im Bereich von 10.600 m bis 11.400 m, zum Beispiel im Bereich von 10.700 m (etwa 35.000 ft) bis 11.300 m, zum Beispiel im Bereich von 10.800 m bis 11.200 m, zum Beispiel im Bereich von 10.900 m bis 11.100 m, zum Beispiel in der Größenordnung von 11.000 m, liegt. Die Reiseflugbedingungen können Standardatmosphärenbedingungen bei jeder gegebenen Höhe in diesen Bereichen entsprechen.
Rein beispielhaft können die Reiseflugbedingungen einem Arbeitspunkt des Triebwerks entsprechen, der bei einer Vorwärts-Machzahl von 0,8 und Standardatmosphärenbedingungen (gemäß der Internationalen Standardatmosphäre) bei einer Höhe von 38.000 ft (11.582 m) ein bekanntes erforderliches Schubniveau (zum Beispiel einen Wert im Bereich von 30 kN bis 35 kN) bereitstellt. Rein als weiteres Beispiel können die Reiseflugbedingungen einem Arbeitspunkt des Triebwerks entsprechen, der bei einer Vorwärts-Machzahl von 0,85 und Standardatmosphärenbedingungen (gemäß der Internationalen Standardatmosphäre) bei einer Höhe von 35.000 ft (10.668 m) ein bekanntes erforderliches Schubniveau (zum Beispiel einen Wert im Bereich von 50 kN bis 65 kN) bereitstellt.
Im Gebrauch kann ein Gasturbinentriebwerk, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, unter den Reiseflugbedingungen arbeiten, die an anderer Stelle hierin definiert sind. Derartige Reiseflugbedingungen können durch die Reiseflugbedingungen (zum Beispiel die Streckenflugmitte-Bedingungen) eines Flugzeugs bestimmt werden, an dem mindestens ein (zum Beispiel 2 oder 4) Gasturbinentriebwerk(e) montiert werden kann, um einen Vortriebschub bereitzustellen.
Gemäß einem Gesichtspunkt wird ein Flugzeug umfassend ein Gasturbinentriebwerk, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, bereitgestellt. Das Flugzeug gemäß diesem Gesichtspunkt ist das Flugzeug, für das das Gasturbinentriebwerk zur Befestigung daran konzipiert wurde. Dementsprechend entsprechen die Reiseflugbedingungen gemäß diesem Gesichtspunkt der Streckenflugmitte des Flugzeugs, wie an anderer Stelle hierin definiert.
Gemäß einem Gesichtspunkt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinentriebwerks, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, bereitgestellt. Der Betrieb kann unter den Reiseflugbedingungen, wie hierin an anderer Stelle definiert, (zum Beispiel in Hinblick auf Schub, Atmosphärenbedingungen und Machzahl) erfolgen.
Gemäß einem Gesichtspunkt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Flugzeugs umfassend ein Gasturbinentriebwerk, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, bereitgestellt. Der Betrieb gemäß diesem Gesichtspunkt kann einen Betrieb bei Streckenflugmitte des Flugzeugs, wie an anderer Stelle hierin definiert, einschließen (oder ein solcher sein).
Der Fachmann wird verstehen, dass, außer im Falle des gegenseitigen Ausschlusses, ein Merkmal oder ein Parameter, das/der in Bezug auf einen der oben genannten Gesichtspunkte beschrieben ist, auf jeden anderen Gesichtspunkt angewendet werden kann. Außerdem kann, außer im Falle des gegenseitigen Ausschlusses, jedes hierin beschriebene Merkmal oder jeder hierin beschriebene Parameter auf einen beliebigen Gesichtspunkt angewendet werden und/oder mit irgendeinem anderen hierin beschriebenen Merkmal oder Parameter kombiniert werden.
Ausführungsformen werden nun nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, in denen:

1 eine Querschnittseitenansicht eines Gasturbinentriebwerks ist;
2 eine Querschnittseitenansicht eines stromaufwärtigen Abschnitts eines Gasturbinentriebwerks aus der Nähe ist;
3 eine teilweise aufgeschnittene Ansicht eines Getriebes für ein Gasturbinentriebwerk ist;
4 eine schematische Vorderansicht einer beispielhaften Fan-Anordnung für ein Turbofan-Triebwerk ist;
5 eine teilweise aufgeschnittene Ansicht einer beispielhaften Nabe für die Fan-Anordnung von 4 ist; und
6 eine schematische Schnittansicht eines Abschnitts der Nabe von 5 ist.

1 veranschaulicht ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einer Hauptdrehachse 9. Das Triebwerk 10 umfasst einen Lufteinlass 12 und einen Antriebs-Fan 23, der zwei Luftströme erzeugt: einen Kernluftstrom A und einen Bypass-Luftstrom B. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Kern 11, der den Kernluftstrom A empfängt. Der Triebwerkskern 11 umfasst, in axialer Strömungsfolge, einen Niederdruckverdichter 14, einen Hochdruckverdichter 15, eine Verbrennungseinrichtung 16, eine Hochdruckturbine 17, eine Niederdruckturbine 19 und eine Kernauslassdüse 20. Eine Gondel 21 umgibt das Gasturbinentriebwerk 10 und definiert einen Bypass-Kanal 22 sowie eine Bypass-Auslassdüse 18. Der Bypass-Luftstrom B strömt durch den Bypass-Kanal 22. Der Fan 23 ist über eine Welle 26 und ein Umlaufrädergetriebe 30 an der Niederdruckturbine 19 angebracht und wird davon angetrieben. Das Turbofan-Triebwerk 10 kann daher im Allgemeinen als Getriebeturbofan-Triebwerk bezeichnet werden.
Im Gebrauch wird der Kernluftstrom A beschleunigt und durch den Niederdruckverdichter 14 verdichtet und in den Hochdruckverdichter 15 geleitet, wo er weiter verdichtet wird. Die aus dem Hochdruckverdichter 15 ausgelassene verdichtete Luft wird in die Verbrennungseinrichtung 16 geleitet, wo sie mit Treibstoff gemischt wird und das Gemisch verbrannt wird. Die resultierenden heißen Verbrennungsprodukte dehnen sich dann durch die Hochdruck- und die Niederdruckturbine 17, 19 aus und treiben diese dadurch an, bevor sie durch die Düse 20 ausgelassen werden, um einen gewissen Vortriebschub bereitzustellen. Die Hochdruckturbine 17 treibt den Hochdruckverdichter 15 über eine geeignete Verbindungswelle 27 an. Der Fan 23 stellt im Allgemeinen den Großteil des Vortriebschubs bereit. Das Umlaufrädergetriebe 30 ist ein Untersetzungsgetriebe.
Eine beispielhafte Anordnung für ein Getriebefan-Gasturbinentriebwerk 10 ist in 2 gezeigt. Die Niederdruckturbine 19 (siehe 1) treibt die Welle 26 an, die mit einem zentralen Ritzel oder Sonnenrad 28 der Umlaufrädergetriebeanordnung 30 gekoppelt ist. Radial auswärts von dem Sonnenrad 28 und in dieses eingreifend befindet sich eine Vielzahl von Planetenrädern 32, die durch einen Planetenträger 34 miteinander gekoppelt sind. Der Planetenträger 34 beschränkt die Planetenräder 32, um synchron um das Sonnenrad 28 zu präzessieren, während er jedem Planetenrad 32 ermöglicht, sich um seine eigene Achse zu drehen. Der Planetenträger 34 ist über Gestänge 36 mit dem Fan 23 gekoppelt, um seine Drehung um die Triebwerksachse 9 anzutreiben. Radial auswärts von den Planetenrädern 32 und in diese eingreifend befindet sich ein Zahnkranz oder Hohlrad 38, das über Gestänge 40 mit einer stationären Stützstruktur 24 gekoppelt ist.
Es ist zu beachten, dass die Begriffe „Niederdruckturbine“ und „Niederdruckverdichter“, wie hier verwendet, die Turbinenstufen mit dem niedrigsten Druck bzw. die Verdichterstufen mit dem niedrigsten Druck (d. h. nicht einschließlich des Fans 23) und/oder die Turbinen- und Verdichterstufen bedeuten, die durch die Verbindungswelle 26 mit der niedrigsten Drehzahl im Triebwerk verbunden sind (d. h. nicht einschließlich der Getriebeausgangswelle, die den Fan 23 antreibt). An einigen Literaturstellen können die „Niederdruckturbine“ und der „Niederdruckverdichter“, auf die hierin Bezug genommen wird, alternativ als die „Zwischendruckturbine“ und der „Zwischendruckverdichter“ bekannt sein. Wo eine solche alternative Nomenklatur verwendet wird, kann der Fan 23 als eine erste oder niedrigste Druckverdichtungsstufe bezeichnet werden.
Das Umlaufrädergetriebe 30 ist in 3 beispielhaft in größerem Detail gezeigt. Jedes von dem Sonnenrad 28, den Planetenrädern 32 und dem Hohlrad 38 weist Zähne an seinem Umfang auf, um mit den anderen Zahnrädern in Eingriff zu treten. Aus Gründen der Klarheit sind in 3 jedoch nur beispielhafte Abschnitte der Zähne veranschaulicht. Es sind vier Planetenräder 32 veranschaulicht, obwohl es für den Fachmann offensichtlich ist, dass innerhalb des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung mehr oder weniger Planetenräder 32 vorgesehen sein können. Praktische Anwendungen eines Planetenumlaufrädergetriebes 30 umfassen im Allgemeinen mindestens drei Planetenräder 32.
Das beispielhaft in den 2 und 3 veranschaulichte Umlaufrädergetriebe 30 ist vom Planetentyp, da der Planetenträger 34 über Gestänge 36 mit einer Ausgangswelle gekoppelt ist, wobei das Hohlrad 38 fixiert ist. Es kann jedoch jeder andere geeignete Typ eines Umlaufrädergetriebes 30 verwendet werden. Als weiteres Beispiel kann das Umlaufrädergetriebe 30 eine Sternanordnung sein, bei der der Planetenträger 34 fixiert gehalten wird und sich das Hohlrad (oder der Zahnkranz) 38 drehen kann. In einer solchen Anordnung wird der Fan 23 von dem Hohlrad 38 angetrieben. Als weiteres alternatives Beispiel kann das Getriebe 30 ein Differenzialgetriebe sein, bei dem sich sowohl das Hohlrad 38 als auch der Planetenträger 34 drehen können.
Es versteht sich, dass die in den 2 und 3 gezeigte Anordnung nur beispielhaft ist und dass verschiedene Alternativen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung liegen. Rein beispielhaft kann jede geeignete Anordnung zum Unterbringen des Getriebes 30 in dem Triebwerk 10 und/oder zum Verbinden des Getriebes 30 mit dem Triebwerk 10 verwendet werden. Als weiteres Beispiel können die Verbindungen (wie etwa das Gestänge 36, 40 in dem Beispiel der 2) zwischen dem Getriebe 30 und anderen Teilen des Triebwerks 10 (wie etwa der Eingangswelle 26, der Ausgangswelle und der feststehenden Struktur 24) einen beliebigen gewünschten Grad an Steifigkeit oder Flexibilität aufweisen. Als weiteres Beispiel kann jede geeignete Anordnung der Lager zwischen rotierenden und stationären Teilen des Triebwerks (zum Beispiel zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle von dem Getriebe und den feststehenden Strukturen, wie etwa dem Getriebegehäuse) verwendet werden, und die Offenbarung ist nicht auf die beispielhafte Anordnung von 2 beschränkt. Wenn zum Beispiel das Getriebe 30 eine Sternanordnung aufweist (oben beschrieben), würde der Fachmann leicht verstehen, dass die Anordnung von Ausgang und Stützgestängen und Lagerpositionen üblicherweise von der in 2 beispielhaft gezeigten Anordnung abweichen würde.
Dementsprechend erstreckt sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk mit einer beliebigen Anordnung von Getriebetypen (zum Beispiel Stern- oder Planetengetriebe), Stützstrukturen, Eingangs- und Ausgangswellenanordnung und Lagerpositionen.
Optional kann das Getriebe zusätzliche und/oder alternative Komponenten antreiben (z. B. den Zwischendruckverdichter und/oder einen Booster-Verdichter).
Andere Gasturbinentriebwerke, auf die die vorliegende Offenbarung angewendet werden kann, können alternative Konfigurationen aufweisen. Zum Beispiel können solche Triebwerke eine alternative Anzahl von Verdichtern und/oder Turbinen und/oder eine alternative Anzahl von Verbindungswellen aufweisen. Als weiteres Beispiel weist das in 1 gezeigte Gasturbinentriebwerk eine geteilte Strömungsdüse 20, 22 auf, was bedeutet, dass die Strömung durch den Bypass-Kanal 22 ihre eigene Düse hat, die von der Kerntriebwerksdüse 20 getrennt und radial außerhalb dieser angeordnet ist. Jedoch ist dies nicht einschränkend, und jeder Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung kann auch auf Triebwerke angewendet werden, in denen die Strömung durch den Bypass-Kanal 22 und die Strömung durch den Kern 11 vor (oder stromaufwärts von) einer einzigen Düse, die als Mischströmungsdüse bezeichnet werden kann, gemischt oder kombiniert werden. Eine oder beide Düsen (egal, ob Misch- oder geteilte Strömung) können eine feste oder variable Fläche aufweisen. Während sich das beschriebene Beispiel auf ein Turbofan-Triebwerk bezieht, kann die Offenbarung zum Beispiel auf jede Art von Fanangetriebenem Triebwerk angewendet werden, wie zum Beispiel einen offenen Rotor (bei dem die Fan-Stufe nicht von einer Gondel umgeben ist) oder ein Turboprop-Triebwerk. In einigen Anordnungen kann das Triebwerk 10 kein Getriebe 30 umfassen. In anderen Anordnungen kann der Fan von einem Elektromotor und nicht von einer Gasturbine angetrieben werden.
Andere Turbofan-Triebwerke, auf die die vorliegende Offenbarung angewendet werden kann, können alternative Konfigurationen aufweisen. Zum Beispiel können solche Triebwerke eine alternative Anzahl von Verdichtern und/oder Turbinen und/oder eine alternative Anzahl von Verbindungswellen aufweisen. Als weiteres Beispiel weist das Turbofan-Triebwerk 10 von 1 eine geteilte Strömungsdüse 20, 22 auf, was bedeutet, dass die Strömung durch den Bypass-Kanal 22 ihre eigene Düse hat, die von der Kerntriebwerksdüse 20 getrennt und radial außerhalb dieser angeordnet ist. Jedoch ist dies nicht einschränkend, und jeder Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung kann auch auf Triebwerke angewendet werden, in denen die Strömung durch den Bypass-Kanal 22 und die Strömung durch den Kern 11 vor (oder stromaufwärts von) einer einzigen Düse, die als Mischströmungsdüse bezeichnet werden kann, gemischt oder kombiniert werden. Eine oder beide Düsen (egal, ob Misch- oder geteilte Strömung) können eine feste oder variable Fläche aufweisen.
Die Geometrie des Gasturbinentriebwerks 10 und von Komponenten davon ist durch ein herkömmliches Achsensystem definiert, das eine axiale Richtung (die mit der Drehachse 9 ausgerichtet ist), eine radiale Richtung (in der Richtung von unten nach oben in 1) und eine Umfangsrichtung (senkrecht zu der Seite in der Ansicht von 1) aufweist. Die axiale, die radiale und die Umfangsrichtung sind zueinander senkrecht.
4 ist eine schematische Vorderansicht einer Fan-Anordnung 23 für ein beispielhaftes Triebwerk 10 des in den 1 und 2 gezeigten Typs. Die Fan-Anordnung 23 umfasst eine Vielzahl von Fan-Schaufeln 41, die um eine zentrale Fan-Scheibe oder -Nabe 42 herum angeordnet und an dieser angebracht sind, wobei sich die Fan-Anordnung 23 um eine Mittelachse 43 dreht. Die Fan-Anordnung 23 im veranschaulichten Beispiel umfasst 26 Fan-Schaufeln, kann aber in anderen Beispielen, wie oben beschrieben, mehr oder weniger Fan-Schaufeln umfassen. Ein erster Kreis 44 kann durch einen Außendurchmesser D_h der Nabe 42 definiert sein. Ein zweiter Kreis 45 kann durch einen Pfad definiert sein, der von den Spitzen der Fan-Schaufeln 41 ausgetragen wird und einen Außendurchmesser D_f des Fans 23 definiert. Ein Nabe-zu-Spitze-Verhältnis, R_ht , kann als das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser D_h der Nabe 42 zu dem Außendurchmesser D_f der Fan-Schaufeln 41 an den Fan-Schaufel-Spitzen definiert sein, d. h. $R_{h t} = \frac{D_{h}}{D_{f}} .$
Bei einigen bestehenden Turbofan-Gasturbinentriebwerken kann ein Verhältnis zwischen der Masse der Nabe und der kombinierten Masse der Fan-Schaufeln im Bereich von etwa 0,45 bis etwa 0,7, wie hierin definiert, liegen. Solche Triebwerke weisen jedoch in der Regel ein wesentlich höheres Nabe-zu-Spitze-Verhältnis und/oder einen wesentlich kleineren Fan-Außendurchmesser auf. Da die Triebwerkstechnologie Fortschritte bei der Bereitstellung von erhöhten Schub-zu-Masse-Verhältnissen gemacht hat, hat sich das Nabe-zu-Spitze-Verhältnis mit zunehmendem Durchmesser der Fan-Anordnung tendenziell verringert, zusammen mit dem allgemeinen Gesamtziel, die Masse nach Möglichkeit zu reduzieren, auch an der Nabe der Fan-Anordnung. Infolgedessen weisen bestehende Fan-Anordnungen mit einem Nabe-zu-Spitze-Verhältnis zwischen etwa 0,2 und 0,4 oder mit einem Fan-Außendurchmesser von 220 cm oder mehr ein Masseverhältnis von Nabe zu Fan von unter (und in der Regel deutlich unter) 0,5 oder 0,45 auf. Ein niedriges Masseverhältnis von Nabe zu Fan hat sich überraschenderweise als signifikanter Faktor oder Ursache für Vibrationen erwiesen, die sich in der Nabe und/oder den Fan-Schaufeln aufbauen. Durch Erhöhen des Verhältnisses, das durch Erhöhen der Nabenmasse und/oder Verringern der Masse der Fan-Schaufeln erreicht werden kann, wurde festgestellt, dass eine Reduzierung problematischer Vibrationen möglich ist, insbesondere bei niedrigen Fan-Drehzahlen.
In Ausführungsbeispielen kann der Fan-Außendurchmesser D_f 220 cm oder größer, 280 cm oder größer, 330 cm oder größer, 350 cm oder größer sein oder im Allgemeinen zwischen etwa 220 und 400 cm betragen. Wie oben erwähnt, kann das Nabe-zu-Spitze-Verhältnis zwischen etwa 0,2 und 0,4 oder in anderen Bereichen zwischen diesen Grenzen liegen.
5 ist eine teilweise ausgeschnittene Ansicht einer beispielhaften Fan-Scheibe oder -Nabe, 42 einer Fan-Anordnung 23 des in 4 gezeigten Typs. Jede Fan-Schaufel (nicht in 5 gezeigt) ist an der Nabe 42 angebracht, indem die Wurzel der Fan-Schaufel in einem Fan-Wurzel-Schlitz oder einer Fan-Wurzel-Buchse 51 mit einer entsprechenden Verriegelungsform angeordnet ist, die eine Schwalbenschwanzverbindung mit der Fan-Wurzel bildet. Jeder der Schlitze 51 ist um einen Rand 52 der Nabe 42 herum angeordnet. Der Rand 52 weist eine radiale Mindestdicke t_min 53 auf, die als der radiale Mindestabstand zwischen einer Basis des Schlitzes 51 und einem inneren Hohlraum 54 innerhalb der Nabe 42 definiert ist. Die Nabe 42 ist mit einem Ausgang des Getriebes 30 (3) des Triebwerks 10 an einem stromabwärtigen Ende 55 der Nabe 42 gekoppelt. Die Verbindung zum Getriebe 30 kann zum Beispiel über eine Keilverbindung zu einer Welle hergestellt werden, die durch einen Ausgang des Getriebes angetrieben wird. Andere Arten des Verbindens der Nabe 42 mit dem Getriebe sind ebenfalls möglich. In dem in 5 gezeigten Beispiel hat das stromabwärtige Ende 55 die Form eines konischen hohlen Abschnitts. Eine Reihe von Paaren von ringförmigen Zwischenstückbefestigungen 56 ist um den Außenumfang der Nabe 42 verteilt, wobei jedes Paar 56 axial beabstandet und konfiguriert ist, um ein ringförmiges Zwischenstück (nicht gezeigt) zwischen einem Paar benachbarter Fan-Schaufeln im montierten Triebwerk 10 zu halten. Der Nabenaußendurchmesser ist durch die Außenfläche der ringförmigen Zwischenstücke definiert, die mit der Außenfläche der Fan-Wurzeln bündig sind.
Die Mindestranddicke von bestehenden Naben der Fan-Anordnung liegt im Allgemeinen zwischen etwa 10 mm und 15 mm und ist in der axialen Richtung der Nabe nominal konstant. Bei größeren Fan-Anordnungen, zum Beispiel solchen mit einem Außendurchmesser D_f größer als etwa 220 cm, hat sich herausgestellt, dass die Verwendung einer Nabe mit einer Randdicke in diesem Bereich zu Vibrationen der Nabe führt, insbesondere während des Triebwerkbetriebs bei niedriger Drehzahl. Es hat sich herausgestellt, dass dies größtenteils auf die relativ hohe Masse der Fan-Schaufeln zurückzuführen ist. Bei Fan-Durchmessern, die größer als etwa 220 cm sind, wurde festgestellt, dass diese Vibration während des Triebwerkbetriebs bei niedriger Drehzahl reduziert oder beseitigt werden kann, indem sichergestellt wird, dass die Mindestranddicke tmin der Nabe 42 mindestens bis zu einem gewissen Grad mit dem Fan-Durchmesser des Fan-Moduls, zu dem die Nabe 42 gehört, skaliert.
Die Randdicke D der Fan-Scheibe 42 kann zum Beispiel zwischen 0,5 % und 1,1 % des Fan-Durchmessers D_f der Fan-Anordnung 23 liegen. Wenn die Fan-Anordnung 23 einen Fan-Außendurchmesser D_f von 229 cm aufweist, würde die Mindestranddicke t_min der Nabe 42 im Bereich von etwa 11,4 mm bis etwa 25,1 mm liegen. In diesem Fall kann eine zusätzliche Mindestuntergrenze von 15 mm gelten, um Vibrationen zu vermeiden. Wenn das Fan-Modul 23 einen Fan-Durchmesser von 356 cm aufweist, würde die Mindestranddicke t_min der Nabe 42 im Bereich von etwa 17,8 mm bis etwa 39,1 mm liegen, wobei in einigen Fällen eine Randdicke, die größer als etwa 35 mm ist, nicht unbedingt erforderlich ist. In einem allgemeinen Gesichtspunkt kann die Mindestranddicke der Nabe daher zwischen etwa 0,5 % und 1,1 % des Fan-Außendurchmessers liegen, optional mit einer Obergrenze von etwa 35 mm und weiterhin optional mit einer Untergrenze von 15 mm.
Obwohl das Erhöhen der Randdicke eine Möglichkeit zum Erhöhen der Masse der Nabe ist, können auch andere Möglichkeiten zum Erhöhen der Nabenmasse genutzt werden, zum Beispiel durch Erhöhen der Dicke einer oder mehrerer der Stützmembranen 57, die sich zwischen dem Rand 52 und der Mitte der Nabe 42 erstrecken. Weitere Merkmale der Nabe 42 können alternativ oder zusätzlich geändert werden, um eine Erhöhung der Gesamtmasse zu bereitzustellen.
Die Masse der Nabe 42 kann als die Masse der Nabe allein, d. h. ohne die Masse der Wurzelabschnitte der Fan-Schaufeln und die Masse von an der Nabe 42 angebrachten ringförmigen Zwischenstücken, definiert sein. Die Masse der Fan-Schaufeln kann als die Masse der Laufschaufeln, einschließlich der Wurzelabschnitte der Laufschaufeln, die sich in die Nabe 42 erstrecken, definiert sein.
6 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Abschnitts der Nabe 42 von 5 um einen der Schlitze 51 zum Halten einer Fan-Wurzel im Vergleich zu einer herkömmlichen Nabe. Die herkömmliche Nabe 61, angegeben durch gestrichelte Linien, weist einen Rand 62 mit einer kleineren radialen Mindestdicke 63 als die radiale Mindestdicke tmin der beispielhaften Nabe 42, angegeben durch durchgezogene Linien, auf. Dies kann zu einer deutlichen Massezunahme führen, die allein ausreichen kann, um das Masseverhältnis von Nabe zu Fan auf den gewünschten Bereich anzuheben.
Die radiale Dicke 53 kann entlang der axialen Richtung der Fan-Scheibe 42 im Wesentlichen konstant sein. In alternativen Beispielen kann die radiale Dicke 53 entlang der axialen Richtung variieren, zum Beispiel um eine Zunahme der Dicke und damit der Masse an Stellen, an denen Spitzenvibrationen zu erwarten sind, zu nutzen.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und dass verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hierin beschriebenen Konzepten abzuweichen. Außer im Falle des gegenseitigen Ausschlusses kann jedes der Merkmale getrennt oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, und die Offenbarung erstreckt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen von einem oder mehreren hierin beschriebenen Merkmalen und schließt diese ein.

Claims

Gasturbinentriebwerk (10) für ein Flugzeug, umfassend: einen Triebwerkskern (11), umfassend eine Turbine (19), einen Verdichter (14) und eine Kernwelle (26), die die Turbine (19) mit dem Verdichter (14) verbindet; eine Fan-Anordnung (23), die stromaufwärts des Triebwerkskerns (11) angeordnet ist; und ein Getriebe (30), das einen Eingang von der Kernwelle (26) empfängt und Antrieb zu der Fan-Anordnung (23) ausgibt, um die Fan-Anordnung (23) mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle (26) anzutreiben, wobei die Fan-Anordnung (23) eine Vielzahl von Fan-Schaufeln (41) umfasst, die um eine Nabe (42) herum montiert sind, wobei die Fan-Schaufeln (41) Schaufelspitzen aufweisen, die einen Außendurchmesser der Fan-Anordnung (23) von etwa 220 cm bis etwa 400 cm definieren, wobei die Nabe (42) eine Vielzahl von Schlitzen (51) umfasst, die um einen Rand (52) der Nabe (42) angeordnet sind, wobei jeder Schlitz (51) eine Wurzel einer entsprechenden Fan-Schaufel (41) aufnimmt, wobei ein Verhältnis einer Masse der Nabe zu einer Gesamtmasse der Vielzahl von Fan-Schaufeln im Bereich von etwa 0,45 bis etwa 0,7 liegt.
Gasturbinentriebwerk (10) nach Anspruch 1, wobei ein Nabe-zu-Spitze-Verhältnis der Fan-Anordnung zwischen etwa 0,2 und 0,4 liegt.
Gasturbinentriebwerk (10) für ein Flugzeug, umfassend: einen Triebwerkskern (11), umfassend eine Turbine (19), einen Verdichter (14) und eine Kernwelle (26), die die Turbine (19) mit dem Verdichter (14) verbindet; eine Fan-Anordnung (23), die stromaufwärts des Triebwerkskerns (11) angeordnet ist; und ein Getriebe (30), das einen Eingang von der Kernwelle (26) empfängt und Antrieb zu der Fan-Anordnung (23) ausgibt, um die Fan-Anordnung (23) mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle (26) anzutreiben, wobei die Fan-Anordnung (23) eine Vielzahl von Fan-Schaufeln (41) umfasst, die um eine Nabe (42) herum montiert sind, wobei ein Nabe-zu-Spitze-Verhältnis der Fan-Anordnung (23) zwischen etwa 0,2 und 0,4 liegt, wobei die Nabe (42) eine Vielzahl von Schlitzen (51) umfasst, die um einen Rand (52) der Nabe (42) angeordnet sind, wobei jeder Schlitz (51) eine Wurzel einer entsprechenden Fan-Schaufel (41) aufnimmt, wobei ein Verhältnis einer Masse der Nabe zu einer Gesamtmasse der Vielzahl von Fan-Schaufeln (41) im Bereich von etwa 0,45 bis etwa 0,7 liegt.
Gasturbinentriebwerk (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis der Masse der Nabe zu einer Gesamtmasse der Vielzahl von Fan-Schaufeln (41) im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 0,65 liegt.
Gasturbinentriebwerk (10) nach Anspruch 4, wobei das Verhältnis der Masse der Nabe zu einer Gesamtmasse der Vielzahl von Fan-Schaufeln (41) im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 0,6 liegt.
Gasturbinentriebwerk (10) nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei das Nabe-zu-Spitze-Verhältnis der Fan-Anordnung (23) zwischen etwa 0,2 und 0,3 liegt.
Gasturbinentriebwerk (10) nach Anspruch 3, wobei die Fan-Schaufeln (41) Schaufelspitzen aufweisen, die einen Außendurchmesser der Fan-Anordnung (23) von etwa 220 cm bis etwa 400 cm definieren.
Gasturbinentriebwerk (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine radiale Mindestdicke des Rands (52) im Bereich von etwa 0,5 % bis etwa 1,1 % des Fan-Außendurchmessers liegt.
Gasturbinentriebwerk (10) nach Anspruch 8, wobei die radiale Mindestdicke nicht größer als 35 mm ist.
Gasturbinentriebwerk (10) nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei ein Mittelwert der Mindestranddicke entlang einer Drehachse der Fan-Anordnung im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 1,1 % des Fan-Außendurchmessers liegt.
Gasturbinentriebwerk (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Außendurchmesser der Fan-Anordnung (23) etwa 280 cm oder mehr beträgt.
Gasturbinentriebwerk (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Außendurchmesser der Fan-Anordnung (23) etwa 330 cm oder mehr beträgt.
Gasturbinentriebwerk (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Übersetzungsverhältnis des Getriebes im Bereich von 3,2 bis 5 liegt.
Gasturbinentriebwerk (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Übersetzungsverhältnis des Getriebes im Bereich von 3,2 bis 4,2 liegt.
Gasturbinentriebwerk (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei: die Turbine eine erste Turbine (19) ist, der Verdichter ein erster Verdichter (14) ist und die Kernwelle eine erste Kernwelle (26) ist; der Triebwerkskern ferner eine zweite Turbine (17), einen zweiten Verdichter (15) und eine zweite Kernwelle (27), die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet, umfasst; und die zweite Turbine, der zweite Verdichter und die zweite Kernwelle so angeordnet sind, dass sie sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle drehen.